Discretizzazione spaziale. Elaborazione grafica

27/02/2019

A quei tempi, quando i computer non avevano ancora le stesse potenti potenzialità di adesso, non si trattava di convertire le immagini su carta o su pellicola. Ora si considera che tali oggetti corrispondono alla forma analogica. Con l'avvento delle nuove tecnologie, è diventato possibile digitalizzare (ad esempio, utilizzando gli scanner). A causa di ciò, apparve la cosiddetta forma discreta di immagini. Ma come si trasferisce la grafica da una forma all'altra? Brevemente sull'essenza di tali metodi ulteriormente e verrà detto nel modo più dettagliato possibile e semplicemente in modo che ogni utente capisca cosa viene detto.

Cos'è la discretizzazione spaziale nell'informatica?

Per iniziare, considera il concetto generale, spiegandolo nel linguaggio più semplice. Da una forma all'altra l'immagine grafica viene trasformata dalla discretizzazione spaziale. Per capire di cosa si tratta, considera un semplice esempio.

discretizzazione spaziale

Se si prende un'immagine dipinta con acquerelli, è facile vedere che tutte le transizioni sono lisce (continue). Ma sull'immagine scansionata, che è stata stampata su una stampante a getto d'inchiostro, non ci sono transizioni di questo tipo, perché consiste di molti piccoli punti, chiamati pixel. Si scopre che un pixel è una sorta di blocco predefinito che ha determinate proprietà (ad esempio, ha il proprio colore o tinta). Da tali mattoni e si sviluppa l'immagine completa.

Qual è l'essenza del metodo di discretizzazione spaziale?

Se parliamo dell'essenza del metodo di trasformazione della grafica con l'aiuto di tali tecnologie, possiamo dare un altro esempio che ti aiuterà a capire come funziona tutto questo.

Immagini digitalizzate che, se sottoposte a scansione, che quando visualizzate sullo schermo di un monitor di un computer, possono essere confrontate con una specie di mosaico. Solo qui un pixel appare come un pezzo del mosaico. Questa è una delle caratteristiche principali di tutti i dispositivi moderni. Come era già possibile indovinare, più punti sono tali, e più piccola è la dimensione di ciascuno di essi, più lisce saranno le transizioni. In definitiva, è il loro numero per ogni specifico dispositivo che determina la sua risoluzione. Nell'informatica, è comune che una tale caratteristica contenga il numero di pixel (punti) per pollice (dpi - punto per pollice), con entrambe le direzioni verticale e orizzontale.

pixel esso

Quindi, viene creata una griglia spaziale bidimensionale, in qualche modo simile a un sistema di coordinate convenzionale. Per ogni punto in un tale sistema, puoi impostare i tuoi parametri, che saranno diversi dai punti vicini.

Fattori che influenzano la qualità della codifica

Ma non solo gli esempi di cui sopra riflettono pienamente come funziona la discretizzazione spaziale. La codifica delle informazioni grafiche tiene conto di diversi parametri più importanti che influiscono sulla qualità dell'immagine digitalizzata. Si applicano non solo alle immagini stesse, ma anche ai dispositivi che riproducono la grafica.

Prima di tutto, questo include le seguenti caratteristiche:

  • frequenza di campionamento;
  • risoluzione;
  • profondità di colore

Tasso di campionamento

La frequenza di campionamento è la dimensione dei frammenti che compongono l'immagine. Questo parametro può essere parimenti trovato nelle caratteristiche di immagini digitalizzate, scanner, stampanti, monitor e schede grafiche.

È vero, c'è un problema. Il fatto è che aumentando il numero totale di punti è possibile ottenere una frequenza più alta. Ma allo stesso tempo, la dimensione del file dell'oggetto originale salvato cambia di conseguenza. Per evitare ciò, è attualmente in corso l'applicazione di mantenere artificialmente le dimensioni a un livello costante.

Il concetto di risoluzione

Questo parametro è già stato menzionato. Tuttavia, se si guardano i dispositivi di visualizzazione delle immagini, l'immagine è leggermente diversa.

risoluzione

Come esempio dei parametri utilizzati dalla discretizzazione spaziale, prendere in considerazione gli scanner. Ad esempio, nelle caratteristiche della risoluzione specificata del dispositivo di 1200 x 1400 dpi. La scansione viene eseguita spostando una striscia di elementi fotosensibili lungo l'immagine scansionata. Ma il primo numero indica la risoluzione ottica del dispositivo stesso (il numero di elementi di scansione in un pollice della striscia), il secondo si riferisce alla risoluzione hardware e determina il numero di "micromovimenti" della striscia con elementi di scansione nell'immagine quando un pollice passa attraverso l'immagine.

Profondità di colore

Abbiamo davanti a noi un altro parametro importante, senza riguardo per il quale comprendiamo appieno quale sia la discretizzazione spaziale. La profondità del colore (o profondità di codifica) è solitamente espressa in bit (lo stesso, incidentalmente, può essere attribuito alla profondità del suono) e determina il numero di colori coinvolti nella costruzione dell'immagine, ma in definitiva si riferisce alle palette (set di colori).

informazione grafica

Ad esempio, se consideriamo una tavolozza in bianco e nero, che contiene solo due colori (senza sfumature di grigio), quantità di informazioni quando codifica ogni punto, può essere calcolato usando la formula sopra, dato che N è il numero totale di colori (nel nostro caso N = 2), e I è il numero di stati che ogni punto può assumere (nel nostro caso I = 1, poiché solo due: o nero o bianco). Quindi, N I = 2 1 = 1 bit.

quantizzazione

La discretizzazione spaziale può anche prendere in considerazione un parametro chiamato quantizzazione. Cos'è? In qualche modo assomiglia a una tecnica di interpolazione.

L'essenza del processo è che il valore di riferimento del segnale è sostituito dal valore prossimo più vicino dal set fisso, che è una lista di livelli di quantizzazione.

forma discreta

Per capire meglio come vengono convertite le informazioni grafiche, guarda l'immagine qui sopra. Presenta la grafica nell'originale (forma analogica), l'immagine con l'applicazione di quantizzazione e distorsione laterale, chiamata rumore. Nella seconda foto dall'alto puoi vedere transizioni particolari. Si chiamano scale di quantizzazione. Se tutte le transizioni sono uguali, la scala viene definita uniforme.

Codifica digitale

Quando si convertono informazioni grafiche, si deve notare che, a differenza di un segnale analogico, un segnale quantico può richiedere solo un numero fisso di valori molto specifico. Questo ti permette di convertirli in un set di caratteri e personaggi, la cui sequenza è chiamata codice. La sequenza finale è chiamata codeword.

forma analogica

Ogni codeword corrisponde a un intervallo di quantizzazione e un codice binario viene utilizzato per la codifica. Tuttavia, a volte è necessario tenere conto anche della velocità di trasferimento dei dati, che è il prodotto della frequenza di campionamento e della lunghezza della parola codice ed è espressa in bit al secondo (bps). In parole povere, non è altro che il numero massimo possibile di simboli binari trasmessi per unità di tempo.

Esempio di calcolo della memoria video per la visualizzazione di un'immagine raster su un monitor

Infine, un altro aspetto importante relativo a ciò che costituisce la discretizzazione spaziale. Le immagini raster sullo schermo del monitor sono riprodotte secondo determinate regole e richiedono memoria.

Ad esempio, il monitor è impostato su una modalità grafica con una risoluzione di 800 x 600 punti per pollice e una profondità di colore di 24 bit. Il numero totale di punti sarà pari a 800 x 600 x 24 bit = 11 520 000 bit, che corrisponde a 1 440 000 byte o 1406,25 Kb o 1,37 MB.

Metodi di compressione video

La tecnologia della discretizzazione spaziale, come è già chiaro, è applicabile non solo alla grafica, ma anche alle immagini video, che in un certo senso possono anche essere attribuite a informazioni grafiche (visive). Vero, tale materiale è stato digitalizzato per qualche tempo con funzionalità limitate, dal momento che i file finali erano così enormi che non era pratico tenerli su un disco rigido del computer (ricordate almeno il formato AVI originale sviluppato da Microsoft in una sola volta).

Con l'avvento degli algoritmi M-JPEG, MPEG-4 e H.64, è diventato possibile ridurre i file finali con un rapporto di riduzione di 10-400 volte. Molti potrebbero obiettare che il video compresso sarà di qualità inferiore rispetto all'originale. In un certo senso, così com'è. Tuttavia, in tali tecnologie, la riduzione delle dimensioni può essere effettuata con perdita di qualità e senza perdita.

Esistono due metodi principali con cui viene eseguita la compressione: intraframe e interframe. Entrambe queste opzioni si basano sull'esclusione di elementi duplicati dall'immagine, ma non influenzano, ad esempio, le variazioni di luminosità, colore, ecc. Ciò che è nel primo, nel secondo caso, è che la differenza tra le scene in un fotogramma o tra due adiacenti è insignificante, quindi la differenza per occhio non è particolarmente evidente. Ma quando si eliminano gli elementi di cui sopra dal file, la differenza di dimensioni tra l'immagine originale e quella finale è molto significativa.

Uno dei metodi più interessanti, anche se piuttosto complessi, che la discretizzazione spaziale utilizza per comprimere le immagini è la tecnologia, chiamata la trasformazione discreta del coseno, proposta da V. Chen nel 1981. Si basa su una matrice in cui, a differenza di quella originale, che descrive solo i valori dei campioni, vengono presentati i valori della velocità del loro cambiamento.

Quindi, può essere considerato come una certa griglia di variazioni di velocità nelle direzioni verticale e orizzontale. La dimensione di ogni blocco è determinata dalla tecnologia JPEG ed è 8 x 8 pixel. La compressione viene applicata a ogni singolo blocco, ma non all'intera immagine. Pertanto, la differenza tra la fonte e il materiale finale diventa ancora meno evidente. Talvolta nella terminologia informatica, tale tecnica viene anche chiamata sottocampionamento.

Inoltre, la luminanza e la cromaticità possono essere applicate alla quantizzazione sopra descritta, in cui ogni valore della trasformazione del coseno è diviso per il coefficiente di quantizzazione, che può essere trovato in tabelle speciali basate sui cosiddetti test psicofisici.

Le tabelle stesse corrispondono a classi strettamente definite di blocchi raggruppati per attività (immagine uniforme, immagine non strutturata, differenziale orizzontale o verticale, ecc.). In altre parole, per ogni blocco vengono impostati i propri valori, che non sono applicabili ai vicini o a quelli che differiscono per classe.

codifica della discretizzazione spaziale delle informazioni grafiche

Infine, dopo la quantizzazione, sulla base del codice di Huffman, viene eseguita la rimozione dei coefficienti ridondanti (riduzione della ridondanza), che consente di ottenere una parola di codice con una lunghezza inferiore a un bit per ciascun coefficiente (VLC) per la successiva codifica. Successivamente, viene formata una sequenza lineare, per la quale viene utilizzato il metodo della lettura a zigzag, che raggruppa i valori nella matrice finale sotto forma di valori significativi e sequenze di zeri. Ma proprio come possono essere rimossi. Le restanti combinazioni sono compresse nel modo standard.

In generale, gli esperti non raccomandano particolarmente la codifica delle informazioni grafiche utilizzando le tecnologie JPEG, poiché presentano diversi svantaggi. Innanzitutto, il ri-salvataggio di più file porta inevitabilmente al deterioramento della qualità. In secondo luogo, poiché gli oggetti codificati con JPEG non possono contenere aree trasparenti, è possibile applicare tali metodi a immagini grafiche o campioni digitalizzati di grafica artistica solo se verticalmente e orizzontalmente non superano le dimensioni in 200 pixel. In caso contrario, il deterioramento della qualità dell'immagine finale sarà espresso in modo molto brillante.

È vero, gli algoritmi JPEG sono diventati la base per le tecnologie di compressione MPEG, nonché per una varietà di standard di conferenza come H.26X e H32X.

Invece di una postfazione

Ecco un breve e tutto ciò che riguarda la comprensione delle questioni relative alla conversione della forma analogica di grafica e video in discreto (per analogia, tali tecniche sono utilizzate per il suono). Le tecnologie descritte sono piuttosto difficili da comprendere per un utente ordinario, tuttavia alcuni componenti importanti dei metodi principali possono ancora essere compresi. Non ha affrontato il problema della configurazione dei monitor per ottenere immagini di altissima qualità. Tuttavia, sulla questione che ci interessa, si può notare che non è sempre necessario stabilire la massima risoluzione possibile, dal momento che parametri eccessivi possono causare malfunzionamenti del dispositivo. Lo stesso vale per la frequenza di aggiornamento dello schermo. È preferibile utilizzare i valori consigliati dal produttore o quelli consigliati dal sistema operativo per impostazione predefinita dopo l'installazione dei driver e del software di controllo appropriati.

Per quanto riguarda l'auto-scansione o la transcodifica di informazioni da un formato all'altro, è necessario utilizzare programmi speciali e convertitori, ma per evitare di abbassare la qualità, è meglio non ridurre la compressione massima possibile per ridurre le dimensioni dei file finali. Tali metodi sono applicabili solo per quei casi in cui le informazioni devono essere memorizzate su supporti con volume limitato (ad esempio, dischi CD / DVD). Ma se c'è abbastanza spazio sul disco rigido, o quando si desidera creare una presentazione da trasmettere sul grande schermo o stampare foto su attrezzature moderne (le stampanti fotografiche non contano), è meglio non trascurare la qualità.