1.5.4. Представление звуковых данных

Звук – это упругая продольная волна в воздушной среде. Чтобы ее представить в виде, читаемом компьютером, необходимо выполнить следующие преобразования (рис. 1.5.1).

Звуковой сигнал преобразовать в электрический аналог звука с помощью микрофона. Электрический аналог получается в непрерывной форме и непригоден для обработки на цифровом компьютере. Чтобы перевести сигнал в цифровой код, надо пропустить его через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). При воспроизведении происходит обратное преобразование – цифро – аналоговое (ЦАП). АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера.

Звук

АЦП

Компьютер

Токовый аналог Дискретизация Обработка

звука двоичного кода кода

Упругая

волна в

воздушной

среде UU

tt

Рис. 1.5.1. Схема обработки звукового сигнала

Во время оцифровки сигнал дискретизируется по времени и по уровню. Дискретизация по времени выполняется следующим образом: весь период времени Т разбивается на малые интервалы времени , точкамиt₁,t₂, …,t_n. Предполагается, что в течение интервалауровень сигнала изменяется незначительно и может с некоторым допущением считаться постоянным. Величина=называетсячастотой дискретизации. Она измеряется в герцах. (Гц) – количество измерений в течение сек.

Дискретизация по уровню называется квантованиеми выполняется так: область измерения сигнала от самого малого значенияX_minдо самого большогоX_maxразбивается наNравных квантов, промежутков величинойточками х_1, х₂, … , х_n, x_i=X_min +Каждый квант связывается с его порядковым номером, т.е. целым числом, которое легко может быть представлено в двоичной С.С. Если сигнал после дискретизации по времени попадает в промежутокx_i-1, то ему в соответствие ставиться кодi. Теорема Найквиста утверждает, что, если сигнал оцифрован с частотой, то высшая «слышимая» частота будет не более. Число уровней подбирается так, чтобы звук не имел высокого уровня шума и «электронного» оттенка звучания. Число уровней берется как 2ⁿ. Чтобы измерение занимало целое число байт, выбираютn=8 илиn=16, т.е. один или два байта.

Высокое качество воспроизведения получается в формате лазерного аудиодиска при следующих параметрах оцифровки: частота дискретизации – 44,1 Гц, квантование – 16 бит, т.е. . Т.о. 1 сек стерео звука займет 2 байт * 44100 байт/с * 2 кан. * 1 с = 176400 байт дисковой памяти. При этом качество звука получается очень высоким.

Для телефонных переговоров удовлетворительное качество получается при частоте дискретизации 8 кГц и частоте квантования 255 уровней, т.е. 1 байт, при этом 1 сек звуковой записи, займет на диске 1 байт * 8000 байт/с * 1 с = 8000 байт.

1.5.7. Представление графических данных. Понятие растровой и векторной графики

Изображения представляются двумя способами.

1. Графические объекты создаются как совокупности линий, векторов – называется векторной графикой.

2. Графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и разных яркостей, распределенных по строкам и столбцам – называется растровой графикой.

Модель RGB. Чтобы оцифровать цвет, его надо измерить. Немецкий ученый Гросман сформулировал три закона смешения цветов:

1. Закон трехмерности – любой цвет может быть представлен комбинацией трех основных цветов;

2. Закон непрерывности – к любому цвету можно подобрать бесконечно близкий;

3. Закон аддитивности – цвет смеси зависит только от цвета составляющих.

За основные три цвета приняты красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). В моделиRGBлюбой цвет получается в результате сложения основных цветов. Каждый составляющий цвет при этом характеризуется своей яркостью, поэтому модель называется аддитивной. Эта схема применяется для создания графических объектов в устройствах, излучающих свет – телевизорах, мониторах.

Модель CMYK. В полиграфических системах напечатанный на бумаге графический объект сам не излучает световых волн. Изображение формируется на основе отраженной волны от окрашенных поверхностей. Окрашенные поверхности на которые падает белый свет (т.е. сумма всех цветов), должны поглотить (т.е. вычесть) все составляющие цвета, кроме того, цвет которого мы видим. Цвет поверхности можно получить красителями, которые поглощают, а не излучают. Например, если мы видим зеленое дерево, то это означает, что из падающего белого цвета (т.е. суммы красного, зеленого, синего), поглощены синий и красный, а зеленый отражен. Цвета красителей должны быть дополняющими: голубойCyan=B+G), дополняющий красного; пурпурный (Magenta=R+G), дополняющий зеленого; желтый (Yellow=R+G), дополняющий синего. Т.к. цветовые красители по отражающим свойствам не одинаковы, то для повышения контрастности применяется еще черный (Black). МодельCMYKназвана по первым буквам словCyan,Magenta,Yellowи последней буквеBlack. Т.к. цвета вычитаются, модель называется субстрактивной.

Оцифровка изображения. При оцифровке изображение с помощью объектива проецируется на светочувствительную матрицуmстрок иnстолбцов, называемую растром. Каждый элемент матрицы – мельчайшая точка, при цветном изображении состоящая из трех светочувствительных (т.е. регистрирующих яркость) датчиков красного, зеленого, желтого цвета. Далее оцифровывается яркость каждой точки по каждому цвету последовательно по всем строкам растра.

Если для кодирования яркости каждой точки использовать по одному байту (8 бит) на каждый из трех цветов (3 * 8 = 24 бита), то система обеспечит представление 2²⁴16,7 млн. распознаваемых цветов, что близко цветовосприятию человеческого зрения. Режим представления цветной графики двоичным кодом из 24 разрядов называется полноцветным илиTrueColor. Графические данные, также как и звуковые, занимают очень большие объемы на носителях. Например, если экран монитора имеет растр 800 х 600 точек, изображение, представленного в режимеTrueColor, займет 800 х 600 х 3 = 1440000 байт. Если не требуется высокое качество отображения цвета, применяют режимHighColor, который кодирует одну точку растра 2 байтами (16 разрядов дают 2¹⁶65,5 тысячи цветов).

Режим, который при кодировании одной точки растра использует один байт, называется индексным, в нем различаются 256 цветов. Этого не достаточно, чтобы передать весь диапазон цветов. Код каждой точки при этом выражает собственно не цвет, а некоторый номер цвета (индекс) из таблицы цветов, которая называется палитрой. Палитра прикладывается к файлам с графическими данными и используется при воспроизведении изображения.

Графическими форматами файлов являются .TIFF, .GIF, .JPG, .BMP,JPEG.