Двоичное кодирование графической информации

1. Двоичное кодирование графической информации Информация и информационные процессы

2. Привет! 1001011 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.

3. 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 техникелегче 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.

4. 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.

5. 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.

6. Примеры аналогового и дискретного представлений информации 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.

7. 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.

8. Кодирование растровых изображений 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).

9. Двоичный код для черно‐белого рисунка, полученного в результате дискретизации можно построить следующим образом:• заменяем белые пиксели нулями, а черные – единицами;• выписываем строки полученной таблицы одну за другой.Покажем это на простом примере: а для всего рисунка: 1A2642FF425A5A7E16. Ширина этого рисунка – 8 пикселей, поэтому каждая строчка таблицы состоит из 8 двоичных разрядов – бит. Чтобы не писать очень длинную цепочку нулей и единиц, удобно использовать шестнадцатеричную систему счисления, закодировав 4 соседних бита (тетраду) одной шестнадцатеричной цифрой. Например, для первой строки получаем код 1A16:

10. Рассмотрим формирование на экране монитора растрового изображения с разрешением 800*600 (800 точек на 600 строк, итого 480 000 точек на экране). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) – каждая точка может иметь одно из двух состояний – ”черная” или “белая”, т.е для хранения ее состояния необходим 1 бит. Таким образом, объем черно-белого изображения (количество информации) равен: <Количество информации> = <Разрешающая способность>*1 (бит) Разрешение обычно измеряется в пикселях на дюйм (используется английское обозначение ppi = pixels per inch). Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки (хранится в видеопамяти). Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета, например: 8, 16, 24 или 32 бита. Качество двоичного кодирования изображения определяется разрешающей способностью и глубиной цвета Количество цветов N может быть вычислено по формуле: N=2i, где i – глубина цвета.

11. Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания базовых цветов: красного, зеленого и синего. Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, т.е. для каждого из цветов возможны N=28=256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами от минимальной 00000000 до максимальной 11111111 Формирование некоторых цветов при глубине цвета 24 бита.

12. Задание. (Задание A20 демоверсии 2005 г., А17 демоверсии 2006 г.) Для хранения растрового изображения размером 128*128 пикселей отвели 4 килобайта памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения? 1) 8 2) 2 3) 1 4) 4 Решение. Воспользуемся формулами: <Количество информации> = <Разрешающая способность>*<Глубина цвета>(1) <Количество цветов> =N = 2i, где i – глубина цвета.(2) В нашем случае: <Количество информации> = 4 Кб = 4*210байт = 22*210байт = 212 байт = = 8*212 бит = 23*212бит = 215 бит(3) <Разрешающая способность> = 128*128 = 27*27=214.(4) Подставив значения (3) и (4) в (1), получим, что: 215 = 214 *i, откуда i=2. Тогда по формуле (2): <Количество цветов> =N = 2i=22=4, что соответствует ответу №4. Ответ: 4.

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

14. 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. Так, например, если красный и зеленый будут на максимуме (1), а синий выключен (0), то получится чистый желтый цвет.

15. Кодирование цвета с помощью модели RGB удобно представить в виде цветового куба. Каждому цвету на экране монитора соответствует точка внутри этого куба. Начало координат соответствует черному цвету (полное отсутствие любого цвета). На противоположной вершине куба находится точка, соответствующая белому цвету (максимальная яркость для каждого цвета). Вообще, единица соответствует максимальной яркости цвета (красного, зеленого или синего), которую может выдать монитор. Отрезок (0, 0, 0) – (1, 1, 1) описывает градации серого цвета. Если взять любую точку внутри начала координат, то мы получим плавный переход определенного цвета от темного оттенка к светлому.На гранях куба расположены самые насыщенные цвета, внутри куба – менее насыщенные (начинают подмешиваться серые оттенки).

16. True Color На практике 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.

17. При кодировании цвета на веб‐страницах также используется модель RGB, но яркости каналов записываются в шестнадцатеричной системе счисления (от 0016 до FF16), а перед кодом цвета ставится знак #. Например, код красного цвета записывается как #FF0000, а код синего – как #0000FF. Вот коды некоторых цветов:

18. 24‐битное кодирование цвета часто называют режимом истинного цвета (англ. True Color – истинный цвет). Для вычисления объема рисунка в байтах при таком кодировании нужно определить общее количество пикселей (перемножить ширину и высоту) и умножить результат на 3, так как цвет каждого пикселя кодируется тремя байтами. Например, рисунок размером 20×30 пикселей, закодированный в режиме истинного цвета, будет занимать 20×30×3 = 1800 байт. Конечно, здесь не учитывается сжатие, которое применяется во всех современных форматах графических файлов. Кроме того, в реальных файлах есть заголовок, в котором записана служебная информация (например, размеры рисунка).

19. Задачи: 1. Определите количество цветов в палитре при глубине цвета 4, 8, 16, 24, 32 бита. ( 2. Черно-белое (без градаций серого) растровое графическое изображение имеет размер 10*10 точек. Какой объем памяти займет это изображение? ( 3. Цветное (с палитрой из 256 цветов) растровое графическое изображение имеет размер 10*10 точек. Какой объем памяти займет это изображение? 4. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 65536 до 16. Во сколько раз уменьшится объем занимаемый им памяти? 5. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов увеличилось с 16 до 4 294 967 296. Во сколько раз увеличился объем, занимаемый им в памяти? 6. 256-цветный рисунок содержит 120 байт информации. Из скольких точек он состоит? 7. Для хранения изображения размером 64 ´ 32 точек выделено 64 Кбайт памяти. Определите, какое максимальное число цветов допустимо использовать в этом случае.

20. 1. Для хранения растрового изображения размером 32×32 пикселя отвели 512 байтов памяти. Каково максимально возможное число оттенков в монохромном спектре? Дано: R=32х32 I=512 байт Найти: К=? K= 2b b=I/R=(512*8)/(32*32)=212/210=22=4 K=16

21. 2. После преобразования растрового 256-цветного графического файла в черно-белый формат (2 цвета) его размер уменьшился на 70 байт. Каков был размер исходного файла? 3. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 64 до 8. Во сколько раз уменьшился объем, занимаемый им в памяти?

22. 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 1280х1024 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.

23. 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.

24. Графические форматы файлов Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия). Наиболее популярные растровые форматы: • BMP • GIF • JPEG • TIFF • PNG

25. Графические форматы файлов • Bit MaP 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.

26. Векторное кодирование Векторный рисунок – это рисунок, который закодирован в виде набора простейших геометрических фигур, параметры которых (размеры, координаты вершин, углы наклона, цвет контура и заливки) хранятся в виде чисел. Векторный рисунок можно «разобрать» на части, растащив мышкой его элементы, а потом снова собрать полное изображение:

27. При векторном кодировании для отрезка хранятся координаты его концов, для прямоугольников и ломаных – координаты вершин. Окружность и эллипс можно задать координатами прямоугольника, в который вписана фигура. Векторный способ кодирования рисунки обладает значительными преимуществами в сравнении с растровым тогда, когда изображение может быть полностью разложено на простейшие геометрические фигуры (например, чертеж, схема, карта, диаграмма). В этом случае при кодировании нет потери информации. Объем файлов напрямую зависит от сложности рисунка – чем меньше элементов, тем меньше места занимает файл. Как правило, векторные рисунки значительно меньше по объему, чем растровые. При изменении размера векторного рисунка не происходит никакого искажения формы элементов, при увеличении наклонных линий не появляются «ступеньки», как при растровом кодировании: растровый рисунок векторный рисунок

28. Самый главный недостаток этого метода – он практически непригоден для кодирования размытых изображений, например, фотографий. Среди форматов векторных рисунков отметим следующие: • WMF (англ. Windows Metafile – метафайл Windows, файлы с расширением .wmf и .emf) –стандартный формат векторных рисунков в операционной системе Windows; • CDR (файлы с расширением .cdr) – формат векторных рисунков программы CorelDRAW; • AI (файлы с расширением .ai) – формат векторных рисунков программы Adobe Illustrator; • SVG (англ. Scalable Vector Graphics – масштабируемые векторные изображения, файлы с расширением .svg) – векторная графика для веб‐страниц.

29. Вопросы и задания: • Какие виды компьютерных изображений вы знаете? • Какое максимальное количество цветов может быть использовано в изображении, если на каждую точку отводится 3 бита? • Что вы знаете о цветовой модели RGB? • Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического режима: разрешение экрана 800х600, качество цветопередачи 16 бит. (586 Кбайт)

30. Пример задания А9: Черно-белое растровое изображение кодируется построчно, начиная с левого верхнего угла и заканчивая в правом нижнем углу. При кодировании 1 обозначает черный цвет, а 0 – белый. Для компактности результат записали в шестнадцатеричной системе счисления. Выберите правильную запись кода. 1) BD9AA5 2) BDA9B5 3) BDA9D5 4) DB9DAB Решение: 1)«вытянем» растровое изображение в цепочку: сначала первая (верхняя) строка, потом – вторая, и т.д.: 2)в этой полоске 24 ячейки, черные заполним единицами, а белые – нулями: 3)поскольку каждая цифра в шестнадцатеричной системе раскладывается ровно в 4 двоичных цифры, разобьем полоску на тетрады – группы из четырех ячеек (в данном случае все равно, откуда начинать разбивку, поскольку в полоске целое число тетрад – 6): 4)переводя тетрады в шестнадцатеричную систему, получаем последовательно цифры B (11), D(13), A(10), 9, D(13) и 5, то есть, цепочку BDA9D5 5)поэтому правильный ответ – 3. Возможные проблемы: нужно уметь быстро переводить тетрады в шестнадцатеричные цифры (в крайнем случае, это можно сделать через десятичную систему)