Главная › Тарифы › Дан двоичный код 8 цветового изображения. Кодирование изображений. Решение задачи на повторение. Кодирование текстовой информации

Дан двоичный код 8 цветового изображения. Кодирование изображений. Решение задачи на повторение. Кодирование текстовой информации

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.

Цели урока:

повторить основные принципы представления данных в памяти компьютера, научить вычислять объем графической информации;
развивать познавательные интересы учащихся;
воспитывать чувства прекрасного.

План урока

Организационный момент.
Разминка.
Решение задачи на повторение. Алгебра логики.
Дополнительный материал.
Решение задачи на повторение. Кодирование текстовой информации.
Объяснение нового материала.
Решение задач на закрепление.
Дополнительный материал.
Итог урока.

ХОД УРОКА

Оргмомент.

Сегодня на уроке мы с вами поговорим обизобразительном искусстве. Этот вид искусства воспринимается зрительно (живопись, скульптура, графика, фотоискусство). С древности существуют два основных взгляда на искусство: это образы реального мира, созерцая которые зритель получает наслаждение (Аристид); искусство вдохновляется высшими силами и выражает чувства и ощущения человека (Платон).А также научимся вычислять объем графической информации.

Разминка
.

Учитель читает вопросы, ученики быстро отвечают.

Виды компьютерной графики. (Векторный и растровый)
Предмет в школьном курсе непосредственно связанный с графикой. (ИЗО)
Изображение художником самого себя. (Автопортрет)
Из сочетания, каких цветов складывается вся красочная палитра на экране. (Красного, зеленого, синего)
Знаменитая картина, о которой все слышали, но еще никто не видел... (Репина "Приплыли")
Положительный образ, воплощающий нравственные ценности. (Герой)
Чему равен 1 Мегабайт? (1024 Килобайт)
Любые люди, предметы и явления, находящиеся перед художником, когда он их изображает. (Натура)
Главное действующее лицо произведения. (Герой)
Одна точка на мониторе. (Пиксель)
Как из Килобайт перейти в байты? (Умножить на 1024)
Намеренно искаженный с юмористической или сатирической целью портрет. (Шарж)
Российский живописец, изображал море, морские сражения, борьбу с морской стихией (1817-1900). (Айвазовский Иван Константинович)
Чему равен 1 дюйм? (2,54 см)
Горе овощное. (Горе луковое)

Решение задачи на повторение. Алгебра логики

Для какого из приведенных фамилий ложно высказывание: НЕ ((Букв в слове 5) И (Последняя буква Н))?

1) Серов; 2) Репин; 3) Левитан; 4) Шишкин.

Решение. А = Букв в слове 5, В = Последняя буква Н.

Ответ: Репин.

Дополнительный материал из области искусства

Ильям Ефиммович Ремпин (24 июля 1844 - 29 сентября 1930) - русский художник-живописец, мастер портрета, исторических и бытовых сцен. Академик Императорской Академии Художеств.

Мемуарист, автор ряда очерков, составивших книгу воспоминаний “Далёкое близкое”. Преподаватель, был профессором - руководителем мастерской (1894-1907) и ректором (1898-1899) Академии художеств, одновременно преподавал в школе-мастерской Тенишевой; среди его учеников - Б. М. Кустодиев, И. Э. Грабарь, И. С. Куликов, Ф. А. Малявин, А. П. Остроумова-Лебедева, давал также частные уроки В. А. Серову.

Одной из известных картин является “Запорожцы пишут письмо турецкому султану” (1880-1891). Прочитать рассказ о данной картине. По тексту определить героев данной картины. Обратить внимание учащихся на упорство художника в работе над произведением, и его ухищрения в достижении цели. Как часто, мы бросаем решать те или иные задачи, которые нам не удались в первые минуты работы.

“В 1878 году, от гостя в Абрамцеве, Репин услышал рассказ украинского историка о том, как турецкий султан писал к запорожским казакам и требовал от них покорности. Ответ запорожцев был смел, дерзок, полон издёвок над султаном. Репин пришёл в восторг от этого послания и сразу сделал карандашный эскиз. После этого он постоянно возвращался к этой теме, работая над картиной более десяти лет. Она была закончена только в 1891 году. Картина имеет 3 списка (не считая этюда). Первый Репин подарил другу, историку Дмитрию Яворницкому, а тот - Павлу Третьякову. Большая часть моделей для него взята из Екатеринославской губернии.Писарь - Яворницкий, Иван Сирко - киевский генерал-губернатор Михаил Драгомиров, раненый в голову казак - художник Николай Кузнецов; войсковой судья в чёрной шапке - Василий Тарновский; молодой казачок в круглой шапке - его сын, обладатель обширной лысины - Георгий Алексеев, предводитель дворянства Екатеринославской губернии, обер-гофмейстер двора его Величества, почётный гражданин Екатеринослава и страстный нумизмат. Поначалу он отказался позировать с затылка. Пришлось пойти на хитрость. Яворницкий пригласил его посмотреть свою коллекцию, а позади тайком усадил художника, и пока предводитель любовался монетами, Репин быстро набросал портрет. Георгий Петрович узнал себя уже в Третьяковке и обиделся.”

Решение задачи на повторение. Кодирование текстовой информации.

Учащимся раздаются карточки с текстом.

Определитеинформационный объём рассказа в кодировке КОИ-8, в которойкаждый символ кодируется 8 битами.

Решение. Посчитаем сколько строк в тексте и сколько символов в каждом ряду (в презентации ). Строк – 22, символов в строке – 64.

Ответ: 1,4 Кбайт.

Объяснение нового материала. Кодирование изображений
.

Как измерить объем графической информации?

Наложим на изображение мелкую сетку – растр. В результате картинка разбилась на ячейки. Каждая ячейка окрашена в один цвет и называется точкой (или пикселом). Цвет можно закодировать, то есть поставить ему в соответствие уникальное целое число. И тогда изображение превращается в набор целых чисел. Закодированное таким образом изображение, называется растровым.

Введем обозначения:

N – количество разных цветов, используемых при кодировании изображения;

i – число битов, необходимых для кодирования цвета одной точки изображения (глубина цвета ).

Между данными величинами существует связь N=2 i .

Примеры типов изображений и их кодирования

Все многообразие красок на экране получается путем смешивания трех базовых цветов: красного, синего, зеленого. Каждый пиксель на экране состоит из трех близко расположенных элементов, светящихся этими цветами.

Двоичный код восьмицветной палитры
			цвет
			Черный
			Синий
			Зеленый
			Голубой
			Красный
			Розовый
			Коричневый
			Белый

Задание 1. Построить двоичный код приведенного черно – белого растрового изображения, полученного на мониторе с размером растра 10*10.

Задание 2. Дан двоичный код 8-цветного изображения. Размер монитора – 10*10 пикселей. Что изображено на рисунке (зарисовать)?

Для хранения одного образа экрана потребуется объем памяти, равный произведению ширины экрана (в пикселях) на высоту экрана (в пикселях) и на i (глубину цвета).

I=W*H*i(битов)

W – ширина изображения в точках (пикселях);

H – высота изображения в точках (пикселях).

Решение задач на закрепление.

Задача 1. Рассчитайте объем видеопамяти, необходимой для хранения растрового изображения, занимающего весь экран монитора с разрешающей способностью 640*480 пикселов, если используется палитра из 65536 цветов.

Ответ: 600 Кбайт.

Задача 2. Для хранения растрового изображения размером 320*400 пикселов потребовалось 125 Кбайт памяти. Определите количество цветов в палитре.

Ответ: 256 цветов.

Дополнительный материал
.

Познакомимся ещё с одним произведением Ильи Репина.

“Иван Грозный и сын его Иван 16 ноября 1581 года” (также известна под названием “Иван Грозный убивает своего сына” ) - картина, написанная в 1883-1885 годы. Изображает эпизод из жизни Ивана Грозного, когда он в припадке гнева нанёс смертельный удар своему сыну царевичу Ивану. Картина показывает муку раскаяния на лице Грозного и кротость умирающего царевича, со слезами на глазах прощающего обезумевшего от горя отца. Хранится в собрании Государственной Третьяковской галереи в Москве.

Бывает так, что в порыве гнева люди незаслуженно обижают своих родных, близких сердцу людей, да и чужих людей тоже. Сейчас в Интернет часто выкладывают ролики об жестоком отношении друг к другу. А потом жалеют о случившемся. Хорошо, когда есть возможность осознать и извиниться, исправить положение. Но может случиться, как в данной картине, и исправить ситуацию будет невозможно. Поэтому, постараемся быть терпимыми, научимся “держать себя в руках”.

Итог урока
.

Я надеюсь, что урок вам понравился. Вы узнали, как кодируются изображения и как найти объем графической информации. А также, на уроке познакомились с творчеством Ильи Репина, а те, кто знаком с его творчеством, еще раз окунулись в мир прекрасного.

Литература:

Менделев В.А. Энциклопедия необходимых знаний. – Х.: Книжный клуб, 2007.
Вовк Е.Т. Информатика: пособие для подготовки к ЕГЭ. – М.:КУДИЦ-ПРЕСС, 2009.
Семакин И.Г. Практикум. Информатика и ИКТ. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009.
Ресурсы: Интернет.

Таблица 20.1 - Двоичный код восьмицветной палитры

К	З	С	Цвет
0	0	0	Черный
0	0	1	Синий
0	1	0	Зеленый
0	1	1	Голубой
1	0	0	Красный
1	0	1	Пурпурный
1	1	0	Желтый или коричневый
1	1	1	Белый

Следовательно, для кодирования 8-цветного изображения требуется три бита памяти на один пиксель.

Полутоновые изображения широко используются для хранения черно-белых фотографий и в тех случаях, когда без цвета можно обойтись. Каждая точка такого изображения может иметь один из 256 оттенков (градаций) серого с яркостью от черного (0) до белого (255). Этот диапазон значений называют серой шкалой (grayscale). Для кодировки одного пикселя в серой шкале необходимо 8 бит (8 бит = 1 байт). Таким образом, глубина цвета полутонового изображения  8 бит, что означает 256 возможных значений для каждого его пикселя.

До широкого распространения современных компьютеров, большинство ЭВМ были способны отображать на экране не более 256 цветов одновременно. Наиболее рациональным способом кодировки в таких условиях являлось их индексирование. При индексировании каждому из цветов изображения присваивался порядковый номер, который использовался для описания всех пикселей, имеющих этот цвет. Поскольку для разных изображений набор цветов отличался, он хранился в памяти компьютера вместе с изображением. Набор цветов, использованных в изображении, получил название палитры.

Цветовая палитра – это таблица данных, в которой хранится информация о том, каким кодом закодирован тот или иной цвет.

Глубина цвета индексированных изображений зависит от количества элементов в его цветовой таблице и может находиться в диапазоне от 2 до 8 бит. Для описания 64 цветов нужно 6 бит, для 16 цветов  4 бита. Для изображения, состоящего из 256 цветов, требуется 1 байт. Соответственно меняется и объем памяти, занимаемый индексированным изображением. Для изображения с палитрой из 256 цветов требуется столько же памяти, сколько и для полутонового. При меньшей цветовой таблице объем занимаемой памяти будет еще ниже. То обстоятельство, что изображение является цветным при весьма малых размерах файла, дало вторую жизнь индексированным изображениям с развитием Web-дизайна, поскольку для передачи по сети размеры файлов критичны.

Для полноцветных изображений требуется еще больше ресурсов. Изображения, как правило, могут быть созданы и сохранены в одной из цветовых моделей. Цифровое полноцветное изображение состоит из каналов, соответствующих базовым цветам модели изображения. Каждый канал представляет собой полутоновое изображение, яркость пикселей которого определяется количеством соответствующего базового цвета в совмещенном изображении. Канал кодируется 8 битами, значит, число градаций цвета в нем равно 256.

Объем памяти, занимаемый полноцветным изображением, зависит от количества каналов, которое оно содержит. Изображения RGB включают по три канала, для описания каждого из которых нужно 8 бит. Таким образом, глубина цвета этих изображений составляет 24 бита. Изображения CMYK имеют четыре канала, и глубина цвета тогда составляет 8х4=32 бита.

Два байта (16 битов) позволяют определить 65536 различных цветов. Этот режим называется High Color . Если для кодирования цвета используется три байта (24 бита), возможно одновременное отображение 16,5 млн. цветов. Этот режим называется True Color .

Таким образом, объем растрового изображения определяется умножением количества точек на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов.

Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специальными программами.

^ 20.1.5 Форматы графических файлов

В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений. Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый, векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия).

Сжатие применяется для растровых графических файлов, т.к. они имеют достаточно большой объем. Существуют различные алгоритмы сжатия, причем для различных типов изображения целесообразно применять подходящие типы алгоритмов сжатия.

По типу хранимой графической информации форматы файлов для хранения изображений разделяются на

 растровые (TIFF, GIF, BMP, JPEG);

 векторные (AI, CDR, FH7, DXF);

 смешанные (универсальные) (EPS, PDF).

Следует учитывать, что файлы практически любого векторного формата позволяют хранить в себе и растровую графику. Однако часто это приводит к искажениям в цветопередаче, поэтому, если изображение не содержит векторных объектов, то предпочтительнее использовать растровые форматы.

Рассмотрим более подробно наиболее популярные форматы графических файлов.

^ Формат GIF (Graphics Interchange Format) был введен компанией CompuServe в качестве первого формата для передачи и демонстрации графики через модем.

Цвет каждого пикселя кодируется восьмью битами, поэтому GIF-файл может содержать до 256 цветов. Цвета, которые используются в GIF-изображении, хранятся внутри самого файла в индексированной палитре .

Файлы GIF могут также содержать различные оттенки серого цвета. Существуют две основные версии формата GIF: GIF87 и GIF89a  они названы так по году стандартизации. Обе версии поддерживают способ представления графического файла с чередованием строк. Более поздний вариант GIF89a допускает задание одного цвета в качестве прозрачного.

Прозрачность подразумевает, что один цвет изображения (обычно это цвет фона) может быть объявлен прозрачным. Благодаря этому изображение на странице выглядит более естественным.

Чередование строк означает, что во время приема изображения по сети его детали прорисовываются постепенно. Эффект похож на то, что происходит, когда на нерезкую картинку постепенно наводят фокус. Благодаря чередованию строк пользователи с медленными модемами могут обычно еще в самом начале приема картинки оценить ее содержание и время, необходимое на полную передачу, и тем самым принять решение, стоит ли продолжать прием или можно от него отказаться.

GIF-файлы можно также использовать для создания на экране несложной анимации.

Основным ограничением GIF-файлов является их неспособность хранить и демонстрировать неиндексированные изображения, подготовленные в режиме True Color или High Color. Иными словами, GIF-изображения должны состоять из 256 или меньшего числа цветов.

Сжатие файлов в формате GIF является сжатием без потерь. Это означает, что упаковка изображения никоим образом не сказывается на его качестве. При этом сжатие оказывается наиболее эффективным в тех случаях, когда в составе изображения имеются большие области однородной окраски с четко очерченными границами. И наоборот, сжатие по алгоритму GIF крайне неэффективно при наличии областей с градиентной окраской или случайным распределением цветовых оттенков, что имеет место при использовании различных методов настройки растра или сглаживания краев области изображения.

GIF-формат используют для хранения всех малоразмерных графических элементов: значков-ссылок, надписей и миниатюр, и для хранения изображений любого размера, изначально состоящих из больших областей однородной окраски.

^ Формат JPEG (Joint Photographic Experts Group) был разработан для того, чтобы эффективно хранить и передавать цветные фотографии с полным набором цветовых оттенков. Изначально формат JPEG применялся для того, чтобы фотожурналисты, специализирующиеся на опубликовании новостей, имели возможность сжать файлы своих цифровых фотоснимков до размера, пригодного для передачи с места событий в издательство через модем.

Формат JPEG приспособлен для хранения неиндексированных по цвету изображений, сформированных в режиме RGB с глубиной цвета True Color. Цвет кодируется 24 битами на пиксель, и тем самым одновременно может воспринимать более 16 миллионов цветов. Степень сжатия файлов может меняться по решению пользователя. Алгоритм сжатия основан не на поиске одинаковых элементов, а на разнице между пикселями. JPEG ищет плавные цветовые переходы в квадратах 99 пикселей. Вместо действительных значений JPEG хранит скорость изменения от пикселя к пикселю. Лишнюю, с его точки зрения, цветовую информацию он отбрасывает, усредняя некоторые значения. Чем выше уровень компрессии, тем больше данных отбрасывается и тем ниже качество

Формат JPEG имеет возможность представления графического файла аналогично «чересстрочной развертке» формата GIF. Это называется в терминах формата JPEG – «прогрессивной разверткой ». Оба метода позволяют броузеру вначале прорисовывать изображение с низким разрешением, а затем повышать его качество по мере подкачки файла, тем самым существенно сокращая кажущееся время загрузки графики.

Формат JPEG имеет два существенных недостатка:

1) Многократное сохранение файла в этом формате ведет к ухудшению качества изображения. Поэтому не стоит архивировать изображение в формате JPEG, если только речь не идет о носителях информации, доступной только для чтения. Кроме того, искажения будут проявляться и в случае, если фото формата JPEG будет скомбинировано с изображением другого формата, а затем записано со сжатием.

2) Изображения, сохраненные в формате JPEG, не могут иметь прозрачных областей.

Данный формат применяют во всех случаях, когда размер изображения по каждой из координат превышает 200 пикселей, а само изображение представляет собой полноценную фотографию или образец художественной графики, включающий тонкие переливы цветов.

Формат BMP (Windows Device Independent Bitmap) поддерживается любыми Windows-совместимыми программами. Структура файла BMP используется Windows для хранения растровых изображений. В этом формате хранятся рисунки фона, пиктограммы и другие растровые изображения Windows. Этот формат сводит к минимуму вероятность ошибок или неправильной интерпретации растровых данных.

Формат BMP правильно отображает данные независимо от аппаратных и программных устройств (монитора компьютера, видеокарты и драйвера дисплея). Такая независимость от устройств обеспечивается применением системных палитр. Однако данный формат имеет и свои недостатки. Только версии формата с 4- и 8-битовым цветом поддаются сжатию, следовательно, 24-битовые файлы BMP будут очень большими. Кроме того, применение файлов BMP ограничено формами операционных систем Windows и OS/2.

^ Формат TIFF (Tagget Image File Format) сохраняет множество данных изображения в помеченных полях, что и определило его название («Формат файла помеченного изображения»). Каждое помеченное поле хранит информацию о растровом рисунке или ссылку на другие поля. Программа, читающая файл, может пропускать неизвестные или ненужные ей поля. Эта многогранность позволяет формату находить применение в различных компьютерных системах. Кроме того, формат TIFF может сохранять разнообразные дополнительные дан-ные о растровом рисунке, включая: кривую коррекции для изображения с оттенками серого; поля детальной информации об изображении (название программы, автора, дату создания и комментарии); размер изображения и разрешающую, способность; детальную информацию о цвете оригинала.

Большинство программ, читающих файл TIFF, способны без проблем прочесть файлы этого формата, созданные на других системах. Структура формата TIFF изменчива, что позволяет ему хранить разнообразные типы изображений.

Помимо традиционных цветов CMY формат поддерживает цветоделение с большим числом красок. Наиболее предпочтителен для полиграфии.

^ Формат PDF (Portable Document Format) предложен фирмой Adobe как независимый от платформы формат, в котором могут быть сохранены и иллюстрации (векторные и растровые), и текст, причем со множеством шрифтов и гипертекстовых ссылок. Для достижения продекларированной в названии переносимости размер PDF-файла должен быть малым. Для этого используется компрессия для каждого вида объектов применяется свой способ. Например, растровые изображения записываются в формате JPEG. Для работы с этим форматом компания Adobe выпустила пакет Acrobat. Бесплатная утилита Acrobat Reader позволяет читать документы и распечатывать их на принтере, но не дает возможности создавать или изменять их. Acrobat Distiller переводит в этот формат PostScript-файлы. PostScript – это язык описания страниц, предназначенный для формирования изображений произвольной сложности и вывода их на печать. Многие программы (Adobe PageMaker, CorelDraw, FreeHand) позволяют экспортировать свои документы в PDF, а некоторые еще и редактировать графику, записанную в этом формате. Обычно в этом формате хранят документы, предназначенные только для чтения, но не для редактирования. Файл в формате PDF содержит все необходимые шрифты. Это удобно и позволяет не передавать шрифты для вывода (передача шрифтов не вполне законна с точки зрения авторского права).

Таким образом, знание особенностей форматов графических файлов имеет значение для эффективного хранения изображений и организации обмена данными между различными приложениями.

При подготовке файлов для размещения в сети Интернет приходиться сталкиваться с проблемой преобразования графических файлов из одного формата в другой.

Преобразование форматов графических файлов можно выполнить с помощью графических редакторов, воспринимающих файлы разных форматов. Для этих целей можно воспользоваться графическим редактором Photo Editor , входящим в Microsoft Office. Этот редактор умеет работать практически со всеми распространенными форматами графических файлов: TIFF, PCX, GIF, JPEG и др. При этом он дает возможность конвертировать файлы из одного формата в другой с помощью обычной операции Сохранить как… (Save as…). При преобразовании файлов можно уточнить желаемые параметры. Например, выполнить преобразование из цветного в черно-белый формат, выбрать количество цветов, степень сжатия файла, либо фактор качества  большой файл и лучшее качество изображения, или же маленький файл с более низким качеством изображения.

^ 20.2 Оборудование для работы с изображениями

20.2.1 Компьютер для работы с изображениями

Математическое и программное обеспечение компьютерной графики нельзя рассматривать в отрыве от аппаратных средств, применяемых на различных этапах работы с изображениями. Все эти средства принято делить на три большие группы:

 устройства ввода (сканеры, дигитайзеры, цифровые фото- и видеокамеры);

 устройства вывода (мониторы, принтеры, плоттеры, цифровые проекторы);

 устройства обработки (графические ускорители).

Остановимся подробнее на аппаратных средствах последней группы, поскольку им отводится важная роль при работе с изображениями.

Простейшие модели компьютеров первой половины 80-х годов, выводившие графическое изображение на экран обычного бытового телевизора, нередко обходились без использования специальных аппаратных средств для работы с графикой. Эти функции выполнял обычный процессор. По мере развития компьютеров и расширения круга задач по работе с графикой и цветом микропроцессор перестал справляться с обработкой графических изображений, и эти функции были переданы специальной видеосистеме компьютера.

Как сказано ранее видеосистема персонального компьютера состоит из монитора (дисплея), видеоадаптера (видеокарты) и программного обеспечения.

Экран дисплея представляет собой прямоугольную матрицу пикселей, обладающих благодаря люминофорам, которыми покрыт экран, свойством светимости при попадании на них электронного луча, который построчно слева направо и сверху вниз пробегает по экрану, изменяя свою яркость и цвет.

Каждому пикселю соответствует некоторое число битов в оперативной памяти. Часть памяти, хранящая информацию о состоянии каждого пикселя экрана, определяет видеопамять компьютера.

Видеопамять  это электронное, энергозависимое запоминающее устройство, предназначенное для хранения видеоинформации  двоичного кода изображения, выводимого на экран.

Управляет работой монитора видеоадаптер. Видеопамять одновременно является частью видеоадаптера. Адаптер обеспечивает чтение этой памяти.

Конструктивно видеоадаптер представляет собой отдельную плату, связанную с центральным процессором через общую шину, поэтому видеоадаптер также называют видеокартой (видеоплатой). Видеокарта вставляется в разъем (PCI или AGP) на материнской плате. На тыльной стороне видеокарты есть разъем, к которому с помощью кабеля подключается монитор.

С увеличением сложности трехмерной графики, то есть с увеличением числа многоугольников в трехмерных сценах, изображение которых выводится на монитор, часть работы по построению и обработке трехмерных изображений потребовалось переложить с центрального процессора на видеокарту. Для этого на нее поместили специализированную микросхему  графический процессор, который берет на себя большую часть работы по формированию и обработке трехмерных образов и тем самым разгружает центральный процессор. Такую видеокарту (рисунок 20.7) в дальнейшем стали называть графическим акселератором (ускорителем).

Популярность графических приложений и, особенно, мультимедиа приложений сделала графические акселераторы не только обычным дополнением видеоадаптера, но и необходимостью.

К основным характеристикам графических акселераторов относят:

 шина: каждый графический акселератор разработан для определенного типа видеошины. Большинство графических акселераторов разработано для шины PCI;

 разрядность регистров данных: чем выше разрядность регистров, тем больше данных может обрабатывать процессор каждой командой.

Рисунок 20.7. Графический акселератор

На персональных компьютерах используются различные типы видеоадаптеров. Почти все они могут работать в нескольких режимах, называемых также видеомодами . Эти режимы различаются разрешающей способностью, количеством цветов, палитрой, числом видеостраниц и способом их адресации.

Существует два основных типа видеорежимов: текстовый и графический. В текстовом режиме в видеопамяти находятся коды символов и их атрибуты, которые из таблицы символов выводятся на экран монитора. В графическом видеорежиме в видеопамяти находится код цвета каждой точки, отображаемой на экране. Для конкретного режима некоторые мониторы предоставляют разные разрешения. При более низком разрешении монитор может отображать больше цветов.

В первых моделях PC IBM использовался цветной графический режим CGA . Выводимое изображение имело довольно низкое качество. Разрешающая способность 620200 с четырехцветной палитрой из 16 возможных цветов или 640200 с двухцветной палитрой.

Позднее (в 1984 году) появился улучшенный графический адаптер EGA , позволяющий работать при разрешающей способности 640350 16-цветной палитрой из 64 цветов, двумя видеостраницами и в монохроматическом режиме с 8 видеостраницами при низком разрешении 320200.

В 1987 IBM начала выпускать компьютеры, оснащенные видеоадаптерами VGA (видеографический массив). Для адаптеров VGA характерна возможность работы в одном из нескольких графических режимов, отличающихся количеством точек, воспроизводимых на экране, и количеством цветов. Так, например, особенно широкое применение нашли два режима, обеспечивающие при разрешении 320200 работу с 256 цветами из палитры в миллион цветовых оттенков и с 16-цветовой палитрой при разрешении 640480.

Одна из ценных особенностей стандарта VGA состоит в том, что он «открыт сверху», например, увеличением объема видеопамяти на плате видеоадаптера можно добиваться более высокого графического расширения и (или) увеличения количества цветов, воспроизводимых одновременно. Такие режимы получили название SVGA . Модификация SVGA позволяет использовать 256 цветов при разрешении 12801024 и 16 миллионов цветов при разрешении 1024768.

Каждый из перечисленных более поздних адаптеров поддерживал все режимы предыдущих. В последние годы IBM предложила в качестве стандарта для высокопроизводительных компьютеров адаптер XGA.

Изображение, которое создается графическим ускорителем, управляемым инструкциями от центрального процессора, помещается в видеопамять. Полная информация обо всех точках изображения, храня-щаяся в видеопамяти, называется битовой картой изобра-жения .

Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из наи-более распространенных в настоящее время графических режимов с 65536-цветовой палитрой при разрешении 800600 точек.

Всего точек на экране: 800  600 = 480000. Для кодирования 65536 различных цветов необходимо два байта (16 битов) памяти. Следовательно, необходимый объем видеопамяти: 16 бит  480000 = 7680000 бит = 960000 байт = 937,5 Кбайт.

Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов (таблица 20.2).

Таблица 20.2. - Объем видеопамяти для различных графических режимов

Режим экрана	Глубина цвета (бит на точку)
Режим экрана	4	8	16	24
640  480	150 Кбайт	300 Кбайт	600 Кбайт	900 Кбайт
800  600	234 Кбайт	469 Кбайт	938 Кбайт	1,4 Мбайт
1024  768	384 Кбайт	768 Кбайт	1,5 Мбайт	2,25 Мбайт
1280  1024	640 Кбайт	1,25 Мбайт	2,5 Мбайт	3,75 Мбайт

На данный момент производством видеоадаптеров занимаются компании ABIT, ASUS, AOpen, ATI, Chaintech, Creative Labs, Gigabyte, InnoVision Multimedia, Leadtek, Matrox, Microstar International (MSI), Sapphire и др.

^ 20.2.3 Оборудование для ввода графической информации в компьютер

Существуют различные технические средства, осуществляющие процесс преобразования изображений в цифровую форму, например, сканеры, дигитайзеры (графические планшеты), цифровые фото- и видеокамеры. В каждом конкретном случае важно правильно выбрать нужное устройство, руководствуясь его техническими характеристиками, для получения оцифрованного изображения с требуемой детальностью и цветовой гаммой.

Сканер  это устройство ввода в персональный компьютер цветного или черно-белого изображения.

Принцип действия практически всех типов сканеров един. Он основан на том, что направленным лучом освещаются отдельные точки исходного изображения (оригинала) и отраженный в результате луч воспринимается фоточувствительным приемником, где информация о «цвете» точки интерпретируется как конкретное численное значение, которое через определенный интерфейс передается в компьютер.

Как правило, светочувствительные элементы объединяют в матрицу, для того, чтобы сканировать одновременно целый участок оригинала.

Сканеры по способу восприятия цвета разделяют на черно-белые и цветные.

Черно-белые сканеры могут в простейшем случае различать только два значения  черное и белое, что вполне достаточно для чтения штрихового кода. Более сложные сканеры различают градации серого цвета.

Цветные сканеры работают на принципе сложения цветов, при котором цветное изображение получается путем смешения трех цветов: красного, зеленого и синего.

По механизму перемещения матрицы светочувствительных элементов относительно оригинала выделяют следующие типы сканеров: ручные, барабанные, листовые, планшетные.

Ручные сканеры  это относительно недорогие устройства небольшого размера, удобны для оперативного сканирования изображений из книг и журналов. Сканирование осуществляется путем ручного перемещения сканера по оригиналу. Ширина полосы сканирования обычно не превышает 15 см. К недостаткам ручного сканера можно отнести зависимость качества сканирования от навыков пользователя и невозможность одновременного сканирования относительно больших изображений.

В барабанном сканере сканируемый оригинал располагается на вращающемся барабане. При этом сканируется точечная область изображения, а сканирующая головка движется вдоль барабана на очень маленьком расстоянии от оригинала. В настоящее время такие сканеры используются только в типографском производстве.

В листовых сканерах носитель с изображением протягивается вдоль линейки, на которой расположены светочувствительные элементы. Ширина изображения как правило составляет формат А4, а длина ограничена возможностями используемого компьютера (чем больше изображение, тем больше размер файла, где хранится его цифровая копия).

Планшетные сканеры осуществляют сканирование в автоматическом режиме. Оригинал располагается в сканере на стеклянном листе, под которым при помощи подвижной линейной матрицы сканируется изображение построчно с равномерной скоростью (рисунок 20.8). Размеры сканируемых изображений зависят от размера сканера и могут достигать размеров большого чертежного листа (А0). Размеры матрицы и системы фокусировки подобраны так, чтобы вести сканирование листа по всей ширине. Специальная слайд-приставка позволяет сканировать слайды и негативные пленки.

Рисунок 20.8. Планшетный сканер

Сканеры подключаются к персональному компьютеру через специальный контроллер (для планшетных сканеров это чаще всего SCSI контроллер). Сканер всегда должен иметь соответствующий драйвер, так как только ограниченное число программных приложений имеет встроенные драйверы для общения с определенным классом сканеров.

При выборе конкретной модели сканера необходимо учитывать ряд характеристик, связанный с техническими возможностями модели.

Разрешение  число точек или растровых ячеек, из которых формируется изображение, на единицу длины или площади. Чем больше разрешение устройства, тем более мелкие детали могут быть воспроизведены.

Аппаратное/Оптическое разрешение сканера  это одна из основных характеристик сканера, напрямую связанная с плотностью размещения чувствительных элементов на матрице сканера. Измеряется в количестве пикселей на квадратный дюйм изображения.

Интерполированное разрешение  разрешение изображения, полученного при помощи математической обработки исходного изображения. С улучшением качества имеет мало общего. Часто служит рекламной уловкой для неподготовленных пользователей.

Глубина цвета  количество разрядов каждого пикселя в цифровом изображении, в т.ч. выдаваемом сканером.

На мировом рынке представлено достаточно большое число фирм-производителей сканеров. Наиболее популярные модели производят Hewlett-Packard, Agfa, Canon, Mustek.

Сканирование плоских графических документов  дело сравнительно простое: оригинал кладется на стеклянную пластину планшетного сканера, закрывается крышка и производится пуск аппарата. Но сканирование в трех измерениях, определяющих наш мир, гораздо сложнее и требует большого труда, поэтому до сих пор задача эта для пользователей ПК была почти неразрешима.

Однако сегодня разработан ряд приборов, позволяющих отображать объекты небольших и средних размеров в виде точных трехмерных файлов. Примером может служить прибор для оцифровки трехмерных объектов MicroScribe-3D компании Immersion, который использует современные достижения в различных отраслях технического прогресса.

Рисунок 20.9. Прибор для оцифровки трехмерных объектов MicroScribe-3D

Компания Immersion разработала уникальную механическую технологию оцифровки , которая компактна, доступна и легка в использовании. Прибор представляет собой настольное устройство, внешне напоминающее миниатюрную зубоврачебную бормашину (рисунок 20.9). Каждое соединение MicroScribe-3D использует цифровые оптические датчики, работа которых не зависит от любого относящегося к окружению влияния. Результат  универсальная система, которая может работать практически в любой среде и сканировать объекты из любого материала.

Но кроме этого, есть и другие технологии трехмерного сканирования: ультразвуковое сканирование, магнитное сканирование, лазерное сканирование.

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.

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.

Купить моноблок в Москве с доставкой.