Обработка графической информации

---

Кодирование и обработка графической и мультимедийной информации

Пространственная дискретизация

Графическая информация может быть представлена в аналоговой и дискретной формах. Примером аналогового представления графической информации может служить живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного - изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета.

Графические изображения из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую (дискретную) преобразуются путем пространственной дискретизации. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие элементы (точки, или пиксели), причем каждый элемент может иметь свой цвет (красный, зеленый, синий и т. д.).

Пиксель - минимальный участок изображения, для которого независимым образом можно задать цвет.

В результате пространственной дискретизации графическая информация представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, содержащих, в свою очередь, определенное количество точек (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Растровое изображение темного прямоугольника на светлом фоне

Разрешающая способность. Важнейшей Характеристикой качества растрового изображения является разрешающая способность

Разрешающая способность растрового изображения определяется количеством точек как по горизонтали, так и по вертикали на единицу длины изображения.

Чем меньше размер точки, тем больше разрешающая способность (больше строк растра и точек в строке) и, соответственно, выше качество изображения. Величина разрешающей способности обычно выражается в dpi (dot per inch - точек на дюйм), т. е. в количестве точек в полоске изображения длиной один дюйм (1 дюйм = 2,54 см)

Пространственная дискретизация непрерывных изображений, хранящихся на бумаге, фото- и кинопленке, может быть осуществлена путем сканирования. В настоящее время все большее распространение получают цифровые фото- и видеокамеры, которые фиксируют изображения сразу в дискретной форме.

Качество растровых изображений, полученных в результате сканирования, зависит от разрешающей способности сканера, которую производители указывают двумя числами (например, 1200 х 2400 dpi)

Сканирование производится путем перемещения полоски светочувствительных элементов вдоль изображения. Первое число является оптическим разрешением сканера и определяется количеством светочувствительных элементов на одном дюйме полоски. Второе число является аппаратным разрешением; оно определяется количеством "микрошагов", которое может сделать полоска светочувствительных элементов, перемещаясь на один дюйм вдоль изображения (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Оптическое и аппаратное разрешение сканера

Глубина цвета. В процессе дискретизации могут использоваться различные палитры цветов, т. е. наборы цветов, в которые могут быть окрашены точки изображения. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки. Количество цветов N в палитре и количество информации I, необходимое для кодирования цвета каждой точки, связаны между собой и могут быть вычислены по формуле:

N=2I

(1.1)

В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) палитра цветов состоит всего из двух цветов (черного и белого). Каждая точка экрана может принимать одно из двух состояний - "черная" или "белая", следовательно, по формуле (1.1) можно вычислить, какое количество информации необходимо, чтобы закодировать цвет каждой точки:

2 = 2^I => 2¹ = 2^I => I = 1 бит.

Количество информации, которое используется для кодирования цвета точки изображения, называется глубиной цвета.

Наиболее распространенными значениями глубины цвета при кодировании цветных изображений являются 4, 8, 16 или 24 бита на точку. Зная глубину цвета, по формуле (1.1) можно вычислить количество цветов в палитре (табл. 1.1).

Таблица 1.1. Глубина цвета и количество цветов в палитре

Глубина цвета, I (битов) Количество цветов в палитре, N 4 24=16 8 28 = 256 16 216=65 536 24 224= 16 777 216

Контрольные вопросы

1. Объясните, как с помощью пространственной дискретизации происходит формирование растрового изображения.

2. В каких единицах выражается разрешающая способность растровых изображений?

3. Как связаны между собой количество цветов в палитре и глубина цвета?

Задания для самостоятельного выполнения

1.1. Задание с выборочным ответом. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 65 536 до 16. Его информационный объем уменьшился в:
1) 2 раза; 2) 4 раза; 3) 8 раз; 4) 16 раз.

1.2. Задание с кратким ответом. Черно-белое (без градаций серого) растровое графическое изображение имеет размер 10 х 10 точек. Какой информационный объем имеет изображение?

1.3. Задание с кратким ответом. Цветное (с палитрой из 256 цветов) растровое графическое изображение имеет размер 10 х 10 точек. Какой информационный объем имеет изображение?

1.4. Задание с развернутым ответом. Сканируется цветное изображение размером 10 х 10 см. Разрешающая способность сканера _ 1200 х 1200 dpi, глубина цвета - 24 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл?

Растровые изображения на экране монитора

Графические режимы монитора. Качество изображения на экране монитора зависит от величины пространственного разрешения и глубины цвета.

Пространственное разрешение экрана монитора определяется как произведение количества строк изображения на количество точек в строке. Монитор может отображать информацию с различными пространственными разрешениями (800 х 600, 1024 х 768, 1152 х 864 и выше).

Глубина цвета измеряется в битах на точку и характеризует количество цветов, в которые могут быть окрашены точки изображения. Количество отображаемых цветов также может изменяться в широком диапазоне, от 256 (глубина цвета 8 битов) до более чем 16 миллионов (глубина цвета 24 бита).

Чем больше пространственное разрешение и глубина цвета, тем выше качество изображения.

В операционных системах предусмотрена возможность выбора необходимого пользователю и технически возможного графического режима.

Рассмотрим формирование на экране монитора растрового изображения, состоящего из 600 строк по 800 точек в каждой строке (всего 480 000 точек) и глубиной цвета 8 битов. Двоичный код цвета всех точек хранится в видеопамяти компьютера (рис. 1.3), которая находится на видеокарте (рис. 1.4).

Рис. 1.3. Формирование растрового изображения на экране монитора

Рис. 1.4. Видеокарта

Видеокарта устанавливается в слот расширения системной платы PCI или AGP. Монитор подключается к аналоговому выходу VGA или цифровому выходу DVI видеокарты.

Периодически, с определенной частотой, коды цветов точек вчитываются из видеопамяти точки отображаются на экране монитора. Частота считывания изображения влияет на стабильность изображения на экране. В современных мониторах обновление изображения происходит c частотой 75 и более раз в секунду, что обеспечивает комфортность восприятия изображения пользователем компьютера (человек не замечает мерцания изображения). Для сравнения можно напомнить, что частота смены кадров в кино составляет 24 кадра в секунду.

Объем видеопамяти. Информационный объем требуемой видеопамяти можно рассчитать по формуле:
I_n = I× X×Y, 
где I_n - информационный объем видеопамяти в битах; 
X × У - количество точек изображения (X - количество точек по горизонтали, Y - по вертикали); 
I - глубина цвета в битах на точку.

Пример: необходимый объем видеопамяти для графического режима с пространственным разрешением 800 х 600 точек и глубиной цвета 24 бита равен:
I_n = I× X×Y = 24 бита × 800 × 600 = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт = 1 406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт.

Качество отображения информации на экране монитора зависит от размера экрана и размера пикселя. Зная размер диагонали экрана в дюймах (15", 17" и т. д.) и размер пикселя экрана (0,28 мм, 0,24 мм или 0,20 мм), можно оценить максимально возможное пространственное разрешение экрана монитора.

Контрольные вопросы

1. С помощью каких параметров задается графический режим экрана монитора?

2. Как вы думаете, почему частота обновления изображения на экране монитора должна быть больше, чем частота кадров в кино?