ekd / ответы на вопросы часть 1 / 7_Глубина цвета

Вопрос 7. Глубина цвета

Глубина цвета – это количество бит, отводимых для кодирования одного пикселя.

Если для кодирования одного пикселя взять 1 бит – то с его помощью мы можем получить только 2 цвета: черный (0) и белый (1), то есть черно-белое изображение.

2 бита – 4 цвета (00, 01, 10, 11)

8 бит – 2 ⁸ цветов = 256 цветов и т.д.

Таким образом, число цветов можно определить по формуле:

N = 2 ^I

где, N – количество цветов,

I - битовая глубина цвета.

Вывод: чем больше бит применяется для кодирования 1 пикселя, тем больше цветов и реалистичнее изображение, но и размер файла тоже увеличивается.

Таким образом, объем файла точечной графики – это произведение ширины и высоты изображения в пикселях на глубину цвета.

При этом совершенно безразлично, что изображено на фотографии. Если три параметра одинаковы, то размер файла без сжатия будет одинаков для любого изображения.

Пример расчета. Определить размер 24-битного графического файла с разрешением 800 х 600.

Решение. Из условия файл имеет параметры

А = 800 пикселей

В = 600 пикселей

Глубина цвета I = 24 бита (3 байта)

тогда формула объема файла V = A + B + I

V = 800 х 600 х 24 = 11520000 бит = 1440000байт = 1406, 25 Кбайт = 1,37 Мб

Пример 2. В процессе оптимизации количество цветов было уменьшено с 65536 до 256. Во сколько раз уменьшился объем файла.

Из формулы N = 2 ^I следует, что глубина цвета I₁ = log ₂ 65536 = 16 бит, а после оптимизации I₂ = log ₂ 256 = 8 бит

При этом, размеры картинки в пикселях не изменились. используя формулу для вычисления объема файла имеем: V₁ = a x b x 16 = 16 ab и

V₂ = a x b x 8 = 8 ab

Составляем пропорцию V_{1 :} V_{2 =} 16 ab : 8 ab

Итак: размер графического файла зависит от размеров изображения и количества цветов.

При этом качественное изображение с 24 или 32 битным кодированием получается довольно большим (мегабайт).

Это очень неудобно для хранения и передачи изображений (особенно в сети Интернет). Поэтому графические файлы подвергаются оптимизации.

Глубина цвета – количество бит, проходящий на 1 пиксел (bpp). Наиболее популярным разрешением является 8 bpp (256 цветов), 16 bpp (65536 цветов)

С 80-х гг. развивается технология обработки на ПК графической информации. Форму представления на экране дисплея графического изображения, состоящего из отдельных точек (пикселей), называют растровой.

Минимальным объектом в растровом графическом редакторе является точка. Растровый графический редактор предназначен для создания рисунков, диаграмм.

Разрешающая способность монитора (количество точек по горизонтали и вертикали), а также число возможных цветов каждой точки определяются типом монитора.

Распространённая разрешающая способность – 800 х 600 = 480 000 точек.

1 пиксель чёрно-белого экрана кодируется 1 битом информации (чёрная точка или белая точка). Количество различных цветов К и количество битов для их кодировки связаны формулой: К = 2b.

Современные мониторы имеют следующие цветовые палитры: 16 цветов, 256 цветов; 65 536 цветов (high color), 16 777 216 цветов (true color).

В табл. 1 показана зависимость информационной ёмкости одного пикселя от цветовой палитры монитора.

Таблица 1

Количество цветов монитора	Количество бит, кодирующих одну точку
2	1 (21 = 2)
8	3 (23 = 8)
16	4 (24 = 16)
65 536	16 (216 = 65 536)
16 777 216	24 (224 =16 777 216)

Объём памяти, необходимой для хранения графического изображения, занимающего весь экран (видеопамяти), равен произведению разрешающей способности на количество бит, кодирующих одну точку. В видеопамяти ПК хранится битовая карта (двоичный код изображения), она считывается процессором не реже 50 раз в секунду и отображается на экране.

В табл. 2 приведены объёмы видеопамяти для мониторов с различными разрешающей способностью и цветовой палитрой.

Таблица 2

	16 цветов	256 цветов	65536 цветов	167777216 цветов
640*480	150 Кб	300 Кбайт	600 Кбайт	900 Кбайт
800*600	234,4 Кб	468,8 Кб	937,6 Кб	1,4 Мбайт
1024*768	384 Кб	768 Кбайт	1,5 Мбайт	2,25 Мбайт
1280*1024	640 Кб	1,25 Мб	2,5 Мбайт	3,75 Мбайт

Ввод и хранение в ЭВМ технических чертежей и им подобных графических изображений осуществляются по-другому. Любой чертёж состоит из отрезков, дуг, окружностей. Положение каждого отрезка на чертеже задаётся координатами двух точек, определяющих его начало и конец. Окружность задаётся координатами центра и длиной радиуса. Дуга – координатами начала и конца, центром и радиусом. Для каждой линии указывается её тип: тонкая, штрихпунктирная и т.д. Такая форма представления графической информации называется векторной. Минимальной единицей, обрабатываемой векторным графическим редактором, является объект (прямоугольник, круг, дуга). Информация о чертежах обрабатывается специальными программами. Хранение информации в векторной форме на несколько порядков сокращает необходимый объём памяти по сравнению с растровой формой представления информации.

Видеопамяти находится двоичная информация об изображении, выводимом на экран. Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматриваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две большие части - растровую и векторную графику.

Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами (pixel, от англ. picture element). Код пиксела содержит информации о его цвете.

Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксел может принимать только два значения: белый и черный (светится - не светится), а для его кодирования достаточно одного бита памяти: 1 -- белый, 0 -- черный.

Пиксел на цветном дисплее может иметь различную окраску, поэтому одного бита на пиксел недостаточно. Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксел, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 -- черный, 10 -- зеленый, 01 -- красный, 11 -- коричневый.

На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов -- красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 основных комбинаций:

R G B цвет 0   0   0   черный 0   0   1   синий 0   1   0   зеленый 0   1   1   голубой

R G B цвет 1   0   0   красный 1   0   1   розовый 1   1   0   коричневый 1   1   1   белый

Разумеется, если иметь возможность управлять интенсивностью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные оттенки, увеличивается. Количество различных цветов -- К и количество битов для их кодировки -- N связаны между собой простой формулой: 2^N = К.

В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста -- располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (математических уравнения линий, дуг, окружностей и т. д.). Сложные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности элементарных графических объектов.

Задачи

Контрольные вопросы

1. Сколько двоичных разрядов необходимо для кодирования 1 символа?

2. Средняя скорость чтения ученика составляет 160 символов в минуту. Сколько информации он переработает за 7 часов непрерывного чтения текста?

3. В чём суть растровой формы представления графической информации?

4. Сколько бит информации необходимо для кодирования 1 точки чёрно-белого экрана монитора?

5. По какой формуле определяется объём видеопамяти дисплея?

6. В чём суть векторной формы представления графической информации?

Задача 1. Определить размер 24-битного графического файла с разрешением 1024 х 600.

Задача 2. В процессе оптимизации количество цветов было уменьшено с 65536 до 2. Во сколько раз уменьшился объем файла.

Задача 3. Дан двоичный код рисунка. Известно, что рисунок монохромный и матрица имеет размер 8X8. Восста­новите рисунок по коду:

а) 00111100 01000010 00000010 01111110 10000010 10000010 10000110 01111011

б) 10111110 11000001 10000001 00111110 00000001 00000001 10000001 01111110

в) 00111111 01000010 01000010 01000010 00111110 00100010 01000010 11000111

Задача 4. Изображение на экране дисплея строится из отдель­ных точек (пикселей). Пусть установлено разрешение экрана 1200x1024. Сколько байт займет образ экра­на в памяти компьютера, если сохранить его (пото­чечно, в формате bit map -* bmp) как:

а) монохромное изображение;

б) 256-цветный рисунок;

в) 24-разрядный рисунок.

Задача 5. Для кодирования оттенка цвета одной точки (пиксе­ля) цветного изображения в соответствии с RGB моделью цветообразования используется 1 байт (8 бит): 3 бита для кодирования уровня яркости красного (Red) цвета, 2 бита для кодирования уровня яркости зеленого (Green) цвета и 3 бита на синий (Blue) цвет. Определите:

а) сколько уровней яркости каждого цвета может быть закодировано таким образом;

б) сколько всего цветовых оттенков изображения можно передать.

Решите ту же задачу, но при условии использования режима True Color, когда для передачи цвета одного пикселя используется 3 байта - по одному на каждый цвет.

Тест

1. Учебная программа занимает 19 Кбайт памяти ПК. Инструкция к программе занимает 1 кадр дисплея (25 строк по 80 символов). Какую часть программы занимает инструкция?

а) 2000 байт;

б) 20%;

в) 1/10 часть;

г) 10%.

2. Экран компьютера может работать в различных режимах, которые отличаются разрешающей способностью и количеством возможных цветов каждой точки.

Заполните таблицу:

Количество точек			Количество цветов	Количество бит на точку	Информационный объём экрана
по горизонтали	по вертикали	всего
320	200	?	2(21=2)	?	?
640	350	?	16(24=16)	?	?

3. Что является минимальным объектом, используемым в растровом графическом редакторе?

а) Точка экрана (пиксель);

б) объект (прямоугольник, круг и т.д.);

в) палитра цветов;

г) знакоместо (символ).

4. Для чего предназначен векторный графический редактор?

а) Для создания чертежей;

б) для построения графиков:

в) для построения диаграмм;

г) для создания и редактирования рисунков.

5. Файл, содержащий черно-белый квадратный рисунок, имеет объём 200 байтов. Каков размер рисунка в пикселях?

а) 1000х1000;

б) 40х40;

в) 1х1;

г) 100х100.

6. Какого количества информации требует двоичное кодирование 1 точки на черно-белом экране (без градации яркости)?

а) 1 бит;

б) 1 байт;

в) 4 бит;

г) 16 байт.

7. Растровый графический файл содержит черно-белое изображение с 16 градациями серого цвета размером 10х10 точек. Каков информационный объём этого файла?

а) 100 бит;

б) 400 байт;

в) 400 бит;

г) 100 байт.

Правильные ответы к тесту 2.2: 1-г, 3-а, 4-а, 5-б, 6-а, 7-в.

Код — это набор условных обозначений (или сигналов) для записи (или передачи) некоторых заранее определенных понятий.

Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Обычно каждый образ при кодировании (иногда говорят — шифровке) представлении отдельным знаком.

Знак - это элемент конечного множества отличных друг от друга элементов.

В более узком смысле под термином "кодирование" часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (например, звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для компьютера можно выполнить преобразования полученной информации, например "наложить" друг на друга звуки от разных источников.

Аналогичным образом на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. Ввод чисел в компьютер и вывод их для чтения человеком может осуществляться в привычной десятичной форме, а все необходимые преобразования выполняют программы, работающие на компьютере.

Способы кодирования информации.

Одна и та же информация может быть представлена (закодирована) в нескольких формах. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело и отдельный человек, и человечество в целом. Но решать задачу кодирования информации человечество начало задолго до появления компьютеров. Грандиозные достижения человечества - письменность и арифметика - есть не что иное, как система кодирования речи и числовой информации. Информация никогда не появляется в чистом виде, она всегда как-то представлена, как-то закодирована.

Двоичное кодирование – один из распространенных способов представления информации. В вычислительных машинах, в роботах и станках с числовым программным управлением, как правило, вся информация, с которой имеет дело устройство, кодируется в виде слов двоичного алфавита.

Кодирование символьной (текстовой) информации.

Основная операция, производимая над отдельными символами текста - сравнение символов.

При сравнении символов наиболее важными аспектами являются уникальность кода для каждого символа и длина этого кода, а сам выбор принципа кодирования практически не имеет значения.

Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодировки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.

Таблица перекодировки - таблица, содержащая упорядоченный некоторым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которой происходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.

Наиболее популярные таблицы перекодировки: ДКОИ-8, ASCII, CP1251, Unicode.

Исторически сложилось, что в качестве длины кода для кодирования символов было выбрано 8 бит или 1 байт. Поэтому чаще всего одному символу текста, хранимому в компьютере, соответствует один байт памяти.

Различных комбинаций из 0 и 1 при длине кода 8 бит может быть 28 = 256, поэтому с помощью одной таблицы перекодировки можно закодировать не более 256 символов. При длине кода в 2 байта (16 бит) можно закодировать 65536 символов.

Кодирование числовой информации.

Сходство в кодировании числовой и текстовой информации состоит в следующем: чтобы можно было сравнивать данные этого типа, у разных чисел (как и у разных символов) должен быть различный код. Основное отличие числовых данных от символьных заключается в том, что над числами кроме операции сравнения производятся разнообразные математические операции: сложение, умножение, извлечение корня, вычисление логарифма и пр. Правила выполнения этих операций в математике подробно разработаны для чисел, представленных в позиционной системе счисления.

Основной системой счисления для представления чисел в компьютере является двоичная позиционная система счисления.

Кодирование текстовой информации

В настоящее время, большая часть пользователей, при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. Подсчитаем, сколько всего символов и какое количество бит нам нужно.

10 цифр, 12 знаков препинания, 15 знаков арифметических действий, буквы русского и латинского алфавита, ВСЕГО: 155 символов, что соответствует 8 бит информации.

Единицы измерения информации.

1 байт = 8 бит

1 Кбайт = 1024 байтам

1 Мбайт = 1024 Кбайтам

1 Гбайт = 1024 Мбайтам

1 Тбайт = 1024 Гбайтам

Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.

Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой

Основным отображением кодирования символов является код ASCII - American Standard Code for Information Interchange- американский стандартный код обмена информацией, который представляет из себя таблицу 16 на 16, где символы закодированы в шестнадцатеричной системе счисления.

Кодирование графической информации.

Важным этапом кодирования графического изображения является разбиение его на дискретные элементы (дискретизация).

Основными способами представления графики для ее хранения и обработки с помощью компьютера являются растровые и векторные изображения

Векторное изображение представляет собой графический объект, состоящий из элементарных геометрических фигур (чаще всего отрезков и дуг). Положение этих элементарных отрезков определяется координатами точек и величиной радиуса. Для каждой линии указывается двоичные коды типа линии (сплошная, пунктирная, штрихпунктирная), толщины и цвета.

Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей), полученных в результате дискретизации изображения в соответствии с матричным принципом.

Матричный принцип кодирования графических изображений заключается в том, что изображение разбивается на заданное количество строк и столбцов. Затем каждый элемент полученной сетки кодируется по выбранному правилу.

Pixel (picture element - элемент рисунка) - минимальная единица изображения, цвет и яркость которой можно задать независимо от остального изображения.

В соответствии с матричным принципом строятся изображения, выводимые на принтер, отображаемые на экране дисплея, получаемые с помощью сканера.

Качество изображения будет тем выше, чем "плотнее" расположены пиксели, то есть чем больше разрешающая способность устройства, и чем точнее закодирован цвет каждого из них.

Для черно-белого изображения код цвета каждого пикселя задается одним битом.

Если рисунок цветной, то для каждой точки задается двоичный код ее цвета.

Поскольку и цвета кодируются в двоичном коде, то если, например, вы хотите использовать 16-цветный рисунок, то для кодирования каждого пикселя вам потребуется 4 бита (16=24), а если есть возможность использовать 16 бит (2 байта) для кодирования цвета одного пикселя, то вы можете передать тогда 216 = 65536 различных цветов. Использование трех байтов (24 битов) для кодирования цвета одной точки позволяет отразить 16777216 (или около 17 миллионов) различных оттенков цвета - так называемый режим “истинного цвета” (True Color). Заметим, что это используемые в настоящее время, но далеко не предельные возможности современных компьютеров.

Кодирование звуковой информации.

Из курса физики вам известно, что звук - это колебания воздуха. По своей природе звук является непрерывным сигналом. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно изменяющееся с течением времени напряжение.

Для компьютерной обработки аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел, а для этого его необходимо дискретизировать и оцифровать.

Можно поступить следующим образом: измерять амплитуду сигнала через равные промежутки времени и записывать полученные числовые значения в память компьютера.