Способы кодирования компьютерной графики
Познавая окружающий мир, человек часто представляет информацию о нем в географической форме при помощи рисунков, схем, графиков, фотографий и других графических изображений.
Современная компьютерная техника работает с самыми разными графическими изображениями. Для автоматизации хранения, передачи и обработки графической информации. так же как и для текстовой и числовой информации, необходимо ее кодировать.
Числовая и текстовая информация является дискретной, так как представлена отдельными элементами — числами и символами. В отличии от них графическая информация является является непрерывной. Поэтому для кодирования данных изображение необходимо разделить на отдельные элементы.
В зависимости от способа формирования и кодирования изображения компьютерная графика подразделяется на растровую, векторную и фактическую.
Вначале рассмотрим способ кодирования графического изображения (графических данных), который основан на разделении изображения на отдельные дискретные элементы -точки, называемые пикселями.
Термин «пиксель» произошел от английского слова pixel, которое образованно от двух других слов picture element — элемент изображения. При просмотре на расстоянии отдельные и не закрашенные клетки сливаются в единый рисунок. Поскольку совокупность пикселей, составляющих прямоугольную область, называется растром, то такой способ кодирования графических данных называется растровым.
Для того чтобы понять, каким образом с помощью чисел можно кодировать растровое изображение, рассмотрим один из способов кодирование черно — белого (двухцветного) рисунка.
Представить в виде двоичного и шестнадцатеричного кода изображение буквы Н черного цвета на белом фоне ) рис. 45, а) с помощью растра, ширина и высота которого 8 пикселей.
■ Решение. Разделим прямоугольную область изображения на отдельные элементы с помощью растра, состоящего из 8 пикселей по горизонтали и 8 пикселей по вертикали (рис. 45, б). Поскольку каждый из 64 пикселей может быть закрашен в черный цвет или оставаться белым, то цвет одного пикселя кодируем единицей или нулем соответственно (рис. 45, в). Записав двоичный код каждой строки растра, получим последовательность из 64 нулей и единиц: 00000000 01000010 01000010 01000010 01111110
01000010 01000010 01000010. Для сокращения длины записи заменим по уже известным правилам двоичный код шестнадцатеричным кодом 00 42 42 42 7 Е 42 42 42.
Ответ. Растровое изображение можно представить двоичным кодом 000000000100001001000010010000100011111100100001001000 01001000010 или шестнадцатеричным кодом 004242427Е424242.
Полученный двоичный код, в котором последовательно представлен цвет каждого пикселя растрового изображения, может храниться, передаваться и обрабатываться с помощью компьютера. Зная количество цветов, необходимых для создания компьютерного растрового изображения, вычисляют количество двоичных разрядов, требуемых для кодирования цвета каждого пикселя, говоря другими словами, глубину кодирования цвета.
Глубина кодирования цвета — количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета одного пикселя растрового графического изображения.
Глубина кодирования цвета измеряется в битах.
Чем больше глубина кодирования цвета, тем большее количество цветов можно воспроизвести. Например, для хранения каждого из двойных цветов пикселя требуется 1 бит памяти (2′ — 2, / = 1 бит), а для хранения каждого из 256 цветов пикселя — 8 битов памяти (2′ = 256, / = 8 бит). В первом случае глубина кодирования цвета равна 1 бит, а во втором случае — 8 битов, что составляет 1 байт.
Объем памяти, необходимый для хранения растрового изображения, можно найти, зная глубину кодирования цвета и количество пикселей растра по горизонтали и вертикали.
Чем больше глубина кодирования цвета и количество пикселей на 1 дюйм изображения (1 дюйм = 2,54 см), тем выше качество растрового изображения. Однако чем выше качество изображения, тем больший объем памяти необходим для хранения графических данных.
■ ПРИМЕР 2. Вычислить объем памяти, необходимой для хранения 16-цветного растрового изображения, для создания которого использовался растр размером 640 х 480 пикселей.
Дано.
Р = 16 цветов т = 640 пикселей п = 480 пикселей
Найти.
V=?
Решение.
1) Определим глубину кодирования цвеnа.
Р=2Ь, 16 = 2*, 24 = 2Ь,
Ь = 4 (бит).
2) Определим объем памяти для хранения растрового изображения.
V= Ь’т’п = 4• 640• 480 = 1 228 800 (бит) = 153 600 (байт) = 150 (Кбайт).
Ответ. Объем памяти, необходимый для хранения изображения, равен 150 Кбайтам.
Другой способ кодирования графического изображения основан на разделении изображения на отдельные элементы — графические примитивы: отрезки, многоугольники, дуги, окружности и другие геометрические фигуры. В свою очередь, любой графический примитив можно представить в виде совокупности отдельных линий. Способ представления графического изображения, основным элементом которого является линия, называется векторным. Положение линии задается в системе координат, начало которой расположено в верхнем левом углу прямоугольной области, содержащей изображение.
Для того чтобы понять, каким образом происходит векторное кодирование графического изображения, рассмотрим способ представления изображения буквы Н с помощью графических примитивов. Изображение этой буквы можно представить в виде трех отрезков, указав для каждого из них координаты начальной и конечной точек (рис. 46).
В результате векторного кодирования графического изображения будет получена запись:
Отрезок [(2, 2), (2, 8)], Отрезок [(2, 5), (7, 5)], Отрезок [(7, 2), (7, 8)].
В свою очередь, виды, координаты и другие параметры графических примитивов, используемых для кодирования, могут быть представлены в виде последовательностей нулей и единиц.
Для работы с компьютерным графическим изображением, кодируемым векторным способом, в памяти компьютера хранятся двоичные коды параметров линий, которые определяют форму (прямая, кривая) и длину, толщину и начертание (сплошная, пунктирная), а также цвет линий. Причем количество параметров, необходимых для построения линии, остается постоянным и не зависит от ее размера. Поэтому по сравнению с растровым изображением векторное изображение занимает меньший объем компьютерной памяти и позволяет изменять размер рисунка без потери качества изображения. Однако в отличие от растровой графики при использовании векторного кодирования трудно получить изображение фотографического качества.
Фрактальный способ кодирования графических изображений основан на математических вычислениях. Основными элементами фрактальной графики являются математические формулы. В памяти компьютера хранятся двоичные коды уравнений, соответствующие как простым графическим изображениям, так и сложным узорам, имитирующим трехмерные объекты.
Таким образом, существует несколько подходов к кодированию графических изображений. Все они основаны на сопоставлении непрерывной графической информации с дискретными числами, а значит, и последовательностями нулей и единиц. Как и в случае кодирования числовой и текстовой информации, использование двоичного кода для кодирования графической информации позволяет использовать компьютерную технику для автоматизации хранения, обработки и передачи изображений.
Источник
Способы кодирования компьютерной графики
Компьютерная графика – раздел информатики, предметом которого является работа на компьютере с графическими изображениями.
Создание и хранение графических изображений возможно в нескольких видах – в виде растрового, векторного или фрактального изображения.
Для каждого вида используется свой способ кодирования графической информации.
Растровое изображение , состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор.
Пиксель – наименьший элемент изображения на экране (точка на экране).
Растр – прямоугольная сетка пикселей на экране.
Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора.
Разрешающая способность экрана – размер сетки растра, задаваемого в виде произведения M x N, где M – число точек по горизонтали, N – число точек по вертикали.
Чем разрешающая способность выше, тем выше качество изображения.
Число цветов, воспроизводимых на экране и число бит, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель (глубина цвета) связаны формулой:
K – количество цветов
Видеопамять – оперативная память, хранящая видеоинформацию во время ее воспроизведения на экране.
Объем занимаемой видеопамяти вычисляется по формуле:
M – число точек по горизонтали
N – число точек по вертикали
a – глубина цвета
Все многообразие красок на экране получается путем смешивания базовых цветов: красного, синего и зеленого
Векторное изображение – графический объект, состоящий из элементарных объектов (отрезков, дуг, кругов и т.д.)
Векторная графика кодируется как обычная текстовая графика и обрабатывается специальными программами.
Фрактальная графика основывается на математических вычислениях, как векторная, но в отличие от векторной ее базовым элементом является сама математическая формула.
Для хранения растрового изображения размером 128×128 пикселей отвели 4 Кбайта памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?
1) Для начала переведем 4 Кбайта в биты.
4Кбайта = 4 × 1024 байта = 4096 × 8 бит = 32768бит
3) Мы нашли глубину цвета, теперь по формуле 2 a = K найдем K
4) Следовательно, правильный ответ 1)
Источник
Информатика. 10 класс
Конспект урока
Информатика, 10 класс. Урок № 17.
Тема — Кодирование графической и звуковой информации
Большую часть информации человек получает с помощью зрения и слуха. Важность этих органов чувств обусловлена развитием человека как биологического вида, поэтому человеческий мозг с большой скоростью способен обрабатывать огромное количество графической и звуковой информации.
С появлением компьютеров возникла огромная потребность научить их обрабатывать такую информацию. Как же такую информацию может обработать компьютер?
Итак, кодирование графической информации осуществляется двумя различными способами: векторным и растровым
Программы, работающие с векторной графикой, хранят информацию об объектах, составляющих изображение в виде графических примитивов: прямых линий, дуг окружностей, прямоугольников, закрасок и т.д.
Достоинства векторной графики:
— Преобразования без искажений.
— Маленький графический файл.
— Рисовать быстро и просто.
— Независимое редактирование частей рисунка.
— Высокая точность прорисовки.
— Редактор быстро выполняет операции.
Недостатки векторной графики:
— Векторные изображения выглядят искусственно.
— Ограниченность в живописных средствах.
Программы растровой графики работают с точками экрана (пикселями). Это называется пространственной дискретизацией.
КОДИРОВАНИЕ РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ
Давайте более подробно рассмотрим растровое кодирование информации.
Компьютер запоминает цвет каждой точки, а пользователь из таких точек собирает рисунок.
При этом зная количество пикселей по вертикале и горизонтали, мы сможем найти — разрешающую способность изображения.
Разрешающая способность находится по формуле:
где n, m — количество пикселей в изображении по вертикали и горизонтали.
В процессе дискретизации каждый пиксель может принимать различные цвета из палитры цветов. При этом зная количество цветов, которые можно использовать в палитре и воспользовавшись формулой Хартли, мы сможем найти количество информации, которое используется для кодирования цвета точки, что мы будем называть глубиной цвета.
где N — количество цветов в палитре;
i — глубина цвета.
Таким образом, чтобы найти вес изображения достаточно перемножить разрешающую способность изображения на глубину цвета: L=P*i.
Каким именно образом возможно закодировать пиксель? Для этого используются кодировочные палитры.
КОДИРОВОЧНАЯ ПАЛИТРА RGB
Когда художник рисует картину, цвета он выбирает по своему вкусу. Но цвет в компьютере надо стандартизировать, чтобы его можно было распознать. Поэтому надо определить, что такое каждый цвет.
В экспериментах по производству цветных стекол М. В. Ломоносов показал, что получить любой цвет возможно, используя три различных цвета.
Этот факт был обобщен Германом Грассманом в виде законов аддитивного синтеза цвета.
Давайте рассмотрим два из этих законов:
— Закон трехмерности. С помощью трех независимых цветов можно, смешивая их в однозначно определенной пропорции, выразить любой цвет.
— Закон непрерывности. При непрерывном изменении пропорции, в которой взяты компоненты цветовой смеси, получаемый цвет также меняется непрерывно.
Из биологии вы знаете, что рецепторы человеческого глаза делятся на две группы: палочки и колбочки. Палочки более чувствительны к интенсивности поступаемого света, а колбочки — к длине волны.
Если посмотреть, как распределяется количество колбочек по тому, на какую длину волны они «настроены», то количество колбочек «настроенных» на синий, красный и зеленый цвета окажется больше.
Поэтому такие цвета были взяты основными для построения цветовой модели, которая получила название RGB (Red, Green, Blue). То есть задавая количество любого из этих трех цветов, можно получить любой другой. Для кодирования каждого цвета было выделено 8 бит (режим True-Color). Таким образом, количество каждого цвета может изменяться от 0 до 255, часто это количество выражается в шестнадцатеричной системе счисления (от 0 до FF).
Так как описание цвета происходит определением трех величин, то это наводит на мысль считать их координатами точки в пространстве. Получается, что координаты цветов заполняют куб.
При этом яркость цвета определяется тем насколько близка к максимальному значению хотя бы одна координата из трех.
Поскольку именно модель RGB соответствовала основному механизму формирования цветного изображения на экране, большинство графических файлов хранят изображение именно в этой кодировке. Если же используется другая модель, например в JPEG , то приходится при выводе информации на экран преобразовывать данные.
КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
Давайте перейдем к кодированию звуковой информации.
Из курса физики вам всем известно, что звук — это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой.
Для того, чтобы компьютер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дискретизирован, т. е. превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).
Для этого звуковая волна разбивается на отдельные временные участки.
Гладкая кривая заменяется последовательностью «ступенек». Каждой «ступеньке» присваивается значение громкости звука. Чем больше количество уровней громкости, тем больше количество информации будет нести значение каждого уровня и более качественным будет звучание. Причем, чем больше будет количество измерений уровня звукового сигнала в единицу времени, тем качественнее будет звучание. Эта характеристика называется частотой дискретизации Данная характеристика измеряется в Гц.
При этом на каждое измерение выделяется одинаковое количество бит. Такая характеристика называется — глубина кодирования.
Таким образом, чтобы подсчитать вес звуковой волны достаточно перемножить частоту дискретизации, глубины кодирования и времени звучания такого звука. При этом, рассматривая современное звучание, количество звуковых волн может быть различное, например, для стереозвука — это 2, а для квадрозвука — 4.
Источник
