3.2. Цифровые фото и видео

Определения и обозначения

Пиксель — минимальный элемент растрового цифрового изображения, имеющий определённый цвет. Изображение можно представить как сетку таких точек, расположенных рядами и столбцами. Чем мельче сетка, тем точнее она может передать границы объектов и мелкие детали. Пиксели нужны, чтобы хранить изображение в форме, понятной компьютеру.

Разрешение изображения — количество пикселей по горизонтали и вертикали, определяющее его детализацию. Его обычно записывают двумя числами, например 1920 × 1080. Перемножив числа, можно узнать общее количество пикселей. Разрешение помогает сравнивать изображения по числу элементов, из которых они состоят.

Глубина цвета — количество бит, используемых для кодирования цвета одного пикселя, и связанное с этим число возможных оттенков. Если для пикселя выделено n бит, он может иметь 2ⁿ вариантов кода. Поэтому с большей глубиной цвета можно передать больше оттенков и плавнее показать переходы между ними. Эта характеристика нужна и для оценки качества цвета, и для расчёта объёма данных.

Цифровое видео — последовательность цифровых кадров, быстро сменяющих друг друга и создающих впечатление движения. Кадр — отдельное неподвижное изображение, похожее на цифровую фотографию. Кадры хранятся и показываются по порядку, поэтому смена их содержания выглядит как движение объектов. Понятие видео помогает учитывать не только размер изображения, но и число кадров.

Как это устроено

В цифровой камере свет от объекта попадает на светочувствительную матрицу — множество небольших элементов, реагирующих на свет. Камера измеряет свет в каждой точке и превращает измерения в числовые данные. Затем эти данные кодируются как цвета пикселей, которые вместе образуют изображение. Чем больше точек матрицы участвует в записи, тем больше элементов изображения можно сохранить.

Разрешение указывает, сколько пикселей камера записывает по горизонтали и вертикали. Когда число пикселей увеличивается, небольшие детали можно представить отдельными точками, а контуры — описать точнее. Это полезно при увеличении или кадрировании фотографии, потому что в ней остаётся больше исходных данных. Но на каждый пиксель приходится информация о цвете, поэтому рост разрешения увеличивает объём несжатого файла.

Для каждого пикселя нужно записать код цвета, а число бит в этом коде задаёт глубина цвета. При 8 битах возможны 2⁸ значений, а при 24 битах — 2²⁴; значит, больше бит позволяет различать больше цветов. Дополнительные биты не добавляют пиксели и не повышают разрешение, а описывают цвет каждого уже имеющегося пикселя точнее. Поэтому при неизменном разрешении увеличение глубины цвета тоже увеличивает объём данных.

Видео получается, когда камера записывает отдельные кадры и воспроизводит их один за другим. Частота кадров показывает, сколько кадров сменяется за секунду, и измеряется в кадрах в секунду. При низкой частоте промежутки между изображениями заметнее, поэтому движение может выглядеть прерывистым. Более высокая частота делает смену кадров плавнее, но увеличивает количество данных, записываемых за каждую секунду.

Объём несжатого изображения в битах находят, умножая число пикселей на глубину цвета, а результат в байтах получают делением на 8. Для видео к объёму одного кадра добавляется число кадров: его умножают на частоту кадров и длительность записи в секундах. Поэтому разрешение, глубина цвета, частота и время записи вместе определяют исходный объём. Сжатие кодирует данные компактнее и уменьшает файл, а при некоторых способах часть информации теряется.

Основные характеристики цифровых фото и видео

Таблица показывает, какие характеристики общие у фотографии и видео, а какие относятся только к движущейся записи. При сравнении сначала проверьте разрешение и глубину цвета, а для видео дополнительно учтите частоту кадров и длительность. Так легче понять, почему одинаковое разрешение не обязательно означает одинаковый размер файла.

Разбор задач

Задача 1. Определить количество пикселей на фотографии с разрешением 1920 × 1080. Чтобы найти число элементов изображения, перемножим количество пикселей в строке и число строк. Это даст общее число точек, но не объём файла: для него также нужна глубина цвета. Решение:

1. Записываем размеры: по горизонтали — 1920 пикселей, по вертикали — 1080.
2. Находим общее число: 1920 × 1080 = 2 073 600 пикселей.
3. Проверяем смысл результата: это число элементов фотографии, а не байтов.

Ответ: на фотографии 2 073 600 пикселей.

Задача 2. Вычислить объём несжатого изображения размером 800 × 600 пикселей при глубине цвета 24 бита. Сначала определим количество пикселей, затем выясним, сколько бит приходится на всё изображение. Так как один байт равен 8 битам, в конце переведём полученное значение в байты. Решение:

1. Считаем пиксели: 800 × 600 = 480 000.
2. Находим объём в битах: 480 000 × 24 = 11 520 000 бит.
3. Переводим биты в байты: 11 520 000 ÷ 8 = 1 440 000 байт.

Ответ: объём несжатого изображения — 1 440 000 байт, или 1,44 МБ при десятичном переводе (1 МБ = 1 000 000 байт).

Задача 3. Оценить объём несжатого видео длительностью 10 секунд, с разрешением 1280 × 720, глубиной цвета 24 бита и частотой 25 кадров в секунду. Здесь нельзя остановиться на объёме одного изображения: за 10 секунд камера запишет множество кадров. Сначала найдём объём одного кадра, потом число кадров и общий объём. Решение:

1. В одном кадре 1280 × 720 = 921 600 пикселей.
2. Объём кадра: 921 600 × 24 = 22 118 400 бит, или 2 764 800 байт.
3. За секунду записывается 25 кадров, а за 10 секунд — 25 × 10 = 250 кадров.
4. Умножаем объём кадра на число кадров: 2 764 800 × 250 = 691 200 000 байт.

Ответ: без сжатия потребуется 691 200 000 байт, или около 691,2 МБ. Это оценка без учёта служебных данных и особенностей формата.

Типичные ошибки

Разрешение иногда принимают за размер файла. Это разные величины: разрешение сообщает число пикселей, а размер зависит также от глубины цвета и сжатия, а у видео — ещё от кадров и длительности. Ошибку можно проверить, спросив себя, указаны ли биты или байты; если нет, объём файла пока не найден.

При переводе объёма забывают разделить число бит на 8. Так получают байтовое значение, которое в восемь раз больше правильного. Проверяйте единицы в каждом шаге: результат в битах переводится в байты делением на 8.

В задаче о видео иногда считают только один кадр. Но за запись накапливается много кадров, поэтому результат нужно умножить на частоту кадров и число секунд. Для самопроверки отдельно вычислите общее число кадров: частота × длительность.

Увеличение глубины цвета ошибочно принимают за увеличение числа пикселей. Глубина задаёт, сколько бит отводится на цвет каждой точки, а разрешение определяет число точек. Проверьте, какое количество изменяется в условии: если растёт число возможных цветов, меняется глубина цвета, а не разрешение.

Связь с другими темами

Для расчётов нужны единицы измерения информации: бит и байт, а также умение переводить биты в байты делением на 8. Полезно помнить и о двоичном кодировании: число бит определяет количество возможных кодов по правилу 2ⁿ. Эти знания помогают не путать число пикселей с количеством данных.

Дальше характеристики изображений и видео пригодятся при изучении сжатия данных, форматов графических файлов и мультимедийных технологий. На практике они помогают выбрать разрешение камеры, качество видеозаписи и подходящий объём носителя. Чем выше качество и дольше запись, тем больше свободного места может понадобиться.

Что запомнить

• Цифровое изображение состоит из пикселей.
• Число пикселей равно произведению разрешения по горизонтали и вертикали.
• Чем выше разрешение, тем больше деталей может содержать изображение.
• Глубина цвета определяет число бит на один пиксель и количество возможных цветов.
• Цифровое видео представляет собой последовательность кадров.
• Плавность видео зависит от частоты кадров.
• Объём мультимедийного файла увеличивается с разрешением, глубиной цвета, частотой кадров и длительностью записи.