Кодирование информации

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).

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.

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.

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.

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

 

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.

Двоичное  кодирование звука. Представление  видеоинформации

Кодирование звука

 

Использование компьютера для обработки звука началось позднее, нежели чисел, текстов и  графики.

Звук – волна  с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем  больше частота, тем выше тон.

Звуковые сигналы  в окружающем нас мире необычайно разнообразны. Сложные непрерывные  сигналы можно с достаточной  точностью представлять в виде суммы  некоторого числа простейших синусоидальных колебаний. Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно  задана некоторым набором числовых параметров – амплитуды, фазы и частоты, которые можно рассматривать  как код звука в некоторый  момент времени.

Временная дискретизация звука

 

В процессе кодирования звукового сигнала  производится его временная дискретизация  – непрерывная волна разбивается  на отдельные маленькие временные  участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом  непрерывная зависимость амплитуды  сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней  громкости.

Качество двоичного  кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Частота дискретизации – количество измерений уровня сигнала в единицу времени.

Количество  уровней громкости определяет глубину  кодирования. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину  кодирования звука. При этом количество уровней громкости равно N = 2^I = 2¹⁶ = 65536.

Представление видеоинформации

 

В последнее время  компьютер все чаще используется для работы с видеоинформацией. Простейшей такой работой является просмотр кинофильмов и видеоклипов. Следует  четко представлять, что обработка  видеоинформации требует очень  высокого быстродействия компьютерной системы.

Что представляет собой фильм с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание звуковой и графической информации. Кроме того, для создания на экране эффекта движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены статических картинок. Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные.

Представление видеоинформации

 

Казалось бы, если проблемы кодирования статической  графики и звука решены, то сохранить  видеоизображение уже не составит труда.

Но это только на первый взгляд, поскольку при  использовании традиционных методов  сохранения информации электронная  версия фильма получится слишком  большой.

Достаточно очевидное  усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять  лишь отличия от начального кадра (разностные кадры).

Некоторые форматы видеофайлов

 

Существует множество  различных форматов представления  видеоданных.

• В среде Windows, например, уже более 10 лет применяется формат Video for Windows, базирующийся на универсальных файлах с расширением AVI (Audio Video Interleave – чередование аудио и видео).
• Более универсальным является мультимедийный формат Quick Time, первоначально возникший на компьютерах Apple.
• Все большее распространение в последнее время получают системы сжатия видеоизображений, допускающие некоторые незаметные для глаза искажения изображения с целью повышения степени сжатия. Наиболее известным стандартом подобного класса служит MPEG (Motion Picture Expert Group). Методы, применяемые в MPEG, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику.
• Большее распространение получила технология под названием DivX (Digital Video Express). Благодаря DivX удалось достигнуть степени сжатия, позволившей вмесить качественную запись полнометражного фильма на один компакт-диск – сжать 4,7 Гб DVD-фильма до 650 Мб.

Мультимедиа

 

Мультимедиа (multimedia, от англ. multi - много и media - носитель, среда) - совокупность компьютерных технологий, одновременно использующих несколько информационных сред: текст, графику, видео, фотографию, анимацию, звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождение.

Под словом «мультимедиа»  понимают воздействие на пользователя по нескольким информационным каналам  одновременно. Можно еще сказать  так: мультимедиа – это объединение изображения на экране компьютера (в том числе и графической анимации и видеокадров) с текстом и звуковым сопровождением.

Наибольшее распространение  системы мультимедиа получили в  области обучения, рекламы, развлечений.

Вопросы:

 

• Что такое код?
• Приведите примеры кодирования информации, используемые  в школьных предметах?
• Придумайте свои способы кодирования русских букв.
• Закодируйте сообщение «информатика» с помощью кода Морзе.
• Что такое система счисления?
• Какие два вида систем счисления вы знаете?
• Что такое основание системы счисления? Что такое алфавит системы счисления? Примеры.
• В какой системе счисления хранятся и обрабатываются числа в памяти компьютера?
• 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?

 

Задания:

 

• Запишите чи</spa