Двоичное кодирование графической информации Информация и информационные процессы

Двоичное кодирование графической информации Информация и информационные процессы

Двоичное кодирование в компьютере Вся информация, которую обрабатывает компьютер должна быть представлена двоичным кодом с помощью двух цифр: 0 и 1. Эти два символа принято называть двоичными цифрами или битами. С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение. Это явилось причиной того, что в компьютере обязательно должно быть организованно два важных процесса: кодирование и декодирование. Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т. е. двоичный код. Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку. Привет! 1001011

Почему двоичное кодирование С точки зрения технической реализации использование двоичной системы счисления для кодирования информации оказалось намного более простым, чем применение других способов. Действительно, удобно кодировать информацию в виде последовательности нулей и единиц, если представить эти значения как два возможных устойчивых состояния электронного элемента: 0 – отсутствие электрического сигнала; 1 – наличие электрического сигнала. Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования – длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных. Способы кодирования и декодирования информации в компьютере, в первую очередь, зависит от вида информации, а именно, что должно кодироваться: числа, текст, графические изображения или звук.

Аналоговая и дискретная форма представления информации Человек способен воспринимать и хранить информацию в форме образов (зрительных, звуковых, осязательных, вкусовых и обонятельных). Зрительные образы могут быть сохранены в виде изображений (рисунков, фотографий и так далее), а звуковые — зафиксированы на пластинках, магнитных лентах, лазерных дисках и так далее. Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме. При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно. При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

Аналоговая и дискретная форма представления информации Приведем пример аналогового и дискретного представления информации. Положение тела на наклонной плоскости и на лестнице задается значениями координат X и У. При движении тела по наклонной плоскости его координаты могут принимать бесконечное множество непрерывно изменяющихся значений из определенного диапазона, а при движении по лестнице — только определенный набор значений, причем меняющихся скачкообразно.

Дискретизация Примером аналогового представления графической информации может служить, например, живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного — изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета. Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью). Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода. Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов.

Виды компьютерных изображений Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

Кодирование растровых изображений 0 Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Пиксель - минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом. В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеленый, синий и так далее). Качество изображения зависит от количества точек (чем меньше размер точки и, соответственно, больше их количество, тем лучше качество) и количества используемых цветов (чем больше цветов, тем качественнее кодируется изображение). 1 1 0 0 1 1 0 11 01 01 11 10 11 01 01 11 00 11

Цветовые модели Для представления цвета в виде числового кода используются две обратных другу цветовые модели: RGB или CMYK. n Модель RGB используется в телевизорах, мониторах, проекторах, сканерах, цифровых фотоаппаратах… Основные цвета в этой модели: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). n Цветовая модель CMYK используется в полиграфии при формировании изображений, предназначенных для печати на бумаге.

Цветовая модель RGB Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки. Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами (по одному биту на каждый цвет RGB), то мы получим все восемь различных цветов.

True Color На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (т. е. 24 бита) - по 1 байту (т. е. по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей. Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 28=256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из 16 777 216 цветов. Такой набор цветов принято называть True Color (правдивые цвета), потому что человеческий глаз все равно не в состоянии различить большего разнообразия.

Двоичный код шестнадцатицветной палитры. (И-бит интенсивности) И К З С Цвет 0 0 Черный 0 0 0 1 Синий 0 0 1 0 Зеленый 0 0 1 1 Голубой 0 1 0 0 Красный 0 1 Розовый 0 1 1 0 Коричневый 0 1 1 1 Серый (или белый) 1 0 0 0 Темно-серый 1 0 0 1 Ярко-синий 1 0 Ярко-зеленый 1 0 1 1 Ярко-голубой 1 1 0 0 Ярко-красный 1 1 0 1 Ярко-розовый 1 1 1 0 Ярко-желтый 1 1 Ярко-белый

Вычислим объем видеопамяти Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов. В современных компьютерах разрешение экрана обычно составляет 1280 х1024 точек. Т. е. всего 1280 * 1024 = 1310720 точек. При глубине цвета 32 бита на точку необходимый объем видеопамяти: 32 *1310720 = 41943040 бит = 5242880 байт = 5120 Кб = 5 Мб. При глубине цвета 24 бит на точку и разрешении 1280 х1024 необходимый объем видеопамяти: 1280 х1024 x 24 = 31457280 бит = 3932160 байт = 3840 Кбайт = 3, 75 Мбайт.

14 Разрешение – это количество пикселей, приходящихся на дюйм размера изображения. ppi = pixels per inch, пикселей на дюйм 1 дюйм = 2, 54 см 300 ppi 96 ppi печать экран 48 ppi 24 ppi

Разрешение Задача 1. Какой размер в пикселях должен иметь закодированный рисунок с разрешением 300 ppi, чтобы с него можно было сделать отпечаток размером 10× 15 см? высота 10 см × 300 пикселей 1181 пиксель 2, 54 см 15 см × 300 пикселей 1771 пиксель ширина 2, 54 см 15

Разрешение 16 Задача 2. Закодированный рисунок имеет размеры 5760 × 3840 пикселей и разрешение 600 ppi. Какой размер будет у изображения, отпечатанного на принтере? ширина 5760 пикселей × 2, 54 см 24, 4 см 600 пикселей высота 3840 пикселей × 2, 54 см 16, 3 см 600 пикселей

Кодирование цвета при печати (CMYK) R R G B G B Белый – красный = голубой C = Cyan Белый – зелёный = пурпурный M = Magenta Белый – синий = желтый Y = Yellow C M Y 0 0 0 255 255 255 Модель CMYK: + Key color § меньший расход краски и лучшее качество для чёрного и серого цветов 17

18 RGB и CMYK видит человек RGB CMYK • не все цвета, которые показывает монитор (RGB), можно напечатать (CMYK) • при переводе кода цвета из RGB в CMYK цвет искажается RGB(0, 255, 0) CMYK(65, 0, 100, 0) RGB(104, 175, 35)

19 Цветовая модель Lab Международный стандарт кодирования цвета, независимого от устройства (1976 г. ) Основана на модели восприятия цвета человеком. Lab = Lightness (светлота) a, b (задают цветовой тон) • для перевода между цветовыми моделями: RGB Lab CMYK Светлота 25% Светлота 75% • для цветокоррекции фотографий

Кодирование векторных изображений Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды. Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем. Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества.

Кодирование векторных изображений n Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (математических уравнений линий, дуг, окружностей и т. д. ). Сложные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности элементарных графических объектов.

Кодирование векторных изображений n В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста - располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев.

Векторное кодирование (итоги) • лучший способ для хранения чертежей, схем, карт • при кодировании нет потери информации • при изменении размера нет искажений растровый рисунок векторный рисунок • меньше размер файла, зависит от сложности рисунка • неэффективно использовать для фотографий и размытых изображений 23

Графические форматы файлов Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия).

Графические форматы файлов n Во времена зарождения компьютерной графики не существовало стандартных форматов графических файлов. Многие разработчики графических программ нередко сами изобретали собственные форматы. В результате возникали проблемы при обмене графическими данными между разными программами. Работа по стандартизации графических форматов началась в 80 -х годах XX века.

Графические форматы файлов n Единого формата, пригодного для всех графических приложений, нет и быть не может. Но все же некоторые форматы стали стандартными для целого ряда областей использования компьютерной графики.

Графические форматы файлов Графические редакторы делятся на растровые и векторные (по способу представления графических файлов). Существуют стандартные графические форматы и собственные форматы графических приложений.

Графические форматы файлов Наиболее популярные растровые форматы: n BMP n GIF n JPEG n TIFF n PNG

Кодирование информации, 10 класс 29 Растровые рисунки: форматы файлов Формат BMP JPG True Color Палитра GIF PNG К. Ю. Поляков, Е. А. Ерёмин, 2013 Прозрачность Анимация 29 http: //kpolyakov. spb. ru

Графические форматы файлов n n n Bit Ma. P image (BMP) — универсальный формат растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows. Этот формат поддерживается многими графическими редакторами, в том числе редактором Paint. Рекомендуется для хранения и обмена данными с другими приложениями. Tagged Image File Format (TIFF) — формат растровых графических файлов, поддерживается всеми основными графическими редакторами и компьютерными платформами. Включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации. Используется для обмена документами между различными программами. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами. Graphics Interchange Format (GIF) — формат растровых графических файлов, поддерживается приложениями для различных операционных систем. Включает алгоритм сжатия без потерь информации, позволяющий уменьшить объем файла в несколько раз. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете. Portable Network Graphic (PNG) — формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. Рекомендуется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете. Joint Photographic Expert Group (JPEG) — формат растровых графических файлов, который реализует эффективный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере части информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Графические форматы файлов Наиболее популярные векторные форматы WMF(Windows Meta. File) EPS(Encapsulated Post. Script) DXF(Drawing Interchange Format) CGM(Computer Graphics)

Графические форматы файлов n WMF(Windows Meta. File) - универсальный формат векторных графических файлов для Windows приложений. Используется для хранения коллекции графических изображений Microsoft Clip Gallery. Формат разработан Microsoft и является неотъемлемой частью Windows. Очень часто WMF неявно используется для сохранения образа окна вывода программы и его последующего восстановления, а также при переносе информации через буфер обмена (clipboard). Из MS Windows запись и чтение в файл этого формата осуществляются чрезвычайно просто и быстро, в других операционных системах поддержка этого формата бесполезна. Его понимают некоторые программы для Macintosh. На платформе Macintosh аналогичную роль играет формат PICT.

Графические форматы файлов n EPS(Encapsulated Post. Script)- расширение формата Post. Script, данные в котором записываются в соответствии со стандартом DSС (англ. Document Structuring Conventions), но при этом c рядом расширений, позволяющих использовать этот формат как графический. Формат используется в профессиональной полиграфии и может содержать растровые изображения, векторные изображения, а также их комбинации. n DXF(Drawing Interchange Format) - открытый формат файлов для обмена двумерной графической информацией между приложениями САПР. Был создан фирмой Autodesk для системы Auto. CAD. Поддерживается практически всеми CADсистемами на платформе PC. n CGM(Computer Graphics) - открытый формат и международный стандарт для хранения и обмена графическими данными, (2 D векторной и растровой графики и текста).

Собственные форматы графических приложений n CDR – Corel. DRAW n PSD – Adobe Photo. Shop n RIFF – Fractal Design Painter n BMP - Paint

Вопросы и задания: n Что такое двоичное кодирование информации в компьютере? n Расскажите об аналоговой и дискретной форме представления информации. n Что такое дискретизация? n Как кодируются растровые и векторные изображения?

Вопросы и задания: n Какие виды компьютерных изображений вы знаете? n Какое максимальное количество цветов может быть использовано в изображении, если на каждую точку отводится 3 бита? n Что вы знаете о цветовой модели RGB? n Расскажите о цветовой модели True Color. n Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического режима: разрешение экрана 800 х600, качество цветопередачи 16 бит.

Вопросы и задания n Какие наиболее популярные растровые форматы и растровые редакторы? n Какие наиболее популярные векторные форматы и векторные редакторы? n Какие редакторы вы используете?