Prostorna diskretizacija. Grafička obrada

U one dane, kada računala još uvijek nisu imala tako moćne sposobnosti kao što su sada, nije bilo govora o pretvaranju slika na papir ili film. Sada se smatra da takvi objekti odgovaraju analognom obliku. Pojavom novih tehnologija postalo je moguće digitalizirati (na primjer, pomoću skenera). Zbog toga se pojavila tzv. Diskretna forma slika. Ali kako je prijenos grafike iz jednog oblika u drugi? Ukratko o suštini takvih metoda i dalje će se govoriti što je moguće detaljnije i jednostavno tako da svaki korisnik razumije što se govori.

Što je prostorna diskretizacija u računalnoj znanosti?

Za početak, razmislite o općem konceptu, objašnjavajući ga na najjednostavnijem jeziku. Iz jednog oblika u drugi grafička se slika transformira prostornom diskretizacijom. Da biste razumjeli što je to, razmislite o jednostavnom primjeru.

Ako uzmete bilo koju sliku naslikanu vodenim bojama, lako je vidjeti da su svi prijelazi glatki (kontinuirani). Ali na skeniranoj slici, koja je bila ispisana na inkjet pisaču, nema takvih prijelaza, jer se sastoji od mnogo malih točkica, koje se zovu pikseli. Ispada da je piksel vrsta građevnog bloka koji ima određena svojstva (na primjer, ima svoju boju ili nijansu). Od takvih opeka i pune slike razvija se.

Koja je bit metode prostorne diskretizacije?

Ako govorimo o suštini metode pretvaranja grafike uz pomoć takvih tehnologija, možemo dati još jedan primjer koji će vam pomoći razumjeti kako sve to funkcionira.

Digitalizirane slike koje se, kada se skeniraju, kada se prikazuju na zaslonu računalnog monitora, kada se ispisuju, mogu usporediti s vrstom mozaika. Samo se ovdje pojavljuje piksel kao jedan dio mozaika. To je jedna od glavnih karakteristika svih modernih uređaja. Kao što je već bilo moguće pogoditi, što je više takvih točaka, a što je svaka od njih manja, to su prijelazi glatkiji. Konačno, njihov broj za svaki pojedini uređaj određuje njegovu razlučivost. U računalnoj znanosti uobičajeno je da takva karakteristika broji broj piksela (točaka) po inču (dpi-točku po inču), s vertikalnim i horizontalnim smjerovima.

Tako se stvara dvodimenzionalna prostorna rešetka koja pomalo podsjeća na konvencionalni koordinatni sustav. Za svaku točku u takvom sustavu možete postaviti vlastite parametre, koji će se razlikovati od susjednih točaka.

Čimbenici koji utječu na kvalitetu kodiranja

Ali ne samo gornji primjeri u potpunosti odražavaju kako prostorna diskretizacija funkcionira. Kodiranje grafičkih informacija uzima u obzir nekoliko važnijih parametara koji utječu na kvalitetu digitalizirane slike. One se ne odnose samo na same slike, nego i na uređaje koji reproduciraju grafiku.

Prije svega, to uključuje sljedeće karakteristike:

• brzina uzorkovanja;
• rezolucije;
• dubina boje

Brzina uzorkovanja

Brzina uzorkovanja je veličina fragmenata koji čine sliku. Ovaj se parametar može jednako naći u karakteristikama digitaliziranih slika, skenera, pisača, monitora i grafičkih kartica.

Istina, postoji jedna zapreka. Činjenica je da povećanjem ukupnog broja bodova možete dobiti veću frekvenciju. Istovremeno se mijenja i veličina datoteke spremljenog izvornog objekta. Kako bi se to izbjeglo, trenutno se primjenjuje umjetno održavanje veličine na jednoj konstantnoj razini.

Koncept rezolucije

Ovaj je parametar već spomenut. Međutim, ako pogledate uređaje za prikaz slika, slika je nešto drugačija.

Kao primjer parametara koje koristi prostorna diskretizacija, razmotrite skenere. Na primjer, u karakteristikama uređaja navedena je razlučivost od 1200 x 1400 dpi. Skeniranje se vrši pomicanjem trake fotosenzitivnih elemenata duž skenirane slike. No prvi broj označava optičku razlučivost samog uređaja (broj elemenata skeniranja u jednom inču trake), a drugi se odnosi na hardversku rezoluciju i određuje broj "mikro-pokreta" trake s elementima skeniranja na slici kada jedan inč prođe kroz sliku.

Dubina boje

Pred nama je još jedan važan parametar, bez obzira na to što u potpunosti razumijemo što je prostorna diskretizacija. Dubina boje (ili dubina kodiranja) obično se izražava u bitovima (isto, slučajno, može se pripisati dubini zvuka) i određuje broj boja koje su bile uključene u konstrukciju slike, ali se naposljetku odnosi na palete (setovi boja).

Na primjer, ako uzmemo u obzir crno-bijelu paletu koja sadrži samo dvije boje (bez gradacije sivih tonova), količina informacija kod kodiranja svake točke, može se izračunati pomoću gornje formule, s obzirom da je N ukupan broj boja (u našem slučaju N = 2), a I je broj stanja koje svaka točka može uzeti (u našem slučaju, I = 1, budući da samo dva: crna ili bijela). Dakle, N1 = 2 ¹ = 1 bit.

kvantizacija

Prostorna diskretizacija također može uzeti u obzir parametar koji se naziva kvantizacija. Što je to? Na neki način podsjeća na tehniku ​​interpolacije.

Suština procesa je da se referentna vrijednost signala zamijeni najbližom susjednom vrijednošću iz fiksnog skupa, što je popis razina kvantizacije.

Da biste bolje razumjeli kako se pretvaraju grafičke informacije, pogledajte gornju sliku. Prikazuje grafiku u izvornom (analognom obliku), sliku s primjenom kvantizacije i bočnu distorziju, nazvanu buka. Na drugoj fotografiji odozgo možete vidjeti neobične prijelaze. Nazivaju se skale kvantizacije. Ako su svi prijelazi isti, skala se naziva uniformna.

Digitalno kodiranje

Pri konvertiranju grafičkih informacija, treba napomenuti da, za razliku od analognog signala, kvantni signal može uzeti samo vrlo specifičan fiksni broj vrijednosti. To vam omogućuje pretvoriti ih u skup znakova i znakova, čiji se slijed zove kod. Završna sekvenca naziva se kodna riječ.

Svaka kodna riječ odgovara jednom intervalu kvantizacije, a binarni kod se koristi za kodiranje. Međutim, ponekad biste trebali uzeti u obzir i brzinu prijenosa podataka, koja je rezultat učestalosti uzorkovanja i duljine kodne riječi, a izražava se u bitovima u sekundi (bps). Grubo rečeno, to nije ništa više od maksimalno mogućeg broja prenesenih binarnih simbola po jedinici vremena.

Primjer izračunavanja video memorije za prikaz rasterske slike na monitoru

Konačno, još jedan važan aspekt koji se odnosi na prostornu diskretizaciju. Rasterske slike na zaslonu monitora reproduciraju se prema određenim pravilima i zahtijevaju memoriju.

Na primjer, monitor je postavljen na grafički način s razlučivošću od 800 x 600 točaka po inču i dubinom boje od 24 bita. Ukupan broj bodova bit će jednak 800 x 600 x 24 bita = 11 520 000 bita, što odgovara 1 440 000 bajta ili 1406,25 Kb, ili 1,37 MB.

Metode kompresije videozapisa

Tehnologija prostorne diskretizacije, kako je već jasno, primjenjiva je ne samo na grafiku, već i na video slike, koje se u određenom smislu mogu pripisati i grafičkim (vizualnim) informacijama. Istina, takav materijal je digitaliziran neko vrijeme s ograničenim mogućnostima, budući da su konačne datoteke bile tako velike da ih je bilo nepraktično držati na tvrdom disku računala (sjetite se barem izvornog AVI formata koji je Microsoft razvio u jednom trenutku).

S pojavom M-JPEG, MPEG-4 i H.64 algoritama postalo je moguće smanjiti konačne datoteke s omjerom smanjenja od 10-400 puta. Mnogi mogu tvrditi da će komprimirani videozapis biti slabije kvalitete od izvornika. Na neki način, onakav kakav jest. Međutim, u takvim tehnologijama, smanjenje veličine može se postići gubitkom kvalitete i bez gubitka.

Postoje dvije glavne metode pomoću kojih se vrši kompresija: unutargrame i međuframe. Obje ove opcije temelje se na izuzimanju dvostrukih elemenata iz slike, ali ne utječu, primjerice, na promjene svjetline, boje itd. Što je u prvom slučaju, u drugom slučaju, razlika između scena u jednom kadru ili između dva susjedna je beznačajna, tako da razlika u oku nije osobito vidljiva. Ali pri brisanju gore navedenih elemenata iz datoteke, razlika u veličini između izvorne i konačne slike je vrlo značajna.

Jedna od najzanimljivijih, iako prilično složenih, metoda koje prostorna diskretizacija koristi za komprimiranje slika je tehnologija nazvana diskretna kosinusna transformacija koju je predložio V. Chen 1981. godine. Temelji se na matrici u kojoj su, za razliku od originala, koji opisuju samo vrijednosti uzoraka, prikazane vrijednosti brzine njihove promjene.

Dakle, može se smatrati određenom mrežom varijacija brzine u vertikalnom i horizontalnom smjeru. Veličina svakog bloka određena je JPEG tehnologijom i iznosi 8 x 8 piksela. Kompresija se primjenjuje na svaki blok, ali ne i na cijelu sliku. Tako razlika između izvora i završnog materijala postaje još manje vidljiva. Ponekad se u računalnoj terminologiji takva tehnika naziva i pod-uzorkovanjem.

Nadalje, osvjetljenje i kromatičnost mogu se primijeniti na gore opisanu kvantizaciju, u kojoj se svaka vrijednost kosinusne transformacije dijeli s koeficijentom kvantizacije, koji se može naći u posebnim tablicama na temelju takozvanih psihofizičkih testova.

I same tablice odgovaraju strogo definiranim klasama blokova grupiranih po djelatnostima (jedinstvena slika, nestrukturirana slika, horizontalna ili vertikalna razlika, itd.). Drugim riječima, za svaki blok postavljaju se njegove vlastite vrijednosti, koje nisu primjenjive na susjede ili one koje se razlikuju u klasi.

Konačno, nakon kvantizacije, na temelju Huffmanovog koda, vrši se uklanjanje redundantnih koeficijenata (redundancijsko smanjenje), što omogućuje dobivanje kodne riječi duljine manje od jednog bita za svaki koeficijent (VLC) za naknadno kodiranje. Zatim se formira linearna sekvenca za koju se koristi metoda cik-cak čitanja koja grupira vrijednosti u konačnoj matrici u obliku značajnih vrijednosti i sekvenci nula. Ali kao što se mogu ukloniti. Preostale kombinacije komprimiraju se na standardni način.

Općenito, stručnjaci ne preporučuju posebno kodiranje grafičkih informacija pomoću JPEG tehnologija, budući da imaju nekoliko nedostataka. Prvo, višestruko ponovno spremanje datoteka uvijek vodi kvarenju kvalitete. Drugo, zbog činjenice da objekti kodirani s JPEG ne mogu sadržavati prozirna područja, moguće je primijeniti takve metode na grafičke slike ili skenirane uzorke umjetničke grafike samo ako vertikalno i horizontalno ne prelaze veličinu u 200 piksela. Inače će pogoršanje kvalitete konačne slike biti izraženo vrlo vedro.

Istina, JPEG algoritmi postali su osnova za MPEG tehnologije kompresije, kao i za razne konferencijske standarde kao što su H.26X i H32X.

Umjesto pogovora

Evo kratkog i svega onoga što se tiče razumijevanja pitanja vezanih uz konverziju analognog oblika grafike i videa u diskretno (po analogiji se takve tehnike koriste za zvuk). Opisane tehnologije su običnom korisniku prilično teško razumjeti, međutim, neke važne komponente glavnih metoda još uvijek se mogu razumjeti. Nije riješeno pitanje postavljanja monitora kako bi se dobila slika najviše kvalitete. Međutim, o pitanju koje nas zanima, može se primijetiti da nije uvijek potrebno uspostaviti najveću moguću razlučivost, jer prekomjerni parametri mogu dovesti do kvara uređaja. Isto vrijedi i za brzinu osvježavanja zaslona. Bolje je koristiti vrijednosti koje preporuča proizvođač ili one koje operativni sustav predlaže koristiti po zadanom nakon instalacije odgovarajućih upravljačkih programa i upravljačkog softvera.

Što se tiče samo-skeniranja ili transkodiranja informacija iz jednog formata u drugi, trebali biste koristiti posebne programe i pretvarače, ali kako bi se izbjeglo snižavanje kvalitete, maksimalnu moguću kompresiju kako bi se smanjila veličina konačnih datoteka bolje je ne odvesti. Takve metode primjenjive su samo u onim slučajevima kada se informacije moraju pohraniti na medije s ograničenom količinom (na primjer, CD / DVD-diskovi). Ali ako na tvrdom disku ima dovoljno mjesta, ili kada želite stvoriti prezentaciju za emitiranje na velikom zaslonu ili ispisati fotografije na suvremenoj opremi (foto-pisači se ne broje), bolje je ne zanemariti kvalitetu.