Кодирование графических данных

Все графические изображения, хранящиеся во внешней памяти компьютера должны быть представлены в числовой форме (т.е. быть закодированными). В зависимости от способа кодирования изображений можно разделить на две большие группы: растровые и векторные.

Растровые

Для кодирования растрового изображения его разбивают на небольшие одноцветные части (пиксели или точки). Все цвета, использованные в изображении, нумеруют, и для каждой части записывают номер ее цвета. Запомнив последовательность расположения частей и номер цвета для каждой части, можно однозначно описать любой рисунок.

Однако, количество цветов в природе бесконечно, и приходится похожие цвета нумеровать одинаковыми числами. В зависимости от количества используемых цветов, можно закодировать достаточно реалистичное изображение. Чем меньше цветов в рисунке, тем меньше чисел приходится использовать при кодировании, и тем проще закодировать изображение. В самом простом случае (черно-белое изображение) для кодировки используется только черный и белый цвет.

Любое растровое изображение характеризуется тремя основными параметрами: глубиной цвета, размером изображения и разрешением. Объем информации, описывающий цвет пикселя, определяет глубину цвета. Чем больше информации отводится для определения цвета пикселя, тем больше оттенков данного цвета существует. Размер изображения описывает его физические габариты, то есть его высоту и ширину. Можно задать размеры в метрах, миллиметрах, дюймах, пикселях или любых других величинах.

Разрешение — это плотность размещения пикселей, формирующих изображение, то есть количество пикселей на заданном отрезке изображения. Чаще всего разрешение измеряется в количестве точек на дюйм — DPI (Dot Per Inch). Данный способ кодирования изображения несмотря на то, что применяется повсеместно (фотографии и рисунки введенные в компьютер со сканера или фотокамеры, изображения на Web-страницах), обладает одним существенным недостатком. Растровые изображения трудно масштабировать.

При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется разборчивость мелких деталей изображения, а при увеличении масштаба, наоборот, - размер каждого пикселя изображения увеличивается и появляется ступенчатый эффект. Еще одним недостатком растровых изображений является то, что они занимают относительно много места в оперативной и внешней памяти компьютера.

Векторные

Приведенных выше недостатков лишены изображения, закодированные вторым способом. Такие изображения называются векторными.

В векторном способе кодирования изображение разбивается на простые объекты (геометрические фигуры, кривые и прямые линии), которые хранятся в памяти компьютера в виде математических формул и геометрических абстракций, таких как круг, квадрат, эллипс и подобных фигур. Например, чтобы закодировать круг достаточно запомнить его радиус, координаты центра, цвет контура и способ заливки.

Составные части векторного изображения (объекты) можно редактировать независимо друг от друга. С помощью комбинации нескольких объектов, можно создавать новый объект, поэтому объекты могут иметь достаточно сложный вид. Каждый объект векторного изображения характеризуется размерами, кривизной и местоположением, которые хранятся в виде числовых коэффициентов. При масштабировании векторных изображений над их математическими формулами производятся простые математические операции.

Так, например, если необходимо увеличить размеры рисунка вдвое, достаточно просто умножить математические формулы составляющий его объектов на коэффициент масштабирования. При этом никакой потери качества изображения не происходит. Поэтому, используя векторную графику, Вам можно не задумываться о размерах будущего изображения. Вы всегда при необходимости сможете изменить размеры изображения, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения без потери качества.

Существенным недостатком векторных изображений является то, что достаточно сложно с помощью векторных объектов закодировать реалистичное изображение, например, фотографию. Для этого понадобилось бы слишком много объектов. Если же попытаться перевести фотографию в векторный формат, то из-за огромного количества получившихся элементарных объектов, составляющих изображение, размер полученного файла окажется гораздо больше, чем соответствующего файла растровой графики.

Фрактальная графика

Фрактальная графика является на сегодняшний день одним из самых быстро развивающихся и перспективных видов компьютерной графики.

Изменяя и комбинируя окраску фрактальных фигур, можно моделировать образы живой и неживой природы (например, ветви дерева или снежинки), а также составлять из полученных фигур «фрактальную композицию». Фрактальная графика, так же как векторная и трёхмерная, является вычисляемой. Её главное отличие в том, что изображение строится по уравнению или системе уравнений. Поэтому в памяти компьютера для выполнения всех вычислений ничего, кроме формулы, хранить не требуется.

Математической основой фрактальной графики является фрактальная геометрия. Здесь в основу метода построения изображений положен принцип наследования от, так называемых, «родителей» геометрических свойств объектов-наследников. Понятия фрактал, фрактальная геометрия и фрактальная графика, появившиеся в конце 70-х, сегодня прочно вошли в обиход математиков и компьютерных художников. Слово фрактал образовано от латинского "fractus" и в переводе означает «состоящий из фрагментов». Оно было предложено математиком Бенуа Мандель-Бротом в 1975 году для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур, которыми он занимался. Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому. Одним из основных свойств фракталов является самоподобие. Объект называют самоподобным, когда увеличенные части объекта походят на сам объект и друг на друга. Перефразируя это определение, можно сказать, что в простейшем случае небольшая часть фрактала содержит информацию обо всем фрактале.

В центре фрактальной фигуры находится её простейший элемент — равносторонний треугольник, который получил название «фрактальный». Затем, на среднем отрезке сторон строятся равносторонние треугольники со стороной, равной 1/3 от стороны исходного фрактального треугольника. В свою очередь, на средних отрезках сторон полученных треугольников, являющихся объектами- наследниками первого поколения, выстраиваются треугольники- наследники второго поколения со стороной 1/9 от стороны исходного треугольника.

Таким образом, мелкие элементы фрактального объекта повторяют свойства всего объекта. Полученный объект носит название «фрактальной фигуры». Процесс наследования можно продолжать до бесконечности. Таким же образом можно описать и такой графический элемент как прямая. Только изменив коэффициенты уравнения, можно получить совершенно другое изображение. Эта идея нашла использование в компьютерной графике благодаря компактности математического аппарата, необходимого для ее реализации. Так, с помощью нескольких математических коэффициентов можно задать линии и поверхности очень сложной формы. Итак, базовым понятием для фрактальной компьютерной графики являются «Фрактальный треугольник». Затем идет «Фрактальная фигура», «Фрактальный объект», «Фрактальная прямая», «Фрактальная композиция», «Объект- родитель» и «Объект наследник». Следует обратить внимание на то, что фрактальная компьютерная графика как вид компьютерной графики двадцать первого века получила широкое распространение не так давно. Её возможности трудно переоценить. Фрактальная компьютерная графика позволяет создавать абстрактные композиции, где можно реализовать множество приёмов: горизонтали и вертикали, диагональные направления, симметрию и асимметрию и др. Сегодня немногие компьютерщики в нашей стране и за рубежом знают фрактальную графику. С чем можно сравнить фрактальное изображение? Ну, например, со сложной структурой кристалла, со снежинкой, элементы которой выстраивается в одну сложную композицию. Это свойство фрактального объекта может быть удачно использовано для создания орнамента или декоративной композиции. Сегодня разработаны алгоритмы синтеза коэффициентов фрактала, позволяющего воспроизвести копию любой картинки сколь угодно близкой к исходному оригиналу. С точки зрения машинной графики, фрактальная геометрия незаменима при генерации искусственных облаков, гор, поверхности моря. Фактически, благодаря фрактальной графике, найден способ эффективной реализации сложных неевклидовых объектов, образы которых весьма похожи на природные.

Геометрические фракталы на экране компьютера — это узоры, построенные самим компьютером по заданной программе. Помимо фрактальной живописи существуют фрактальная анимация и фрактальная музыка. Создатель фракталов — это художник, скульптор, фотограф, изобретатель и ученый в одном лице. Вы сами задаете форму рисунка математической формулой, исследуете сходимость процесса, варьируя его параметры, выбираете вид изображения и палитру цветов, то есть творите рисунок «с нуля». В этом одно из отличий фрактальных графических редакторов (и в частности — Painter) от прочих графических программ.

2.6. Кодирование звука. Способы сжатия звуковой информации

Звук представляет собой непрерывный сигнал — звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда звукового сигнала, тем он громче для человека. Чем больше частота сигнала, тем выше его тон.

  • 1. Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц, Hz).
  • 2. Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, который называют звуковым.
  • 3. Количество бит, отводимое на один звуковой сигнал, называют глубиной кодирования звука. Современные звуковые карты обеспечивают 16-, 32- или 64-битную глубину кодирования звука.

При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал заменяется дискретным, то есть превращается в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Процесс перевода звуковых сигналов от непрерывной формы представления к дискретной цифровой форме называют оцифровкой.

Важной характеристикой при кодировании звука является частота дискретизации — количество измерений уровней сигнала за 1 секунду:

  • 1 (одно) измерение в секунду соответствует частоте 1 Гц.
  • 1000 измерений в секунду соответствует частоте 1 кГц.

Частота дискретизации звука— это количество измерений громкости звука за одну секунду. Количество измерений может лежать в диапазоне от 8 кГц до 48 кГц (от частоты радиотрансляции до частоты, соответствующей качеству звучания музыкальных носителей).

Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим «моно»). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим «стерео»).

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла.

Оценить информационный объём моноаудиофайла (V) можно следующим образом: V = N-f-k, где N— общая длительность звучания (секунд),/— частота дискретизации (Гц), к— глубина кодирования (бит).

Например, при длительности звучания 1 минуту и среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц):

При кодировании стереозвука процесс дискретизации производится отдельно и независимо для левого и правого каналов, что, соответственно, увеличивает объём звукового файла в два раза по сравнению с монозвуком.

Например, оценим информационный объём цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду и умножить на 2 (стереозвук):

V=16 бит -24000-2 = 768000 бит = 96000 байт = 93,75 Кбайт.

Существуют различные методы кодирования звуковой информации двоичным кодом, среди которых можно выделить два основных направления: метод FM и метод Wave-Table.

Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, и, следовательно, может быть описан кодом. Разложение звуковых сигналов в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналоговоцифровые преобразователи (АЦП).

Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал

Рис 2.8. Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал: а — звуковой сигнал на входе АЦП; б — дискретный сигнал на выходе

АЦП.

Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Процесс преобразования звука представлен на рис. ниже. Данный метод кодирования не даёт хорошего качества звучания, но обеспечивает компактный код.

Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал

Рис 2.9. Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал: а — дискретный сигнал на входе ЦАП; б — звуковой сигнал на выходе

ЦАП.

Таблично-волновой метод (Wave-Table) основан на том, что в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира, музыкальных инструментов и т. д. Числовые коды выражают высоту тона, продолжительность и интенсивность звука и прочие параметры, характеризующие его особенности. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных

инструментов.

Звуковые файлы имеют несколько форматов. Наиболее популярные из них MIDI, WAV, MP3.

Формат MIDI (Musical Instrument Digital Interface) изначально был предназначен для управления музыкальными инструментами. В настоящее время используется в области электронных музыкальных инструментов и компьютерных модулей синтеза.

Формат аудиофайла WAV (waveform) представляет

произвольный звук в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Все стандартные звуки Windows имеют расширение WAV.

Формат MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) — один из цифровых форматов хранения звуковой информации. Он обеспечивает более высокое качество кодирования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >