Кодирование графической и звуковой информации

Привычная нам информация преобразуется в цифровой вид с помощью дискретизации и квантования.

Дискретизация ‑ тепроцедура устранения временнóй и/или пространственной непрерывности естественного сигнала, который является носителем информации.

Квантование ‑ процедура преобразования непрерывного диапазона всех возможных значений измеряемой величины в дискретный набор выходных значений путем разбивки этого диапазона на несколько уровней. При измерении определяется уровень, которому принадлежит измеренное значение. Чем больше уровней, тем качественнее оцифровывается сигнал, но тем больше и файл, т.к. тем больше нужно битов для хранения информации о каждом уровне (значении). Число битов, необходимых для хранения значения сигнала, обычно называют битовой глубиной (звука или цвета). Общее число уровней (значений) сигнала связано с битовой глубиной известным соотношением

N = 2^b

где N – число уровней, а b – битовая глубина (в битах!).

Кодирование графической информации

Процедура пространственной дискретизации разбивает изображение на мельчайшие фрагменты, называемые пикселями (pixel – picture element). Цвет пикселя считается неизменным.

Прямоугольная сетка (матрица) из пикселей на экране монитора или бумаге называется растром. Его размер вычисляется как произведение числа пикселей по ширине и высоте растра. В файле хранится код значения цвета каждого пикселя, но не хранится информация о координатах пикселя, его размерах и т.д.

При кодировании цвета применяется процедура квантования всех возможных значений цвета. Известно, что любой цвет получается смешением трех (реже четырех) составляющих ‑ базовых цветов. Представление цвета в виде набора чисел, отражающих вклад каждого базового цвета в получаемый, называется цветовой моделью. В компьютерной технике чаще всего используются следующие цветовые модели: RGB  (Red, Green, Blue – красный, зеленый, синий), CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK – голубой, пурпурный, желтый, черный), HSB (Hue, Saturation, Brightness ‑ цветовой тон, насыщенность, яркость).

Информационный объем цифрового графического файла рассчитывается по формуле:

V = m · n · b, где

m∙n – размер растра в пикселях, а b – битовая глубина цвета (длина кода цвета).

Кодирование звуковой информации

В аналоговой форме звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.

При кодировании звука аналоговый сигнал преобразуется в оцифрованный сигнал с помощью дискретизации, когда показания сигнала снимаются через равные промежутки времени.

Кроме того, при оцифровке звука происходит дискретизация не только по времени, но и по уровню звука (квантование) – каждое снятое значение должно быть "округлено" до ближайшего из известного заранее множества значений. Размер этого множества ‑ количество уровней звука зависит от разрешения или глубины звука – числа бит, выделенных для хранения сигнала в двоичном виде. Таким образом, разрешение измеряется в битах и, по сути, является длиной кода звука.

Итак, при оцифровке звука непрерывный сигнал преобразуется в набор дискретных значений, каждое из которых представляется двоичным числом одинаковой длины. Качество звука зависит от глубины кодирования звука и частоты дискретизации. На рисунке показано, как происходит кодирование звука.

Частота дискретизации (f) определяет количество отсчетов (значений амплитуды звука), запоминаемых за 1 секунду; 1 Гц (один герц) – это один отсчет в секунду, а 8 кГц – это 8000 отсчетов в секунду (здесь кило- имеет физический смысл и равняется 10³).

Глубина кодирования (b)– это количество бит, которые выделяются на один отсчет.

Информационный объем цифрового файла рассчитывается по формуле:

V = k · f · b · t,

где t – время записи, а k ‑ количество каналов записи: моно ‑ 1, стерео (двухканальная запись) ‑ 2, квадро (четырехканальная запись) – 4.