Кодирование информации в вычислительных машинах

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета  точки) должна храниться в видеопамяти  компьютера. Рассчитаем необходимый  объем видеопамяти для одного из графических режимов. В современных  компьютерах разрешение экрана обычно составляет 1280х1024 точек. Т.е. всего 1280 * 1024 = 1310720 точек. При глубине цвета 32 бита на точку необходимый объем  видеопамяти: 32 * 1310720 = 41943040 бит = 5242880 байт = 5120 Кб = 5 Мб.

Растровые изображения очень чувствительны к масштабированию (увеличению или уменьшению). При уменьшении растрового изображения несколько соседних точек преобразуются в одну, поэтому теряется различимость мелких деталей изображения. При увеличении изображения увеличивается размер каждой точки и появляется ступенчатый эффект, который можно увидеть невооруженным глазом.

Кодирование векторных изображений

Векторное изображение представляет собой совокупность графических  примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими  формулами. Кодирование зависит  от прикладной среды.

 

 

 

 

Достоинством векторной  графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем.

Важно также, что векторные  графические изображения могут  быть увеличены или уменьшены  без потери качества.

Графические форматы  файлов

Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия).

Наиболее популярные растровые  форматы:

• BMP
• GIF
• JPEG
• TIFF
• PNG

Bit MaP image (BMP) — универсальный формат растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows. Этот формат поддерживается многими графическими редакторами, в том числе редактором Paint. Рекомендуется для хранения и обмена данными с другими приложениями.

Tagged Image File Format (TIFF) — формат растровых графических файлов, поддерживается всеми основными графическими редакторами и компьютерными платформами. Включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации. Используется для обмена документами между различными программами. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами.

Graphics Interchange Format (GIF) — формат растровых графических файлов, поддерживается приложениями для различных операционных систем. Включает алгоритм сжатия без потерь информации, позволяющий уменьшить объем файла в несколько раз. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Portable Network Graphic (PNG) — формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. Рекомендуется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

Joint Photographic Expert Group (JPEG) — формат растровых графических файлов, который реализует эффективный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере части информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете.

 

Кодирование звуковой информации 

Что такое "мультимедиа"?

Мультимедиа – это собирательное понятие для различных компьютерных технологий, использующих динамические (движущиеся) изображения и звуковые эффекты. Само слово “мультимедиа“ происходит от двух латинских корней multi – много и media – средство. Использование видео- и аудио-эффектов обеспечивает наглядность представления информации, позволяет преподносить ее в более привлекательном с эстетической точки зрения виде. Примерами программных систем, широко использующих средства мультимедиа, являются системы подготовки презентаций, обучающие системы, в том числе компьютерные тренажеры и виртуальные лаборатории, компьютерные энциклопедии, фоно- и видеотеки, игры.

Основными объектами мультимедиа  в настоящее время являются записи звука и динамических изображений, представленные в различных цифровых форматах.

Практически все программные  системы, использующие мультимедиа-объекты, являются интерактивными, то есть ведущими интенсивный диалог с пользователем, поэтому для них очень важна  возможность не только качественного, но и быстрого воспроизведения звука  и изображений.

Широко распространены программы, служащие для воспроизведения объектов мультимедиа. Такие программы называются проигрывателями или плеерами (от английского «player»). Примерами таких программ являются следующие проигрыватели: проигрыватель Windows Media, Winamp, Media Player Classic и др.

Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация. Непрерывная  звуковая волна разбивается на отдельные  маленькие участки, причем для каждого  такого участка устанавливается  определенная величина амплитуды. Таким  образом, непрерывная зависимость  амплитуды сигнала от времени  заменяется на дискретную последовательность уровней громкости.

К примеру, существуют звуковые карты, обеспечивающие 16-битную глубину кодирования звука. В этом случае количество уровней сигнала будет равно 65536.

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

Количество измерений  в секунду может лежать в диапазоне  от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации  аналогового звукового сигнала  может принимать значения от 8 до 48 кГц - качество звучания аудио- CD. Следует также учитывать, что возможны как моно -, так и стерео- режимы.

 

 

 

 

 

Звукозапись играет роль цифрового  магнитофона и позволяет записывать звук, т.е. дискретизировать звуковые сигналы, и сохранять их в звуковых файлах в формате wav. Также эта программа позволяет производить простейшее редактирование звуковых файлов.

                      Стандартная программа Windows.

 

Примеры форматов звуковых файлов:

• Формат WAVE (WAV). Стандартный формат файлов для хранения звука в системе Windows. Является специальным типом другого, более общего формата RIFF (Resource Interchange File Format); другой разновидностью RIFF служат видео-файлы AVI. Файл RIFF составлен из блоков, некоторые из которых могут, в свою очередь, содержать другие вложенные блоки; перед каждым блоком данных помещается четырехсимвольный идентификатор и длина. Звуковые файлы WAV, как правило, более просты и имеют только один блок формата и один блок данных. В первом содержится общая информация об оцифрованном звуке (число каналов, частота дискретизации, характер зависимости громкости и т.д.), а во втором — сами числовые данные. Каждый отсчет занимает целое количество байт (например, 2 байта в случае 12-битовых чисел, старшие разряды содержат нули). При стереозаписи числа группируются парами для левого и правого канала соответственно, причем каждая пара образует законченный блок — для нашего примера его длина составит 4 байта. Такая, казалось бы, излишняя структурированность позволяет программному обеспечению оптимизировать процесс передачи данных при воспроизведении, но, как в подобных случаях всегда бывает, выигрыш во времени приводит к существенному увеличению размера файла.
• Формат MIDI. Название MIDI есть сокращение от Musical Instrument Digital Interface, т.е. цифровой интерфейс для музыкальных инструментов. Это довольно старый (1983 г.) стандарт, объединяющий разнообразное музыкальное оборудование (синтезаторы, ударные, освещение). MIDI базируется на пакетах данных, каждый из которых соответствует некоторому событию, в частности, нажатию клавиши или установке режима звучания. Любое событие может одновременно управлять несколькими каналами, каждый из которых относится к определенному оборудованию. Несмотря на свое изначальное предназначение, формат файла стал стандартным для музыкальных данных, которые при желании можно проигрывать с помощью звуковой карты компьютера безо всякого внешнего MIDI-оборудования. Главным преимуществом файлов MIDI является их очень небольшой размер, поскольку это не детальная запись звука, а фактически некоторый расширенный электронный эквивалент традиционной нотной записи. Но это же свойство одновременно является и недостатком: поскольку звук не детализирован, то разное оборудование будет воспроизводить его по-разному, что в принципе может даже заметно исказить авторский музыкальный замысел.
• Формат MOD. Представляет собой дальнейшее развитие идеологии MIDI-файлов. Известные как “модули программ воспроизведения”, они хранят в себе не только “электронные ноты”, но и образцы оцифрованного звука, которые используются как шаблоны индивидуальных нот. Таким способом достигается однозначность воспроизведения звука. К недостаткам формата следует отнести большие затраты времени при наложении друг на друга шаблонов одновременно звучащих нот.

Представление видеоинформации

В последнее время компьютер  все чаще используется для работы с видеоинформацией. Простейшей такой  работой является просмотр кинофильмов  и видеоклипов. Следует четко  представлять, что обработка видеоинформации  требует очень высокого быстродействия компьютерной системы.

Что представляет собой фильм  с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание звуковой и  графической информации. Кроме того, для создания на экране эффекта движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены статических  картинок. Исследования показали, что  если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные.

Казалось бы, если проблемы кодирования статистической графики  и звука решены, то сохранить видеоизображение уже не составит труда. Но это только на первый взгляд, поскольку, как показывает разобранный выше пример, при использовании традиционных методов сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой. Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, что первый кадр запоминается целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующие сохраняют только отличия от начального кадра (разностные кадры).

 

 

Существует множество  различных форматов представления видеоданных.

В среде Windows, например, уже более 10 лет (начиная с версии 3.1) применятся формат Video for Windows, базирующийся на универсальных файлах с расширением AVI (Audio Video Interleave - чередование аудио и видео).

Большое распространение  получила технология под названием DivX (происходит от сокращения слова Digital Video Express). Благодаря DivX удалось достигнуть степени сжатия, позволившей вместить качественную запись полнометражного фильма на один компакт диск - сжать 4,7 Гб DVD-фильма до 650 Мб.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

	Страница