Двоичное кодирование. Устройства вывода информации

План: 

1. Представление графических данных в двоичном коде. Оцифровка изображения. Понятие сжатия данных.
2. Устройство вывода информации. Принтеры и плоттеры. Классификация принтеров.  Понятие разрешения устройства вывода. Преимущества и недостатки каждой технологии печати. Основные характеристики принтеров (размер бумаги, скорость печати, объем памяти, разрешение, цветность и др.) и их роль при  печати документов.

1. Представление графических данных в двоичном коде. Оцифровка изображения. Понятие сжатия данных.

Представление графических данных в двоичном коде

Современный компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видео информацию. Все эти виды информации в компьютере представлены в двоичном коде, т. е. используется алфавит мощностью два (всего два символа 0 и 1). Связано это с тем, что удобно представлять информацию в виде последовательности электрических импульсов: импульс отсутствует (0), импульс есть (1). Такое кодирование принято называть двоичным, а сами логические последовательности нулей и единиц - машинным языком.

Кодирование графической информации

   В  середине 50-х годов для больших  ЭВМ, которые применялись в  научных и военных исследованиях,  впервые в графическом виде  было реализовано представление  данных. В настоящее время широко  используются технологии обработки  графической информации с помощью  ПК. Графический интерфейс пользователя  стал стандартом "де-факто"  для ПО разных классов, начиная  с операционных систем. Вероятно, это связано со свойством человеческой  психики: наглядность способствует  более быстрому пониманию. Широкое  применение получила специальная  область информатики, которая  изучает методы и средства  создания и обработки изображений  с помощью программно-аппаратных  вычислительных комплексов, - компьютерная  графика. Без нее трудно представить  уже не только компьютерный, но  и вполне материальный мир,  так как визуализация данных  применяется во многих сферах  человеческой деятельности. В качестве  примера можно привести опытно-конструкторские  разработки, медицину (компьютерная  томография), научные исследования  и др.

Путем разбиения  графического изображения (дискретизации) происходит преобразование графической  информации из аналоговой формы в  дискретную. При этом производится кодирование - присвоение каждому элементу конкретного значения в форме  кода. При кодировании изображения  происходит его пространственная дискретизация. Ее можно сравнить с построением  изображения из большого количества маленьких цветных фрагментов (метод мозаики). Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки, а, значит, изображение составляется из большего количества точек, тем выше качество кодирования. Чем большее количество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать больше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а, значит, увеличивается качество кодирования. Создание и хранение графических объектов возможно в нескольких видах - в виде векторного, фрактального или растрового изображения. Отдельным предметом считается 3D (трехмерная) графика, в которой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Она изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Для каждого вида используется свой способ кодирования графической информации.

Растровое изображение.

   При  помощи увеличительного стекла  можно увидеть, что черно-белое  графическое изображение, например  из газеты, состоит из мельчайших  точек, составляющих определенный  узор - растр. Во Франции в 19 веке возникло новое направление  в живописи - пуантилизм. Его техника  заключалась в том, что на  холст рисунок наносился кистью  в виде разноцветных точек.  Также этот метод издавна применяется  в полиграфии для кодирования  графической информации. Точность  передачи рисунка зависит от  количества точек и их размера.  После разбиения рисунка на  точки, начиная с левого угла, двигаясь по строкам слева  направо, можно кодировать цвет  каждой точки. Далее одну такую  точку будем называть пикселем (происхождение этого слова связано  с английской аббревиатурой "picture element" - элемент рисунка). Объем  растрового изображения определяется  умножением количества пикселей (на информационный объем одной  точки, который зависит от количества  возможных цветов. Качество изображения  определяется разрешающей способностью  монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных ПК в основном используют следующие разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точки. Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того чтобы обрабатывать графические данные.

   Если  говорить о черно-белых иллюстрациях, то, если не использовать полутона, то пиксель будет принимать  одно из двух состояний: светится (белый) и не светится (черный). А так как информация о цвете  пикселя называется кодом пикселя,  то для его кодирования достаточно  одного бита памяти: 0 - черный, 1 - белый. Если же рассматриваются  иллюстрации в виде комбинации  точек с 256 градациями серого  цвета (а именно такие в настоящее  время общеприняты), то достаточно  восьмиразрядного двоичного числа  для того чтобы закодировать  яркость любой точки. В компьютерной  графике чрезвычайно важен цвет. Он выступает как средство  усиления зрительного впечатления  и повышения информационной насыщенности  изображения.

   Различают  несколько режимов представления  цветной графики:

         а) полноцветный (True Color);

         б) High Color;

         в) индексный. 

   При  полноцветном режиме для кодирования  яркости каждой из составляющих  используют по 256 значений (восемь  двоичных разрядов), то есть на  кодирование цвета одного пикселя  (в системе RGB) надо затратить  8*3=24 разряда. Это позволяет однозначно  определять 16,5 млн цветов. Это довольно  близко к чувствительности человеческого  глаза. При кодировании с помощью  системы CMYK для представления  цветной графики надо иметь  8*4=32 двоичных разряда. 

   Режим  High Color - это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то  есть уменьшается количестко  двоичных разрядов при кодировании  каждой точки. Но при этом  значительно уменьшается диапазон  кодируемых цветов.

    При индексном кодировании цвета  можно передать всго лишь 256 цветовых  оттенков. Каждый цвет кодируется  при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не  передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу,  то подразумевается, что к графическим  данным прилагается палитра (справочная  таблица), без которой воспроизведение  будет неадекватным: море может  получиться красным, а листья - синими. Сам код точки растра  в данном случае означает не  сам по себе цвет, а только  его номер (индекс) в палитре.  Отсюда и название режима - индексный. 

   Соответствие  между количеством отображаемых  цветов (К) и количеством бит  для их кодировки (а) находиться  по формуле:   К = 2а.

   Двоичный  код изображения, выводимого на  экран, хранится в видеопамяти.  Видеопамять - это электронное  энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и количества цветов. Но ее минимальный объем определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности на размер кода пикселя.

   Vmin = M * N * a.

   Двоичный  код восьмицветной палитры. 

   Шестнадцатицветная  палитра позволяет увеличить  количество используемых цветов. Здесь будет использоваться 4-разрядная  кодировка пикселя: 3 бита основных  цветов + 1 бит интенсивности. Последний  управляет яркостью трех базовых  цветов одновременно (интенсивностью  трех электронных пучков).

   Двоичный  код шестнадцатицветной палитры. 

   При  раздельном управлении интенсивностью  основных цветов количество получаемых  цветов увеличивается. Так для  получения палитры при глубине  цвета в 24 бита на каждый  цвет выделяется по 8 бит, то  есть возможны 256 уровней интенсивности  (К = 28).

   Двоичный  код 256-цветной палитры. 

Оцифровка изображений 

Оцифро́вка (англ. digitization) — описание объекта, изображения (в аналоговом виде) в виде набора дискретных цифровых замеров (выборок) этого сигнала/объекта, при помощи той или иной аппаратуры, т. е. перевод  его в цифровой вид, пригодный  для записи на электронные носители.

Для оцифровки  объект подвергается дискретизации (в  одном или нескольких измерениях, например, в одном измерении для  звука, в двух для растрового изображения) и аналогово-цифровому преобразованию конечных уровней.

Полученный  в результате оцифровки массив данных («цифровое представление» оригинального  объекта) может использоваться компьютером  для дальнейшей обработки, передачи по цифровым каналам, сохранению на цифровой носитель. Перед передачей или  сохранением цифровое представление, как правило, подвергается фильтрации и кодированию для уменьшения объема.

Чтобы оцифровать обычную фотографию для обработки  на компьютере, используется сканер. Сканер захватывает изображение и позволяет  сохранить его в виде файла, который  можно отредактировать, распечатать  или разместить на веб-сайте.

Говоря о  разрешении сканера, важно понимать, какое именно разрешение имеется  в виду - оптическое или интерполяционное. Оптическое разрешение сканера определяется тем, сколько пикселей он «видит». Например на одном дюйме головки сканера  расположено 600 сенсоров, каждый из сенсоров «видит» один пиксель. Это дает горизонтальное оптическое разрешение в 600 пикселей на дюйм. При сканировании головка движется вдоль изображения, и если она, сканируя один дюйм изображения, останавливается 600 раз, то вертикальное оптическое разрешение сканера будет равняться 600 пикселям на дюйм. Если в описании сканера  указано: «Оптическое разрешение 600 dpi», это означает, что разрешение составляет 600 dpi по горизонтали и  столько же по вертикали.

Интерполяционное  разрешение - это то, сколько пикселей сканер в состоянии «угадать». Если вы дадите сканеру с оптическим разрешением  в 300 dpi задачу сосканировать изображение  с разрешением 600 dpi, он по-прежнему различит только 300 пикселей на дюйм, а остальные  вставит по своему усмотрению, основываясь  на цвете соседних точек.

Интерполяция  чаще всего ухудшает конечный результат. Вы можете точно так же увеличить  отсканированную картинку при помощи программы-редактора, так что высокое  интерполяционное разрешение не делает сканер ценнее.

Понятие сжатия данных

Сжатие данных (англ. data compression) — алгоритмическое  преобразование данных, производимое с целью уменьшения их объёма. Применяется  для более рационального использования  устройств хранения и передачи данных. Синонимы — упаковка данных, компрессия, сжимающее кодирование, кодирование  источника. Обратная процедура называется восстановлением данных (распаковкой, декомпрессией).

Сжатие основано на устранении избыточности, содержащейся в исходных данных. Простейшим примером избыточности является повторение в  тексте фрагментов (например, слов естественного  или машинного языка). Подобная избыточность обычно устраняется заменой повторяющейся  последовательности ссылкой на уже  закодированный фрагмент с указанием  его длины. Другой вид избыточности связан с тем, что некоторые значения в сжимаемых данных встречаются  чаще других. Сокращение объёма данных достигается за счёт замены часто  встречающихся данных короткими  кодовыми словами, а редких — длинными (энтропийное кодирование). Сжатие данных, не обладающих свойством избыточности (например, случайный сигнал или  шум, зашифрованные сообщения), принципиально  невозможно без потерь.

Все методы сжатия данных делятся на два основных класса:

• Сжатие без потерь
• Сжатие с потерями

При использовании  сжатия без потерь возможно полное восстановление исходных данных, сжатие с потерями позволяет восстановить данные с искажениями, обычно несущественными  с точки зрения дальнейшего использования  восстановленных данных. Сжатие без  потерь обычно используется для передачи и хранения текстовых данных, компьютерных программ, реже — для сокращения объёма аудио- и видеоданных, цифровых фотографий и т. п., в случаях, когда  искажения недопустимы или нежелательны. Сжатие с потерями, обладающее значительно  большей, чем сжатие без потерь, эффективностью, также применяется для сокращения объёма аудио- и видеоданных и  цифровых фотографий в тех случаях, когда такое сокращение является приоритетным, а полное соответствие исходных и восстановленных данных не требуется. 

2. Устройство вывода  информации. Принтеры  и плоттеры. Классификация  принтеров.  Понятие  разрешения устройства  вывода. Преимущества  и недостатки каждой  технологии печати. Основные характеристики  принтеров (размер  бумаги, скорость  печати, объем памяти, разрешение, цветность  и др.) и их роль  при  печати  документов.

Устройства  вывода — средства вывода информации из компьютера.

Устройства  для вывода визуальной информации

• Монитор (дисплей)
• Проектор
• Принтер
• Графопостроитель

Монитор является универсальным устройством вывода информации и подключается к видеокарте, установленной в компьютере.

Монито́р  — универсальное устройство визуального  отображения всех видов информации, состоящее из дисплея и устройств, предназначенных для вывода текстовой, графической и видео информации на дисплей. Различают алфавитно-цифровые и графические мониторы, а также  монохромные мониторы и мониторы цветного изображения — активно-матричные  и пассивно-матричные ЖКМ.

Проектор  — световой прибор, перераспределяющий свет лампы с концентрацией светового потока на поверхности малого размера или в малом объёме. Проекторы являются в основном оптико-механическими или оптическо-цифровыми приборами, позволяющими при помощи источника света проецировать изображения объектов на поверхность, расположенную вне прибора — экран. Появление проекционных аппаратов обусловило возникновение кинематографа, относящегося к проекционному искусству.

Принтер  (от англ. print - печать) - периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель, из как правило, хранящегося в электронном виде.

Получили  распространение многофункциональные  устройства (МФУ), в которых в одном  приборе объединены функции принтера, сканера, копировального аппарата и  телефакса. Такое объединение рационально  технически и удобно в работе. Широкоформатные (А3, А2 и более) принтеры иногда ошибочно называют плоттерами.

Графопострои́тель, пло́ттер — устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке. Графопостроители рисуют изображения с помощью пера (пишущего блока). Связь с компьютером графопостроители, как правило, осуществляют через последовательный, параллельный или SCSI-интерфейс. Некоторые модели графопостроителей оснащаются встроенным буфером (1 Мбайт и более).

Устройства  для вывода звуковой информации

• Встроенный динамик
• Колонки
• Наушники

Также существуют устройства которые осуществляют как  ввод так и вывод информации.

Устройства  ввода/вывода

• Магнитный барабан
• Стример
• Дисковод
• Жёсткий диск
• Различные порты
• Различные сетевые интерфейсы.

В соответствии с точным определением, в качестве «сердца» компьютера рассматривается  центральный процессор и ОЗУ. Все операции, не являющиеся внутренними по отношению к этому комплексу, рассматриваются как операции ввода/вывода.

Принтеры  и плоттеры

Принтер  - периферийное устройство компьютера, предназначенное для перевода текста или графики на физический носитель, из как правило, хранящегося в электронном виде.

Получили  распространение многофункциональные  устройства (МФУ), в которых в одном  приборе объединены функции принтера, сканера, копировального аппарата и  телефакса. Такое объединение рационально  технически и удобно в работе.

Широкоформатные (А3, А2 и более) принтеры иногда ошибочно называют плоттерами.

Плоттер (графопостроитель) — устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке.

Графопостроители  рисуют изображения с помощью  пера (пишущего блока).

Связь с  компьютером графопостроители, как  правило, осуществляют через последовательный, параллельный или SCSI-интерфейс. Некоторые  модели графопостроителей оснащаются встроенным буфером (1 Мбайт и более).

Первые плоттеры (например Calcomp 565 из 1959) работали на принципе передвижения бумаги с помощью ролика, обеспечивая тем самым координату X, а Y обеспечивалась движением пера. Другой подход (воплощённый в Computervision’s Interact I, первая CAD система) представлял  собой модернизированный пантограф, управляемый вычислительной машиной  и имеющий шариковое перо в  качестве рисующего элемента. Недостаток этого метода заключался в том, что  требовалось пространство, соответствующее  расчерчиваемой области. Но достоинством этого метода, вытекающим из его  недостатка, является легко повышаемая точность позиционирования пера и соответственно точность самого рисунка, наносимого на бумагу. Позже это устройство было дополнено специальным кассетным  держателем, который мог компоноваться  перьями разной толщины и цвета.

Hewlett Packard и  Tektronix в конце 1970-х представили  планшетные плоттеры со стандартным  размером с рабочий стол. В  1980-х была выпущена меньшая  по размерам и более лёгкая  модель HP 7470, использующая инновационную  технологию «зернистого колеса»  для перемещения бумаги. Эти небольшие  плоттеры бытового назначения  стали популярны в деловых  приложениях. Но из-за их низкой  производительности они были  практически бесполезны для печати  общего назначения. С широким  распространением струйных и  лазерных принтеров с высокой  разрешающей способностью, удешевлением  компьютерной памяти и скоростью  обработки растровых цветных  изображений, графопостроители с  пером практически исчезли из  обихода.

Классификация принтеров

Классификация:

1. По принципу  переноса изображения на носитель  принтеры делятся на:

1.литерные;

2.матричные;

3.лазерные (также светодиодные принтеры);