Кодирование и обработка графической и мультимедийной информации Цель:

Урок 1
9 класс
Кодирование и обработка графической и мультимедийной
информации
Тема.
Цель: - научить правильно и безопасно организовать свое рабочее место и деятельность на
уроке, познакомить учащихся с понятиями: пространственная дискретизация, растровое и
аналоговое изображение, разрешающая способность экрана; научить решать задачи на
нахождение глубины цвета, объема видеопамяти компьютера, разрешающей способности экрана,
познакомить учащихся как формируется палитра цветов в системах цветопередачи;
- воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности,
дисциплинированности, усидчивости;
- развитие познавательных интересов, самоконтроля, умения конспектировать.
Обеспечение: ПК, Урок 1_ТБ_Кодир граф информ.ppt
План урока:
I. Орг. момент. (1 мин)
II. Теоретическая часть. (28 мин)
III. Первичное закрепление. (10 мин)
IV. Д/з (2 мин)
V. Вопросы учеников. (2 мин)
VI. Итог урока. (2 мин)
Ход урока
1. Орг. момент
Приветствие, проверка присутствующих. Объяснение хода урока.
2. Теоретическая основа урока
Инструктаж по ТБ (материал на презентации Урок 1_ТБ.ppt)
Пространственная дискретизация
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.
Графические изображения из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую (дискретную)
преобразуются путем пространственной дискретизации. Пространственную дискретизацию
изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества
маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие элементы
(точки, или пиксели), причем каждый элемент может иметь свой цвет (красный, зеленый, синий и
т. д.).
Пиксель - минимальный участок изображения, для которого независимым образом можно
задать цвет.
В результате пространственной дискретизации графическая информация представляется в
виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк,
содержащих, в свою очередь, определенное количество точек (рис. 1.1).
1
Урок 1
9 класс
Рис. 1.1. Растровое изображение темного прямоугольника на светлом фоне
Разрешающая способность. Важнейшей Характеристикой качества растрового изображения
является разрешающая способность
Разрешающая способность растрового изображения определяется количеством точек как по
горизонтали, так и по вертикали на единицу длины изображения.
Чем меньше размер точки, тем больше разрешающая способность (больше строк растра и точек в
строке) и, соответственно, выше качество изображения. Величина разрешающей способности
обычно выражается в dpi (dot per inch - точек на дюйм), т. е. в количестве точек в полоске
изображения длиной один дюйм (1 дюйм = 2,54 см)
Пространственная дискретизация непрерывных изображений, хранящихся на бумаге, фото- и
кинопленке, может быть осуществлена путем сканирования. В настоящее время все большее
распространение получают цифровые фото- и видеокамеры, которые фиксируют изображения
сразу в дискретной форме.
Качество растровых изображений, полученных в результате сканирования, зависит от
разрешающей способности сканера, которую производители указывают двумя числами (например,
1200 х 2400 dpi)
Сканирование производится путем перемещения полоски светочувствительных элементов
вдоль изображения. Первое число является оптическим разрешениемсканера 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 (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Оптическое и аппаратное разрешение сканера
Глубина цвета. В процессе дискретизации могут использоваться различные палитры
цветов, т. е. наборы цветов, в которые могут быть окрашены точки изображения. Каждый цвет
можно рассматривать как возможное состояние 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=2I
(1.1)
2
Урок 1
9 класс
В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) палитра цветов
состоит всего из двух цветов (черного и белого). Каждая точка экрана может принимать одно из
двух состояний - "черная" или "белая", следовательно, по формуле (1.1) можно вычислить, какое
количество информации необходимо, чтобы закодировать цвет каждой точки:
2 = 2I => 21 = 2I => I = 1 бит.
Количество информации, которое используется для кодирования цвета точки изображения,
называется глубиной цвета.
Наиболее распространенными значениями глубины цвета при кодировании цветных
изображений являются 4, 8, 16 или 24 бита на точку. Зная глубину цвета, по формуле (1.1) можно
вычислить количество цветов в палитре (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Глубина цвета и количество цветов в палитре
Глубина цвета, I (битов)
Количество цветов в палитре, N
4
24=16
8
28 = 256
16
216=65 536
24
224= 16 777 216
Растровые изображения на экране монитора
Графические режимы монитора. Качество изображения на экране монитора зависит от
величины пространственного разрешения и глубины цвета.
Пространственное разрешение экрана монитора определяется как произведение количества
строк изображения на количество точек в строке. Монитор может отображать информацию с
различными пространственными разрешениями (800 х 600, 1024 х 768, 1152 х 864 и выше).
Глубина цвета измеряется в битах на точку и характеризует количество цветов, в которые
могут быть окрашены точки изображения. Количество отображаемых цветов также может
изменяться в широком диапазоне, от 256 (глубина цвета 8 битов) до более чем 16 миллионов
(глубина цвета 24 бита).
Чем больше пространственное разрешение и глубина цвета, тем выше качество изображения.
В операционных системах предусмотрена возможность выбора необходимого пользователю и
технически возможного графического режима.
Рассмотрим формирование на экране монитора растрового изображения, состоящего из 600
строк по 800 точек в каждой строке (всего 480 000 точек) и глубиной цвета 8 битов. Двоичный код
цвета всех точек хранится в видеопамяти компьютера (рис. 1.3), которая находится на видеокарте
(рис. 1.4).
Рис. 1.3. Формирование растрового изображения на экране монитора
3
Урок 1
9 класс
Рис. 1.4. Видеокарта
Видеокарта устанавливается в слот расширения системной платы PCI или AGP. Монитор
подключается к аналоговому выходу VGA или цифровому выходу DVIвидеокарты.
Периодически, с определенной частотой, коды цветов точек вчитываются из видеопамяти
точки отображаются на экране монитора. Частота считывания изображения влияет на
стабильность изображения на экране. В современных мониторах обновление изображения
происходит c частотой 75 и более раз в секунду, что обеспечивает комфортность восприятия
изображения пользователем компьютера (человек не замечает мерцания изображения). Для
сравнения можно напомнить, что частота смены кадров в кино составляет 24 кадра в секунду.
Объем видеопамяти. Информационный объем требуемой видеопамяти можно рассчитать по
формуле:
V = I× R×n,
где V - информационный объем видеопамяти в битах;
R=X × У - количество точек изображения (X - количество точек по горизонтали, Y - по
вертикали);
n – количество,
I - глубина цвета в битах на точку.
Пример: необходимый объем видеопамяти для графического режима с пространственным
разрешением 800 х 600 точек и глубиной цвета 24 бита равен:
V = I× R = 24 бита × 800 × 600 = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт = 1 406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт.
Качество отображения информации на экране монитора зависит от размера экрана и размера
пикселя. Зная размер диагонали экрана в дюймах (15", 17" и т. д.) и размер пикселя экрана (0,28
мм, 0,24 мм или 0,20 мм), можно оценить максимально возможное пространственное разрешение
экрана монитора.
Цветовые модели
Вспомним из курса физики: цвет - это форма световой энергии, передаваемая в виде волн.
Факторы, влияющие на внешний вид конкретного цвета:



источник света
информация об окружающих предметах
ваши глаза
Способы образования цвета в природе:


источники света (солнце, лампочка и т.д.) излучают свет различных длин волн
спектра. Этот свет воспринимается глазом как цветной.
свет отражается и поглощается, попадая на поверхность несветящихся предметов.
Отраженное излучение воспринимается глазом как окраска предметов.
Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические
модели. Их называют цветовыми моделями. В каждой модели определенный диапазон цветов
представляют в виде 3D пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде
4
Урок 1
9 класс
набора числовых координат. Этот метод дает возможность передавать цветовую информацию
между компьютерами, программами и периферийными устройствами.
Цветовые модели могут быть аппаратно-зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK
в их числе) и аппаратно-независимыми (модель Lab). В большинстве "современных"
визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной
цветовой модели в другую.
Основные цветовые модели:








RGB
CMY (Cyan Magenta Yellow)
CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет)
HSB
Lab
HSV (Hue, Saturation, Value)
HLS (Hue, Lightness, Saturation)
другие
Палитры цветов в системах цветопередачи RGB, CMYK, HSB
Белый свет может быть разложен с помощью оптических приборов (например, призмы)
или природных явлений (радуги) на различные цвета спектра: красный, оранжевый,
желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (рис. 1.5).
рис. 1.5
Хорошо известна фраза, которая помогает легко запомнить последовательность цветов в
спектре видимого света: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов (так называемых колбочек),
находящихся на сетчатке глаза. 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). Обычно ее называют
моделью аддитивных основных цветов.
Цвета в палитре RGB формируются путем сложения базовых цветов, каждый из которых может
иметь различную интенсивность. Цвет палитры Color можно определить с помощью формулы:
5
Урок 1
9 класс
Color = R+G+B, где 0≤R≤Rmax, 0≤G≤Gmax, 0≤B≤Bmax.
При минимальных интенсивностях всех базовых цветов получается черный цвет, при
максимальных интенсивностях – белый цвет. При максимальной интенсивности одного цвета и
минимальной двух других – соответственно красный, зеленый и синий цвета. Наложение зеленого
и синего цветов образует голубой цвет (Cyan), наложение красного и зеленого цветов – желтый
цвет (Yellow), наложение красного и синего цветов – пурпурный цвет (Magenta). См. таблицу1.2 в
учебнике на с. 17.
В системе цветопередачи RGB палитра цветов формируется путем
сложения красного, зеленого и синего цветов.
Все цвета образуются смешиванием этих трех основных в разных пропорциях (т. е. с разными
яркостями). При смешении двух лучей основных цветов, результирующий цвет будет светлее
составляющих. Модель является аппаратно-зависимой, так как значения базовых цветов (а также
точка белого) определяются качеством примененного в вашем мониторе люминофора. В
результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково.
При глубине цвета в 24 бита на кодирование каждого из базовых цветов выделяется по 8 битов. В
этом случае для каждого из цветов возможны N=28=256 уровней интенсивности. Уровни
интенсивности задаются кодами: десятичными (от минимальной – 0 до максимальной – 255) или
двоичными (от 00000000 до 11111111) кодами.
Палитра цветов в системе цветопередачи CMYK
При печати 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 отражаемого света.
Цвета в палитре CMY формируются путем наложения красок базовых цветов. Цвет палитры Color
можно определить по формуле, в которой интенсивность каждой краски задается в процентах:
Color = C+M+Y, где 0%≤C≤100%, 0%≤M≤100%, 0%≤Y≤100%.
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 CMY формируются путем наложения красок базовых цветов. Если нанести на
бумагу пурпурную и желтую краски, то будет поглощаться зеленый и синий свет, и мы увидим
красный цвет. Если нанести на бумагу голубую и желтую краски, то будет поглощаться красный и
синий свет, и мы увидим зеленый цвет. Если нанести на бумагу пурпурную и голубую краски, то
будет поглощаться зеленый и красный свет, и мы увидим синий цвет.
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». расширенная
палитра получила название CMYK (см. таблицу 1.4 учебника на с. 19).
6
Урок 1
9 класс
В системе цветопередачи CMYK палитра цветов формируется путем
наложения голубой, пурпурной, желтой и черной красок.
Модель CMYK является «эмпирической», в отличие от теоретических моделей CMY и RGB.
Модель является аппаратно-зависимой.
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 4 картриджа, содержащие базовые краски системы
цветопередачи CMYK.
В этой модели основные цвета образуются путем вычитания из белого цветов основных
аддитивных цветов модели RGB.
Рис. Получение модели CMY из RGB
Цвета, использующие белый свет, вычитая из него определенные участки спектра называются
субтрактивными. Основные цвета этой модели: голубой (белый минус красный), фуксин (в
некоторых книгах его называют пурпурным) (белый минус зеленый) и желтый (белый минус
синий). Эти цвета являются полиграфической триадой и могут быть легко воспроизведены
полиграфическими машинами. При смешение двух субтрактивных цветов результат затемняется
(в модели RGB было наоборот). При нулевом значении всех компонент образуется белый цвет
(белая бумага). Эта модель представляет отраженный цвет, и ее называют моделью субтрактивных
основных цветов. Данная модель является основной для полиграфии и также является аппаратнозависимой.
Рис. Модель CMY
Палитра цветов в системе цветопередачи HSB
Модель HSB (Hue Saturation Brightness = Тон (оттенок цвета) Насыщенность Яркость) построена
на основе субъективного восприятия цвета человеком. Предложена в 1978 году. Эта модель тоже
основана на цветах модели RGB, но любой цвет в ней определяется своим цветом (тоном),
насыщенностью (то есть добавлением к нему белой краски) и яркостью (то есть добавлением к
нему черной краски). Фактически любой цвет получается из спектрального добавлением серой
краски. Эта модель аппаратно-зависимая и не соответствует восприятию человеческого глаза, так
как глаз воспринимает спектральные цвета как цвета с разной яркостью (синий кажется более
темным, чем красный), а в модели HSB им всем приписывается яркость 100%. Модель является
аппаратно-зависимой.
7
Урок 1
9 класс
Рис. Модели HSB и HSV
H определяет частоту света и принимает значение от 0 до 360 градусов.
V или B: V - значение (принимает значения от 0 до 1) или B - яркость, определяющая уровень
белого света (принимает значения от 0 до 100%). Являются высотой конуса.
S - определяет насыщенность цвета. Значение ее является радиусом конуса.
Рис. Цветовой круг при S=1 и V=1 (B=100%)
В системе цветопередачи HSB палитра цветов формируется путем
установки значений оттенка цвета, насыщенности и яркости.
В графических редакторах обычно имеется возможность перехода от одной модели цветопередачи
к другой. Это можно сделать как с помощью мыши, перемещая указатель по цветовому полю, так
и водя параметры цветовых моделей с клавиатуры в соответствующие текстовые поля.
Модель Lab является аппаратно-независимой моделью, что отличает ее от описанных выше.
Экспериментально доказано, что восприятие цвета зависит от наблюдателя (вспомните
дальтоников, существует разница в возрастном восприятии цвета и т.д.) и условий наблюдения
(в темноте все серое). Ученые из Международной Комиссии по Освещению (CIE=Commission
Internationale de l'Eclairage) в 1931 г. они стандартизировали условия наблюдения цветов и
исследовали восприятие цвета у большой группы людей. В результате были экспериментально
определены базовые компоненты новой цветовой модели XYZ. Эта модель аппаратно независима,
поскольку описывает цвета так, как они воспринимаются человеком, точнее "стандартным
наблюдателем CIE". Ее приняли за стандарт. Цветовая модель Lab, использующаяся в
компьютерной графике, является производной от цветовой модели XYZ. Название она получила
от своих базовых компонентов L, a и b. Компонент L несет информацию о яркостях изображения,
а компоненты а и b - о его цветах (т. е. a и b - хроматические компоненты). Компонент а
изменяется от зеленого до красного, а b - от синего до желтого. Яркость в этой модели отделена
от цвета, что удобно для регулирования контраста, резкости и т.д. Однако, будучи абстрактной и
сильно математизированной эта модель остается пока что неудобной для практической работы.
Поскольку все цвтовые модели являются математическими, они легко конвертируются одна в
другую по простым формулам. Такие конверторы встроены во все "приличные" графические
программы.
Вопросы:





Поясните суть метода пространственной дискретизации.
Объясните принцип кодирования графической информации.
Перечислите параметры графического режима экрана монитора.
В каких природных явлениях и физических экспериментах можно наблюдать разложение
белого света в спектр?
Как формируется палитра цветов в системе цветопередачи RGB? В системе цветопередачи
CMYK? В системе цветопередачи HSB?
8
Урок 1
9 класс
3. Практическая часть
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?
2. 256-цветный рисунок содержит 1 Кб информации. Из скольких точек он состоит?
4. Домашнее задание
 §1.1;
 Вопросы и задания в конце параграфа.
 Задачи:
1. Цветное (с палитрой из 256 цветов) растровое графическое изображение имеет размер 10х10
точек. Какой объем памяти займет это изображение?
2. Достаточно ли видеопамяти объемом
палитрой из 256 цветов?
500 Кбайт для работы монитора в режиме 800х600 и
5. Вопросы учеников
Ответы на вопросы учащихся.
6. Итог урока
Подведение итога урока. Выставление оценок.
На уроке мы узнали принцип организации компьютерной памяти, обсудили основные носители
информации, их характеристики и свойства. Так же мы попробовали применить знания о работе
в текстовом и графическом редакторе для создания кроссворда.
9