цифровой формат это что

Цифровое изображение, форматы JPEG и RAW: изучаем основы

Не так давно у нас был урок об устройстве современных фотокамер и их типах. Там мы немного коснулись темы формирования фотографического изображения. Сегодня же нам предстоит разобраться более подробно с тем, что же именно происходит после того, как свет проходит через объектив фотокамеры, как устроена матрица фотоаппарата и что из себя представляет готовая цифровая фотография.

Принцип работы матрицы цифрового фотоаппарата. Что такое разрешение?

Матрица фотоаппарата — это микросхема, на которой смонтированы миллионы светочувствительных датчиков. Каждый датчик регистрирует яркость освещения, попадающего на него. Таким образом из них составляется “мозаика” нашего изображения. Обратите внимание: датчик на матрице регистрирует только яркость падающего на него света, но не может получить никакой информации о цвете. Казалось бы, таким образом можно получить только монохромные, черно-белые изображения. Для получения цветного изображения применяется более сложное решение. Чтобы собрать информацию о цвете, необходимо как минимум три светочувствительных элемента, восприимчивых только к одному из базовых цветов спектра. Поэтому каждый элемент оснащается цветным светофильтром, который пропускает лучи только одного цвета, а остальные отсекает.

Сегодня в матрицах цветное изображение строится из трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Поэтому матрица аппарата представляет собой решетку, состоящую из “зеленых”, “красных” и “синих” датчиков. При этом разноцветные датчики на матрице могут располагаться по-разному. Например, самое широкое распространение имеет так называемый фильтр Байера, названный по фамилии его изобретателя.

Фильтр Байера или “Байеровская матрица”

Можно заметить, что зеленых элементов на нем присутствует вдвое больше, чем красных или синих. Это сделано для того, чтобы компенсировать высокую чувствительность к зеленому цвету человеческого глаза и давать цифровые изображения с привычными человеку цветами.

Матрица фотоаппарата Nikon D610

В итоге, имея данные о яркости и о цвете с каждого датчика, можно составить общее цветное изображение. Для этого в камере установлен процессор. Он анализирует поступающие с матрицы данные и составляет из них готовое изображение. Помимо этого, процессор отвечает за внесение в исходное изображение корректировок, установленных фотографом, как то выбранный им баланс белого, всевозможные эффекты обработки. Процессор отвечает и за создание конечного файла с фотографией.

Процессор фотокамеры Nikon D810 получает информацию с более чем 36 миллионов светочувствительных датчиков матрицы данного фотоаппарата, практически мгновенно выдавая результат в виде готового файла с изображением.

Мы выяснили, что и матрица фотокамеры, и цифровое изображение, получаемое с нее представляет из себя мозаику, состоящую из мельчайших точек, пикселей. Естественно, чем большее количество точек будет содержать изображение, тем детализированнее, качественнее оно получится. Сколько пикселей содержит изображение, полученное с фотоаппарата? Эта характеристика, называется разрешением. Одна и та же величина — разрешение, может выражаться несколькими способами. В случае с разрешением матрицы фотоаппарата просто измеряют число расположенных на ней пикселей. Поскольку счет пикселей, размещенных на матрице, идет на миллионы, их в этих самых миллионах и измеряют. Один миллион пикселей называется мегапикселем. В случае с разрешением готовой фотографии чаще используют другой метод. Разрешение цифровой фотографии может характеризоваться количеством точек, по горизонтали и вертикали изображения.

Из всей этой информации важно запомнить основное:

Сегодня наиболее распространены матрицы, сделанные по технологиям ПЗС (ССD) и КМОП (CMOS). Не погружаясь в теоретические дебри, стоит отметить лишь то, что КМОП — более перспективная технология, так как позволяет добиться большей светочувствительности, снизить цифровой шум, уменьшить энергопотребление. Практически все современные фотоаппараты сегодня имеют именно КМОП-матрицы.

Цифровой шум

Что такое цифровой шум? Наверняка все замечали, что иногда на фотографиях появляются “помехи”, “зерно”, мелкие точки разного цвета. Это и есть цифровой шум. Количество цифрового шума на фото напрямую зависит от характеристик матрицы фотоаппарата, от условий и параметров съемки.

Изображение с цифровым шумом.

Изображение без цифрового шума.

Цифровой шум больше всего проявляется при съемке на высоких значениях светочувствительности или при недостаточном освещении. Порой мелкие по размеру не слишком качественные матрицы (чаще всего матрицы в смартфонах) просто не могут дать изображение без шума. Также цифровой шум может появиться при обработке изображений.

RAW и JPEG

Экран выбора формата записи в меню фотоаппарата Nikon D5300.

Разберемся, как получаются файлы RAW и JPEG.

В случае с фотокамерами Nikon, при обработке будущего JPEG-файла процессор может расширить динамический диапазон фотографии при помощи функции D-Lightning — это поможет сохранить на фото детали в темных и в светлых участках при съемке контрастных сцен: пейзажей, портретов в контровом свете. То же самое можно сделать и при обработке RAW, однако это потребует специальных навыков, программ и времени.

Английское слово “raw” переводится на русский язык как “сырой”, “необработанный”. Так оно и есть. При съемке в RAW cигнал, поступающий с матрицы фотоаппарата, преобразуется процессором в файл, пригодный для записи на карту памяти без каких-то коррекций самого изображения. В файл записывается вся информация, полученная с матрицы. Файлы RAW в фотокамерах разных производителей могут иметь различные расширения: NEF, CR2, ARW. Однако для фотографа сути это не меняет. Для того, чтобы из “сырого” файла в формате RAW получить готовое изображение, его придется конвертировать на компьютере при помощи специальных программ — RAW-конвертеров. В RAW-конвертере фотограф может настроить и баланс белого, и поправить экспозицию файла, и внести многие другие коррекции.

Среди известных RAW-конвертеров можно выделить программы Adobe Lightroom, Adobe Camera RAW, Capture One. Все производители выпускают специальные RAW-конвертеры для своих фотокамер. Например, Nikon выпускает целых два конвертера. Nikon Capture NX рассчитан на продвинутую, профессиональную работу, тогда как бесплатный Nikon View NX подойдет начинающим фотолюбителям. Основное достоинство формата RAW — невероятная гибкость обработки. Ведь при обработке доступна абсолютно вся информация, полученная при съемке.

Сравнение RAW и JPEG. Качество снимков

Изучим, какое качество изображения можно получить при использовании JPEG и RAW. Для начала, просто оценим качество снимков, полученных напрямую с камеры.

Фрагмент кадра, сделанный в JPEG с максимальным качеством.

Прямая конвертация (без обработки) снимка из RAW с помощью конвертера Nikon View NX.

Видно, что файл JPEG выглядит даже чуть более резким. Спасибо алгоритмам обработки и сохранения, встроенным в камеру. А вот чтобы добиться той же резкости от снимка RAW, придется прибегнуть к обработке.

Посмотрим теперь возможности обработки снимков. Оценим возможность коррекции экспозиции кадров, сделанных в JPEG или RAW.

Классическая ситуация: снимок оказался слишком темным. Попробуем осветлить кадры формата JPEG и RAW.

Это фрагмент, “вытянутый” из RAW. Кадр удалось сделать светлее. Однако можно заметить, что из-за сильного повышения яркости, появилось небольшое количество цифрового шума.

А вот файл JPEG, подвергшийся тем же манипуляциям. Качество снимка очень сильно ухудшилось. Появилось огромное количество цифрового шума, нарушилась цветопередача.

Не для кого не секрет, что при съемке на высоких значениях светочувствительности, на фотографиях появляется цифровой шум. Во всех современных фотокамерах существует опция внутрикамерного шумоподавления. Процессор обрабатывает полученный снимок таким образом, чтобы снизить количество цифрового шума на снимке. Как правило, системы шумоподавления в камере работают лучше, чем шумоподавление в RAW-конвертерах. Ведь они “заточены” под конкретный фотоаппарат со своими особенностями. Шумоподавление в камере может применяться только к файлам JPEG.

Фрагмент фотографии, снятой в JPEG при ISO3200. Опция шумоподавления при высоких ISO установлена в положение “нормально”. Можно заметить, что шумов не так уж много (особенно для столь высокого ISO!), однако и резкость изображения снизилась. Любое шумоподавление несколько снижает детализацию картинки.

Фрагмент, сконвертированный из RAW без применения какого-либо шумоподавления.
Цифровой шум вполне заметен.

Во многих RAW-конвертерах присутствуют опции шумоподавления, однако их эффективность зависит от конкретной программы и от выбранных пользователем настроек.

И еще одна классическая ситуация: ошибка с балансом белого. Попробуем ее исправить при работе с JPEG и RAW.

Изменение баланса белого при обработке RAW прошло без каких-либо потерь в качестве снимка.

Попытка изменить баланс белого в JPEG закончилась провалом. Цветопередача далека от идеала, детали в светлых участках исчезли.

Когда использовать формат RAW?

Прежде всего тогда, когда вы хотите получить фотографии высокого качества, к тому же максимального гибкие в обработке. Еще вам понадобится при этом время и возможность после съемки файлы конвертировать, обрабатывать. Чаще всего RAW используется при профессиональной съемке: портретной, пейзажной, студийной.

Плюсы формата RAW:

Минусы формата RAW:

Когда использовать формат JPEG?

Разумеется, больше всего данный формат популярен среди фотолюбителей. Не каждый хочет изучать компьютерную обработку, иметь дело с довольно сложными программами — RAW-конвертерами. Файлы JPEG сразу после съемки можно открыть на любом электронном устройстве, послать по почте, выложить в интернет. Сегодня даже компьютер для этого не нужен, достаточно смартфона или планшета.

Однако, профессионалы тоже иногда используют JPEG. Их привлекает скорость работы, ведь время — деньги. Не всегда нужно получать изображения высочайшего качества годные к обработке, а важнее именно скорость и удобство работы. При репортажной съемке порой важно опубликовать (или отправить в редакцию, агентство) фотографии прямо сразу же после события: чем быстрее, тем лучше. Тогда на помощь фотографу-репортеру приходит JPEG.

Кстати, при съемке в JPEG доступны многие функции улучшения изображения, имеющиеся в любой современной камере: шумоподавление, улучшение цвета и контраста, функции расширения динамического диапазона и прочее. Можно добиться того, что без всякой компьютерной обработки наше фото будет выглядеть прекрасно. При этом съемка в JPEG накладывает на фотографа повышенную ответственность при: придется следить за всеми параметрами, не уповая на возможности обработки. Ошибки с балансом белого, огрехи с экспозицией после съемки поправить без серьезных потерь качества снимков не получится.

Плюсы формата JPEG:

Минусы формата JPEG:

Формат TIFF

Опция сохранения файла в формате TIFF. Меню фотокамеры Nikon D810

RAW+JPEG

Пока не определились с выбором формата или хочется получить фотографию, записанную и в RAW и в JPEG? Нет ничего проще. Все современные камеры предлагают опцию съемки сразу в двух форматах. Так же это удобно, если хочется сначала быстро просмотреть отснятый материал на каком-нибудь ноутбуке, смартфоне планшете, (ведь JPEG можно открыть на любом устройстве), отобрать понравившиеся кадры, а обрабатывать уже файлы RAW на рабочем компьютере, который сможет работать с ними. Очевидный минус такого варианта лишь один: на карте памяти получится вдвое больше файлов, так что она заполняется гораздо быстрее.

Выбор опции “RAW+JPEG” в меню фотокамеры Nikon D5300. Как видно, можно выбрать какого качества файл JPEG будет сохраняться файл RAW. Это удобно: можно при желании сэкономить место на карте памяти, выбрав опцию “RAW+JPEG низкого качества”. Для просмотра такие фото вполне сгодятся, а RAW позволит иметь копию снимка в максимальном качестве.

Источник

Цифровой звук в современной аппаратуре для домашнего кинотеатра. Форматы, разновидности

Цифровой звук: форматы, аббревиатуры, разновидности

Цифровой звук: форматы, аббревиатуры, разновидности

Чтобы хоть как-то структурировать данные, мы решили привязать форматы цифрового звука к форматам медиаданных, таких как Audio CD, DVD-Video и так далее. Поскольку тема слишком обширна, рассмотрим в этот раз только те звуковые форматы, которые используются в бытовой аппаратуре. Форматы звука компьютерных игр оставим для одной из следующих статей.

Audio CD

Цифровой звук: Audio CD

Цифровой звук: Audio CD

Описание

Обычный музыкальный компакт-диск. В его основе только один алгоритм кодирования: LPCM, Linear Pulse Code Modulation – линейная импульсно-кодовая модуляция. Формат Audio CD предполагает кодирование двухканального (стерео) звука с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядностью 16 бит с битрейтом 1,4 Мбит/с.

Способы вывода в цифровом виде

Через оптический TosLink, электрический Coaxial, HDMI любой версии.

DVD-Video

Цифровой звук: DVD-Video

Цифровой звук: DVD-Video

Описание

В отличие от музыкального компакт-диска формат DVD-Video подразумевает более развитую аудиосоставляющую, включающую не только стерео, но и многоканальный звук. Однако даже стереозвук кодируется в DVD-Video с более высоким качеством, нежели в Audio CD. Для кодировки также может использоваться формат LPCM, однако с частотой дискретизации 48 кГц и разрешением до 24 бит.

Dolby Digital

Основанная Рэем Долби лаборатория Dolby создала Dolby Digital – пожалуй, самый известный многоканальный звуковой формат современности. В его основе лежит алгоритм сжатия, позволяющий «упаковать» многоканальный полнодиапазонный звуковой сигнал с числом каналов до шести (5.1) в поток с битрейтом до 448 кбит/с. Частота дискретизации – 48 кГц. Справедливости ради стоит упомянуть, что сам по себе формат Dolby Digital позволяет кодировать более «толстые» потоки для получения более качественного звучания (например, на Blu-ray стандартный битрейт Dolby Digital составляет 640 кбит/с), однако для DVD-Video было выбрано именно такое ограничение. Позже был внедрён формат Dolby Digital Surround EX, основным отличием которого от базового Dolby Digital является увеличенное до 7 (6.1) число каналов.

Альтернативный алгоритм кодирования многоканального звука от калифорнийской компании Digital Theater System. Благодаря более эффективному механизму «выжимки» и более высокому битрейту звуковые дорожки в формате DTS традиционно считаются более качественными по звуку по сравнению с таковыми в формате Dolby Digital. Именно поэтому музыкальные DVD-Video (концерты, видеоклипы) предпочтительнее приобретать с DTS-дорожкой. Изначально DTS имел битрейт либо 768 кбит/с, либо 1536 кбит/с, число каналов – до шести (5.1), частоту дискретизации 48 кГц. Позже появились более прогрессивные разновидности DTS – DTS ES с большим (до 8) числом каналов и DTS 96/24, в котором каждый звуковой канал имел параметры 96 кГц / 24 бит. До появления новейших цифровых аудиоформатов высокого разрешения DTS 96/24 являлся очень привлекательным форматом для хранения многоканальных музыкальных записей.

Частота дискретизации 48 кГц, число каналов до 8 (7.1), битрейт – 912 кбит/с. Но долго говорить о формате MP2 не имеет смысла, поскольку в наших широтах DVD с такой звуковой дорожкой встретить очень сложно.

Способы вывода в цифровом виде

Все описанные выше форматы можно передавать через оптический TosLink, электрический Coaxial и HDMI любой версии.

Blu-ray Disk (BD) и HD DVD

Цифровой звук: Blu-ray Disk

Описание

Спецификации Blu-ray и HD DVD подразумевают достаточно широкий перечень аудиоформатов. Большинство из описанных ранее в неё входят, правда, отличаются, как правило, несколько более высокими битрейтами – «синие» носители вполне позволяет такое, да и требования к качеству звука со времён появления DVD выросли. Однако помимо видеоряда высокого разрешения Blu-ray и HD DVD предлагают и совершенно новое звуковое сопровождение – тоже высокого разрешения.

Dolby Digital Plus

Эволюционное развитие Dolby Digital. Число каналов доведено до четырнадцати (13.1), хотя фактически пока используются лишь шесть (5.1) или восемь (7.1), битрейт увеличен до 6 Мбит/с (максимум; на практике – до 3 Мбит/с для HD DVD и 1,7 Мбит/с для Blu-ray).

Dolby TrueHD

В настоящее время является флагманом среди форматов многоканального звука лаборатории Dolby. Используется только на Blu-ray и HD DVD. Как и Dolby Digital Plus, этот формат поддерживает до 14 независимых каналов, однако максимальный битрейт 18 Мбит/с и параметры каждого канала (96 кГц / 24 бит) позволяют получить существенно более качественное звуковое сопровождение.

DTS-HD High Resolution

Аналог Dolby Digital Plus, но применяется иной алгоритм кодирования. Параметры каналов – 96 кГц / 24 бит, число каналов – до восьми (7.1). Максимальный битрейт – 3 или 6 Мбит/с. С точки зрения качества звучания более предпочтителен, нежели Dolby Digital Plus. Применяется тоже исключительно на «синих» дисках нового поколения.

DTS-HD Master Audio

Главное отличие от DTS-HD High Resolution – использование алгоритма сжатия без потерь. Можно сказать, что качество звучания саундтреков, кодированных в DTS-HD Master Audio, соответствует качеству звучания DVD-Audio или даже превосходит его. Максимальный битрейт цифрового потока Master Audio составляет 24,5 Мбит/с. Фактический – до 20 Мбит/с для Blu-ray и до 18 Мбит/с для HD DVD при максимальном количестве каналов – 8 (96 кГц / 24 бит каждый).

Способы вывода в цифровом виде

В отличие от привычных Dolby Digital и DTS, новые форматы Dolby TrueHD и DTS-HD могут выводиться в цифровом виде исключительно через HDMI версии 1.3. Разумеется, соответствующим интерфейсом должен обладать и источник (HD-плеер), и приёмник (AV-ресивер нового поколения либо специализированный декодер). Объясняется данное ограничение тем, что только HDMI v1.3 обладает достаточной пропускной способностью (свыше 10 Гбит/с) для передачи видеоряда и звукового сопровождения в цифровом виде без потерь.

Декодирование ядра

При покупке проигрывателя BD или HD DVD со встроенным декодером аудиоформатов высокого разрешения следует уточнить: происходит ли полноценное декодирование или это так называемая core-обработка сигнала. В инструкциях часто этот процесс переводят как «декодирование ядра». Если такое упоминание обнаружится – знайте: при попытке декодировать Dolby TrueHD и DTS-HD декодер плеера воспроизведёт многоканальный звук, но лишь с качеством стандартных Dolby Digital и DTS. То есть декодирует лишь основу цифрового потока, не затронув области, обеспечивающие тот самый звук высокого разрешения. Помните: полноценное декодирование новых форматов под силу лишь очень немногим HD-плеерам последнего поколения. Такие модели в основной своей массе были анонсированы этой осенью и почти все ещё не поступили в продажу (заявленные сроки – с ноября 2007-го по февраль 2008-го). Большинство продающихся проигрывателей Blu-ray и HD DVD способны декодировать многоканальные потоки Dolby TrueHD и DTS-HD лишь в режиме core. А выводить их по HDMI не могут вовсе, поскольку интерфейс HDMI v1.3 начал появляться лишь в самых новых моделях (предыдущие версии HDMI таких операций производить не позволяли).

Источник

Цифровая информация: как много мы ее создаем и где она хранится

Древние люди хранили информацию с помощью наскальных рисунков. Самые старые из них были сделаны 40 000 лет назад. В ходе эволюции и развития человечества, с зарождением первых языков и полноценной письменности, появились и новые варианты хранения информации, в частности фиксация данных на бумаге. Более чем на тысячу лет бумага оставалась главным накопителем информации.

Но за последние 150 лет ситуация кардинально изменилась. Человечество прогрессировало в эти годы куда стремительнее, чем раньше, и одним из важнейших изобретений в новейшей истории стала цифровая электроника.

С момента создания транзисторов в 1947 году и первого интегрированного микрочипа в 1956 жизнь людей принципиально поменялась. Человечество достигло невероятных результатов в плане развития компьютерных технологий, беспроводной связи, интернета, искусственного интеллекта, а вместе с тем медицины, генетики и космической отрасли.

Что не менее важно, цифровой прогресс повлек за собой изобретение новых видов накопителей данных, в частности компьютерных жестких дисков. Это изобретение значительно повлияло на подход людей к хранению и обработке информации. Переходным моментом стал 1996 год, когда цифровые носители стали дешевле в использовании, чем бумага.

Для хранения информации используются разные технологии. Самые распространенные: магнитные жесткие диски (HDD), оптические диски (CD, DVD, Blu-Ray) и полупроводниковые накопители (SSD, флеш-карты). Каждый вид по-своему важен и лучше остальных подходит для решения конкретных задач.

Полупроводниковые носители чаще используются в портативной электронике, на оптических дисках хранят медиаконтент (игры, музыку, кино), а магнитные накопители задействуют, когда нужно где-то содержать большой объем данных (на ПК и серверах в дата-центрах).

Все цифровые хранилища данных работают по одному принципу: информация хранится на дисках в виде единиц и нулей, также известных как «биты» (по 8 битов от байта). Диск поделен на определенное количество областей, каждой из которых присваивается логический нуль или единица. На текущий момент площадь области, которую занимает бит данных, составляет 30 нанометров. Поэтому современные накопители так сложны в разработке – приходится взаимодействовать с материалами, используемыми при создании накопителей, на атомном уровне.

Информации становится больше

Цифровые хранилища данных стали важной составляющей жизни человека и теперь буквально окружают нас со всех сторон. Увеличение количества производимой информации уже невозможно остановить. Каждый день население Земли генерирует 500 миллионов твитов, 294 миллиона электронных писем, 4 миллиона гигабайт данных в Facebook, 65 миллионов сообщений в WhatsApp и 720 000 часов нового контента в YouTube.

В 2018 году общее количество информации в сети составило 33 зеттабайта, то есть 33 триллиона гигабайт. Это количество выросло до 59 зеттабайт в 2020 году. Специалисты предсказывают рост до не укладывающихся в голове 175 зеттабайт уже к 2025 году. Один зеттабайт равен 8 000 000 000 000 000 000 000 бит.

Чтобы проще было визуализировать столь огромный объем данных, можно представить монетки номиналом в один фунт (по толщине они около 2.8 миллиметра). Один зеттабайт, «конвертированный» в фунтовые монетки, может превратиться в башню, которая бы 600 раз достала до звездной системы Альфа Центавра.

Где это все хранится?

Большая часть цифровой информации хранится в трех разных местах. Первое – все гаджеты и компьютеры на планете. Второе – крупные инфраструктуры (банки, государственные хранилища данных). Третье – дата-центры хостинг-провайдеров (AWS, Microsoft Azure, Timeweb и т.п.).

В мире существует как минимум 600 огромных дата-центров, каждый из которых насчитывает более 5000 серверов. 39% из них расположены в США, еще 30% в Китае, Японии, Великобритании, Германии и Австралии.

Самые крупные дата-центры находятся в Китае и США. Самый большой – China Telecom в Хух-Хото, его площадь составляет 994062 квадратных метров. На втором месте – The Citadel в Неваде, его площадь составляет 668901 квадратных метров, а энергопотребление – 815 мегаватт.

Каждый год люди строят десятки новых дата-центров, чтобы где-то хранить постоянно увеличивающийся объем информации. Если брать в расчет нынешние темпы, то через 150 лет количество бит на различных накопителях может превысить количество атомов на планете Земля. А через 110 лет на содержание дата-центров будет уходить столько же электроэнергии, сколько сейчас уходит на содержание всего человечества.

Автор оригинальной статьи: Мелвин Вопсон

Источник