14.1. Кодирование графики

В настоящее время при создании и хранении графических объектов в компьютере используются растровое и векторное изображения (примеры 14.1, 14.2).

Растровое изображение — сово­купность отдельных точек (пикселей), каждая из которых имеет свой цвет.

В векторном графическом изобра­жении каждый нарисованный эле­мент является объектом: линия, овал, прямоугольник и др.

Все объекты имеют определенный перечень значе­ний свойств, которые описывают эти объекты (пример 14.3).

Векторное изображение — сово­купность графических примитивов (объектов изображения), которые опи­саны с помощью числовых значений или математических формул.

Различие в представлении растро­вых и векторных изображений суще­ствует лишь для графических файлов.

При выводе на экран монитора изо­бражения растрового или векторно­го типов, в видеопамяти компьютера формируется информация растрово­го типа.

Эта информация состоит из двоичных кодов каждого пикселя. Код пикселя — информация о его цвете.

Если на черно-белое изображение наложить сетку и каждой ячейке бе­лого цвета поставить в соответствие 1, а черного цвета — 0 (или наоборот: 1 — черный, 0 — белый), то можно создать матрицу изображения из нулей и еди­ниц (пример 14.4).

Для черно-белого изображения ин­формационный объем пикселя равен одному биту. Соответственно, информационный объем изображения в би­тах будет равен количеству пикселей в изображении — произведению ши­рины на длину изображения.

Чем больше цветов в изображении, тем больше битов понадобится для ко­дирования одной точки (пример 14.5).

На экране монитора цвет пиксе­ля изображения формируется смеше­нием трех цветовых лучей: красного (англ. Red), зеленого (англ. Green) и синего (англ. Blue).

Поэтому при ко­дировании цветных изображений ис­пользуется цветовая модель RGB. В современной версии модели RGB на каждый пиксель отводится 24 бита, по 8 бит на каждый из трех основных цветов, что дает возможность закоди­ровать 16,7 млн оттенков.

Если для каждого из основных цве­тов использовать меньшее количество бит, то, соответственно, можно зако­дировать и меньшее количество цве­товых оттенков.

Кодирование цветов при использовании 16-цветной пали­тры приведено в примере 14.6.

В этом случае информационный объем каж­дого пикселя составляет 4 бита.

Качество изображения на экране зависит от разрешающей способно­сти монитора и глубины цвета.

Любое графическое изображение на экране монитора состоит из строк, которые содержат определенное количество пикселей.

Мониторы могут иметь различные разрешающие способности: 1024 х 768, 1280 х1024, 1366 х 768,1920 х 1080 и др. Разрешение экра­на может быть изменено. Для этого в контекстном меню Рабочего стола нужно выбрать команду

Разрешение экрана (пример 14.7).

Глубина цвета определяется коли­чеством бит, используемых для кодирования цвета пикселя. Современные мониторы поддерживают глубину цве­та 32 бита: 24 бита хранят код цвета в RGB-палитре, еще 8 бит отводятся на хранение значений прозрачности цве­та (альфа-канал).

В файле с графическим растровым изображением хранится информация о цвете каждого пикселя изображения. В таком виде сохраняются изображе­ния в формате BMP.

Другие растровые форматы (JPEG, GIF, PNG) хранят изо­бражение в сжатом виде: при сохране­нии к изображению, которое на экране представлено матрицей пикселей, при­меняют алгоритмы архивации.

При сохранении в формате GIF количество цветов уменьшается до 256. При со­хранении в формате JPEG сохраняется информация не о каждом пикселе, а о группе пикселей, при этом часть информации теряется.

Такое сжатие необратимо, восстановить изображение в исходном виде невозможно. Однако человеческий глаз не всегда способен заметить изменения, поэтому формат JPEG является одним из самых распространенных для компактного хра­нения фотографий.

При сохранении изображения в формате PNG исполь­зуется алгоритм сжатия без потерь.

Формат PNG предназначен прежде всего для использования в Интернете.В файле с векторным изображе­нием сохраняются математические значения свойств объектов изображения, которые необходимы для его построения.

Файлы формата SVG можно просматривать и редактировать в тек­стовом виде — например, в редакторе NotePad (пример 14.8).

Фрактальная графика, как и век­торная, основывается на математиче­ских вычислениях.

Базовым элемен­том фрактальной графики является математическая формула.

Это приво­дит к тому, что в памяти компьютера не хранится никаких объектов, а изо­бражение строится по уравнениям.

При помощи этого способа можно стро­ить как простейшие изображения, так и сложные иллюстрации, имитиру­ющие ландшафты (пример 14.9).

14.2. Кодирование звука Современные компьютерные устрой­ства оснащены устройствами для вво­да и вывода звуковой информации.

Понятие звук тесно связано с поня­тием волна. Как и любая волна, звук имеет амплитуду и частоту.

Ампли­туда характеризует громкость зву­ка. Частота определяет тон, высоту. Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне ча­стот от 16—20 Гц до 15—20 кГц.

При оцифровке звук подвергается дискретизации. Аналого-цифровой преобразователь, встроенный в звуко­вую карту, производит замеры ампли­туды звуковой волны через равные промежутки времени. Полученные числовые значения преобразуются в двоичный код и сохраняются (при­мер 14.10).

Количество измерений за одну се­кунду определяет частоту дискретиза­ции звука.

Точность преобразования зависит от разрядности АЦП. Раз­рядность АЦП характеризует коли­чество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на вы­ходе.

Например, двоичный 8-разрядный АЦП способен выдать 256 дис­кретных значений (0…255), 2⁸ = 256. С разрядностью связано разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано. Разреше­ние равно разности значений, соот­ветствующих максимальному и мини­мальному выходному коду, деленной на количество выходных дискретных значений.

Звуковой файл длительностью в 1 с при частоте дискретизации 8 КГц и разрядности 8 бит будет занимать объем в 7,8 Кбайт.

При увеличении частоты дискретизации до 44,1 КГц и разрядности 24 бита объем файла уве­личится до 129,2 Кбайт.

Чтобы записать стереозвук, следу­ет одновременно кодировать два не­зависимых канала звука.

Количество каналов может быть большим: 4 (ква­дро), 6 (Dolby Digital). Сегодня суще­ствуют технологии, поддерживающие до 16 звуковых каналов. Воспроизве­дение многоканальных фонограмм че­рез систему громкоговорителей, расположенных по окружности от слу­шателя, называют объемным звуком.

Чем выше частота дискретизации и разрядность, тем качественнее получа­ется звук (пример 14.11).

Однако с уве­личением частоты возрастает объем памяти, необходимый для хранения цифрового сигнала, а с увеличением разрядности — и вычислительная нагрузка на цифровые преобразователи.

Чтобы уменьшить объем, занимае­мый цифровыми аудиоданными, при­меняют различные методы сжатия (пример 14.12).

При сжатии звука без потерь к исходному звуку применяют алгоритмы архивации. Возможно удаление избыточных данных — связей между соседними отсчетами цифрово­го звукового сигнала. Сжатие звука с потерями основано на несовершенстве человеческого слуха (человек не вос­принимает сверхнизкие и сверхвы­сокие частоты, более слабый сигнал становится неслышимым на фоне бо­лее сильного и др.).

14.3. Кодирование видео

Видео хранится на диске в виде файлов, содержащих видео-, аудио- и другие потоки, а также метаданные. Видеофайл часто называют медиакон­тейнером.

В любой момент из контей­нера можно вынуть, например, видео- или аудиодорожки, перекодировать их и поместить в другой контейнер, т. е. изменить формат видеофайла.

Суще­ствует несколько форматов видеокон­тейнеров (пример 14.13).

Кодирование звукового сопрово­ждения видеоинформации ничем не отличается от кодирования звука.

Изображение в видео состоит из от­дельных кадров, которые меняются с
определенной частотой.

Кадр кодиру­ется так же, как обычное растровое изображение.

Видеоданные характеризуются частотой кадров и экранным разре­шением. Если частота смены кадров равна 25, то для каждой секунды видео необходимо хранить в памяти 25 кадров.

Разрешение для видео обычно составляет 768 х 484 (для стандарта NTSC) или 768 х 576 (для стандартов PAL и SECAM).В основе кодирования цветного ви­део лежит стандартная модель RGB.

Если представить каждый кадр изображения как отдельный рисунок, то видеоизображение будет занимать очень большой объем.

Например, од­на секунда записи в системе PAL бу­дет занимать 25 Мбайт. Поэтому на практике используются различные алгоритмы сжатия для уменьшения объема видеоданных (пример 14.14). Для просмотра такого видео нужен кодек.Кодек (CoDec) — это сокращение слов компрессор и декомпрессор. Ко­дек — набор файлов, драйверов и биб­лиотек, необходимых для упаковки видео или звукового файла в сжатый формат и воспроизведения сжато­го файла.

Кодек может отслеживать массивы точек изображения с одина­ковыми значениями (например, синий цвет моря) и вместо того, чтобы запо­минать информацию о каждой точке (яркость и цвет), записать лишь пер­вую (ключевую) точку и количество повторений этой точки до момента из­менения ее цвета.

14.4. Решение задач на кодирование графики, звука и видео

Пример 14.15. Для хранения изо­бражения размером 128 х 128 точек выделено 4 Кбайт памяти. Определи­те, какое максимальное число цветов в палитре.

Пример 14.16. Цвет пикселя, фор­мируемого принтером, определяется тремя составляющими: голубой, пур­пурной и желтой красками. Под каж­дую составляющую одного пикселя отвели по 4 бита. В какое количество цветов можно раскрасить пиксель?

Пример 14.17. Фотография разме­ром 10 х 10 см была отсканирована с разрешением 400 dpi при глубине цве­та 24 бита. Определите информацион­ный объем полученного растрового файла в килобайтах (принять 1 дюйм = = 2,5 см).

Пример 14.18. Определить инфор­мационный объем в Кбайтах моноау­диофайла длительностью звучания 8 с при глубине звука 8 бит и частоте 8 кГц.

Пример 14.19. Рассчитать время звучания стереоаудиофайла, который был закодирован с частотой дискре­тизации 32 кГц. Разрядность аудио­адаптера — 16 бит, информационный объем файла равен 70 Мбайт.

Пример 14.20. Какой объем будет иметь видео, передаваемое с разре­шением кадра 800 х 600 пикселей с 24-битовой глубиной цвета, скоростью воспроизведения 24 кадра в секунду и длительностью 5 мин? Известно, что стереозвук, наложенный на видео, имеет 256 уровней громкости, частота дискретизации равна 11 250 Гц.

Пример 14.1. Растровое изображение.

Пример 14.2. Векторное изображение.

Пример 14.3. Свойства отрезка и круга в векторном изображении.

Отрезок:

• начало и конец отрезка — две пары чисел, определяющих координаты то­чек на координатной плоскости;
• значения, определяющие цвет, тол­щину и тип линии (сплошная, пунк­тирная и др.).

Таким образом, для описания отрез­ка необходимо 7 числовых значений, описывающих его свойства. Этих зна­чений достаточно для описания отрезка любого размера, цвета и толщины.

Круг:

• координаты центра круга и его ра­диус;
• значения ширины контурной ли­нии, цвета контура, типа линии конту­ра окружности;
• цвет заливки внутренней области, ограниченной окружностью.

Для описания свойств круга может использоваться 3—7 числовых значе­ний. Координаты центра и радиус яв­ляются обязательными параметрами, остальные параметры могут отсутство­вать.

Пример 14.4. Кодирование чернобелого изображения:

Размер изображения 7 × 8 пикселей, информационный объем изображения равен 8 • 7 • 1 бит = 56 бит = 7 байт.
Пример 14.5. Кодирование одного пикселя изображения.

Пример 14.6. Кодирование цвета при использовании палитры из 16 цветов.

Пример 14.7. Изменение разрешения экрана.

Научная дисциплина, изучающая вопросы измерения цветовых харак­теристик, называется колориметрией (или метрологией цвета).

Научную основу колориметрии как сочетание нескольких основных цветов положил Исаак Ньютон. Он в 1676 г. с помощью трехгранной призмы раз­ложил белый солнечный свет на цве­товой спектр и выделил семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

В 1756 г. М. В. Ломоносов сфор­мулировал трехкомпонентную теорию цвета. До этого считалось, что цвет со­стоит из семи составляющих.

Спустя столетие Герман Грассман ввел для нее математический аппарат.

Пример 14.8. Рисунок в Inkscape:

Просмотр файла рисунка в NotePad:

Пример 14.9. Фрактальная графика.

Слово фрактал образовано от ла­тинского fractus и в переводе означа­ет «состоящий из фрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандель-Бротом в 1975 г. для обо­значения самоподобных структур.

Пример 14.10. Временная диаграмма кодирования звука: 1 — аналоговый сигнал; 2 — дискретный сигнал.

Для кодирования будем использовать трехразрядный двоичный код. С помощью такого кода можно закодировать 8 различных значений. Разобьем диапазон изменения амплитуды сигнала на 8 уровней. Каждому отсчету сигнала присвоим ближайший к нему номер от 0 до 7. Далее выполним кодирование полученных значений сигнала трехразрядным двоичным кодом (в таблице приведены первые 6 значений).

Максимальное и минимальное значе­ния амплитуды сигнала равны 2 и 0 со­ответственно. Разрешение АЦП в дан­ном случае определяется как 2 / 8 = 0,25.

В многоканальном звуке один канал используют для низкочастотных эффек­тов (выводится на сабвуфер). Поскольку диапазон частот этого канала очень ограничен (по сравнению с другими каналами), то часто его обозначают «.1». Тогда обозначение 5.1 говорит о том, что это 5 каналов с полным диапазоном частот и 1 канал для низкочастотных эффектов. Общее количество каналов 6.

Пример 14.11. Используемые часто­ты дискретизации звука.

Пример 14.12. Звуковые форматы.

Пример 14.13. Форматы видеофайлов.

Пример 14.14. Стандарты сжатия видео.

MPEG

(Moving Pictures Expert Group)Один из основных стандартов сжа­тия. Имеет разновидности:MPEG-1 — формат сжатия для компакт-дисков (CD-ROM);MPEG-2 — формат сжатия для DVD- дисков, цифрового телевидения;MPEG-4 — формат, который умень­шает видеопоток сильнее, чем MPEG-2, но сохраняет хорошее качество.

HD

High Definition — формат высокого разрешения и особой четкости. Может использовать разрешение 1920 X 1080.

Windows Media

Разработан компанией Microsoft и предназначен для хранения сжатого видео и звука.

Пример 14.15. Изображение состо­ит из 128 • 128 = 2⁷ • 2⁷ = 2¹⁴ пикселей. Для хранения изображения выделено 4 Кбайт = 4 • 2¹⁰ байт = 2¹² байт = 2¹⁵ бит. Значит, информационный объем одного пикселя равен 2¹⁵ / 2¹⁴ = 2 бит. С помощью 2 бит можно закодировать 2² = 4 цвета.

Пример 14.16. Информационный объем одного пикселя равен 3 • 4 = 12. Количество цветов 2¹² = 4096.

Пример 14.17. Размер фотографии в дюймах 4 X 4, т. к. 10 / 2,5 = 4.Количество пикселей4 • 4 • 400 • 400 = 2⁸ • 10000.Информационный объем2⁸ • 10000 • 24 бит = 2⁸ • 2⁴ • 625 • 2³ • 3 бит = 2¹⁵ • 3 • 5⁴ бит = 2¹² • 3 • 5⁴ байт = 4 • 3 • 5⁴ Кбайт = 7500 Кбайт.

Или V = 10/2.5*10/2.5*400*400*24/1024/8 = 7500 Кбайт.

Пример 14.18. При частоте 8 кГц за 1 с производится 8000 измерений. Чтобы сохранить одно измерение, нужно 8 бит. Тогда для всех измерений:8 • 8 • 8000 = 2⁹ • 1000 бит = 2⁶ • 1000 байт = 62,5 Кбайт.

Или V = 8*8*8000/1024/8 = 62,5 Кбайт.

Пример 14.19. Информационный объ­ем стереоаудиофайла вычисляют по фор­муле: V = 2 • R • t • N, где V — объем аудио­файла, R — разрядность аудиоадаптера, N — частота дискретизации, t — вре­мя звучания, умножение на 2 показы­вает, что кодируются два канала. Тогда

Или t = 70*1024*1024*8/(2*32*1000*16)/60 = 9,56 мин

Пример 14.20. Найдем объем графики:
800 • 600 • 24 бит = 11520000 бит ≈ 1,38 Мбайт. Размер видео: 1,38 • 24 х (5 • 60) = 9936 Мбайт. Разрядность при кодировании звука равна 8, т. к. 256 = 2⁸. Размер звука: 11250 • 8 • 2 • (5 • 60) = 54000000 бит ≈ 6,4 Мбайт. Объем видеофайла: 9936 + 6,4 = 9942,4 Мбайт ≈ 9,7 Гигабайт.

Или V = 800*600*24*24*5*60/1024/1024/8+11250*8*5*60*2/1024/1024/8 = 9894 Мбайт.

где 8 это количество разрядов в числе уровней громкости 256.

   Если уровней громкости 512 то количество разрядов 9.

 1024 – 10, 2048 – 11, 4096 – 12 и так далее.