§ 5. Передача изображений

Определения и обозначения

Изображение — зрительное представление объекта, которое можно передать и восстановить на другом устройстве. Это может быть фотография, рисунок или схема. Чтобы компьютер мог отправить изображение, его представляют в виде данных, а получатель по этим данным собирает картинку. Поэтому изображение для передачи должно иметь способ цифрового описания.

Пиксель — минимальный элемент растрового изображения, которому задаётся определённый цвет. Если сильно увеличить картинку на экране, отдельные пиксели могут стать заметными. Каждый из них отвечает за маленький участок изображения. Кодируя цвет каждого пикселя, компьютер описывает вид всей картинки.

Растр — изображение, представленное прямоугольной сеткой пикселей. У сетки есть строки и столбцы, поэтому каждому пикселю можно указать место. Растр помогает упорядочить изображение для записи и передачи: компьютер последовательно обрабатывает его элементы. Именно такой способ подходит для цифровых фотографий и многих картинок на экране.

Разрешение изображения — число пикселей по горизонтали и вертикали, например 10 × 8. Чем больше пикселей приходится на изображение, тем больше мелких деталей можно передать, если сами данные сохраняют эти детали. Разрешение описывает размеры сетки, а не обязательно физические размеры картинки на экране или бумаге. Поэтому одинаковое изображение можно показать крупнее или мельче, не меняя числа пикселей.

Как это устроено

Чтобы передать изображение, его сначала нужно представить как данные, которые можно записать и отправить по каналу связи. Канал связи — это путь, по которому информация перемещается от одного устройства к другому, например соединение через сеть. Само зрительное представление напрямую отправить нельзя, поэтому компьютер переводит его в последовательность кодов. Код можно записать двоичными цифрами и передать так же, как другие данные.

При растровом способе изображение делят на строки и пиксели, потому что компьютеру нужно знать не только цвет, но и положение каждого элемента. Пиксели можно обходить в установленном порядке, например строка за строкой. Для каждого из них формируют код цвета, и при таком порядке получатель понимает, к какой точке картинки относится очередной код. Если порядок не задать, отдельные пиксели окажутся не на своих местах.

Чем больше пикселей нужно описать, тем больше кодов придётся отправить. Дополнительные данные требуются и тогда, когда для каждого пикселя предусмотрено больше возможных цветов: код цвета должен различать больше вариантов. Поэтому изображение высокого разрешения или с богатой палитрой часто занимает больше места и дольше передаётся при той же скорости связи. Точный объём зависит от способа кодирования и дополнительных данных, но число пикселей и бит на пиксель помогают его оценить.

На принимающем устройстве последовательность нужно декодировать — превратить коды обратно в понятные компьютеру сведения о цветах. Затем устройство размещает пиксели в том же порядке, в каком они были закодированы. Это позволяет восстановить растр и показать его на экране или сохранить. Если получатель использует другой порядок или неверно понимает код цвета, исходная картинка не восстановится правильно.

Во время передачи часть данных может потеряться или измениться из-за помех или сбоя. Тогда код отдельного пикселя способен превратиться в другой код, а его цвет — измениться. Если таких ошибок много, искажения становятся заметнее, а если данные не дошли полностью, изображение может восстановиться не целиком. Проверка и повторная передача данных помогают обнаружить или исправить некоторые ошибки.

Этапы передачи растрового изображения

Таблица показывает путь от подготовленной картинки до её восстановления на принимающем устройстве. Используйте её, чтобы определить, на каком этапе задаются параметры, формируются коды или могут возникнуть ошибки. Если изображение искажено, можно по порядку проверить этапы передачи.

Разбор задач

Сколько пикселей нужно закодировать?

Изображение размером 10 × 8 пикселей передают как последовательность элементов. Нужно определить общее число элементов, для которых потребуется код цвета. Запись 10 × 8 означает, что в каждой строке 10 пикселей, а строк всего 8. Поэтому число пикселей находится умножением ширины растра на его высоту.

1. Выпишем размеры: по горизонтали — 10 пикселей, по вертикали — 8.
2. Перемножим эти числа: 10 × 8 = 80.
3. Проверим смысл результата: 8 строк по 10 пикселей дают 80 элементов.

Ответ: нужно закодировать 80 пикселей. Здесь вычислено количество элементов изображения, а не объём данных в битах: для его нахождения ещё потребуется знать, сколько бит отводится на каждый пиксель.

Сколько бит нужно для четырёх цветов и всего изображения?

Для каждого пикселя используют 4 возможных цвета. Требуется узнать, сколько бит нужно для кода одного цвета и сколько займёт изображение 10 × 8 без служебных данных. Биты должны различать все варианты: 1 бит задаёт только 2 сочетания, а 2 бита — 4 сочетания. Сначала найдём число пикселей, затем умножим его на число бит на один пиксель.

1. Для четырёх цветов нужно 2 бита, потому что 2² = 4 возможных кода.
2. В изображении 10 × 8 = 80 пикселей.
3. Умножим количество пикселей на число бит для каждого: 80 × 2 = 160 бит.

Ответ: 2 бита на один пиксель и 160 бит на изображение без служебных данных. Проверка проста: если на каждый из 80 пикселей приходится по 2 бита, общий объём должен быть вдвое больше числа пикселей.

Как сравнить изображения с разным числом бит на пиксель?

Два изображения имеют одинаковые размеры, но на пиксель одного отводится 2 бита, а другого — 8 бит. Нужно сравнить объём данных и объяснить различие. Поскольку размеры совпадают, число пикселей у картинок одно и то же. Значит, сравнивать нужно только объём кода для каждого пикселя, а затем учесть, сколько цветовых вариантов он позволяет задать.

1. Обозначим одинаковое число пикселей буквой N.
2. Для первого изображения объём равен N × 2 бит, для второго — N × 8 бит.
3. Сравним: 8 ÷ 2 = 4, значит, второй вариант требует в четыре раза больше данных.
4. Большее число бит позволяет различить больше кодов цвета: 2 бита дают 4 варианта, а 8 бит — 256.

Ответ: при одинаковом числе пикселей изображение с 8 битами на пиксель занимает в четыре раза больше данных, чем с 2 битами, без учёта служебных сведений. Оно также может кодировать больше цветов. Само по себе большее число бит не гарантирует, что все доступные цвета обязательно использованы.

Типичные ошибки

Путать количество пикселей с количеством цветов — значит смешивать размеры сетки и число вариантов для её элементов. Так бывает, потому что оба параметра описывают изображение. Проверьте себя вопросами: сколько в растре точек и сколько цветов можно задать каждой точке? Это разные характеристики.

Складывать ширину и высоту вместо умножения — ошибка при подсчёте пикселей. Например, 10 + 8 не показывает число элементов в сетке: ширина задаёт число точек в строке, а высота — число строк. Для проверки представьте несколько одинаковых строк и умножьте число точек в одной строке на число строк.

Считать, что рост разрешения обязательно увеличит физический размер картинки, неверно. Разрешение сообщает количество пикселей, а видимый размер зависит также от того, насколько крупно каждый пиксель показан на экране или напечатан. Чтобы проверить вывод, разделите вопрос о числе пикселей и вопрос о размере изображения в сантиметрах или на экране.

При вычислении объёма данных нельзя учитывать только число пикселей: нужен ещё объём кода каждого из них. Эту ошибку допускают, если число элементов принимают за число бит. Проверьте расчёт по формуле: количество пикселей умножается на число бит на пиксель. Полученный результат будет в битах, если остальные данные не учитываются.

Связь с другими темами

Для понимания передачи изображений нужно знать, как информация представляется двоичным кодом и как измеряется её объём. Эти знания помогают понять, откуда берутся коды пикселей и как оценить размер последовательности данных. Тема связана и с растровой графикой: там изучают устройство сетки и свойства изображения. Позже эти представления пригодятся при знакомстве с форматами изображений и передачей данных по компьютерным сетям.

Что запомнить

• Растровое изображение состоит из пикселей.
• Пиксели можно кодировать и передавать как последовательность данных.
• Число пикселей равно произведению ширины растра на его высоту.
• Для кодирования каждого пикселя требуется заданное число бит.
• Увеличение разрешения или числа цветов обычно увеличивает объём данных.
• Чтобы восстановить изображение, принимающее устройство должно правильно декодировать данные и расположить пиксели.