Кодирование графики 1

Кодирование графики 1

Современная компьютерная техника работает с самыми разными графическими изображениями. Для автоматизации хранения, передачи и обработки графической информации необходимо ее кодирование. Компьютер может обрабатывать и хранить только ограниченный объем информации, а поскольку любые естественные сигналы — носители информации, — недискретны, непрерывны и неограниченны в пространстве и времени (как и графическая информация, в отличие от числовой и текстовой информации, является непрерывной), необходимо дискретизировать их. 2

Дискретизацией (англ. discretisation) называют процедуру устранения временной и/или пространственной непрерывности естественных сигналов, являющихся носителями информации. При пространственной дискретизации изображения его разбивают на небольшие области, в пределах которых параметры изображения считают неизменными. 3

При временной дискретизации время разбивают на небольшие интервалы, в пределах которых характеристики природных сигналов, как и в пространственном случае, считают неизменными. 4

Дискретизация всегда приводят к потере некоторой доли информации. Так, компьютерное изображение живописного полотна всегда отличается от оригинала. А цифровая запись музыкального произведения или концерта (например, на компакт-диске) всегда отличается от живого звучания, даже если различие неощутимо на слух. Степень различия оригинала и цифровой копии определяет субъективное качество компьютерного представления. Без предварительной дискретизации графической или звуковой информации компьютеры в принципе не могли бы ни обрабатывать, ни хранить подобную информацию. 5

В зависимости от способа формирования и кодирования изображения компьютерная графика подразделяется на: растровую; векторную; фрактальную. Все они основаны на сопоставлении непрерывной графической информации с дискретными числами, а значит, и последовательностями нулей и единиц. 6

Растровая графика Основан на разделении изображения на отдельные дискретные элементы - точки, называемые пикселями. Термин «пиксель» произошел от английского слова pixel, которое образовано от двух слов picture element - элемент изображения. 7

Растровая графика Изображение прямоугольной области, представленное в виде совокупности отдельных пикселей, можно сравнить с рисунком на листе клетчатой бумаги. При просмотре на расстоянии отдельные закрашенные и незакрашенные клетки сливаются в единый рисунок. Поскольку совокупность пикселей, составляющих прямоугольную область, называется растром, то такой способ кодирования графических данных называется растровым. 8

Растровая графика 9

Растровая графика При работе с растровым изображением в памяти компьютера хранятся коды цветов всех пикселей, составляющих изображение, а также количество разрядов, используемых для кодирования цвета пикселя, коды каждого цвета, ширину и высоту растра в пикселях. В связи с этим файлы, содержащие растровые графические изображения, имеют достаточно большой объем. ПРИМЕР 1. Представить в виде двоичного и шестнадцатеричного кода изображение буквы Н черного цвета на белом фоне с помощью растра, ширина и высота которого 8 пикселей. 10

Растровая графика РЕШЕНИЕ. Разделим прямоугольную область изображения на отдельные элементы с помощью растра, состоящего из 8 пикселей по горизонтали и 8 пикселей по вертикали. Поскольку каждый из 64 пикселей может быть закрашен в черный цвет или оставаться белым, то цвет одного пикселя кодируем единицей или нулем соответственно. 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 i 0 0 1 0 11

Растровая графика Записав двоичный код каждой строки растра, получим последовательность из 64 нулей и единиц: 0000 01000010 01111110 01000010. Для сокращения длины записи заменим по уже известным правилам двоичный код шестнадцатеричным кодом 00 42 42 42 7 Е 42 42 42. Ответ. Растровое изображение можно представить двоичным кодом 00000100001001000111111001001000010 или шестнадцатеричным кодом 004242427 Е 424242. 12

Растровая графика Зная количество цветов, необходимых для создания компьютерного растрового изображения, вычисляют количество двоичных разрядов, требуемых для кодирования цвета каждого пикселя, то есть глубину кодирования цвета. Глубина кодирования цвета — количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета одного пикселя растрового графического изображения. Глубина кодирования цвета измеряется в битах. 1 бит = 1 двоичный разряд. 13

Растровая графика Чем больше глубина кодирования цвета, тем большее количество цветов можно воспроизвести. Например, для хранения каждого из двойных цветов пикселя требуется 1 бит памяти (2 i = 2, i -1 бит), а для хранения каждого из 256 цветов пикселя - 8 битов памяти (2 i = 256, i= 8 бит). Объём памяти, необходимый для хранения растрового изображения, можно найти, зная глубину кодирования цвета и количество пикселей растра по горизонтали и вертикали: V=b*m*n, P = 2 b, где V— объем памяти, необходимой для хранения растрового изображения, Р - количество цветов растрового изображения, b - глубина кодирования цвета, m - количество пикселей растра по горизонтали, n - количество пикселей растра по вертикали. Чем больше глубина кодирования цвета и количество пикселей на 1 дюйм изображения (1 дюйм = 2, 54 см), тем выше качество растрового изображения. 14

Растровая графика ПРИМЕР 2. Вычислить объем памяти, необходимой для хранения 16 -цветного растрового изображения, для создания которого использовался растр размером 640 х 480 пикселей. Дано: Решение: Р = 16 цветов 1) Определим глубину кодирования цвета. m = 640 пикселей Р=2 b, n = 480 пикселей 16 = 2 b, 24 = 2 b, Найти. b = 4 (бит). V=? 2) Определим объем памяти, необходимый для хранения растрового изображения. 15

Растровая графика При работе с растровым изображением в памяти компьютера хранятся коды цветов всех пикселей, составляющих изображение, а также количество разрядов, используемых для кодирования цвета пикселя, коды каждого цвета, ширину и высоту растра в пикселях. В связи с этим файлы, содержащие растровые графические изображения, имеют достаточно большой объем. 16

Векторная графика Другой способ кодирования графического изображения основан на разделении изображения на отдельные элементы - графические примитивы: отрезки, многоугольники, дуги, окружности и другие геометрические фигуры. В свою очередь, любой графический примитив можно представить в виде совокупности отдельных линий. Способ представления графического изображения, основным элементом которого является линия, называется векторным . Положение линии задается в системе координат, начало которой расположено в верхнем левом углу прямоугольной области, содержащей изображение. 17

Векторная графика 18

Векторная графика Для того чтобы понять, каким образом происходит векторное кодирование графического изображения, рассмотрим способ представления изображения буквы Н с помощью графических примитивов. Изображение этой буквы можно представить в виде трех отрезков, указав для каждого из них координаты начальной и конечной точек. 19

Векторная графика В результате векторного кодирования графического изображения будет получена запись: Отрезок [(2, 2), (2, 8)], Отрезок [(2, 5), (7, 5)], Отрезок [(7, 2), (7, 8)]. В свою очередь, виды, координаты и другие параметры графических примитивов, используемых для кодирования, могут быть представлены в виде последовательностей нулей и единиц. 20

Векторная графика Для работы с компьютерным графическим изображением, кодируемым векторным способом, в памяти компьютера хранятся двоичные коды параметров линий, которые определяют форму (прямая, кривая) и длину, толщину и начертание (сплошная, пунктирная), а также цвет линий. Причем количество параметров, необходимых для построения линии, остается постоянным и не зависит от ее размера. Поэтому по сравнению с растровым изображением векторное изображение занимает меньший объем компьютерной памяти и позволяет изменять размер рисунка без потери качества изображения. 21

Фрактальная графика Фрактальный способ кодирования графических изображений основан на математических вычислениях. Основными элементами фрактальной графики являются математические формулы. В памяти компьютера хранятся двоичные коды уравнений, соответствующие как простым графическим изображениям, так и сложным узорам, имитирующим трехмерные объекты. 22

Фрактальная графика 23

Сравнение векторных, фрактальных и растровых форматов представления графики. Плюсы векторных и растровых изображений: p достаточно небольшой информационный объем изображения; p удобство форматирования изображения; p возможность форматировать изображение без потери информации (например, сжимать и растягивать изображение); p эффективность для представления схем, чертежей, шрифтов, деловой графики, для рисованных изображений в мультфильмах. Плюсы и в растровом представлении изображений: p любое изображение можно сохранить в растровом формате, а вот в векторном формате можно представить не любое изображение; p растровые изображения более реалистичны. 24

Задания 1. Закодируйте черно-белое изображение знака «+» с помощью растра, ширина и высота которого 8 пикселей. Представьте это растровое изображение в виде шестнадцатеричного кода. Определите объем памяти, необходимой для хранения этого изображения. 2. Декодируйте черно-белое изображение, если каждая строка изображения представлена 4 -разрядным шестнадцатеричным кодом: а)0070 00 FC 00 F 7 00 FF 8078 С 060 C 070 FFF 8 FFB 8 8 Е 78 E 0 F 0 7 FE 0. 3. Какой объем памяти в мегабайтах занимает фотография размером 1024 х 1024 точек, каждая из которых кодируется 24 битами? 4. Для хранения растрового изображения размером 64 х 64 пикселя отведено 1, 5 Кбайта памяти. Максимально возможное число цветов каждого пикселя равно 1)8 2)2 3)16 4)4 25

Задания 5. Видеопамять имеет объем, в котором может храниться 4 -х цветное изображение размером 300 200. Какого размера изображение может храниться в том же объеме видеопамяти, если оно будет использовать 16 –цветную палитру? 26