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 × 200 × 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 × 200 точек, содержащий, на первый взгляд, очень сложный чертеж, может в памяти компьютера занимать мало места.

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

Звук

Различные звуки и музыка, чтобы превратиться в данные компьютера, должны пройти ряд преобразований (рис. 3.2). 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).

На этапе 1 (см. рис. 3.2) происходит преобразование звукового сигнала в аналоговый электрический сигнал, на этапе 2 электрический сигнал поступает на вход АЦП, где происходит его дискретизация. Это значит, что с заданной частотой измеряется уровень электрического сигнала. На этапе 3 полученные значения уровней записываются в память компьютера в двоичном виде. Чем на большее количество уровней разбивается весь диапазон аналогового сигнала 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.

Рис. 3.2. Преобразование звукового сигнала в двоичные числа

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 22 000 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 большое количество уровней и высокую частоту дискретизации.

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 MP3. Надо заметить, что при сжатии данных в формат MP3 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 большой скоростью одна за другой и последовательно записываются в цифровом виде в память видеокамеры. Эта последовательность фотографий образует видеоряд, аналогичный кадрам на кинопленке.