Существует 2 подхода к представлению (оцифровке) графических данных:
- растровый;
- векторный.
Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения . Экран монитора можно представить в виде ячеек матрицы или элементов растра .
Ячейка растра состоит из определенного количества точек – пикселей .
Размер пикселя варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения или разрешающей способности (максимального количества пикселей по вертикали и горизонтали монитора).
Примеры стандартных разрешений современных мониторов: 800×600, 1024 × 768, 1280 × 1024 и т.п.
Цветные изображения на экране формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждого пикселя, информация о которых хранится в видеопамяти. Глубина цвета изображения определяется количеством битов, необходимым для кодирования цвета пикселя.
Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 или 32 бита. Если каждый цвет пикселя рассматривать как возможное состояние, то количество цветов, может быть вычислено по формуле
где К – глубина цвета в битах.
Например, для получения черно-белого изображения (без полутонов) пиксель может принимать только два состояния: светится (белый) – не светится (черный). Для его кодировки достаточно одного бита, например, 1 – белый, 0 – черный (2 1 = 2).
Для кодировки 4-цветного изображения требуется два бита на пиксель, например: 00 – черный, 01 – красный, 10 – зеленый, 11 – коричневый (2 2 = 4).
Недостатком растровой графики является большой объем памяти, требуемый для хранения изображения.
При векторном представлении графических данных задается и сохраняется математическое описание каждого графического примитива – геометрического объекта, из которых формируется изображение.
Недостатком векторной графики является невозможность работы с высококачественными художественными изображениями, фотографиями и фильмами. Поэтому основной сферой применения является представление в электронном виде чертежей, схем, диаграмм и т. д.
Программы для работы с графическими данными подразделяются:
Растровые графические редакторы – Paint, Photoshop;
Векторные графические редакторы - Visio, Corel Draw.
2.6. Кодирование звуковой информации
Звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем звук громче для человека. Высота тона определяется частотой сигнала.
Для компьютерной обработки непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов, т.е. закодирован. В процессе кодирования производится временная дискретизация звукового сигнала, т. е. разбиение продолжительности звуковой волны на отдельные временные участки. Для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды, которой присваивается код уровня громкости.
Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний. Следовательно, с ростом кодированного количества уровней громкости воспроизводимое звучание будет более качественным.
Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней (состояний) сигнала можно рассчитать по формуле:
где I – глубина звука.
Качество кодирования изображения зависит от двух параметров. Во-первых, качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение.
Во-вторых, чем большее количество цветов, то есть большее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов .
Формирование растрового изображения. Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения , которое формируется из определенного количества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей).
Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т.е. количеством точек, из которых оно складывается. Чем болыпе разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных персональных компьютерах обычно используются три основные разрешающие способности экрана: 800 × 600, 1024 × 768 и 1280 × 1024 точки.
Рассмотрим формирование на экране монитора растрового изображения, состоящего из 600 строк по 800 точек в каждой строке (всего 480 000 точек). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь одно из двух состояний - "черная" или "белая", то есть для хранения ее состояния необходим 1 бит.
Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти (рис. 1.8). Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета , которая задается количеством битов, используемым для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 или 32 бита.
 |
| Рис. 1.8. Формирование растрового изображения |
Качество двоичного кодирования изображения определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета .
Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле (2.1):
N = 2 I , где I - глубина цвета (табл. 1.4).
Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая цветовая модель называется RGB-моделью по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue).
Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, то есть для каждого из цветов возможны N = 2 8 = 256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами (от минимальной - 00000000 до максимальной - 11111111) - табл. 1.5.
| Таблица 1.5. Формирование цветов при глубине цвета 24 бита | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
Графический режим. Графический режим вывода изображения на экран монитора определяется величиной разрешающей способности и глубиной цвета. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800 х 600 точек и глубиной цвета 24 бита на точку.
Всего точек на экране: 800 × 600 = 480 000.
Необходимый объем видеопамяти:
24 бит × 480 000 = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт = 1406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт.
Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов.
В Windows предусмотрена возможность выбора графического режима и настройки параметров видеосистемы компьютера, включающей монитор и видеоадаптер.
Установка графического режима
1. Щелкнуть по индикатору Экран на Панели задач , появится диалоговая панель Свойства: Экран . Выбрать вкладку Настройка , которая информирует нас о марке установленных монитора и видеоадаптера и предоставляет возможность установить графический режим экрана (глубину цвета и разрешающую способность).
 |
2. Щелкнуть по кнопке Дополнительно , появится диалоговая панель, на которой выбрать вкладку Адаптер . На вкладке имеется информация о фирме-производителе, марке видеоадаптера, объеме видеопамяти и др. С помощью раскрывающегося списка можно выбрать оптимальную частоту обновления экрана.
Вопросы для размышления
1. В чем состоит суть метода пространственной дискретизации?
2. Объясните принцип формирования растрового изображения.
3. Какими параметрами задается графический режим, в котором изображения выводятся на экран монитора?
Задания
1.32. Используются графические режимы с глубинами цвета 8, 16, 24 и 32 бита. Вычислить объемы видеопамяти, необходимые для реализации данных глубин цвета при различных разрешающих способностях экрана.
Биты в таком коде распределены по принципу «КЗС», т. е. первый бит отвечает за красную составляющую, второй - за зеленую, третий - за синюю. По этой теме ученики должны уметь отвечать на вопросы такого типа:
Смешиванием каких цветов получается розовый цвет?
Известно, что коричневый цвет получается смешиванием красного и зеленого цветов. Какой код у коричневого цвета?
При программировании цветных изображений принято каждому цвету ставить в соответствие десятичный номер. Получить номер цвета очень просто. Для этого его двоичный код, рассматривая как целое двоичное число, следует перевести в десятичную систему счисления. Тогда, согласно табл. 9.1, номер черного цвета - 0, синего - 1, зеленого - 2 и т.д. Белый цвет имеет номер 7. Полезными, с точки зрения закрепления знаний двоичной системы счисления, являются вопросы такого рода:
Не глядя в таблицу, назвать десятичный номер красного цвета.
Только после того, как ученики разобрались с 8-цветной палитрой, можно переходить к рассмотрению кодирования большего числа цветов. Таблица кодов 16-цветной палитры приведена в учебнике . Это те же восемь цветов, но имеющие два уровня яркости. Управляет яркостью дополнительный четвертый бит - бит интенсивности. В структуре 16-цветного кода «ИКЗС» И - бит интенсивности. Например, если в 8-цветной палитре код 100 обозначает красный цвет, то в 16-цветной палитре: 0100 - красный, 1100 - ярко-красный цвет; ОНО - коричневый, 1110 - ярко-коричневый (желтый).
Палитры большего размера получаются путем раздельного управления интенсивностью каждого из трех базовых цветов. Для этого в коде цвета под каждый базовый цвет выделяется более одного бита. Например, структура восьмибитового кода для палитры из 256 цветов такая: «КККЗЗЗСС», т.е. по 3 бита кодируют красную и зеленую составляющие и 2 бита - синюю. В результате полученная величина - это объем видеопамяти, необходимый для хранения одного кадра, одной страницы изображения. Практически всегда в современных компьютерах в видеопамяти помещается одновременно несколько страниц изображения.
При векторном подходе изображение рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими примитивами. Графическая информация - это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок.
связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось X направлена слева направо; вертикальная ось Y - сверху вниз.
Отрезок прямой линии однозначно определяется указанием координат его концов; окружность - координатами центра и радиусом; многоугольник - координатами его углов, закрашенная область - граничной линией и цветом закраски и пр. Подробнее о векторной графике см. учебник , а также .
Векторный формат изображения создается в результате использования графических редакторов векторного типа, например CorelDraw. Получаемая таким образом информация сохраняется в графических файлах векторного типа. Графические файлы растровых типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами (Paint, Adobe Photoshop), а также в результате сканирования изображений. Следует понимать, что различие в представлении графической информации в растровом и векторном форматах существует лишь для графических файлов. При выводе красная и синяя составляющие имеют по 8 (2 3) уровней интенсивности, а синяя - 4 (2 2). Всего: 8x8x4 = 256 цветов.
Связь между разрядностью кода цвета - b и количеством цветов - ^(размером палитры) выражается формулой: К= 2 Ь. В литературе по компьютерной графике величину b принято называть битовой глубиной цвета. Так называемая естественная палитра цветов получается при b = 24. Для такой битовой глубины палитра включает более 16 миллионов цветов.
При изучении данной темы следует раскрыть связь между величинами битовой глубины, разрешающей способностью графической сетки (размером растра) и объемом видеопамяти. Если обозначить минимальный объем видеопамяти в битах через Vm, разрешающую способность дисплея - M´N (М точек по горизонтали и N точек по вертикали), то связь между ними выразится формулой:
Полученная величина – это объм видеопамяти, необъодимый для хранения одного кадра, одной страницы изображения. Практически всегда в современных компьютерах в видеопамяти помещается одновременно несколько страниц изображения.
При векторном подходе изображение рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и т.д., которые называются графическими примитивами . Графическая информация – это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок.
Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось Х направлена слева направо; вертикальная ось Y – сверху вниз.
Отрезок прямой линии, однозначно определяется указанием координат его концов; окружность – координатами центра и радиусом; многоугольник – координатами его углов; закрашенная область – граничной линией и цветом закраси и пр. Подробнее о векторной графике см. учебник , а также .
Векторный формат изображения создается в рнезультате использования графических редакторов векторного типа, например, CorelDraw. Получаемая таким образом информация сохраняется в графических файлах векторного типа. Графические файлы растровых типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами (Paint, Adobe Photoshop), а также в результате сканирования изображений. Следует понимать, что различие в представлении графической информации в растровом и векторном форматах существует лишь для графических файлов. При выводе на экран любого изображения, в видеопамяти формируется информация растрового типа, содержащая сведения о цвете каждого пикселя.
Представление звука. Современные компьютеры «умеют» сохранять и воспроизводить звук (речь, музыку и пр.). Звук, как и любая другая информация, представляется в памяти ЭВМ в форме двоичного кода.
В существующих учебниках по базовому курсу информатики тема представления звука в компьютере практически не освещена (этот материал имеется в некоторых пособиях для профильных курсов). В то же время в требования обязательного минимума стали включаться вопросы технологии мультимедиа. Как известно, звук является обязательной компонентой мультимедиа-продуктов. Поэтому дальнейшее развитие базового курса потребует включения в него темы представления звука. Кратко обсудим этот вопрос.
Основной принцип кодирования звука, как и кодирования изображения, выражается словом «дискретизация».
При кодировании изображения дискретизация - это разбиение рисунка на конечное число одноцветных элементов - пикселей. И чем меньше эти элементы, тем меньше наше зрение замечает дискретность рисунка.
Физическая природа звука - это колебания в определенном диапазоне частот, передаваемые звуковой волной через воздух (или другую упругую среду). Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера:
Аудиоадаптер (звуковая плата) - специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.
В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера. Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью.
Частота дискретизации - это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за 1 секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду - 1 килогерц (кГц). Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров: 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц и др.
Разрядность регистра - число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 2 s = 256 (2 16 = 65536) различных значений. Очевидно, 16-разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8-разрядный.
Звуковой файл - файл, хранящий звуковую информацию в числовой двоичной форме. Как правило, информация в звуковых файлах подвергается сжатию.
Пример. Определить размер (в байтах) цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Файл сжатию не подвержен.
Решение. Формула для расчета размера (в байтах) цифрового аудиофайла (монофоническое звучание): (частота дискретизации в Гц) х (время записи в сек) х (разрешение в битах)/8.
Таким образом, размер файла вычисляется так: 22050´10´8/8 = 220500 байт.
Содержание: 1. Понятие кода пикселя Понятие кода пикселя Содержание:Понятие кода пикселя Содержание: 2. Виды кодов пикселей Виды кодов пикселя Содержание:Виды кодов пикселя Содержание: 3.Таблица: двоичный код восьми цветной палитры Таблица: двоичный код восьми цветной палитры Содержание: Таблица: двоичный код восьми цветной палитры Содержание: 4. Таблица: двоичный код шестнадцати цветной палитры Таблица: двоичный код шестнадцати цветной палитры Содержание: Таблица: двоичный код шестнадцати цветной палитры Содержание: 5. Получение других цветов Получение других цветов Содержание:Получение других цветов Содержание: 6. Объём видеопамяти Объём видеопамяти Содержание:Объём видеопамяти Содержание: 7. Задача Задача Содержание:Задача Содержание:
Виды кодов пикселя Содержание:Содержание: Для получения чёрно-белого изображения (без полутонов) используются два состояния пикселя: светится – не светится (белый – чёрный). Для кодирования цвета пикселя достаточно одного бита памяти: 1 – белый, 0 – чёрный. Для кодирования четырёхцветного изображения требуется двух битовый код. Может использоваться, например, такой вариант кодирования цветов: 00 – чёрный; 10 - зелёный; 01 – красный; 11 – коричневый. Из трёх базовых цветов – зелёного, красного, синего – можно получить восемь комбинаций трёхбитового кода: чёрный; к - - красный; - - с синий; к – с розовый; - з – зелёный; к з - коричневый; - з с голубой; к з с белый. В этом коде каждый базовый цвет обозначается его первой буквой (к – красный, с – синий, з – зелёный). Чёрточка означает отсутствие цвета.
Таблица: двоичный код восьми цветной палитры Содержание:Содержание: Для кодирования восьми цветного изображения требуются три бита памяти на один видеопиксель. Если наличие базового цвета обозначить единицей, а отсутствие – нулём, то получается таблица кодировки восьми цветной палитры: где, к – красный, з – зелёный, с - синий кзс Цвет 000Чёрный 001Синий 010Зелёный 011Голубой 100Красный 101Розовый 110Коричневый 111Белый
Таблица: двоичный код шестнадцати цветной палитры Содержание:Содержание: Шестнадцатицветная палитра получается при использовании четырёхзарядной кодировки пикселя: к трём битам базовых цветов добавляется один бит интенсивности. Этот бит управляет яркостью всех трёх цветов одновременно (интенсивностью трёх электронных пучков): где, к – красный, з - зелёный, с – синий, и – один бит интенсивности икзс Цвет 0000Чёрный 0001Синий 0010Зелёный 0011Голубой 0100Красный 0101Розовый 0110Коричневый 0111Белый 1000Тёмно - серый 1001Ярко - синий 1010Ярко - зелёный 1011Ярко - голубой 1100Ярко- красный 1101Ярко - розовый 1110Ярко - жёлтый 1111Ярко - белый
Получение других цветов Содержание:Содержание: Большое количество цветов получается при раздельном управлении интенсивностью базовых цветов. Причём интенсивность может иметь более двух уровней, если для кодирования интенсивности каждого из базовых цветов выделять больше одного бита. Правило: Для получения цветной гаммы из 256 цветов требуется 8 битов = 1 байт на каждый пиксель, так как 2 = 256. Количество различных цветов К и количество битов для их кодирования b связаны между собой формулой:, где K – количество цвета, b – длина кода цвета (в битах).
Объём видеопамяти Содержание:Содержание: Видеопамять - это электронное энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и количества цветов. Её минимальный объем определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности на размер кода пикселя. Объём видеопамяти вычисляется по формуле: где: M – число столбцов, N – число строк, b – длина кода цвета (в битах).
Задача Содержание:Содержание: Задача 1: для сетки 640 х 480 и чёрно- белого изображения минимальный объём видеопамяти должен быть таким: 640 * 480 * 1 бит = битов/8 = байтов/1024 = 37,5 Кбайтов Ответ: 37,5 Кбайт.
