Семестр 3 · недели 13–14 конспект лекции

Процессор, АЦП и виды графики

Матрица отдала напряжение. Дальше процессор: оцифровать, собрать файл, сжать, записать. Сегодня — как непрерывный мир становится числами, и чем растр отличается от вектора. Жёлтым — в тетрадь. Форматы и сжатие — следующая пара, Ф06.

1. Виды компьютерной графики

На слайде пять ящиков. На этой паре нужны два, плюс текст как особый случай:

Свет на входе — аналог: непрерывный, «бесконечно подробный». Глаз тоже аналог. Камера обязана нарезать это на отсчёты, иначе процессору нечего считать.

2. Процессор цифровой фотокамеры

На Ф01–Ф05 уже стояли объектив, затвор, матрица. После матрицы — управляющий процессор. Он не «рисует красиво», он делает четыре служебные вещи:

Демозаика Байера, баланс белого, «поднять тени» — тоже он. Для билета достаточно: свойства снимка зависят от всех элементов ЦФК, не только от мегапикселей.

3. АЦП: дискретизация, квантование, кодирование

АЦП

Аналого-цифровой преобразователь — устройство, которое входную физическую величину (у нас напряжение с пикселя) переводит в числовой код. Само преобразование — три шага, которые путают даже в подписях слайдов.

Дискретизация

Непрерывную функцию заменяем отсчётами в выбранных точках аргумента. Для звука аргумент — время, для кадра — плоскость (пиксели), для видео — и то и другое (кадры × пиксели). Уровень сигнала после дискретизации ещё непрерывный: мерить можно сколь угодно точно. На слайдах pptx опечатка «дискредитация» — в тетради пишем правильно.

Квантование

Диапазон значений режем на конечное число уровней и округляем отсчёт до ближайшего. Сколько уровней — решает, сколько бит выделили на отсчёт. Дискретизация задаёт сколько раз спросили, квантование — насколько грубо ответили.

Кодирование — уже запись уровня кодовой комбинацией (обычно двоичной). Без него «цифры» в файле не будет.

Аналогия с аттестацией, которую я таскаю на пару: частота оценок — дискретизация, шкала баллов — квантование. Чем чаще и мельче шкала, тем честнее итоговая оценка и тем толще ведомость.

4. Глубина цвета и вес несжатого файла

1 бит — два состояния: свет горит / нет, чёрное / белое. Для фото этого мало. Число уровней при n битах:

N = 2n1 бит → 2 · 4 бит → 16 · 8 бит → 256

Обычный JPEG в вебе — 8 бит на канал × 3 канала = 24 бит/пиксель. Это три полутоновых картинки R, G, B. Сколько оттенков умеет такая система:

B = 23×8 = 16 777 216типовая задача билета

Космические и технические RAW часто 12–14 бит на канал: 212 = 4096 ступеней, запас под широту. Это уже было на Ф05.

Вес несжатого растра не зависит от того, насколько «сложная» сцена. Только сетка и битность:

V = W · H · b / 8байты; b — бит на пиксель; плюс служебный заголовок

Задача из минимума: 16 оттенков → 4 бит/пиксель; кадр 3000×4000:

3000 · 4000 · 4 / 8 = 6 000 000 байт ≈ 5,7 МиБ

RGB 8 бит, 100×100: 30 000 байт. Тот же кадр в CMYK (4 байта/пиксель) — 40 000. Сжатие это ломает — об этом Ф06. Пока запомните: несжатый объём = пиксели × глубина.

5. Три сигнала и теорема Котельникова

Теорема Котельникова

Чтобы восстановить сигнал без потери спектра до fmax, частота отсчётов должна быть строго больше 2 fmax. Отсюда 44 100 Гц при слухе примерно до 20 кГц: чуть с запасом над удвоенной верхней частотой. Для кадра «частота» — шаг пикселя; слишком редкая сетка даёт не восстановимые детали и лесенку.

Историческая картинка АТС в Стокгольме 1890: каждому телефону свой провод. Оцифровка и уплотнение — способ пустить много сигналов в один канал. Нам это нужно не ради телефонии, а чтобы понимать, зачем мы режем свет на пиксели и уровни.

6. Растр, вектор, текст

Растровая графика

Упорядоченный набор точек (пикселей): двумерный массив, bitmap. У каждой клетки — координата и цвет. Объектов нет: лес на снимке не «объект лес», а тысячи независимых точек. Ввод с матрицы и сканера почти бесплатный; трансформация (поворот, масштаб) всегда с потерями; увеличение распадается на пиксели.

Пиксель

Picture element / picture cell — элемент изображения. Цвет плюс координата. На экране его ещё рисуют субпикселями R/G/B, но в файле это уже модель цвета, не три отдельные «лампочки матрицы».

Векторная графика

Кривые и заливки. Масштаб без распада на пиксели, файл обычно легче. Цена: разные программы по-разному интерпретируют; автоматический ввод с фото почти бесполезен; на монитор и на печать всё равно растеризуют. Трассировка (векторизация) фотографии даёт кашу мелких контуров — для картографии горизонталей ещё спорно, для снимка фасада бессмысленно.

Разрешения у вектора в пикселях нет, но есть масштаб и генерализация: баннер и марка — разные чертежи, не один файл «растянуть». Слишком подробный вектор на мелком отпечатке не читается.

Антиалиасинг — подкраска соседних пикселей промежуточным цветом, чтобы «лесенка» наклонной линии не резала глаз. Контур чуть мылится, ступенька пропадает.

Текст — не растр буквы, а коды символов плюс файл шрифта. Заменили шрифт — начертание другое, значение то же (если глиф есть). Старые кодировки: 256 символов = 8 бит. Современные шрифты почти все векторные: кегль меняете — контур остаётся гладким. Alt-коды в Windows (левый Alt): © 0169, «ёлочки» 0171/0187 — чтобы на паре потыкали.

7. Вопросы

  1. Чем дискретизация отличается от квантования? Что остаётся непрерывным после первого шага?
  2. АЦП 3×8 бит RGB. Сколько оттенков? Сколько байт на пиксель без сжатия?
  3. 16 оттенков, кадр 3000×4000. Битность и вес несжатого файла?
  4. Почему 44,1 кГц, а не 20 кГц? Сформулируйте условие Котельникова.
  5. Почему фото в вектор почти не переводят, а схему проезда — да?
  6. Есть ли «разрешение» у векторного чертежа? Что такое генерализация?

Литература

Основная

Дополнительная