Конспект урока "Кодирование и обработка графической информации"

Цели:

• сформировать у учащихся представление о том, как кодируется в компьютере графическая информация;
• научить решать задачи по теме урока;
• развивать внимание, логическое мышление, память, воображение.

Задачи:

• ввести понятия растровая и векторная графика, пространственная дискредитация, оптическое и аппаратное разрешение;
• актуализация ранее полученных знаний о цвете, палитре, о хранении информации в памяти компьютера;
• совершенствовать навыки работы на компьютере.

Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация к уроку.

Ход урока

Организационный момент

Приветствие учащихся. Проверка готовности к уроку.

Введение в тему урока

На уроках ИЗО вы узнали, что при написании картины на листе бумаге или холсте художник использует палитру. Создавать картины можно и на компьютере, здесь тоже используется палитра. Какую палитру и какого размера «лист» использует компьютер для своих картин?

Об этом мы сегодня будем говорить на уроке. Вы узнаете, как вычислить объем памяти, необходимый для хранения изображения. Сколько цветов можно использовать при создании электронной картины?

Изучение нового материала

По ходу показа презентации идет объяснение темы.

Графическая информация может быть представлена в аналоговой и дискретной формах. примером аналогового представления графической информации может служить живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного – изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета.

Графическая информация представляет собой изображение, сформированное из определенного числа точек – пикселей. Процесс разбиения изображения на отдельные маленькие фрагменты (точки) называется пространственной дискретизацией. Ее можно сравнить с построением рисунка из мозаики. При этом каждой точке мозаике присваивается код цвета.

От количества точек зависит качество изображения. Оно тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее их количество составляет изображение. Графическая ин­формация на экране монитора представляется в виде растро­вого изображения, которое формируется из определенного ко­личества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей).

Пространственная дискретизация непрерывных изображений, хранящихся на бумаге, фото – и кинопленке, может быть осуществлена путем сканирования.

Качество растровых изображений, полученных в результате сканирования, зависит от разрешающей способности сканера, которую производители указывают двумя числами (например 1200×2400 dpi(точек на дюйм)). Сканирование производится путем перемещения полоски светочувствительных элементов вдоль изображения.

Первое число является оптическим разрешением и определяется количеством светочувствительных элементов на одном дюйме полоски. Второе число является аппаратным разрешением, оно определяется количеством микрошагов, которое может сделать полоска светочувствительных элементов, перемещаясь на один дюйм вдоль изображения.

Качество изображения определяется разрешающей спо­собностью монитора, т. е. количеством точек, из которых оно складывается. Такое количество точек называется разрешающей способностью, и обычно существуют четыре основных значений этого параметра: 640×480, 800×600, 1024×768, 1280×1024.

Качество изображений зависит также от количества цветов, т.е. от количества возможных состояний точек изображения, т.к. при этом каждая точка несет большее количество информации. Используемый набор цветов образует палитру цветов.

Каждый цвет можно рассматривать как возможное стояние точки. Количество цветов N в палитре и количество информации I, необходимое для кодирования цвета каждой точки, связаны между собой и могут быть вычислены по формуле: N=2^I        

Количество информации, которое используется для кодирования цвета точки изображения (I), называется глубиной цвета. Глубина цвета измеряется в битах на точку и характеризует количество цветов, в которые могут быть окрашены изображения.

Палитры цветов в системах цветопередачи RGB, CMYK и HSB

Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов (так называемых колбочек). Наибольшая чувствительность колбочек приходится на красный, зеленый и синий цвета, которые являются базовыми для человеческого восприятия. Сумма красного, зеленого и синего цветов воспринимается человеком как белый цвет, их отсутствие – как черный, а различные их сочетания – как многочисленные оттенки цветов.

Палитра цветов в системе цветопередачи RGB

С экрана монитора человек воспринимает цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red – красный, Green – зеленый, Blue – синий).

Цвета в палитре RGB формируются путем сложения базовых цветов, каждый из которых может иметь различную интенсивность. Цвет Color палитры можно определить с помощью формулы: Color = R+G+B, где 0% ≤ R ≤ 100 %, 0% ≤ G ≤ 100%, 0% ≤ B ≤1 00%.

Формирование цветов в системе цветопередачи RGB

Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, то есть для каждого из цветов возможны N = 2⁸= 256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами (от минимальной - 00000000 до максимальной - 11111111)

Формирование цветов при глубине цвета 24 бита

Палитра цветов в системе цветопередачи CMYK

При передачи изображений на принтерах используется палитра цветов в системе CMYK. Основными красками в ней являются Cyan – голубая, Magenta – пурпурная и Yellow – желтая. Система CMYK, в отличие от RGB, основана на восприятии не излучаемого, а отображаемого света.

Напечатанное на бумаге изображение человек воспринимает в отраженном свете.

Если на бумагу краски не нанесены, то падающий белый свет полностью отражается, и мы видим белый лист бумаги. Если краски нанесены, то они поглощают определенные цвета. Цвета в палитре CMYK формируются путем вычитания из белого цвета определенных цветов.

Нанесенная на бумагу голубая краска поглощает красный свет и отражает зеленый и синий свет, и мы видим голубой цвет. Нанесенная на бумагу пурпурная краска поглощает зеленый свет и отражает красный и синий свет, и мы видим пурпурный цвет. Нанесенная на бумагу желтая краска поглощает синий свет и отражает красный и зеленый свет, и мы видим желтый цвет.

Цвета в палитре CMYK формируются путем наложения красок базовых цветов. Цвет палитры Color можно определить с помощью формулы, в которой интенсивность каждой краски задается в процентах: Color = C+M+Y, где 0% ≤ С≤ 100%, 0% ≤ М ≤ 100%, 0% ≤ Y ≤ 100%.

Смешение трех красок – голубой, желтой и пурпурной должно приводить к полному поглощению света, и мы должны увидеть черный цвет. Однако на практике вместо черного цвета получается грязно-бурый цвет. Поэтому в цветовой модели присутствует еще один, истинно черный цвет. Так как буква «В» уже используется для обозначения синего цвета, для обозначения черного цвета принята последняя буква в английском названии черного цвета «Black», т.е. «К».

Формирование цветов в системе цветопередачи CMYK

Система цветопередачи RGB применяется в мониторах компьютеров, в телевизорах и других излучающих свет технических устройствах. Система цветопередачи CMYK применяется в полиграфии, так как напечатанные документы воспринимаются человеком в отраженном свете. В струйных принтерах для получения изображений высокого качества используются четыре картриджа, содержащие базовые краски системы цветопередачи CMYK.

Палитра цветов в системе цветопередачи HSB

Система цветопередачи HSB используется в качестве базовых параметров Hue (Оттенок цвета), Saturation (Насыщенность) и Brightness (Яркость). Параметр Hue позволяет выбрать оттенок из всех цветов оптического спектра, начиная с красного цвета и кончая фиолетовым (Н=0 – красный, Н=120 – зеленый, Н=240 – синий, Н=360 – фиолетовый цвет).

Параметр Saturation определяет процент «чистого» оттенка и белого цвета (S=0% - белый цвет, S=100% - «чистый» оттенок). Параметр Brightness определяет интенсивность цвета (минимальное значение В=0 соответствует черному цвету, максимальное значение В=100 соответствует максимальной яркости выбранного оттенка цвета).

В графических редакторах обычно имеется возможность перехода от одной модели цветопередачи к другой. Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в стро­ке, тем выше качество изображения.

Растровая и векторная графика

Одно и то же изображение может быть представлено в памяти ЭВМ двумя принципиально различными способами и получено два различных типа изображения: растровое и векторное. Рассмотрим подробнее эти способы представления изображений, выделим их основные параметры и определим их достоинства и недостатки.

Что такое растровое изображение?

Возьмем фотографию. Конечно, она тоже состоит из маленьких элементов, но будем считать, что отдельные элементы мы рассмотреть не можем. Она представляется для нас, как реальная картина природы.

Теперь разобьём это изображение на маленькие квадратики (маленькие, но всё-таки чётко различимые), и каждый квадратик закрасим цветом, преобладающим в нём (на самом деле программы при оцифровке генерируют некий «средний» цвет, т. е. если у нас была одна чёрная точка и одна белая, то квадратик будет иметь серый цвет).

Как мы видим, изображение стало состоять из конечного числа квадратиков определённого цвета.

Теперь каким-либо методом занумеруем цвета. Конкретная реализация этих методов нас пока не интересует. Для нас сейчас важно то, что каждый пиксель на рисунке стал иметь определённый цвет, обозначенный цифрой.

Теперь пойдём по порядку (слева направо и сверху вниз) и будем в строчку выписывать номера цветов встречающихся пикселей. Получится строка примерно следующего вида: 1 2 8 3 212  45  67  45  127  4  78  225  34 ... 

Вот эта строка и есть наши оцифрованные данные. Теперь мы можем сжать их (так как несжатые графические данные обычно имеют достаточно большой размер) и сохранить в файл.

Итак, под растровым (bitmap, raster) понимают способ представления изображения в виде совокупности отдельных точек (пикселей) различных цветов или оттенков. Это наиболее простой способ представления изображения, ибо таким образом видит наш глаз.

Достоинством такого способа является возможность получения фотореалистичного изображения высокого качества в различном цветовом диапазоне. Недостатком – высокая точность и широкий цветовой диапазон требуют увеличения объема файла для хранения изображения и оперативной памяти для его обработки.

Для векторной графики характерно разбиение изображения на ряд графических примитивов – точки, прямые, ломаные, дуги, полигоны. Таким образом, появляется возможность хранить не все точки изображения, а координаты узлов примитивов и их свойства (цвет, связь с другими узлами и т. д.)

Вернемся к исходному изображению. Взглянем на него по-другому.

На изображении легко можно выделить множество простых объектов — отрезки прямых, ломанные, эллипс, замкнутые кривые. Представим себе, что пространство рисунка существует в некоторой координатной системе. Тогда можно описать это изображение, как совокупность простых объектов, вышеперечисленных типов, координаты узлов которых заданы вектором относительно точки начала координат.

Проще говоря, чтобы компьютер нарисовал прямую, нужны координаты двух точек, которые связываются по кратчайшей прямой. Для  дуги задается радиус и т. д. Таким образом, векторная иллюстрация – это набор  геометрических примитивов.

Важной деталью является то, что объекты задаются независимо друг от друга и, следовательно, могут перекрываться между собой. При использовании векторного представления изображение хранится в памяти как база данных описаний примитивов. Основные графические примитивы, используемые в векторных графических редакторах: точка, прямая, кривая Безье, эллипс (окружность), полигон (прямоугольник). Примитив строится вокруг его узлов (nodes). Координаты узлов задаются относительно координатной системы макета.

А изображение будет представлять из себя массив описаний – нечто типа:

• отрезок (20,20-100,80);
• окружность(50,40-30);
• кривая Безье (20,20-50,30-100,50).

Каждому узлу приписывается группа параметров, в зависимости от типа примитива, которые задают его геометрию относительно узла. Например, окружность задается одним узлом и одним параметром – радиусом. Такой набор параметров, которые играют роль коэффициентов и других величин в уравнениях и аналитических соотношениях объекта данного типа, называют аналитической моделью примитива. Векторное изображение может быть легко масштабировано без потери деталей, так как это требует пересчета сравнительно небольшого числа координат узлов. Другой термин – «object-oriented graphics».

Самой простой аналогией векторного изображения может служить аппликация. Все изображение состоит из отдельных кусочков различной формы и цвета (даже части растра), «склеенных»  между собой. Понятно, что таким образом трудно получить фотореалистичное изображение, так как на нем сложно выделить конечное число примитивов, однако существенными достоинствами векторного способа представления изображения, по сравнению с растровым, являются:

• векторное изображение может быть легко масштабировано без потери качества, так как это требует пересчета сравнительно небольшого числа координат узлов;
• графические файлы, в которых хранятся векторные изображения, имеют существенно меньший, по сравнению с растровыми, объем (порядка нескольких килобайт).

Сферы применения векторной графики очень широки. В полиграфике – от создания красочных иллюстраций до работы со шрифтами. Все, что мы называем машинной графикой, 3D-графикой, графическими средствами компьютерного моделирования и САПР – все это сферы приоритета векторной графики, ибо эти ветви дерева компьютерных наук рассматривают изображение исключительно с позиции его математического представления.

Как видно, векторным можно назвать только способ описания изображения, а само изображение для нашего глаза всегда растровое. Таким образом, задачами векторного графического редактора являются растровая прорисовка графических примитивов и предоставление пользователю сервиса по изменению параметров этих примитивов. Все изображение представляет собой базу данных примитивов и параметров макета (размеры холста, единицы измерения и т. д.)

Для уяснения разницы между растровой и векторной графикой приведем простой пример. Вы решили отсканировать Вашу фотографию размером 10х15 см чтобы затем обработать и распечатать на цветном принтере. Для получения приемлемого качества печати необходимо разрешение не менее 300 dpi. Считаем: 10 см = 3,9 дюйма; 15 см = 5,9 дюймов.

По вертикали: 3,9 * 300 = 1170 точек.

По горизонтали: 5,9 * 300 = 1770 точек.

Итак, число пикселей растровой матрицы  1170 * 1770 =  2 070 900.

Теперь решим, сколько цветов мы хотим использовать. Для черно-белого изображения используют обычно 256 градаций серого цвета для каждого пикселя, или 1 байт. Получаем, что для хранения нашего изображения надо 2 070 900 байт или 1,97 Мб.

Для получения качественного цветного изображения надо не менее 256 оттенков для каждого базового цвета. В модели RGB соответственно их 3: красный, зеленый и синий. Получаем общее количество байт – 3 на каждый пиксел. Соответственно, размер хранимого изображения возрастает в три раза и составляет 5,92 Мб.

Для создания макета для полиграфии фотографии сканируют с разрешением 600 dpi, следовательно, размер файла вырастает еще вчетверо.

С другой стороны, если изображение состоит из простых объектов, то для его хранения в векторном виде необходимо нескольких килобайт.

Закрепление изученного материала

Практическое задание (работа на компьютере)

А теперь посмотрим, на сколько мы с вами усвоили представленный материал. Попробуем с помощью компьютера оценить преимущества и недостатки растровой и векторной графики. Для этого нарисуйте и сохраните две закрашенные окружности (приблизительно одного размера), используя графический редактор Paint и текстовый редактор Word. Посмотрите, какой объем занимают сохраненные вами файлы.

Решение задач

1. Какой объем видеопамяти необходим для хранения четырех страниц изображения при условии, что разрешающая способность дисплея равна 640х480 точек, а используемых цветов – 32?

Задача решается коллективно с пояснением на слайде.

Решение:

1) N= 2^I, 32=2^I I= 5 бит – глубина цвета.

2) 640x480x5x4=6144000бит=750 Кбайт.

Ответ: 750 Кбайт.

Вторая и третья задачи решаются самостоятельно. После выполнения ответы показываются на слайде, обучающиеся производят самопроверку.

2. Объем видеопамяти равен 1875 Кбайтам и она разделена на 2 страницы. Какое максимальное количество цветов можно использовать при условии, что разрешающая способность экрана монитора 800x600 точек?

Решение:

1) 1875 × 1024 × 8=15360000 бит - объем видеопамяти.

2) 15360000 : 600 : 800 : 2=16 бит - глубина цвета.

3) N= 2^I, N=2¹⁶ =65536 цветов.

Ответ: 65536 цветов.

3. После преобразования графического изображения количество цветов уменьшилось с 256 до 32. Во сколько раз уменьшился объем занимаемой им памяти.

Решение:

1) N₁ = 2^I, 256 = 2^I , I₁ = 8;

2) N₂ = 2^I , 32 = 2^I , I₂ = 5;

3) I₁/I₂ = 8/5 = 1,6 раза.

Ответ: 1,6 цветов.

Итоги урока

Оценить работу класса и назвать учащихся, отличившихся на уроке. Оцените ваше эмоциональное состояние на уроке нарисуйте на мониторе кружки: красный – вызвало затруднение, зеленый – оказалось неожиданным, желтый – вызвало затруднение, пурпурный – особенно понравилось.

Домашнее задание

Решить задачи:

1. После преобразования графического изображения количество цветов увеличилось с 256 до 65536. во сколько раз увеличился объем занимаемый им в памяти.
2. Сканируется цветное изображение стандартного размера формата А4. разрешающая способность сканера 600 dpi и глубина цвета 32 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл?

kodirovanie_informacii.rar

Размер:

509.73 Kb

Скачали:

210