Особенности графической информации и способы ее кодирования

Основы цифровой графики

Особенности графической информации и способы ее кодирования

Перед подробным изучением растровой и векторной графики необходимо разобраться с тем, как же все-таки формируются изображения. Изучением этих вопросов занимается раздел информатики, который можно назвать Цифровой графикой.

Для целей изучения основ цифровой графики очень важно выявить ту объективно независимую информацию, которая не зависит от конкретного аппаратного устройства или конкретной команды конкретного программного продукта.

Для плодотворной работы с использованием компьютерных технологий необходимо за каждым имеющимся пунктом программного продукта видеть процедуру, технологию, логику. Пользователям компьютерной графики очень важно разобраться в существе дела и понять логические основы цифровой графики (инвариантную информацию), а не ждать указаний, какие кнопки нажимать и какие команды использовать.

Пользовательский уровень - это мы с вами, поскольку разработчики аппаратных устройств и программных средств именуют нас "пользователями", а в международном стандарте компьютерной графики (ЯГС – ядро графической системы– первый международный стандарт по компьютерной графике) введено также понятие оператор рабочей станции.

Компьютерная графика требует специфических знаний и освоения особых технологий.

1. Если говорить о компьютерном дизайне и графике, то, самым важным представляется знание предметной области - представление о концепциях изобразительного (визуального) искусства и чувство композиции. Это тем более важно, что компьютерные технологии, являясь концентрированным опытом и суммой навыков, достаточно легко и просто позволяют выполнить все формальные действия, присущие, например, компоновке страницы, что нельзя считать фактом искусства.

Следовательно, компьютер и все его содержание - это не более чем инструмент, такой как кисть, карандаш или перо. Только в отличие от них, компьютер - это инструмент, аккумулирующий технологический опыт и знания.

2. Следующим по важности является знание конкретных программных приложений и, связанных с ними, соответствующих технологий.

3. И, конечно, для успешной работы, требуются знания основ информатики. Сюда можно отнести умение работать в одной или нескольких операционных системах, понимать принципы файловой организации, разбираться в вопросах управления периферийными устройствами (монитором, сканером, принтером), пользоваться устройствами хранения информации, электронной почтой, Интернетом и т. д.

Таким образом, серьезному пользователю, который претендует стать профессионалом, следует отбросить иллюзии о том, что компьютер делает что-либо сам по себе, а начать осваивать то, что принято называть Компьютерными технологиями, а в более узком понятии - Компьютерную графику.

Для перехода к основам кодирования графической информации необходимо рассмотреть своеобразие графической информации в целом.

Все многообразие графики, в отличие от письменности, не располагает предварительным набором выделенных элементов, поэтому для преобразования изображений необходимо использовать принудительное разбиение изображения на линейные или пространственные элементы в соответствии со способом кодирования растровой или векторной графики, о которых речь впереди.

Графическое представление информации используется во многих областях визуальной коммуникации: от произведений изобразительного искусства, конструкторских документов и трехмерных геометрических моделей, необходимых для производственных целей, до всевозможных символов, например дорожных знаков, которые предназначены только для информативных целей.

Под графической информацией понимается вся совокупность информации, которая нанесена на самые различные носители - бумагу, пленку, кальку, картон, холст, стекло, оптические носители и т. д

Когда мы обращаемся к графической информации - рисункам, картинам, чертежам, фотографиям и прочим изобразительным объектам, то в них мы не находим таких универсальных и естественных элементов, которыми мы могли бы оперировать, как буквами, для создания любого изображения. В действительности, никакого графического алфавита создать не удается, потому что всякий раз изобразительное произведение создается особым способом: применяются различные материалы, разные инструменты, иные приемы и т. д. Для изобразительной деятельности строгого перечня элементов не существует, следовательно, возможность кодирования должна базироваться на другом подходе, нежели стандартные элементы, вроде букв или цифр.

Следует обратить внимание на различие подходов человека и электронного устройства к изображению.

Для человека любое изображение, даже далекое от реалистической фотографии, представляет собой содержательную структуру. Т.е. каждый из нас в состоянии отличить портрет от пейзажа, чертеж от фотографии и т. д. Это возможно потому, что зрительное восприятие происходит не столько с помощью органов зрения, сколько с помощью нашего интеллекта, который обладает удивительными способностями распознавания. Например, для человека вполне реально узнать лицо другого человека, которого не видел несколько десятков лет (а человек уже успел постареть, изменить свою внешность).

Техническим системам, даже использующим современные вычислительные мощности, такие задачи пока не под силу.

Для того чтобы понять своеобразие компьютерных технологий и отличие передачи цифровой информации от традиционной радио- и телеинформации, необходимо сравнить аналоговый сигнал с импульсным сигналом.

Аналоговый сигнал обладает способностью к затуханию и подверженностью к помехам. Импульсный сигнал обеспечивает полное восстановление сигнала, т. к. вместе с сигналом он позволяет передать количество передаваемых импульсов. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Любые способы технической регистрации и передачи информации (граммофон, магнитофон, кинокамера, видеокамера, фотоаппарат и т. д.), которые существовали ранее, и продолжают успешно функционировать, основаны на аналоговых технологиях.

Эти устройства называются аналоговыми, потому что уровни оригинального сигнала, например звука, похожи на уровни электрического тока, с помощью которого сигнал передается (один сигнал "аналогичен" по форме другому).

Аналоговый способ передачи информации - это способ, у которого каждому мгновенному значению входной величины (например, звука) соответствует мгновенное значение другой величины, отличающейся по физической природе (например, электрического тока), но изменяющейся по тому же закону, что и входная величина. Поэтому аналоговую технологию отличает, прежде всего, непрерывный поток информации. Примерно также непрерывно мы воспринимаем информацию с помощью органов зрения или слуха.

Процедура записи и воспроизведения информации включает преобразование естественного сигнала в электрический, а затем электрического сигнала снова в такой же естественный, при этом электрический сигнал по форме аналогичен исходному сигналу, а конечный результат, в свою очередь, аналогичен электрическому, а, следовательно, и исходному (естественному).

Достоинством аналогового способа передачи информации является ее естественность и непрерывность, т. е. способность в данный момент максимально полно представлять непрерывный поток поступающей информации.

Вместе с тем, у аналогового принципа передачи информации есть существенные недостатки, о которых следует упомянуть. Два наиболее важных: способность к затуханию и чувствительность к помехам.

Когда форма сигнала в каждый данный момент изменяется, всевозможные помехи (среди них наиболее характерны атмосферные или индустриальные - работа мощных станков или даже систем зажигания автомобилей, а также собственные шумы системы) в процессе передачи постоянно влияют на характер сигнала. В результате форма сигнала искажается, что препятствует "чистой" передаче.

Затухание и подверженность помехам, помимо уже упомянутой необходимости усиливать сигнал, имеют еще одно весьма неприятное следствие. А именно, при каждом копировании аналоговой информации ее качество довольно резко ухудшается.

Эффект накопления искажений, присущий всем аналоговым системам, ограничивает количество перезаписей, которые могут быть сделаны на аналоговом аудио- и видеомагнитофоне, буквально несколькими копиями.

Схема "оригинал - копия 1", "копия 1 - копия 2", "копия 2 - копия 3", "копия 3 — копия 4" и т. д. не работает после определенного, причем очень небольшого, числа этапов. При этом всем ясно, что каждая последующая копия по качеству заметно хуже предыдущей копии. Тем самым, обеспечивается следующее условие: между источником информации и конечным его потребителем должно быть как можно меньше промежуточных этапов. Это связано с тем, что каждый из них неизбежно вносит свои помехи и погрешности. Ухудшение аналогового сигнала в процессе копирования является принципиальным и не существует технологии полного исправления. Это происходит потому, что исходное (эталонное) состояние передаваемой аналоговой информации не фиксируется при передаче. По линии связи распространяется такой сигнал, который реально существует в каждый данный момент. И усилители "поднимают" сигнал не до исходного уровня, а лишь увеличивают его в том виде, какой до них дошел – своеобразный испорченный телефон.

Разумеется, если бы была какая-либо техническая возможность в самом начале сохранить данные о том, какими должны быть передаваемые сигналы, а на входе в другое устройство можно было проверить, соответствуют ли они этой информации (идеальному сигналу), то только тогда можно гарантировать их абсолютно точное воспроизведение.

Таким образом, передаваемая аналоговая информация представляет собой непрерывный континуум непрерывного сигнала. При этом сигнал, в каждый данный момент, ни с каким эталоном не сравнивается, а только соотносится с предыдущим уровнем сигнала.

Представление об аналоговых сигналах необходимо иметь хотя бы потому, что в объективной реальности это единственный способ передачи любой информации. Все органы чувств человека имеют дело с аналоговыми сигналами. Любая информация, используемая в технических системах, также начинается и заканчивается аналоговым сигналом.

Другим принципом передачи и записи информации является импульсная форма сигнала. Эта форма получила такое название потому, что сигнал передается короткими одинаковыми импульсами тока. В каждый данный момент ток может иметь только два уровня.

Основной характеристикой такого принципа является прерывистая природа сигнала. Можно представить передачу сигнала в виде графика, какой использовался для отображения аналогового сигнала (уровень тока и время откладываются по осям графика). В этом случае график отображает всего два состояния: "есть ток" (уровень, близкий к максимальному) и "нет тока" (уровень, близкий к нулевому). Нет других вариантов, кроме чередования импульсов.

Импульсный способ передачи информации - это способ, у которого передача происходит не непрерывно, а только в отдельные моменты времени, в промежутках между ними сигнал отсутствует или его воздействие пренебрежимо мало, т.е. дискретно. Такой способ передачи сигналов дает возможность преодолеть указанные выше недостатки аналогового сигнала.

Импульсный способ, конечно, не отменяет физически неизбежного затухания, однако передача всего двух очень "контрастных" уровней сигнала позволяет различать их даже при сильной степени затухания. Кроме того, эти два уровня имеют заранее известные (стандартные) значения, которые не трудно проконтролировать и легко восстановить.

У импульсного сигнала есть одно существенное преимущество - импульсы можно сосчитать. Поэтому такой вид называют еще импульсно-цифровым способом передачи информации. Таким образом, важнейшим достоинством импульсного способа передачи является возможность учета и контроля передаваемых импульсов.

В начале передачи совокупности таких сигналов можно указать количество импульсов и (в информатике применяется термин - контрольная сумма), тем самым, проконтролировать достоверность передачи. Если в результате передачи их количество не совпадает, происходит повторная передача. И, следовательно, сигнал не может потеряться или измениться, т. к. всегда имеется возможность проверить исходное состояние.

Самые впечатляющие преимущества импульсного способа передачи связаны с копированием информации. Сравним схему копирования аналоговой информации со схемой копирования при импульсном способе передачи информации, которая имеет следующий характер: "оригинал - копия 1", "копия 1 - копия 2", "копия 2 - копия 3", ... , "копия 999 - копия 1000" и так до бесконечности.

В самом деле, любая копия, даже если она сотая, а может быть, и миллионная, абсолютно идентична оригиналу, потому что копирование состоит в передаче относительно простых и самое главное сосчитанных импульсов. Единожды выполнив чертеж или зафиксировав изображение с помощью цифрового фотоаппарата, мы получаем возможность неограниченно копировать эти изображения, сохраняя при этом качество оригинала. Т.е. главным достоинством импульсного способа передачи информации является абсолютная идентичность копий.