Тема "Кодирование графической информации"
методическая разработка по информатике и икт (9 класс) на тему

Слайд 1

Представление графической информации в компьютере

Слайд 2

компьютерная графика это создание, хранение и обработка моделей объектов и их изображений с помощью компьютера

Слайд 3

Для преобразования «естественной» информации в дискретную форму ее подвергают дискретизации и квантованию Дискретизация - процедура устранения временн ó й и/или пространственной непрерывности естественных сигналов, являющихся носителями информации

Слайд 4

Пространственная дискретизация – изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты, в пределах которого характеристики изображения считают неизменными. С информационной точки зрения графическое изображение является совокупностью световых сигналов на плоскости: отдельные световые сигналы различаются местоположением, цветовым оттенком и яркостью Дискретизация - способ выделения конечного числа пространственных элементов, информация о которых будет сохранена в компьютере. Информация об остальных элементах пространства будет утеряна ! Для преобразования «естественной» информации в дискретную форму ее подвергают дискретизации и квантованию

Слайд 5

Квантованием называют процедуру преобразования непрерывного диапазона всех возможных входных значений измеряемой величины в дискретный набор выходных значений При квантовании диапазон возможных значений измеряемой величины разбивается на несколько поддиапазонов (уровней) . При измерении определяется поддиапазон, в который попадает значение, и в компьютере сохраняется только номер поддиапазона. Пусть яркость серого оттенка составляет 70%. Это значение попадает в поддиапазон 4(67% - 83%), поэтому в компьютере этот оттенок серого будет закодирован числом 4 .

Слайд 7

Компьютерное изображение живописного произведения , цифровая запись музыкального произведения всегда отличаются от оригиналов в худшую сторону Выводы Дискретизация и квантование всегда приводят к потере доли информации.

Слайд 8

Векторное представление графической информации Векторное представление описывает, как построить исходное изображение при помощи стандартных геометрических фигур из заранее определенного набора (графических примитивов) Построение векторного представления называется векторизацией изображения

Слайд 9

Примеры векторных компьютерных изображений

Слайд 10

Растровое представление графической информации Процедура разбиения изображения на пиксели называется растеризацией , или оцифровкой , изображения. Растр – специальным образом организованная совокупность пикселей, на которой представляется изображение. Координаты , форма и размеры пикселей задаются при определении растра. Изменяемым атрибутом пикселей является ЦВЕТ . Пиксель – наименьший элемент изображения на экране (точка изображения) Для представления плохо векторизируемых изображений используют растровое представление (изображение разбивается на множество маленьких элементов, расположенных в пространстве определенным образом). Порядок разбиения изображения на элементы называется растром

Слайд 11

Растровое представление графической информации В технике и компьютерной графике чаще всего используют прямоугольный растр, в котором пиксели составляют прямоугольную матрицу (сетку) Размер сетки растра , задаваемый в виде M*N , где M - число пикселей по горизонтали, N – число пикселей по вертикали называется разрешающей способностью (или графическим разрешением ) экрана. Видеопамять – оперативная память, хранящая видеоинформацию во время ее воспроизведения в изображение на экране ( может делиться на страницы ). Страница – раздел видеопамяти, вмещающий информацию об одном образе экрана (одной картинке) Графический файл – файл, хранящий информацию о графическом изображении. Стандартные значения графического разрешения экрана : 640*480 800*600 1024*768 1280*1024 1600*1200

Слайд 12

Примеры растровой компьютерной графики

Слайд 13

Квантование цвета Квантование (кодирование) цвета базируется на математическом описании цвета , которое опирается на тот факт, что цвета можно измерять и сравнивать . Научная дисциплина, изучающая вопросы измерения цветовых характеристик, называется метрологией цвета или колориметрией . Исаак Ньютон : - спектральные цвета являются неразложимыми, - любой цвет можно синтезировать (в т.ч. и белый) путем смешивания спектральных цветов. М. Ломоносов : - трехкомпонентная теория цвета; Герман Грассман: - математический аппарат трехкомпонентной теории цвета ( законы Грассмана для аддитивной теории цвета );

Слайд 14

Законы Грассмана Закон трехмерности : с помощью трех выбранных линейно независимых цветов можно однозначно выразить любой цвет. (Цвета считаются линейно независимыми, если никакой из них нельзя получить путем смешения остальных) Закон непрерывности : при непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. (К любому цвету можно подобрать бесконечно близкий цвет) Закон аддитивности : все цвета равноправны, разложение цветов можно выполнять по любым независимым цветам. Цвета – это характеристики реальных объектов, а колометрические законы Грассмана устанавливают общие свойства математических моделей света. Любому цвету можно поставить в соответствие некоторую точку трехмерного пространства. Абсолютно черному телу всегда соответствует точка (0.0.0)

Слайд 15

Цветовые модели Цвета можно рассматривать как точки или векторы в трехмерном цветовом пространстве. Каждая цветовая модель задает в нем некоторую систему координат, кв которой основные цвета модели играют роль базисных векторов. В компьютерной технике чаще всего используются следующие цветовые модели: RGB (Red-Green-Blue , красный – зеленый – синий) CMYK (Cyan-Magenta-Yellow , голубой – пурпурный - желтый – черный) HSB (Hue – Saturation – Brightness , цветовой тон – насыщенность – яркость)

Слайд 16

Цветовая модель R G B

Слайд 17

Цветовая модель R G B ( 0 , 0 , 1 ) синий R B G (0,0,0) черный ( 1 , 1 , 1 ) белый ( 1 , 0 , 0 ) красный ( 1 , 1 , 0 ) желтый ( 0 , 1 , 1 ) голубой ( 1 , 0 , 1 ) пурпур ( 0 , 1 , 0 ) зеленый Любая точка куба ( r, g, b ) определяет какой-то цвет; Линия (0,0,0) – (1,1,1) описывает все градации серого от черного до белого; На гранях куба расположены самые насыщенные цвета; Чем ближе точка к главной диагонали, тем менее насыщен соответствующий цвет; Если все три координаты точки ( r, g, b ) ненулевые, то цвет ненасыщенный, причем, наименьшее значение определяет долю серого оттенка, а разность значений – тон и долю насыщенного цветового оттенка.

Слайд 18

Цветовая модель C M Y K

Слайд 19

Цветовая модель C M Y K Любая точка куба (С , M, Y ) определяет какой-то цвет; Линия (0,0,0) – (1,1,1) описывает все градации серого от черного до белого; На гранях куба расположены самые насыщенные цвета; Чем ближе точка к главной диагонали, тем менее насыщен соответствующий цвет; Если все три координаты точки ( r, g, b ) ненулевые, то цвет ненасыщенный, причем, набольшее значение определяет долю серого оттенка, а разность значений – тон и долю насыщенного цветового оттенка. ( 0 , 0 , 1 ) синий Y С M (0,0,0) черный ( 1 , 1 , 1 ) белый ( 1 , 0 , 0 ) красный ( 1 , 1 , 0 ) желтый ( 0 , 1 , 1 ) голубой ( 1 , 0 , 1 ) пурпур ( 0 , 1 , 0 ) зеленый

Слайд 20

Цветовая модель HSB ( Hue-Saturation-Brightness) (цветовой тон-насыщенность-яркость)

Слайд 21

Цветовая модель HSB ( Hue-Saturation-Brightness) (цветовой тон-насыщенность-яркость) Чистый цветовой тон – один из цветов спектрального разложения цвета. Цветовой оттенок – смесь чистого цветового тона с серым цветом. Насыщенность цвета – доля чистого тона в цветовой смеси. Яркость характеризуется общей светлостью смешиваемых цветов зеленый желтый красный пурпурный синий голубой черный ЯРКОСТЬ ШКАЛА ЦВЕТОВЫХ ТОНОВ НАСЫЩЕННОСТЬ

Слайд 22

Цветовое пространство модели HSB зеленый желтый красный пурпурный синий голубой черный ЯРКОСТЬ ШКАЛА ЦВЕТОВЫХ ТОНОВ НАСЫЩЕННОСТЬ Разрез конуса в плоскости постоянной яркости

Слайд 23

В цветовом пространстве HSB хорошо видна связь между моделями RGB и CMYK : на цветовом круге основные цвета одной модели расположены точно напротив основных цветов другой модели; Цвета модели RGB , которые не попадают в треугольник, полученный соединением основных цветов, в RGB модели будут непредставимы; Аналогично – для модели CMYK ВЫВОДЫ : Модель HSB позволяет закодировать практически все цвета, воспринимаемые человеком. Модели RGB и CMYK описывают возможности компьютерных устройств по воспроизведению цвета. Некоторые цвета в принципе не могут быть воспроизведены на компьютере

Слайд 24

Битовая глубина Количество бит, используемых для кодирования цвета одной точки называется глубиной цвета (битовой глубиной, цветовым разрешением) От глубины цвета зависит количество отображаемых цветов, которое может быть вычислено по формуле: N =2 k , где N – количество отображаемых цветов, k – глубина цвета. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 4, 8, 16 или 24 бита на точку . Глубина цвета, к (бит) Количество отображаемых цветов, N 1 ( монохромная) 2 1 = 2 3 2 3 = 8 4 2 4 = 16 8 2 8 = 256 16 (High Color) 2 16 = 65 536 24 (True Color) 2 24 = 16 777 216

Слайд 25

8 основных цветовых комбинаций Цвет R G B Цвет R G B Черный 0 0 0 Красный 1 0 0 Синий 0 0 1 Фиолетовый 1 0 1 Зеленый 0 1 0 Коричневый 1 1 0 Голубой 0 1 1 Белый 1 1 1

Слайд 26

Кодирование 16-цветной палитры Цвет Яркость R G B Цвет Яркость R G B Черный 0 0 0 0 Серый 1 0 0 0 Синий 0 0 0 1 Светло-синий 1 0 0 1 Зеленый 0 0 1 0 Светло-зеленый 1 0 1 0 Голубой 0 0 1 1 Светло-голубой 1 0 1 1 Красный 0 1 0 0 Светло-красный 1 1 0 0 Фиолетовый 0 1 0 1 Светло-фиолетовый 1 1 0 1 Коричневый 0 1 1 0 Желтый 1 1 1 0 Белый 0 1 1 1 Ярко-белый 1 1 1 1

Слайд 27

Кодирование основных цветов при глубине цвета 24 бит ( RGB) Цвет Интенсивность R G B Черный 00000000 00000000 00000000 Синий 00000000 00000000 11111111 Зеленый 00000000 11111111 00000000 Голубой 00000000 11111111 11111111 Красный 11111111 00000000 00000000 Фиолетовый 11111111 00000000 11111111 Коричневый 11111111 11111111 00000000 Белый 11111111 11111111 11111111

Слайд 28

Битовая карта изображения Битовая карта является двоичным кодом изображения, хранится в видеопамяти компьютера, считывается видеопроцессором ( не реже 60 раз в секунду – частота обновления экрана ) и отображается на экран. Битовая карта черно-белого изображения будет выглядеть так: 00000000 00100100 00101000 00110000 00110000 00101000 00100100 00100010 Битовая карта при трехбитном кодировании изображения будет выглядеть так: 011 011 011 011 011 011 011 011 011 011 001 011 011 001 011 011 011 011 001 011 001 011 011 011 011 011 001 001 011 011 011 011 011 011 001 001 011 011 011 011 011 011 001 011 001 011 011 011 011 011 001 011 011 001 011 011 011 011 001 011 011 011 001 011 Информационный объем изображения I = 8*8*1(бит)=64 бита=8 байт Информационный объем изображения I = 8*8*3(бит)=192 бита=24 байт

Слайд 29

При масштабировании (изменении размеров изображения) качество растрового изображения значительно ухудшается При увеличении проявляется «пикселизованность» - контуры становятся ступенчатыми (добавляются лишние точки с цветом соседней точки) При уменьшении безвозвратно теряется часть информации (уменьшается количество точек) Несжатое полноцветное растровое изображение занимает значительное место в памяти компьютера.

Слайд 30

Векторная графика В векторном представлении графическое изображение на экране формируется из объектов – линий, прямоугольников, окружностей, дуг, закрасок – которые называются графическими примитивами . В этом случае графическая информация – это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок (координаты, толщину линий, цвет). Векторные команды: Цвет черный Линия 3, 2, 3, 8 Линия 4, 4, 6, 2 Линия 4, 5, 7, 8 Векторное изображение занимает значительно меньше места, легко масштабируется, при этом качество изображения не ухудшается.

Слайд 31

Форматы графических файлов. Windows Bit M a P (расширение файлов - . bmp ) – формат операционной системы Windows для хранения растровых изображений; поддерживается всеми Windows-приложениями. TIFF ( Tagged Image File Format ) (расширение файлов - . tif ) – предназначен для хранения растровых изображений высокого качества в широком цветовом диапазоне; поддерживается большинством графических, издательских и дизайнерских программ; GIF ( Graphic Interchange Format ) (расширение файлов - . gif ) – стандартизирован в 1987 г. как средство хранения изображений с фиксированным (256) количеством цветов. Из-за ограниченных цветовых возможностей применяется исключительно в электронных публикациях. Благодаря компактности файлов широко используется для размещения графических изображений на Web -страницах в Интернете JPEG ( Joint Photographic Experts Group ) (расширение файлов - . jpg ) –обеспечивает хранение растровых графических изображений в более компактной форме на основе использования эффективного алгоритма сжатия. Применяемые методы сжатия основаны на удалении «избыточной» информации. Позволяет регулировать соотношение между степенью сжатия файла и качеством изображения. PSD ( PhotoShop Document ) (расширение файлов - . psd ) – собственный формат графического редактора Adobe Photoshop , один из наиболее мощных по возможностям хранения растровой графической информации. PDF ( Portable Document Format ) (расширение файлов - . pdf ) – разработан фирмой Adobe для хранения изображений документов (например, страниц книг, журналов и др.); является аппаратно-независимым (вывод изображений допустим на любых устройствах). Мощный алгоритм сжатия со средствами управления итоговым разрешением изображения обеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций. WMF ( Windows MetaFile ) (расширение файлов - . wmf ) – формат операционной системы Windows для хранения векторных изображений; поддерживается всеми Windows -приложениями. Однако отсутствие средств для работы со стандартизированными цветовыми палитрами, принятыми в полиграфии, и другие недостатки ограничивают его применение.

Слайд 32

Задание Заполните таблицу, вычислив информационный объем графической информации при различных соотношениях графического и цветового разрешения. Разрешение 16 цветов 256 цветов 65536 цветов 16777216 цветов 640*480 800*600 1024*768 1280*1024

Слайд 33

Представление графической информации в памяти компьютера

Слайд 34

Кодирование графической информации видеоинформация видеопамять видеопроцессор видеокарта страница разрешающая способность экрана частота обновления экрана 1 сканер дискретизация пространственная дискретизация пиксель растр квантование битовая глубина объем графического файла 2

Слайд 35

Кодирование графической информации колориметрия количество цветов битовая глубина цвета Монохромный HighColor, TrueColor цветовая модель RGB CMIK HSB 3 растровая графика векторная графика векторизация растеризация (оцифровка) графический примитив искажение при масштабировании фотореалистичность объем изображения 4

Слайд 36

Задача 1 . Закодируйте монохромный рисунок с помощью двоичного алфавита в соответствии с матричным принципом. Решение. Имеем матрицу 6Х9, всего 54 бита. Закрашенной клетке поставим в соответствие 1, незакрашенной – 0. Получим: 011111 100010 100010 100010 011110 001010 010010 010010 110111 Сравните: код буквы «я» в КО I8 - 11110001 ВЫВОД: Отсканированная страница текста занимает места в памяти больше, чем та же страница после распознавания текста ( перевода рисунка в текстовый формат )

Слайд 37

Задача 2 . Сколько места в памяти будет занимать тот же рисунок, если сохранить его в формате как А) 256-цветный рисунок; В) в режиме HighColor; С) в режиме True Color? Решение. Рисунок разбит на 6*9=54 пикселя. А) 256=2 8, т.е. код каждого пикселя передается 8 битами. I=54 *1=54 байта В) HighColor : 1 пиксель передается 16 битами (2 байта). I=54*2=108 байтов С) TrueColor : цвет пикселя передается 24 битами (3 байта). I=54 *3=162 байта (т.е. в 24 раза больше, чем монохромный) ВЫВОД: Монохромный рисунок нужно сохранять именно как монохромный

Слайд 38

Задача 3 . Какой объем видеопамяти необходим для хранения четырех страниц изображения, при условии, что разрешающая способность дисплея равна 640Х480 точек, а используемых цветов 32? Решение. 1) N=2 i , 32=2 i , i=5 бит – глубина цвета 2) I=640*480*5*4=6144000 бит = 750 Кбайт Ответ: 750 Кбайт

Слайд 39

Задача 4 . 265-цветный рисунок содержит 1 Кбайт информации. Из скольких точек он состоит? Решение. 1) N=2 i , 256 =2 i , i= 8 бит – информационный объем одной точки; 2) 1 Кбайт = 1024 * 8 бит = 8192 бит - объем изображения; 3) 8192:8=1024 точек – на изображении Ответ: 1024 точки

Слайд 40

Задача 5 . На экране монитора необходимо получить 1024 оттенка серого цвета. Какой должна быть глубина цвета? Решение. 1) 1024 10*10*10 – по 10 бит приходится на каждую из трех составляющих (красную, зеленую, синюю) ; 2) 10*3 = 30 бит - глубина цвета ; Ответ: 30 бит

Слайд 41

Задача 6 . После преобразования графического изображения количество цветов уменьшилось с 256 до 32. Во сколько раз уменьшился объем занимаемой памяти? Ответ: 1,6 раза Решение. 1) N 1 =2 i , 256 =2 i , i 1 = 8 бит – информационный объем одной точки 1-го изображения; 2) N 2 =2 i , 32 =2 i , i 2 = 5 бит - информационный объем одной точки 2-го изображения; 3) i 1 /i 2 = 8/5=1,6 раза

Слайд 42

Задача 7 . Видеопамять имеет объем, в котором может храниться 8-цветное изображение размером 640Х350 точек. Какого размера изображение можно хранить в том же объеме видеопамяти, если использовать 512-цветную палитру? Ответ: 74667 точек Решение. N 1 =2 i , 8 =2 i , i 1 = 3 бита – глубина цвета 1-го изображения; 640*350*3=672000 бит – объем видеопамяти 3) N 2 =2 i , 512 =2 i , i 2 = 9 бит - информационный объем одной точки 2-го изображения; 3) 672000/9=74667 точек – размер 2-го изображения