Физические основы кодирования графики. Разрешение,глубина цвета, цветовая модель

14. графика. Физические основы  кодирования графики. Разрешение,глубина цвета, цветовая модель (RGB, CMYK)

Графическая информация, представленная в виде рисунков, фотографий, слайдов, подвижных  изображений (анимация, видео), схем, чертежей, может создаваться и редактироваться  с помощью компьютера, при этом она соответствующим образом  кодируется.

Компьютерная графика  – векторная и растровая. Файлы, созданные на основе векторной графики, содержат информацию в виде математических зависимостей (математических функций, описывающих линейные зависимости) и соответствующих данных о том, как построить изображение объекта  с помощью отрезков линий (векторов) при выводе его на экран монитора компьютера.

Файлы, созданные на основе растровой графики, предполагают хранение данных о каждой отдельной точке  изображения. Для отображения растровой  графики не требуется сложных  математических расчетов, достаточно лишь получить данные о каждой точке  изображения (ее координаты и цвет) и отобразить их на экране монитора компьютера.

Характеристики:

1)разрешение  для графич файла-измер в т. на дюйм 2) цветовые модели (аддитивные-цвета накладываются и смешиваются, rgb и субстрактивные – цвета вычитаются, cmyk) 3) глубина цвета (для кодир точки нужно 24 бита (3байта)

RGB (Red, Green, Blue) — аддитивная цветовая модель, как правило, описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения. Аддитивной она называется потому, что цвета получаются путём добавления (англ. addition) к чёрному цвету. Изображение в данной цветовой модели состоит из трёх каналов. При смешении основных цветов (основными цветами считаются красный, зелёный и синий) — например, синего (B) и красного (R), мы получаем пурпурный (M magenta), при смешении зелёного (G) и красного (R) — жёлтый (Y yellow), при смешении зелёного (G) и синего (B) — циановый (С cyan). При смешении всех трёх цветовых компонентов мы получаем белый цвет (W).

CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, BlacK- голубым, пурпурным и жёлтым) — субтрактивная схема формирования цвета, используемая прежде всего в полиграфии для стандартной триадной печати. Схема CMYK обладает сравнительно с RGB меньшим цветовым охватом. Таким образом, если вычесть из белого три первичных цвета, RGB, мы получим тройку дополнительных цветов CMY. «Субтрактивный» означает «вычитаемый» — из белого вычитаются первичные цвета.

 

15. несжатые графические форматы.  Построение идеального графического  файла. RAW, BMP.

Графический формат — это способ записи графической информации. Графические форматы файлов предназначены для хранения изображений, таких как фотографии и рисунки.

BMP — 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 огромное количество программ, так как его поддержка интегрирована в операционные системы Windows и OS/2. Файлы формата BMP могут иметь расширения .bmp, .dib и .rle. Кроме того, данные этого формата включаются в двоичные файлы ресурсов RES и в PE-файлы.

Глубина цвета в данном формате может  быть от 1 до 24 бит на пиксел, максимальные размеры изображения 65535*65535 пикселов. В формате BMP есть поддержка сжатия по алгоритму RLE(оперирует сериями данных, то есть последовательностями, в которых один и тот же символ встречается несколько раз подряд), однако теперь существуют форматы с более сильным сжатием, и из-за большого объёма BMP редко используется в Интернете, где для сжатия без потерь используются PNG и более старый GIF.

Разрабатывался  фирмой Microsoft как совместимый со всеми приложениями Windows. В формате BMP можно сохранять черно-белые, серые полутоновые, индексные цветные и цветные изображения системы RGB (но не двухцветные или цветные изображения системы CMYK). Недостаток этих графических форматов: большой объем. Следствие - малая пригодность для Internet-публикаций.

RAW. формат данных, содержащий необработанные (или обработанные в минимальной степени) данные, что позволяет избежать потерь информации, и не имеющий чёткой спецификации. В таких файлах содержится полная информация о хранимом сигнале. Данные в RAW-файлах могут быть несжатыми, сжатыми без потерь или сжатыми с потерями. Формат разработан для цифровых фотоаппаратов. Это точная копия картинки, запечатленной на матрице во время съемки, представляет из себя три фотографии, снятые в красных, синих и зеленых цветах. 
Расширения RAW-файлов у разных производителей могут отличаться, и их далеко не всегда получается открыть с помощью программ для обработки изображений. Хотя если камера поддерживает сохранение RAW, то, как правило, к ней в комплекте прилагается какая-нибудь программа для обработки файлов этого формата. 
Изображение хранится просто как поток пикселей с фиксированным заголовком, куда можно впоследствии поместить любую текстовую информацию.

 

 

16.  Алгоритмы сжатия без потерь  – кодирование длин серий (RLE), алгоритм Лемпеля-Зива-Велча (LZW), форматы Gif, PNG.

Кодирование длин серий (RLE) или Кодирование повторов — простой алгоритм сжатия данных, который оперирует сериями данных, то есть последовательностями, в которых один и тот же символ встречается несколько раз подряд. При кодировании строка одинаковых символов, составляющих серию, заменяется строкой, которая содержит сам повторяющийся символ и количество его повторов. Рассмотрим изображение, содержащее простой чёрный текст на сплошном белом фоне. Здесь B представляет чёрный пиксель, а W обозначает белый:

WWWWWWWWWWWWBWWWWWWWWWWWWBBBWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWBWWWWWWWWWWWWWW

Если  мы применим простое кодирование  длин серий к этой строке, то получим  следующее:

12W1B12W3B24W1B14W

Последняя запись интерпретируется как «двенадцать W», «одна B», «двенадцать W», «три B» и т. д. Таким образом, код представляет исходные 67 символов в виде всего лишь 18.

Однако, в случае, если строка состоит из большого количества неповторяющихся  символов, её объем может вырасти.

ABCABCABCABCDDEFFFFFFFF

1A1B1C1A1B1C1A1B1C1A1B1C2D1E8F

LZW - Метод сжатия LZW разработан в 1978 году израильтянами Лемпелом и Зивом и доработан позднее в США. Сжимает данные путём поиска одинаковых последовательностей (они называются фразы) во всем файле. Выявленные последовательности сохраняются в таблице, им присваиваются более короткие маркеры (ключи). Так, если в изображении имеются наборы из розового, оранжевого и зелёного пикселов, повторяющиеся 50 раз, LZW выявляет это, присваивает данному набору отдельное число (например, 7) и затем сохраняет эти данные 50 раз в виде числа 7. Метод LZW, так же, как и RLE, лучше действует на участках однородных, свободных от шума цветов, он действует гораздо лучше, чем RLE, при сжатии произвольных графических данных, но процесс кодирования и распаковки происходит медленнее.

GIF ( «формат для обмена изображениями») — популярный формат графических изображений. Способен хранить сжатые данные без потери качества в формате не более 256 цветов. Надо редактировать в RGB.

GIF использует формат сжатия LZW. Таким образом, хорошо сжимаются изображения, строки которых имеют повторяющиеся участки. Например, изображения в которых много пикселей одного цвета по горизонтали.

Алгоритм сжатия LZW относится  к форматам сжатия без потерь. Это  означает, что восстановленые из GIF данные будут в точности соответствовать упакованым. Следует отметить, что это верно только для 8-битных изображений с палитрой, для цветной фотографии потери будут обусловлены переводом её к 256 цветам.

PNG— растровый формат хранения графической информации, использующий сжатие без потерь по алгоритму Deflate.

PNG был создан как свободный формат для замены GIF. Позволяет выбирать палитру сохранения - серые полутона, 256 цветов, true color ("истинные цвета"). В зависимости от свойств изображения действительно иногда предпочтительнее GIF'a или JPG'a. Позволяет использовать "прозрачный" цвет, но, в отличие от GIF'a таких цветов может быть до 256. В отличие от GIF сжатие без потери качества производится и по горизонтали и по вертикали (алгоритм собственный, параметры тоже не настраиваемые).

18. Адгоритмы сжатия с потерями. Формат jpeg.

Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия данных с потерями.

Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с  плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил  в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет.

Уменьшение размера файла  достигается сложным математическим алгоритмом удаления информации - чем  заказываемое качество ниже, тем коэффициент  сжатия больше, файл меньше. Главное, подобрать  максимальное сжатие при минимальной  потере качества.

Процесс сжатия по схеме JPEG включает ряд этапов.

Преобразование изображения  в оптимальное цветовое пространство.

Субдискретизация компонентов цветности усреднением групп пикселов.

Применение дискретных косинус-преобразований для уменьшения избыточности данных изображения.

Квантование каждого блока  коэффициентов DCT с применением весовых  функций, оптимизированных с учетом визуального восприятия человеком.

Кодирование результирующих коэффициентов (данных изображения) с  применением алгоритма Хаффмана для удаления избыточности информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19. Адгоритмы сжатия с потерями. Формат DjVu.

DjVu — технология сжатия изображений с потерями, разработанная специально для хранения сканированных документов — книг, журналов, рукописей и прочее, где обилие формул, схем, рисунков и рукописных символов делает чрезвычайно трудоёмким их полноценное распознавание. Также является эффективным решением, если необходимо передать все нюансы оформления, например, исторических документов, где важное значение имеет не только содержание, но и цвет и фактура бумаги; дефекты пергамента: трещинки, следы от складывания; исправления, кляксы, отпечатки пальцев; следы, оставленные другими предметами и т. д.

Формат оптимизирован  для передачи по сети таким образом, что страницу можно просматривать  ещё до завершения загрузки файла. DjVu-файл может содержать текстовый (OCR) слой, что позволяет осуществлять полнотекстовый поиск по файлу. Кроме того, DjVu-файл может содержать встроенное интерактивное оглавление и активные области — ссылки, что позволяет реализовать удобную навигацию в DjVu-книгах.

Для сжатия цветных изображений в DjVu применяется специальная технология, разделяющая исходное изображение на три слоя: передний план, задний план и чёрно-белую (однобитовую) маску. Маска сохраняется с разрешением исходного файла; именно она содержит изображение текста и прочие чёткие детали. Разрешение заднего плана, в котором остаются иллюстрации и текстура страницы, по умолчанию понижается для экономии места. Передний план содержит цветовую информацию о маске; его разрешение обычно понижается ещё сильнее. Затем задний и передний планы сжимаются с помощью вейвлет-преобразования, а маска — алгоритмом JB2.

 

20. звук. Физические основы кодирования  звук. АЦП и импульсно-кодовая модуляция.

В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала. (двоичных нулей и единиц).

Для кодирования  непрерывного звукового сигнала  производится его дискретизация по времени (временная дискретизация, оцифровка). Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные короткие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Это выполняется устройством, называемым аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), который измеряет напряжение поступающего с микрофона звукового сигнала через равные промежутки времени и записывает полученные значения (в виде многоразрядных двоичных чисел) в память компьютера. В результате, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность значений уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (см. рисунок). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование, для которого служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал (через аналоговый фильтр).

Каждой  «ступеньке» присваивается значение уровня громкости (амплитуды) звука, его  код (1, 2, 3, и т. д.). Таким образом, при  двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней  сигнала. Уровни громкости звука  можно рассматривать как набор  возможных состояний. Соответственно, чем большее количество уровней  громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более  качественным будет звучание. Поэтому, как и в случае с графической  информацией, при кодировании звука  важное значение имеет «глубина» кодирования звука.

Качество  воспроизведения закодированного  звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения (глубины кодирования звука - количество уровней.

Импульсно-кодовая  модуляция (ИКМ, англ. Pulse Code Modulation, PCM) используется для оцифровки аналоговых сигналов. Практически все виды аналоговых данных (видео, голос, музыка, данные телеметрии, виртуальные миры) допускают применение ИКМ.Чтобы получить на входе канала связи (передающий конец) ИКМ-сигнал из аналогового, мгновенное значение аналогового сигнала измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) через равные промежутки времени.