Просторна дискретизација. Графичка обрада

Тих дана, када компјутери и даље нису имали тако моћне способности као што су сада, није било говора о претварању слика на папир или филм. Сада се сматра да такви објекти одговарају аналогном облику. Појавом нових технологија постало је могуће дигитализовати (на пример, коришћењем скенера). Због тога се појавила тзв. Дискретна форма слика. Али како је пренос графике из једног облика у други? Укратко о суштини таквих метода и даље ће бити речено што је могуће детаљније и једноставно тако да сваки корисник разуме шта се говори.

Шта је просторна дискретизација у рачунарској науци?

За почетак, размотрите општи концепт, објашњавајући га на најједноставнији језик. Од једног облика до другог, графичка слика се трансформише просторном дискретизацијом. Да бисте разумели шта је то, размислите о једноставном примеру.

Ако узмете било коју слику насликану акварелом, лако је видети да су сви прелази глатки (континуални). Али на скенираној слици, која је одштампана на инкјет штампачу, нема таквих прелаза, јер се састоји од много малих тачака, које се зову пиксели. Испоставља се да је пиксел врста градивног блока, који има одређена својства (на примјер, има своју боју или нијансу). Од таквих цигли и пуне слике се развија.

Шта је суштина методе просторне дискретизације?

Ако говоримо о суштини методе трансформације графике уз помоћ таквих технологија, можемо дати још један примјер који ће вам помоћи да схватите како све то функционира.

Дигитализоване слике које се, када се скенирају, када се прикажу на екрану компјутерског монитора, када се штампају, могу упоредити са врстом мозаика. Само се овде појављује пиксел као један део мозаика. То је једна од главних карактеристика свих модерних уређаја. Као што је већ било могуће погађати, што је више таквих тачака, а што је свака од њих мања, то су пријелази глаткији. На крају, њихов број за сваки специфични уређај одређује његову резолуцију. У компјутерској науци, уобичајено је за такву карактеристику да броји број пиксела (тачака) по инчу (дпи-тачке по инчу), са вертикалним и хоризонталним правцима.

Тако се ствара дводимензионална просторна решетка која донекле подсећа на конвенционални координатни систем. За сваку тачку у таквом систему можете да подесите сопствене параметре, који ће бити различити од суседних тачака.

Фактори који утичу на квалитет кодовања

Али не само горе наведени примјери у потпуности одражавају како просторна дискретизација функционира. Кодирање графичких информација узима у обзир неколико важнијих параметара који утичу на квалитет дигитализоване слике. Оне се не односе само на саме слике, већ и на уређаје који репродукују графику.

Пре свега, ово укључује следеће карактеристике:

• брзина узорковања;
• резолуција;
• дубина боје

Стопа узорковања

Брзина узорковања је величина фрагмената који чине слику. Овај параметар се може подједнако наћи у карактеристикама дигитализованих слика, скенера, штампача, монитора и графичких картица.

Истина, постоји једна препрека. Чињеница је да повећањем укупног броја бодова можете добити већу фреквенцију. У исто вријеме, величина датотеке спремљеног изворног објекта мијења се у складу с тим. Да би се то избјегло, умјетно одржавање величине на једном константном нивоу се тренутно примјењује.

Концепт резолуције

Овај параметар је већ споменут. Међутим, ако погледате уређаје за приказ слика, слика је нешто другачија.

Као пример параметара које користи просторна дискретизација, размотрите скенере. На пример, у карактеристикама уређаја наведена је резолуција од 1200 к 1400 дпи. Скенирање се врши померањем траке фотосензитивних елемената дуж скениране слике. Међутим, први број означава оптичку резолуцију самог уређаја (број елемената скенирања у једном инчу траке), а други се односи на хардверску резолуцију и одређује број "микро-покрета" траке са елементима скенирања на слици када прође један инч.

Дубина боје

Пред нама је још један важан параметар, без обзира на који потпуно разумемо шта је просторна дискретизација. Дубина боје (или дубина кодирања) се обично изражава у битовима (исто, случајно, може се приписати дубини звука) и одређује број боја које су биле укључене у изградњу слике, али се на крају односи на палете (сетови боја).

На пример, ако узмемо у обзир црно-белу палету која садржи само две боје (без градације нијанси сиве), количина информација када кодира сваку тачку, може се израчунати користећи горњу формулу, с обзиром да је Н укупан број боја (у нашем случају, Н = 2), а И је број стања које свака точка може узети (у нашем случају, И = 1, јер само два: црна или бела). Тако, Н ^И = 2 ¹ = 1 бит.

Квантизација

Просторна дискретизација такође може узети у обзир параметар који се зове квантизација. Шта је то? На неки начин подсећа на интерполациону технику.

Суштина процеса је да се референтна вредност сигнала замени најближом суседном вредношћу из фиксног скупа, што је листа нивоа квантизације.

Да бисте боље разумели како се претварају графичке информације, погледајте горњу слику. Представља графику у оригиналу (аналогни облик), слику са применом квантизације и бочну дисторзију, названу шум. На другој фотографији одозго можете видети чудне прелазе. Они се зову скале квантизације. Ако су сви прелази исти, скала се назива униформна.

Дигитално кодирање

Приликом конвертовања графичких информација, треба напоменути да, за разлику од аналогног сигнала, квантни сигнал може узети само врло специфичан фиксни број вриједности. То вам омогућава да их конвертујете у скуп знакова и знакова, чији се редослед назива код. Коначна секвенца се назива кодна реч.

Свака кодна ријеч одговара једном интервалу квантизације, а бинарни код се користи за кодирање. Међутим, понекад треба узети у обзир и брзину преноса података, која је производ фреквенције узорковања и дужине кодне речи и изражава се у битовима у секунди (бпс). Грубо речено, то није ништа више од максималног могућег броја пренесених бинарних симбола по јединици времена.

Пример израчунавања видео меморије за приказивање растерске слике на монитору

Коначно, још један важан аспект који се односи на оно што чини просторну дискретизацију. Растерске слике на екрану монитора се репродукују према одређеним правилима и захтевају меморију.

На пример, монитор је подешен на графички режим са резолуцијом од 800 к 600 тачака по инчу и дубином боје од 24 бита. Укупан број бодова ће бити једнак 800 к 600 к 24 бита = 11 520 000 бита, што одговара 1 440 000 бајта, или 1406,25 Кб, или 1,37 МБ.

Методе компресије видео записа

Технологија просторне дискретизације, као што је већ јасно, применљива је не само на графику, већ и на видео слике, које се у одређеном смислу могу приписати и графичким (визуелним) информацијама. Истина, такав материјал је дигитализован неко време са ограниченим могућностима, пошто су коначни фајлови били толико велики да је било непрактично држати их на чврстом диску рачунара (запамтите барем оригинални АВИ формат који је Мицрософт развио у једном тренутку).

С појавом М-ЈПЕГ, МПЕГ-4 и Х.64 алгоритама, постало је могуће смањити коначне датотеке са омјером смањења од 10-400 пута. Многи могу тврдити да ће компримирани видео бити лошијег квалитета од оригинала. У неком смислу, онако како јесте. Међутим, у таквим технологијама, смањење величине се може постићи губитком квалитета и без губитка.

Постоје две главне методе помоћу којих се врши компресија: интрафраме и интерфраме. Обе ове опције се заснивају на искључивању дуплих елемената са слике, али не утичу, на пример, на промену осветљености, боје итд. Оно што је у првом случају, у другом случају, разлика између сцена у једном кадру или између два сусједна је безначајна, тако да разлика у оку није посебно примјетна. Али при брисању горе наведених елемената из датотеке, разлика у величини између оригиналне и коначне слике је веома значајна.

Једна од најзанимљивијих, мада прилично сложених, метода које просторна дискретизација користи за компримирање слика је технологија, названа дискретна косинусна трансформација, коју је предложио В. Цхен 1981. године. Заснована је на матрици у којој су, за разлику од оригиналне, која описује само вриједности узорака, приказане вриједности брзине њихове промјене.

Дакле, може се сматрати одређеном мрежом варијација брзине у вертикалном и хоризонталном правцу. Величина сваког блока одређена је ЈПЕГ технологијом и 8 к 8 пиксела. Компресија се примењује на сваки блок, али не и на целу слику. Дакле, разлика између извора и завршног материјала постаје још мање уочљива. Понекад се у компјутерској терминологији таква техника назива и под-узорковање.

Даље, осветљеност и хроматичност се могу применити на горе описану квантизацију, у којој је свака вредност косинусне трансформације подељена коефицијентом квантизације, који се може наћи у специјалним табелама на основу такозваних психофизичких тестова.

Сама табела одговара строго дефинисаним класама блокова груписаних по активностима (униформна слика, неструктурирана слика, хоризонтална или вертикална разлика, итд.). Другим речима, за сваки блок су постављене његове сопствене вредности, које се не примењују на суседе или оне које се разликују у класи.

Коначно, након квантизације, на основу Хуффмановог кода, врши се уклањање редундантних коефицијената (редукција редунданције), што омогућава добијање кодне речи дужине мање од једног бита за сваки коефицијент (ВЛЦ) за накнадно кодирање. Затим се формира линеарна секвенца за коју се користи метода цик-цак читања, која групише вредности у коначној матрици у облику значајних вредности и секвенци нула. Али као што се могу уклонити. Преостале комбинације се компримују на стандардни начин.

Генерално, стручњаци не препоручују посебно шифрирање графичких информација помоћу ЈПЕГ технологија, будући да имају неколико недостатака. Прво, вишеструко поновно чување датотека увек доводи до погоршања квалитета. Друго, због чињенице да објекти кодирани са ЈПЕГ не могу да садрже транспарентне области, могуће је применити такве методе на графичке слике или скениране узорке уметничке графике само ако оне вертикално и хоризонтално не прелазе величину у 200 пиксела. У супротном, погоршање квалитета коначне слике ће бити изражено веома ведро.

Истина, ЈПЕГ алгоритми су постали основа за МПЕГ технологију компресије, као и за разне конференцијске стандарде као што су Х.26Кс и Х32Кс.

Уместо поговора

Ево кратког и свега онога што се тиче разумевања питања везаних за конверзију аналогне форме графике и видеа у дискретне (по аналогији се такве технике користе за звук). Описане технологије су прилично тешке за обичног корисника да разуме, међутим, неке важне компоненте главних метода још увијек се могу разумјети. Није се бавило питањем постављања монитора да би се добила слика највишег квалитета. Међутим, по питању које нас занима, може се примијетити да није увијек потребно успоставити највећу могућу резолуцију, јер прекомјерни параметри могу довести до квара уређаја. Исто важи и за фреквенцију освежавања екрана. Боље је да користите вредности које препоручује произвођач или оне које оперативни систем предлаже да користите по подразумеваној вредности након инсталирања одговарајућих управљачких програма и контролног софтвера.

Што се тиче само-скенирања или транскодирања информација из једног формата у други, требали бисте користити посебне програме и претвараче, али како би се избјегло снижавање квалитета, максималну могућу компресију како би се смањила величина коначних датотека је боље не однијети. Такве методе су примјењиве само у оним случајевима када се информације требају похранити на медијима с ограниченом количином (на примјер, ЦД / ДВД-дискови). Али ако има довољно простора на хард диску, или када желите да направите презентацију за емитовање на великом екрану, или да штампате фотографије на савременој опреми (фото штампачи се не рачунају), боље је не занемарити квалитет.