Урок 9Растровое кодирование графической информации

Растровое изображение представляется в памяти компьютера виде

Всем привет! Меня зовут Александр. Я — репетитор по информатике, математике, программированию, базам данных, а также автор данной статьи.

Ключевой профиль моей педагогической деятельности — подготовка школьников $9$-х — $11$-х классов к успешной сдаче ОГЭ и ЕГЭ по информатике.

Возникли проблемы с заданием, ориентированным на кодирование графической информации? Записывайтесь ко мне на индивидуальный урок по информатике и ИКТ. На занятии мы с вами погрузимся в область, связанную с кодированием графической информации, и прорешаем колоссальное количество всевозможных тематических примеров.

Свои частные уроки я провожу в различных территориальных форматах:

Но настоятельно рекомендую остановить свой выбор на дистанционном формате, посредством программы «Skype«. Это очень удобно, недорого и крайне эффективно.

Звоните и записывайтесь на «пробник» прямо сейчас! Мой контактный номер телефона можно заметить в шапке данного сайта. Количество ученических мест ограниченно, еще $2-3$ человека смогу взять в этом месяце, но не больше.

Способ 1. Растровое кодирование

Графический объект, подлежащий представлению в цифровом виде, делится вертикальными и горизонтальными линиями на крошечные фрагменты — пиксели. Цвет каждого пикселя кодируется двоичным числом. Такой способ называется растровым кодированием.

Рассмотрим простую черно-белую картинку:

Каждую пустую (белую) клеточку рисунка, заключенного в рамку, мы закодировали нулем, а закрашенную (черную) — единицей.

Попробуем решить обратную задачу — восстановить рисунок по его коду, причем код будет десятичным. Представим имеющиеся десятичные числа в двоичном коде и закрасим клеточки, соответствующие 1:

В рассмотренных примерах каждый пиксель кодировался 1 битом. При цифровом представлении цветных изображений каждый пиксель кодируется цепочкой из 24 нулей и единиц, что позволяет различать более 16 миллионов цветовых оттенков.

Необычайно богатая цветовая палитра современных компьютеров получается смешением взятых в определенной пропорции трех основных цветов: красного, синего и зеленого. На кодирование каждого из них чаще всего отводится по 8 битов, в которых можно записать двоичные коды 256 различных оттенков основного цвета.

Проведем небольшой эксперимент

1. Запустите графический редактор Paint и выполните команду [Палитра — Изменить палитру].

2. В открывшемся диалоговом окне Изменение палитры щелкните на кнопке Определить цвет; обратите внимание на информацию в правой нижней части экрана.

3. Задайте несколько раз по своему усмотрению значения в полях ввода для основных цветов и проследите за изменениями в окне Цвет3аливка.

4. Установите, какие цвета получатся при следующих значениях основных цветов:

Точное число различных оттенков вы можете получить, если с помощью приложения Калькулятор вычислите значение произведения 256 • 256 • 256.

Проведем еще один эксперимент

1. Запустите графический редактор Paint, находящийся в группе программ Стандартные.

2. Откройте рисунок Образец из папки Заготовки (Мои документы6 классЗаготовки).

3. Выполните команду [Вид — Масштаб — Другой], в группе Варианты установите переключатель 400%, дающий увеличение исходной картинки в 4 раза.

4. Самостоятельно увеличьте исходную картинку в 8 раз (переключатель 800%).

5. Выполните команду [Вид — Масштаб — Показать сетку]. Обратите внимание на то, что весь исходный рисунок оказался состоящим из маленьких квадратиков.

6. Выберите инструмент Заливка и с его помощью попытайтесь внести изменения в рисунок, перекрашивая отдельные области.

7. Выполните команду [Вид — Масштаб — Обычный] и проследите за сделанными изменениями.

8. Выйдите из программы (команда [Файл — Выход]), не внося изменений в исходный файл (кнопка Нет в окне Внести изменения).

Дискретное представление изображения

Изображение на экране монитора дискретно. Оно составляется из отдельных точек, которые называются пикселями (picture elements — элементы рисунка). Это связано с техническими особенностями устройства экрана, независимо от его физической реализации, будь то монитор на электронно-лучевой трубке, жидкокристаллический или плазменный. Эти «точки» столь близки друг другу, что глаз не различает промежутков между ними, поэтому изображение воспринимается как непрерывное, сплошное. Если выводимое из компьютера изображение формируется на бумаге (принтером или плоттером), то линии на нем также выглядят непрерывными. Однако в основе все равно лежит печать близких друг к другу точек.

В зависимости от того, на какое графическое разрешение экрана настроена операционная система компьютера, на экране могут размещаться изображения, имеющие размер 800 х 600, 1024 х 768 и более пикселей. Такая прямоугольная матрица пикселей на экране компьютера называется растром.

Качество изображения зависит не только от размера растра, но и от размера экрана монитора, который обычно характеризуется длиной диагонали. Существует параметр разрешения экрана. Этот параметр измеряется в точках на дюйм (по-английски dots per inch — dpi). У монитора с диагональю 15 дюймов размер изображения на экране составляет примерно 28 х 21 см. Зная, что в одном дюйме 25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 800 х 600 пикселей разрешение экранного изображения равно 72 dpi.

При печати на бумаге разрешение должно быть намного выше. Полиграфическая печать полноцветного изображения требует разрешения 200-300 dpi. Стандартный фотоснимок размером 10 х 15 см должен содержать примерно 1000 х 1500 пикселей.

Растровая и векторная графика

В зависимости от способа создания графического изображения различают растровую, векторную и фрактальную графику.

В растровой графике изображение формируется в виде растра — совокупности точек (пикселей), образующих строки и столбцы. Каждый пиксель может принимать любой цвет из палитры, содержащей миллионы цветов. Точность цветопередачи — основное достоинство растровых графических изображений. При сохранении растрового изображения в памяти компьютера сохраняется информация о цвете каждого входящего в него пикселя.

Качество растрового изображения возрастает с увеличением количества пикселей в изображении и количества цветов в палитре. При этом возрастает и информационный объём всего изображения. Большой информационный объём — один из основных недостатков растровых изображений.

Следующий недостаток растровых изображений связан с некоторыми трудностями при их масштабировании. Так, при уменьшении растрового изображения несколько соседних пикселей преобразуются в один, что ведёт к потере чёткости мелких деталей изображения. При увеличении растрового изображения в него добавляются новые пиксели, при этом соседние пиксели принимают одинаковый цвет и возникает ступенчатый эффект (рис. 3.7).

Растровые графические изображения редко создают вручную. Чаще всего их получают путём сканирования подготовленных художниками иллюстраций или фотографий; в последнее время для ввода растровых изображений в компьютер широко применяются цифровые фотокамеры.

Статьи к прочтению:

Компьютерная графика. Основы коррекции тона Компьютерная графика Виды компьютерной графики Растровая графика Векторная графика Фрактальная графика 3D…

1.В файле растрового изображения запоминается информация о цвете каждого видеопикселя в виде комбинации битов. Бит- наименьший элемент памяти компьютера,…

Представление и устройство памяти персонального компьютера

Скорее всего, вы знаете, что внутренняя память компьютера состоит из двух частей – оперативной и основной:

• Оперативная — энергозависимая часть персональной компьютерной системы, в которой хранятся входные, выходные и промежуточные данные обрабатываемые процессором.
• Основная — представляется энергонезависимыми устройствами, предназначенных для хранения пользовательских типов данных (текстовых, звуковых, графических и др.) В качестве устройств для хранения используют HDD и SSD носители.

Чтобы иметь представление, как работает внутренняя память компьютера, и как её использовать, нужно заглянуть внутрь системного блока. Здесь можно провести аналогию с тетрадным листом “в клеточку”. Каждая клетка содержит в себе одно из двух состояний – 0 или 1. Если в ячейке стоит 1, то это говорит о том, что данная ячейка внутренней памяти включена, если 0, то выключена. Этот способ представления информации называется цифровым кодированием.

Каждая ячейка внутренней памяти ПК хранит в себе единицу информации, которая называется битом. Составляя различные последовательности из битов, мы можем определить различную информацию. У цифрового кодирования много преимуществ – легко копировать и переносить материалы с одного носителя на другой. При создании дубликата копия полностью идентична оригиналу, что невозможно осуществить с данными, которые представлены в аналоговой форме. Из-за большого количества преимуществ в 80-х годах 20 века люди начали использовать способы представления текста, звука и фото с помощью цифр.

Достоинства растровой графики:

1. Возможность воспроизведения изображений любого уровня сложности. Количество деталей, воспроизводимых на изображении во многом зависит от количества пикселов.
2. Точная передача цветовых переходов.
3. Наличие множества программ для отображения и редактирования растровой графики. Абсолютное большинство программ поддерживают одинаковые форматы файлов растровой графики. Растровое представление, пожалуй, самый «старый» способ хранения цифровых изображений.

1. Большой размер файла. Фактически для каждого пиксела приходится хранить информацию о его координатах и цвете.
2. Невозможность масштабирования (в часности, увеличения) изображения без потери качества.

Понятие растрового изображения

Растровые изображения это изображения, которые состоят из очень маленьких прямоугольников — пикселей разного цвета.

У каждого пикселя есть свое место на рисунке и свой собственный цвет.

Каждое изображение имеет фиксированное количество пикселов. Их вы можете видеть на экране монитора, большинство из которых отображают примерно от 70 до 100 пикселей на 1 дюйм (2,54 см) фактическое количество зависит от вашего монитора и настройки самого экрана.

Рекомендации по использованию различных форматов растровой графики

Теперь я постараюсь перейти от теории к практике и рассмотреть области применения различных форматов растровой графики в зависимости от их характеристик. Характеристики форматов такие: используемый тип сжатия, поддержка прозрачных цветов, возможность создания простейшей анимации, поддержка построчного вывода изображения для постепенной загрузки в браузере и используемое количество цветов в изображении.

Использование GIF

• Поддержка сжатия: без потерь (Lempel-Ziv-Welch, LZW)
• Поддержка прозрачности: Да
• Поддержка анимации: Да (отличительная особенность данного формата)
• Поддержка черезстрочного отображения: Да (interlaced)
• Количество цветов: индексированные цвета (256 цветов)
• Совместимость с другими платформами: все платформы

Рекомендации: целесообразно использовать этот формат в Web, для изображений без плавных цветовых переходов (логотипы, баннеры, надписи, схемы). Хороший тип сжатия и малое количество поддерживаемых цветов позволяют экономить место при хранении графики, а также использовать при создании сайтов для более быстрой загрузки HTML-страниц. Черезстрочная развертка дает возможность увидеть и оценить загружаемое изображения не дожидаясь окончание загрузки. Тем не менее, ограниченный набор цветов делает непригодным этот формат для хранения изображений с плавными переходами, градиентами и т.д. Применяется в основном в Интернете.

Использование PNG

• Поддержка сжатия: сжатие без потерь (Deflate)
• Поддержка прозрачности: Да
• Поддержка анимации: Да (APNG)
• Поддержка черезстрочного отображения: Да (two-dimensional interlacing)
• Количество цветов: Deep Color
• Совместимость с другими платформами: все платформы

Рекомендации: наиболее совершенный алгоритм сжатие в PNG позволяет сохранять файлы меньше по объему, чем в GIF. Возможность применения абсолютно любого цвета и использование прозрачности делают этот формат лидером в плане применения в Web. Я бы рекомендовал использовать его вместо GIF. Область применения — используется при дизайне Web-сайтов, редактировании изображений и т.д. Это универсальный формат с большим будущим.

Использование JPEG

• Поддержка сжатия: сжатие с потерями
• Поддержка прозрачности: отсутствует
• Поддержка анимации: отсутствует
• Поддержка черезстрочного отображения: Да (Progressive JPEG)
• Количество цветов: True Color (модели RGB и CMYK)
• Совместимость с другими платформами: все платформы

Рекомендации: этот формат нужно использовать для хранения большого количества изображений (фотографий) на жестком диске, что позволит значительно сэкономить его рабочее пространство (благодаря великолепному типу сжатия). В нем нужно хранить фотографии большого размера с большим количеством плавных переходов. Малый размер конечных файлов, позволяет эффективно применять JPEG для публикации фотографий в Интернет. Но не стоит сохранять одно и тоже изображения в JPEG несколько раз — это приведет к появлению дефектов и «повредит» изображение.

Использование TIFF

• Поддержка сжатия: поддерживает возможность применения различных алгоритмов сжатия (в зависимости от самого сохраняемого изображения)
• Поддержка прозрачности: отсутствует
• Поддержка анимации: отсутствует
• Поддержка черезстрочного отображения: отсутствует
• Количество цветов: 8, 16, 32 и 64 бит на кана (модели Lab, RGB и CMYK)
• Совместимость с другими платформами: все платформы

Рекомендации: этот мощный формат используется в полиграфии, издательских системах и т.д. Файлы в этом формате хранят для будущей печати. TIFF используется для хранения сканированных изображений, факсов и т.п. иллюстраций.

Использование BMP

• Поддержка сжатия: есть возможность использования сжатия без потерь (Run Length Encoding, RLE)
• Поддержка прозрачности: отсутствует
• Поддержка анимации: отсутствует
• Поддержка черезстрочного отображения: отсутствует
• Количество цветов: модель RGB, глубина цвета 24 бита
• Совместимость с другими платформами: только Windows

Рекомендации: данный формат не пригоден для использования в Web, типографике и даже для хранения изображений (из-за отсутсвия сжатия изображений). Используется только из-за того, что «внедрен» в ОС Windows по умолчанию.