30
Двоичное кодирование графической информации Информация и информационные процессы

Двоичное кодирование графической информации

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Двоичное кодирование графической информации. Информация и информационные процессы. Привет! 1001011. Двоичное кодирование в компьютере. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Двоичное кодирование графической информации

Двоичное кодирование графической информации

Информация и информационные процессы

Page 2: Двоичное кодирование графической информации

2

Двоичное кодирование в компьютереВся информация, которую обрабатывает компьютер должна

быть представлена двоичным кодом с помощью двух цифр: 0 и 1. Эти два символа принято называть двоичными цифрами или битами.

С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение. Это явилось причиной того, что в компьютере обязательно должно быть организованно два важных процесса: кодирование и декодирование.

Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т.е. двоичный код.

Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку.

Привет! 1001011

Page 3: Двоичное кодирование графической информации

3

Почему двоичное кодированиеС точки зрения технической реализации использование двоичной системы

счисления для кодирования информации оказалось намного более простым, чем применение других способов. Действительно, удобно кодировать информацию в виде последовательности нулей и единиц, если представить эти значения как два возможных устойчивых состояния электронного элемента:

0 – отсутствие электрического сигнала;

1 – наличие электрического сигнала.Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования –

длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных.

Способы кодирования и декодирования информации в компьютере, в первую очередь, зависит от вида информации, а именно, что должно кодироваться: числа, текст, графические изображения или звук.

Page 4: Двоичное кодирование графической информации

4

Аналоговая и дискретная форма представления информацииЧеловек способен воспринимать и хранить информацию в

форме образов (зрительных, звуковых, осязательных, вкусовых и обонятельных). Зрительные образы могут быть сохранены в виде изображений (рисунков, фотографий и так далее), а звуковые — зафиксированы на пластинках, магнитных лентах, лазерных дисках и так далее.

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме. При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно. При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

Page 5: Двоичное кодирование графической информации

5

Аналоговая и дискретная форма представления информацииПриведем пример аналогового и

дискретного представления информации.

Положение тела на наклонной плоскости и на лестнице задается значениями координат X и У.

При движении тела по наклонной плоскости его координаты могут принимать бесконечное множество непрерывно изменяющихся значений из определенного диапазона, а при движении по лестнице — только определенный набор значений, причем меняющихся скачкообразно.

Page 6: Двоичное кодирование графической информации

6

Примеры аналогового и дискретного представлений

информации

Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода.

Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов.

Тип информации

Аналоговое представление Дискретное представление

Графическая информация

Полотно живописной картины, цвет которой меняется непрерывно

Изображение, напечатанное с помощью струйного принтера (состоит из отдельных точек разного цвета)

Звуковая информация

Виниловая пластинка (звуковая дорожка меняет свою форму непрерывно)

Аудио-CD (звуковая дорожка содержит участки с различной отражающей способностью)

Page 7: Двоичное кодирование графической информации

7

Виды компьютерных изображений

ИЗО БРАЖ ЕНИЯ

РАС ТРО ВЫ Е ВЕК ТО РНЫ Е

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

Page 8: Двоичное кодирование графической информации

8

Кодирование растровых изображенийРастровое 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).

Page 9: Двоичное кодирование графической информации

9

Двоичный код для черно‐белого рисунка, полученного в результате дискретизации можно построить следующим образом:• заменяем белые пиксели нулями, а черные – единицами;• выписываем строки полученной таблицы одну за другой.Покажем это на простом примере:

а для всего рисунка: 1A2642FF425A5A7E16.

Ширина этого рисунка – 8 пикселей, поэтому каждая строчка таблицы состоит из 8 двоичных разрядов – бит. Чтобы не писать очень длинную цепочку нулей и единиц, удобно использовать шестнадцатеричную систему счисления, закодировав 4 соседних бита (тетраду) одной шестнадцатеричной цифрой. Например, для первой строки получаем код 1A16:

Page 10: Двоичное кодирование графической информации

10

Рассмотрим формирование на экране монитора растрового изображения с разрешением 800*600 (800 точек на 600 строк, итого 480 000 точек на экране). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) – каждая точка может иметь одно из двух состояний – ”черная” или “белая”, т.е для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Таким образом, объем черно-белого изображения (количество информации) равен: <Количество информации> = <Разрешающая способность>*1 (бит)

Разрешение обычно измеряется в пикселях на дюйм (используется английское обозначение ppi = pixels per inch).

Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки (хранится в видеопамяти). Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета, например: 8, 16, 24 или 32 бита.

Качество двоичного кодирования изображения определяется разрешающей способностью и глубиной цвета

Количество цветов N может быть вычислено по формуле: N=2i, где i – глубина цвета.

Глубина цвета (i) 8 16 (High Color) 24 (True Color) 32 (True Color)

Количество изображаемых цветов (N)

28=256 216=65 536 224= 16 777 216 232= 4 294 967 296

Page 11: Двоичное кодирование графической информации

11

Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания базовых цветов: красного, зеленого и синего. Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, т.е. для каждого из цветов возможны N=28=256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами от минимальной 00000000 до максимальной 11111111

Формирование некоторых цветов при глубине цвета 24 бита.

Название Интенсивность

цвета Красный Зеленый Синий

Черный 00000000 00000000 00000000

Красный 11111111 00000000 00000000

Зеленый 00000000 11111111 00000000

Синий 00000000 00000000 11111111

Голубой 00000000 11111111 11111111

Желтый 11111111 11111111 00000000

Белый 11111111 11111111 11111111

Page 12: Двоичное кодирование графической информации

12

Задание. (Задание A20 демоверсии 2005 г., А17 демоверсии 2006 г.)

Для хранения растрового изображения размером 128*128 пикселей отвели 4 килобайта памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

1) 8 2) 2 3) 1 4) 4

Решение.

Воспользуемся формулами:

<Количество информации> = <Разрешающая способность>*<Глубина цвета>(1)

<Количество цветов> =N = 2i, где i – глубина цвета.(2)

В нашем случае:

<Количество информации> = 4 Кб = 4*210байт = 22*210байт = 212 байт =

= 8*212 бит = 23*212бит = 215 бит(3)

<Разрешающая способность> = 128*128 = 27*27=214.(4)

Подставив значения (3) и (4) в (1), получим, что: 215 = 214 *i, откуда i=2.

Тогда по формуле (2): <Количество цветов> =N = 2i=22=4, что соответствует ответу №4.

Ответ: 4.

Page 13: Двоичное кодирование графической информации

13

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.

Page 14: Двоичное кодирование графической информации

14

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.

Так, например, если красный и зеленый будут на максимуме (1), а синий выключен (0), то получится чистый желтый цвет.

Page 15: Двоичное кодирование графической информации

15

Кодирование цвета с помощью модели RGB удобно представить в виде цветового куба. Каждому цвету на экране монитора соответствует точка внутри этого куба. Начало координат соответствует черному цвету (полное отсутствие любого цвета). На противоположной вершине куба находится точка, соответствующая белому цвету (максимальная яркость для каждого цвета). Вообще, единица соответствует максимальной яркости цвета (красного, зеленого или синего), которую может выдать монитор. Отрезок (0, 0, 0) – (1, 1, 1) описывает градации серого цвета. Если взять любую точку внутри начала координат, то мы получим плавный переход определенного цвета от темного оттенка к светлому.На гранях куба расположены самые насыщенные цвета, внутри куба – менее насыщенные (начинают подмешиваться серые оттенки).

Page 16: Двоичное кодирование графической информации

16

True Color

На практике 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.

Page 17: Двоичное кодирование графической информации

17

При кодировании цвета на веб‐страницах также используется модель RGB, но яркости каналов записываются в шестнадцатеричной системе счисления (от 0016 до FF16), а перед кодом цвета ставится знак #. Например, код красного цвета записывается как #FF0000, а код синего – как #0000FF. Вот коды некоторых цветов:

Page 18: Двоичное кодирование графической информации

18

24‐битное кодирование цвета часто называют режимом истинного цвета (англ. True Color – истинный цвет). Для вычисления объема рисунка в байтах при таком кодировании нужно определить общее количество пикселей (перемножить ширину и высоту) и умножить результат на 3, так как цвет каждого пикселя кодируется тремя байтами. Например, рисунок размером 20×30 пикселей, закодированный в режиме истинного цвета, будет занимать 20×30×3 = 1800 байт.

Конечно, здесь не учитывается сжатие, которое применяется во всех современных форматах графических файлов. Кроме того, в реальных файлах есть заголовок, в котором записана служебная информация (например, размеры рисунка).

Page 19: Двоичное кодирование графической информации

19

Задачи:

1. Определите количество цветов в палитре при глубине цвета 4, 8, 16, 24, 32 бита. (

2. Черно-белое (без градаций серого) растровое графическое изображение имеет размер 10*10 точек. Какой объем памяти займет это изображение? (

3. Цветное (с палитрой из 256 цветов) растровое графическое изображение имеет размер 10*10 точек. Какой объем памяти займет это изображение?

4. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 65536 до 16. Во сколько раз уменьшится объем занимаемый им памяти?

5. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов увеличилось с 16 до 4 294 967 296. Во сколько раз увеличился объем, занимаемый им в памяти?

6. 256-цветный рисунок содержит 120 байт информации. Из скольких точек он состоит?

7. Для хранения изображения размером 64 ´ 32 точек выделено 64 Кбайт памяти. Определите, какое максимальное число цветов допустимо использовать в этом случае.

Page 20: Двоичное кодирование графической информации

20

1. Для хранения растрового изображения размером 32×32 пикселя отвели 512 байтов памяти. Каково максимально возможное число оттенков в монохромном спектре?

Дано:

R=32х32

I=512 байт

Найти:

К=?

 

K= 2b

b=I/R=(512*8)/(32*32)=212/210=22=4

K=16

Page 21: Двоичное кодирование графической информации

21

2. После преобразования растрового 256-цветного графического файла в черно-белый формат (2 цвета) его размер уменьшился на 70 байт. Каков был размер исходного файла?

3. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 64 до 8. Во сколько раз уменьшился объем, занимаемый им в памяти?

Page 22: Двоичное кодирование графической информации

22

Вычислим объем видеопамятиДля того чтобы на экране монитора

формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера.

Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов.

В современных компьютерах разрешение экрана обычно составляет 1280х1024 точек. Т.е. всего 1280 * 1024 = 1310720 точек.

При глубине цвета 32 бита на точку необходимый объем видеопамяти: 32 *1310720 = 41943040 бит = 5242880 байт = 5120 Кб = 5 Мб.

Page 23: Двоичное кодирование графической информации

23

Кодирование векторных изображенийВекторное 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.

Page 24: Двоичное кодирование графической информации

24

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

Page 25: Двоичное кодирование графической информации

25

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.

Page 26: Двоичное кодирование графической информации

26

Векторное кодированиеВекторный рисунок – это рисунок, который закодирован в виде

набора простейших геометрических фигур, параметры которых (размеры, координаты вершин, углы наклона, цвет контура и заливки) хранятся в виде чисел. Векторный рисунок можно «разобрать» на части, растащив мышкой его элементы, а потом снова собрать полное изображение:

Page 27: Двоичное кодирование графической информации

27

При векторном кодировании для отрезка хранятся координаты его концов, для прямоугольников и ломаных – координаты вершин. Окружность и эллипс можно задать координатами прямоугольника, в который вписана фигура.

Векторный способ кодирования рисунки обладает значительными преимуществами в сравнении с растровым тогда, когда изображение может быть полностью разложено на простейшие геометрические фигуры (например, чертеж, схема, карта, диаграмма). В этом случае при кодировании нет потери информации.

Объем файлов напрямую зависит от сложности рисунка – чем меньше элементов, тем меньше места занимает файл. Как правило, векторные рисунки значительно меньше по объему, чем растровые.

При изменении размера векторного рисунка не происходит никакого искажения формы элементов, при увеличении наклонных линий не появляются «ступеньки», как при растровом кодировании:

растровый рисунок векторный рисунок

Page 28: Двоичное кодирование графической информации

28

Самый главный недостаток этого метода – он практически непригоден для кодирования размытых изображений, например, фотографий.

Среди форматов векторных рисунков отметим следующие:

• WMF (англ. Windows Metafile – метафайл Windows, файлы с расширением .wmf и .emf) – стандартный формат векторных рисунков в операционной системе Windows;

CDR (файлы с расширением .cdr) – формат векторных рисунков программы CorelDRAW;

• AI (файлы с расширением .ai) – формат векторных рисунков программы Adobe Illustrator;

• SVG (англ. Scalable Vector Graphics – масштабируемые векторные изображения, файлы с расширением .svg) – векторная графика для веб‐страниц.

Page 29: Двоичное кодирование графической информации

29

Вопросы и задания:

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?

Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического режима: разрешение экрана 800х600, качество цветопередачи 16 бит.

(586 Кбайт)

Page 30: Двоичное кодирование графической информации

30

                        

Пример задания А9:

Черно-белое растровое изображение кодируется построчно, начиная с левого верхнего угла и заканчивая в правом нижнем углу. При кодировании 1 обозначает черный цвет, а 0 – белый.

  

Для компактности результат записали в шестнадцатеричной системе счисления. Выберите правильную запись кода.

1) BD9AA5 2) BDA9B5 3) BDA9D5 4) DB9DAB

Решение:

1)«вытянем» растровое изображение в цепочку: сначала первая (верхняя) строка, потом – вторая, и т.д.:  

2)в этой полоске 24 ячейки, черные заполним единицами, а белые – нулями:

3)поскольку каждая цифра в шестнадцатеричной системе раскладывается ровно в 4 двоичных цифры, разобьем полоску на тетрады – группы из четырех ячеек (в данном случае все равно, откуда начинать разбивку, поскольку в полоске целое число тетрад – 6):

4)переводя тетрады в шестнадцатеричную систему, получаем последовательно цифры B (11), D(13), A(10), 9, D(13) и 5, то есть, цепочку BDA9D5

5)поэтому правильный ответ – 3.

 

Возможные проблемы:

нужно уметь быстро переводить тетрады в шестнадцатеричные цифры (в крайнем случае, это можно сделать через десятичную систему)

1 строка 2 строка 3 строка 4 строка

1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1

1 строка 2 строка 3 строка 4 строка

1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1