Курс лекций по "Информатике"

Например, слово КОМПЬЮТЕР  в этой системе кодирования будет  занимать не 9, а 18 байт памяти. Сейчас мы наблюдаем постепенный переход документов и программных средств на универсальную систему кодирования Unicode. В настоящее время распространенный текстовый редактор Word, начиная с версии Word 8.0 (Microsoft Office 97), использует шрифты Unicode 3.0.

 

8.3. Представление графической информации в двоичном коде.

 

          Под графической информацией  понимается рисунок, чертеж, картинку, фотографию в книге, изображение на экране телевизора или монитора. Это изображение состоит из некоторого количества горизонтальных линий – строк. А каждая строка в свою очередь состоит из мельчайших элементарных единиц, точек, называемых пикселями.

        Существует два принципиально разных подхода для представления графических данных в двоичном коде.

         1 способ.   Графические объекты создаются как совокупности линий, векторов, точек и называется векторной графикой.

В памяти компьютера сохраняется  математическое описание каждого графического примитива – отрезка, окружности, прямоугольника и т.д., из которых формируется изображение. В частности, для того, чтобы нарисовать окружность необходимо задать положение ее центра, радиус, цвет и толщину линий, а также цвет заливки. По этим данным соответствующие программы построят нужный объект на экране. Такое описание потребует намного меньше памяти (от 10 до 1000 раз), чем в растровой графике, поскольку обходится без запоминания цвета каждой точки рисунка. Основным недостатком векторной графики является то, что невозможно получить высокохудожественные изображения, фотографии, фильмы и т.п.

Пример графического векторного редактора: Corel Draw, Adobe Illustrator.

Некоторые форматы векторных  файлов: wmf, eps, cjm.

          2 способ. Графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и яркостей, распределенных по строкам и столбцам, и  называется растровой графикой.

        

Каждый из пикселей имеет  свой цвет и яркость, в результате чего получается рисунок подобный мозаике из камней.

Под каждый пиксель отводится  определенное число бит, называемое битовой глубиной.

Узор, который образуют пиксели на участке изображения, называется растром.

Степень четкости изображения  зависит от количества строк на весь экран и количества точек в  строке, которые представляют разрешающую  способность экрана или разрешение. Чем больше строк и точек в строке, тем четче изображение. В настоящее время допустимым считается разрешение 800х600. 600 строк и 800 точек в строке. 

Строки, из которых состоит  экран можно просматривать сверху вниз друг за другом, как бы составив из них сплошную линию. После просмотра первой строки просматривается вторая и так далее до конца экрана. Этот процесс называется строчной разверткой или сканированием экрана.

А так как каждая строка состоит из точек, то все изображение, вытянутое в сплошную линию, также можно считать последовательностью элементарных точек. В рассматриваемом примере эта последовательность состоит из 800х600=480000 пикселей.

Пример 1. Рассмотрим пример монохромного изображения, состоящего из двух контрастных цветов, например, белого и черного. Предположим, что черный цвет кодируется двоичным кодом = 0, а белый – двоичным кодом = 1. Тогда можно в одном бите закодировать состояние одного пикселя монохромного изображения. Количество цветов рассчитывается по формуле К=2ⁿ, где n - битовая глубина (или объем ОП, который занимает 1 точка изображения). В нашем примере n=1 бит. Тогда для кодирования одной строки изображения, содержащей 800 точек,  потребуется 800 точек х 1 бит = 800 бит. Так как 1 байт = 8 бит, то для одной строки изображения потребуется 800 бит : 8 = 100 байт памяти, а на все изображение потребуется        100 байт х 600 строк = 60 000 байт.

Но такое изображение  будет чрезвычайно контрастным, поэтому реальное черно-белое изображение содержит разные оттенки серого цвета.

Пример 2. Если использовать для кодирования изображения, кроме черного и белого цветов, еще и светло-серый и темно-серый цвета, т.е. всего 4 цвета. Поскольку количество цветов К=2ⁿ, то n=log₂K или n= log₂4=2, тогда для кодирования одного пикселя уже требуется использовать     2 бита (00 01 10 11). Объем памяти, занимаемый тем же изображением размером 800х600 точек, становится равным 800х600х2бита=960000 бит или 960 000 бит : 8 =120 000 байт.

Общепринятым на сегодня  считается использование 8 бит (одного байта) для кодирования монохромного изображения.

Пример 3. 8 битами можно закодировать 2⁸= 256 оттенков серого цвета – от белого до черного. В этом случае уже потребуется 800х600х8 = 3 840 000 бит или 3 840 000 бит : 8 = 480000 байт.

 

Графическая кодировка RGB.

Цветное изображение может кодироваться разными способами. Один из них использует модель RGB (Red, Green, Blue), который опирается на то, что человеческий глаз воспринимает все цвета как сумму трех основных цветов (красного, синего и зеленого). Например, сиреневый цвет – это сумма двух цветов – красного и синего, желтый – сумма красного и зеленого и т.д.  Поскольку любой цвет получается в результате сложения основных цветов, модель называется аддитивной.

RGB (Red, Green, Blue – красный, зеленый, синий) – аддитивная цветовая модель, как правило описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения. Аддитивной она называется потому, что цвета получаются путем добавления (addition) к черному.

Цветовая модель RGB нашла  широкое применение в технике. Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза.

Изображение в данной цветовой модели состоит из трех каналов. При смешении основных цветов (основными цветами считаются красный, зеленый и синий) мы получаем: при смешении синего (B – blue) и красного (R – red) – пурпурный (фиолетовый) (M – magenta); зеленого (G – green) и красного (R) – желтый (Y – yellow); зеленого (G) и синего (B) – голубой (С – cyan); всех трех цветовых компонентов – белый цвет (W – white).

Для получения цветной точки в одно и то же место экрана направляется не один, а сразу три цветных луча. Будем считать, что 0 соответствует тому, что данный цвет (один из трех основных) в суммарном цвете отсутствует, а 1 присутствует, тогда код 101₂ означает сиреневый цвет, а именно красный есть, зеленый отсутствует, синий есть. А код 110₂ означает желтый – красный и зеленый есть, а синий отсутствует.

Если же каждый пиксель  кодировать 1 байтом, то можно передать 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в таком случае обеспечивается 256х256х256 = 16 777 216 оттенков цветов, что близко к чувствительности глаза. При данной схеме для кодирования одной точки изображения потребуется 3 байта или 24 бита памяти. Этот способ представления цветной графики называется режимом True Color или полноцветным режимом.

Полноцветный режим  требует очень много памяти, например, при разрешающей способности экрана 800х600 точек потребуется 1 440 000 байт памяти.

Для фона и текста задаются цвета с использованием шестнадцатеричного трехбайтового кода. Это объясняется тем, что каждая цифра шестнадцатеричного числа кодируется двоичной тетрадой, состоящей из 4-х двоичных цифр. Поэтому шестнадцатеричный код длиной в 6 цифр (каждый цвет кодируется двумя цифрами) имеет 24 двоичных разряда (бита) или 3 байта.

Перед кодом цвета  в HTML ставится символ #. Например, #00FFFF - голубой цвет(aqua). Записи bgcolor = #00FFFF и bgcolor = aqua эквивалентны. Кодирование цвета выполняется по распространенной системе RGB.

#FF0000	Red (красная составляющая)
#00FF00	Green (зеленая составляющая)
#0000FF	Blue (голубая составляющая)

Из курса физики (раздел «Оптика») известно, что, что любой  цвет можно представить смешением  трех основных цветов (красного, зеленого, синего). В зависимости от «веса» составляющих результирующий цвет меняется в широких пределах.

Каждая из составляющих кодируется двумя шестнадцатеричными цифрами и может принимать  значения от 00 до FF в зависимости от интенсивности.

Число цветов, которое  можно получить, смешивая красный, синий и зеленый, зависит от ширины диапазона (от 0 до 255), в котором может меняться каждая из трех основных составляющих.

В приведенной системе  кодирования каждая из составляющих цвета задается одним байтом (8 битами), то есть может принимать 256 различных значений (по вышеприведенной формуле 2⁸ = 256). Тогда число всех цветов в этой кодировке: 256х256х256 = 16777216 или 2⁸ *2⁸ *2⁸ =2²⁴.

Имя	Код	Описание
Black	#000000	Черный
White	#FFFFFF	Белый
Red	#FF0000	Красный
Green	#00FF00	Зеленый
Blue	#0000FF	Синий

 

Если не требуется  высокого качества изображения цвета, применяют режим High Color (богатый цвет), который кодирует каждую точку растра двумя байтами (16 разрядов дают 2¹⁶ ~  65,5 тысячи цветов). 

Конкретный способ кодирования  графической информации требует графический формат. Они относятся к группе BMP (Bit MaP – битовая карта) форматов.

Каждый составляющий цвет при этом характеризуется своей  яркостью. Эта схема применяется  для создания графических образов  в устройствах, которые излучают свет – мониторах, телевизорах.

Другие способы  графического кодирования.

Модель CMYK (Cyan - голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый, Black - черный) является альтернативной RGB для печатающих устройств, хотя охватывает меньший объем цветов.

 В полиграфических системах напечатанный на бумаге графический объект сам световых волн не излучает. Изображение формируется на основе отраженной волны от окрашенной поверхности, на которую падает белый цвет (белый цвет = сумма всех цветов). Окрашенная поверхность должна поглотить (вычесть) все составляющие цвета, кроме того, цвета, который мы видим. Цвет поверхности можно получить красителями, которые поглощают свет, а не излучают. Например, если мы видим зеленое дерево, то это означает, что из падающего белого цвета, т.е. суммы красного, синего и зеленого, поглощены синий и красный, а зеленый отражен. Цвета красителей должны быть дополняющими: голубой цвет (Cyan=B+G), дополняющий красного; пурпурный цвет (Magenta=R+B), дополняющий зеленого; желтый (Yellow=R+G), дополняющий синего. Но, так как, цветовые красители по отражающим свойствам не одинаковы, то для повышения контрастности применяется черный цвет (вlacK). Т.к. цвета вычитаются, то модель называется субстрактивной.

Модель HSB. Существует цветовая модель HSB (Hue – цветовой оттенок, Saturation - насыщенность, Brightness – яркость). Для отображения на мониторе компьютера модель HSB  преобразуется в модель RGB, а для печати на принтере – в CMYK.

        Оцифровка изображения.

При оцифровке изображение  с помощью объектива проецируется на светочувствительную матрицу m  строк и n столбцов, называемую растром. Каждый элемент матрицы – мельчайшая точка, при цветном изображении состоящая из светочувствительных, т.е. регистрирующих яркость, датчиков красного, зеленого и желтого цвета. Далее оцифровывается яркость каждой точки по каждому цвету последовательно по всем точкам растра.

Если для кодирования  яркости каждой точки использовать по одному байту (8 бит) на каждый из трех цветов (всего 3·8 = 24 бита), то система обеспечит представление 2²⁴ ~ 16,7 млн. распознаваемых цветов, что близко цветовосприятию человеческого зрения. Режим представления цветной графики двоичным кодом из 24 разрядов называется полноцветным или True Color. Очевидно, что графические данные занимают очень большие объемы на носителях. Например,  если экран монитора имеет растр 800 х 600 точек, то изображение, представленное в режиме True Color, займет 800 х 600 х 3 = 1440000 байт.

Если не требуется  высокого качества изображения цвета, применяют режим High Color, который кодирует каждую точку растра двумя батами (16 разрядов дают 2¹⁶ ~  65,5 тысячи цветов).

Режим, который использует при кодировании одной точки  растра один байт, называется индексным. В нем различаются всего 256 цветов. Этого недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов. Код каждой точки при этом выражает собственно не цвет, а некоторый номер цвета (индекс) из таблицы цветов, называемой палитрой. Палитра должна прикладываться к файлам с графическими данными и используется при воспроизведении изображения.

Примеры редакторов, предназначенных для создания и обработки растровых изображений: MS Paint, Adobe Photoshop, PhotoPaint.

         Некоторые форматы растровых  файлов: bmp, gif, jpeg.

BMP (BitMap Picture) – формат хранения растровых изображений. 
Изначально формат мог хранить только аппаратно-зависимые растры, но с развитием технологий отображения графических данных формат BMP стал преимущественно хранить аппаратно-независимые растры. 
С форматом BMP работает большое количество программ (в том числе MS Paint), так как его поддержка интегрирована в операционные системы Windows и OS/2. 
Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle. 
Глубина цвета в данном формате может быть от 1 до 48 бит на пиксел, максимальные размеры изображения 65535×65535 пикселов. 
В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму RLE, однако теперь существуют форматы с более сильным сжатием, и из-за большого объема BMP редко используется в Интернете, где для сжатия без потерь используются PNG и более старый GIF.