Учебник Информатика. Базовый курс. Симонович С.В.. С. В. Симоновичаинформатикабазовый курс2е издание
 Скачать 17.96 Mb.
|
|
Размер файла (Кбайт) Степень сжатия (%) 3 9 6 Глава Приемы и методы работы со сжатыми данными 16. Уточните ранее сделанный вывод о степени сжатия данных в JPEG, учитывая тот факт, что в первом случае изображение было многоцветным, а во втором случае оно имело небольшое количество цветовых оттенков. 17. Ответьте на вопросы. • Какой формат графических данных из рассмотренных здесь наилучшим образом подходит для передачи цветного фотографического материала по каналам электронных сетей? • Какой формат графических данных целесообразно использовать для передачи черно-белого фотографического материала по каналам электронных • Какой формат наиболее благоприятен для передачи рисунков, имеющих малое количество цветовых оттенков (до 256)? • Какой формат графических данных не годится для передачи информации по каналам электронных сетей, но удобен для хранения изображений, пред- назначенных для дальнейшей обработки? 18. В программе Проводник удалите экспериментальную папку C:\Temp\Pictures. Задание Исследование алгоритмов сжатия программы мин 1. Подготовьте для экспериментов две папки и 2. Наполните папку C:\Ternp\lnput произвольным материалом в объеме нескольких десятков например, скопировав в нее 3. Запустите диспетчер архивов 4. Дайте команду Fiie • New Archive (Файл Создать архив) и создайте архив в папке C:\Temp\Outpui 5. В диалоговом окне Add (Добавить) выделите все папки, включаемые в архив (CTRL+A), убедитесь в том, что установлены флажки Include (Включая вложенные папки) и Save full path info (Сохранить структуру папок). В раскрыва- ющемся списке Compression (Степень сжатия) выберите пункт None (Без сжатия). 6. Зафиксируйте время начала архивации по секундомеру и щелкните на команд- ной кнопке Add (Добавить). 7. Зафиксируйте время конца и определите продолжительность про- цесса. 8. Аналогичным образом создайте файл Test_2, выбрав режим сжатия Super fast (Сверхбыстрое сжатие) и замерив продолжительность процесса. 9. Создайте файл Test_3 в режиме сжатия Fast (Быстрое сжатие) и замерьте про- должительность. 10. Создайте файл в режиме сжатия Normal (Обычное сжатие) и замерьте продолжительность. Исследовательская работа 397 11. Создайте файл Test_5 в режиме сжатия Maximum (Максимальное сжатие), замерьте продолжительность процесса и результаты сведите в таблицу. Режим сжатия None Super fast Fast Normal Maximum размер, Мбайт Результирующий размер, Мбайт Время, с Степень сжатия, % Эффективность метода Определите степень сжатия по формуле: — размер результирующего файла, Мбайт; — размер исходного файла, Мбайт; R — степень сжатия. Эффективность метода оцените по абсолютной величине приращения степени сжатия к приращению времени сжатия: Сделайте вывод о наиболее эффективном методе сжатия по критерию соотноше- ния степени сжатия и расхода времени на операцию. 13. В программе Проводник удалите экспериментальные папки C:\Temp\lnput и C:\Temp\Output. Основы представления графических данных Виды компьютерной графики Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было реализовано в середине 50-х годов для больших ЭВМ, применявшихся в няучных и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал принадлежностью подавляющего числа компьютерных систем, в особенности персональных. Графический интерфейс пользователя сегодня явля- ется стандартом «де-факто» для программного обеспечения разных классов, начи- ная с операционных систем. Существует специальная область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычисли- тельных комплексов, — компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране монитора, либо в виде копии на внешнем носителе (бумага, кинопленка, ткань и прочее). Без компьютерной графики невозможно представить себе не только ком- пьютерный, но и обычный, вполне материальный мир. Визуализация данных нахо- дит применение в самых разных сферах человеческой деятельности. Для примера назовем медицину (компьютерная томография), научные исследования (визуали- зация строения вещества, векторных полей и других моделирование тканей и одежды, опытно-конструкторские разработки. В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять растровую, векторную и фрактальную. Отдельным предметом считается трехмерная (3D) графика, изучающая приемы и методы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Как правило, ней сочетаются векторный и растровый способы формирования изоб- ражений. Особенности цветового охвата характеризуют такие как черно-белая и графика. На специализацию в отдельных областях указывают названия 15.1. Основы представления графических данных 399 некоторых разделов: инженерная научная графика, компьютерная полиграфия и прочие. На стыке компьютерных, телевизионных и кино- технологий зародилась и стремительно развивается сравнительно новая область компьютерной графики и анимации. Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных {Graphics Engine) в играх. Рынок игровых программ имеет оборот в десятки миллиардов долларов и час- то инициализирует очередной этап совершенствова- ния графики и анимации. Хотя компьютерная графика служит всего лишь ин- струментом, ее структура и методы основаны на пе- редовых достижениях фундаментальных и приклад- ных наук: математики, физики, химии, биологии, статистики, программирования и множества других. Это замечание справедливо как для программных, так и для аппаратных средств создания и обработки изображений на компьютере. Поэтому компьютер- ная графика является одной из наиболее бурно раз- вивающихся отраслей информатики и во многих слу- чаях выступает «локомотивом», тянущим за собой всю компьютерную индустрию. Растровая графика Для растровых изображений, состоящих из точек, важность имеет понятие разрешения, выра- жающее количество точек, приходящихся на едини- цу длины. При этом следует различать: • разрешение оригинала; • разрешение экранного изображения; • разрешение печатного изображения. Разрешение оригинала. Разрешение оригинала из- меряется в точках на дюйм {dots inch — и за- висит от требований к качеству изображения и раз- меру файла, способу оцифровки или методу создания исходной иллюстрации, избранному формату фай- ла и другим параметрам. В общем случае действует правило: чем выше требования к качеству, тем выше должно быть разрешение оригинала. Растровая графика Векторная графика Трехмерная графика Инженерная графика 400 Глава Введение в компьютерную графику Разрешение экранного изображения. Для экранных копий элемен- тарную точку растра принято называть пикселом. Размер пиксела варьируется в зависимости от выбранного экранного разрешения (из диапазона стандартных зна- разрешения оригинала и отображения. Мониторы для обработки изображений с диагональю 19-24 дюйма (профессио- нального класса), как правило, обеспечивают стандартные экранные разрешения 640x480, 800x600, 1024x768, 1600x1280, 1920x1440, 1920x1600, 2048x1536 точек. Расстояние между соседними точками люминофора у качественного монитора составляет 0,22-0,25 мм. Для экранной достаточно разрешения 72 dpi, для распечатки на цветном или лазерном принтере 150-200 dpi, для вывода на фотоэкспонирующем устрой- стве 200-300 dpi. Установлено эмпирическое правило, что при распечатке разрешения оригинала должна быть в 1,5 раза больше, чем линиатура растра уст- ройства вывода. В случае, если твердая копия будет увеличена по сравнению с ори- гиналом, эти величины следует умножить на коэффициент масштабирования. Разрешение печатного изображения и понятие Размер точки растро- вого изображения как на твердой копии (бумага, пленка и т. д.), так и на экране зависит от примененного метода и параметров растрирования оригинала. При растрировании на оригинал как бы накладывается сетка линий, ячейки которой образуют элемент растра. Частота сетки растра измеряется числом линий на дюйм {lines per inch — и называется линиатурой. Размер точки растра рассчитывается для каждого элемента и зависит от интенсив- ности тона в данной ячейке. Чем больше интенсивность, тем плотнее заполняется элемент растра. То есть, если в ячейку попал абсолютно черный цвет, размер точки растра совпадет с размером элемента растра. В этом случае говорят о 100% запол- Для абсолютно белого цвета значение составит 0%. На практике заполняемость элемента на отпечатке обычно составляет от 3 до 98%. При этом все точки растра имеют одинаковую оптическую плотность, в идеале приближающуюся к абсолютно черному цвету. Иллюзия более темного тона созда- ется за счет увеличения размеров точек и, как следствие, сокращения пробельного поля между ними при одинаковом расстоянии между центрами элементов растра (рис. 15.1). Такой метод называют растрированием с амплитудной модуляцией (AM). растра АМ-растр 50% ЧМ-растр 18,75% Рис. Примеры амплитудной и частотной модуляции растра Существует и метод растрирования с частотной модуляцией когда интенсив- ность тона регулируется изменением расстояния между соседними точками одина- кового размера. Таким образом, при частотно-модулированном растрировании Основы представления графических данных 401 в ячейках растра с разной интенсивностью тона находится разное число точек (см. рис. Изображения, растрированные ЧМ-методом, выглядят более качественно, так как размер точек минимален и, во всяком случае, существенно меньше, чем средний размер точки при АМ-растрировании. более повышает качество изоб- ражения разновидность ЧМ-метода, называемая стохастическим растрированием. В этом случае рассчитывается число точек, необходимое для отображения требуе- мой интенсивности тона в ячейке растра. Затем эти точки располагаются внутри ячейки на расстояниях, вычисленных квазислучайным методом (на самом деле используется специальный математический алгоритм). То есть регулярная струк- тура растра внутри ячейки, как и на изображении в целом, вообще отсутствует (рис. 15.2). Поэтому при стохастическом ЧМ-растрировании теряет смысл поня- тие линиатуры растра, имеет значение лишь разрешающая способность устрой- ства вывода. Такой способ требует больших затрат вычислительных ресурсов и высокой точности полиграфического оборудования; он применяется в для художественных работ, при печати с числом красок, превышающим четыре. Рис. 15.2. Пример использования стохастического растра Интенсивность тона (так называемую светлоту) принято подразделять на 256 уровней. Большее число градаций воспринимается зрением человека и явля- ется избыточным. Меньшее число ухудшает восприятие изображения (минимально допустимым для качественной полутоновой иллюстрации принято значение 150 уровней). Нетрудно подсчитать, что для воспроизведения 256 уровней тона достаточно иметь размер ячейки растра 256 = точек. Между разрешением оригинала, частотой растра и градацией уровней существует зависимость, описываемая формулой: где N — число градаций уровней тона (оттенков), dpi — разрешение устройства вывода (отображения), — линиатура растра. Единица в формуле соответствует абсолютно белому цвету, когда ячейка растра вообще не заполнена. При выводе копии изображения на принтере или полиграфическом оборудовании линиатуру растра выбирают, исходя из компромисса между требуемым качеством, возможностями аппаратуры и параметрами печатных материалов. Для лазерных 4 0 2 Глава Введение в компьютерную графику принтеров рекомендуемая линиатура составляет 65-100 для газетного произ- водства — 65-85 для книжно-журнального — 85-133 для художественных и рекламных работ — 133-300 При печати изображений с наложением растров друг на друга, например много- цветных, каждый последующий растр поворачивается на определенный угол. Тра- диционными для цветной печати считаются углы поворота: градусов для голу- бой печатной формы, 75 градусов для пурпурной, 90 градусов для желтой и 45 градусов для черной. При этом ячейка растра становится косоугольной, и для воспроизведения 256 градаций тона с линиатурой уже недостаточно разре- . шения 16x150=2400 dpi. Поэтому для фотоэкспонирующих устройств профессио- нального класса принято минимальное стандартное разрешение dpi, обеспе- чивающее качественное растрирование при разных углах поворота растра. Таким образом, коэффициент, учитывающий поправку угол поворота растра, для цвет- ных изображений составляет Динамический диапазон. Качество воспроизведения тоновых изображений при- нято оценивать динамическим диапазоном (D). Это оптическая плотность, чис- ленно равная десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропус- кания х (для оригиналов, рассматриваемых «на просвет», например слайдов) или коэффициенту отражения р (для прочих оригиналов, например полиграфических отпечатков): где — падающий световой поток, — отраженный световой поток, — пропу- щенный световой поток. Для оптических сред, пропускающих свет, динамический диапазон лежит в преде- лах от 0 до 4. Для поверхностей, отражающих свет, значение динамического диа- пазона составляет от 0 до 2. Чем выше динамический диапазон, тем большее число полутонов присутствует в изображении и тем лучше качество его восприятия. Связь между параметрами изображения и размером файла. Средствами растро- вой графики принято иллюстрировать работы, требующие высокой точности в передаче цветов и полутонов. Однако файлов растровых иллюстраций стремительно растут с увеличением разрешения. Фотоснимок, предназначенный для домашнего прочтения (стандартный размер 10x15 см, оцифрованный с разре- шением 200-300 dpi, цветовое разрешение 24 бита), занимает в формате вклю- ченным режимом сжатия около 4 Мбайт. Оцифрованный с высоким разрешением слайд занимает 45-50 Мбайт. Цветоделенное цветное изображение формата А4 занимает 120-150 Мбайт. Масштабирование растровых изображений. Одним из недостатков растровой графики является так называемая пикселизация изображений при их увеличении (если не приняты специальные меры). Раз в оригинале присутствует определен- ное количество точек, то при большем масштабе увеличивается и их размер, стано- вятся заметны элементы растра, что искажает саму иллюстрацию (рис. 15.3). Для противодействия пикселизации принято заранее оцифровывать оригинал с разре- Основы представления графических данных 403 Рис. 15.3. Эффект пикселизации при масштабировании растрового изображения шением, достаточным для качественной визуализации при масштабировании. Другой прием состоит в применении стохастического растра, позволяющего умень- шить эффект пикселизации в определенных пределах. Наконец, при масштабиро- вании используют метод интерполяции, когда увеличение размера иллюстрации происходит не за счет масштабирования точек, а путем добавления необходимого числа промежуточных точек. Векторная графика Если в растровой графике базовым элементом изображения то в векторной графике — линия. Линия описывается математически как единый объект, и потому объем данных для отображения объекта средствами векторной графики существенно меньше, чем в растровой графике. Рис. 15.4. Объекты векторной графики 4 0 4 Глава Введение в компьютерную графику Линия — элементарный объект векторной графики. Как и любой объект, линия обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (сплошная, пунктирная). Замкнутые линии приобретают свойство заполнения. Охватываемое ими пространство может быть заполнено другими объектами (тек- стуры, карты) или выбранным цветом. Простейшая незамкнутая линия ограничена двумя точками, именуемыми узлами. Узлы также имеют свойства, параметры которых влияют на форму конца линии и характер сопряжения с другими объектами. Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Например, куб можно составить из шести связанных прямоугольников, каждый из которых, в свою очередь, образован четырьмя связанными линиями. Возможно представить куб и как двенадцать связанных линий, образующих ребра. Математические основы векторной графики Рассмотрим подробнее способы представления различных объектов в векторной графике. Точка. Этот объект на плоскости представляется двумя числами (х, у), указываю- щими его положение относительно начала координат. Прямая линия. Ей соответствует уравнение у = kx + b. Указав параметры k и всегда можно отобразить бесконечную прямую линию в известной системе коор- динат, то есть для задания прямой достаточно двух параметров. Отрезок прямой. Он отличается тем, что требует для описания еще двух парамет- ров — например, координат и начала и конца отрезка. Кривая второго порядка. К этому классу кривых относятся параболы, гиперболы, эллипсы, окружности, то есть все линии, уравнения содержат степени не выше второй. Кривая второго порядка не имеет точек перегиба. Прямые линии являются всего лишь частным случаем кривых второго порядка. Формула кривой второго порядка в общем виде может выглядеть, например, так: х 2 + + + + + = 0. Таким образом, для описания бесконечной кривой второго порядка достаточно пяти параметров. Если требуется построить отрезок кривой, понадобятся еще два пара- метра. |