Представление изображений

В современных компьютерных системах хранится не только текстовая и числовая информация. Они также включают в себя графическую, звуковую и видеоинформацию. По сравнению с методами хранения символов и чисел способы представления этих дополнительных данных находятся только в начале своего развития и, следовательно, не настолько стандартизированы.

В соответствии с методами, применяемыми для их представления, все изображения можно разделить на две категории: растровые (bitmap techniques) и векторные (vector techniques). Растровое изображение представляет собой набор точек, элементов изображения, которые называются пикселами (pixels). Самое простое представление имеет вид длинной последовательности битов, каждый из которых равен 0 или 1 в зависимости от того, белого или черного цвета пиксел. Цветные изображения немного сложнее, гак как каждый пиксел должен быть представлен комбинацией битов, обозначающей его цвет.

Многие современные внешние устройства компьютера, такие как факсы, видеокамеры и сканеры, конвертируют изображения в растровый формат. Эти устройства обычно представляют цвет пиксела в виде комбинации трех составляющих: красной, зеленой и синей, соответствующих трем основным цветам. Для представления интенсивности каждого цвета используется один байт, в то время как для представления целого пиксела изображения требуется три байта. Этот подход с использованием трех составляющих цвета используется также в мониторе компьютера, который отображает миллиарды пикселов, каждый из которых состоит из трех компонентов: красного, зеленого и синего, что можно заметить, изучив экран поближе (возможно, вам потребуется увеличительное стекло).

Формат, в котором одному пикселу соответствуют три байта, подразумевает, что для изображения, состоящего из 1024 рядов, содержащих 1024 пиксела каждый, потребуется несколько мегабайтов памяти, что превышает емкость обычного гибкого диска. В разделе 1.8 мы обсудим два распространенных метода (GIF и JPEG), которые используются для сжатия изображений до более приемлемого размера.

Растровый формат представления изображений имеет один недостаток, а именно размер изображения не может быть произвольно изменен. В сущности, единственный способ увеличить изображение — увеличить размер пикселов. Но это приводит к зернистому изображению — явлению, которое часто наблюдается в цифровых фотоаппаратах. Векторный формат представления изображений преодолевает эту проблему. Векторное изображение представляет собой набор линий и дуг. Такое описание заставляет устройство само рисовать изображение, а не воспроизводить комбинацию пикселов. Различные шрифты, доступные в современных принтерах и мониторах, часто закодированы именно таким способом, для того чтобы сделать размер символа более гибким. Такие шрифты называются масштабируемыми шрифтами. Например, шрифт TrueType (разработанный компаниями Microsoft и Apple Computer) представляет собой систему описания того, как следует рисовать символы в тексте. Или шрифт PostScript (разработанный корпорацией Adobe Systems), который предоставляет средства для описания символов как графических данных. Векторный формат также распространен в автоматизированном проектировании. Он позволяет создавать трехмерные объекты и управлять их отображением на мониторе. Однако векторный формат не обеспечивает фотографического качества изображений, которое доступно в растровом формате. Именно поэтому растровый формат используется в современных цифровых камерах.

Представление звука

При наиболее распространенном способе кодирования звуковой информации амплитуда сигнала измеряется через равные промежутки времени и записываются полученные значения. Например, последовательность 0, 1.5, 2.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 3.0, 0 описывает волну звука, амплитуда которой сначала увеличивается, затем немного уменьшается, затем снова повышается и, наконец, падает до 0 (рис. 1.17). Этот способ кодирования, в котором частота дискретизации составляет 8000 отсчетов в секунду, используется не первый год в дальней телефонной связи. Голос на одном конце канала кодировался в виде числовых значений, отражавших амплитуду звукового сигнала, восемь тысяч раз в секунду. Эти значения затем передавались по каналам связи и использовались для воспроизведения звука.

Может показаться, что 8000 отсчетов в секунду — это большая частота дискретизации, но она все же недостаточна для высокой точности воспроизведения музыки. Для получения качественного звучания на современных музыкальных компакт-дисках используется частота дискретизации, равная 44 100 отсчетов в секунду. Для данных, полученных при каждом отсчете, отводится 16 битов памяти (или 32 бита для стереозаписей). Следовательно, для хранения одной секунды звучания требуется более миллиона битов.

В музыкальных синтезаторах, компьютерных играх и звуковых сигналах, сопровождающих веб-страницы, широко используется более экономная система кодирования, которая называется цифровым интерфейсом музыкальных инструментов (MIDI — Musical Instrument Digital Interface).

При использовании стандарта MIDI не требуется столько места в памяти, как при дискретизации звукового сигнала, так как эта система кодирует указания, как следует порождать музыку, а не сам звуковой сигнал. Точнее, MIDI кодирует информацию о том, какой инструмент должен играть, какую ноту и какова продолжительность звучания этой ноты. Это означает, что для кларнета, играющего ноту ре в течение двух секунд, потребуется три байта, а не более двух миллионов битов, как в случае дискретизации сигнала с частотой 44 100 отсчетов.

Короче говоря, стандарт MIDI скорее похож на нотную запись, которую читает исполнитель, чем на само исполнение. Издержки метода — музыкальная запись в стандарте MIDI может звучать по-разному в исполнении различных музыкальных синтезаторов.