2. Кодирование графики

1. Растровая графика.

Если рассмотреть через увеличительное стекло черно-белое графическое изображение в книге или газете, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Растровый файл содержит матрицу яркостей, в которой записан цвет для каждого пикселя изображения. Для черно-белого изображения используют 256 градаций серого цвета (1 байт из 8 разрядов: 2⁸ = 256).

Для цветных изображений любой оттенок получают из трех основных цветов: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). Эта система кодирования называется RGB.

Редактировать растровое изображение сложно, т.к. нет каких-либо объектов (круг, линия), а есть совокупность точек. Сильное увеличение растровой картинки делает её «зернистой». Растровое изображение бывает в форматах: BMP, TIFF, JPG (JPEG), PNG, GIF. Данные форматы приведены в порядке уменьшения объема файла. Для проверки объема файла Вы можете открыть любой файл с растровой графикой в Adobe PhotoShop или Paint и сохранить в одном из стандартных форматах.

При печати изображения используют систему представления цвета CMYK (Cyan Magenta Yellow black), где цветное изображение формируется из четырех цветов.

2. Векторная графика.

Это рисунок, созданный с помощью графических объектов, которые можно описать математическими формулами. Каждое изображение состоит из множества объектов кривых и прямых линий, геометрических фигур. Векторную графику труднее создавать, но легко редактировать. Используется в основном для рекламных объявлений с красивым текстовым оформлением.

Форматы CDR, AI. Программы CorelDraw, Adobe Illustrator, AutoCAD, Компас. В файле хранятся векторы (длина, направление).

Растровое представление графики требует большего, по сравнению с векторным, объема памяти из-за большого количества точек.

Для векторного представления графики необходимы большие затраты машинного (процессорного) времени для выполнения вычислений координат, а памяти требуется меньше, чем для растрового представления.

3. Кодирование звука

Одна минута цифрового звука, записанного с максимальным качеством, занимает около 10 Мбайт. Существует синтезированный midi звук, который синтезируется с помощью звуковой карты. Его файлы – несколько десятков кбайт (~7). Привычный для нас аналоговый звук представляет собой волну.

В изначальном аналоговом виде график выглядит как непрерывная линия (как не увеличивай рисунок, такой и останется). Но перевести этот звук в цифровой проблематично. Описать каждую точку невозможно, т.к. их число бесконечно. Выход один разбить кривую на участки и подробно описывать максимально возможное число точек на каждом из них. Затем нужно восстанавливать непрерывную линию из этих точек.

Процесс разбиения непрерывного сигнала на дискретные точки называется квантованием. Квантование осуществляется по обеим осям графика: по вертикали (амплитуда сигнала) – дискретизация по уровню; по горизонтали (по времени) – дискретизация по времени (рис. 2.1). Дискретизация до целого уровня называется квантованием по уровню. В результате получаем два важных параметра, которые являются главными характеристиками цифрового звука.

1) Частота дискретизации. Соответствует вертикальным линиям графика. Определяет диапазон частот оцифрованного звука. По теореме Котельникова диапазон должен быть в 2 раза больше его максимальной частоты, т.е. если мы хотим оцифровать звук в диапазоне 22 кГц (верхняя граница 16-22 кГц воспринимаемого частотного диапазона), то частота дискретизации должна быть 44 кГц.

U(t) – амплитуда сигнала

5

4

3

2

1

0 t

Рис. 2.1. Квантование записи звуковой волны

2) Разрядность. Соответствует горизонтальным линиям графика. Чем выше разрядность, тем больше точек на выбранном участке волны было описано при оцифровке. Сжатие осуществляется за счет того, что убираются из звукового потока любые не слышимые человеком сигналы.

Вывод: преобразование непрерывной информации в дискретную сопровождается сжатием информации (уменьшением её количества).

Характеристикой степени сжатия звуковой информации является скорость, получившаяся в результате звукового потока, измеряемая в Кбит/с (kbps) – эта величина называется битрейтом (bitrate). Минута звучания обычного оцифрованного звука занимает 10 Мбайт, что соответствует звуковому потоку 1440 Кбит/с (рис. 2.2). После МР3 кодирования битрейт звукового потока составляет от 56 до 320 Кбит/с (рис. 2.3). На практике для сохранения качества звука используется битрейт в диапазоне от 128 до 256 Кбит/с (рис. 2.4)

10 000 000 · 8 = 80 000 000 бит – в 1 минуту или

80 000 000 / 60 = 1 400 000 бит/с – в 1 секунду.

Степень сжатия можно определить, поделив первоначальный битрейт (1440 Кбит/с) на конечный. Например:

1440/128 = 10,5 раз;

1440/256 = 5,5 раз.

Есть кодирование с переменным битрейтом, где отдельные фрагменты сжимаются с минимальным битрейтом, а отдельные с максимально возможным.

По теореме Котельникова частоты отсчетов для дискретизации непрерывного сигнала: F₀ = 2f_m, где f_m – max частота в спектре частот сигнала (22 кГц слышит человек).

Непрерывный сигнал х(t) воспроизводится из дискретного без погрешностей по формуле:

,

где Dt = 1/2f_m – шаг дискретизации.

Теорема Котельникова справедлива для сигнала с ограниченным спектром (в реальных сигналах спектр неограничен). Для практических задач идеальной точности не требуется. На практике частоту отсчетов определяют по формуле:

F₀ = 2f_max · k₃,

где k₃ Î [1,5; 6] – коэффициент запаса.