Кодирование графической информации

Практически все современные компьютеры являются цифровыми — они хорошо работают с числами, но не умеют обрабатывать непрерывные величины.

Это относится и к изображениям — изображение может быть сформировано только из отдельных элементов. Но вос­приятие зрительной информации человеком таково, что изображение, составленное из большого числа отдельных мелких деталей, воспринимается как непрерывное. Это дает возможность с помощью современных компьютеров обраба­тывать различные изображения.

Для создания модели изображения, годной для обработ­ки, разобьем картинку вертикальными и горизонтальными линиями на маленькие прямоугольники. Полученный дву­мерный массив прямоугольников называется растром,а сами прямоугольники — элементами растра, или пикселя­ми(это слово произошло от английского picture's element — элемент картинки). Теперь осталось закодировать числами цвет каждого пикселя — и задача кодирования изображе­ния будет решена: закодированные цвета пикселей, пере­численные по порядку (например, слева направо и сверху вниз), и будут кодировать картинку.

Разумеется, часть информации о картинке при таком ко­дировании потеряется. Потери будут тем меньше, чем мель­че прямоугольники и чем точнее закодирован цвет каждого из них.

Рассмотрим способы кодирования цвета элемента изобра­жения. Заметим, что, во-первых, в понятие «цвет элемента» включается и его яркость. Во-вторых, для единообразия го­ворят и о цветах черно-белого изображения. В этом случае цвет (оттенок серого цвета) просто сводится к яркости.

Кодирование черно-белых изображений.Яркость описы­вается одним числом. Для кодирования яркости пикселей от­водятся ячейки фиксированного размера, чаще всего от 1 до 8 битов; черный цвет кодируется нулем, а чисто белый — максимальным числом N, которое может быть записано в ячейку. Для одноразрядной ячейки N = 1, а для 8-разрядной N = 255. Для практических приложений 8-разрядных ячеек вполне достаточно (человеческий глаз в состоянии различить не более одной-двух сотен разных оттенков серого цвета).

Кодирование цветных изображений— метод RGB.Для цветных изображений дело обстоит сложнее. Человеческий глаз различает огромное количество разных цветов и оттен­ков, которые не так просто закодировать одним числом. Для кодирования изображения, как правило, рассматривают цветовые модели — способы формирования цвета. Одна из самых распространенных моделей рассматривает формирование цвета из света трех основных цветов: красного, зеле­ного и синего. Этот способ кодирования цветов называется RGB — по первым буквам английских слов Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий. Остальные цвета форми­руются как сложение трех данных цветов, взятых с разной яркостью.

Например, сиреневый цвет — это сумма красного и сине­го, желтый цвет — сумма красного и зеленого, оранже­вый — тоже сумма красного и зеленого, но в другой пропор­ции. Поэтому в модели RGB можно закодировать цвет пик­селя тремя числами — яркостью его красной, зеленой и синей составляющих.

Средства и технологии работы с графикой

Рассмотрим аппаратные и программные средства обработ­ки графической информации.

К аппаратным средствам относятся:

• мониторы и видеокарты, поддерживающие графиче­ский режим отображения;

• видеоускорители, позволяющие увеличить скорость вы­полнения операций по обработке графической инфор­мации и, таким образом, разгружающие центральный процессор;

• ЗБ-акселераторы, способные самостоятельно обрабаты­вать графические объекты в трехмерном пространстве и в масштабе реального времени;

• манипуляторы «мышь»;

• сканеры;

• графический планшет, для ввода изображения прямым рисованием на поверхности планшета;

• принтеры;

• графопостроители (плоттеры).

К программным средствам относят:

• графические редакторы;

• средства создания анимации;

• программные средства для работы с трехмерной графи­кой;

• средства деловой графики.

Растровая и векторная графика

Существуют два основных подхода к представлению гра­фической информации для ее обработки компьютером — растровый и векторный. В растровой графикеизображение представляется как совокупность данных о координатах и цветах пикселей. В векторной графике— это данные, одно­значно определяющие все графические примитивы (линии, дуги, окружности, прямоугольники и пр.), составляющие рисунок, и их параметры — толщину линии, вид заполне­ния и пр. Положение и форма графических примитивов за­даются в системе координат, связанных с экраном.

К достоинствам растровой графики относят: возможность представления изображения фотографического качества, простоту вывода на внешние устройства. Существенными недостатками растровой графики являются: большой объем памяти, требуемый для хранения изображений и ограничен­ные возможности масштабирования. Векторные изображе­ния занимают относительно небольшой объем памяти и мо­гут легко масштабироваться без потери качества. Но при этом векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества и при распечатке выглядят не так, как на экране монитора.

Для работы с графикой существует множество приклад­ных программ. Общее название программ для создания рас­тровых изображений — графические редакторы, их приме­няют по отношению к прикладным программам, не имею­щим какой-либо специализированной ориентации и используемым для рисования или редактирования изобра­жений. * Растровые графические редакторы целесообразно использовать для редактирования отсканированных изоб­ражений. Для создания иллюстраций обычно используются редакторы векторной графики.

Кодирование звуковой информации. Форматы звуковых файлов. Ввод и обработка звуковых файлов.

Из курса физики известно, что звук представляет собой колебания воздуха. Амплитуда этих колебаний непрерывно меняется со временем. По своей природе звук является непрерывным сигналом. Для кодирования звука надо этот не­прерывный сигнал превратить в последовательность нулей и единиц. Делают это следующим образом.

С помощью микрофона звук можно превратить в колеба­ния электрического тока. Амплитуда колебаний измеряется через равные промежутки времени (на практике — несколь­ко десятков тысяч раз в секунду). Каждое измерение фикси­руется с установленной точностью и записывается в двоич­ном виде. Этот процесс называется дискретизацией.

Устройство для выполнения дискретизации называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). АЦП измеряет электрическое напряжение в каком-то диапазоне и выдает ответ в виде многоразрядных двоичных чисел. Например, типичный 8-битовый АЦП преобразует значения напряже­ния в диапазоне [-500 мВ, 500 мВ] в 8-разрядные двоичные числа в диапазоне [-127, +127].

Воспроизведение закодированного таким образом звука производится при помощи цифро-аналогового преобразова­теля (ЦАП). Двоичные числа, кодирующие звук, подаются на вход ЦАП с точно такой же частотой, как и при дискре­тизации, и ЦАП преобразует их в значения электрического напряжения обратно тому, как это делал АЦП. Например, двоичные числа из диапазона [-127, +127] преобразуются в значения напряжения из диапазона [-500 мВ, 500 мВ]. По­лученный на выходе ЦАП ступенчатый сигнал сначала сгла­живается с помощью аналогового фильтра, а затем преобра­зуется в звук при помощи усилителя и динамика.

При работе со стереозвуком все это проводится отдельно и независимо для левого и правого каналов.

На качество воспроизведения звука влияют в основном два параметра: частота дискретизациии разрешение— размер ячейки, отводимой под запись значения амплитуды.

Например, при записи на компакт-диски (CD) использу­ются 16-разрядные значения, а частота дискретизации рав­на 44 032 Гц. Эти параметры обеспечивают прекрасное каче­ство звучания речи и музыки.

Выбор частоты дискретизации определяется максималь­ной частотой звука, который еще слышит человек, 22 кГц. Чтобы удержать при дискретизации информацию о колеба­нии в 22 кГц, на каждом периоде должно записываться, по крайней мере, два значения. То есть нужна вдвое большая частота дискретизации, а именно 44 кГц. Эта частота обес­печивает запись любых слышимых человеком звуков. В тех случаях, когда столь высокое качество не требуется, можно использовать меньшие частоты дискретизации: 11 кГц, 5,5 кГц и т. д. Чтобы первые частоты, получаемые последо­вательным делением исходной частоты вдвое, оказались це­лыми, удобно взять исходную частоту в виде произведения целого числа на степень двойки. Этим и объясняется выбор частоты 172 • 28 = 44 032 Гц.

Однако, во многих случаях качество CD не требуется. Для записи и передачи речи достаточна частота дискретиза­ции 8 кГц. Несмотря на то, что составляющие человеческого голоса с частотой свыше 4 кГц не могут быть зарегистриро­ваны при такой частоте дискретизации, закодированную речь легко понять.

Программы для обработки звука можно назвать звуковы­ми редакторами, если не определять их конкретные возмож­ности. Общими операциями для таких редакторов являются возможность записи, воспроизведения и редактирования звуков. Оцифрованный звук представляется в звуковых ре­дакторах в наглядной форме, поэтому операции с файлами проводятся легко с помощью мыши. Кроме того, можно на­кладывать звуковые дорожки друг на друга и применять различные звуковые эффекты. Как правило, звуковые фай­лы подвержены сжатию. Оцифрованный звук можно сохра­нять без сжатия в универсальном формате в файле WAV или в формате со сжатием МРЗ.

Кодирование текстовой информации. Основные приемы преобразования текстов: редактирование и форматиро­вание. Понятие о настольных издательских системах. Ги­пертекстовое представление информации.