Кодирование графической информации

Графическая информация, представленная в виде рисунков, фотографий, слайдов, подвижных изображений (анимация, видео), схем, чертежей, может создаваться и редактироваться с помощью компьютера, при этом она соответствующим образом кодируется. В настоящее время существует достаточно большое количество прикладных программ для обработки графической информации, но все они реализуют три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную.

Если более пристально рассмотреть графическое изображение на экране монитора компьютера, то можно увидеть большое количество разноцветных точек (пикселов – от англ. Pixel, образованного от picture element – элемент изображения), которые будучи собраны вместе образуют данное графическое изображение. Из этого можно сделать вывод: графическое изображение в компьютере определенным образом кодируется и должно быть представлено в виде графического файла. Файл является основной структурной единицей организации и хранения данных в компьютере и должен содержать информацию о том, как представить этот набор точек на экране.

Файлы, созданные на основе векторной графики, содержат информацию в виде математических зависимостей (математических функций, описывающих линейные зависимости) и соответствующих данных о том, как построить изображение объекта с помощью отрезков линий (векторов) при выводе на экран монитора компьютера.

Файлы, созданные на основе растровой графики, предполагают хранение данных о каждой отдельной точке изображения. Для отображения растровой графики не требуется сложных математических расчетов, достаточно лишь получить данные о каждой точке изображения (её координаты и цвет) и отобразить их на экране монитора компьютера.

Преобразование графической информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации. Дискретизация – это преобразование непрерывного изображения в набор дискретных значений в форме кода.

Следовательно, в процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. То есть изображение разбивается на отдельные точки и каждой точке задается код цвета (желтый, красный и т.д.). Для кодирования каждой точки цветного графического изображения применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные его составляющие, в качестве которых используются три основных цвета: красный (R ed), зеленый (G reen), синий (B lue). Любой цвет точки, воспринимаемый человеческим глазом, можно получить путем аддитивного (пропорционального) сложения (смешения) трех основных цветов – красного, зеленного и синего. Такая система кодирования называется цветовой системой RGB. Файлы графических изображений, у которых применяется цветовая система RGB, представляет каждую точку изображения в виде цветного триплета – трех величин R, G и B, соответствующих интенсивностям красного, зеленого и синего цветов.

Часто цвет записывается в виде – #RRGGBB, где RR – шестнадцатеричный код красной цветовой компоненты, GG – шестнадцатеричный код зеленой цветовой компоненты, BB – шестнадцатеричный код синей цветовой компоненты. Чем больше значение компоненты, тем больше интенсивность свечения соответствующего базового цвета; 00 – отсутствие свечения, FF – максимальное свечение (FF16=25510), 8016 – среднее значение яркости. Если компонента имеет интенсивность цвета < 8016, то это даст темный оттенок, а если > =8016, то светлый.

Например, #FF0000 – красный цвет (красная составляющая максимальная, а остальные равны нулю); #000000 – черный цвет (ни одна компонента не светится); #FFFFFF – белый цвет (все составляющие максимальны и одинаковы, наиболее яркий цвет); #404040 – темно-серый цвет (все составляющие одинаковы и значения меньше среднего значения яркости).

Процесс кодирования графического изображения осуществляется с помощью различных технических средств (сканера, цифрового фотоаппарата, цифровой видеокамеры и т.д.); в результате получается растровое изображение.

Качество растрового изображения определяется двумя основными параметрами – разрешением (количеством точек по горизонтали и вертикали) и используемой палитрой цветов (количеством задаваемых цветов для каждой точки изображения).

Разрешающая способность растрового изображения определяется количеством точек по горизонтали (X) и количеством точек по вертикали (Y) на единицу длины изображения. Величина разрешающей способности выражается в dpi (dot per inch – точек на дюйм), т.е. в количестве точек в полоске изображения длиной в 1 дюйм (1 дюйм = 2, 54 см).

Оцифровка графических изображений с бумаги или плёнок производится с помощью сканера. Характеристики сканера выражаются двумя числами, например 1200´ 2400 dpi. Первое число определяет количество светочувствительных элементов на одном дюйме полоски и является оптическим разрешением. Второе – аппаратным разрешением и определяет количество микрошагов при перемещении на один дюйм вдоль изображения.

В процессе дискретизации могут использоваться различные палитры цветов. Количество цветов N в палитре и количество информации для кодирования цвета каждой точки связаны между собой известной формулой Хартли:

N=2ⁱ, (1)

где i– глубина цвета, N – количество цветов (палитра).

Количество информации, которое используется для кодирования цвета точки изображения, называется глубиной цвета, или качеством цветопередачи (табл. 2)

Таблица 1

Значения глубины цвета

В современных компьютерах разрешающая способность (количество точек на экране), а также количество цветов зависит от видеоадаптера и может изменяться программно.

Цветные изображения могут иметь различные режимы: 16 цветов, 256 цветов, 65536 цветов (high color), 16777216 цветов (true color). На одну точку для режима high color необходимое количество информации I = log₂N = log₂65536 = log₂2¹⁶ = 16 (бит) = 2_(байт).

Наиболее распространённой разрешающей способностью экрана является разрешение 800 на 600 точек, т.е. 480000 точек. Рассчитаем необходимый для режима high color объём видеопамяти: 2 байт•480000 = 960000 байт = 937, 5 Кбайт.

Скорость передачи информации – это количество битов, передаваемых в 1 с. Скорость передачи 1 бит в 1 секунду составляет 1 бод.

1 Кбод = 1024 бит/сек;

1 Мбод=1024 Кбод;

1 Гбод= 1024 Мбод.

Рассмотрим пример формирования на экране монитора растрового изображения, состоящего из 600 строк по 800 точек в каждой строке (всего 480000 точек) и глубиной цвета 8 битов. Двоичный код цвета всех точек хранится в видеопамяти компьютера, которая находится на видеокарте.

Таблица 2

Зависимость объема видеопамяти от типов разрешающей способности компьютеров

Периодически, с определённой частотой, коды цветов точек считываются из видеопамяти и точки отображаются на экране монитора. Частота считывания изображения влияет на стабильность изображения на экране.

Информационный объём требуемой видеопамяти можно рассчитать по формуле:

, (2)

где V – информационный объём видеопамяти в битах; X× Y – количество точек изображения (разрешение экрана); I – глубина цвета в битах на точку.

Пример 3. Определить требуемый объём видеопамяти для графического режима с разрешением 800•600 точек и глубиной цвета 24 бита.

Решение.

V=I× X× Y= 24× 800× 600 =11 520 000 бит = 1 440 000 байт.

Пример 4. Для хранения растрового изображения размером 64´ 32 пикселя отвели 1024 байтов памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

Решение.

При кодировании изображения количество бит на 1 пиксель (K) зависит от количества цветов в палитре N, они связаны формулой: ; объем памяти на все изображение вычисляется по формуле , где – число бит на пиксель, а – общее количество пикселей.

1) находим общее количество пикселей Q=64× 32=2⁶× 2⁵=2¹¹;

2) находим объем памяти в битах M=1024 байт =2¹⁰ байт = =2¹⁰× 2³ = 2¹³ бит;

3) определяем количество бит на пиксель: бита на пиксель;

4) находим количество цветов в палитре N=2^K =2⁴ =16 цветов.

Ответ: 16 цветов.

Пример 5. Какова ширина (в пикселях) прямоугольного 256-цветного неупакованного растрового изображения, занимающего на диске 8 Мбайт, если его высота вдвое меньше ширины?

Решение.

Так как объем памяти на все изображение вычисляется по формуле , где – число бит на пиксель, а – общее количество пикселей.

1) Примем ширину изображения за x, тогда ;

2) 256=2⁸, отсюда K=8;

3) подставим эти значения в формулу, получим:

∙ 8=8∙ 2¹⁰∙ 2³;

4) после сокращения: 4x²=2¹⁶. Отсюда: x=2⁷=128.

Ответ: высота изображения 128 пикселей.