§3.4. Изображение и компьютерный экран

ВНИМАНИЕ:

Различие в представлении графической информации в растровом и векторном форматах существует лишь для файлов. При выводе на экран любого изображения в видеопамяти формируется информация, содержащая данные о цвете каждого пикселя экрана.

Любой рисунок на экране является растровым, то есть вывод на экран и растрового рисунка, и векторного рисунка происходит в виде пикселей.

Дополнительно (школьная информация):

Информация, в основном, взята из школьного учебника «Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. 10 – 11.». Также использована информация из других школьных учебников.

Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, то есть количеством точек, из которых оно складывается. Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. Примеры: 800х600, 1024х768, 1280х1024 и т.д.

§3.5. Изображение и тип файла

Файлы (расширения файлов и компьютерная графика):

• *.bmp , *.pcx , *.gif , *.msp , *.img и др. соответствуют форматам растрового типа,

• *.dwg , *.dxf , *.pic и др. - векторного.

Иногда, правда, растровые изображения могут входить в состав векторных – как отдельные графические примитивы.

§4. Кодирование звуковой и видеоинформации. §4.1. Аналоговый и дискретный способы представления изображений и звука.

Информация может быть представлена в аналоговой или дискретной форме.

При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.

При дискретном – конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

Например, спуск шарика по наклонной поверхности (аналоговое) или по лесенке (дискретное).

Пример аналогового и дискретного представления графической информации: художественное полотно, цвет которого изменяется непрерывно – аналоговое; распечатанное на принтере – дискретное.

Пример звуковой информации: пластинка – аналоговое представление, компакт-диск – дискретное представление.

Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода.

§4.2. Двоичное кодирование звуковой информации.

В аналоговой форме звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.

Определение: Звук – звуковая волна с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.

Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека; чем больше частота сигнала, тем выше тон.

В дискретном виде звуковой сигнал превращен в последовательность электрических импульсов. В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временнáя дискретизация, при которой в определенные моменты времени амплитуда звуковой волны измеряется и квантуется, т.е. ей присваивается определенное значение из некоторого фиксированного набора. Данный метод называется еще импульсно-кодовой модуляцией PCM (Pulse Code Modulation).. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды. Преобразование непрерывной звуковой волны в последовательность звуковых импульсов различной амплитуды производится с помощью аналого-цифрового преобразователя размещенного на звуковой плате.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (смотри рисунок «временная дискретизация звука»).

Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня громкости звука, его код (1, 2, 3 и так далее). 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.

Например, звуковая карта обеспечивает 16-битную глубину кодирования звука (каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код). Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчитать по формуле (I – глубина звука):

N = 2^I = 2¹⁶ = 65536

Таким образом, такая звуковая карта может обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала (уровней громкости). Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код (16-битная глубина кодирования звука).

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования, то есть звучание будет более качественным.

Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне: от 8000 до 48000, то есть частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц.

Иначе частота дискретизации аналогового звукового сигнала: от 8 кГц (радиотрансляция) до 48 кГц (аудио – CD).

Также возможны моно- и стерео- режимы.

Пример.

Оцените информационный объем высококачественного стереоаудиофайла длительностью звучания 1 секунда, если "глубина" дискретизации 16 бит, а частота 24 кГц.

Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:

16 бит *24 000 = 384000 бит 47 Кбайт

Соответственно, чтобы узнать информационный объем файла, длительностью 1 минуту, нужно умножить полученное число на 60.

***

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки – нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.

Заметим, что существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18-20 музыкальных композиций на стандартный компакт-диск (CD-ROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.