Какие преимущества имеет растровый способ кодирования рисунков не искажаются при увеличении

Растровое кодирование

Вы будете перенаправлены на Автор24

Растры, пиксели, дискретизация, разрешение

Как и все виды информации, изображения в компьютере закодированы в виде двоичных последовательностей. Используют два принципиально разных метода кодирования, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

И линия, и область состоят из бесконечного числа точек. Цвет каждой из этих точек нам нужно закодировать. Если их бесконечно много, мы сразу приходим к выводу, что для этого нужно бесконечно много памяти. Поэтому «поточечным» способом изображение закодировать не удастся. Однако, эту все-таки идею можно использовать.

Начнем с черно-белого рисунка. Представим себе, что на изображение ромба наложена сетка, которая разбивает его на квадратики. Такая сетка называется растром. Теперь для каждого квадратика определим цвет (черный или белый). Для тех квадратиков, в которых часть оказалась закрашена черным цветом, а часть белым, выберем цвет в зависимости от того, какая часть (черная или белая) больше.

У нас получился так называемый растровый рисунок, состоящий из квадратиков-пикселей.

Пиксель (англ. pixel = picture element, элемент рисунка) – это наименьший элемент рисунка, для которого можно задать свой цвет. Разбив «обычный» рисунок на квадратики, мы выполнили его дискретизацию – разбили единый объект на отдельные элементы. Действительно, у нас был единый и неделимый рисунок – изображение ромба. В результаты мы получили дискретный объект – набор пикселей.

Двоичный код для черно-белого рисунка, полученного в результате дискретизации можно построить следующим образом:

Готовые работы на аналогичную тему

• заменяем белые пиксели нулями, а черные – единицами;
• выписываем строки полученной таблицы одну за другой.

Покажем это на простом примере:

Ширина этого рисунка – $8$ пикселей, поэтому каждая строчка таблицы состоит из $8$ двоичных разрядов – битов. Чтобы не писать очень длинную цепочку нулей и единиц, удобно использовать шестнадцатеричную систему счисления, закодировав $4$ соседних бита (тетраду) одной шестнадцатеричной цифрой.

Например, для первой строки получаем код $1A_<16>$:

а для всего рисунка: $1A2642FF425A5A7E_<16>$.

Очень важно понять, что мы приобрели и что потеряли в результате дискретизации. Самое важное – мы смогли закодировать рисунок в двоичном коде. Однако при этом рисунок исказился — вместо ромба мы получили набор квадратиков. Причина искажения в том, что в некоторых квадратиках части исходного рисунка были закрашены разными цветами, а в закодированном изображении каждый пиксель обязательно имеет один цвет. Таким образом, часть исходной информации при кодировании была потеряна. Это проявится, например, при увеличении рисунка — квадратики увеличиваются, и рисунок еще больше искажается. Чтобы уменьшить потери информации, нужно уменьшать размер пикселя, то есть увеличивать разрешение.

Разрешение – это количество пикселей, приходящихся на дюйм размера изображения.

Разрешение обычно измеряется в пикселях на дюйм (используется английское обозначение $ppi$ = pixels per inch). Например, разрешение $254$ $ppi$ означает, что на дюйм ($25,4$ мм) приходится $254$ пикселя, так что каждый пиксель «содержит» квадрат исходного изображения размером $0,1×0,1$ мм. Чем больше разрешение, тем точнее кодируется рисунок (меньше информации теряется), однако одновременно растет и объем файла.

Кодирование цвета

Что делать, если рисунок цветной? В этом случае для кодирования цвета пикселя уже не обойтись одним битом. Например, в показанном на рисунке изображении российского флага $4$ цвета: черный, синий, красный и белый. Для кодирования одного из четырех вариантов нужно $2$ бита, поэтому код каждого цвета (и код каждого пикселя) будет состоять из двух бит. Пусть $00$ обозначает черный цвет, $01$ – красный, $10$ – синий и $11$ – белый. Тогда получаем такую таблицу:

Проблема только в том, что при выводе на экран нужно как-то определить, какой цвет соответствует тому или другому коду. То есть информацию о цвете нужно выразить в виде числа (или набора чисел).

Человек воспринимает свет как множество электромагнитных волн. Определенная длина волны соответствуют некоторому цвету. Например, волны длиной $500-565$ нм – это зеленый цвет. Так называемый «белый» свет на самом деле представляет собой смесь волн, длины которых охватывают весь видимый диапазон.

Согласно современному представлению о цветном зрении (теории Юнга-Гельмгольца), глаз человека содержит чувствительные элементы трех типов. Каждый из них воспринимает весь поток света, но первые наиболее чувствительны в области красного цвета, вторые – области зеленого, а третьи – в области синего цвета. Цвет – это результат возбуждения всех трех типов рецепторов. Поэтому считается, что любой цвет (то есть ощущения человека, воспринимающего волны определенной длины) можно имитировать, используя только три световых луча (красный, зеленый и синий) разной яркости. Следовательно, любой цвет приближенно раскладывается на три составляющих – красную, зеленую и синюю. Меняя силу этих составляющих, можно составить любые цвета. Эта модель цвета получила название RGB по начальным буквам английских слов red (красный), green (зеленый) и blue (синий).

В модели RBG яркость каждой составляющей (или, как говорят, каждого канала) чаще всего кодируется целым числом от $0$ до $255$. При этом код цвета – это тройка чисел (R,G,B), яркости отдельных каналов. Цвет ($0,0,0$) – это черный цвет, а ($255,255,255$) – белый. Если все составляющие имеют равную яркость, получаются оттенки серого цвета, от черного до белого.

Чтобы сделать светло-красный (розовый) цвет, нужно в красном цвете ($255,0,0$) одинаково увеличить яркость зеленого и синего каналов, например, цвет ($255, 150, 150$) – это розовый. Равномерное уменьшение яркости всех каналов делает темный цвет, например, цвет с кодом ($100,0,0$) – тёмно-красный.

Всего есть по $256$ вариантов яркости каждого из трех цветов. Это позволяет закодировать $256^3= 16 777 216$ оттенков, что более чем достаточно для человека. Так как $256 = 2^8$, каждая из трех составляющих занимает в памяти $8$ бит или $1$ байт, а вся информация о каком-то цвете – $24$ бита (или $3$ байта). Эта величина называется глубиной цвета.

Глубина цвета – это количество бит, используемое для кодирования цвета пикселя.

$24$-битное кодирование цвета часто называют режимом истинного цвета (англ. True Color – истинный цвет). Для вычисления объема рисунка в байтах при таком кодировании нужно определить общее количество пикселей (перемножить ширину и высоту) и умножить результат на $3$, так как цвет каждого пикселя кодируется тремя байтами. Например, рисунок размером $20×30$ пикселей, закодированный в режиме истинного цвета, будет занимать $20×30×3 = 1800$ байт.

Кроме режима истинного цвета используется также $16$-битное кодирование (англ. High Color – «высокий» цвет), когда на красную и синюю составляющую отводится по $5$ бит, а на зеленую, к которой человеческий глаз более чувствителен – $6$ бит. В режиме High Color можно закодировать $2^ <16>= 65 536$ различных цветов. В мобильных телефонах $12$-битное кодирование цвета ($4$ бита на канал, $4096$ цветов).

Кодирование с палитрой

Как правило, чем меньше цветов используется, тем больше будет искажаться цветное изображение. Таким образом, при кодировании цвета тоже есть неизбежная потеря информации, которая «добавляется» к потерям, вызванным дискретизацией. Очень часто (например, в схемах, диаграммах и чертежах) количество цветов в изображении невелико (не более $256$). В этом случае применяют кодирование с палитрой.

Цветовая палитра – это таблица, в которой каждому цвету, заданному в виде составляющих в модели RGB, сопоставляется числовой код.

Кодирование с палитрой выполняется следующим образом:

• выбираем количество цветов $N$ (как правило, не более $256$);
• из палитры истинного цвета ($16 777 216$ цветов) выбираем любые $N$ цветов и для каждого из них находим составляющие в модели RGB;
• каждому из цветов присваиваем номер (код) от $0$ до $N–1$;
• составляем палитру, записывая сначала RGB-составляющие цвета, имеющего код $0$, затем составляющие цвета с кодом $1$ и т.д.

Цвет каждого пикселя кодируется не в виде значений RGB-составляющих, а как номер цвета в палитре. Например, при кодировании изображения российского флага (см. выше) были выбраны $4$ цвета:

• черный: RGB-код ($0,0,0$); двоичный код $002$;
• красный: RGB-код ($255,0,0$); двоичный код $012$;
• синий: RGB-код ($0,0,255$); двоичный код $102$;
• белый: RGB-код ($255,255,255$); двоичный код $112$.

Поэтому палитра, которая обычно записывается в специальную служебную область в начале файла (ее называют заголовком файла), представляет собой четыре трехбайтных блока:

Код каждого пикселя занимает всего два бита.

Палитры с количеством цветом более $256$ на практике не используются.

Достоинства и недостатки растрового кодирования

Растровое кодирование имеет достоинства:

• универсальный метод (можно закодировать любое изображение);
• единственный метод для кодирования и обработки размытых изображений, не имеющих четких границ, например, фотографий.

И недостатки:

• при дискретизации всегда есть потеря информации;
• при изменении размеров изображения искажается цвет и форма объектов на рисунке, поскольку при увеличении размеров надо как-то восстановить недостающие пиксели, а при уменьшении – заменить несколько пикселей одним;
• размер файла не зависит от сложности изображения, а определяется только разрешением и глубиной цвета.

Как правило, растровые рисунки имеют большой объем.

Источник

Кодирование растровых рисунков

Содержимое разработки

Тема: «Кодирование рисунков: растровый метод»

Тип урока: повторительно-обобщающий с выходом на получение новых знаний.

Цели урока:
— систематизировать представления учащихся о растровой графике.
— помочь научится правильно выбирать формат (способ представления) графических файлов в зависимости от решаемой задачи;
— развитие познавательных интересов, навыков работы с графическим редактором.
— воспитывать внимательность, аккуратность, интерес к предмету.

Оборудование:
интерактивная доска (экран), компьютер, компьютерная презентация, тесты, светодиодная лента (rgb).

План урока:
I. Орг. момент. (1 мин)
II. Проверка и актуализация знаний. (12 мин)
III. Теоретическая часть. (15 мин)
IV. Практическая часть. (7 мин)
V. Д/з (1 мин)
VI. Вопросы учеников. (2 мин)
VII. Итог урока. (2 мин)

Приветствие, проверка присутствующих. Объяснение хода урока.

II. Актуализация знаний.

Современные компьютеры – это универсальные устройства, они могут обрабатывать разные виды данных: числа, тексты, рисунки, звуки. Все эти данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому их нужно представлять (ученые говорят: кодировать) сходным способом – так, как удобно для компьютера.

Язык, «понятный» компьютеру – это нули и единицы. Это значит, что все типы данных хранятся, обрабатываются и передаются как цепочки нулей и единиц. Говорят, что они закодированы с помощью двоичного кода. Двоичный код – это код, в котором используются только два знака (обычно – 0 и 1).

Повторим, что мы знаем о кодировании текста и чисел с помощью теста. Ваша оценка за урок будет складываться как оценка за тест, ваша работа на уроке, результат вашей практической работы на компьютере.

Учащиеся выполняют тест на компьютерах.

Для дальнейшей работы нам потребуется вспомнить три понятия необходимых нам сегодня на уроке.

С помощью игры «Поле чудес» учащиеся вспоминают:

Пиксель — наименьший элемент рисунка, для которого можно задать свой цвет.

Растровый рисунок — это рисунок, который представлен в памяти как множество точек разного цвета (пикселей).

Дискретизация — Представление единого объекта в виде множества отдельных элементов.

О кодировании какого вида информации мы будем говорить сегодня?

III. Теоретическая часть.

Вы уже работали с графическими редакторами и видели, что получается, если очень сильно увеличить рисунок:

Изображение состоит из отдельных квадратиков, и перекрасить часть такого элемента невозможно, можно только закрасить одним цветом весь элемент. Элементы, из которых состоят цифровые рисунки, называются пикселями.

Как преобразовать «обычный» рисунок в растровый?

Начнем с черно-белого рисунка. Представим себе, что на изображение ромба наложена сетка, которая разбивает его на квадратики. Такая сетка называется растром. Теперь для каждого квадратика определим цвет (черный или белый). Для тех квадратиков, в которых часть оказалась закрашена черным цветом, а часть белым, выберем цвет в зависимости от того, какая часть (черная или белая) больше.

У нас получился так называемый растровый рисунок, состоящий из квадратиков-пикселей. Пиксель – это наименьший элемент цифрового рисунка, для которого можно задать свой цвет независимо от других. Рисунок, который представлен в компьютере в виде набора пикселей, называют растровым или точечным (слово растр обозначает точечную структуру рисунка). Растровый рисунок – это рисунок, который представлен в памяти как множество точек разного цвета (пикселей).

Разбив «обычный» рисунок на квадратики, мы выполнили его дискретизацию – разделили единый объект на отдельные элементы. Действительно, у нас был единый рисунок – изображение ромба. В результаты мы получили дискретный объект – набор пикселей.

Очень важно понять, что мы приобрели и что потеряли в результате дискретизации. Самое главное – мы смогли закодировать изображение в двоичном коде. Однако при этом рисунок исказился – вместо ромба мы получили набор квадратиков. Причина искажения в том, что в некоторых квадратиках части исходного рисунка были закрашены разными цветами, а в закодированном изображении каждый пиксель обязательно имеет один цвет. Таким образом, часть исходной информации при кодировании была потеряна. Это проявится, например, при увеличении рисунка – квадратики увеличиваются, и рисунок еще больше искажается. Чтобы уменьшить потери информации, нужно уменьшать размер пикселя, то есть увеличивать разрешение.

Чаще всего для преобразования «обычных» рисунков в растровые мы используем сканер.

Разрешающая способность (разрешение) сканера – это наибольшее количество точек на единицу длины, которые способен различить сканер.

Разрешение обычно измеряется в пикселях на дюйм (используется английское обозначение ppi = pixels per inch). Чем больше разрешение, тем точнее кодируется рисунок (меньше информации теряется), однако одновременно растет и объем файла.

Учащиеся решают задачи:

Размер растрового изображения 20 на 15 пикселей. Из какого количества пикселей состоит это изображение?
Размер растрового изображения 800 на 600 пикселей. Из какого количества пикселей состоит это изображение?
Размер растрового изображения 2592 на 1944 пикселей. Из какого количества пикселей состоит это изображение?

Как же получить двоичный код рисунка, состоящего из пикселей-квадратиков?

Двоичный код для черно-белого рисунка, полученного в результате дискретизации можно построить следующим образом:

• заменяем белые пиксели нулями, а черные – единицами;
• выписываем строки полученной таблицы одну за другой.

Закодируйте рисунок двоичным кодом (учащиеся выполняю кодирование):

Чтобы не писать очень длинную цепочку нулей и единиц, удобно использовать шестнадцатеричную систему счисления, закодировав 4 соседних бита (тетраду) одной шестнадцатеричной цифрой.

Запишите результат в шестнадцатеричном виде (учащиеся переводят двоичной код в шестнадцатеричную запись).

А теперь решите обратную задачу: нарисуйте в тетрадях закодированный рисунок.

«Постройте черно-белый рисунок размером 8 на 8 пикселей, закодированный шестнадцатеричной последовательностью 00707F7E5EDE9212».

Учащиеся строят рисунок.

Компьютерные изображения «превращают» в «обычные» бумажные с помощью принтера. Одна из важных характеристик принтера – это разрешение.

Разрешающая способность (разрешение) принтера — это максимальное количество точек, которые он способен напечатать на единицу длины.

Учащиеся решают задачу:

Какой размер в пикселях должен иметь закодированный рисунок с разрешением 300 ppi, чтобы с него можно было напечатать фотографию размером 10×15 см?

Как закодировать рисунок, содержащей оттенки серого цвета?

Для кодирования одного из четырех вариантов нужно 2 бита, поэтому код каждого цвета (и код каждого пикселя) будет состоять из двух битов.

«Сколько нужно бит для кодирования цвета одного пикселя, если рисунок содержит …. оттенков серого?»

Проблема только в том, что при выводе на экран нужно как-то определить, какой цвет соответствует тому или другому коду. То есть информацию о цвете нужно выразить в виде числа (или набора чисел).

Как же кодируется цвет?

По современной теории цветного зрения, глаз человека содержит чувствительные элементы трёх типов. Элементы первого типа лучше всего чувствуют красный цвет, элементы второго типа – зелёный, а элементы третьего типа – оттенки синего цвета. Цвет, который мы видим, получается как результат сложения сигналов от всех чувствительных элементов. Поэтому считается, что любой цвет (то есть ощущения человека) можно имитировать, используя только три световых луча (красный, зелёный и синий) разной яркости. Эта модель цвета называется моделью RGB по начальным буквам английских слов Red (красный), Green (зелёный) и Blue (синий).

В спомним, что независимо от конструкции, экран любого монитора строится из отдельных точек (элементы экрана часто называют пикселями), причем каждая из них образована близко расположенными областями трех основных цветов – красного, зеленого и синего (RGB — Red, Green, Blue). Расстояние между этими областями очень маленькое и глаз воспринимает их как одну точку.

Подобным образом работает светодиодная RGB лента, которая часто применяется в отделке интерьера дома. Учитель демонстрирует работу ленты.

Существует очень много различных форматов файлов для хранения изображений. Чаще всего мы встречаемся с такими форматами:

BMP (файлы с расширением .bmp) — стандартный формат растровых рисунков в операционной системе Windows; чаще всего не использует сжатие, поэтому рисунки занимают много места;

JPEG (файлы с расширениями .jpg и .jpeg) был разработан специально для хранения фотографий; в нем используется сжатие с потерями; степень сжатия (и качество рисунка) можно задать при сохранении файла;

GIF (файлы с расширением .gif) предназначен для рисунков с количеством цветов не более 256; использует сжатие без потерь; пиксели могут быть прозрачными; в таком формате можно хранить анимацию (короткие видеоролики);

PNG (файлы с расширением .png) — универсальный формат, использующий сжатие без потерь; пиксели могут быть частично прозрачными (это проявится, например, при наложении такого рисунка на фон страницы сайта в Интернете).

III. Практическая часть.

У нас есть рисунок веселого паровозика с вагончиками. Давайте раскрасим его. Для каждой области дан RGB код цвета. Но, чтобы выполнить задание полностью, вам потребуется еще вспомнить двоичную систему счисления (на рисунке код в 10-й, в таблице к заданию в 2-й системе счисления, строки начиная с 6-й перепутаны).

Далее учащиеся самостоятельно выполняют задание на компьютерах.

1) Постройте черно-белый рисунок шириной 16 пикселей, закодированный шестнадцатеричной последовательностью 0018810CC306FF03DB03FF03FFFE7EFE18C600C601CE01CE

2) Творческое:
Нарисуйте свой черно-белый рисунок шириной 8 или 16 пикселей, закодируйте его шестнадцатеричной последовательностью.

V. Вопросы учеников.
Ответы на вопросы учащихся.

VI. Итог урока.
Подведение итога урока. Выставление оценок.
На уроке мы систематизировали наши знания о графических изображениях, кодировании растровых изображений, вспомнили форматы графических файлов, поработали с цветом в графическом редакторе.

Источник