Отнт. А. Ю. Босова Москва бином. Лаборатория знаний 10 класс Базовый уровень Учебник
 Скачать 6.18 Mb.
|
|
Глава3.представлениеинформациивкомпьютере В компьютерной технике чаще всего используются следующие цветовые модели RGB (Red — Green — Blue, красный — зелёный — синий HSB (Hue — Saturation — Brightness, цветовой оттенок — насыщенность — яркость CMYK (Cyan — Magenta — Yellow — blacK, голубой — пурпурный жёлтый — чёрный). 15.4. цветовая модель Для синтеза цвета на экранах компьютеров, телевизоров, смартфонов и других устройств отображения графической информации выбраны красный, зелёный и синий цвета. Смешением трёх основных цветов синтезируются все остальные цвета. Такая модель называется аддитивной (аддитивный — получаемый путём сложения, от лат. additio — прибавление). Выбор этих цветов неслучаен и кроется в физиологии человеческого зрения. Действительно, в сетчатке глаза человека есть три типа колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра (табл. Таблица спектральная чувствительность человеческого глаза тип колбочек диапазон длин волн, нм максимум чувствительности, нм Красные 550–760 ≈ 610 Зелёные 450–650 ≈ Синие Модель RGB (рис. 3.8) определяет пространство цветов в виде единичного куба с осями R (красная компонента, G (зелёная компонента, B (синяя компонента. Рассмотрим эту модель подробно 1. Любая точка куба (r; g; b) определяет некоторый цвет 2. Точка (0; 0; 0) соответствует чёрному цвету точка (1; 1; 1) соответствует белому цвету линия (0; 0; 0)–(1; 1; 1) описывает все градации серого от чёрного до белого Кодирование графической информации §15 рис. 3.8. Цветовой куб для кодирования 3. При движении по прямой от точки (0; 0; 0) к точке (r; g; b) получаем все градации яркости цвета (r; g; b) — от самого тёмного до самого яркого 4. На гранях куба (r = 0), (g = 0) и (b = 0) расположены самые насыщенные цвета. Чем ближе точка к главной диагонали, тем менее насыщен соответствующий цвет. Если все три координаты точки (r; g; b) ненулевые, то цвет — ненасыщенный. Мы уже упоминали о квантовании. Благодаря ему в компьютере интенсивность цветовых компонент определяется невещественными (из интервала [0; 1]), а целыми числами. Для этого единичные отрезки на красной, «зелёной» и синей осях разбивают на несколько поддиапазонов, каждый из которых получает свой номер. Цвет пикселя изображения, которое будет выведено на экран, задаётся тремя целыми неотрицательными числами — номерами поддиапазонов, в которые попадает этот цвет. Качество цветопередачи зависит от количества выделяемых поддиапазонов. В современных компьютерах для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 (режим True Color) или 2 (режим High Color) байта 152 Глава3.представлениеинформациивкомпьютере В первом случае на кодирование градаций яркости каждого из основных цветов отводится 1 байт код 00000000 (00) показывает, что данной составляющей нет вообще, код 11111111 (FF) соответствует наибольшей интенсивности соответствующей цветовой компоненты. Всего можно закодировать 256 (от 0 до 255) градаций яркости каждой цветовой компоненты, что обеспечивает возможность представления 256 · 256 · 256 = 2 8+8+8 = 2 24 = 16 777 216 цветов. Человеческий глаз не может различить большего разнообразия цветов. Это позволяет считать видеорежим True Color (истинный цвет) абсолютно соответствующим цветам реального мира. В режиме High Color цвет каждой точки кодируется 16 битами. На кодирование красной и синей составляющей при этом отводится побит, на кодирование зелёной составляющей — 6 бит. Пять бит позволяют представить по 32 градации яркости красного и синего цветов. Поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к зелёной составляющей цвета, поде шкалу отведено 6 бит, что позволяет сохранить 64 градации яркости этого цвета. Всего в рассматриваемом режиме можно представить 2 5+6+5 = 2 16 = 65 536 цветов. Цвета изображений, сохранённых в режиме High Color также вполне реалистичны и «комфортны» для человеческого глаза. При этом размеры соответствующих файлов в 1,5 раза меньше, чем при использовании режима True Глубина цвета (i) — количество бит, используемое для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видеоизображения. палитра (N) — количество цветов, которые могут быть использованы для воспроизведения изображения. Справедливо соотношение N = Пример. Имеется канал связи, обеспечивающий передачу информации со скоростью 16 000 бит/с. Выясним, сколько секунд потребуется для передачи поэтому каналу цветного растрового изображения размером 800 × 600 пикселей. Зная палитру — количество цветов, используемых для воспроизведения изображения, вычислим глубину цвета — количество бит для представления цвета одного пикселя. 256 = 2 i , i = 8 (бит). Размер файла с изображением равен 800 · 600 · 8 (бит Кодирование графической информации §15 Вычислим время передачи данного файла = 800 600 8 16000 ⋅ ⋅ = 240 (с цветовая модель Модель RGB проста и понятна. Её применяют всегда, когда изображение подготавливают для воспроизведения на экране. Если изображение (например, цифровая фотография) проходит компьютерную обработку в графическом редакторе, то его тоже следует представить в этой модели. В тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками, удобнее применять цветовую модель HSB. Человеку гораздо проще не синтезировать цвет из отдельных составляющих, а выбирать его, ориентируясь на более естественные параметры цветовой оттенок (Что это за цвет, насыщенность (Насколько цвет насыщенный, яркость (Насколько цвет светлый или тём- ный?). Именно эти три параметра и стали основой для модели HSB (Hue — Saturation — Цветовой оттенок (Hue) — один из цветов спектра. Конкретный цветовой оттенок кодируется либо величиной угла, либо длиной дуги на цветовом круге (рис. рис 3.9. Круговое расположение цветов Насыщенность цвета (Saturation) характеризуется степенью разбавления его белым цветом. Например, если ярко-красную насыщенную) краску разбавить белой, то её цветовой оттенок останется прежним, изменится только насыщенность. Чем больше добавляется белого цвета, тем меньше насыщенность конкретного цветового оттенка, ас увеличением насыщенности цвет становится сочнее 154 Глава3.представлениеинформациивкомпьютере Яркость цвета (Brightness) зависит от добавления к нему чёр- ного цвета — чем больше чёрного цвета, тем меньше яркость. Пространство цветов модели HSB может быть представлено в форме вложенных концентрических конусов с общей вершиной и общей осью симметрии (рис. рис 3.10. Цветовая модель По окружности в основании конуса расположены цветовые оттенки. Цвета с одинаковым оттенком расположены в полуплоскости, проходящей через ось симметрии конуса. Величина угла между осью конуса и образующей определяет насыщенность цвета. Насыщенность цвета возрастает с увеличением этого угла тес отдалением от оси конуса. Цвета с одинаковой насыщенностью расположены на конической поверхности с определённым углом при основании. Ось конуса — это ось яркости. Вершина конуса соответствует чёрному цвету. Яркость цвета возрастает — с приближением к его основанию. Цвета с одинаковой яркостью расположены по кругу — сечению конуса плоскостью, перпендикулярной его оси цветовая модель Когда мы смотрим на изображение на экране монитора, то видим излучаемый света когда рассматриваем картинки на бумаге, то видим свет отражённый. Именно поэтому если смешать краски красного и зелёного цветов, то получится тёмно-коричне- вая краска, а не жёлтая, как это предполагается в модели Кодирование графической информации §15 Если под микроскопом рассмотреть цветные иллюстрации в книге, то можно увидеть, что они напечатаны очень маленькими, частично перекрывающимися цветными точками — офсетами. Офсеты хорошо видны на границах цветной печати ив местах с бледной краской. Для подготовки печатных изображений используется цветовая модель CMYK (Cyan — Magenta — Yellow — blacK), базовыми цветами которой являются голубой, пурпурный и жёлтый цвета. Основные цвета этой модели подобраны так, чтобы соответствующие краски поглощали свет в достаточно узкой области спектра голубая краска сильно поглощает красный цвет, пурпурная — зелёный, аж лтая — синий. Можно сказать, что цветовые компоненты модели CMYK получаются в результате вычитания основных цветов из белого голубой = белый – красный = зелёный + синий (0; 255; 255); • пурпурный = белый – зелёный = красный + синий (255; 0; 255); • жёлтый = белый – синий = красный + зелёный (255; 255; Эти три цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Сама же модель CMYK называется субтрактивной (вычитающей) моделью. Пространство цветовой модели CMYK также можно представить единичным кубом, где плотность закраски (или яркость базовых цветов) — это вещественные числа в диапазоне от 0 до 1 рис. рис 3.11. Цветовой куб для кодирования 156 Глава3.представлениеинформациивкомпьютере Рассмотрим особенности модели CMYK: • любая точка куба (c; m; y) определяет некоторый цвет точка (0; 0; 0) соответствует белому цвету, точка (1; 1; 1) — чёрному, а линия (0; 0; 0)–(1; 1; 1) описывает все оттенки серого цвета от белого до чёрного; • при движении по прямой от (0; 0; 0) к точке (c; m; y) получаем все градации яркости цвета (c; m; y) — от самой яркой до самой тёмной. В идеальном случае голубого, пурпурного и жёлтого цветов было бы достаточно для формирования на бумаге любого цвета. Однако реально существующие краски неидеальны, они немо- гут поглотить цветовые компоненты полностью. Если нанести все три краски на бумагу, то вместо чёрного получится тёмно-серый цвет. Поэтому, чтобы скорректировать цветовую гамму, используют четвёртую краску — чёрную. Именно поэтому в название цветовой модели CMYK добавлена буква К (самое ГЛаВное Графическая информация, также как числовая и текстовая, хранится в памяти компьютера в двоичном коде. Для представления графического изображения в памяти компьютера предварительно его необходимо подвергнуть пространственной дискретизации и квантованию, что неизбежно приведёт к потере некоторой доли информации. Векторный метод кодирования графической информации основывается на выделении в процессе дискретизации конечного количества областей пространства — графических примитивов (отрезков, многоугольников, кривых, овалов, дуги др. Растровый метод кодирования графической информации основывается на выделении в процессе дискретизации конечного количества точек пространства — пикселей. Для каждого элемента пространства (области, точки) сохраняется информация о его цвете. Все многообразие цветов может быть получено с помощью трёх независимых цветов, взятых в некоторой пропорции. В компьютерной технике чаще всего используются следующие цветовые модели RGB (Red — Green — Blue, красный — зелёный — синий) — для компьютерной обработки имеющихся изображений, при подготовке изображений для воспроизведения на экране Кодирование графической информации HSB (Hue — Saturation — Brightness, цветовой оттенок — насыщенность — яркость) — при создании изображений с помощью инструментов графического редактора CMYK (Cyan — Magenta — Yellow — blacK, голубой — пурпурный жёлтый — чёрный) — для подготовки печатных изображений. Для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB отводится 24 (режим True Color) или 16 бит (режим High Количество бит, используемое для хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видеоизображения, называется глубиной цвета (i). Палитра (N) — количество цветов, которые могут быть использованы для воспроизведения изображения. Справедливо соотношение N = В режиме High Color может быть представлено 65 536 разных цветов, а в режиме True Color — 16 777 216. Такие цветовые палитры вполне реалистичны и «комфортны» для человеческого глаза. Вопросы и задания 1. Почему при кодировании графических изображений всегда происходит потеря некоторого количества информации 2. В чём суть векторного кодирования информации 3. В чём суть растрового кодирования информации 4. Какова физическая природа света 5. Сформулируйте законы, наиболее важные для понимания сути цветовоспроизведения и цветового кодирования 6. В чём состоит суть цветовой модели RGB? 7. Определите требуемый объём видеопамяти при заданных разрешении монитора и глубине цвета. Разрешение монитора Глубина цвета × 768 1280 × 720 1600 × 900 1920 × 1080 158 Глава3.представлениеинформациивкомпьютере 8. Для хранения растрового изображения размером 128 × 128 пикселей отвели 16 Кбайт памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения 9. Определите объём видеопамяти компьютера, который необходим для реализации графического режима монитора True Color с разрешающей способностью 1024 × 768 точек. В цветовой модели RGB для кодирования одного пикселя используется 3 байта. Фотографию размером 2048 × 1536 пикселей сохранили в виде несжатого файла с использованием кодирования. Определите размер файла. Укажите минимальный объём памяти (в килобайтах, достаточный для хранения любого растрового изображения размером пикселя, если известно, что в изображении используется палитра из 256 цветов. Саму палитру хранить ненужно. Вы хотите работать с разрешением монитора 1920 × 1080 пикселей, используя 16 777 216 цветов. В магазине продаются видеокарты с памятью 512 Кбайт, 2 Мбайта, 4 Мбайта и 64 Мбайта. Какую из них можно купить для вашей работы. В процессе преобразования растрового графического изображения количество цветов уменьшилось с 16 777 216 до 256. Во сколько раз уменьшится объём занимаемой им памяти. Пусть используется режим High Color. Назовите цвет, который задаётся кодом: а) 1111100000011111; б) 0111101111101111. 15. Для кодирования цвета фона интернет-страницы используется атрибут bgcolor=“#XXXXXX”, где XXXXXX — шестна- дцатизначное значение интенсивности цветовых компонент в 24-битной модели Назовите цвет страниц, заданных тегами: а) . 16. Выясните, каким образом распределено количество битов по красной, зелёной и синей составляющим в 8-битной цветовой схеме. Счем связано такое распределение Кодирование звуковой информации. Назовите факторы, существенные для построения моделей цветопередачи RGB и HSB. Какими характеристиками цвета оперирует модель цветопередачи HSB? 18. Исследуйте окно Изменение палитры в графическом редакторе. Какие модели конструирования цвета там представлены. Краски каких цветов используются в цветном принтере Почему для печати на цветном принтере нельзя использовать краски красного, зелёного и синего цветов. Почему модель RGB считается аддитивной, а модель CMYK — субтрактивной цветовой моделью Кодирование звуковой информации Звуки его характеристики Звук — это распространяющиеся в воздухе, воде или другой среде волны с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой (рис. рис 3.12. Звуковая волна Амплитуду звуковых колебаний называют звуковым давлением или силой звука. Эта величина характеризует воспринимаемую громкость звука. Абсолютную величину звукового давления измеряют в единицах давления — паскалях (Па. Самые слабые, едва различимые звуки имеют амплитуду около 20 мкПа (2 · 10 –5 Па, так называемый порог слышимости. Самые сильные звуки, не 160 Глава3.представлениеинформациивкомпьютере выводящие слуховые органы из строя, могут иметь амплитуду до 200 Па (так называемый болевой порог. На практике вместо абсолютной используют относительную силу уровень) звука, измеряемую в децибелах (дБ. Вот некоторые значения уровня звука Порог слышимости дБ Шелест листвы, дыхание дБ Шёпот 20–30 дБ Разговор средней громкости дБ Шумная улица дБ Громкая музыка дБ Самолёт на взлёте 120–130 дБ Болевой порог дБ Частота определяется как количество колебаний в секунду и выражается в герцах (Гц. Чем больше частота, тем выше звуки наоборот. Человек способен слышать звук в широком частотном диапазоне, но важное для жизни значение имеют только звуки от 125 до 8000 Гц. Например, звуковые волны в диапазоне 500–4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звучание детского голоса, пение птиц, шёпот относятся к высоким частотам. Звук контрабаса, рычание зверей, раскаты грома — к низким понятие звукозаписи Звукозапись — это процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн Способы записи звука разделяются на аналоговые и цифровые. При аналоговой записи на носителе размещается непрерывный слепок звуковой волны. Так, на грампластинке пропечатывается непрерывная канавка, изгибы которой повторяют амплитуду и частоту звука Кодирование звуковой информации оцифровка звука Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму. Для этого его подвергают временной дискретизации и квантованию параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определенные промежутки времени (временная дискретизация результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью (квантование). Вообще говоря, в компьютер приходит не сам звука электрический сигнал, снимаемый с какого-либо устройства например, микрофон преобразует звуковое давление в электрические колебания, которые в дальнейшем и обрабатываются. Если записывается стереозвук (ведётся двухканальная запись, то оцифровке подвергается не один электрический сигнала сразу два и, следовательно, количество сохраняемой цифровой информации удваивается. Сущность временной дискретизации заключается в том, что аналоговый звуковой сигнал разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определённая величина интенсивности звука (рис. 3.13). Другими словами через какие-то промежутки времени мы измеряем уровень аналогового сигнала. Количество таких измерений за одну секунду называется частотой дискретизации. частота дискретизации — это количество измерений громкости звука за одну секунду. рис. 3.13. Временная дискретизация звукового сигнала (A(t) — амплитуда время 162 |