кодирование графической информации растровая и векторная графика средства и технологии работы с

Информатика. 10 класс

Конспект урока

Информатика, 10 класс. Урок № 17.

Тема — Кодирование графической и звуковой информации

Большую часть информации человек получает с помощью зрения и слуха. Важность этих органов чувств обусловлена развитием человека как биологического вида, поэтому человеческий мозг с большой скоростью способен обрабатывать огромное количество графической и звуковой информации.

С появлением компьютеров возникла огромная потребность научить их обрабатывать такую информацию. Как же такую информацию может обработать компьютер?

Итак, кодирование графической информации осуществляется двумя различными способами: векторным и растровым

Программы, работающие с векторной графикой, хранят информацию об объектах, составляющих изображение в виде графических примитивов: прямых линий, дуг окружностей, прямоугольников, закрасок и т.д.

Достоинства векторной графики:

— Преобразования без искажений.

— Маленький графический файл.

— Рисовать быстро и просто.

— Независимое редактирование частей рисунка.

— Высокая точность прорисовки.

— Редактор быстро выполняет операции.

Недостатки векторной графики:

— Векторные изображения выглядят искусственно.

— Ограниченность в живописных средствах.

Программы растровой графики работают с точками экрана (пикселями). Это называется пространственной дискретизацией.

КОДИРОВАНИЕ РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ

Давайте более подробно рассмотрим растровое кодирование информации.

Компьютер запоминает цвет каждой точки, а пользователь из таких точек собирает рисунок.

При этом зная количество пикселей по вертикале и горизонтали, мы сможем найти — разрешающую способность изображения.

Разрешающая способность находится по формуле:

где n, m — количество пикселей в изображении по вертикали и горизонтали.

В процессе дискретизации каждый пиксель может принимать различные цвета из палитры цветов. При этом зная количество цветов, которые можно использовать в палитре и воспользовавшись формулой Хартли, мы сможем найти количество информации, которое используется для кодирования цвета точки, что мы будем называть глубиной цвета.

где N — количество цветов в палитре;

Таким образом, чтобы найти вес изображения достаточно перемножить разрешающую способность изображения на глубину цвета: L=P*i.

Каким именно образом возможно закодировать пиксель? Для этого используются кодировочные палитры.

КОДИРОВОЧНАЯ ПАЛИТРА RGB

Когда художник рисует картину, цвета он выбирает по своему вкусу. Но цвет в компьютере надо стандартизировать, чтобы его можно было распознать. Поэтому надо определить, что такое каждый цвет.

В экспериментах по производству цветных стекол М. В. Ломоносов показал, что получить любой цвет возможно, используя три различных цвета.

Этот факт был обобщен Германом Грассманом в виде законов аддитивного синтеза цвета.

Давайте рассмотрим два из этих законов:

— Закон трехмерности. С помощью трех независимых цветов можно, смешивая их в однозначно определенной пропорции, выразить любой цвет.

— Закон непрерывности. При непрерывном изменении пропорции, в которой взяты компоненты цветовой смеси, получаемый цвет также меняется непрерывно.

Из биологии вы знаете, что рецепторы человеческого глаза делятся на две группы: палочки и колбочки. Палочки более чувствительны к интенсивности поступаемого света, а колбочки — к длине волны.

Если посмотреть, как распределяется количество колбочек по тому, на какую длину волны они «настроены», то количество колбочек «настроенных» на синий, красный и зеленый цвета окажется больше.

Поэтому такие цвета были взяты основными для построения цветовой модели, которая получила название RGB (Red, Green, Blue). То есть задавая количество любого из этих трех цветов, можно получить любой другой. Для кодирования каждого цвета было выделено 8 бит (режим True-Color). Таким образом, количество каждого цвета может изменяться от 0 до 255, часто это количество выражается в шестнадцатеричной системе счисления (от 0 до FF).

Так как описание цвета происходит определением трех величин, то это наводит на мысль считать их координатами точки в пространстве. Получается, что координаты цветов заполняют куб.

При этом яркость цвета определяется тем насколько близка к максимальному значению хотя бы одна координата из трех.

КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Давайте перейдем к кодированию звуковой информации.

Из курса физики вам всем известно, что звук — это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой.

Для того, чтобы компьютер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дискретизирован, т. е. превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Для этого звуковая волна разбивается на отдельные временные участки.

Гладкая кривая заменяется последовательностью «ступенек». Каждой «ступеньке» присваивается значение громкости звука. Чем больше количество уровней громкости, тем больше количество информации будет нести значение каждого уровня и более качественным будет звучание. Причем, чем больше будет количество измерений уровня звукового сигнала в единицу времени, тем качественнее будет звучание. Эта характеристика называется частотой дискретизации Данная характеристика измеряется в Гц.

При этом на каждое измерение выделяется одинаковое количество бит. Такая характеристика называется — глубина кодирования.

Таким образом, чтобы подсчитать вес звуковой волны достаточно перемножить частоту дискретизации, глубины кодирования и времени звучания такого звука. При этом, рассматривая современное звучание, количество звуковых волн может быть различное, например, для стереозвука — это 2, а для квадрозвука — 4.

Источник

Вучебниках информатики в общем виде информацион­ный процесс

Кодирование графической информации. Растровая и векторная графика. Средства и технологии работы с гра­фикой.

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.

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;

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

К программным средствам относят:

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 графике изображение 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.

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 дискретизации и 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.

Кодирование текстовой информации. Двоичное кодирование текстовой информации. Различные кодировки кириллицы

Первые компьютеры были созданы для обработки число­вой информации. Начиная с конца 60-х годов XX века, компьютеры стали использовать для обработки текстовой информации. В настоящее время практически все пользова­тели персональных компьютеров работают с текстами, испо­льзуя специальные программы — текстовые редакторы.

Человек различает символы по их начертанию, а компью­тер — по их кодам. В мире в качестве стандарта кодирова­ния символьной информации принята таблица ASCII (Ame­rican Standard Code for Interchange). В ней для кодирования одного символа используется количество информации, рав­ное 1 байту (8 битов). Всего с помощью одного байта можно закодировать: N = 2 8 = 256 символов. Этого вполне доста­точно для представления текстовой информации на компью­тере. Таблица разделена на две части по 128 символов. Пер­вая (основная) часть содержит буквы латинского алфавита, десятичные цифры, знаки пунктуации, арифметических действий и др. Вторая часть (расширение) предназначена, в основном, для кодирования национальных алфавитов. Ко­дирование заключается в том, что каждому символу ставит­ся в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111. Присвоение символу конкретного кода — это во­прос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Первые 33 кода (с 0 по 32) обозначают не символы, а опера­ции (новая строка — код 10, возврат каретки — код 13, ввод пробела — код 32, и т. д.).

В настоящее время существует пять различных кодовых таблиц для русских букв: КОИ-8, СР1251 (для Windows), СР866 (ASCII, MS DOS), Mac (для Macintosh), ISO (Inter­national Standards Organization, код, используемый в языке HTML). Такое количество кодировок затрудняет чтение тек­стов в Интернете и отображение в тестовых редакторах. Од­ному и тому же двоичному коду в различных кодировках поставлены в соответствие различные символы. Например, в ASCII русская буква А имеет код — 10000000, КОИ-8 — 11100001, СР1251 — 11000000.

Для того чтобы правильно прочесть текст, присланный в другой кодировке, необходимо:

• в текстовом редакторе Microsoft Word в меню Сервис, Параметры, Общие активизировать флажок подтверждать преобразование при открытии, выбрать нужную кодировку;

• при работе в браузере, например IE, в меню Вид, Вид кодировки выбрать нужную кодировку.

При вводе в компьютер текстовой информации происхо­дит ее двоичное кодирование. Пользователь нажимает на клавиатуре клавишу с символом — ив компьютер поступает определенная последовательность из восьми электрических импульсов (двоичный код символа). Код символа хранится в оперативной памяти компьютера. В процессе вывода симво­ла на экран монитора производится обратный процесс — де­кодирование, т. е. преобразование кода символа в его изоб­ражение, которое хранится в памяти компьютера.

Новый международный стандарт Unicode (Юникод) отво­дит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N = 2 16 = = 65 536. Кодировка Unicode поддерживает все знаки всех языков и пригодна для чтения в Microsoft Internet Explorer, начиная с версии 4.0, и Microsoft Office с 1997 г.

Основные приемы преобразования текстов: редактирование и форматирование

Текст, созданный в текстовом редакторе, может быть пре­образован, т. е. отредактирован и отформатирован. Редакти­рование — это преобразование документа, обеспечивающее вставку, удаление, перемещение его фрагментов (объектов). Объект — это и весь текст в целом, и абзац, и строка, и сло­во, и символ, и таблица, и ее составляющие. Редактирова­ние может быть применено к любому объекту документа, который предварительно выделен.

Возможны следующие операции редактирования:

удаление, перемещение, копирование;

отмена или возврат выполнения последних операций;

поиск и замена фрагментов текста;

вставка необходимого объекта (рисунок, файл, содер­жимое буфера обмена, гиперссылку, объект OLE — формулу, диаграмму, таблицу из приложения Excel, анимацию, звук).

Всё, что позволяет делать с текстом или его фрагментами меню Правка, Вставка и некоторые кнопки панели инстру­ментов Стандартная, и будет являться редактированием.

Форматирование — это изменение вида документа, т. е. такое его преобразование, которое меняет форму представле­ния документа. Форматирование может быть применено к любому выделенному объекту докумета (см. схему на с. 135).

Источник

Кодирование графической информации растровая и векторная графика

Кодирование графической информации

Растровая и векторная графика

Есть два основных способа цифрового представления графики: растровое изображение и векторное изображение.

Растровое изображение — изображение, представляющее собой сетку пикселей или точек цветов (обычно прямоугольную) на компьютерном мониторе, бумаге и других отображающих устройствах и материалах. Важными характеристиками изображения являются:

количество пикселов — разрешение. Может указываться отдельно количество пикселов по ширине и высоте (1024*768, 640*480. ) или же, редко, общее количество пикселей (часто измеряется в мегапикселах);

Растровую графику редактируют с помощью растровых графических редакторов. Создается растровая графика фотоаппаратами, сканерами, непосредственно в растровом редакторе, также путем экспорта из векторного редактора или в виде скриншотов.

Растровая графика позволяет создать (воспроизвести) практически любой рисунок, вне зависимости от сложности, в отличие, например, от векторной, где невозможно точно передать эффект перехода от одного цвета к другому без потерь в размере файла.

Распространённость — растровая графика используется сейчас практически везде: от маленьких значков до плакатов.

Высокая скорость обработки сложных изображений, если не нужно масштабирование.

Растровое представление изображения естественно для большинства устройств ввода-вывода графической информации, таких как мониторы (за исключением векторных), матричные и струйные принтеры, цифровые фотоаппараты, сканеры.

Большой размер файлов с простыми изображениями.

Невозможность идеального масштабирования.

Невозможность вывода на печать на плоттер.

Из за этих недостатков для хранения простых рисунков рекомендуют вместо даже сжатой растровой графики использовать векторную графику.

Растровые изображения обычно хранятся в сжатом виде. В зависимости от типа сжатия может быть возможно или невозможно восстановить изображение в точности таким, каким оно было до сжатия (сжатие без потерь или сжатие с потерями соответственно). Так же в графическом файле может храниться дополнительная информация: об авторе файла, фотокамере и её настройках, количестве точек на дюйм при печати и др.

PCX устаревший формат, позволявший хорошо сжимать простые рисованые изображения (при сжатии группы подряд идущих пикселов одинакового цвета заменяются на запись о количестве таких пикселов и их цвете).

JPEG очень широко используемый формат изображений. Сжатие основано на усреднении цвета соседних пикселей(информация о яркости при этом не усредняется) и отбрасывании высокочастотных составляющих в пространственном спектре фрагмента изображения. При детальном рассмотрении сильно сжатого изображения заметно размытие резких границ и характерный муар вблизи них.

TIFF поддерживает большой диапазон изменения глубины цвета, разные цветовые пространства, разные настройки сжатия (как с потерями, так и без) и др.

RAW хранит информацию, непосредственно получаемую с матрицы цифрового фотоаппарата или аналогичного устройства без применения к ней каких-либо преобразований, а также хранит настройки фотокамеры. Позволяет избежать потери информации при применении к изображению различных преобразований (потеря информации происходит в результате округления и выхода цвета пиксела за пределы допустимых значений). Используется при съёмке в сложных условиях (недостаточная освещённость, невозможность выставить баланс белого и т.п.) для последующей обработки на компьютере (обычно в ручном режиме). Практически все полупрофессиональные и профессиональные цифровые фотоаппараты позволяют сохранять RAW изображения. Формат файла зависит от модели фотоаппарата, единого стандарта не существует

координаты центра окружности;

значение радиуса r ;

цвет заполнения (если окружность не прозрачная);

цвет и толщина контура (в случае наличия контура).

Размер, занимаемой описательной частью, не зависит от реальной величины объекта, что позволяет, используя минимальное количество информации, описать сколько угодно раз большой объект файлом минимального размера.

В связи с тем, что информация об объекте хранится в описательной форме, можно бесконечно увеличить графический примитив, например, дугу окружности, и она останется гладкой. С другой стороны, если кривая представлена в виде ломаной линии, увеличение покажет, что она на самом деле не кривая.

Параметры объектов хранятся и могут быть легко изменены. Также это означает что перемещение, масштабирование, вращение, заполнение и т. д. не ухудшат качества рисунка. Более того, обычно указывают размеры в аппаратно-независимых единицах (англ. device-independent unit), которые ведут к наилучшей возможной растеризации на растровых устройствах.

При увеличении или уменьшении объектов толщина линий может быть задана постоянной величиной, независимо от реального контура.

Не каждый объект может быть легко изображен в векторном виде — для подобного оригинальному изображению может потребоваться очень большое количество объектов и их сложности, что негативно влияет на количество памяти, занимаемой изображением, и на время для его отображения (отрисовки).

Перевод векторной графики в растр достаточно прост. Но обратного пути, как правило, нет — трассировка растра, при том что требует значительных вычислительных мощностей и времени, не всегда обеспечивает высокое качества векторного рисунка.

Как в растровой, так и в векторной графике необходим способ кодирования цвета.

Цвет в компьютерной графике

Различают несколько режимов представления цветной графики:
а) полноцветный (True Color);

При полноцветном режиме для кодирования яркости каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 разряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза. При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда.

Соответствие между количеством отображаемых цветов (К) и количеством бит для их кодировки (а) находиться по формуле: К = 2а.

Источник