2.5. Представление звуковых данных

Напомним, что звук представляет собой упругую продольную волну, распространяющуюся в воздушной среде. Преобразование данных звукового сигнала к виду, пригодному для компьютерной обработки, производится в два этапа. На первом этапе звуковой сигнал с помощью микрофона преоб­разуется в электрический аналог звука. Последний имеет непрерывную форму и потому не может обрабатываться компьютером непосредственно. На втором этапе сигнал преобразуется в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразо­вателя. В случае воспроизведения звуковых данных происходит обратное цифро-аналоговое преобра­зование. И аналого-цифровое, и цифро-аналоговое преобразования осуществляются в звуковой карте компьютера.

При оцифровке производится квантование сигнала как по времени, так и по уровню. Для квантования по времени все время звучания обрабатываемого сигнала разбивается на малые интервалы времени продолжительностью Δt. Величина ν = 1/Δt называется частотой дискретизации. Она характеризует число измерений в течение единицы времени и имеет размерность частоты (Гц – герцы). При выполнении преобразования считается, что в течение каждого из промежутков Δt уровень сигнала изменяется мало и, следовательно, приближенно может быть принят постоянным.

При квантовании по уровню весь диапазон изменения сигнала от минимального значения до максимального разбивается на равные промежутки - кванты, каждый из которых имеет свой порядковый номер. Если после квантования по времени уровень сигнала оказывается в про­межутке с номером k, то ему ставится в соответствие код k.

Для оптимальной оцифровки звукового сигнала необходимо решить два вопроса: какие частоту дискретизации и точность измерения сигнала следует выбрать для обеспечения требуемого качества сигнала при последующем воспроизведении. При выборе частоты дискретизации руководствуются теоремой Найквиста, согласно которой максимальная частота воспроизводимого сигнала не превосходит половины частоты дискретизации. При выборе числа квантов, определяющего точность измерения сигнала, исходят из требований к допустимому уровню шумов и искажений.

2.6. Представление графических данных

Применительно к компьютерам существуют три основных способа представления изображений – растровый, векторный и фрактальный. При использовании первого графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и разных яркостей, распределенных по строкам и столбцам. Во втором случае изображение описывается с помощью совокупности отрезков и дуг и т.д., и параметров, описывающих их цвета и расположение. Под вектором понимается набор данных, характеризующих какой-либо объект. Фрактальная графика, аналогично векторной, базируется на математических вычислениях. Отличие последней состоит в том, что все изображения строятся по уравнениям, поэтому никаких графических объектов в памяти компьютера хранить не надо. Базовым элементом фрактальной графики является сама математическая формула.

Для кодировки графических данных необходимо измерить цвет, что может быть сделано на основании трех законов смешения, сформулированных Грассманом:

• закон трехмерности – каждый цвет можно представить с помощью комбинации трех основных цветов;

• закон непрерывности - к любому цвету можно подобрать беско­нечно близкий;

• закон аддитивности – цвет смеси определяется только цветом его составляющих.

Все многообразие цветов в природе возникает благодаря двум механизмам. В первом случае источники света излучают свет различных длин волн, который и воспринимается глазом человека как цветной. Во втором случае свет, падая на поверхность несветящегося объекта, частично поглощается, а частично отражается, и отраженное излучение воспринимает­ся глазом как окраска объекта. Для описания цвета в случаях излучающих и отра­жающих объектов применяются разные математические модели.

Модель RGB описывает излучаемые цвета и использует в качестве базовых три цвета – красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue). Все остальные цвета об­разуются в результате смешивания этих трех основных. Например, при смешивании красного и зеленого цвета получается желтый, зеленого и синего - голубой, синего и красного - пурпурный. Если смешиваются все три базовых цвета, то получается белый. Каждый составляющий цвет ха­рактеризуется своей яркостью. Смешав три базовых цвета с разными яркостями (т.е. в разных пропорциях), можно получить любой желаемый оттенок.

Каждый пиксель растрового изображения в модели RGB пред­ставляется яркостями трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Яркости пикселей хранятся в каналах. Цветовым каналом называется полутоновое изображение, отражающее распределе­ние яркостей соответствующего базового цвета. Модель RGB является трехканальной, требующей по одному на каждый базовый цвет. Яркость каждого базового цвета характеризуется целым числом, которое может принимать значения от 0 до 255.

Модель RGB используется для создания графических образов в излучающих свет устройствах – телевизорах, мониторах. Цветная картина получается при наложении друг на друга изображений в красном, зеленом и си­нем канале. Каждый складывающийся цвет характеризуется своей собственной яркостью, и по мере увеличения яркости составляющих цветов увеличивается яркость результирующего, поэтому модель RGB называется аддитивной.

Модель HSB является аппаратно-зависимой, поскольку в основе лежит модель RGB. Рассматриваемая модель получила свое название по первым буквам анг­лийских слов Hue (цветовой тон, тональность), Saturation (насыщенность), Brightness (яркость). В модели HSB каждый цвет определяется своим цве­товым тоном, насыщенностью и яркостью. Таким образом, модель HSB, так же как и модель RGB, является трехканальной.

Цве­товой тон, или собственно цвет, соответствует чистому цвету солнечного спектра и характеризуется величиной, изменяющейся от 0 до 360. Совокупность чистых тонов имеют максимальную насыщенность и яр­кость.

Насыщенность характеризует процент добавления цвета к цвету белой краски и изменяется от 0 до 100%. Если значение насыщенности становится равным 0%, то любой цвет становится белым.

Яркость является параметром, описывающим освещенность и характеризующим процент добавления цвета к цвету черной краски. Она может изменяться в интервале от 0 до 100%. Уменьшение яркости цвета означает его затемне­ние, а минимальная яркость (0) соответствует черному цвету.

Таким образом, любой цвет в модели HSB получается из спектрального путем добавления опре­деленного процента белой и черной красок, иными словами, оттенка серого цвета.

Следует отметить, что модель HSB является не совсем корректной с точки зрения человеческого восприятия, поскольку описание яркости в ней не соответствует восприятию человеческим глазом. Модель HSB использует предположение, что все спек­тральные цвета имеют 100-процентную яркостью, в то время как человеческий глаз воспринимает спектральные цвета, как имеющие различную яр­кость. Например, спектральный зеленый представляется наиболее ярким, крас­ный - менее ярким, а синий - наиболее темным.

Модель HSB широко используется ком­пьютерными художниками благодаря простоте заложенных в нее идей, с ее помощью удобно визуально подбирать цвета.

Модель CMYK является основной полиграфической моделью, когда напечатанные на бумаге изображения сами не излучают световых волн. Окрашенные изображения, освещаемые белым светом, поглощают все составляющие цвета, кроме того, цвет, который видит человек. Цвет по­верхности получается с помощью красителей, которые поглощают, а не излучают. Цвета, полученные из белого цвета путем вычитания, т.е. поглощения, из него определенных участков спектра, называют­ся субтрактивными. Для их описания удобно воспользоваться моделью CMY (Cyan (Голубой), Magenta (Пурпурный) и Yellow (Желтый)), в которой основные цвета получаются путем вычитания из белого цвета основ­ных аддитивных цветов модели RGB. Основ­ных субтрактивных базовых цветов три: голубой (белый минус красный), пурпурный (белый минус зеленый), желтый (белый минус синий).

В результате смешивания двух субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется - положено больше краски, поглощено больше света. Смешивание максимальных значений всех трех компо­нентов в результате дает черный цвет. Отсутствие краски соответствует белому цвету, а смешение равных значений трех компонентов позволяет получить оттенки серого.

На практике реальные краски не полностью соответствуют их теоретическим рассчитанным аналогам. Поэтому при смешивании трех основных красок вместо черного цвета получается грязно-коричневый. Помимо этого, достижение интенсивного черного цвета требует большого количества красителей каждого цвета, что может привести к их повышенному расходу, переувлажнению бумаги. Исходя из этого, к числу основных полиграфических красок (и в модель) была добавлена черная. Последняя буква в на­звании модели CMYK означает черную краску - последняя буква слова blacK (черный). Число базовых красок - каналов уве­личилось до четырех, поэтому CMYK является четырехканальной цветовой моделью.

Оцифровка изображения. Для представления графических данных к виду, пригодному для компьютерной обработки, обрабатываемое изображение с помощью объектива проецируется на светочувствительную матрицу, состоящую из строк и столбцов, и называемую растром. Каждый элемент матрицы состоит из трех свето­чувствительных датчиков красного, зе­леного и желтого цветов, предназначенных для фиксации яркости этих трех основных цветов. Измеренные яркости точек оцифровываются по каждому из трех цветов последовательно по всем строкам растра.

Для кодирования каждой точки растра могут использоваться данные, имеющие различное число разрядов. Кодирование яркости каждой точки с помощью одного байта на каждый из трех базовых цветов, то есть с помощью 3 • 8 = 24 битов, обеспечивает представление 2²⁴  16,7 миллионов распознаваемых цветов, что близко цветовосприятию человеческим зрением. Режим представления графических данных с помощью 24 двоичных разрядов на­зывается полноцветным, или True Со1оr. Графические дан­ные требуют для своего хранения очень большие объемы на но­сителях. Так, например, изображение, воспроизводимое на экране монитора с растром 800х600 точек в режиме True Со1оr, занимает 8006003=1440000 байт.

Режим, при котором для кодирования одной точки рас­тра используется два байта, называется High Color. Он позволяет различать 2¹⁶  65,5 тысячи цветов.

До того времени, как видеоадаптеры с большим объ­емом видеопамяти и мониторы SVGA получили широкое распространение, большинство компьютеров могли отображать на экране не более 256 цветов одновременно. А более старые мониторы вообще были способны воспроизводить до 16 или 64 цветов. В таких условиях наиболее рацио­нальным способом кодирования изображений явился метод индексирования цве­тов. При его использовании для кодирования одной точки растра исполь­зуется один байт, поэтому количество цве­тов в нем ограничено 256. Каждому из цветов, использующихся в изображении, ставится в соответствие порядковый но­мер, который затем используется для описания всех точек (пикселей), имеющих такой же цвет. При этом код каждой точки изображения характеризует не собственно цвет, а некоторый номер цвета, или индекс, из таблицы цветов, которая получила название палитры. Поскольку для разных изображений набор цветов будет различаться, то его необходимо хранить в памяти компьютера вместе с изображением.