«Представление текста, изображений и звука»

Сегодня мы познакомимся со способами компьютерного кодирования текстовой, графической и звуковой информации С текстовой и графической информацией конструкторы «научили» работать ЭВМ с третьего поколения (1970 г) А работу со звуком «освоили» лишь машины четвертого поколения О том, как текст, графика и звук (для компьютера - данные) сводятся к целым числам будет рассказано здесь. Следует отметить, что здесь также работает главная формула информатики 2 i =N, где i-разрядность ячейки памяти (в битах), N –количество различных целых положительных чисел, которые можно записать в эту ячейку.

Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код до При вводе в компьютер текстовой информации изображение символа преобразуется в его двоичный код. Код символа хранится в оперативной памяти компьютера, где занимает одну ячейку. Двоичный коврик Текстовая информация дискретна - состоит из отдельных знаков. Для кодирования одного символа используется количество информации, равное одному байту, т.е. I = 1 байт = 8 бит. 256 символов достаточно для представления текстовой информации, включая прописные и заглавные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и т.д. В процессе вывода символа на экран происходит обратный процесс – преобразование кода символа в его изображение.

Существует соглашение, которое фиксируется в кодовой таблице (ASCII). Таблица, в которой всем символам компьютерного алфавита поставлены в соответствие порядковые номера (коды), называется таблицей кодировки. Базовая таблица кодировки ASCII Кодировка Windows 1251

В процессе кодирования изображения в компьютере производится его пространственная дискретизация. т. е. разбиение непрерывного графического изображения на отдельные элементы, причем каждому элементу изображения присваивается определенный код.

Пример мозаики ("Дмитрий Солунский", мозаика начала XII века, Третьяковская галерея): дискретизация произвольная и адаптивная Способ дискретизации основывается на плоских элементах, обладающих площадью, а, следовательно, двумя измерениями. Характерным примером изображений, составленных из очевидно дискретных элементов, является мозаика, которая возникла в античную эпоху как элемент украшения зданий). Когда она создается, используются камни (смальта, керамические плитки) самых разных форм и размеров. Художник-мозаичист сам свободно выбирает камень, исходя из требуемого цвета и его площади. В одном случае требуется камень большой площади, в другом используются несколько мелких элементов.

По имени Рене Декарта названа система координат на плоскости или в пространстве, обычно со взаимно перпендикулярными осями и одинаковыми масштабами» по осям так называемые "прямоугольные декартовы координаты". Изображение выгодно разбивать на квадратные элементы.. Так как за основу принимаются квадратные элементы, то и отсчеты на обеих осях устанавливаются одинаковыми, т. е. с равными интервалами между отсчетами. Изображение в декартовых координатах

Таблица квантования для штрихового изображения Кодируем исходное изображение по двум состояниям, т. е. оцениваем каждый дискретный элемент по составленной нами таблице квантования, где дискретные ячейки имеют белый цвет, в соответствующие им ячейки матрицы (битовой карты) записываются «единицы». А там, где представлены ячейки черного цвета, записывают «нули». Битовая карта, обозначающая коды цвета Поскольку в штриховом изображении используются только два ахроматических цвета, их можно представить как два состояния. Для того, чтобы закодировать два состояния, требуется всего один двоичный разряд (один бит информации). Характер квантования для штрихового изображения

Все известные форматы представления изображений (как неподвижных, так и движущихся) можно разделить на растровые и векторные. В векторном формате изображение разделяется на примитивы - прямые линии, многоугольники, окружности и сегменты окружностей, параметрические кривые, залитые определенным цветом или шаблоном, связные области, набранные определенным шрифтом отрывки текста и т. д. Двухмерное векторное изображение Векторное изображение

Координаты примитивов бывают как двух-, так и трехмерными. Для трехмерных изображений, естественно, набор примитивов расширяется, в него включаются и различные поверхности - сферы, эллипсоиды и их сегменты, параметрические многообразия и др. Трехмерное векторное изображение

В растровом формате изображение разбивается на прямоугольную матрицу элементов, называемых пикселами (слегка искаженное PICture ELement - элемент картинки). Пиксель - минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом Размер матрицы называется разрешением растрового изображения. Матрица называется растром. Для каждого пиксела определяется его яркость и, если изображение цветное, цвет. Растровое изображение Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Разрядность одного пиксела, называют цветовой глубиной. Для черно-белых изображений достаточно одного бита на пиксель, для градаций яркости серого или цветовых составляющих изображения необходимо несколько битов.

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). Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту (либо черная, либо белая – либо 1, либо 0). Для четырех цветного – 2 бита. Для 8 цветов необходимо – 3 бита. Для 16 цветов – 4 бита. Для 256 цветов – 8 бит (1 байт). 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).

Наиболее широко используемые цветовые модели - это RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий, соответствующие максимумам частотной характеристики светочувствительных пигментов человеческого глаза), CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый, дополнительные к RGB) и CMYG - те же цвета, но с добавлением градаций серого. Цветовая модель RGB используется в цветных кинескопах и видеоадаптерах, CMYG - в цветной полиграфии. Цветовые модели RGB и CMYK

RGBЦвет 111 белый 110 желтый 101 пурпурный 100 красный 011 голубой 010 зеленый 001 синий 000 черный 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. 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 2 8 =256 значений) Обобщение этих частных примеров приводит к основной формуле информатики: K=2 b, где К – размер палитры, b -битовая глубина цвета

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. 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. 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). Portable Network Graphic (PNG) формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. 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

При наиболее распространенном способе кодирования звуковой информации амплитуда сигнала измеряется через равные промежутки времени и записываются полученные значения. Звуковой сигнал, представленный последовательностью 0, 1.5, 2.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 3.0, 0 Звук – волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон. Например, последовательность 0, 1.5, 2.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 3.0, 0 описывает волну звука, амплитуда которой сначала увеличивается, затем немного уменьшается, затем снова повышается и, наконец, падает до 0

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. Каждому уровню громкости присваивается его код. Чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание Таким образом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости (см. рисунок)

Количество уровней громкости определяет глубину кодирования. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. При этом количество уровней громкости равно N = 2 I = 2 16 = Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации. Промежуток времени между двумя измерениями называется периодом измерений - сек. Обратная величина называется частотой дискретизации – 1/ (герц) Частота дискретизации – количество измерений уровня сигнала в единицу времени.

В музыкальных синтезаторах, компьютерных играх и звуковых сигналах, сопровождающих веб-страницы, широко используется более экономная система кодирования, которая называется цифровым интерфейсом музыкальных инструментов (MIDI Musical Instrument Digital Interface). При использовании стандарта MIDI не требуется столько места в памяти, как при дискретизации звукового сигнала, так как эта система кодирует указания, как следует порождать музыку, а не сам звуковой сигнал. Точнее, MIDI кодирует информацию о том, какой инструмент должен играть, какую ноту и какова продолжительность звучания этой ноты. Это означает, что для кларнета, играющего ноту ре в течение двух секунд, потребуется три байта, а не более двух миллионов битов, как в случае дискретизации сигнала с частотой отсчетов. Musical Instrument Digital Interface

Битрейт – это количество данных в единицу времени используемое для передачи аудио потока. Например, битрейт 128 kbps расшифровывается как 128 килобит в секунду и означает, что для кодирования одной секунды звука используется 128*1024 бит (1 байт = 8 бит). Скажем, один и тот же 22 секундный видеофайл в формате 3GP при битрейте 137 кбит в секунду будет занимать 375 килобайт, а при битрейте 98 кбит\сек килобайт. Однако, если мы сравним качество, то в первом случае оно будет лучше. То есть, изменяя битрейт, мы решаем какого качества и размера будет наш будущий файл. Остается заметить, что битрейт бывает постоянным и переменным. Постоянный – не меняет своего значения, значение переменного битрейта во время просмотра может колебаться. Колебания зависят от видео и аудио материала. Где изображение или звук преобладают – битрейт увеличивается, а где, к примеру, черный экран с титрам, битрейт понижается.

Выполнение заданий из практических работ 1.4 и 1.5 учебника ( на усмотрение учителя) –закрепление материала

Дом.задание §6, вопросы и задания Практическая работа 1.4 (3, 4, 8(а,б),9(а))