Кодирование графической информации

Информатика 9 класс
Тема. Кодирование графической информации.
Цели урока:
Образовательные –
- введение понятий растр, пиксель, глубина цвета, палитра;
Развивающие –
- развитие любознательности учащихся;
- развитие умений учебно-познавательной деятельности;
Воспитательные –
- содействовать формированию системы знаний об информации;
- воспитывать готовность к свободному, сознательному выбору профессии;
Ход урока
1. Организационный момент. Вступительное слово учителя
Представление данных на мониторе компьютера в графическом виде впервые было
реализовано в середине 50-ых годов для больших ЭВМ, применявшихся в научных
и военных исследованиях. С тех пор графический способ отображения данных стал
неотъемлемой принадлежностью большинства компьютерных систем, в
особенности персональных.
Область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки
изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов,
называется компьютерная графика. Она охватывает все виды и формы
представления изображений, доступных для восприятия человеком либо на экране
монитора, либо в виде копии на внешнем носителе.
Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой
деятельности: компьютерная томография (медицина), визуализация строения
вещества, векторных полей, и др. (научные исследования), моделирование одежды,
опытно-конструкторские разработки, не говоря уже о том, что многие из вас очень
любят играть в компьютерные игры, где без качественного изображения не
обойтись!
В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику
принято подразделять на растровую, векторную, фрактальную.
Тема сегодняшнего урока – Кодирование растровой графической информации.
Мы познакомимся со способом представления растрового изображения в памяти
компьютера, при этом постараемся ответить на вопросы (постановка проблемы
урока):
1. Какого размера «холст» использует компьютер-художник для своих «картин»?
2. Сколько цветов можно использовать для создания электронной картины?
3. Как вычислить объём компьютерной памяти, необходимый для хранения
изображения?
2. Актуализация знаний
Но сначала вспомним:
Что такое «компьютерный алфавит» и какова его мощность?
(Компьютерный алфавит – это алфавит двоичной системы счисления, его мощность
равна двум, так как он содержит всего два символа: 0 и 1)
Что такое разрешающая способность экрана?
(Разрешающая способность – количество точек по вертикали и горизонтали экрана)
Что такое цветовое разрешение экрана?
(Цветовое разрешение определяет количество цветовых оттенков, которое можно
отобразить на экране одновременно)
В каких единицах измеряется информация?
Немного математики: 21=2, 22=4, …, 28=256 (запись на доске)
3. Изучение новых понятий и способов действий
Исходя из ваших ответов, можно сделать вывод, что экран монитора имеет
дискретную структуру в виде графической сетки – растра, минимальным элементом
которого является пиксель (элемент изображения). Таким образом, графическая
информация, видимая нами на экране монитора, представляет собой изображение,
сформированное из определённого числа точек (пикселей).
Задание 1. Определить количество пикселей изображения на экране монитора с
разрешающей способностью 1024x768 точек, 800x600. (Ответ: 786 432, 480 000)
Т. е. количество пикселей изображения различно.
Давайте сравним два графических изображения:
Что вы можете сказать о качестве этих изображений? Как можно объяснить
разницу?
Оказывается размер первого – 369 * 204, а второго – 93 * 51пикселей. Значит,
качество графического изображения зависит от количества точек (пикселей), из
которых оно состоит: чем больше точек – тем выше качество.
Графические изображения бывают чёрно-белые и цветные.
Каким же образом в памяти компьютера представлена информация о цвете пикселя?
В простейшем случае каждая точка экрана может иметь одно из двух состояний –
«чёрная» или «белая». То есть для хранения её состояния необходим 1 бит памяти
(принимает значение 1 - белая или 0- чёрная).
Задание 2.
Подсчитать объём видеопамяти, необходимый для хранения чёрно-белого
изображения вида
Ответ: V = 10 * 8 * 1 = 80 бит
(Вопросы:
- каков размер этого изображения?
- сколько нужно видеопамяти для кодирования одной точки?
- а для всего изображения?)
Однако, общепринятым на сегодняшний день считается представление чёрно-белого
изображения в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета – т. е. для
кодирования одной точки такого изображения нужно 8 (256=28) бит или 1 байт
видеопамяти. (Вопрос: почему 8?)
Задание 3.
Подсчитать объём видеопамяти, необходимый для хранения чёрно-белого
изображения вида
Ответ: V = 10 * 8 *8 = 640 бит
Чем отличается кодирование этих двух изображений? (количеством бит для одной
точки)
Запишем, что количество бит, необходимое для кодирования цвета одной точки
называется глубиной цвета. В первом случае она была равна (?), правильно, - 1, а во
втором – 8. А количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть
вычислено по формуле N=2I, где I – глубина цвета.
Наиболее распространёнными значениями глубины цвета являются 4, 8, 16, 24 или
32 бита.
Задание 4.
Заполните таблицу соответствующими значениями (Smart-документ)
Глубина цвета Количество цветов Возможные
(I)
(N)
варианты
4
16 777 216
8
65 536
16
16
24
256
32
4 294 967 296
Вот сколько цветов может быть отражено на экране монитора компьютера!
Считается, что наш человеческий глаз способен различать около 16 млн. оттенков
цвета. Но как объяснить компьютеру, что один объект красного цвета, а другой
розового? В чем между ними разница, так хорошо различимая нами на глаз. Для
формального описания цвета придумано несколько цветовых моделей и
соответствующих им способов кодирования.
Мы рассмотрим цветовую модель RGB, основанную на использовании трёхбазовых
цветов — Red (красный), Green (зелёный), Blue (синий). Для получения других
оттенков используются сочетания базовых цветов.
Задание 5.
Используя рисунок, заполните пустые клетки.
Название цвета Красный
Зеленый
Синий
Черный
0
0
0
Красный
1
0
0
Зелёный
Синий
Голубой
0
1
1
Желтый
Розовый
Белый
Для получения более богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы
различные интенсивности. Например: при глубине цвета в 24 бита формирование
цветов будет следующим
Интенсивность
Название цвета
красный
зеленый
синий
Черный
00000000
00000000
00000000
Красный
11111111
00000000
00000000
Зелёный
00000000
11111111
00000000
Синий
00000000
00000000
11111111
Голубой
00000000
11111111
11111111
Желтый
11111111
11111111
00000000
Розовый
11111111
00000000
11111111
Белый
11111111
11111111
11111111
Количество цветов изображения может быть различно.
4. Формирование умений и навыков
Ответим на вопрос: как количество используемых цветов влияет на качество
изображения? Для этого проведём компьютерный эксперимент.
а. Лабораторная работа «Преобразование графического изображения с помощью
растрового графического редактора Paint»
(перед началом работы напоминаю Правила ТБ при работе с компьютером!)
1. На Рабочем столе компьютера в папке ГРАФИКА откройте с помощью
растрового графического редактора Paint файл РИСУНОК.
2. Командой ФАЙЛ-СОХРАНИТЬ КАК… сохраните изображение в папке
ГРАФИКА под именем МОНО в файле типа «Монохромный рисунок». Закройте
файл.
3. На Рабочем столе компьютера в папке ГРАФИКА откройте с помощью
растрового графического редактора Paint файл РИСУНОК.
4. Командой ФАЙЛ-СОХРАНИТЬ КАК… сохраните изображение в папке
ГРАФИКА под именем 16 в файле типа «16-цветный рисунок». Закройте файл.
5. На Рабочем столе компьютера в папке ГРАФИКА откройте с помощью
растрового графического редактора Paint файл РИСУНОК.
6. Командой ФАЙЛ-СОХРАНИТЬ КАК… сохраните изображение в папке
ГРАФИКА под именем 256 в файле типа «256-цветный рисунок». Закройте файл.
7. На Рабочем столе компьютера в папке ГРАФИКА откройте с помощью
растрового графического редактора Paint файл РИСУНОК.
8. Командой ФАЙЛ-СОХРАНИТЬ КАК… сохраните изображение в папке
ГРАФИКА под именем 24 в файле типа «24-разрядный рисунок». Закройте файл.
9. Заполните таблицу (для просмотра размера изображения и объёма занимаемой
памяти выберите в контекстном меню файла пункт «Свойства» или подведите к его
иконке указатель мыши):
Имя файла
Размер изображения Глубина цвета
Объём памяти
Рисунок
600*400
__
26, 7 Кб
«24»
600*400
24
703 Кб
«256»
600*400
8
235 Кб
«16»
600*400
4
117 Кб
Моно
600*400
1
29,7 Кб
10. Сделайте вывод. Качество растрового графического изображения зависит от
глубины цвета.
Общий вывод по уроку.
Качество растрового графического изображения зависит от разрешающей
способности экрана монитора (чем больше количество строк растра и точек в
строке, тем выше качество изображения), а также от глубины цвета (т.е. количества
битов, используемых для кодирования цвета точки).
Отвечаем на вопросы, поставленные в начале урока.
Теперь, покупая монитор для своей компьютерной системы, вы обратите внимание
на размер графической сетки и цветовое разрешение, потому что знаете, что чем
более высоки эти параметры, тем качественнее будет изображение на экране вашего
монитора!
б. Решение вычислительных задач
Теперь применим полученные знания на практике. Решим задачу:
Задание 6. Определить объём видеопамяти компьютера, который необходим для
реализации графического режима монитора High Color с разрешающей
способностью 1024x768 точек и палитрой из 65 536 цветов.
Дано:
1024x768
N = 65 536 цветов
Найти:
V-?
Решение:
Так как N=2I, то 65 536 = 2I, значит I = 16 бит.
Количество точек изображения – 1024 * 768 = 786 432.
V = 16 бит * 786 432 = 12 582 912 бит (!!!) » 1,2 Мбайта
(!!!) Какие единицы измерения информации вам ещё известны?
Ответ. Необходимый объём видео памяти 1,2 Мбайта.
Задание 7. Во сколько раз и как изменится объём памяти, занимаемой
изображением, если в процессе его преобразования количество цветов уменьшилось
с 65 536 до 16?
V1 / V2= I1/I2 = 16/4 = 4
Задание 8. (для углубленного изучения материала)
Важнейшими характеристиками монитора являются размеры его экрана, которые
задаются величиной его диагонали в дюймах (15”, 17”, 21” и т.д.) и размером точки
экрана (0,25 мм или 0,28 мм), а разрешающая способность экрана монитора задаётся
количеством точек по вертикали и горизонтали (640*480, 800*600, 1024*768 и т.д.).
Следовательно, для каждого монитора существует физически максимально
возможная разрешающая способность экрана.
Определить максимально возможную разрешающую способность экрана для
монитора с диагональю 15” и размером точки экрана 0,28 мм.
Решение:
2,54 * 15 = 38, 1 (см) – диагональ монитора
480:640 (или 600:800, или 768:1024)= 0,75 – соотношение между высотой и
шириной экрана
По теореме Пифагора:
В2 + (0,75В)2 = 38,12
1,5625В2 = 1451,61
В2 » 929
В » 30,5 (см) – ширина экрана
305 мм : 0,28 мм = 1089 точек
Максимально возможным разрешением экрана монитора является 1024*768.
5. Домашнее задание: 2.72, 2.76, 2.75 в «Практикум по информатике и
информационным технологиям», Н. Угринович; п. 2.12, стр. 113 -115
6. Итог урока: мы узнали, сколько цветов можно использовать для создания
электронной картины, научились вычислять объём компьютерной памяти,
необходимый для хранения изображения, сохранять графическое изображение с
различной глубиной цвета.
7. Оценка знаний и умений