Prostorska diskretizacija. Grafična obdelava

V tistih časih, ko računalniki še vedno niso imeli tako močnih zmogljivosti, kot jih imajo zdaj, ni bilo govora o pretvarjanju slik na papir ali film. Sedaj velja, da takšni objekti ustrezajo analogni obliki. S prihodom novih tehnologij je mogoče digitalizirati (na primer z uporabo optičnih bralnikov). Zaradi tega se je pojavila ti diskretna oblika slik. Toda kako je prenos grafike iz ene oblike v drugo? Na kratko o bistvu takih metod še naprej in bo povedal, kot je mogoče, podrobno in preprosto, tako da vsak uporabnik razume, kaj je rekel.

Kaj je prostorska diskretizacija v računalništvu?

Za začetek upoštevajte splošni koncept in ga razložite na najpreprostejši jezik. Grafična podoba se iz ene oblike v drugo preoblikuje s prostorsko diskretizacijo. Da bi razumeli, kaj je, razmislite o preprostem primeru.

Če posnamete katerokoli sliko, poslikano z vodnimi barvami, lahko vidite, da so vsi prehodi gladki (zvezni). Toda na skenirani sliki, ki je bila natisnjena na brizgalnem tiskalniku, takih prehodov ni, ker je sestavljena iz številnih majhnih pik, imenovanih pikslov. Izkazalo se je, da je piksel nekakšen gradnik, ki ima določene lastnosti (npr. Ima svojo barvo ali odtenek). Od takih opek in popolne slike se razvije.

Kaj je bistvo metode prostorske diskretizacije?

Če govorimo o bistvu metode preoblikovanja grafike s pomočjo teh tehnologij, lahko navedemo še en primer, ki vam bo pomagal razumeti, kako to deluje.

Digitalizirane slike, ki se, ko jih optično preberemo, lahko prikažejo na zaslonu računalniškega monitorja, kar je mogoče pri tiskanju primerjati z vrsto mozaika. Samo tu se pojavlja piksel kot en kos mozaika. To je ena glavnih značilnosti vseh sodobnih naprav. Kot je bilo že mogoče uganiti, več takšnih točk in manjše velikosti vsakega od njih, bolj gladki bodo prehodi. Konec koncev je njihova številka za vsako določeno napravo tista, ki določa njeno ločljivost. V računalništvu je za takšno značilnost običajno, da prešteje število pik (točk) na palec (dpi-pika na palec), tako z navpičnimi kot tudi s horizontalnimi smeri.

Tako se ustvari dvodimenzionalna prostorska mreža, ki je nekoliko podobna običajnemu koordinatnemu sistemu. Za vsako točko v takem sistemu lahko nastavite svoje parametre, ki se razlikujejo od sosednjih točk.

Dejavniki, ki vplivajo na kakovost kodiranja

Vendar ne samo zgornji primeri v celoti odražajo delovanje prostorske diskretizacije. Kodiranje grafičnih informacij upošteva več pomembnejših parametrov, ki vplivajo na kakovost digitalizirane slike. Uporabljajo se ne le za slike same, temveč tudi za naprave, ki reproducirajo grafiko.

Prvič, to vključuje naslednje značilnosti:

• hitrost vzorčenja;
• resolucijo;
• globina barve

Stopnja vzorčenja

Stopnja vzorčenja je velikost delcev, ki sestavljajo sliko. Ta parameter lahko enako najdemo v značilnostih digitaliziranih slik, skenerjev, tiskalnikov, monitorjev in grafičnih kartic.

Res je, da je ena zavora. Dejstvo je, da lahko s povečanjem skupnega števila točk dosežete višjo frekvenco. Vendar se hkrati spremeni tudi velikost datoteke shranjenega izvirnega predmeta. Da bi se temu izognili, se trenutno uporablja umetno ohranjanje velikosti na eni konstantni ravni.

Koncept resolucije

Ta parameter je že bil omenjen. Če pa pogledate naprave za prikaz slik, je slika nekoliko drugačna.

Kot primer parametrov, ki jih uporablja prostorska diskretizacija, upoštevajte skenerje. Na primer, v značilnostih naprave je določena ločljivost 1200 x 1400 dpi. Skeniranje se izvede s premikanjem traku fotosenzitivnih elementov vzdolž skenirane slike. Toda prva številka označuje optično ločljivost same naprave (število elementov za skeniranje v enem inčnem delu traku), druga pa se nanaša na ločljivost strojne opreme in določa število "mikro-premikov" traku s skenirnimi elementi na sliki, ko se skozi sliko preide en meter.

Globina barve

Pred nami je še en pomemben parameter, brez upoštevanja katerega popolnoma razumemo, kaj je prostorska diskretizacija. Barvna globina (ali globina kodiranja) je običajno izražena v bitih (enako se lahko pripiše tudi globini zvoka) in določa število barv, ki so bile vključene v konstrukcijo slike, vendar se na koncu nanaša na palete (barvne komplete).

Na primer, če upoštevamo črno-belo paleto, ki vsebuje le dve barvi (brez stopnjevanja sivih odtenkov), informacije pri kodiranju vsake točke se lahko izračuna z uporabo zgornje formule, glede na to, da je N skupno število barv (v našem primeru N = 2), in I je število stanj, ki jih lahko ima vsaka točka (v našem primeru, I = 1, saj je le dva: črna ali bela). Tako je N ^I = 2 ¹ = 1 bit.

Kvantizacija

Prostorska diskretizacija lahko upošteva tudi parameter, imenovan kvantizacija. Kaj je to? Na nek način spominja na interpolacijsko tehniko.

Bistvo postopka je, da se referenčna vrednost signala nadomesti z najbližjo sosednjo vrednostjo iz fiksnega niza, ki je seznam nivojev kvantizacije.

Za boljše razumevanje pretvorbe grafičnih informacij si oglejte zgornjo sliko. Predstavlja grafiko v izvirniku (analogni obliki), sliko z uporabo kvantizacije in stransko popačenje, imenovano hrup. Na drugi fotografiji od zgoraj si lahko ogledate poseben prehod. Imenujejo se kvantizacijske lestvice. Če so vsi prehodi enaki, se lestvica imenuje enotna.

Digitalno kodiranje

Pri pretvarjanju grafičnih informacij je treba opozoriti, da lahko v nasprotju z analognim signalom kvantni signal vzame le zelo specifično določeno število vrednosti. To vam omogoča, da jih pretvorite v niz znakov in znakov, katerih zaporedje se imenuje koda. Končno zaporedje se imenuje kodna beseda.

Vsaka kodna beseda ustreza enemu kvantizacijskemu intervalu, za kodiranje pa se uporablja binarna koda. Vendar pa morate včasih upoštevati tudi hitrost prenosa podatkov, ki je produkt frekvence vzorčenja in dolžine kodne besede in je izražena v bitih na sekundo (bps). Grobo rečeno, ni nič več kot največje možno število prenesenih binarnih simbolov na enoto časa.

Primer izračuna video pomnilnika za prikaz rastrske slike na monitorju

Nazadnje, še en pomemben vidik, povezan s tem, kar predstavlja prostorsko diskretizacijo. Rastrske slike na zaslonu monitorja so reproducirane v skladu z določenimi pravili in zahtevajo pomnilnik.

Na primer, monitor je nastavljen na grafični način z ločljivostjo 800 x 600 pik na palec in barvno globino 24 bitov. Skupno število točk bo 800 x 600 x 24 bitov = 11 520 000 bitov, kar ustreza 1 440 000 bajtov ali 1406,25 Kb ali 1,37 MB.

Metode kompresije videa

Tehnologija prostorske diskretizacije, kot je že jasno, velja ne le za grafiko, temveč tudi za video posnetke, ki jih lahko v nekem smislu pripišemo tudi grafičnim (vizualnim) informacijam. Res je, da je bil tak material že nekaj časa digitaliziran z omejenimi zmogljivostmi, saj so bile končne datoteke tako velike, da jih je bilo nepraktično obdržati na trdem disku računalnika (spomnite se vsaj prvotnega formata AVI, ki ga je Microsoft razvil hkrati).

S prihodom algoritmov M-JPEG, MPEG-4 in H.64 je mogoče zmanjšati končne datoteke z razmerjem zmanjšanja 10-400-krat. Mnogi lahko trdijo, da bo stisnjen video slabše kakovosti kot original. Na nek način, tako kot je. Vendar pa se lahko pri teh tehnologijah zmanjša velikost z izgubo kakovosti in brez izgube.

Obstajata dve glavni metodi, s katerimi se izvaja stiskanje: znotraj-okvir in med-okvir. Obe možnosti temeljijo na izključitvi podvojenih elementov iz slike, vendar ne vplivajo, na primer, na spremembe svetlosti, barve itd. Prvo je, da je v drugem primeru razlika med prizori v enem okvirju ali med dvema sosednjima neznatna, tako da razlika med očmi ni posebej opazna. Toda pri brisanju zgornjih elementov iz datoteke je razlika v velikosti med izvirno in končno sliko zelo pomembna.

Ena izmed najbolj zanimivih, čeprav precej zapletenih metod, ki jih prostorska diskretizacija uporablja za stiskanje slik, je tehnologija, imenovana diskretna kosinusna transformacija, ki jo je predlagal V. Chen leta 1981. Temelji na matriki, v kateri so v nasprotju z izvirno, ki opisuje samo vrednosti vzorcev, predstavljene vrednosti hitrosti njihove spremembe.

Tako ga lahko obravnavamo kot določeno mrežo sprememb hitrosti v vertikalni in horizontalni smeri. Velikost vsakega bloka je določena s tehnologijo JPEG in je 8 x 8 pik. Stiskanje se uporablja za vsak blok, vendar ne za celotno sliko. Tako razlika med izvirnim in končnim materialom postane še manj opazna. V računalniški terminologiji se taka tehnika včasih imenuje tudi podvzorčenje.

Nadalje lahko svetilnost in kromatičnost uporabimo za zgoraj opisano kvantizacijo, pri čemer se vsaka vrednost kosinusne transformacije deli s koeficientom kvantizacije, ki ga lahko najdemo v posebnih tabelah, ki temeljijo na tako imenovanih psihofizičnih testih.

Sama tabela ustreza strogo določenim razredom blokov, razvrščenih po dejavnostih (enotna slika, nestrukturirana slika, horizontalna ali vertikalna razlika itd.). Z drugimi besedami, za vsak blok so določene njegove lastne vrednosti, ki se ne uporabljajo za sosede ali tiste, ki se razlikujejo v razredu.

Končno, po kvantizaciji, na podlagi Huffmanove kode, se izvede odstranitev redundantnih koeficientov (redundančno zmanjšanje), kar omogoča pridobitev kodne besede z dolžino manj kot en bit za vsak koeficient (VLC) za nadaljnje kodiranje. Nato se oblikuje linearna sekvenca, za katero se uporablja metoda cikcakskega branja, ki grupira vrednosti v končni matriki v obliki pomembnih vrednosti in zaporedij ničel. Ampak tako kot jih je mogoče odstraniti. Preostale kombinacije so stisnjene na standardni način.

Na splošno strokovnjaki ne priporočajo posebej kodiranja grafičnih informacij z uporabo tehnologij JPEG, saj imajo številne pomanjkljivosti. Prvič, večkratno shranjevanje datotek vedno vodi k poslabšanju kakovosti. Drugič, zaradi dejstva, da objekti, kodirani z JPEG, ne morejo vsebovati preglednih področij, je mogoče uporabiti takšne metode za grafične slike ali skenirane vzorce umetniške grafike le, če vertikalno in horizontalno ne presegajo velikosti v 200 pik. V nasprotnem primeru se bo poslabšanje kakovosti končne slike izrazilo zelo svetlo.

Res je, da so algoritmi JPEG postali osnova za tehnologije stiskanja MPEG, kot tudi za različne konference standardov, kot so H.26X in H32X.

Namesto naknadne besede

Tukaj je kratko in vse, kar zadeva razumevanje vprašanj, povezanih s pretvorbo analogne oblike grafike in videa v diskretno (po analogiji se takšne tehnike uporabljajo za zvok). Opisane tehnologije so za običajnega uporabnika precej težko razumljive, vendar je še vedno mogoče razumeti nekatere pomembne komponente glavnih metod. Ni obravnaval vprašanja o postavitvi monitorjev, da bi dobili najvišjo kakovost slike. Vendar pa je glede vprašanja, ki nas zanima, mogoče opozoriti, da ni vedno treba določiti najvišje možne ločljivosti, saj lahko prekomerni parametri povzročijo okvaro naprave. Enako velja za hitrost osveževanja zaslona. Bolje je, da uporabite vrednosti, ki jih priporoča proizvajalec, ali tiste, ki jih operacijski sistem po privzetku priporoča po namestitvi ustreznih gonilnikov in programske opreme za nadzor.

Kot je za samo-skeniranje ali prekodiranje informacij iz ene oblike v drugo, morate uporabiti posebne programe in pretvorniki, vendar, da bi se izognili znižanju kakovosti, največja možna kompresija za zmanjšanje velikosti končnih datotek je bolje, da ne bi odnesli. Takšne metode se uporabljajo samo v tistih primerih, ko je treba informacije shraniti na medijih z omejeno količino (na primer CD / DVD-diski). Če pa je na trdem disku dovolj prostora ali če želite ustvariti predstavitev za oddajanje na velikem zaslonu ali natisniti fotografije na sodobno opremo (fotografski tiskalniki se ne štejejo), je bolje, da kakovosti ne zanemarite.