Пространствена дискретизация. Графична обработка

В онези дни, когато компютрите все още не са имали толкова мощни възможности, колкото са сега, не ставаше въпрос за преобразуване на изображения на хартия или на филм. Сега се счита, че такива обекти съответстват на аналоговата форма. С появата на нови технологии стана възможно да се дигитализира (например чрез използване на скенери). Поради това се появява така наречената дискретна форма на изображения. Но как е прехвърлянето на графики от една форма в друга? Накратко за същността на тези методи по-нататък и ще бъде разказана възможно най-подробно и просто така, че всеки потребител да разбере какво се казва.

Какво е пространствена дискретизация в компютърните науки?

Като начало разгледайте общата концепция, като я обясните на най-простия език. От една форма в друга графичното изображение се трансформира от пространствена дискретизация. За да разберете какво е то, помислете за прост пример.

Ако вземете каквато и да е картина, рисувана с акварели, лесно е да се види, че всички преходи са гладки (непрекъснати). Но на сканираното изображение, което е отпечатано на мастилено-струен принтер, няма такива преходи, защото се състои от много малки точки, наречени пиксели. Оказва се, че един пиксел е вид изграждащ блок, който има определени свойства (например, той има свой собствен цвят или оттенък). От такива тухли се развива и пълното изображение.

Каква е същността на пространствения метод на дискретизация?

Ако говорим за същността на метода за трансформиране на графики с помощта на такива технологии, можем да дадем друг пример, който ще ви помогне да разберете как всичко това работи.

Цифровизирани изображения, които при сканиране, когато се показват на екрана на компютърен монитор, когато се отпечатат, могат да бъдат сравнени с вид мозайка. Само тук един пиксел се появява като едно парче от мозайката. Това е една от основните характеристики на всички съвременни устройства. Както вече беше възможно да се предположи, колкото повече такива точки, колкото по-малък е размерът на всеки от тях, толкова по-плавни ще бъдат преходите. В крайна сметка техният брой за всяко конкретно устройство определя неговата резолюция. В областта на компютърните науки е обичайно за такава характеристика да се броят броят на пикселите (точки) на инч (dpi-точка на инч), както с вертикална, така и с хоризонтална посока.

По този начин се създава двумерна пространствена решетка, донякъде наподобяваща конвенционална координатна система. За всяка точка в такава система можете да зададете свои собствени параметри, които ще бъдат различни от съседните точки.

Фактори, влияещи върху качеството на кодирането

Но не само горните примери напълно отразяват как работи пространствената дискретизация. Кодирането на графична информация отчита няколко по-важни параметри, които влияят на качеството на цифровизираното изображение. Те се отнасят не само за самите изображения, но и за устройства, възпроизвеждащи графики.

Първо, това включва следните характеристики:

• честота на вземане на проби;
• резолюция;
• дълбочина на цвета

Честота на вземане на проби

Честотата на вземане на проби е размерът на фрагментите, които съставляват изображението. Този параметър може да се открие и в характеристиките на цифровизирани изображения, скенери, принтери, монитори и графични карти.

Вярно е, че има една схватка. Факт е, че чрез увеличаване на общия брой точки можете да получите по-висока честота. Но в същото време размерът на файла на записания оригинален обект се променя съответно. За да се избегне това, в момента се прилага изкуствено поддържане на размера на едно постоянно ниво.

Концепцията за резолюция

Този параметър вече е споменат. Въпреки това, ако погледнете устройствата за показване на изображения, картината е малко по-различна.

Като пример за параметрите, използвани от пространствената дискретизация, помислете за скенери. Например, в характеристиките на устройството е определена разделителна способност от 1200 x 1400 dpi. Сканирането се извършва чрез преместване на лента от фоточувствителни елементи по сканираното изображение. Но първото число показва оптичната разделителна способност на самото устройство (броят на сканиращите елементи в един инч от лентата), а вторият се отнася до хардуерната резолюция и определя броя на „микро-движенията“ на лентата със сканиращи елементи в изображението, когато един инч минава през картината.

Дълбочина на цвета

Пред нас има друг важен параметър, без оглед на който напълно разбираме какво е пространствената дискретизация. Дълбочината на цветовете (или дълбочината на кодиране) обикновено се изразява в битове (същото, между другото, може да се дължи на дълбочината на звука) и определя броя на цветовете, които са участвали в изграждането на изображението, но в крайна сметка се отнася до палитри (цветови комплекти).

Например, ако разглеждаме черно-бяла палитра, която съдържа само два цвята (без градация на нюанси на сивото), количество информация при кодирането на всяка точка, тя може да бъде изчислена с помощта на горната формула, като се има предвид, че N е общият брой на цветовете (в нашия случай N = 2), а I е броят на състоянията, които всяка точка може да поеме (в нашия случай, I = 1, тъй като само две: черно или бяло). По този начин, Nj = 2 ¹ = 1 бит.

квантуване

Пространствената дискретизация може също да вземе предвид параметър, наречен квантуване. Какво е това? В някои отношения тя прилича на техника на интерполация.

Същността на процеса е, че референтната стойност на сигнала се заменя с най-близката съседна стойност от фиксирания набор, което е списък от нива на квантуване.

За да разберете по-добре как се преобразува графичната информация, погледнете изображението по-горе. Той представя графиките в оригинала (аналогова форма), изображението с прилагането на квантуване и странично изкривяване, наречено шум. На втората снимка отгоре можете да видите особени преходи. Те се наричат ​​квантови скали. Ако всички преходи са еднакви, скалата се нарича еднородна.

Цифрово кодиране

При конвертиране на графична информация, трябва да се отбележи, че за разлика от аналоговия сигнал, квантовият сигнал може да приема само много специфичен фиксиран брой стойности. Това ви позволява да ги конвертирате в набор от символи и символи, чиято поредица се нарича код. Крайната последователност се нарича кодова дума.

Всяка кодова дума съответства на един интервал на квантуване и за кодиране се използва двоичен код. Понякога обаче трябва да вземете предвид и скоростта на пренос на данни, която е произведена от честотата на семплиране и дължината на кодовата дума и се изразява в битове в секунда (bps). Грубо казано, това не е нищо повече от максималния възможен брой предавани двоични символи за единица време.

Пример за изчисляване на видеопамет за показване на растерно изображение на монитор

И накрая, друг важен аспект, свързан с това, което представлява пространствена дискретизация. Растерните изображения на екрана на монитора се възпроизвеждат съгласно определени правила и изискват памет.

Например, мониторът е настроен на графичен режим с разделителна способност 800 x 600 точки на инч и дълбочина на цветовете 24 бита. Общият брой точки ще бъде 800 x 600 x 24 бита = 11 520 000 бита, което съответства на 1 440 000 байта, или 1406,25 Kb, или 1,37 MB.

Методи за компресиране на видео

Технологията на пространствената дискретизация, както вече е ясно, е приложима не само за графики, но и за видео изображения, които в известен смисъл могат да бъдат приписани и на графична (визуална) информация. Вярно е, че такъв материал е бил дигитализиран за известно време с ограничени възможности, тъй като окончателните файлове бяха толкова огромни, че е непрактично да бъдат запазени на компютърен твърд диск (помнете поне оригиналния AVI формат, разработен от Microsoft по едно и също време).

С появата на алгоритми M-JPEG, MPEG-4 и H.64 е възможно да се намалят крайните файлове с редуциращо съотношение от 10-400 пъти. Мнозина могат да твърдят, че компресираното видео ще бъде с по-ниско качество от оригинала. В известен смисъл, така е. В такива технологии обаче намаляването на размера може да бъде направено със загуба на качество и без загуба.

Съществуват два основни метода, чрез които се извършва компресиране: вътрешнокадрово и междуредово. И двете опции се основават на изключването на дублиращи се елементи от изображението, но не засягат например промени в яркостта, цвета и т.н. Първото е, че във втория случай разликата между сцените в един кадър или между две съседни е незначителна, така че разликата с очите не е особено забележима. Но когато изтриете горните елементи от файла, разликата в размера между оригиналното и крайното изображение е много важна.

Един от най-интересните, макар и доста сложни методи, които пространствената дискретизация използва за компресиране на изображенията, е технологията, наречена дискретна косинусна трансформация, предложена от В. Чен през 1981 г. Тя се основава на матрица, в която, за разлика от първоначалната, която описва само стойностите на пробите, са представени стойностите на скоростта на тяхната промяна.

По този начин тя може да се разглежда като определена мрежа от вариации на скоростта във вертикална и хоризонтална посока. Размерът на всеки блок се определя от JPEG технологията и е 8 х 8 пиксела. Компресията се прилага за всеки отделен блок, но не и за цялото изображение. Така разликата между източника и крайния материал става още по-малко забележима. Понякога в компютърната терминология такава техника се нарича също и под-извадка.

Освен това, яркостта и хроматичността могат да бъдат приложени към описаното по-горе квантование, при което всяка стойност на косинусовата трансформация се разделя с коефициента на квантуване, който може да бъде намерен в специални таблици на базата на така наречените психофизични тестове.

Самите таблици съответстват на строго определени класове блокове, групирани по дейност (еднообразен образ, неструктурирано изображение, хоризонтален или вертикален диференциал и т.н.). С други думи, за всеки блок са зададени негови собствени стойности, които не са приложими за съседите или тези, които се различават в класа.

Накрая, след квантуване, въз основа на кода на Huffman, се извършва отстраняването на излишните коефициенти (редундантна редукция), което прави възможно получаването на кодова дума с дължина по-малка от един бит за всеки коефициент (VLC) за последващо кодиране. След това се формира линейна последователност, за която се използва методът на зиг-заг четене, който групира стойностите в крайната матрица под формата на значими стойности и последователности от нули. Но точно както могат да бъдат премахнати. Останалите комбинации се компресират по стандартния начин.

Като цяло експертите не препоръчват особено кодиране на графична информация, използвайки JPEG технологии, тъй като те имат няколко недостатъка. Първо, многократното запазване на файловете неизменно води до влошаване на качеството. Второ, поради факта, че обектите, кодирани с JPEG не могат да съдържат прозрачни области, е възможно да се прилагат такива методи за графични изображения или сканирани образци на художествена графика само ако те вертикално и хоризонтално не надвишават размера в 200 пиксела. В противен случай влошаването на качеството на крайния образ ще бъде изразено много ярко.

Вярно е, че JPEG алгоритмите стават основа за MPEG технологиите за компресиране, както и за различни конферентни стандарти като H.26X и H32X.

Вместо послеслов

Ето кратко и всичко, което се отнася до разбирането на въпросите, свързани с превръщането на аналоговата форма на графиката и видеото в дискретни (по аналогия такива техники се използват за звук). Описаните технологии са доста трудни за разбиране от обикновения потребител, но някои важни компоненти на основните методи все още могат да бъдат разбрани. Той не разглежда въпроса за настройката на мониторите, за да се получи най-висококачествена картина. Въпреки това, по въпроса, който ни интересува, може да се отбележи, че не винаги е необходимо да се установи възможно най-висока резолюция, тъй като прекомерните параметри могат да доведат до неизправност на устройството. Същото се отнася и за честотата на опресняване на екрана. По-добре е да се използват стойностите, препоръчани от производителя, или тези, които операционната система предлага да се използва по подразбиране след инсталиране на подходящите драйвери и софтуер за управление.

Що се отнася до самостоятелно сканиране или транскодиране на информация от един формат в друг, трябва да използвате специални програми и конвертори, но за да се избегне понижаване на качеството, максимално възможната компресия, за да се намали размерът на окончателните файлове, е по-добре да не се отнема. Такива методи са приложими само в случаите, когато информацията трябва да се съхранява на носители с ограничен обем (например CD / DVD-дискове). Но ако има достатъчно място на твърдия диск, или когато искате да създадете презентация за излъчване на голям екран, или да отпечатате снимки на модерно оборудване (фотопринтерите не се броят), по-добре е да не пренебрегвате качеството.