Мультимедийные данные Графика

Графические изображения, как и любые другие данные, представлены в компью­тере в виде двоичных чисел. Однако в зависимости от природы этих изображений (графического формата) числа играют разную роль. Существует два типа графи­ческих форматов, векторный и растровый.

Изображение в растровом формате в памяти компьютера представлено сово­купностью точек, каждая из которых имеет атрибуты (такие как цвет или маска). Если каждая точка вместе с атрибутами кодируется 32-битным кодом (4 байта), то нетрудно посчитать, что рисунок размером 320 на 200 точек потребует для хране­ния 320 х 200 х 4 = 256 000 байт. Таким образом, растровый формат хранения изо­бражений является весьма ресурсоемким. В то же время, с учетом того, что каждая точка изображения хранится отдельно, имеется возможность ее отредактировать и скорректировать. Таким образом, там, где важно достоверно воспроизвести или откорректировать сохраненную графическую информацию, например, фотоизо­бражение, растровый формат незаменим.

Изображение в векторном формате представляет собой графический объект, составленный из примитивов, а именно: точек, отрезков, прямых, дуг, окружностей, прямоугольников, кривых. Эти примитивы могут быть описаны математическими формулами и выражены числами, обозначающими координаты точек начала и кон­ца отрезка, опорных узлов кривых, радиусом и координатой центра окружности, и т. д. Даже если добавить к этим описаниям несколько чисел, кодирующих цвет, толщину и тип линий, все равно очевидно, что в сравнении с растровым форматом такого рода изображения можно хранить гораздо более компактно. Тот же самый рисунок размером 320 на 200 точек, содержащий на первый взгляд очень сложный чертеж, может в памяти компьютера занимать мало места. Например, изображение машины (рис. 11.2) в векторном формате занимает 41 Кбайт, а в растровом формате TIF — 395 Кбайт. Разница почти в 10 раз.

Рис. 11.2. Графическое изображение: а) векторный формат; б) растровый формат

Источником графических данных в векторном формате всегда являются вектор­ные графические редакторы или системы автоматизированного проектирования'. В любом случае это информация, создаваемая человеком в процессе рисований (черчения). Источниками же графических данных в растровом формате обычнб являются цифровые фотоаппараты или сканеры, которые напрямую воспринима­ют сигналы внешнего мира и переводят их в форму цифровых данных (цифровая фотография или сканированное изображение).

Звуковые данные

Различные звуки и музыка, чтобы превратиться в данные компьютера, должны пройти ряд преобразований. Вначале некоторое устройство (обычно микрофон) должно воспринять звуковой сигнал и преобразовать его в сигнал электрический. Затем непрерывный (аналоговый) электрический сигнал при помощи другого устройства должен быть преобразован в двоичные числа (в цифровой вид), которые сохраняются в памяти компьютера. Устройство, преобразовывающее аналоговый электрический сигнал в цифровую форму называется АЦП (аналого-цифровой преобразователь). Этапы преобразования сигнала иллюстрирует рис. 11.3.

и с чем большей частотой эти уровни замеряются, тем точнее звуковая информация преобразуется в цифровой вид и с тем большей достоверностью она потом будет восстановлена.

С момента, когда звуковой сигнал приводится к цифровому виду, он уже не­обратимо искажается, однако звуковая информация не теряется. Если частота дискретизации выбрана высокой (в несколько раз выше, чем 22 ООО Гц — частота, которую может различить человеческое ухо), а динамический диапазон (то есть количество уровней в каждой точке) достаточно велик, то при восстановлении не­возможно будет различить аналоговый сигнал, записанный на аналоговый носитель (виниловый диск), и данные, сохраненные на цифровой носитель (компакт-диск).

Чем выше качество сохраняемого в компьютере звука, тем больше для него необходимо места в памяти. Для получения сигнала с гарантированно высоким качеством нужно задать достаточно большое количество уровней и высокую ча­стоту дискретизации.

Пример. Если мы разобьем входной сигнал по амплитуде на 65 536 уровней (то есть для хранения каждого измерения будем использовать 2 байта) и измерим его с частотой 110 ООО раз в секунду, то получим гарантированный запас по качеству. Несложный подсчет покажет, что для хранения музыкального фрагмента длитель­ностью 3 минуты, оцифрованного таким образом, требуется 2 х 110 ООО х 60 х 3 = = 39 600 000 байт, или 38,7 Мбайт компьютерной памяти. Примерно такой размер имеют музыкальные фрагменты, записанные на современные компакт-диски.

Для хранения в памяти персонального компьютера, а в особенности для передачи звуковых файлов через Интернет, объемы их слишком велики. Для уменьшения объема данных в несколько раз применяются специальные процедуры сжатия. Из исходного оцифрованного звука после сжатия получаются данные в 8-10 раз меньшего объема. Одним из популярных форматов хранения звуковой инфор­мации, получаемой при помощи таких специальных процедур, является МРЗ. Надо заметить, что при сжатии данных в формат МРЗ часть звуковой информации не­обратимо теряется, поэтому он называется форматом сжатия звука с потерями.

В том случае, когда данные, несущие звуковую информацию, требуется преобра­зовать в звуковой сигнал, записанную в памяти последовательность байтов по­дают на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП). Это устройство преоб­разует числа сначала в уровни электрического сигнала, затем сглаживает эти уровни, преобразуя их в аналоговый электрический сигнал, а потом аналоговый сигнал подается на воспроизводящее устройство (аудиоколонки или головные телефоны).

Видеоданные

Видеоданные представляют собой практически те же данные в растровом гра­фическом формате, и получаются они примерно таким же образом, как и цифровая фотография. Многие современные цифровые фотоаппараты позволяют произво­дить видеосъемку, а цифровые видеокамеры — делать фотографии. Механизм один и тот же, но в случае, когда происходит видеосъемка, фотографии делаются с боль-
той скоростью одна за другой и последовательно записываются в цифровом виде в память видеокамеры. Эта последовательность фотографий образует видеоряд, аналогичный кадрам на кинопленке.

Служебные данные

Когда мы производим сбор первичных данных и перевод их в цифровую форму, мы осуществляем кодирование сигнала выбранным способом и последовательно записываем полученные коды в память компьютера. Это верно как для символьной информации, так и для растровых графических данных при цифровой фото- или видеосъемке, при кодировании аудиосигнала процесс происходит примерно так же. Однако следующим шагом, который требуется, чтобы хранить и передавать данные, является их оформление. Например, введенный нами необработанный текст пре­образуется текстовым процессором в документ. В документе, кроме самого текста, присутствует множество объектов, имеющих нетекстовую природу: рамки, раз­делительные линии, блоки, признаки разбиения на страницы и форматирования, другие служебные конструкции. Аналогично для хранения графических данных изображение определенным образом разбивается на слои, каналы, градации яр­кости, над данными производятся операции сжатия для уменьшения хранимого и передаваемого объема. Таким образом, к данным, хранящим собственно символь­ную, аудио- или видеоинформацию, добавляются специальные служебные данные, данные структурируются, и для хранения в постоянной памяти они приводятся к типу файлов определенного формата.

Любой файл, в общем случае, является последовательностью байтов, которая за­писывается на физический носитель и получает имя (или некоторый идентифика­тор). Как известно, файлы имеют разный формат. Слово «формат» в данном случае говорит о том, что разные группы байтов, записанные внутри файла, имеют разное назначение. Часть байтов несет в себе непосредственно данные, а часть — информа­цию о том, как эти данные правильно восстановить и отобразить на экране компью­тера или воспроизвести другим необходимым образом. Таким образом, любой файл представляет собой неоднородную структуру данных, и тип файла непосредственно связан, с той последовательностью действий, которую нужно проделать, чтобы данные из файла превратились в сигналы, несущие информацию.

Системы счисления