Рис. 5.13. К вопросу о "достаточности" числа разрядов входного сигнала для нелинейного преобразования

Развертывающие устройства различают по виду траектории, описываемой сканирующим пятном, и по способу относительного перемещения считывающего пятна, оригинала и фотоприемника. Развертки бывает электромеханические и целиком или отчасти электронные (без механических перемещений), с плоским или цилиндрическим оригиналодержателем.

В эпоху "механического" телевидения (до 40-х гг. XX в.) развертка осуществлялась по способу, предложенному немецким инженером Паулем Нипковым : путем вращения диска с отверстиями, расположенными на нем по спирали. Эти отверстия поочередно, строка за строкой, как показано на рис. 5.1 (а)
, обходили на диске кадр - проекцию передаваемой сцены. Свет, проходивший через отверстия, создавал ток видеосигнала в ФЭП, расположенном с обратной стороны диска. В такой развертке целике у отсутствовал обратный ход сканирующего пятна как по строке, так и по кaдру, а сами строки в кадре являлись дугами окружностей, описываемых отверстиями диска.

Радиальную траекторию с обратным ходом луча по строке используют в радиолокационных индикаторах кругового обзора (см. рис. 5.1, б).

В развертках многих полиграфических ЭЦК и фотофаксимильных аппаратов сканирующее пятно описывает винтовую линию (см. рис. 5.1, в). Оригинал крепится поверх цилиндра, а экспонируемая пленка внутри него. В последнем случае быстрая или строчная развертка обеспечиваете вращением зеркала или объектива внутри неподвижной цилиндрической камеры, что существенно облегчает автоматизацию установки и съема объектов сканирования. В развертке такого типа отсутствует обратный ход по строке, но есть обратный код по кадру, за время которого оптическая головка возвращается в исходное положение перед считыванием (записью) следующего комплекта изображений.

В вещательном телевидении и репродукционных устройствах с плоскостным расположением объекта сканирования траектория развертки представляет собою систему параллельных строк с возвратом светового пятна или такта коммутации (в матричном считывателе) из конца предыдущей строки в начало следующей и от конца последней строки кадра в начало первой, как показано на рис. 5.1 (г). В ЭЛТ такую траекторию обеспечивают периодические токи или напряжения пилообразной формы (см. рис. 5.2
), создающие электромагнитное или электростатическое поле отклоняющих катушек или пластин. От линейности нарастания этих сигналов зависит, как показывает рис. 5.2, геометрическая точность получаемого изображения. Равномерному нарастанию тока во время прямого ходa развертки, как показано в левой части рис. 5.2, соответствует одинаковая ширина квадратов на экране ЭЛТ. Если же скорость этого нарастания в начале строки выше (средняя часть рис. 5.2), то первый квадрат растягивается по горизонтали, а второй из-за уменьшения скорости (градиента нарастания отклоняющего тока) в конце строки сжимается, поскольку закон изменения самого видеосигнала, управляющего током электронного пучка остается неизменным. При вогнутой форме зубца "пилообразного" отклоняющего тока имеет место обратная картина. Из-за относительно низкой разрешающей способности применение ЭЛТ в допечатной технологии ограничивается лишь выводом текстовой информации (фотонаборные машины Digiset, CRTronic и т.п.) и системами видеопробы .

В общем случае сигнал, получаемый в результате построчного сканирования, характеризуется тремя "служебными" частотами и соответствующими им временными периодами. Для телевизионного растра это:

- время элемента изображения , определяемое, длительностью перемещения считывающего пятна на расстояние равное его размеру, и величина, обратная этому времени - частота видеосигнала (6,5 МГц в широковещательном телевизионном стандарте);

Период строки , равный времени перемещения пятна от начала данной до начала последующей строки, и обратная этому периоду величина - частота строчной развертки (16 кГц);

Время кадра (поля) и частота полей (50 Гц).

Если в одновременной системе все цвeтoдeленные сигналы передаются параллельно, то в последовательных системах соответственно этим временам различают, в частности, способы передачи сигналов и способы формирования цветных и цветоделенных изображений. Цветоделенные сигналы могут передаваться одновременно или последовательно: по элементам, по строкам и по кадрам.

Как уже упоминалось выше, в экспериментальных, а затем и в вещательных ТВ системах развертка изображений обеспечивалась поначалу механическим способом с использованием диска Нипкова. Сигнал на выходе ФЭП формировался лишь за счет световой энергии, которая успевала поступать на чувствительный слой ФЭП за время перемещения отверстия в диске (элемента разложения) на расстояние равное его размеру, т.е. за минимальный из рассмотренных выше временных промежутков. Слабый и незначительно отличавшийся от уровня помех сигнал не позволял вести передачу без мощного искусственного освещения, улучшить четкость изображения, т.к. для этого необходимо было увеличить число строк в кадре при соответствующем росте скорости развертки. Системами мгновенною действия в указанном смысле являются рассмотренные нами выше (см. рис. 4.4 и рис. 4.9) и считывающие устройства полиграфических ЭЦК.

Революционным в развитии ТВ техники явился переход в 30-е гг. к передающим системам с накоплением световой энергии Примером такой системы может служить условно представленная на рис. 5.3
телевизионная камера с ЭЛТ (1), использующей внутренний фотоэффект. Изображение объекта 2 проецируется объективом 3 на мишень 4. Она представляет собой слой фотопроводника, нанесенный на внутреннюю поверхность торцевого стекла трубки поверх прозрачного проводящего слоя окисла свинца 5. Световой поток создает на ней резистивный или (при подаче внешнего напряжения) потенциальный рельеф, который соответствует распределению яркостей передаваемого объекта. Электронный пучок 6, отклоняемый магнитным полем катушек 7, построчно и поэлементно, как показано на рис. 5.1 (в) обегает мишень 4. В каждый момент времени электрическая цепь оказывается замкнутой через элемент мишени 4, на котором находится сканирующее пятно (апертура электронного пучка) и нагрузочное сопротивление указатель" href="predmetnyi.htm#i800"> и фотодиодов, накопление используется не во времени всего кадра, а частично, за время строки. Как система с полным (за вce время кадра) накоплением может рассматриваться современный электронный цифровой фотоаппарат с матрицей ПЗС.

В отличие от телевизионных приложений, вопросы организации сканирования с накоплением световой энергии весьма актуальны в светоэнергетическом отношении и для систем регистрации изображений в допечатном процессе и будут рассмотрены ниже.

Характерной особенностью современных полиграфических систем обработки полутоновых оригиналов является то, что как пространственная, дискретизация изображения, так и квантование его тона по уровню осуществляются в них по крайней мере дважды.

Пространственная дискретизация - замена изображения, тон которого произвольно изменяется в координатах Х и Y, изображением, составленным из отдельных участков - зон, в пределах которых этот параметр усреднен.

В общем случае, как уже указывалось, частота дискретизации должна минимум в два раза превышать частоту гармонической составляющей исходного изображения, подлежащей воспроизведению на копии. Это положение схематически поясняет рис. 5.4 (а) , на позиции а) которого исходное непрерывное сообщение есть синусоидальное колебание u(t) с периодом Т. Спектр такого сигнала составляют постоянная составляющая и первая гармоника:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook438/files/u0.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" периода Т/2 глубина их модуляции первой гармоникой исходного сигнала равна нулю и информация о частоте целиком утрачивается. Передается лишь среднее знaчeние указатель" href="predmetnyi.htm#i808">) этот спектр ограничен и вдоль строк частотой, обратной величине этого пятна. Второй причиной ограничения спектра частот и дискретизации изображения вдоль строки является модуляция видеосигналом амплитуд, фаз или частот дополнительного электромагнитного колебания - несущей частоты, необходимой для передачи сигнала, например, в телевидении или в аналоговом дистанционном (с использованием электрических каналов связи) peпродуцировании.

Двухмерная (по обеим координатам) дискретизация и квантование имеют место при так называемом аналого-цифровом преобразовании видеосигнала, в результате которого совокупность пространственных отсчетов значения тона может быть представлена некоторым массивом чисел, записанных, например, в двоичном коде. Такое представление позволяет отвлечься от времени реального сканирования и производить функциональные преобразования тона, цвета, мелких деталей, контуров и другого содержания изображения как операции над числам и этого массива. Для подобных целей ныне эффективно используются ЭВМ.

Пространственная дискретизация сопутствует и растрированию - представлению изображения в виде совокупности запечатанных и пробельных элементов, относительная площадь которых определяется тоном или цветом соответствующих участков оригинала. При этом, как уже указывалось, частота первой дискретизации, связанной с электрооптическим анализом и аналого-цифровым преобразованием, принимается, как правило, в два раза превышающей линиатуру полиграфического растра, а точнее, частоту растровой функции , внутри периода которой формируется то или иное количество растровых точек и пробелов.

Если это условие соблюдается, то при воспроизведении системы периодических штрихов произвольной пространственной фазы размеры соседних точек будут хоть сколько-нибудь отличаться друг от друга во всех случаях кроме одного: когда сами штрихи сдвинуты ровно на половину периода относительно элемента разложения 1 и растровой ячейки . На оттиске вместо штрихов образуется равномерное поле одинаковых растровых точек с относительной площадью 50% (см. рис. 5.5 , г
), поскольку коэффициент отражения оригинала, усредненный по площади считывающего пятна 1, имеет одинаковое (промежуточное) значение для всех элементов растра. В зону отсчета 1 каждый раз попадает по половине штриха и половине пробела (см. рис. 5.5, в). Этот случай аналогичен представленному на рис. 5.4 (б).

Во всех других пространственных фазах контраст штрихов на репродукции оказывается выше, поскольку отличаются значения соседниx отсчетов и размеры формируемых в соответствии с ними растровых точек. Максимальное различие имеет место в противоположном крайнем случае когда, как показано на рис. 5.5 (а, б), штрихи частоты 0,5L совпадают по фазе с растровой решеткой. Здесь имеет место аналогия со случаем, иллюстрируемым рис. 5.4 (а, в). Они передаются растром в два раза большей линиатуры, равной L лин/см, без потери контраста. Гарантию передачи штрихов с полным контрастом независимо от их пространственной фазы дает частота разложения, в два раза превышающая растровую линиатуру, как поясняет рис. 5.5 (д).

Поскольку в полиграфическом репродуцировании имеют место как минимум две пространственные дискретизации изображения, из приведенного упрощенного примера следует, что двукратный запас по частоте разложения необходимо предусматривать дважды. В первый раз это приходится делать при выборе линиатуры растра, если ставится задача воспроизведения на оттиске определенных пространственных частот оригинала. Второй двукратный запас, на этот раз уже по отношению к выбранному значению линиатуры, устанавливается для частоты сканирования оригинала. Например, для воспроизведения штрихов, имеющих на оригинале частоту 4 лин/мм, необходима линиатура оттиска 80 лин/см (а также соответствующая eй гладкость бумаги и другие параметры печати). Считывать такой оригинал в сканере приходится уже с частотой 16 лин/мм.

Наряду с пространственной частотой, определяющей число дискретных отсчетов и объем перерабатываемой информации, на качество получаемого изображения влияют геометрия и ориентация решетки дискретизации . Растр однокрасочной репродукции и растр "рисующей" краски в цветной печати всегда ориентированы под углом 45°. Объяснение этой общепринятой практике как уменьшающей заметность самого растра вряд ли можно считать исчерпывающим, т.к. качество изображения улучшается благодаря такой ориентации и при линиатурах, больших, чем 60-80 лин/см, когда описанная выше проблема "заметности" растра не так актуальна.

Диагональная ориентация решетки позволяет оптимальным образом согласовать свойства полиграфической информационной системы, представляемой в данном случае оттиском и его растровой структурой, со свойствами источника информации (иллюстрационного оригинала), с одной стороны, и со свойствами получателя информации (его зрения), с другой. В данном примере эти свойства заключаются в угловой анизотропии , присущей трем базовым компонентам информационного процессе.

Первая из этих анизотропии обнаруживается в статистике распределения контуров по направлениям и есть следствие действия закона тяготения в зрительно воспринимаемом окружающем мире, peпликами которого и являются большей частью оригиналы, предназначенные для полиграфического репродуцирования. Вертикальные и горизонтальные контуры (линии) существенно преобладают над наклонными.

С другой стороны, исследования зрительного анализaтopa человека установили существенные различия пороговой чувствительности и разрешающей способности для различных направлений. Их иллюстрирует график границ пространственно-частотной характеристики зрения на рис. 5.6
. Пространственные частоты на этом графике оцениваются количеством линий, различаемых на единице угла зрения, охватывающего штриховую миру , предъявляемую испытуемому. Такая размерность пространственной частоты позволяет в определенной мере отвлечься от расстояния, на котором рассматривается тест.

Способность глаза различать вертикальные, горизонтальные и наклонные штрихи находится в соотношении 1,0:0,8:0,46. Этой особенностью зрения можно вполне объяснить зрительную реакцию на изображение ("Осень", Б. Рилей), представленное на рис. 5.7 (а) . Дискомфорт, ощущаемый при рассматривании, возникает от того, что изображение как бы разделяется на чередующиеся горизонтальные полосы. На одних участки синусоид, из которых построено все изображение, отчетливо просматриваются как отдельные линии, поскольку они здесь вертикальны. На других горизонтальных полосах линии плохо различимы или совсем сливаются, поскольку они наклонны. Сосредоточив внимание на одной из полос с плохо различимыми линиями, повернем изображение в его плоскости на 45°. Сама полоса и принявшие вертикальное положение линии в ней становятся отчетливыми.

Необходимо заметить, что граничные пространственные частоты, отмеченные графиком рис. 5.6, значительно выше частоты линий, из которых состоит "курьезное" изображение рис. 5.7 (а). Рассматриваемая отдельно от остального изображения его часть на рис. 5.7 (б) выглядит вполне отчетливо. На уровне восприятия, превышающем уровень сетчатки, мозг как бы перераспределяет свои ресурсы в пользу визуально более важных, чем наклонные, вертикальных и горизонтальных направлений.

Отмеченные выше особенности позволяют сделать следующие выводы:

Таким образом, рассмотренная выше специфика зрительного восприятия естественным образом согласуется со свойствами изображений и сформировалась на фоне анизотропии в распределении контуров по направлениям в зрительно воспринимаемом окружающем мире. Подобная гармония не распространяется лишь на узкий класс изображений, к которому можно отнести аэрофотоснимки или изображения земной поверхности и ее облачного покрова, полученные из космоса. Для этих изображений сами понятия "верх", "низ", "справа" и "слева" условны. В то же время, вряд ли можно считать изотропными в указанном смысле такие искусственно созданные изображения, как знаки типографского шрифта, произведения абстрактной живописи и т.п. Художники выбирают силу линий и контуров различной ориентации, интуитивно учитывая данную особенность зрения.

Согласование рассмотренных выше свойств изображений и зрения со свойствами промежуточного звена, каковым является система переработки графической информации, - прерогатива разработчика или оператора такой системы. Рассмотрим в этой связи разрешающую способность регулярной решетки дискретизации в различных направлениях, не забывая при этом, что пространственная дискретизация имеет место в полиграфической системе минимум два раза: при электрооптическом анализе и кодировании оригинала, а затем в автотипном растрировании изображения.

В двухмерной ортогональной решетке разрешающая способность изменяется с угловым периодом 90° от 100% до 70,7%, в то время как в гексагональной решетке это различие находится в пределах 100%-86% и повторяется через каждые 60°, как условно показывает рис. 5.8
, где линии, для которых разрешающая способность максимальна и минимальна, обозначены соответственно сплошными или прерывными. Последняя из решеток более изотропна, т.к. точность передачи штрихов здесь в меньшей степени зависит от их ориентации.

Для ортогональной решетки указанное различие поясняет рис. 5.9
- модель цифрового репродуцирования пары черных штрихов одинаковой толщины (см. рис. 5.9, а, б). Пространственные фазы штрихов отличаются на оригинале на половину периода решетки в ее горизонтальном (см. рис. 5.9, а) и диагональном (см. рис. 5.9, б) направлениях. Двухградационные изображения кодируют в так называемом штриховом режиме. Он обеспечивается простым двухуровневым оператором, присваивающем значение "1", если черное занимает больше половины площади зоны отсчета, и "0" в ином случае. Полученную таким образом "битовую карту" хранят и обрабатывают в репродукционной системе, а также используют для восстановления изображения при его выводе (см. рис. 5.9, в, г). Из сравнения оригинальных вертикальных штрихов на рис. 5.9 (а) и их "цифровых" изображений на рис. 5.9 (в) видно, что неопределенность в передаче толщины штриха, связанная с фазой его положения в решетке, лежит в пределах ее шага.

При самом незначительном наклоне штрихов вправе или влево от вертикали к ошибке в передаче толщины добавляются периодические (по длине штриха) ступенчатые искажения с шириной зубцов в шаг решетки (см. рис 5.10 , а
). Если ширина самого штриха еще и близка к указанному шагу, то штрих периодически прерывается на копии (см. рис. 5.10, б). По тем же причинам система тонких штрихов по мере увеличения ее частоты будет поначалу передаваться ложными узорами, а лишь затем средним значением яркости (см. рис. 5.10. в). Ложные узоры такого типа, обусловленные интерференцией периодического рисунка (текстуры) самого оригинала и несущей решетки , относят в полиграфии к предметному муару в отличие от муара многокрасочной печати , возникающего в результате взаимодействия растровых структур цветоделенных изображений.

Для штрихов, имеющих более значительный наклон, ошибка дискретизации в указатель" href="predmetnyi.htm#i853"> зрения при формировании нерегулярных растровых структур в условиях ограничений по разрешающей способности печати, допуская более грубую гранулярность в диагональных направлениях .

В реальных системах сравнение эффективности различных организаций пространственных отсчетов в отношении качества воспроизведения затруднено сложностью соблюдения равными прочих условий, важным из которых является, в частности, объем используемого сигнала. На рис. 5.11
для подобного сравнения представлены графические модели нескольких штриховых изображений (знаков) для ортогональной (б, в) и шахматной (г, д) дискретизации. Модели (в) и (д) получены с использованием в два раза меньшего количества отсчетов, чем модели (б) и (г), для иллюстрации выигрыша в объеме сигнала при оптимальной ориентации сетки отсчетов для заданного качества воспроизведения. Модели каждой из позиций б-д получены для двух положений знака в сетке отсчетов, отличающихся по обеим координатам приблизительно на половину ее шага. Это позволяет наглядно судить о влиянии ошибок дискретизации по различию в толщине элементов в каждой из пар знаков. С уменьшением в 10 раз моделям рис. 5.11 (б, г) соответствует разрешение 40, а рис. 5.11 (в, д) - 25 лин/мм.

В шахматной сетке (см. рис. 5.11, г, д) изменение фазы менее влияет на передачу толщины вертикальных и горизонтальных элементов, чем в ортогональной (см. рис. 5.11, б, в). Это влияние остается на том же уровне и для в два раза меньшего количества отсчетов, если растр повернет на 45°, как показывает сравнение моделей (б) и (д). Вместе с тем, на модели (д) ошибка в передаче диагональных линий и контуров в корень из двух раз выше, чем на модели (б). Однако это не столь существенно сказывается на качестве в силу упоминавшейся выше особенности зрения. И напротив, отсутствие ее учета в ортогональной дискретизации значительно ухудшает воспроизведение. Модели (б) и (д) значительно ближе друг к другу по качеству, чем полученные при том же соотношении количества отсчетов модели (в) и (г).

В условиях ограничений реальных систем в отношении объемов перерабатываемой информации, пропускной способности информационных каналов, быстродействия и разрешающей способности устройств ввода/вывода, ортогональная выборка существенно снижает представительность информации, используемой при кодировании и воспроизведении. Такая выборка, как видно из сравнения моделей (б) и (д), ведет почти к двукратной избыточной информации при вводе изображений. Ее последующее устранение оптимальным кодированием (сжатием) в самой системе дает лишь дополнительный эффект.

Рис. 5.12
иллюстрирует влияние ориентации решеток первой (считывание) и второй (растрирование) дискретизации на качество списков, полученных с использованием цифрового ЭЦК при линиатуре 60 лин/см и частоте сканирования 12 лин/мм. Качество передачи штрихов на трех вариантах оттисков заметно возрастает от рис. 5.12 (а) к рис. 5.12 (в) которым соответствуют:

а) считывание и растрирование с ориентацией обеих решеток под углом 0° (общепринятый режим для цветоделения желтой краски);

б) считывание в той же решетке и растрирование с наклоном растра 45° (для черной краски);

в) считывание и растрирование в шахматной сетке отсчетов.

Считывание и кодирование оригиналов в ортогональной решетке, принятое в сканирующих устройствах допечатных систем, при заданном объеме файла неоправданно занижает качество оттисков. Тем же ограничивается также информативность множества многоэлементных световых панелей, информационных табло, печатающих устройств, жидкокристаллических дисплеев и других подобных приборов, хотя это далеко не всегда оправдывается спецификой их конструкции.

В этой связи объяснимо также отрицание широкой полиграфической практикой гексагонального расположения печатных элементов в растре, несмотря на его очевидные преимущества в возможностях плавной тонопередачи. Гексагональная сетка отсчетов более изотропна, чeм ортогональная, т.к. угловой период между направлениями максимальной и минимальной разрешающей способности составляет в ней 30° (см. рис 5.8, б). Такая структура лучше согласуется с естественными (например, снимки, сделанные из космоса) или искусственными сюжетами, изотропными по статистике ориентации контуров. Однако поворотом этой структуры на изображении не удается обеспечить такого же удачного согласования ее свойств со свойствами получателя, какое дает перевод ортогональной сетки в шахматную, где экстремумы разрешающей способности глаза чередуются с периодом 45° (см. рис. 5.8, а).

Под квантованием понимают замену непрерывного интервала значений тона, которые могут принимать отдельные элементы изображения, тем или иным рядом дискретных значений - шкалой квантования .

Непрерывный диапазон напряжения видеосигнала, полученного в ФЭП и являющегося, например, аналогом коэффициента отражения, усредненного по площади считывающего пятна, в процессе аналого-цифрового преобразования разбивают на дискретные уровни. Число дискрет определяется размерностью шкалы квантования или разрядностью цифрового кода. Например, в АЦП аппаратуры Магнаскен 640 аналоговый сигнал преобразовывался в 12-ти разрядный двоичный код по шкале квантования имеющей 4096 уровней. На выходе логарифмирующего блока формировали 8-ми разрядный (равноконтрастный) сигнал, имеющий 256 возможных значений, пропорциональных оптическим плотностям оригинала. Такой запас по числу уровней на выходе логарифматора необходим для того, чтобы на самых крутых (с большим градиентом) участках характеристики передачи амплитуды каждому из выходных значений логарифматора соответствовало хотя бы одно входное значение (см. рис. 5.13
). Тогда все выходные значения оказываются информационно значимыми. Многократный запас по шкале квантования по отношению к 256-ти уровням восьмиразрядного сигнала, поступающего в компьютер, предусматривается и в современных сканерах, АЦП каждого из цветоделительных каналов может обеспечивать "глубину цвета" в 10, 12, 14 или даже 16 разрядов двоичного кода адекватную интервалу оптических плотностей считываемых оригиналов и динамическому диапазону используемого фотоэлектрического преобразователя.

Восьмиразрядная равноконтрастная шкала считается достаточной как для телевизионных, так и для типографских систем. Заметные для наблюдателя т.н. отсутствуют. В ином случае (см. рис. 5.14 , б-г
) они проявляются на протяженных участках изображения в виде ложных контуров, проходящих перпендикулярно направлению плавного изменения тона на оригинале.

Для подавления шумов квантования, сопутствовавших шестиразрядному кодированию (64 уровня) в первых цифровых репросистемах. использовалась т.н. межуровневая вобуляция, или квантования . Фоновые участки оригинала с плавным переходом с одного уровня квантования на другой изображались смесью pacтровых точек двух соседних уровней. Сглаживая скачки тона на участках его плавного изменения, этот метод, с другой стороны, препятствовал передаче рисунка, локальный контраст деталей которого был близок к шагу квантования.

Основной задачей цифрового кодирования в репродукционном процессе является такое представление цветовых значений, которое обеспечивает обработку, хранение, отображение и обмен изображениями между различными системами и их компонентами. Открытая (многовходовая/многовыходовая) система цветного репродуцирования должна отличаться следующими важными свойствами:

• предусматривать ввод изображений от множества разнообразных источников;
• обладать возможностями и средствами стандартизованного кодирования для хранения и эффективного обмена этой информацией;
• преобразование сигнала на выходе, учитывающее свойства средства отображения, не должно зависеть от специфики исходного источника;
• позволять дополнительно обрабатывать сигнал нa выходе для получения оптимального результата.

Эти свойства обеспечивают тщательно продуманным представлением параметров изображения и соответствующими схемами преобразования его сигналов.

Иллюстрационный файл заключает в себе выраженное цифровыми кодами множество значений некоторого свойства изображения. В отношении цифрового представления изображений в современной информационной среде наиболее обсуждаются вопросы, связанные с цветовыми системами и форматами иллюстрационных файлов.

Часто исходят из того предположения, что проблема однозначной трактовки кодированной иллюстративной информации разнообразными системами ее обработки и отображения может быть решена путем стандартизации форматов и принятия некоторого единого "аппаратно-независимого" цветового пространства. Однако эти два условия недостаточны хотя бы потому, что отображение в разных средах с использованием различных технологий не только отличается своими техническими параметрами, оно должно иметь разные колориметрические характеристики.

Применение единой цветовой системы позволяет оценить лишь цветовые различия в ее единицах применительно к разным схемам преобразования цветовых значений. Сами же эти схемы, являясь вполне пригодными для одних репродукционных задач, оказываются неприемлемыми, для других.

Для того чтобы информация файла могла быть однозначно истолкована при воспроизведении, кодирование осуществляют в соответствии с определенным регламентом, который устанавливает:

• способ представления изображения;
• метрику этого представления;
• вспомогательную информацию, помещаемую в т.н. теги.

Способ представления определяет, что собственно или какое свойство изображения подлежит кодированию. В этом качестве могут быть, например, выбраны, в одном случае, цвета всех точек изображения, а в другом - информация о геометрии и относительном расположении его графических элементов.

К первому варианту относится т.н. растровая графика , в которой каждая точка, например, штрихового, двухуровневого изображения описывается одним битом (есть краска - нет краски, светлое - темное), a вся совокупность бинарных значений образует так называемую битовую карту. На точку тонового , многоуровневого изображения приходится один байт - восьмиразрядная двоичная комбинация, способная обозначить одну из 256-ти его возможных градаций, а для цветного - кодовое слово, включающее три или большее число байт.

Во втором варианте (векторная графика ) кодовые комбинации заключают в себе математическое описание геометрических элементов, составляющих изображение. Такое представление, особенно для штрихового изображения, оказывается более экономным по используемому объему двоичных комбинаций, чем растровое. Другое преимущество заключается в свободной интерпретации размера графического элемента пpимeнительно к заданным для копии размерам при разной разрешающей способности вывода. Подобное компактное описание знаков шрифта позволяет, например, выводить эти знаки различным размером (кеглем) и с той или иной плотностью линий развертки в разных устройствах отображения. Тем не менее, в большинстве случаев конечным результатом преобразования сигнала изображения остается битовая карта, управляющая печатью в режиме да/нет, тогда как для систем полутонового отображения, например на экране ЭЛТ или при записи на цветной фотоматериал, используется многоуровневая, "байтовая карта". Поэтому относительный недостаток аналитического способа представления заключается в необходимости последующего преобразования массива данных к приемлемому для того или иного метода синтеза изображения виду. Это преобразование является главной функцией растрового процессора - РИПа.

Возвращаясь к первому варианту, следует далее ответить, что если кодированию подлежит такое свойство изображения, как его цвет, то наиболее принципиальным остается выбор способа представления цветовых значений. Он может быть денситометрическим или колориметрическим. В последнем случае может использоваться стандартная колориметрии, принятая МКО , или же одна из многочисленных т.н. развитых колориметров, учитывающих те или иные специфические свойства зрительного восприятия, игнорируемые цветовым стандартом МКО.

При кодировании параметров геометрических элементов, составляющих изображение, способ представления последнего, в свою очередь, может далее подразделяться на векторно-контурный, использующий кривые Безье или другие аналитические аппроксимации линий.

Различие между способом представления и его метрикой весьма важно. Если первый определяет существо (смысл и характер) кодируемой информации, то второй - систему единиц, которой оно выражается. Выбор способа более принципиален, поскольку при несоответствующем выборе система оказывается неработоспособной независимо от принятой в ней метрики.

Способ задания определяет, что будет представлено, тогда как его метрика характеризует лишь то, как представленное будет выражено числовыми значениями. В качестве аналогии можно говорить о выборе того, что будет оцениваться: скорость, время движения или пройденный путь. Когда способ выбран, то можно, не меняя сути измеренного, обсуждать далее метрику, которая может быть различной. Если, например, способ заключается в оценке пройденного пути, то единицами, без искажения смысла представляемого ими, могут служить метр, километр, световой год и т.п.

Когда в качестве способа представления используют МКО колориметрию, то сами значения могут быть выражены, например, в единицах таких цветовых систем, как LAB или LUV. Эти единицы, в свою очередь, могут быть подвергнуты различным видам цифрового кодирована я также без искажения их смысла, Например, LAB значения после нормирования и квантования по линейной или нелинейной шкале могут быть представлены восьмиразрядными двоичными числами. Выбор метрики важен в отношении возможностей сжатия информации.

Помимо способа и метрики регламент представления изображения включает и вспомогательную информацию, указывающую на формат файла или используемый метод кодирования. Такие признаки должны быть указаны точно, чтобы обеспечить обмен информацией об изображении, представленном данным способом и метрикой, между различными системами и программными приложениями. Для указанной цели служат, в частности, теги - подзаголовки иллюстрационных файлов. В них указывается на размер, пространственное разрешение изображения или способ сжатия информации, что позволяет надлежащим образом интерпретировать цифровые коды.

Подобная идентификация лежит в основе таких стандартных форматов файлов, как TIFF (Tagged Image File Format), имеющих существенные преимущества перед теми, в которых никак не указывается, что по существу представляют собою числа в массиве. Формат TIFF предназначен для представления изображений исключительно в растровой форме. Он существует в нескольких различных версиях и, в частности, LW - для штриховых (Line Work) и СТ - для полутоновых (Continuous Tone) изображений, что указывает соответственно на битовое или байтовое описание отдельно взятого элемента изображения.

Формат EPS (Encapsulated PostScript) - закрытая структура данных, создаваемая программами верстки для вывода фотоформ, печатных пластин или для цифровой печати. Этот формат предусматривает как векторную, так и растровую графику.

Кроме указанных универсальных форматов в различных программах допечатной подготовки встречаются и множество других специфических форматов цифрового представления изображений.

Сканирование (развертка) используется для преобразования изображения в электрические сигналы, которые представляют яркости его отдельных элементов.

Сканирующие фотопреобразователи (линейки и матрицы ПЗС) обеспечивают накопление световой энергии, существенно повышающее чувствительность считывающего устройства.

Разрешающая способность считывания оригинала должна в четыре раза превышать те частоты последнего, которые подлежат воспроизведению на растровом оттиске без потери контраста.

Статистика распределения контуров по направлениям в зрительных объектах и их изображениях обнаруживает преобладание вертикальных и горизонтальных деталей над наклонными.

Регулярные решетки обладают существенной угловой энизотропией разрешающей способности.

Ориентация растра на репродукции под углом 45° не только снижает его заметность, но и повышает частотно-контрастные характеристики изображения в наиболее важных вертикальном и горизонтальном направлениях.

При том же объеме считываемого сигнала шахматная (диагональная) выборка более представительна, чем ортогональная.

Потери информации, сопутствующие цифровому представлению изображений, обусловлены ошибками пространственной дискретизации и квантования по уровню.

Во избежание потери градаций и возникновения шумов квантования при нелинейном преобразовании цифрового сигнала должен быть предусмотрен запас по числу уровней квантования (разрядности) на входе.

Цифровое представление цвета в репродукционной системе должно связать ее входы и выходы, а также обеспечить редактирование, хранение и обмен информацией о цвете между ее модулями.

Регламент кодирования изображения определяется способом представления, метрикой значений и вспомогательными параметрами, характеризующими, например, формат файла.

Способ представления определяет фактический смысл кодированных цветовых значений, тогда как их метрика предполагает выбор определенной цветовой системы и числовых единиц.

5.1. В сканерах с одним линейным сканирующим ФЭП цветоделенные сигналы получают;

а) последовательно по элементам;

б) одновременно;

в) последовательно по кадрам;

г) последовательно по строкам.

5.2. Обратный ход сканирующего пятна по кадру отсутствует:

а) в радиальной развертке;

в) в телевизионном растре.

5.3. Обратный ход сканирующего пятна по строке отсутствует:

а) в радиальной развертке;

б) в развертке на цилиндре или внутри его;

в) в телевизионном растре.

5.4. Линейность развертки считывающего пятна влияет на:

а) плавность тонопередачи;

б) четкость изображения;

в) геометрию изображений.

5.5. Предельная частота видеосигнала определяется следующим соотношением размера считывающего пятна d и линейной скорости сканирования V:

a) dV; б) d/V; в) V/d.

5.6. К считывающим системам мгновенного действия относится:

а) планшетный сканер;

в) цифровой фотоаппарат;

г) телевизионная камера.

5.7. К считывающим системам с накоплением световой энергии относятся:

а) система с разверткой диском Нипкова;

б) сканер с разверткой на цилиндре;

в) планшетный сканер.

5.8. Накопление световой энергии на чувствительном элементе фотопреобразователя за время строки имеет место:

а) в сканере с разверткой на цилиндре;

б) в планшетном сканере;

в) в телевизионной камере.

5.9. Одномерная пространственная дискретизация изображения имеет место:

а) в цифровом планшетном сканере;

б) в аналоговом сканере постоянного тока с разверткой на цилиндре;

в) в результате аналого-цифрового преобразования видеосигнала;

г) в вещательной системе черно-белого телевидения;

д) при использовании проекционного перекрестного растра.

5.10. Как минимум два раза двухмерная пространственная дискретизация изображения имеет место:

а) в цифровом фотоаппарате;

б) в фоторепродукционной камере с контактным растрированием;

в) в аналоговом электронно-гравировальном автомате;

г) в цифровых системах получения растровых фотоформ тоновых оригиналов.

5.11. Пространственно-частотные свойства зрения наиболее низкие в отношении штрихов, расположенных на изображении:

а) наклонно;

б) вертикально;

в) горизонтально.

5.12. В присутствии по соседству деталей другой ориентации зрение концентрируется на деталях, расположенных:

а) наклонно;

б) вертикально;

в) горизонтально.

5.13. Угловая анизотропия в статистике распределения контуров по направлениям не присуща:

а) пейзажной живописи;

б) аэрофотоснимкам;

в) картинам абстракционистов;

г) газетным иллюстрациям;

д) шрифтам.

5.14. Наиболее выраженной угловой анизотропией разрешающей способности обладает решетка дискретизации, структура которой:

а) линейная;

б) ортогональная;

в) гексагональная;

г) нерегулярная.

5.15. Наименее выраженной угловой анизотропией разрешающей способности обладает решетка дискретизации, структура которой:

в) линейная;

б) ортогональная;

в) гексагональная.

5.16. В ортогональной решетке дискретизации с наименьшими ступенчатыми искажениями воспроизводятся штрихи, ориентация которых близка:

а) к диагональной;

б) к вертикальной;

в) к горизонтальной.

5.17. К предметному муару не относят результат интерференционного взаимодействия пространственных частот:

а) цветоделенных изображений;

б) оригинала и полиграфического растра;

в) оригинала и считывающего устройства.

5.18. Пространственно-частотные характеристики оригинала, полиграфической системы и зрения оптимально согласуются в отношении их угловой анизотропии при ориентации ортогональной решетки дискретизации под углом:

а) 0°; б) 15°; в) 30°; г)45°.

5.19. Шумы квантования значения тона проявляются на изображении:

а) снижением его общего контраста;

б) ступенчатыми искажениями контуров;

в) появлением ложных контуров;

г) прерыванием тонких штрихов;

д) снижением четкости.

5.20. Равноконтрастный сигнал отображается плавным изменением тоне во всем диапазоне градаций, если разрядность его двоичного кода составляет как минимум:

а) 5; б) 6; в) 7; г) 8; д) 16.

5.21. При воспроизведении тонового оригинала в полиграфической cистеме с цифровой печатной машиной его пространственная дискретизация и квантование тона по уровню имеют место по крайней мере:

а) один раз;

б) два раза;

в) три раза;

Пространственная дискретизация. В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты - точки. каждой фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеленый, синий и так далее) Качество кодирования изображения зависит от двух параметров: размера точки - качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение. количества цветов, - чем большее количество цветов, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов.

Формирование растрового изображения. Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей). Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т.е. количеством точек, из которых оно складывается. Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных персональных компьютерах обычно используются три основные разре­шающие способности экрана: 800 х 600, 1024 х х Изображение черно-белое без градаций серого цвета состоит из 600 строк по 800 точек в каждой строке (всего точек), то каждая точка экрана может иметь одно из двух состояний «черная» или «белая», то есть для хранения ее состояния необходим 1 бит. Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемым для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 или 32 бита.

Качество двоичного кодирования изображения определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета. Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле N = 2 I, где I глубина цвета Формирование растрового изображения

Глубина цвета и количество отображаемых цветов Глубина цвета (I)Количество отображаемых цветов (N) 82 8 = (High Color)2 16 = (True Color)2 24 = (True Color)2 32 = Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая цветовая модель называется RGB-моделью по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue). Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, то есть для каждого из цветов возможны N = 2 8 = 256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами (от минимальной до максимальной)

Формирование цветов при глубине цвета 24 бита Название цвета Интенсивность КрасныйЗеленыйСиний Черный Красный Зеленый Синий Голубой Желтый Белый

Графический режим. Графический режим вывода изображения на экран монитора определяется величиной разрешающей способности и глубиной цвета. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Пример 1 Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800 х 600 точек и глубиной цвета 24 бита на точку. Всего точек на экране: = Необходимый объем видеопамяти: 24 бит = бит = байт = 1406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт. Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов. В Windows предусмотрена возможность выбора графического режима и настройки параметров видеосистемы компьютера, включающей монитор и видеоадаптер.

Пример 2 Сканируется цветное изображение размером см. Разрешающая способность сканера 600 dpi и глубина цвета 32 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл.

Решение Переведем разрешающую способность сканера из точек на дюйм в точки на сантиметр: 600 dpi: 2, точек/см Следовательно, размер изображения в точках составит точек. Общее количество точек изображения равно: = Информационный объем файла равен: 32 бит = бит 21,25 Мбайт

Вопросы 1.В чем состоит суть метода пространственной дискретизации? 2.Объясните принцип формирования растрового изображения. 3.Какими параметрами задается графический режим, в котором изображения выводятся на экран монитора? Задания Используются графические режимы с глубинами цвета 8, 16, 24 и 32 бита. Вычислить объемы видеопамяти, необходимые для реализации данных глубин цвета при различных разрешающих способностях экрана.

Аналоговый и дискретный способы представления изображений и звука

Человек способен воспринимать и хранить информацию в форме образов (зрительных, звуковых, осязательных, вку­совых и обонятельных).

Зрительные образы могут быть со­хранены в виде изображений (рисунков, фотографий и так далее), а звуковые - зафиксированы на пластинках, магнитных лентах, лазерных дисках и так далее.

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме .

При аналоговом представлении физическая величина при­нимает бесконечное множество значений, причем ее значе­ ния изменяются непрерывно .

При дискретном представле­ нии физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

https://pandia.ru/text/78/427/images/image002_72.jpg" align="left" width="204" height="136 src=">В процессе кодирова­ния изображения производится его пространственная диск­ ретизация. Пространственную дискретизацию изображе­ния можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваива­ется значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеле­ный, синий и так далее) Рис. 2 Пространственная дискретизация

изображения

Качество кодирования изображения зависит от двух па­ раметров.

Во-первых , качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно боль­шее количество точек составляет изображение.

Во-вторых, чем большее количество цветов, то есть боль­шее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение), (каждая точка несет большее количество информации). Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов.

Формирование растрового изображения .

Графическая ин­ формация на экране монитора представляется в виде растро­ вого изображения , которое формируется из определенного ко­личества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей).

Качество изображения определяется разрешающей спо­ собностью монитора , т. е. количеством точек, из которых оно складывается.

Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в стро­ ке, тем выше качество изображения.

В современных персо­нальных компьютерах обычно используются три основные разрешающие способности экрана: 800 х 600, 1024 х 768 и 1280 х 1024 точки.

Рассмотрим формирование на экране монитора растрово­го изображения, состоящего из 600 строк по 800 точек в каждой строке (всего точек). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каж­дая точка экрана может иметь одно из двух состояний - «черная» или «белая», то есть для хранения ее состояния необходим 1 бит.

Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти (рис. 3).

Видеопамять
№ точки	Двоичный код цвета точки

Рис. 3. Формирование растрового изображения

¿Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемым для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16,24 или 32 бита

Качество двоичного кодирования изображения определяется разрешающей способностью экра­на и глубиной цвета.

Каждый цвет можно рассматривать как возможное состо­яние точки, тогда количество цветов, отображаемых на эк­ране монитора, может быть вычислено по формуле

N = 2 i ,
где i - глубина цвета

Таблица 4. Глубина цвета и количество отображаемых цветов

Глубина цвета (i )	Количество отображаемых цветов (N )

Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая цветовая модель называется RGB -моделью по первым буквам английских названий цветов (Red , Green , Blue ).

Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности.

Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит, то есть для каждого из цветов возможны N = 28= 256 уровней интенсивности, заданные двоичными кодами (от минимальной - до максимальной -) табл. 5

Таблица.5. Формирование цветов при глубине цвета 24 бита

Название цвета	Интенсивность
	Красный	Зеленый	Синий
Синий
Желтый

Графический режим.

Графический режим вывода изобра­ жения на экран монитора определяется величиной разрешаю­ щей способности и глубиной цвета.

Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера.

Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800 х 600 точек и глубиной цвета 24 бита на точку.

Всего точек на экране: 800 600 =

Необходимый объем видеопамяти:

24 бит =бит = 1 байт =

1406,25 Кбайт = 1,37 Мбайт.

Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопа­мяти для других графических режимов.

В Windows предусмотрена возможность выбора графиче­ского режима и настройки параметров видеосистемы компь­ютера, включающей монитор и видеоадаптер.

Установка графического режима

1. Щелкнуть по индикатору Экран на Панели задач , появится диалоговая панель Свойства: Экран . Выбрать вкладку Настрой­ ка, которая информирует нас о марке установленных мо­нитора и видеоадаптера и предоставляет возможность установить графический ре­жим экрана (глубину цвета и разрешающую способность).

2. Щелкнуть по кнопке Допол­нительно , появится диало­говая панель, на которой вы­брать вкладку Адаптер. На вкладке имеется инфор­мация о фирме-производите­ле, марке видеоадаптера, объеме видеопамяти и др. С помощью раскрывающего­ся списка можно выбрать оп­тимальную частоту обновле­ния экрана.

Вопросы для размышления

1. В чем состоит суть метода пространственной дискретизации?

2. Объясните принцип формирования растрового изображения.

3. Какими параметрами задается графический режим, в котором
изображения выводятся на экран монитора?

Двоичное кодирование звуковой информации

Временная дискретизация звука.

¿ Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и ча­стотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон.

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последователь­ность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация.

Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие вре­менные участки, причем для каждого такого участка уста­навливается определенная величина амплитуды.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сиг­нала от времени A (t ) заменяется на дискретную последователь­ность уровней громкости. На графике это выглядит как заме­на гладкой " кривой на последовательность «ступенек» - рис. 6.

Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня гром­кости звука, его код (1, 2, 3 и так далее). Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний, соответственно, чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количе­ство информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание.

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество различных уровней сигнала (состояний при данном кодировании) можно рассчи­тать по формуле

N = 2 i , = 216 = 65536, где i - глубина звука.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспе­ чить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

При двоичном кодировании непрерывного звукового сиг­нала он заменяется последовательностью дискретных уров­ней сигнала.

Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, то есть час­ тоты дискретизации.

Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретиза­ции), тем точнее процедура двоичного кодирования/

Качество двоичного кодирования звука определя­ ется глубиной кодирования и частотой дискрети зации.

Количество измерений в секунду может лежать в диапа­зоне от 8000 до, то есть частота дискретизации ана­логового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц - качеству звучания аудио-CD. Следу­ет также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы.

Можно оценить информационный объем стереоаудиофайла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука (16 битов, 48 кГц).

Для этого количество битов, при­ходящихся на одну выборку, необходимо умножить на ко­личество выборок в 1 секунду и умножить на 2 (стерео):

16 бит 2 = 1 бит = байт = = 187,5 Кбайт.

Стандартное приложение Звукозапись играет роль цифро­вого магнитофона и позволяет записывать звук, то есть ди-скретизировать звуковые сигналы, и сохранять их в звуко­вых файлах в формате WAV. Эта программа позволяет редактировать звуковые файлы, микшировать их (наклады­вать друг на друга), а также воспроизводить.

Вопросы для размышления

1. В чем состоит принцип двоичного кодирования звука?

2. От каких параметров зависит качество двоичного кодирования звука?

или почему разрешение файла должно превышать линиатуру растра не менее, чем в два раза

Характерной особенностью современных полиграфических систем обработки полутоновых оригиналов является то, что как пространственная дискретизация изображения, так и квантование его тона по уровню осуществляются в них по крайней мере дважды. Пространственная дискретизация - замена изображения, тон которого произвольно изменяется в координатах X и Y, изображением, составленным из отдельных участков - зон, в пределах которых этот параметр усреднен. В общем случае, как уже указывалось, частота дискретизации должна минимум в два раза превышать частоту гармонической составляющей исходного изображения, подлежащей воспроизведению на копии. Это положение схематически поясняет рис. 1 (а), на позиции а) которого исходное непрерывное сообщение есть синусоидальное колебание и(t) с периодом Т. Спектр такого сигнала составляют постоянная составляющая и первая гармоника:

u = U 0 +U l sin(27tt/T)

Рис. 1.

Исходный сигнал (а), значения его выборки и глубина модуляции (%) при нулевой (б), противоположной (в) и промежуточной (г) фазе частоты дискретизации.

При нулевой фазе дискретных отсчётов U D периода Т/2 глубина их модуляции первой гармоникой исходного сигнала равна нулю и информация о частоте целиком утрачивается. Передается лишь среднее значение U 0 исходного сигнала (см. рис. 1, б). С изменением фазы отсчётов на половину их периода глубина модуляции оказывается равной 100% (см. рис. 1, в). Промежуточным между рассмотренными фазам отсчётов сопутствуют искажения амплитуды и фазы первой гармоники, хотя, как показывает график на рис. 1 (г), информация о ее частоте сохраняется. Как минимум одномерная (по одной из координат) дискретизация изображений сопутствует процессу электрооптического анализа. В аналоговых репродукционных системах и в телевидении оптический параметр, являющийся функцией координат оригинала или передаваемой сцены, преобразуется в амплитуду электрического сигнала, изменяющегося на выходе ФЭП во времени при построчном считывании (сканировании). Спектр пространственных частот изображения в направлении, поперечном направлению строчной развертки, ограничивается частотой разложения на строки. В силу конечных размеров сканирующего пятна (апертуры) этот спектр ограничен и вдоль строк частотой, обратной величине этого пятна. Второй причиной ограничения спектра частот и дискретизации изображения вдоль строки является модуляция видеосигналом амплитуд, фаз или частот дополнительного электромагнитного колебания -несущей частоты, необходимой для передачи сигнала, например, в телевидении или в аналоговом дистанционном (с использованием электрических каналов связи) репродуцировании. Двухмерная (по обеим координатам) дискретизация и квантование имеют место при так называемом аналого-цифровом преобразовании видеосигнала, в результате которого совокупность пространственных отсчётов значения тона может быть представлена некоторым массивом чисел, записанных, например, в двоичном коде. Такое представление позволяет отвлечься от времени реального сканирования и производить функциональные преобразования тона, цвета, мелких деталей, контуров и другого содержания изображения как операции над числами этого массива. Для подобных целей ныне эффективно используются ПЭВМ.
Пространственная дискретизация сопутствует и растрированию - представлению изображения в виде совокупности запечатанных и пробельных элементов, относительная площадь которых определяется тоном или цветом соответствующих участков оригинала. При этом, как уже указывалось, частота первой дискретизации, связанной с электрооптическим анализом и аналого-цифровым преобразованием, принимается, как правило, в два раза превышающей линиатуру полиграфического растра, а точнее, частоту растровой функции, внутри периода которой формируется то или иное количество растровых точек и пробелов. Если это условие соблюдается, то при воспроизведении системы периодических штрихов произвольной пространственной фазы размеры соседних точек будут хоть сколько-нибудь отличаться друг от друга во всех случаях кроме одного: когда сами штрихи сдвинуты ровно на половину периода относительно элемента разложения 1 и растровой ячейки. На оттиске вместо штрихов образуется равномерное поле одинаковых растровых точек с относительной площадью 50% (см. рис. 2, г), поскольку коэффициент отражения оригинала, усредненный по площади считывающего пятна I имеет одинаковое (промежуточное) значение для всех элементов растра. В зону отсчета 7 каждый раз попадает по половине штриха и половине пробела (см. рис. 2, в). Этот случай аналогичен представленному на рис. 1 (б).

Рис. 2.
Штрихи частоты 0,51 в растровой решетке линиатуры L при совпадающих (а) и противоположных (в) фазах; их растровые копии: б, г - при считывающем элементе 1 равном шагу линиатуры; д - при отсчётах 2 вдвое меньших шага растра.

Во всех других пространственных фазах контраст штрихов на репродукции оказывается выше, поскольку отличаются значения соседних отсчётов и размеры формируемых в соответствии с ними растровых точек. Максимальное различие имеет место в противоположном крайнем случае, когда, как показано на рис. 2 (а, б), штрихи частоты 0,51 совпадают по фазе с растровой решеткой. Здесь имеет место аналогия со случаем, иллюстрируемым рис. 1 (а, в). Они передаются растром в два раза большей линиатуры, равной L лин/см, без потери контраста. Гарантию передачи штрихов с полным контрастом независимо от их пространственной фазы дает частота разложения, в два раза превышающая растровую линиатуру, как поясняет рис. 2 (д). Поскольку в полиграфическом репродуцировании имеют место как минимум две пространственные дискретизации изображения, из приведенного упрощенного примера следует, что двукратный запас по частоте разложения необходимо предусматривать дважды. В первый раз это приходиться делать при выборе линиатуры растра, если ставится задача воспроизведения на оттиске определенных пространственных частот оригинала. Второй двукратный запас, на этот раз уже по отношению к выбранному значению линиатуры, устанавливается для частоты сканирования оригинала. Например, для воспроизведения штрихов, имеющих на оригинале частоту 4 лин/мм, необходима линиатура оттиска 80 лин/см (~200dpi) (а также соответствующая ей гладкость бумаги и другие параметры печати). Считывать такой оригинал при сканировании приходится уже с частотой 16 лин/мм (~400ppi). Степень разрушения контуров и мелких деталей в растровом процессе несколько снижается, если частота отсчётов в соответствии с положениями теории дискретизации в два раза превышает линиатуру растра (см. рис. 3, д, е).

Рис. 3.
«Воронка» (а) и случайное (б) распределение весовых значений; изображения контура 1, разделяющего на оригинале участки с поглощением 0,94 и 0,04, на основе одного (в, г), четырех (д, е) и 64-х (ж, з) отсчётов на период растра;
2 - зона отсчета анализа

Пересекаемый контуром участок оригинала представляется в этом случае четырьмя различными по значениям отсчётами. Четыре фрагмента соответствующего участка копии формируются по разным знакам «алфавита» точек. Форма площади, запечатываемой внутри участка, модулируется геометрией контура, и последний передается с большей графической точностью и резкостью. Этот эффект наглядно иллюстрирует модель на рис. 4 (г) в сравнении с представленными на рис. 4(б,в).

Рис. 4.
Штриховые элементы (а) полутонового оригинала и их растровые копии с использованием:

• одного (б, в, д) и четырех (г, е) отсчётов в периоде растровой функции;
• нерезкого маскирования числового массива (в);
• смещения растровых точек (д) и их фрагментов (е) на контурах.

Точность передачи контура полного контраста повышается и далее по мере увеличения частоты считывания оригинала и оказывается на уровне разрешающей способности выводного устройства, когда каждому элементу синтеза в исходном видео массиве соответствует независимый многоуровневый отсчет (см. рис. 3, ж, з). Зоны отсчётов, как правило, почти на порядок превышают размеры элементов синтеза и не могут быть существенно уменьшены. Иначе чрезмерно, в среднем на два порядка, возрастают и без того большие, исчисляемые десятками и сотнями мегабайт, объемы иллюстрационных файлов. Соответственно растет емкость устройств хранения, время обработки и обмена видеоинформации между различными модулями и рабочими местами до-печатных систем, время передачи или занимаемая полоса частот при дистанционном репродуцировании. На практике ограничиваются лишь двукратным превышением частоты отсчётов над линеатурой, которому соответствуют примеры на рис. 3 (д, е) и рис. 4 (г). Такие режимы и системы репродуцирования условно относят к системам типа coarse scan/fine print (грубое считывание/четкая печать). Число отсчётов равное числу субэлементов синтеза, т. е. режимы типа fine scan/fine print, встречаются лишь в устройствах вывода непрерывного тона или струйно-капельной цифровой печати при относительно малых форматах изображений, низких разрешающих способностях ввода/вывода (порядка 12-24 лин/мм (300-600dpi)) и в этой связи невысоких линиатурах.

Cлайд 1

Cлайд 2

Графическое изображение Аналоговая (непрерывная) Визуальная, воспринимается глазами человека. Пример, живописное полотно Дискретная (цифровая) Скачкообразная, воспринимается вычислительной техникой. Пример, изображение созданное струйным принтером принтером Преобразуется путем пространственной дискретизации

Cлайд 3

Пространственная дискретизация- это способ преобразования аналоговой формы информации в цифровую (дискретную). Графическое изображение преобразуется в растровое изображение (состоит из определенного количества точек и строк). Механизм: Изображение разбивается на отдельные фрагменты (точки, или пиксели), причем каждый фрагмент имеет свой цвет.

Cлайд 4

Пиксель – минимальный участок изображения, для которого независимым образом задается цвет

Cлайд 5

Разрешающая способность- определяет количество точек по горизонтали и вертикали на единицу длины изображения. Единица длины 1 дюйм=2,54 см Единица измерения разрешающей способности растрового изображения – dpi

Cлайд 6

Пространственная дискретизация- На практике осуществляется: Цифровыми фото- и видеокамерами; Сканированием.

Cлайд 7

Технология сканирования По поверхности изображения перемещается полоска светочувствительного элемента. Качество изображения, при этом, зависит от разрешающей способности сканера. Например, 1200х2400 dpi Оптическое разрешение, кол-во светочувствительных элементов на 1 дюйм полоски Аппаратное разрешение, кол-во «микрошагов», которые делает полоска светочувствительных элементов, перемещаясь на 1 дюйм вдоль изображения

Cлайд 8

Палитра цветов Набор цветов которые могут принимать точки изображения. При дискретизации, каждый минимальный участок изображения (точка или пиксель) получает определенный цвет из используемой палитры цветов.

Cлайд 9

Цвет точки – возможное ее состояние. N – количество цветов в палитре J – кол-во информации, необходимое для кодирования цвета точки. Пример, черно-белое изображение, N=2, т.е. всего одно из двух возможных состояний- белое или черное. J= 1 бит Количество информации, которое необходимо для кодирования цвета точки изображения, наз-ся глубиной цвета (J)

Cлайд 10

Глубина цвета и количество цветов в палитре Глубина цвета,J(битов) Кол-во цветов в палитре,N 8 2^8=256 16 2^16=65 536 24 2^24=16 777 216