ЛЕКЦИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

ЛЕКЦИЯ
 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ

Как и любая другая информация в ЭВМ, графические изображения хранятся, обрабатываются и передаются по линиям связи в закодированном виде - т.е. в виде большого числа бит- нулей и единиц. Существует большое число разнообразных программ, работающих с графическими изображениями. В них используются самые разные графические форматы- т.е. способы кодирования графической информации. Расширения имен файлов, содержащих изображение, указывают на то, какой формат в нем использован, а значит какими программами его можно просмотреть, изменить (отредактировать), распечатать.

Несмотря на все это разнообразие существует только два принципиально разных подхода к тому, каким образом можно представить изображение в виде нулей и единиц (оцифровать изображение):

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ С ПОМОЩЬЮ ОПРЕДЕЛЕННОГО ЧИСЛА БИТ КОДИРУЕТСЯ ЦВЕТ КАЖДОГО МЕЛЬЧАЙШЕГО ЭЛЕМЕНТА ИЗОБРАЖЕНИЯ - ПИКСЕЛА. Изображение представляется в виде большого числа мелких точек, называемых пикселами. Каждый из них имеет свой цвет, в результате чего и образуется рисунок, аналогично тому, как из большого числа камней или стекол создается мозаика или витраж, из отдельных стежков- вышивка, а из отдельных гранул серебра- фотография. При использовании растрового способа в ЭВМ под каждый пиксел отводится определенное число бит, называемое битовой глубиной. Каждому цвету соответствует определенный двоичный код (т.е. код из нулей и единиц). Например, если битовая глубина равна 1, т.е. под каждый пиксел отводится 1 бит, то 0 соответствует черному цвету, 1 -белому, а изображение может быть только черно-белым. Если битовая глубина равна 2, т.е. под каждый пиксел отводится 2 бита, 00- соответствует черному цвету, 01- красному , 10 - синему , 11- черному , т.е. в рисунке может использоваться четыре цвета. Далее, при битовой глубине 3 можно использовать 8 цветов, при 4 - 16 и т.д. Поэтому, графические программы позволяют создавать изображения из 2, 4, 8, 16 , 32, 64, ... , 256, и т.д. цветов. Понятно, что с каждым увеличением возможного количества цветов (палитры) вдвое, увеличивается объем памяти, необходимый для запоминания изображения (потому что на каждый пиксел потребуется на один бит больше).

ОСНОВНЫМ НЕДОСТАТКОМ РАСТРОВОЙ ГРАФИКИ ЯВЛЯЕТСЯ БОЛЬШОЙ ОБЪЕМ ПАМЯТИ, ТРЕБУЕМЫЙ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ. Это объясняется тем, что нужно запомнить цвет каждого пиксела, общее число которых может быть очень большим. Например, одна фотография среднего размера в памяти компьютера занимает несколько Мегабайт, т.е. столько же, сколько несколько сотен (а то и тысяч) страниц текста.

ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВЕКТОРНОЙ ГРАФИКИ В ПАМЯТИ ЭВМ СОХРАНЯЕТСЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ КАЖДОГО ГРАФИЧЕСКОГО ПРИМИТИВА- ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА (НАПРИМЕР, ОТРЕЗКА, ОКРУЖНОСТИ, ПРЯМОУГОЛЬНИКА И Т.П.), ИЗ КОТОРЫХ ФОРМИРУЕТСЯ ИЗОБРАЖЕНИЕ. В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ОТРИСОВКИ ОКРУЖНОСТИ ДОСТАТОЧНО ЗАПОМНИТЬ ПОЛОЖЕНИЕ ЕЕ ЦЕНТРА, РАДИУС, ТОЛЩИНУ И ЦВЕТ ЛИНИИ. По этим данным соответствующие программы построят нужную фигуру на экране дисплея. Понятно, что такое описание изображения требует намного меньше памяти (в 10 - 1000 раз) чем в растровой графике, поскольку обходится без запоминания цвета каждой точки рисунка. ОСНОВНЫМ НЕДОСТАТКОМ ВЕКТОРНОЙ ГРАФИКИ ЯВЛЯЕТСЯ НЕВОЗМОЖНОСТЬ РАБОТЫ С ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫМИ ХУДОЖЕСТВЕННЫМИ ИЗОБРАЖЕНИЯМИ, ФОТОГРАФИЯМИ И ФИЛЬМАМИ. Природа избегает прямых линий, правильных окружностей и дуг. К сожалению, именно с их помощью (поскольку эти фигуры можно описать средствами математики, точнее- аналитической геометрии) и формируется изображение при использовании векторной графики. Попробуйте описать с помощью математических формул, картины И.Е.Репина или Рафаэля! (Но не "Черный квадрат" К.Малевича!) ПОЭТОМУ ОСНОВНОЙ СФЕРОЙ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕКТОРНОЙ ГРАФИКИ ЯВЛЯЕТСЯ ОТРИСОВКА ЧЕРТЕЖЕЙ, СХЕМ, ДИАГРАММ И Т.П.

Как отличить векторную графику от растровой? Если Вы видите на экране фотографию или рисунок с близким к естественному изображением, с большим числом цветов и оттенков, то, скорее всего, Вы имеете дело с растровой графикой. Если чертеж, диаграмму, простой стилизованный рисунок,- с векторной. Если программа позволяет стирать, копировать или перемещать целые фрагменты (площади) изображения, то это растровая графика. Если удалить, скопировать, переместить можно только какие-то определенные фигуры или их части, то это графика векторная.

Пример изображения, созданного с использованием растровой графики:

Пример изображения, созданного с использованием векторной графики:

Файлы *.bmp , *.pcx , *.gif , *.msp , *.img и др. соответствуют форматам растрового типа, *.dwg , *.dxf , *.pic и др. - векторного.

Иногда, правда, растровые изображения могут входить в состав векторных как отдельные графические примитивы.

УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА.

ОСНОВНЫМ УСТРОЙСТВОМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ ЯВЛЯЕТСЯ АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (АЛУ). ЕГО ОСНОВОЙ ЯВЛЯЕТСЯ ЭЛЕКТРОННАЯ СХЕМА, СОСТАВЛЕННАЯ ИЗ БОЛЬШОГО ЧИСЛА ТРАНЗИСТОРОВ, НАЗЫВАЕМАЯ СУММАТОРОМ. СУММАТОРОМ ВЫПОЛНЯЮТСЯ ПРОСТЕЙШИЕ ЛОГИЧЕСКИЕ И АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ НАД ДАННЫМИ, ПРЕДСТАВЛЕННЫМИ В ВИДЕ ДВОИЧНЫХ КОДОВ (НУЛЕЙ И ЕДИНИЦ). К логическим операциям относятся логическое умножение (операция "И"), логическое сложение (операция "ИЛИ") и логическое отрицание (операция "НЕ"). Результатом операции логического умножения является 1, если все переменные, являющиеся исходными данными равны 1, и 0, если хотя бы одна из них равна 0. Вспоминая, что 1 моделируется электрическим сигналом, а 0 - отсутствием сигнала, можно сказать, что на выходе устройства будет электрический сигнал тогда и только тогда, когда сигнал будет иметься на каждом входе:

Представьте себе, что подобное устройство осуществляет управление каким-либо процессом, например, пуском ракеты. От каждого исправного блока ракеты на устройство управления стартом должен прийти контрольный сигнал, и только в этом случае оно может выдать сигнал, разрешающий запуск.

Результатом операции логического сложения является 0, если все исходные переменные равны нулю, и 1, если хотя бы одна из них равна 1. Результатом операции логического отрицания является 1, если на входе- 0, и 0, если на входе -1.

На основе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц. Теоретической основой для этого являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем, известные как Булева алгебра, в которой используются только два числа- 0 и 1. Ранее считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. Однако, в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил Булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем- сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

ВСЕ ОСТАЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ, ПРОИЗВОДИМЫЕ ЭВМ, СВОДЯТСЯ К БОЛЬШОМУ ЧИСЛУ ПРОСТЕЙШИХ АРИФМЕТИЧЕСКИХ И ЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ, аналогично тому, как операцию умножения можно свести к большому числу операций сложения.

Иногда компьютеры называют "умными машинами". Мы видим, что это не совсем так. Компьютеры лишь выполняют простейшие арифметические и логические операции. Весь "интеллект" компьютера заключается не столько в нем самом, сколько в программах, которые сводят самые сложные действия к большому (как правило, очень большому) числу таких простейших арифметических и логических операций. Именно поэтому, производительность процессора при выполнении простейших операций определяет быстродействие ЭВМ.

В СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ОБЪЕДИНЯЕТСЯ С УПРАВЛЯЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ В ЕДИНУЮ СХЕМУ - ПРОЦЕССОР.

ПРОЦЕССОР- ЦЕНТРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА ЭВМ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩАЯ ОПЕРАЦИИ ПО ОБРАБОТКЕ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЯЮЩАЯ РАБОТОЙ ОСТАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ЭВМ.

Процессор представляет собой микросхему с большим числом контактов, имеющую прямоугольную или квадратную форму и легко помещающуюся на ладони.

Изобретателем микропроцессора как схемы, в которую собрана практически вся основная электроника компьютера, стала американская фирма INTEL, выпустившая в 1970 году процессор 8008. С их появления и началась история ЭВМ четвертого поколения.

По настоящее время фирма INTEL является лидером на мировом рынке в производстве и разработке новых типов процессоров. Основой для современных компьютеров стали процессоры семейства 8086:

1) процессор 8086 и его упрощенный вариант 8088, выпущенные в 1981 году,

2) процессор 80286, выпущенный в 1984 году,

3) процессор 80386, выпущенный в 1986 году,

4) процессор 80486, выпущенный в 1989 году,

5) процессор PENTIUM (греч. -пятый), выпущенный в 1993 году.

Фирма INTEL анонсировала еще на 1995 год выпуск принципиально иного процессора MERCED, однако вместо него появились процессоры, являющиеся развитием процессоров PENTIUM - PENTIUM PRO, PENTIUM II, PENTIUM III и др.

Важно отметить, что производство процессоров, в отличие от производства многих других компонентов компьютера- плат, корпусов, клавиатур и др. является чрезвычайно сложным и освоено только очень небольшим числом фирм-производителей. Однако все они, хоть и конкурируют с фирмой INTEL, ориентируются на ее продукцию. Например, фирма AMD выпускала процессор К5- более мощный и дешевый аналог процессора PENTIUM и процессор К6 - аналог PENTIUM II.

СОПРОЦЕССОР- УСТРОЙСТВО, УСКОРЯЮЩЕЕ РАБОТУ ПРОЦЕССОРА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛЕНИЙ. ЕГО НАЛИЧИЕ НЕОБЯЗАТЕЛЬНО, НО ДЛЯ РАБОТЫ РЯДА ПРОГРАММ (ГРАФИЧЕСКИХ ИЛИ РАСЧЕТНЫХ) ОН НЕОБХОДИМ.

Честь создания сопроцессоров также принадлежит фирме INTEL, однако многие сопроцессоры, произведенные другими фирмами, например CYRIX, оказывались производительнее и дешевле оригиналов- сопроцессоров фирмы INTEL семейства 8087:

1) сопроцессор 8087 - для совместной работы с процессором 8086,

2) сопроцессор 80287 - для совместной работы с процессором 80286,

3) сопроцессор 80387 - для совместной работы с процессором 80386, и.т.д.

В ПОСЛЕДНИХ МОДЕЛЯХ ЭВМ СОПРОЦЕССОР ВСТРАИВАЕТСЯ В ПРОЦЕССОР. Это, в частности, касается всех процессоров класса PENTIUM. Поэтому, в ближайшем будущем сопроцесор, как отдельное устройство, по-видимому, уйдет в историю.