Мультимедиа технологии. Часть 1. Основы Мультимедиа технологий

Векторное изображение образуется совокупностью векторных графических примитивов (линий, фигур и т.п.), соответствующих его типовым элементам и обладающих всеми необходимыми атрибутами, такими как координаты характерных точек, длина, цвет и толщина линии, цвет заливки и т.п. (рис. 1.2,б). Важнейшей характеристикой системы векторной графики является состав используемых примитивов [13].

Например, синий круг на желтом фоне будет описан всего двумя математическими формулами – прямоугольника и круга соответствующих цветов, размеров и местоположения. Очевидно, такое описание займет значительно меньше места по сравнению с растровым.

Рис. 1.2. Примеры графических изображений

При отображении векторного представления значения линейных геометрических атрибутов примитивов рассчитываются с учетом соотношения его требуемых и исходных размеров, а также разрешающей способности устройства вывода (дисплея, принтера). Такой механизм существенно расширяет возможности масштабирования. При любом увеличении масштаба качество векторного изображения не меняется. Искажения возникают только при значительном уменьшении масштаба за счет погрешностей округления и наложения линий примитивов друг на друга.

Векторная графика может быть не только плоской, но и пространственной (трехмерной, 3D). Кроме того, наряду с изменением масштаба она позволяет эффективно осуществлять более сложные трансформации изображения: поворот, наклон, растяжение и сжатие в соответствии с заданными функциями по осям координат, представление вида, наблюдаемого из указанной точки, и т.д. [13].

Объем векторного компонента зависит от числа используемых в нем примитивов. Для относительно простых изображений векторная форма является более компактной, чем матричная.

Главный недостаток векторной графики состоит в том, что она подходит не для всех изображений. В частности, с помощью нее нельзя представить изображения с размытыми контурами и полутонами. Выигрыш от применения векторной формы также теряется при представлении изображений, содержащих большое число мелких деталей (например, нерегулярно расположенных точечных элементов).

Сами по себе графические компоненты не трансформируются. Данные функции выполняются системой их отображения. Преимущество векторной формы заключается в том, что она обеспечивает более глубокие возможности для трансформации, а подобные преобразования проще реализуются и обычно не ухудшают качество изображения.

Существуют и так называемые формоопределенные форматы (метафайлы) могут содержать как растровые, так и векторные данные.

Функциональные изображения строятся программно с помощью графических средств приложения или устройства отображения. Функциональную графику нельзя отделить от системы, обеспечивающей ее формирование: вне рамок этой системы она не существует. Поскольку функциональные изображения не хранятся в файлах, а строятся в процессе работы приложения, они не занимают дисковой памяти. Другим достоинством данных графических компонентов является то, что их представление может быть не фиксированным, а ситуативным, т.е. меняющимся в зависимости от обстоятельств [13].

Растровая графика хранится во множестве различных форматов. Некоторые из них сохраняют изображение как необработанные данные, другие используют методы сжатия для уменьшения объема информации. Для мультимедиа, презентаций, видео и обработки изображений используются следующие форматы растровых графических файлов [4]:

? Windiws BitMap (BMP) (.bmp) – формат файлов растровых рисунков Microsoft для обмена данными между приложениями Windows, 256 цветов, 16 и 24 бита, размер рисунка неограничен, поддерживает сжатие без потерь RLE;

? Adobe Photoshop (.psd) – формат файлов растровых рисунков для программы Adobe Photoshop, размер рисунка до 30000?30000 пикселов, поддерживает сжатие без потерь RLE;

? Graphics Interchange Format (GIF) (.gif) – формат файлов растровых рисунков для обмена графическими данными, 256 цветов, размер до 64000?64000 пикселов, поддерживает сжатие без потерь LZW (до 40%) и приемлемое быстродействие при просмотре сжатых файлов. Позволяет сохранять несколько рисунков в одном файле и поддерживает использование прозрачности (transparency). Поддерживает встроенные анимации;

? Joint Photographic Experts Group (JPEG) (.jpg, .jpeg) – формат файлов растровых рисунков, 24 бита, размер до 64000?64000 пикселов, поддерживает сжатие (в 20-30 раз) с потерями JPEG (можно выбирать степень сжатия в зависимости от требований к качеству), имеет низкую скорость просмотра;

? Fractal Image Format (FIF) (.fif) – формат файлов растровых рисунков, 24 бита, не зависит от разрешающей способности, поддерживает фрактальное сжатие изображения с потерей качества, основанное на представлении внешне случайных форм с помощью организованных структур из меняющихся узоров (фракталов). Разбив сложную структуру на набор фракталов, можно существенно уменьшить объем информации об изображении. Формат очень медленный при сжатии (когда даже может корректироваться качество), но приемлемый при просмотре сжатых изображений, разрешающая способность может быть любой и даже выше, чем в оригинале (масштабирование без искажений);

? Wavelet Image Files (WIF) (.wif) – формат файлов растровых рисунков, основанный на оригинальной технологии волнового преобразования (wavelet), сокращающей размер графического образа в 30-50 раз и в отличие от JPEG не искажающей сжимаемого изображения;

? Portable Network Graphics (PNG) (.png) – формат файлов растровых рисунков, разработанный для обмена графическими данными; 256 цветов, 24 бита, поддерживает сжатие LZW. Позволяет создавать изображения с прозрачным фоном;

? TARGA (.tga) – формат файлов растровых рисунков для профессиональных графических и видео приложений, 256 цветов, 16, 24 и 32 бита (с альфа-каналом), размер неограничен, поддерживает сжатие без потерь RLE. Используется также для покадрового редактирования видеоизображений.

Итак, при использовании растровой графики с 256 цветами лучшим выбором будет формат GIF или PNG. В этом случае не следует использовать JPEG и другие 24-битные форматы. Для 16- или 24-цветных ММ проектов предпочтителен PNG, хотя формат JPEG позволяет достичь большей степени сжатия, но потеря качества делает невозможным его применение для растровых изображений с прозрачными областями [4].

Форматы векторной графики в большей степени связаны с конкретными популярными приложениями. Наибольший интерес представляют:

? Windows Meta File (WMF) (.wmf) – формат ОС Windows, служит для передачи векторов через буфер обмена (clipboard). Однако, несмотря на кажущуюся простоту и универсальность, пользоваться форматом WMF стоит только в крайних случаях для передачи «чистых» векторов. WMF искажает цвет, не может сохранять ряд параметров, присвоенных объектам в различных векторных редакторах;

? Encapsulated PostScript (EPS) (.eps) – упрощенный PostScript – используется для передачи векторов и растра в издательские системы, создается почти всеми программами, работающими с графикой. Файл EPS содержит точное описание рисунка на языке PostScript, а также изображение низкого разрешения для предварительного просмотра;

? Adobe Illustrator Document (AI) – формат документа программы Adobe Illustrator. Может содержать в одном файле только одну страницу, имеет относительно малое рабочее поле (по меркам наружной рекламы, где этот параметр важен) – всего 3?3 метра, отличается наибольшей стабильностью и совместимостью с PostScript. AI поддерживают почти все программы, так или иначе связанные с векторной графикой. Он является наилучшим посредником при передаче векторов из одной программы в другую;

? FreeHand Document (FH

) (.fh

) – формат документа программы FreeHand (

– номер версии программы). Поддерживает многостраничность. Некоторые эффекты FreeHand несовместимы с PostScript;

? CorelDRAW Document (CDR) (.cdr) – формат документа программы CorelDRAW. Многие программы (FreeHand, Adobe Illustrator, PageMaker и др.) могут импортировать файлы CDR. В файлах этих версий применяется компрессия для векторов и растра отдельно, могут внедряться шрифты, файлы CDR имеют огромное рабочее поле 45?45 метров, поддерживается многостраничность;

? DWF (.dwf)– формат компании Autodesk, используется в общецелевой САПР AutoCAD;

? SWF (.swf) – формат компании Macromedia, используется в системе Macromedia Flash;

? SPX – был разработан специально для векторной графики, хорошо подходит для Internet;

? Vector Markup Language (VML) (.vml) – новый формат языка векторной разметки VML, который основан на языке XML. Благодаря VML, дизайнеры Web-узлов смогут создавать собственные теги, редактировать, вырезать и вставлять векторные изображения в прикладные программы, изменять масштаб векторных изображений на Web-страницах и загружать графику значительно быстрее, чем изображения в растровом формате;

? Computer Graphics Metafile (CGM) (.cgm) – формат векторной графики, который решено использовать в качестве стандартного типа графических данных (Multipurpose Internet Mail Extension Image Type) для Internet. Формат CGM, широко используемый для хранения и передачи двумерных изображений в автоматизированных системах различного назначения (САПР, системах автоматизированного инжиниринга и других), стал третьим (после GIF и JPEG) стандартным средством кодирования графической информации в Internet. Он впервые предоставил официально санкционированную возможность обмениваться по сети графическими файлами в векторной кодировке.

Звуковые файлы. Как подчеркивают специалисты, звук является наиболее выразительным элементом ММ. Классификация звуковых компонентов приведена на рис.1.3 [13].

Рис. 1.3. Классификация звуковых компонентов

Наиболее часто используются следующие звуковые форматы [4, 14]:

? wave (WAV) (.wav) – наиболее широко распространенный звуковой формат, 16 бит и выше, стерео. В его основе лежит файловый формат обмена ресурсами (Resourse Interchange File Format, RIFF), позволяющий сохранять произвольные данные в структурированном виде. WAV – универсальный контейнерный тип файлов, позволяющий хранить оцифрованные аудиоданные с различными параметрами оцифровки [15];

? WavePack (.wv) – также включает уникальный гибридный режим, который предоставляет все преимущества сжатия без потерь с дополнительным бонусом: вместо создания одного файла в этом режиме создается относительно небольшой файл высокого качества с потерей (.wv), который может проигрываться сам по себе, а также файл коррекции (.wvс), который в комбинации с предыдущим позволяет полностью восстановить оригинал. Для некоторых пользователей это означает, что им никогда не придется выбирать между сжатием без потерь и с потерей качества. Поддерживается многоканальный звук, 32-битное разрешение аудиопотока, частота сэмплирования до 192 кГц;

? цифровой интерфейс музыкальных инструментов (Musical Instrument Digital Interface, MIDI) (.mid, .midi) – определяет обмен данными музыкальными и звуковыми синтезаторами разных производителей. Представляет собой протокол передачи музыкальных нот и мелодий. MIDI-файл представляет собой последовательность 8-битных команд, которыми записаны действия, например, сыграть на таком-то инструменте такую-то ноту в течение стольких-то секунд. Это просто ссылки на ноты, способ записи команд, посылаемых музыкальным инструментам (компьютерные ноты, показывающие, как проигрывать музыку). Когда MIDIсовместимая звуковая карта получает такую ссылку, она ищет необходимый звук в таблице (Wave Table). Файлы MIDI значительно компактнее оцифрованной записи. Существует 3 разновидности стандарта MIDI:

? General MIDI (GM), регламентирующий набор тембров (инструментов) фирмы Roland в музыкальных синтезаторах. Синтезатор должен иметь 128 мелодических тембров с возможностью воспроизведения звуков разной высоты в каналах 1-9 и 11-16, а также 46 ударных инструментов в канале 10. Мелодический набор состоит из 16 групп инструментов (фортепиано, органы, гитары, струнные, духовые, ударные и т.п.) по 8 в каждой группе. За всеми инструментами закреплены номера;

? General Synth (GS) – общий стандарт фирмы Roland. Кроме инструментов General MIDI он включает дополнительные наборы мелодических и ударных инструментов, а также различные эффекты (скрип двери, звук мотора, крики и т.п.);

? Extended General (XG) – новый стандарт фирмы Yamaha, включающий несколько сотен мелодических и ударных инструментов, применяемых в профессиональной музыке, а также более развитые средства управления синтезом. В частности, он обязывает синтезатор иметь по одному резонансному фильтру на канал и 3 независимых вида эффект-обработки, обеспечивает управление в РВ атакой/затуханием звуков, параметрами фильтров, раздельную настройку ударных звуков, подключение множества звуковых эффектов. Его использование позволяет создавать переносимые MIDI-файлы со звучанием, приближенным к профессиональному. Использует 3 типа эффект-обработки: reverb, chorus, variation (последний включает по несколько видов первых двух, также echo, delay, flanger, phaser, rotary speaker, wah-wah, distortion, jverdrive, equalizer и пр.);

? CD (Digital) Audio (CD-DA) (.cda) – формат, в котором аудио треки формата WAV записываются на Audio CD;

? Motion Picture Expert Group (MPEG) Audio Layer 3 (MP3) (.mp3) – самый распространенный формат сжатия музыки, 128-320 Кбит/с;

? MP3Pro – в его основе лежит MP3, используется технология Spectral Band Replication (SBR), за счет чего кодек обеспечивает неплохое качество на низких битрейтах. Но качество кодирования на средних и высоких скоростях передачи данных уступает качеству почти всех других ко-деков. Поэтому он применяется для трансляций в Сети и демонстрации фрагментов новых музыкальных композиций;

? OGG Vorbis (OggVorbis) (.ogg) – свободный формат сжатия звука с потерями, появившийся в 2002 г. Его психоакустическая модель по принципам действия близка к модели MP3 и подобным, но ее математическая обработка и практическая реализация существенно отличаются, обеспечивая лучшую четкость воспроизведения при равной плотности потока. Поддерживает до 255 отдельных каналов с частотой дискретизации до 192 кГц до 32 битов (чего не обеспечивает ни один формат сжатия с потерями); прекрасно подходит для кодирования 6-канального звука DVD-Audio. Формат изначально разрабатывался с возможностью потокового вещания, что дает полезный эффект: в одном файле можно хранить несколько композиций с собственными тегами. При загрузке такого файла в плеер должны отобразиться все композиции, будто их загрузили из нескольких различных файлов. OggVorbis по умолчанию использует переменный битрейт, при этом значения последнего не ограничены какими-то жесткими значениями, и он может варьироваться даже на 1 Кб/c. При максимальных настройках кодирования варьируется в диапазоне 400-700 Кб/c. Частота дискретизации может выбираться в пределах 2-192 кГц;

? продвинутое аудио кодирование (Advanced Audio Coding, AAC) (.aac) – формат аудиофайла с меньшей потерей качества при кодировании. Создавался как преемник MP3 с улучшенным качеством кодирования. Вышел в свет в 1997 г. как MPEG-2, часть 7. Существует и формат AAC, известный как MPEG-4, часть 3;

? WMA (.wma) – формат, разработанный Microsoft для хранения и трансляции аудио, который входит в семейство форматов Windows Media, поддерживает битрейты до 192 Кбит/с. По степени компрессии WMA в два раза превышает МРЗ при том же качестве звучания, особенно на низких битрейтах; по параметрам конкурирует с OggVorbis и AAC;

? WMA Lossless – поддерживает теги, высокие частоты сэмплирования, многоканальный до 7.1 звук, трансляцию аудио через Сеть [14-16];