Кодирование и хранение графической информации в памяти компьютера

Представляемая компьютерами графика (плоские рисунки, схемы, 3D-модели) во многом является отражением того, что мы зрительно наблюдаем в реальном мире. Поэтому можно сказать, что графическая информация является синонимом зрительной. И по аналогии с оцифровкой звука, при которой происходит его дискретизация и квантование, в случае с формирующими видимую картину мира светом и цветом речь также идет о тех же процессах. Однако в случае с графической информацией дискретизации подвергается не время, а пространство.

Представим, что мы наблюдаем ту или иную область пространства и хотим сохранить ее подобие в форме изображения на компьютере. Тогда нам надо как-то описать каждый элемент области пространства. Но что это за элементы? Пространство непрерывно, одну и туже область можно разделить на десятки элементов, можно на тысячи, а можно согласиться с тем, что в нем бесчисленное количество элементов – различных точек, которые в свою очередь делятся на еще более мелкие составляющие.

Компьютерная же память имеет ограничения. В ней невозможно сохранить бесконечно много информации. Только ограниченное количество, пусть и большое. Поэтому предполагаемое для описания пространство, должно быть умозрительно разделено на ограниченное количество элементов. И именно описание этих элементов будет сохранено в компьютерной памяти.

В случае с графикой под дискретизацией понимают разделение пространства на фиксированные по размеру области – точки (которые точками, по сути, не являются) или квадратики (в случае 3D – кубики). Так описываемое двумерное изображение разбивается на маленькие плоскости. В пределах каждой такой единицы пространства характеристики изображения считаются одинаковыми. Понятно, что при этом часть информации теряется. Мы не получаем точную копию реального объекта, мы лишь описываем его существенные характеристики.

Итак, мы условно разбили реальность на области и планируем хранить информацию только о них. Но какую информацию? Чем характеризуется изображение? Как минимум цветом и яркостью. А ведь эти характеристики также не дискретны, а могут иметь множество непрерывных значений и подзначений. Так степень яркости можно измерять очень точно, а можно приблизительно. Если обозначить полное отсутствие освещенности нулем, а ее максимальное значение – 99 и хранить только целые значения, то их окажется всего 100. Для возможности хранения 100 различных значений достаточно 2⁷ = 128 бит. Но ведь можно измерять и сохранять степень яркости очень точно до тысячных долей единицы и тогда для хранения потребуется намного больше памяти (чтобы было можно записать туда все возможные значения).

Разделение непрерывного ряда значений какой-либо характеристики на ограниченное количество диапазонов называют квантованием. В компьютере сохраняется лишь номер диапазона, в который попало конкретное значение свойства.

Если при дискретизации разделяется время или пространство, то при квантовании этому подвергаются возможные значения свойств.

Понятно, что чем более дискретна и квантована естественная информация, тем более точно она сохранена в памяти компьютера. Однако этой памяти потребуется больше.

Человеческие органы чувств имеют свои ограничения. Поэтому различие в цвете двух точек мы можем не уловить, хотя их физические характеристики длин волн могут различаться. Поэтому в определенных значениях потеря информации может быть незаметна для человека.

Максимальное качество вида изображения на компьютере определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета.

Число цветов К, воспроизводимых на экране, зависти от числа бит N, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель:

K = 2N

Один бит видеопамяти занимает информация об одном пикселе на черно-белом экране (без полутонов). Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит (RGB), т.е. для каждого из цветов возможны K = 28 = 256 уровней интенсивности.

Величину N называют битовой глубиной.

Страница – раздел видеопамяти, вмещающий информацию об одном образе экрана (одной "картинке" на экране). В видеопамяти одновременно могут размещаться несколько страниц.

Если на экране с разрешающей способностью 800 х 600 высвечиваются только двухцветные изображения, то битовая глубина двухцветного изображения равна 1, а объем видеопамяти на одну страницу изображения равен 800 * 600 * 1 = 480000 бит = 60000 байт.

Для хранения двух страниц изображения при условии, что разрешающая способность дисплея равна 640 х 350 пикселей, а количество используемых цветов 16 (т.е. 2⁴, значит битовая глубина цвета равна 4) будет таким: 640 * 350 * 4 * 2 = 1792000 бит = 218,75 КБайт.