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 модели RGB любой 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: голубой Cyan = 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). Модель CMYK названа по первым буквам слов Cyan, Magenta, Yellow и последней букве Black. Т.к. цвета вычитаются, модель называется субстрактивной.
Оцифровка изображения. При оцифровке изображение с помощью объектива проецируется на светочувствительную матрицу m строк и n столбцов, 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 224 
16,7 млн. распознаваемых цветов, что близко цветовосприятию человеческого зрения. Режим представления цветной графики двоичным кодом из 24 разрядов называется полноцветным или True Color. 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 режиме True Color, займет 800 х 600 х 3 = 1440000 байт. Если не требуется высокое качество отображения цвета, применяют режим High Color, который кодирует одну точку растра 2 байтами (16 разрядов дают 216 65,5 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.
Структуры данных
Автоматизированная обработка больших объемов данных становится проще, если данные упорядочены (структурированы). Применяются следующие структуры данных:
Линейная структура данных (список) – это упорядоченная структура, в которой адрес данного однозначно определяется его номером (индексом). Пример: список учебной группы, дома, стоящие на одной улице.
В списках, как известно, новый элемент начинается с новой строки. Если элементы располагаются в строчку, то вводится разделительный знак между элементами. Поиск осуществляется по разделителям (например, чтобы найти десятый элемент, надо отсчитать девять разделителей).
Если элементы списка одной длины, структура называется вектором данных, разделители не требуются. При длине одного элемента d, зная номер элемента n, его начало определяется соотношением d(n-1).
Табличная структура данных – это упорядоченная структура, в которой адрес данного однозначно определяется двумя числами – номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка с исходным элементом.
Если элементы располагаются в строчку, вводятся два разделительных знака – между элементами строки и между строками. Поиск, аналогично линейной структуре осуществляется по разделителям.
Если элементы таблицы одной длины, структура называется матрицей данных, разделители в ней не требуются. При длине одного элемента d, зная номер строки m и номер столбца n, а также строк и столбцов M, N, найдем адрес его начала:
d[N(m – 1) + (n – 1)].
Таблица может быть трехмерной, тогда три числа характеризуют положение элемента, а может быть n – мерной.
Мой компьютер
Диск С: Диск D: Диск H:
Program files Папка 1 Папка 2 …
MS Office Стандартные …
MS Word MS Excel …
Иерархическая структура – это структура, в которой адрес каждого элемента определяется путем (маршрутом доступа), идущим от вершины структуры к данному элементу. Иерархическую структуру образуют, например, почтовые адреса, файловая система компьютера:
Линейная и табличная структуры более просты, чем иерархическая , но, если в линейной структуре появляется новый элемент, то упорядоченность сбивается. Например, если в списке студентов появляется новый человек, расположенный по алфавиту список нарушается.
В иерархической структуре введение нового элемента не нарушает структуры дерева. Недостатком является трудоемкость записи адреса и сложность упорядочивания.
H:\Stud\tsi11\Ivanov\Text\my_file.doc
Россия \ Ростовская область \ Ростов – на – Дону \ ул. Б. Садовая \дом 1\кв. 11
Хранение данных
При хранении данных решаются две задачи:
- как сохранить данные;
- как обеспечить быстрый удобный доступ к ним.
В компьютерных технологиях единицей хранения данных является объект переменной длины, называемый файлом. Файл – это поименованная область на внешнем носителе, содержащая данные определенной длины, обладающая собственным именем.
Современные файлы могут содержать данные различных типов. Например, в текстовом файле могут содержаться графические вставки, таблицы и пр.
Имя файла фактически несет в себе адресные функции в иерархических структурах. Имя файла может иметь расширение, в котором хранятся сведения о типе данных. При автоматической обработке по типу файла может запускаться приложение (программа), работающее с ним.
Для доступа к файлам, которых на жестком диске может быть сотни тысяч, используется определенное ПО, предназначенное для централизованного управления данными.
Системы управления данными называются файловыми системами. Именно файловая система решает задачи распределения внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к данным. Благодаря этому, работа с файлами во многом стала напоминать работу с обычными документами.
Информация любого типа хранится в виде файлов, выступающих в роли логически завершенных совокупностей данных.
Для пользователя файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить, удалить, сохранить или переслать, но только целиком. С физической точки зрения, файл – это всего лишь последовательность байтов. Способ использования или отображения этой последовательности определяется типом файла – текстовый, звуковой, исполняемый модуль программы и т.п.
Для хранения различных видов информации необходимо использовать по-разному устроенные файлы. Способ организации данных (структура файла) называется форматом.
Файловая система – это часть ОС компьютера и поэтому всегда несет на себе отпечаток свойств конкретной ОС. Некоторые форматы файлов стандартизированы и должны поддерживаться любой ОС и работающими в ней приложениями (например, графические файлы .GIF или JPEG). Наряду с этим всегда имеются форматы, специфичные только для данной системы (например, исполняемые файлы MS DOS или Windows). Есть форматы, разработанные для конкретных приложений, работающих под управлением данной ОС (например, формат .xls, используемый MS Excel). В некоторых случаях при разработке приложений программистам приходится создавать новые форматы.
Структура файла может быть простой. Например, текст может сохраняться в виде последовательности байтов, прямо соответствующих формату ASCII. Но в большинстве случаев вместе с данными приходится сохранять и дополнительную информацию. Например, особенности форматирования текста (размеры символов, шрифты и т.п.). Процесс форматирования можно рассматривать, как процедуру придания некоторых свойств фрагменту текста. Поэтому, для сохранения форматирования нужно иметь два типа кодов, для обозначения блока текста, к которому применяется форматирование, и для указания свойства (типа форматирования).
Если система служебных кодов определена, то для сохранения текста требуется вставка в него управляющих символов. Например, надо сохранить таблицу из шести чисел, имеющую две строки и три столбца (2 х 3):
Для хранения чисел используются ячейки фиксированного размера (например, два байта). Поэтому, если в файл записано 6 чисел, то при чтении данных из него нужно извлечь шесть раз по 2 байта. Т.к. память ПК линейна, то возникает задача, как сохранить не только сами числа, но и структуру таблицы. Очевидно, что если таблица запоминается построчно, то основным параметром, определяемым ее вид, является количество чисел в строке (т.е. количество столбцов). Поэтому, договариваемся, что первое число в файле – это длина строки таблицы, затем записывается количество строк, а далее построчно сохраняются числовые элементы таблицы. Тип данных, представляющий их, также должен быть оговорен. Число строк необходимо запомнить, чтобы знать, где остановиться при чтении информации. Таблица может быть записана в файл в виде следующей последовательности:
Сформулированными правилами должна будет пользоваться не только программа, сохраняющая таблицу, но и любая другая, которой потребуется прочесть данные из таблицы, т.к. формат файла определяет способ правильной интерпретации хранимых данных. Размещение в начале файла блока служебной информации часто используется в многочисленных форматах, например, в файлах баз данных или графических данных.
| Заголовок (служебная информация) | Собственно сохраняемые данные |
Часто заголовок файла включает идентификатор формата файла. Программы, предназначенные для просмотра файлов определенного типа, начинают работу с чтения служебной информации и проверки возможности восприятия формата файла.
Современные программные системы позволяют одновременно включать в файл данные разных видов, а это требует разработки очень сложных форматов. Придумать простой формат, который позволил бы хранить множество видов данных вместе, невозможно. Поэтому, например, для хранения документов в MS Office строятся так называемые структурированные хранилища – фактически файловые системы, спрятанные в одном файле. Наличие разных форматов для хранения данных одного и того же типа затрудняет переносимость их из среды одного приложения (программы) в среду другого. Проблема обычно решается использованием специальных программ, называемых конверторами.
Вопросы для самоконтроля
1. Как представляются числа в памяти компьютера?
2. Как представляются символьные и текстовые данные?
3. Как представляются звуковые данные?
4. Как представляются графические данные?
5. Какими способами формируются графические изображения?
6. Что вы можете рассказать о моделях RGB и CMYK?
7. Что вы можете сказать об особенностях хранения данных различных типов?