Кодирование видеоинформации
методическая разработка по информатике и икт (10 класс)

Тема урока: «Кодирование видеоинформации», 2 часа, 10 класс

Цели:

Обучающие:

• Сформировать у учащихся понимание процесса кодирования видеоинформации.
• Показать различные виды кодирования видеоинформации.
• Выявить преимущества двоичного кодирования информации.

Развивающие:

• Продолжить развивать умение учащихся высказывать свои мысли, сопоставлять, анализировать, логически мыслить.

Воспитательные:

• Активизировать у учащихся формирование познавательной потребности, интереса к предмету.
• Продолжить воспитание у учащихся доброжелательного отношения друг к другу.

Ход урока:

1. Организационный момент
2. Актуализация прежних знаний. Что мы с Вами изучали на прошлом уроке. Какие формулы мы использовали для решения задач? Эти формулы нам пригодятся и сегодня.
3. Объяснение нового материала

Необходимо знать понятия:

• объем видеопамяти,
• графический режим,
• глубина цвета,
• разрешающая способность экрана,
• палитра.

Во всех подобных задачах требуется найти ту или иную величину.

Видеопамять - это специальная оперативная память, в которой формируется графическое изображение. Иными словами для получения на экране монитора картинки её надо где-то  хранить. Для этого и существует видеопамять. Чаще всего ее величина от 512 Кб до 4 Мб для самых лучших ПК при реализации 16,7 млн. цветов.

Объем видеопамяти рассчитывается по формуле: V=I*X*Y, где I – глубина цвета отдельной точки, X, Y –размеры экрана по горизонтали и по вертикали (произведение х на у – разрешающая способность экрана).

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 640 по горизонтали и 480 по вертикали.  Светящиеся точки на экране обычно называют пикселями, их цвет и яркость может меняться. Именно в графическом режиме появляются на экране компьютера все сложные графические изображения, создаваемыми специальными программами, которые управляют параметрами каждого пикселя экрана. Графические режимы характеризуются такими показателями как:

- разрешающая способность (количество точек, с помощью которых на экране воспроизводится изображение)  - типичные в настоящее время уровни разрешения 800*600 точек или 1024*768 точек. Однако для мониторов с большой диагональю может использоваться разрешение 1152*864 точки. Важнейшими характеристиками монитора являются размеры его экрана, которые задаются величиной его диагонали в дюймах (15”, 17”, 21” и т.д.) и размером точки экрана (0,25 мм или 0,28 мм), а разрешающая способность экрана монитора задается количеством точек по вертикали и горизонтали (640´480, 800´600 и т.д.). Следовательно, для каждого монитора существует физически максимально возможная разрешающая способность экрана.

- 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 K=2I , где K – количество цветов, I – глубина цвета или битовая глубина.

Кроме перечисленных выше знаний учащийся должен иметь представление о палитре:

- палитра (количество цветов, которые используются для воспроизведения изображения), например 4 цвета, 16 цветов, 256 цветов, 256 оттенков серого цвета, 216 цветов в режиме называемом High color или 224  , 232  цветов в режиме True color.

Т.к. страница – раздел видеопамяти, вмещающий информацию об одном образе экрана одной «картинки» на экране, т.е. в видеопамяти могут размещаться одновременно несколько страниц, то, чтобы узнать число страниц надо поделить объем видеопамяти для всего изображения на объем памяти на 1 страницу.  К-число страниц,

К=Vизобр/V1 стр

4. Первичное закрепление изученного материала

Уровень «3»

1. Определить требуемый объем видеопамяти (в Кб) для различных графических режимов экрана монитора, если известна глубина цвета на одну точку.

Решение:

1. Всего точек на экране (разрешающая способность): 640 * 480 = 307200
   2. Необходимый объем видеопамяти V= 4 бит * 307200 = 1228800 бит = 153600 байт = 150 Кбайт.
   Ответ:

2. Для хранения растрового изображения размером 128 x 128 пикселей отвели 4 КБ памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения.

Решение:

1. Определим количество точек изображения. 128*128=16384 точек или пикселей.
2. Объем памяти на изображение 4 Кб выразим в битах, так как V=I*X*Y вычисляется в битах. 4 Кб=4*1024=4 096 байт = 4096*8 бит =32768 бит
3. Найдем глубину цвета I =V/(X*Y)=32768:16384=2
4. N=2I , где  N – число цветов в палитре. N=4

Ответ: 4

3.. Какой объем видеопамяти необходим для хранения четырех страниц изображения, если битовая глубина равна 24, а разрешающая способность дисплея - 800 × 600 пикселей?

Решение:

1. Найдем объем видеопамяти для одной страницы: 800*600*24=11520000 бит =1440000 байт =1406,25 Кб ≈1, 37 Мб
2. 1,37*4 =5,48 Мб ≈5.5 Мб для хранения 4 страниц.

Ответ: 5.5 Мб

Уровень «4»

4.Определить объем видеопамяти компьютера, который необходим для реализации графического режима монитора High Color с разрешающей способностью 1024 × 768 точек и палитрой цветов из 65536 цветов.

Решение:

1. По формуле K=2I , где K – количество цветов, I – глубина цвета определим глубину цвета.  2I =65536

Глубина цвета составляет: I = log265 536 = 16 бит

2. Количество точек изображения равно: 1024×768 = 786 432

3. Требуемый объем видеопамяти равен: 16 бит × 786 432 =  12 582 912 бит = 1572864 байт = 1536 Кб =1,5 Мб. Приучаем учеников, переводя в другие единицы,  делить на 1024,  а не на 1000.

Ответ: 1,5 Мб

5.  Достаточно ли видеопамяти объемом 256 Кбайт для работы монитора в режиме 640 × 480 и палитрой из 16 цветов?

Решение:

1. Узнаем объем видеопамяти, которая потребуется для работы монитора в режиме 640х480 и палитрой в 16 цветов. V=I*X*Y=640*480*4 (24 =16, глубина цвета равна 4),

V= 1228800 бит = 153600 байт =150 Кб.

2. 150 < 256, значит памяти достаточно.

Ответ: достаточно

6. Укажите минимальный объем памяти (в килобайтах), достаточный для хранения любого растрового изображения размером 256 × 256 пикселей, если известно, что в изображении используется палитра из 216 цветов. Саму палитру хранить не нужно.

Решение:

Найдем минимальный объем памяти, необходимый для хранения одного пикселя. В изображении используется палитра из 216 цветов, следовательно,  одному пикселю может быть сопоставлен любой из 216 возможных номеров цвета в палитре. Поэтому, минимальный объем памяти, для одного пикселя будет равен log2 216 =16 битам. Минимальный объем памяти, достаточный для хранения всего изображения будет равен 16*256*256 =24 * 28 * 28 =220 бит=220 : 23 =217 байт = 217 : 210 =27 Кбайт =128 Кбайт, что соответствует пункту под номером 1.

Ответ: 128 Кб

7. Сколько секунд потребуется модему, передающему сообщения со скоростью 28800 бит/с, чтобы передать цветное растровое изображение размером 640 × 480 пикселей, при условии, что цвет каждого пикселя кодируется тремя байтами?

Решение:

1. Определим объем изображения  в битах:

3 байт = 3*8 = 24 бит,  

V=I*X*Y=640*480*24 бит =7372800 бит

2. Найдем число секунд на передачу изображения: 7372800 : 28800=256 секунд

Ответ: 256.

8. Сколько секунд потребуется модему, передающему сообщения со скоростью 14400 бит/сек, чтобы передать цветное растровое изображение размером 800 х 600 пикселей, при условии, что в палитре 16 миллионов цветов?

Решение:

Для кодирования 16 млн. цветов требуется 3 байта или 24 бита (Графический режим True Color). Общее количество пикселей в изображении 800 х 600 =480000. Так как на 1 пиксель приходится 3 байта, то на 480000 пикселей приходится 480000*3=1 440 000 байт или 11520000 бит. 11520000 : 14400 = 800 секунд.

Ответ: 800 секунд.

9. Каков минимальный объем памяти ( в байтах), достаточный для хранения черно-белого растрового изображения размером 32 × 32 пикселя, если известно, что в изображении используется не более 16 градаций серого цвета.

Решение:

1. Глубина цвета равна 4, т.к. 16 градаций цвета используется.
2. 32*32*4=4096 бит памяти для хранения черно-белого изображения
3. 4096 : 8 = 512 байт.

Ответ: 512 байт

Уровень «5»

10. Монитор работает с 16 цветной палитрой в режиме 640×400 пикселей. Для кодирования изображения требуется 1250 Кбайт. Сколько страниц видеопамяти оно занимает?

Решение:

1. Т.к. страница – раздел видеопамяти, вмещающий информацию об одном образе экрана одной «картинки» на экране, т.е. в видеопамяти могут размещаться одновременно несколько страниц, то, чтобы узнать число страниц надо поделить объем видеопамяти для всего изображения на объем памяти на 1 страницу.  К-число страниц,

К=Vизобр/V1 стр

 Vизобр =1250 Кб  по условию

2. Для этого вычислим объем видеопамяти для одной страницы изображения с 16 цветовой палитрой и разрешающей способностью 640×400.

V1 стр = 640*400*4 , где 4- глубина цвета (24 =16)

V1 стр = 1024000 бит = 128000 байт =125 Кб

3. К=1250 : 125 =10 страниц

Ответ: 10 страниц

11. Страница видеопамяти составляет 16000 байтов. Дисплей работает в режиме 320×400 пикселей. Сколько цветов в палитре?

Решение:

1. V=I*X*Y – объем одной страницы, V=16000 байт = 128000  бит по условию. Найдем глубину цвета I.

I=V/(X*Y).

I= 128000 / (320*400)=1.

2. Определим теперь, сколько цветов в палитре. K=2I , где K – количество цветов, I – глубина цвета. K=2

Ответ: 2 цвета.

12. Сканируется цветное изображение размером 10×10 см. Разрешающая способность сканера 600 dpi и глубина цвета 32 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл. 

Решение:

1. Разрешающая способность сканера 600 dpi (dot per inch — точек на дюйм) означает, что на отрезке длиной 1 дюйм сканер способен различить 600 точек. Переведем разрешающую способность сканера из точек на дюйм в точки на сантиметр:

600 dpi : 2,54 ≈ 236 точек/см (1 дюйм = 2.54 см.)

2. Следовательно, размер изображения в точках составит 2360×2360 точек. (умножили на 10 см.)

3. Общее количество точек изображения равно:

2360×2360 = 5 569 600

4. Информационный объем файла равен:

32 бит × 5569600 = 178 227 200 бит ≈ 21 Мбайт

Ответ: 21 Мбайт

13. Объем видеопамяти равен 256 Кб. Количество используемых цветов - 16. Вычислите варианты разрешающей способности дисплея. При условии, что число страниц  изображения может быть равно 1, 2 или 4.

Решение:

1. Если число страниц равно 1, то формулу V=I*X*Y  можно выразить как

256 *1024*8 бит = X*Y*4 бит, (так как используется 16 цветов, то глубина цвета равна 4 бит.)

т.е. 512*1024 = X*Y; 524288 = X*Y.

Соотношение между высотой и шириной экрана для стандартных режимов не различаются между собой и равны 0,75. Значит, чтобы найти  X и Y, надо решить систему уравнений:

Выразим Х=524288/ Y, подставим во второе уравнение, получим Y2 =524288*3/4=393216. Найдем Y≈630; X=524288/630≈830

Вариантом разрешающей способности может быть 630 х 830.

2. Если число страниц равно 2, то одна страница объемом 256:2=128 Кбайт, т.е

128*1024*8 бит = X*Y*4 бит, т.е. 256*1024 = X*Y; 262144 = X*Y.

Решаем систему уравнений:

Х=262144/ Y; Y2 =262144*3/4=196608; Y=440, Х=600

Вариантом разрешающей способности может быть 600 х 440.

4. Если число страниц равно 4, то 256:4 =64; 64*1024*2=X*Y; 131072=X*Y; решаем систему

X=131072/Y; Y2 =131072*3/4=98304; Y≈310, X≈420

Ответ: одна страница - 630 × 830

              две страницы - 600 × 440

              три страницы – 420 × 310

14. Часть страниц многотомной энциклопедии  является цветными изображениями в шестнадцати цветовой палитре и в формате 320 × 640 точек. Страницы, содержащие текст, имеют формат — 32 строки по 64 символа в строке. Сколько страниц книги можно сохранить на жестком магнитном диске объемом 20 Мб, если каждая девятая страница энциклопедии — цветное изображение?

Решение:

1. Так как палитра 16 цветная, то глубина цвета равна 4 (2 4 =16)
2.  4 × 320 × 640 = 819200 бит = 102400 байт =100 Кбайт – информации содержит каждая графическая страница.
3.  32 × 64 = 2048 символов = 2048 байт = 2 Кбайт – содержит каждая текстовая страница.
4. Пусть Х — число страниц с графикой, тогда так как каждая 9 страница – графическая, следует, что страниц с текстом в 8 раз больше, т.е.  8Х — число страниц с текстом. Тогда все страницы с графикой будут иметь объем 110Х, а все страницы с текстом – объем  2* 8Х=16Х.
5. Известно, что диск составляет 20 Мб = 20480 Кб. Составим уравнение:

100Х + 16Х = 20480. Решив уравнение, получим Х ≈ 176, 5. Учитывая, что Х –целое число, берем число 176 –страниц с графикой.

6. 176*8 =1408 страниц с текстом. 1408+176 = 1584 страниц энциклопедии.

Ответ: таким образом, на жестком магнитном диске объемом 20 Мб можно разместить 1584 страницы энциклопедии (176 графических и 1408 текстовых).

15. Объем страницы видеопамяти - 125 Кбайт. Монитор работает с 16 цветной палитрой. Какова разрешающая способность экрана.

Решение:

1. Так как глубина цвета равна 4 (24 =16), то имеем V=4*X*Y
2. В формуле объема видеопамяти объем выражен в битах, а в условии задачи дан в Кбайтах, поэтому обе  части равенства надо представить в байтах:

125*1024=(X*Y*4)/8 (делим справа на 8 - переводим в байты, умножаем слева на 1024 –переводим в байты)

3. Далее решаем уравнение: 4*X*Y = 125*1024 * 8

X*Y = 125*1024*2=250*1024=256000

4.  Наиболее часто в паре разрешающей способности экрана встречается число 640, например 640*200, 640*400, 640*800. Попробуем разделить полученное число на 640

256000:640=400

Ответ: Разрешающая способность экрана равна 640*400

16. Какие графические режимы работы монитора может обеспечить видеопамять объемом в 1 МБ?

Решение:

Задача опирается на решение задачи №1, а затем проводится анализ и делаем вывод. Видеопамять объемом 1 МБ может обеспечить следующие графические режимы:

• 640 х 480 (при глубине цвета 4, 8, 16, 24 бит)
• 800 х 600 (при глубине цвета 4, 8, 16 бит)
• 1024 х 768 (при глубине цвета 4, 8 бит)
• 1280 х 1024 (при глубине цвета 4 бита)

Ответ: 640 х 480 (4, 8, 16, 24 бит), 800 х 600 (4, 8, 16 бит), 1024 х 768 (4, 8 бит), 1280 х 1024 (4 бита)

Уровень «5»

17. Определить максимально возможную разрешающую способность экрана для монитора с диагональю 15" и размером точки экрана 0,28 мм.

Решение:

1. Задача сводится к нахождению числа точек по ширине экрана. Выразим размер диагонали в сантиметрах. Учитывая ,что 1 дюйм=2,54 см., имеем: 2,54 см • 15 = 38,1 см.
2. Определим соотношение между высотой и шириной экрана для часто встречающегося режима экрана 1024х768 точек: 768 : 1024 = 0,75.
3. Определим ширину экрана. Пусть ширина экрана равна L, а высота h,

h:L =0,75, тогда h= 0,75L.

По теореме Пифагора имеем:
L2 + (0,75L)2 = 38,12 
1,5625 L2 = 1451,61
L2 ≈ 929
L ≈ 30,5 см.
4. Количество точек по ширине экрана равно:
305 мм : 0,28 мм = 1089.
Следовательно, максимально возможным разрешением экрана монитора является 1024х768.

Ответ: 1024х768.

18. Определить соотношение между высотой и шириной экрана монитора для различных графических режимов. Различается ли это соотношение для различных режимов? а)640х480; б)800х600; в)1024х768; а)1152х864; а)1280х1024. Определить максимально возможную разрешающую способность экрана для монитора с диагональю 17" и размером точки экрана 0,25 мм.

Решение:

1. Определим соотношение между высотой и шириной экрана для перечисленных режимов, они почти не различаются между собой:

2. Выразим размер диагонали в сантиметрах:
2,54 см • 17 = 43,18 см.
3. Определим ширину экрана. Пусть ширина экрана равна L, тогда высота равна 0,75L (для первых четырех случаев) и 0,8L для последнего случая.

По теореме Пифагора имеем:

4. Количество точек по ширине экрана равно:

Следовательно, максимально возможным разрешением экрана монитора является. 1280х1024

Ответ: 1280х1024

5.  Подведение итогов
6. Постановка домашнего задания.

Решить задачи:

1. Укажите минимальный объем памяти (в килобайтах), достаточный для хранения любого растрового изображения размером 32×32 пикселя, если известно, что в изображении используется палитра из 232 цветов. Саму палитру хранить не нужно.

Решение:

1.        Фраза «используется палитра из 232 цветов» означает, в соответствии с формулой (1), что длина кода k= 32 бита. То есть каждый пиксель кодируется 32 битами.

2.        Поскольку на экзамене по информатике пользоваться калькуляторами не разрешается, то в вычислениях лучше переходить к степеням двойки. Так, в битах объем памяти потребуется такой: 32 *32 (пикселей) * 32 (бит) — 25 *25 * 25 = 215 бит

3.    Переходим от бит к килобайтам: 1 Кбайт – 210 байт = 213 бит. Поэтому 215 бит = 215:213 Кбайт = 22 Кбайт = 4 Кбайт.

Ответ: 4 Кбайт.

1. Для хранения изображения размером 64 × 32 точек выделено 64 Кбайт памяти. Определите, какое максимальное число цветов допустимо использовать в этом случае.
2. Определить соотношение между высотой и шириной экрана монитора для различных режимов. Различается ли это соотношение для различных режимов?

1. а) 640×480; б) 800×600; в) 1024×768; г) 1152×864; д) 1280×1024.

3. Определить максимально возможную разрешающую способность экрана для монитора с диагональю 17” и размером точки экрана 0,25 мм.