|
|
Кодирование графики. КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. Кодирование графической информации
КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
|
Как и все виды информации, изображения в компьютере закодированы в виде двоичных последовательностей. Используют два принципиально разных метода кодирования, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.
|
Растровое кодирование
|
И линия, и область состоят из бесконечного числа точек. Цвет каждой из этих точек нам нужно закодировать. Если их бесконечно много, мы сразу приходим к выводу, что для этого нужно бесконечно много памяти. Поэтому «поточечным» способом изображение закодировать не удастся. Однако, эту все-таки идею можно использовать.
|
Начнем с черно-белого рисунка. Представим себе, что на изображение ромба наложена сетка, которая разбивает его на квадратики. Такая сетка называется растром. Теперь для каждого квадратика определим цвет (черный или белый). Для тех квадратиков, в которых часть оказалась закрашена черным цветом, а часть белым, выберем цвет в зависимости от того, какая часть (черная или белая) больше.
|
  
|
У нас получился так называемый растровый рисунок, состоящий из квадратиков-пикселей.
|
 Пиксель(англ. pixel = picture element, элемент рисунка) –это наименьший элемент рисунка, для которого можно задать свой цвет.
|
|
|
Разбив «обычный» рисунок на квадратики, мы выполнили его дискретизацию– разбили единый объект на отдельные элементы. Действительно, у нас был единый и неделимый рисунок – изображение ромба. В результаты мы получили дискретныйобъект – набор пикселей.
|
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:
|
 
|
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:
|
|
а для всего рисунка: 1A2642FF425A5A7E16.
|
Очень важно понять, что мы приобрели и что потеряли в результате дискретизации. Самое важное – мы смогли закодировать рисунок в двоичном коде. Однако при этом рисунок исказился - вместо ромба мы получили набор квадратиков. Причина искажения в том, что в некоторых квадратиках части исходного рисунка были закрашены разными цветами, а в закодированном изображении каждый пиксель обязательно имеет один цвет. Таким образом, часть исходной информации при кодировании была потеряна. Это проявится, например, при увеличении рисунка - квадратики увеличиваются, и рисунок еще больше искажается. Чтобы уменьшить потери информации, нужно уменьшать размер пикселя, то есть увеличивать разрешение.
|
Разрешение– это количество пикселей, приходящихся на дюйм размера изображения.
|
|
|
Разрешение обычно измеряется в пикселях на дюйм (используется английское обозначениеppi= pixels per inch). Например, разрешение 254 ppi означает, что на дюйм (25,4 мм) приходится 254 пикселя, так что каждый пиксель «содержит» квадрат исходного изображения размером 0,1×0,1 мм. Если провести дискретизацию рисунка размером 10×15 см с разрешением 254 ppi, высота закодированного изображения будет 100/0,1 = 1000 пикселей, а ширина – 1500 пикселей.
|
Чем больше разрешение, тем точнее кодируется рисунок (меньше информации теряется), однако одновременно растет и объем файла.
|
|
Кодирование цвета
|
Что делать, если рисунок цветной? В этом случае для кодирования цвета пикселя уже не обойтись одним битом. Например, в показанном на рисунке изображении российского флага 4 цвета: черный, синий, красный и белый. Для кодирования одного из четырех вариантов нужно 2 бита, поэтому код каждого цвета (и код каждого пикселя) будет состоять из двух бит. Пусть 00 обозначает черный цвет, 01 – красный, 10 – синий и 11 – белый. Тогда получаем такую таблицу:
|
 
|
Проблема только в том, что при выводе на экран нужно как‐то определить, какой цвет соответствует тому или другому коду. То есть информацию о цвете нужно выразить в виде числа (или набора чисел).
|
Человек воспринимает свет как множество электромагнитных волн. Определенная длина волны соответствуют некоторому цвету. Например, волны длиной 500‐565 нм – это зеленый цвет. Так называемый «белый» свет на самом деле представляет собой смесь волн, длины которых охватывают весь видимый диапазон.
|
Согласно современному представлению о цветном зрении(теории Юнга-Гельмгольца) глаз человека содержит чувствительные элементы трех типов. Каждый из них воспринимает весь поток света, но первые наиболее чувствительны в области красного цвета, вторые – области зеленого, а третьи – в области синего цвета. Цвет – это результат возбуждения всех трех типов рецепторов. Поэтому считается, что любой цвет (то есть ощущения человека, воспринимающего волны определенной длины) можно имитировать, используя только три световых луча (красный, зеленый и синий) разной яркости. Следовательно, любой цвет (в том числе и «белый») приближенно раскладывается на три составляющих – красную, зеленую и синюю. Меняя силу этих составляющих, можно составить любые цвета. Эта модель цвета получила название RGB по начальным буквам английских слов red(красный), green (зеленый) и blue (синий).
|
В модели RBGяркость каждой составляющей (или, как говорят, каждого канала) чаще всего кодируется целым числом от 0 до 255. При этом код цвета – это тройка чисел (R,G,B), яркости отдельных каналов. Цвет (0,0,0) – это черный цвет, а (255,255,255) – белый. Если все составляющие имеют равную яркость, получаются оттенки серого цвета, от черного до белого.
Чтобы сделать светло-красный (розовый) цвет, нужно в красном цвете (255,0,0) одинаково увеличить яркость зеленого и синего каналов, например, цвет (255, 150, 150) – это розовый.
|
|
|
Равномерное уменьшение яркости всех каналов делает темный цвет, например, цвет с кодом (100,0,0) – тёмно-красный.
|
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:
|
Цвет
|
Код (R,G,B)
|
Код на веб-странице
|
Красный
|
(255,0,0)
|
#FF0000
|
Зеленый
|
(0,255,0)
|
#00FF00
|
Синий
|
(0,0,255)
|
#0000FF
|
Белый
|
(255,255,255)
|
#FFFFFF
|
Черный
|
(0,0,0)
|
#000000
|
Серый
|
(128,128,128)
|
#808080
|
Фиолетовый
|
(255,0,255)
|
#FF00FF
|
Голубой
|
(0,255,255)
|
#00FFFF
|
Желтый
|
(255,255,0)
|
#FFFF00
|
Тёмно-фиолетовый
|
(128,0,128)
|
#800080
|
Светло-желтый
|
(255,255,128)
|
#FFFF80
|
|
|
Всего есть по 256 вариантов яркости каждого из трех цветов. Это позволяет закодировать 2563= 16 777 216 оттенков, что более чем достаточно для человека. Так как 256 = 28, каждая из трех составляющих занимает в памяти 8 бит или 1 байт, а вся информация о каком-то цвете – 24 бита (или 3 байта). Эта величина называетсяглубиной цвета.
|
Глубина цвета– это количество бит, используемое для кодирования цвета пикселя.
|
|
|
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).
|
Кроме режима истинного цвета используется также 16-битное кодирование (англ. High Color – «высокий» цвет), когда на красную и синюю составляющую отводится по 5 бит, а на зеленую, к которой человеческий глаз более чувствителен – 6 бит. В режиме High Colorможно закодировать 216 = 65 536 различных цветов. В мобильных телефо 12-битное кодирование цвета (4 бита на канал, 4096 цветов).
|
Как правило, чем меньше цветов используется, тем больше будет искажаться цветное изображение. Таким образом, при кодировании цвета тоже есть неизбежная потеря информации, которая «добавляется» к потерям, вызванным дискретизацией. Однако при увеличении количества используемых цветов одновременно растет объем файла. Например, в режиме истинного цвета файл получится в два раза больше, чем при 12-битном кодировании.
Очень часто (например, в схемах, диаграммах и чертежах) количество цветов в изображении невелико (не более 256). В этом случае применяют кодирование с палитрой.
|
|
Цветовая палитра–это таблица, в которой каждому цвету, заданному в виде составляющих в модели RGB, сопоставляется числовой код.
|
|
|
Кодирование с палитрой выполняется следующим образом:
|
|
выбираем количество цветов N(как правило, не более 256);
|
|
из палитры истинного цвета (16 777 216 цветов) выбираем любые Nцветов и для каждого
|
|
из них находим составляющие в модели RGB;
|
|
каждому из цветов присваиваем номер (код) от 0 до N–1;
|
|
составляем палитру, записывая сначала RGB-составляющие цвета, имеющего код 0, затем составляющие цвета с кодом 1 и т.д.
|
|
цвет каждого пикселя кодируется не в виде значений RGB-составляющих, а как номер цвета в палитре.
|
|
Например, при кодировании изображения российского флага (см. выше) были выбраны 4 цвета:
|
|
черный: RGB-код (0,0,0); двоичный код 002;
|
|
красный: RGB-код (255,0,0); двоичный код 012;
|
|
синий: RGB-код (0,0,255); двоичный код 102;
|
|
белый: RGB-код (255,255,255); двоичный код 112;
|
|
Поэтому палитра, которая обычно записывается в специальную служебную область в начале файла (ее называют заголовком файла), представляет собой четыре трехбайтных блока:
|
|
Код каждого пикселя занимает всего два бита.
|
Чтобы примерно оценить объем рисунка с палитрой, включающей Nцветов (без учета сжатия), нужно
|
|
определить размер палитры, 3×Nбайт или 24×Nбит;
|
|
определить глубину цвета(количество бит на пиксель), то есть найти наименьшее
|
|
натуральное число k, такое что 2 k≥ N;
|
|
вычислить общее количество пикселей M, перемножив размеры рисунка;
|
|
определить информационный объем основной части M×kбит.
| | |
|
|
Скачать 201.46 Kb.