Reprezentacja danych nieliczbowych w komputerze

Obraz Dźwięk Tekst Video

Tekst Tekst składa się ze znaków drukarskich takich jak: litery, cyfry, znaki interpunkcyjne, znaki występujące w alfabetach narodowych i inne Znaki te kodowane są w komputerze za pomocą kodu ASCII (American Standard Code Information Interchange) W kodzie tym każdy znak ma przyporządkowaną liczbę z zakresu 0 .. 255, czyli jedno z 256 możliwych ustawień bitów w bajcie 0 .. 31 kody sterujące, np. koniec wiersza, Backspace itp.. 23 .. 127 litery duże i małe alfabetu angielskiego, znaki interpunkcyjne, inne znaki dostępne z klawiatury np.. #, @ Kody z zakresu 0 .. 127 muszą być jednakowe w komputerach na całym świecie, ponieważ wszystkie programy komputerowe pisane są za pomocą tych znaków 128 .. 255 znaki rzadko używane, np. symbole graficzne

Tekst Przypisanie różnych znaków kodom z zakresu 128 .. 255 nie musi być jednoznaczne i często wykorzystuje się je do zakodowania znaków alfabetów narodowych Przypisanie kodom z tego zakresu innych znaków niż w standardowym kodzie ASCII odbywa się za pomocą odpowiednich programów komputerowych Najważniejsze standardy kodowania polskich znaków diakrytycznych: ISO 8859-2 Windows 1250 Trwają prace nad nowym standardem kodowania znaków – Unicode. Na reprezentację znaku przeznacza się 2 bajty (16 bitów), co daje 65536 możliwych do zakodowania znaków. Pierwsze 256 pozycji ze standardu Unicode są indentyczne z kodem ASCII, następne można wykorzystać na znaki narodowe różnych alfabetów. Problem stwarzają ideogramy pisma chińskiego lub japońskiego, gdzie ilość znaków przekracza 60000.

Obraz Grafikę rastrową (bitmapy) Grafikę wektorową Reprezentacja obrazu w komputerze zależy od programu, w jakim obraz został utworzony. Wyróżnia się: Grafikę rastrową (bitmapy) Grafikę wektorową W grafice rastrowej obraz to zbiór punktów – pixeli. Im większa liczba pixeli składa się na obraz tym lepsza jego jakość. W pamięci komputera zapisane są w postaci bitów cechy charakterystyczne każdego pixela: położenie oraz kolor. Powiększanie obrazu nie powoduje dołączenia dodatkowej liczby pixeli, a zwiekszenie ich powierzchni. Powoduje to powstanie efektu „schodkowania” podczas powiększania. W grafice wektorowej obraz składa się z prostych obiektów graficznych (wektorów) – łuków, prostych, zamalowanych obszarów. W pamięci komputera wektor zapisany jest w postaci równania. Przekształcenie obiektu równoznaczne jest z przeliczeniem opisującego go równania oraz obliczeniem nowej wartości poszczególnych pixeli i wyświetlenie ich na ekranie. Obraz utworzony w grafice wektorowej można powiększać bez utraty jakości.

Grafika rastrowa Jakość obrazu Ilość bitÓw Jakość odwzorowania kolorów zależy od ilości bitów przeznaczonych na zapis informacji o kolorze jednego pixela Jakość obrazu Obraz czarno biały (dwa kolory) obraz czterokolorowy (biały, szary, popielaty, czarny) 256 kolorów lub 256 odcieni szarości 65536 kolorów lub 65536 odcieni szarości Tryb High Color 16 772 216 kolorów lub tyle odcieni szarości Tryb True Color Ilość bitÓw 1 2 8 16 24 Do odwzorowania płynnych przejść między kolorami potrzeba 65 tysięcy kolorów

Standardy zapisu koloru w grafice rastrowej Standard RGB Na zapis koloru jednego pixela przeznacza się 24 bity Kolor pixela traktuje się jako wypadkową trzech kolorów składowych: Red Green Blue Standard ten ma zastosowanie przy obróbce obrazów przeznaczonych do wyświetlania na ekranie monitora Standard CMYK Na zapis koloru jednego pixela przeznacza się 24 bity Kolor pixela traktuje się jako wypadkową czterech kolorów składowych: cyan magenta Yellow Kolor bazowy – zwykle czarny Standard ten jest wykorzystywany przy tworzeniu obrazów przeznaczonych do druku

Standardy zapisu koloru w grafice rastrowej Stosowanie różnych sposobów odwzorowania kolorów dla obrazów wyświetlanych na monitorze i drukowanych jest spowodowane tym, że oko ludzkie inaczej postrzega światło odbite (światło od wydruku odbija się) i emitowane (monitor emituje światło). Zadaniem grafika komputerowego jest dobór właściwego standardu odwzorowania kolorów w zależności od potrzeb

Rozdzielczość obrazu a rozmiar pliku z grafiką Rozdzielczość to liczba pixeli na określonej powierzchni obrazu Jednostką rozdzielczości jest dpi (dot per inch – ilość punktów na cal) Bardzo dobra rozdzielczość to 600 dpi Współczesne skanery oferują rozdzielczość 600 –800 dpi Dla grafiki, która będzie wyświetlana na monitorze wystarczająca jest rozdzielczość 100 dpi Materiał na zwykłe wydruki powinien mieć rozdzielczość ok. 300 dpi Wydruki wysokiej jakości - ok. 600 dpi (im większa rozdzielczość tym lepsza jakość wydruku)

Rozdzielczość obrazu a rozmiar pliku z grafiką Rozmiar pliku z obrazkiem o wymiarach 10 x 10 cm (16 cali kwadratowych) W rozdzielczości 600 dpi Na 1 cal kwadratowy przypada 600 x 600 = 360 000 pixeli Na 16 cali kwadratowych przypada 360 000 x 16 pixeli W standardzie RGB na zapis jednego pixela potrzeba 3 bajty 360 000 x 16 x 3 = 17 280 000 bajtów = 16,5 MB

Kompresja plików z grafiką Pliki z grafiką charakteryzują się dużym rozmiarem, który wzrasta wraz ze wzrostem rozdzielczości W celu zmniejszenia rozmiaru plików stosuje się kompresję, czyli zmniejszenie wielkości pliku Rodzaje kompresji: Stratna – pewne dane są bezpowrotnie tracone i nie można już ich odzyskać, np. jeśli sąsiednie pixele mają podobny odcień, zapisywane są jako jeden kolor. W pewnym zakresie jest to jednak niezauważalne dla ludzkiego oka (np. format jpg, gif). Bezstratna – informacje mogą być odzyskane, np. jeśli sąsiednie pixele mają jednakowy kolor, to zapisywana jest informacja o kolorze oraz ilości pixeli (np. format tif)

Obrazy ruchome (Animacje) Animacja to seria obrazów, zwanych klatkami, która odtwarzana ze stałą prędkością stwarza wrażenie ruchu. Aby u osoby oglądającej wywołać złudzenie płynności ruchu, wyświetlanych jest około 25 klatek na sekundę. Obecnie obrazy te są tworzone i odtwarzane za pomocą komputerów o dużej mocy. Twórca filmu nie musi już wypełniać wszystkich szczegółów, podaje jedynie początkową i końcową klatkę jakiejś sceny, np. wejście aktora po schodach, a odpowiednie oprogramowanie tworzy klatki pośrednie. Animacje występują w grach komputerowych i w multimedialnych programach edukacyjnych. Ostatnio coraz więcej filmów, w części lub nawet w całości, powstaje tą drogą. Jednym z pierwszych pełnometrażowych filmów animowanych, stworzonym w pełni z wykorzystaniem animacji komputerowej, był Toy Story z 1995 roku.

Obrazy ruchome (Filmy) Plik video to klip nakręcony kamerą filmową, analogową lub cyfrową materiał filmowy to zbiór obrazów, które tworzą kolejne klatki Proces przygotowania materiału video do wyświetlania przez komputer składa się z dwóch etapów: digitalizacja, czyli wprowadzenie video do komputera. Digitalizacja to proces zamiany sygnału analogowego na cyfrowy. W przypadku video jest to zamiana analogowej postaci video z zewnętrznego źródła (najczęściej magnetowidu) na cyfrową postać komputerową (plik komputerowy). kodowanie (encoding) czyli skompresowanie pliku video do wybranego formatu, możliwego do odtworzenia (wyświetlenia) przez komputer

rozdzielczość 720 x 576 pixeli Rozmiary plików video W standardzie PAL (standard obrazu telewizyjnego w Europie) klatka filmu ma: rozdzielczość 720 x 576 pixeli oraz 16 bitową głębię kolorów 1 sekunda filmu: 720 x 576 x 2 bajty = 82 944 bajty = 0,79 MB 0,79 MB x 25 klatek = 19,77 MB 1 minuta filmu: 20 MB x 60 sekund = 1200 MB = 1,2 GB

Kodowanie plików video Przystosowanie filmu do odtwarzania na komputerze to przygotowanie odpowiedniego pliku komputerowego. Obraz video (w pełnej jakości) zawiera jednak bardzo dużo informacji i jest to olbrzymia ilość danych do przetwarzania, nawet dla dzisiejszych komputerów. Dla wygody i łatwości użytkowania, najbardziej pożądaną cechą takiego pliku jest to, by był on jak najmniejszy przy zachowaniu możliwie najlepszej jakości obrazu. W procesie przygotowywania (kodowania) film poddawany jest kompresji czyli zmniejszeniu ilości danych. Istnieje tu bardzo wiele możliwości zarówno ze względu na jakość uzyskanego obrazu, rozmiar kadru, wielkość pliku, zastosowania oraz doceloweą grupę odbiorców itp. Jednym z najważniejszych elementów tego procesu jest dobór odpowiedniego sposobu kompresji czyli kodeka.

Kodowanie plików video Kodek jest algorytmem (metodą) kompresji obrazu. Jest to program uruchamiany w czasie kodowania video "mówiący" komputerowi w jaki sposób kompresować obraz (zmniejszać ilość danych). Ten sam kodek musi być również obecny w czasie odtwarzania pliku video ,kiedy następuje jego dekompresja. Słowo "kodek" to skrót od kompresja/dekompresja. Istnieje bardzo wiele kodeków różnych firm. Są to np. Sorenson, DivX, Indeo, Cinepak, Real Video 8, Windows Media Video 8 i wiele innych. Kodeki stosuje się również do kompresji ścieżki dźwiękowej pliku video. Są to inne algorytmy niż te dotyczące obrazu.

Kodowanie plików video Najważniejsze parametry jakie należy dobrać podczas przygotowywania pliku video, (oprócz wyboru kodeka), to: stopień kompresji (compression) i związana z tym jakość obrazu (quality) rozmiar kadru (frame size) ilość klatek wyświetlanych w ciągu sekundy (frame rate) ilość danych przesyłanych w ciągu sekundy (data rate) typ (format) pliku video

Rozdzielczość obrazu do 320 x 240 pikseli. formaty plików video AVI Najstarszy format video, wykorzystywany do zapisu filmów i animacji. Charakteryzuje się małymi wymaganiami systemowymi oraz bardzo dużym rozmiarem plików. Jest wykorzystywany w krótkich przekazach, np. encyklopediach multimedialnych Rozdzielczość obrazu do 320 x 240 pikseli.

formaty plików video MPEG MPEG to skrót od Motion Picture Experts Group. Jest to organizacja mająca na celu opracowywanie otwartych standardów dla cyfrowego video. Od nazwy grupy pochodzą kolejne opracowane przez nią standardy czyli MPEG-1,2 i 4. Definiują one metody kompresji, formaty plików i inne parametry cyfrowego video. Format MPEG wykorzystuje bardzo skuteczny model matematyczny stratnej kompresji w oparciu o analizę fizjologicznych mechanizmów postrzegania obrazu przez człowieka: redukowane są np. informacje z tej części klatki, która zawiera mniej szczegółów, elementy statyczne klatki są zapisywane z mniejszą dokładnością niż elementy ruchome.

Pliki dźwiękowe Podstawą zapisu cyfrowego, czyli digitalizacji dźwięku jest próbkowanie, czyli badanie parametrów dźwięku w ściśle określonych odstępach czasu. Częstotliwość próbkowania to inaczej liczba próbek pobranych w ciągu sekundy Im większa częstotliwość próbkowania tym lepsza jakość dźwięku Każda próbka może być kodowana z określoną dokładnością. Poziom tej dokładności zależy od liczby bitów przeznaczonych na zakodowanie próbki Cechy fali dźwiekowej zapisywane w czasie próbkowania to: wysokość dźwieku (zależna od częstototliwości drgań) natężenie dźwięku (zależne od od amplitudy drgań)

Rozmiary plików muzycznych Jakość płyty CD na jednym kanale (mono): Próbkowanie z częstotliwością 44,1 kHz Poziom 16 bitów 1 sekunda dźwięku 44 100 Hz x 2 bajty = 88 200 bajtów = 86,1 KB 1 minuta dźwięku : 86,1 KB x 60 = 5168 KB = 5 MB w trybie stereo: 5 MB x 2 kanały = 10 MB

formaty plików muzycznych Wave Format bez kompresji, bardzo wierny zapis dźwięku przy dużym rozmiarze pliku. W formacie tym zapisuje się dźwięki przeznaczone do dalszej obróbki. Ścieżki skopiowane z audio CD daje się zapisać w tym formacie za pomocą programów zwanych ripperami.

formaty plików muzycznych MP3 Wykorzystuje algorytm stratnej kompresji: usuwane są słabsze dźwięki niesłyszalne dla ludzkiego ucha usuwane są dźwięki występujące bezpośrednio przed i po wystąpieniu sygnału silniejszego, ponieważ ze względu na ograniczony czas reakcji mózgu ucho ludzkie ich nie rejestruje Rozmiar pliku zmniejsza się ok. 10 razy w porównaniu z plikiem wave , zaś utrata jakości praktycznie nie jest rejestrowana przez ludzkie ucho Format mp3 spowodował niesłychany wzrost wymiany plików muzycznych w sieci Internet i długotrwałe dyskusje o prawie autorskim.

formaty plików muzycznych Midi W pliku nie są rejestrowane dźwięki, ale ich opis: rodzaj instrumentu, nuta, czas trwania nuty itp.. Jakość dźwięku zależy od karty dźwiękowej zainstalowanej w komputerze. Im lepsza karta, tym wyższa jakość. Dźwięki są generowane przez syntezator karty muzycznej na podstawie opisu. W formacie MIDI nie da się zarejestrować partii wokalnych.

Bibliografia Technologia informacyjna z informatyką - Aleksander Bremer i Mirosław Sławik Komputer w szkole - Roman Goc http://www.internick.tarman.pl/slownik.html http://www.digitalizacja.com.pl/Technologia/Technologie1.htm http://www.catsoft.com.pl/html/render.htm http://eagle.ita.pwr.wroc.pl/Polish/Publication/Mpeg/mpeg.html http://www.phys.uni.torun.pl/~duch/Wyklady/komput/w12/multimedia.html http://www.astro.amu.edu.pl/Staff/Tkastr/Infor/infor25/node22.html http://www.rzepkowski.pl/elka/audio.htm

Zachodzący na naszych oczach rozwój techniki komputerowej pozwala zakodować praktycznie każdy rodzaj informacji Technika przekazu multimedialnego ułatwia i uatrakcyjnia wiele dziedzin naszego życia