Лекция по теме Кодирование графической информации

ТЕМА «Кодирование графической информации»

Кодирование изображений

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

Кодирование векторных изображений

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависит от прикладной среды.

Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем.

Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества.

Кодирование растровых изображений

Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Пиксель – минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом.

Экран дисплея может работать в двух основных режимах: текстовом и графическом.

В графическом режиме экран разделяется на отдельные светящиеся точки, количество которых зависит от типа дисплея, например 1920 по горизонтали и 1080 по вертикали. Светящиеся точки на экране называют пикселями, их цвет и яркость может меняться.

Каждому пикселю, формирующему изображение, назначается определенный цвет. Система растровых изображений использует RGB матрицу, т.е. три цвета: красный, зеленый и синий.

Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту (либо черная, либо белая – либо 1, либо 0).

Для четырех цветного – 2 бита.

Для 8 цветов необходимо – 3 бита.

Для 16 цветов – 4 бита.

Для 256 цветов – 8 бит (1 байт).

Качество изображения зависит от количества точек (чем меньше размер точки и, соответственно, больше их количество, тем лучше качество) и количества используемых цветов (чем больше цветов, тем качественнее кодируется изображение).

Для представления цвета в виде числового кода используются две обратных друг другу цветовые модели: RGB или CMYK. Модель RGB используется в телевизорах, мониторах, проекторах, сканерах, цифровых фотоаппаратах… Основные цвета в этой модели: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). Цветовая модель CMYK используется в полиграфии при формировании изображений, предназначенных для печати на бумаге.

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки.

Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами (по одному биту на каждый цвет RGB), то мы получим все восемь различных цветов.

В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеленый, синий и так далее).

Кодировочная палитра для 8 битного изображения.

На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (то есть 24 бита) - по 1 байту (то есть по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей. Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 2⁸=256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из 16 777 216 цветов. Такой набор цветов принято называть True Color (правдивые цвета), потому что человеческий глаз все равно не в состоянии различить большего разнообразия.

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера.

Видеопамять – это электронное энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и количества цветов. Но ее минимальный объем определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности монитора на число битов, отводимых на 1 пиксель.

Растровые изображения очень чувствительны к масштабированию (увеличению или уменьшению). При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется различимость мелких деталей изображения. При увеличении изображения увеличивается размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект, который можно увидеть невооруженным глазом.

Качество растрового изображения зависит от двух параметров - количество пикселей и количество цветов в палитре.

Графические режимы характеризуются такими показателями как:

- разрешающая способность (количество точек, с помощью которых на экране воспроизводится изображение).

- глубина цвета (количество бит, используемых для кодирования цвета точки), например, 8, 16, 24, 32 бита. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, Тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора может быть вычислено по формуле N=2^I , где N – количество цветов, I – глубина цвета или битовая глубина.

- палитра (количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения), например 4 цвета, 16 цветов, 256 цветов, 256 оттенков серого цвета.

Формула для определения количества информации в изображении:

L = H*W*i

Где

L – информационный объём изображения;

H и W – высота и ширина изображения в пикселях;

i – глубина цвета (т.е. количество бит, выделенных на кодирование цвета)

или другими словами, Чтобы найти вес изображения достаточно перемножить разрешающую способность изображения на глубину цвета: L=P*i.

А количество использованных цветов в изображении, можно найти по формуле:

N = 2ⁱ

Где

N – количество цветов в палитре;

i – глубина цвета (бит), длина двоичного кода, который используется для кодирования цвета пикселя

Согласно этой формуле

Графические форматы файлов

Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия).

Наиболее популярные растровые форматы:

Bit MaP image (BMP)– универсальный формат растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows. Этот формат поддерживается многими графическими редакторами, в том числе редактором Paint. Рекомендуется для хранения и обмена данными с другими приложениями.

Tagged Image File Format (TIFF)– формат растровых графических файлов, поддерживается всеми основными графическими редакторами и компьютерными платформами. Включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации. Используется для обмена документами между различными программами. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами.

Graphics Interchange Format (GIF)– формат растровых графических файлов, поддерживается приложениями для различных операционных систем. Включает алгоритм сжатия без потерь информации, позволяющий уменьшить объем файла в несколько раз. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Portable Network Graphic (PNG)– формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. Рекомендуется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Joint Photographic Expert Group (JPEG)– формат растровых графических файлов, который реализует эффективный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере части информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Разбор и решение задач

Задача 1

Для хранения произвольного растрового изображения размером 1024 × 1024 пикселей отведено 512 Кбайт памяти, при этом для каждого пикселя хранится двоичное число – код цвета этого пикселя. Для каждого пикселя для хранения кода выделено одинаковое количество бит. Сжатие данных не производится. Какое максимальное количество цветов можно использовать в изображении?

Решение.

Всего 1024 * 1024 = 2¹⁰ * 2¹⁰ = 2²⁰ пикселей.

512 Кбайт памяти = 512 * 2¹⁰ байт

Объём растрового изображения находится как произведение количества пикселей в изображении на объём памяти x, необходимый для хранения цвета одного пикселя: 1024 * 1024 * x = 512 * 2¹⁰ * 2³ бит, откуда x = 2⁹ * 2¹⁰ * 2³/(2²⁰) = 2² бит = 4 бита. Значит, в изображении можно использовать не более 2⁴ = 16 цветов.

Ответ: 16.

Задача 2

Какой минимальный объём памяти (в Кбайт) нужно зарезервировать, чтобы можно было сохранить любое растровое изображение размером 128×128 пикселей при условии, что в изображении могут использоваться 256 различных цветов? В ответе запишите только целое число, единицу измерения писать не нужно.

Решение.

Один пиксель кодируется 8 битами памяти, так как 256 = 2⁸.

Всего 128 * 128 = 2⁷ * 2⁷ = 2¹⁴ пикселей.

Тогда объем памяти, занимаемый изображением 2¹⁴* 8 = 2¹⁷ бит = 2¹⁴ байт = 2⁴ Кбайт = 16 Кбайт.

Ответ: 16.

Задача 3. Сканируется цветное изображение размером 20×30 см. В программе сканирования установлены следующие параметры: разрешающая способность 300 dpi и глубина цвета 24 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл? Результат представить в Мбайтах, округлить до сотых, один дюйм принять равным 2,5 см.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА.

Задача 1: Найдите глубину цвета изображения, если количество цветов в палитре 8.

Задача 2: Найдите количество цветов в палитре, если глубина цвета изображения 7.

Задача 3: Какой объём информации занимает растровое  изображение размером 1024 × 512 пикселей с глубиной цвета 8 бит.

Задача 4: Размеры растрового графического изображения 800 × 600 точек. Количество цветов в палитре 16 млн. Определить информационный объём изображения.

Задача 5: Определить информационный объем фотографии (10 × 15 см) отсканированной с разрешением в 300 DPI и с использованием 256 цветовой палитры.

Справочный материал:

Таблица степеней по основанию 2

Соотношение размера двоичных кодов

1 байт =  2³ бит = 8 бит

1 Кбайт = 2¹⁰  байт = 1024  байт

1 Кбайт = 2¹⁰  байт = 2¹⁰ * 2³ бит = 2¹³ бит = 8192 бит

DPI – это аббревиатура от «Dots Per Inch» и означает точек на дюйм.

1DPI = 1PPI (пикселей на дюйм).

Дюйм – единица длины равная 2,541 см.

Пиксель – «picture element» – это точка (минимальная частичка) цифрового изображения. Все, что вы видите на экране монитора или дисплее цифровой фотокамеры, состоит из пикселей.

1