intro diseño grafico

8/14/2019 intro diseo grafico

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INFORMTICA

GR

FICA.

Inestal Garca, Alejandro

igo Hernndez, Ignacio


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NDICE.-

Captulo 1 .- Introduccin.-

BIBLIOGRAFA.-

Hearn, Baker.- Grficas por Computador. Prentice Hall, 97

Angel, E.- Interactive Computer Graphics.- Addison, 2000

Salmon, Slater.- Computer Graphics: Systems and Concepts. Addison Wesley, 87

Foley, Van Dam.- Introduction to Computer Graphics. Addison Wesley, 94

Watt.- Three Dimensional Computer Graphics. Addison Wesley, 90

Brown, Shepherd.- Graphics File Formats.- Manning, 95

Wikipedia en espaol e ingls.


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CAPITULO 1.-

INTRODUCCI

N.-

Desde la aparicin de los primeros dispositivos

experimentales en el MIT en el ao 63 hasta la actualidad, hay un largo camino

sembrado de rotundos xitos y sonados fracasos, y un conjunto de avances cientficos y

tecnolgicos que, como es habitual en la Informtica, estn siempre fuertemente

polarizados por la industria. Quizs es la informtica grfica una de las ramas de la

ciencia en la que los aspectos cientficos, los tecnolgicos y los meramente comerciales

estn ms mezclados, lo cual produce que no exista una identidad clara del motor del

desarrollo: los centros de investigacin, las empresas de fabricacin de hardware, las de

software, los usuarios que demandan aplicaciones, etc. En estos pocos aos, ha habidouna serie de estndares grficos que han ido naciendo y muriendo a medida que eran

sustituidos por otros, pretendidamente mejores o fuertemente apoyados por algn

nombre importante.: GKS, PHIGS, PHIGS+, OpenGL, ... son algunos de los estndares

que han ido apareciendo. Son tantas las aplicaciones y tanta la demanda de interfaces

grficas que la velocidad de cambio es superior a la que las organizaciones de normas

(ISO, ANSI) pueden asumir. El resultado es que algunos fabricantes intentan imponer

un estndar de facto , en la esperanza de que se convierta en el estndar de iure. Y

en esas estamos.

1.1.- Un poco de historia.-

Siempre es conveniente situar las cosas en su contexto y ms en disciplinas que

estn en formacin, como esta que nos ocupa. Y para ello nada mejor que hacer un

breve repaso histrico, porque las cosas son como son debido a la evolucin que han

ido teniendo.

La historia arranca en el MIT, Boston, en 1963 cuando un estudiante de

doctorado, Ivan Sutherland, disea para su tesis un dispositivo para hacer

representaciones grficas de los resultados numricos de su trabajo y tener ciertacapacidad de interaccin: lo llam el SketchPad y construy un primer prototipo.

Posteriormente, Sutherland fund su propia compaa especializada en la fabricacin de

dispositivos de salida grfica. En el ao 65, Tektronix, una empresa fabricante de

instrumentacin electrnica de gran calidad, lanza al mercado la primera pantalla

grfica basada en tecnologa de tubo de almacenamiento (volveremos luego sobre ello).


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El precio: 15.000 US$ de la poca.. Unos aos despus, se aplic la misma tecnologa

de los televisores a las pantallas grficas y as, en el 72, salieron las primeras pantallas

basadas en tubos de rastreo, mucho ms baratas que las anteriores ya que compartan

parte de los componentes de la electrnica de consumo y que han logrado, en la

actualidad, desplazar casi totalmente a los tubos de almacenamiento. Aparecen tambinlos primeros trazadores mecnicos (plotters), voluminosos, lentos y caros pero que

tuvieron su mercado en aplicaciones dediseo: arquitectos, diseadores industriales,

etc. En el 89 aparecen los trazadores electroestticos, que tuvieron una vida no

demasiado feliz. La aparicin, en el 90, de la impresoras laser monocromas y un par de

aos despus de las de color ha relegado a los trazadores mecnicos a las gamas altas

(tamaos A2, A1 y A0).

La interfaz entre un programa de aplicacin y un sistema grfico se puede

especificar mediante un conjunto de funciones que residen en una biblioteca grfica

(graphics library) . Estas especificaciones constituyen una API (Application

Programming Interface). Desde el punto de vista del software, los primeros intentos denormalizacin (con el objetivo final de la portabilidad, no siempre compartido por

todos) aparecen el ao 74. Todos ellos se plantearon en forma de APIS. El primer

estndar de derecho no aparece hasta despus de pasados 10 aos: el Graphical Kernel

System (GKS), adoptado por la ISO y por la ANSI en el 85. GKS es una norma de

grficos en 2 dimensiones que tuvo bastante aceptacin pero que pronto se qued corta.

En el 88 sale la versin en 3 dimensiones, GKS3D. Pero por entonces el mercado de la

Informtica grfica empezaba a ser importante y las intromisiones de las empresas cada

vez ms frecuentes. El estndar GKS3D tuvo muy poco xito (quiz porque GKS era

una norma desarrollada, fundamentalmente, en Europa) y, en su lugar, apareci

elProgramming Hierarchical Interactive Graphics Standard, PHIGS, apoyado por la

poderosa industria norteamericana. Pronto se qued corto tambin y en el 92 apareci

el PHIGS+ que aada algunas funciones de sombreado 3D que no soportaba PHIGS.

OpenGL surgi como una API sucesora de la llamada GL (Graphics Language),

de Silicon Graphics (SGI), desarrollada para las estaciones IRIS. Las IRIS

suministraban hardware especializado para visualizacin grfica, soporte de

transformaciones matriciales, buffer de profundidad, etc. Una versin ms transportable

de GL constituy la versin 1 de OpenGL, presentada en Julio del 92, juntamente con

algunas secuencias de pelculas hechas con la nueva API : Terminator, El Juicio Final,

etc. El desarrollo de OpenGl es controlado por la OpenGL - ARB (Architecture Review

Board), cuyos miembros fundadores son SGI, DEC, IBM, Intel y Microsoft. Se renendos veces al ao.

En Diciembre de 1995 aparece la versin 1.1. de Open GL. Fu incluida como

parte del sistema operativo NT 3.5, y se le aadieron algunas DLL para hacerlo

compatible con W95. OpenGL no incluye funciones para la gestin de ventanas,

interactividad con el usuario ni manejo de ficheros. Para ello, se apoya en las funciones

del entorno de desarrollo y ejecucin.


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Actualmente, los entornos soportados por Open GL son NT 4, W95, W98,

UNIX con X Windows, OS/2, Mac. La versin (gratis) para LINUX se llama MESA

En 1995 Mocosoft lanza Direct3D como competidor de OpenGl. Posteriormente, en 2006 se

publica OpenGL2.1, aportando nuevas caractersticas al estndar.

1.2.- Aplicaciones.

Son muchos los campos en los que la informtica grfica est teniendo

aplicacin. Podemos destacar:

Dibujo : diseo asistido (CAD), fabricacin asistida (CAM), etc.

Infografa: creacin de efectos artsticos para publicidad, cabeceras en

televisin, etc.

Simuladores de vuelo, de locomotoras, de carros de combate, automviles,

procesos, etc.

Enseanza asistida (CAI).

Visualizacin de datos en meteorologa, econometra, fsica, qumica y biologa

moleculares, etc.

Aplicaciones de Control, comando y comunicaciones (CCC).

Medicina : ECG, EEG, TAC, RMN, etc.

Todas estas aplicaciones pueden clasificarse en cuatro grandes reas:

Representacin de informacin, en campos en que se generan enormes

volmenes de datos cuya interpretacin sera imposible sin la ayuda informtica.

Tal es el caso, por ejemplo, de los mapas, imgenes mdicas, imgenes

ultrasnicas, etc. Hay que hacer notar que, en algunos casos, este tipo de

aplicacin requiere de enormes potencias de clculo. Algunos fabricantes han

construido estaciones de trabajo diseadas especialmente para este fin (SGI, IBM,

...)

Diseo: fundamentalmente para CAD, tanto en su vertiente mecnica, como de

arquitectura.

Simulacin: de vehculos, aeronaves. Aqupodemos incluir un captulo de

enorme impacto ecenmico, aunque a menudo muy despreciado en los ambientes

acadmicos: los juegos.

Interfaces de usuario: X


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1.3.- El proceso de produccin de imgenes.

La informtica grfica podemos clasificarla como ciencia experimental y, por lo

tanto, el proceso en que se basa tiene se puede categorizar como un proceso gen rico de

abstraccin. En definitiva, al generar una imagen sinttica con el ordenador, nos

estamos basando en una representacin del mundo real (modelo), a partir de la cualestablecemos un mecanismo de abstraccin que, normalmente, se plasma en una

extraccin de caractersticas de dos tipos:

Primitivas de generacin : lneas, marcas, texto, etc.

Atributos de estas primitivas: ancho de lnea, tipo de marcas, etc.


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Modelo Abstraccin Imagen

1.4.- El ojo humano.-

Sea cual sea la imagen, el hardware, el API, ... al final el usuario percibe el resultado a

travs de sus sensores pticos: los ojos. Se considera que este es el elemento sensor msimportante. Tiene una estructura que se muestra en la figura 1.2:

Figura 1.2.- El ojo humano.

El ojo puede considerarse, en primera aproximacin, como una esfera rellena de un gel

transparente (humor vtreo), un sistema de enfoque y diafragma (crnea, iris, critalino)

que proyectan la imagen exterior sobre la parte sensible, llamada retina. La retina consta

de 10 capas de clulas:

Capa depigmentacin (la ms externa).

Capa sensible, con dos tipos de clulas : conos (unos 6 millones) y bastoncillos

(unos 120 millones).

Ocho capas de neuronas que efect

an alg

n tipo de procesamiento sobre lasseales de los conos y bastoncillos y envan la informacin al cerebro a travs

del nervio ptico.

El ojo humano es pues unrgano sensible a la luz. La luz visible es solamente una

pequea parte del espectro electromagntico, la comprendida en el rango de longitudes

de onda de 350 a 780 nm.


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Figura 1.3.- El espectro visible.

Como a toda radiacin electromagntica, a la luz se le pueden aplicar una serie de

conceptos provenientes de la ptica:

Brillo : Es una medida de la respuesta del sistema ojo/cerebro a la energa

luminosa. Dada la adaptabilidad del ojo, resulta difcil estimar niveles absolutos

de brillo.

Potencia: Energa/tiempo de la fuente de luz.

Color: Propiedad de la imagen, asociada a la frecuencia de la radiacin

luminosa. Existen 3 grupos de conos sensibles a tres frecuencias luminosas, que

coinciden aproximadamente, con el Rojo (580 A), Verde (550 A) y Azul (450

A). ( teora triestmulo) El sistema ojo/cerebro registra la respuesta de cada

cono y calcula el color resultante.

Un fenmeno que resulta difcil de explicar con mtodos puramente fsicos es de la

Constancia del color. Cualquiera de nosotros percibe los colores de forma,

aparentemente, constante a pesar de que las condiciones de iluminacin puedan variar

en un amplio rango. No hay ms que ver las diferencias entre fotografas de un mismo

objeto tomadas en diferentes horas del da y que la mayora de nosotros no percibimosporque nuestro cerebro las corrige y compensa.

De las clulas sensibles de la retina, los conos perciben el color, mientras que los

bastoncillos perciben el brillo. Entre los conos existentes (unos 6 millones) la mayor a

son sensible a colores prximos al verde, y el resto lo son al rojo y al azul. Esto es la

llamada teora tri-estmulo y explica, razonablemente bien, la percepcin de los colores

por los humanos.


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.

1.5.- Modelos de color.

Un modelo de color es un intento de explicar las propiedades, o el comportamiento de

los colores mediante un conjunto de parmetros. Dado que en la percepcin del color

existe una fuerte componente subjetiva, ha habido intentos desde hace muchos aos, de

establecer esta normalizacin. Ya los cartgrafos que acompaaron al capitn

Malaspina, en la expedicin espaola a las islas Galpagos en el siglo XVIII

establecieron una tabla de colores normalizados para la confeccin de mapas. Pero

fue la aparicin de la fotografa en color, en los aos 1920-30 lo que empuj

definitivamente el intento, crendose la Comisin Internationale pour lEclairage(CIE) que, en 1931, estableci el primer modelo de color. Este modelo define tres

colores primarios ficticios, (X, Y, Z) a partir de los cuales, por adicin, se obtiene

cualquier otro color.

Dado un color, sean a,b y c sus componentes con relacin a los primarios. Si se

normalizan, se obtienen las cromaticidades:

x = a/(a + b +c)

y = b/(a+b+c)

z=c/(a+b+c)

Como x+y+z = 1, se puede establecer un diagrama bidimensional sobre el cual se

rotulan las longitudes de onda : es el diagrama de cromaticidad CIE. Para un color

cualquiera, se definen sobre el diagrama la pureza, frecuencia dominante, color

complementario, etc


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Figura 1.5.- El modelo de cromaticidad CIE.

Dados tres colores cualesquiera sobre el diagrama CIE, definen un tringulo. Los

colores que se pueden obtener por combinacin de esos tres (gama de colores) son los

incluidos dentro del rea del tringulo.

Sin embargo, en Informtica Grfica el modelo CIE no se emplea: no es adecuado al

hardware disponible, es demasiado complicado, etc. En su lugar se emplean modelo

ms sencillos que se derivan, en su mayora, del desarrollo de la televisin en color, en

los aos 1940:


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Modelo RGB: es un modelo aditivo : los colores se forman por la adicin de

cantidades variables,[0,1] de los tres colores primarios Rojo, Verde, Azul. Es

el modelo empleado en la mayora de los estndares grficos : GKS, PHIGS.

OpenGL

Modelo CMY: es un modelo sustractivo, complementario del RGB. Empleado

en los dispositivos de copia sobre papel, en que el color se forma por reflexin

de la luz sobre una superficie pasiva (sustraccin de componentes).

Modelo YIQ: empleado en la transmisin de seal de TV

Y = 0.3 R + 0.59 G + 0.11 B

X = B - Y ; Z = R - Y PAL (Sistema europeo)

I = f(X,Z) ; Q = g(X,Z) NTSC (Sistema estadounidense).

Dos colores que se perciban iguales, aunque correspondan a parmetros diferentes, se

llaman parejas metam

ricas.

Los tres anteriores son modelo hardware en el sentido de que permiten reproducir

colores, pero no describen bien la percepcin del color. El modelo HSV (Hue SaturationValue) (hue=matiz), debido a Smith (1978) es subjetivo.Se basa en un hexgono de

color en cuyo centro se sita el blanco:


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Figura 1.6.- Hexgono de colores HSV

Cualquier color definido sobre este hexgono puede parametrizarse por dos nmeros:

El tercer parmetro, la sombra (value) vara entre 0 (negro) y 1 (color puro). Si este

tercer parmetro lo aadimos al hexgono de color, tenemos una pirmide de color.

Sobre el lado de esta pirmide los valores de la sombra varan entre 0 (vrtice) y 1

(tringulo de color) :


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Figura 1.8.- Pirmide de color.

Aparentemente, el ojo humano puede distinguir:

Unos 128 matices (H)

Unos 130 Tintes (S)Entre 16 y 23 sombras (V)

Es decir, unos 380.000 colores distintos.

Figura 1.9.- Taxonoma del modelo HSV.


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1.6.- Sistemas grficos.-

Un sistema grfico convencional responde al siguiente esquema:

Figura 1.10.- Esquema de un sistema grfico.

Se distinguen claramente tres partes: entrada, proceso grfico y salida. Para cada una de

estas partes, existen dispositivos especficos y que estn continuamente apareciendo:

ratones, joysticks, tabletas, muestreadores, procesadores grficos, etc. Tal vez donde

ms se est dando la batalla es en los dispositivos de salida. Podemos distinguir los

siguientes:

a.- Sobre pantalla (displays):

Emisores:

CRT, Panel de plasma. LEDs

No emisores:

Cristal lquido

b.- Sobre papel (hardcopy):

Trazadores (plotters)

Impresoras:

De impacto

De chorro de tinta o inyeccin de cera

Laser

Sistemas fotogrficos


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1.6.1.- Tubos de rayos catdicos.-

De los dispositivos de salida es el tubo de rayos catdicos (CRT) el que, por ahora,

ocupa el lugar preferente, fundamentalmente porque comparte la tecnologa bsica con

los tubos de los televisores y, por lo tanto, se benefician de la economa de escala de lasgrandes series de produccin.

Figura 1.11.- Tubo de rayos catdicos (CRT)

El principio bsico es un tubo de vidrio, en cuyo interior est hecho el vaco y que, en

un extremo, tiene un ctodo que, al calentarse, emite un chorro de electrones que puede

ser controlado y enfocado por una serie de bobinas situadas en el cuello del tubo. En el

otro extremo del tubo, que es ms ancho (la pantalla) el vidrio est recubierto

interiormente por una o varias capas de fsforo que, al ser impactado por el chorro de

electrones, emite luz de un color que depende del tipo de fsforo. La posicin del punto

de emisin y la intensidad de la luz emitida son gobernados por las bobinas

mencionadas antes.

Sobre estas bases tecnolgicas, se pueden definir los siguientes conceptos:

Fluorescencia del fsforo: Es la luz emitida por los tomos al ser excitados por

el haz de electrones.

Fosforescencia: Es la luz emitida por los tomos una vez que dejan de ser

excitados por el haz.

Persistencia: Es el tiempo desde que se deja de emitir el haz hasta que la

fosforescencia decae al 10% de su valor inicial. En la prctica, entre 10 y 60

microsegundos.


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Tasa de refresco de la pantalla: Es el nmero de veces por segundo que se

redibuja Se mide (incorrectamente) en Hz. Por encima de 50. Tasas inferiores a

30 producen sensacin de parpadeo.---> Frecuencia crtica de fusin. Las

tecnologas actuales permiten tasas de refresco superiores a 100.

Frecuencia de barrido horizontal: Es el nmero de lneas /sg que se trazan enpantalla.

Ancho de banda: Es la frecuencia de conmutacin del can de electrones. Es el

inverso del tiempo de dibujo de 1 pixel.

Ejemplo: monitor de 1000 filasx1000 columnas a 60 Hz

Ancho de banda terico = 60 MHz

Los anchos de banda actuales estn en el rango de 50 a 150 MHz. En la prctica,

hay que aadir los tiempos de retrazo vertical y horizontal, y el efecto de que los

pixels no son puntos. La tcnica de entrelazado permite disminuir estos

valores.

El color en los CRTs se puede generar porpenetracin o por mscara. En el mtodo de

penetracin, existen varias capas de fsforo de distintos colores superpuestas. La

intensidad del haz de electrones determina el nmero de capas excitadas y, por tanto, el

color final:

Figura 1.12.- Color por penetracin en un CRT.


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En el mtodo por mscara, el interior del tubo est recubierto por puntos de fsforos

rojos, verdes y azules, formando pixels de tamao suficientemente pequeo como

para que el ojo los perciba como un nico punto cuyo color es la mezcla aditiva de los

tres.

El haz de electrones, en este caso, es triple. Cada uno es generado por un can

independiente. Concntrica a la superficie del tubo, por su interior, se dispone una

mscara, consistente en una placa de metal perforada de forma que cada punto de

cada color es excitado, solamente, por su correspondiente can de electrones. En la

tecnologa ms empleada, los tres caones de electrones estn en lnea (Precision in

Line, PIL) y es la misma que se utiliza en los televisores de color.

A pesar de que, como se dijo, los CRTs son los dispositivos de salida grfica ms

extendidos, no podemos olvidar que se trata de una tecnologa muy antigua y, sobre

todo, consumidora de energa: si no se calienta el ctodo no hay emisin de electrones

y, por consiguiente, no hay imagen. Es habitual que en un computador personalconsuma ms energa el monitor que el resto del equipo (excepcin hecha de la

impresora).

1.6.2.- Pantallas de cristal lquido (LCD)

El cristal lquido es un material formado por molculas cristalinas de gran longitud,

dispuestas en espiral, de forma que al ser atravesadas por luz polarizada desvan el

plano de polarizacin 90. Si se somete a los cristales a un campo elctrico, se alinean

en la misma direccin y pierden su efecto polarizador.

Las pantallas de cristal lquido constan de 5 capas:Vidrio polarizador vertical.

Rejillas verticales

Cristales lquidos

Rejillas horizontales

Vidrio polarizador horizontal

Se suele aadir una capa emisora de luz, o reflectante de la luz ambiental. En ausencia

de tensin, la capa de cristales lquidos desva el plano de polarizacin 90 y, por lo

tanto, la luz de la capa emisora, o reflectante, pasa y el punto se ve. Al aplicar tensin

a ese punto, a travs de las rejillas horizontales y verticales, no se desva el plano de

polarizacin y el punto no se ve.

Los paneles LCD de matriz activa de puntos tienen un transistor en cada punto (x,y),

para aumentar la velocidad de conmutacin y poder obtener estados intermedios. Los

cristales pueden colorearse para obtener pantallas LCD de color. El transistor se emplea

tambin para mantener al pixel en un estado dado y, por tanto, no tienen que ser

refrescados continuamente. Existen pantallas de LCD de matriz activa con resoluciones

de 1024x800 en 15.


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La pantallas de LCD competirn en un futuro prximo con los CRT. Sus principales

inconvenientes son el precio (disminuyendo), el poco ngulo de visin y el desgaste con

el uso. Pero su principal ventaja es su poco consumo energtico y, por ello, todos los

equipos porttiles utilizan este tipo de pantallas.


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1.6.3.- Pantallas de plasma.-

Tienen un principio de construccin muy parecido a las de las pantallas de cristal

lquido. Constan de 5 capas:

Vidrio delanteroElectrodos horizontales

Capa de gas inerte (nen o xenn)

Electrodos verticales

Vidrio trasero

Un pixel se ilumina al aplicar una tensin entre los electrodos que lo definen. Si se

aade una capa de puntos de fsforo RGB se pueden obtener colores. La tecnologa

actual llega a pantallas de plasma de 32, de 1240x1024, con precios todava muy

similares a las de las pantallas de LCD. Pero es posible que compitan favorablemente

con ellas en un futuro prximo. Su mayor inconveniente es el alto consumo energtico

superior, incluso, a las pantallas convencionales de rayos catdicos.

1.6.4.- Otros dispositivos de entrada, salida.

Solamente haremos una enumeracin de algunos dispositivos de entrada o salida

tambin disponibles en el mercado. Entre los dispositivos de entrada podemos mencionar:

Lpiz ptico.

Pantalla sensible al tacto

Tableta grfica.

Ratn

JoystickTrackball, etc.

Y entre los dispositivos de salida sobre papel, debemos mencionar:

Impresora de impacto

Impresora de chorro de tinta.

Impresora de sublimacin de cera

Impresora laser:

Monocroma

Color

Trazadores (plotters) de tinta o electroestticos, etc.

Algunas caractersticas que se deben tener en cuenta en este tipo de dispositivos de

salida sobre papel son el tamao del punto, la direccionabilidad (ppi), la resolucin

(Nmero de lneas por pulgada distinguibles), el tamao del papel: A4, A3, A2, A1, A0,

etc.


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1.7.- Monitores de video.

Podemos distinguir dos grandes familias de monitores de video: los de refresco

vectorial, caligrficos o vectoriales y los de rastreo.

Los tubos de refresco vectorial o caligrficos emplean tubos monocromticos o de color

por penetracin. La unidad de representacin es la lnea (vector)

Figura 1.13.- Monitor vectorial

En los tubos de rastreo (raster), la unidad de representacin es el punto (pixel). La

pantalla se explora en lneas horizontales del mismo nmero de puntos. La resolucin

discreta produce el efecto de alias en las lneas oblicuas.

Figura 1.14.- Monitor de rastreo.-


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1.8.- Generadores de imgenes grficas.-

Con todos estos componentes, un generador de imgenes grficas responde,

normalmente, al siguiente esquema:

Figura 1.15.- Generador de im

genes grficas.

Normalmente, las imgenes se generan en base a un modelo del universo del discurso

que es utilizado por la aplicacin concreta (simulador, visualizador, etc.). Con la ayuda

de la biblioteca grfica (API), y a efectos de portabilidad, las imgenes se generan sobre

un dispositivo grfico normalizado, o virtual que es, posteriormente, traducido a

cdigo sobre un dispositivo grfico real (pantalla, trazador, etc), con una serie de

parmetros dependientes de mquina. Este dispositivo real tiene la arquitectura tpica

de la siguiente figura:

CPU->Interprete de comandos-> Memoria de Imagen->Interprete de memoria de imagen->Generador deimagen

Figura 1.16.- Dispositivo grfico real.

Los comandos que genera la API grfica pueden ser:

Funciones de control y configuracin

Primitivas de dibujo

Ajuste de atributos:

Tipo de lneaColor

Tamao de texto,

......


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De los componentes del dispositivo grfico real de la figura 1.16, tal vez el ms

importante es la memoria de imagen que es la que, en definitiva, almacena una

representacin interna de la imagen . Esta memoria de imagen puede ser de dos tipos:

Lista de display : almacena todos los atributos y primitivas necesarios para

reproducir la imagen. Se empleaba, bsicamente, en los sistemas de refrescovectorial y dentro de este tipo de memorias de imagen tambin se desarrollaron

algunas alternativas:

Listas jerarquizadas.

Listas estructuradas.

Listas lineales simples.

Memoria grfica o frame buffer.-

Es una representacin virtual en memoria de los grficos que han de mostrarse por pantalla

Cualquier escritura supone una modificacin inmediata de la imagen en la pantalla

Evita problemas en la interaccin entre el ordenador y el dispositivo de video

Guarda en 8, 15, 16 24 bits la informacin de cada pixel, dependiendo de la profundidad de

color que se requiera

Es el tipo de memoria de imagen empleada

en los sistemas de rastreo. Dada su importancia, volveremos ms adelante sobre

ellos. En sistemas monocromos, la memoria grfica tambin se llamaba bitmap.

Un par de conceptos que conviene aclarar en este contexto son:

Ventana (window): Superficie, normalmente rectangular, que delimita la parte

de la escena a representar.

Puerto de visin (viewport): Superficie fsica de la pantalla, o dispositivo de

salida, que define la zona sobre la que se va a visualizar la ventana.

Ambos conceptos resultan algo confusos con la aparicin de Windows y X, que los

utilizan de forma algo distinta. A veces se usa el trmino Ventana en pantalla

(Display window) para referirse a la ventana que abre el interfaz grfico de usuario

(GUI).


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1.9.- Sistemas de refresco vectorial.-

En estos sistemas, prcticamente obsoletos, la imagen se construye por dibujo repetido a

una tasa fija (del orden de 30 veces por segundo, o 30 Hz) del contenido de la memoria

de imagen, que es del tipo lista de display:

Figura 1.17.- Sistema de refresco vectorial.

En este tipo de sistemas, el monitor es caligrfico. Esto los hace muy adecuados para la

generacin de polilneas pero muy poco aptos para funciones de relleno de reas. Los

textos (caracteres) se implementan tambin como polilneas. Los colores, de existir, se

implementan por el mtodo de penetracin.

Estos sistemas vectoriales estn en franca desaparicin del mercado. Su lugar est

siendo ocupado por los sistemas grficos de rastreo, de mucho menor coste.


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1.10.- Sistemas grficos de rastreo.-

En estos sistemas, la imagen se construye como una serie de lneas horizontales, cada

una de un nmero fijo de puntos (pixels), almacenados en la memoria grfica. Dicha

memoria grfica (frame buffer) se dispone de forma que representa la superficie del

display, en filas-columnas. En ella, cada pixel almacena un valor proporcional al brillo.La memoria grfica ha de ser de doble puerto, puesto que ha de ser accedida,

simultneamente, por la CPU y por el generador de imagen.

As, por ejemplo, un display de 1000x1000, refrescado a 60 Hz, con 8 bit/pixel,

necesitara un tiempo de acceso de 2 ns/bit, muy por debajo de lo que la

tecnologa actual permite. Por tanto, hay tcnicas para reducir este tiempo:

VRAM (Texas), registros cache, etc.

El esquema general de un sistema de rastreo es el siguiente:

Figura 1.18.- Sistema gr fico de rastreo.

Para generar el color en estos sistemas de rastreo, se emplean varios bits por pxel. Por

ejemplo, si se usa un bit por pxel, solamente se podr generar un color (bit = 1) o

ninguno (bit = 0). En general, si se emplean N bits por pxel, se dice que tenemos un

sistema de N planos de color.

Si se establecen tres subconjuntos de planos y cada uno de ellos se usa para excitar a uncomponente RGB, tenemos un color por planos que da lugar a 2N colores diferentes.

Es un modelo muy simple, pero muy poco flexible. La gama actual de planos va de 8

(256 colores) a 24 (sistemas de color verdadero).

Con un sistema de 1024x1024 pixels, con color verdadero (4 bytes por pxel),

necesitaremos una memoria grfica de 4 Mb, lo cual ya no es descabellado

actualmente.


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Una alternativa a los sistemas de color por planos, es usar el contenido del frame buffer

para direccionar una tabla de colores (look up table, LUT) que acta sobre los valores

RGB. Cambiando la LUT se cambian los colores sin actuar sobre la memoria grfica:

Figura 1.19.- Uso de una tabla de colores.

Con una LUT, si la memoria grfica tiene N planos hay un mximo de 2N colores

diferentes, como es obvio. Pero si la anchura de la tabla es mayor de N, podremos tener

una paleta de ms colores, de los cuales solamente 2N pueden ser representados

simultneamente. Por ejemplo, si N = 8 y la anchura de la tabla es 12, tendr amos una

paleta de 2048 colores de los cuales podramos representar 256.

En algunos sistemas de rastreo, se puede tener ms de una memoria de rastreo y

conmutar entre ellas, lo cual permite hacer animaciones en tiempo real:

Figura 1.20.- Un sistema de animacin en tiempo real.


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1.11.- Ficheros grficos.-

Existen una gran variedad de formatos de ficheros para almacenar grficos. Por

desgracia, no son compatibles entre s. Adems, con cierta frecuencia aparecen nuevos

formatos, a medida que las aplicaciones o los avances tecnolgicos van creando la

necesidad. En este apartado, vamos a intentar cumplir los siguientes objetivos:- Definir, categorizar y sintetizar los aspectos ms crticos en el diseo de

formato de ficheros grficos.

Identificar las caractersticas que hacen unos formatos mejores que otros.

Dar una panormica general de los formatos existentes.

Despertar alguna curiosidad sobre el tema.

Todos los ficheros grficos pueden clasificarse en unas pocas categoras:

Ficheros bitmap o de rastreo: son los ms comunes. Una imagen de mapa de

bits es, simplemente, una matriz de puntos, llamados pixels o "picture elements". Cada punto

de la imagen se almacena como un nmero que representa el color o valor de pixel de ese

punto. En las imgenes mocromas, por ejemplo, el valor de pixel es 0 (Blanco) o 1 (negro).

En las imgenes con escala de grises, o con colores, el esquema es algo ms complicado.

Un problema que se plantea en los ficheros de mapa de bits es la ordenacin de los pixels,

que forma parte del formato grfico. Por ejemplo, se pueden almacenar fila a fila, haciendo

corresponder una fila de pixeles de la imagen con una fila de la matriz a almacenar. En otros

casos, se almacena por planos, bit a bit. A veces, se almacena por planos y por filas. En otros

casos, se almacena por filas pero entrelazadas, es decir, se almacenan las filas pares y luego

las impares (por ejemplo). Todas estas decisiones de diseo forman parte del formato del

fichero y deben estar suficientemente claras.

Ficheros vectoriales: es un mtodo totalmente diferente, y ms antiguo. En vez

de almacenar los valores de los pixels, se almacenan primitivas de alto nivel que

permiten reconstruir la imagen. Un posible ejemplo sera:

Mueve a (100, 0) ; Color azul ; linea a (100, 100) ; color rojo; ....

Los ficheros vectoriales son, lgicamente, mucho ms compactos que los mapas

de bits. Pero, desgraciadamente, solamente son adecuados para describir

imgenes muy simples que puedan describirse como un "dibujo", y no como una

fotografa.

Metaficheros: es un paso adicional sobre los ficheros vectoriales. Adems de

datos de dibujo, pueden contener primitivas de creacin mucho ms sofisticadas,

como rellenar una porcin de la imagen, sombrear otra, etc. Suelen ser muy

dependientes del software sobre el que se apoyan. La idea original se remonta a

la norma GKS, y fu luego adoptada en PHIGS, en Windows, etc.


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Ficheros de impresin: las impresoras actuales son, de hecho, dispositivos

grficos bastante sofisticados y la forma en que se envan los datos para

imprimir es, de hecho, una especificacin de fichero grfico. Existen dos

alternativas:

Formatos de texto extendidos: "empotran" la informacin de los grficos

dentro de los datos alfanumricos convencionales. Por ejemplo, en el PCL de

Hewlett Packard las secuencias de escape introducen elementos grficos dentro

de la pgina.

Lenguajes de descripcin de pginas: son lenguajes de nueva creacin que

definen el contenido de una pgina a imprimir. El primero de estos lenguajes

que tuvo cierto xito fu el Postscript de Adobe , derivado del lenguaje FORTH

(era un lenguaje basado en pila, de 0 direcciones, en el cual todas las operaciones

se hacan sobre la cima de una pila de ejecucin). El PDF, de Acrobat, parece

que se ha impuesto sobre el Postcsript y recientemente entra en liza el lenguaje

de Microsoft.

Adems en un fichero grfico sea del tipo que sea, se suelen almacenar datos que no lo

son : texto, anotaciones, etc. En cualquier caso, el diseo de un formato grfico se basa,

en parte, en el hardware al cual va dirigido : memoria, velocidad, etc (Fig 1.20)


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1.11.1.- Algo de historia de los ficheros grficos.-

Es claro que la creacin de imgenes ha sido una actividad tan antigua como la

humanidad. Pero los mtodos para conservar y reproducir las imgenes estn ligados a

la aparicin de formas de comunicacin escrita, sobre soporte duro. Por lo tanto, nos

centraremos en los mtodos relacionados con la historia de la Informtica. As, podemoshablar de:

Formatos para ficheros de impresora:

Chromalink, DDES (Digital Data Exchange Standard), Freeway, HP-PCL

(printer Control Language), MIF, Adobe Postscript, Acrobat PDF

Para Plotters:

907PCI, DMP, HP-GL, HP-GL/2

Fotografa : La fotografa digital tiene, todava, un largo trecho que recorrer. Un

negativo en color de 35 mm, analgico, tiene una resolucin de unos 12 millones

de pixel. Los dispositivos digitales de esa resolucin son enormemente caros.

Una ventaja de la fotografa digital es que no hace falta un proceso qumico

adicional. Adems, se pueden aplicar algoritmos de tratamiento de imagen con

facilidad.

Para las fotografas digitales creadas con scanners, el standard es TIFF, que es en

realidad un conjunto muy amplio de posibles formatos. Para fotos de cmaras

digitales, el formato standard, parecin en su momento que iba a ser el

PhotoCD, de Kodak,. Pero, como tantas otras veces, despareci y est siendo

sustituido por otros (JPEG, GIF, etc. ).

Otra posible forma de clasificacin, es atendiendo al criterio de la funcionalidad para la

que fueron creados los ficheros grficos. Aspodremos distinguir

GUI: BMP (Windows), CUR, ICO, UIL, X, TGA,...

Aplicaciones:

De rastreo: ADRG, DDIF, GIF, IFF,IMG,PCX,JPEG,...

Geomtricos: ClarisCAD, Windows, Metaficheros, WPG, AutoCad

Mixtos: CGM, EPS, IFF, WPG, Postscript,SPDL,...

Para animacin, existen algunos formatos desarrollados:

GRASP, MPEG, SFIL, SLD, Tango, ...

Existen, adems, un cierto nmero de formatos de almacenamiento de datos pensados

para la generacin de grficos:

De diseo grfico, arquitectura, etc: DXF, IGES, STEP

De modelado: AMF, 3DGF, ISIF, etc

Geogrficos: ARC, DLG, GIRAS, GBF, etc


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Cientficos: BUFR, FITS, GF3, HDS, SFF, SFDU, VIFF, etc

Medicina: AVS, VFF, ..

1.11.2.- Color en ficheros grficos.-

Segn sea el modelo de color que se emplee, son necesarios tres (RGB) o cuatro

(CMYB) parmetros para representar el color. Algunos formatos utilizan un modelo

analgico para cada parmetro: IGES, IIF, Postscript, RIB.. No obstante, la mayora de

los formatos grficos usan un modelo digital y por tanto limitan el nmero de valores.

Este lmite depende normalmente de las aplicaciones:

Diagramas : 16 colores

Escenas naturales : 256

Imgenes mdicas : 4096

Fotos digitales: 16384

Imgenes realistas : 65536 o ms

Cada uno de los formatos que admiten color tienen una limitacin en el nmero de

bits/pixel empleado. Si se usa un valor de color directamente como intensidad para

cada parmetro (RGB), se dice que es un sistema de color verdadero (true color).

Algunos formatos que emplean este tipo de color son AVS, IGES, JFIF, JPEG,

MacPaint, etc Por el contrario, si se usan los valores de color como ndice a una tabla de

colores, se dice que es un sistema de color directo. Los formatos que lo emplean son

CUR, DXF, FLI, HP-GL, etc. La mayora de los formatos soporta ambos tipos de color,

y algunos formatos permiten el uso de ms de cuatro parmetros por color. Tal es elcaso de JBIG, JPEG, RLE, etc


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1.12.- Normas.-

Como es lgico, toda esta variedad de formatos diferentes esconden tambin

intereses comerciales. No obstante, existen movimientos a favor de imponer algo de

racionalidad en este mundo: normalizar. En la figura 1.22. se da un pequeo esquema

de todas las organizaciones interesadas en las diferentes normas y en la figura 1.23 se

muestran algunos de los comits especficos.

Figura 1.22.- Organizaciones internacionales de normalizacin.


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Figura 1.23.- Algunos de los esfuerzos de normalizacin en vigor.

1.13.- Compresin.-

Para reducir el tamao de los ficheros grficos, tanto para almacenamiento como para

envo es fundamental el empleo de alguna tcnica de compresin de datos. Antes de ver

las diferentes t

cnicas existentes, es conveniente establecer algunas definiciones:Razn de compresin = N bytes originales/N bytes comprimidos. Se suele expresar

como N:1 (2:1, 10:1, ...)


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La compresin es sin prdidas si al descomprimir se obtiene el fichero original idntico.

En caso contrario es con prdidas (lossy). No obstante, como veremos, las prdidas en

los ficheros grficos (imgenes) normalmente no son detectables por el ojo humano.

Compresin en tiempo real , si a medida que la imagen se va recibiendo se puede ir

descomprimiendo. En realidad, esta es una definicin muy cambiante.

Entropa : es una medida, definida en teora de la informacin, que da idea del grado de

aleatoriedadde los datos. Los datos perfectamente aleatorios no pueden ser

comprimidos. De hecho, todos los algoritmos de compresin se basan en la presencia de

algn ordenamiento, implcito o explcito, presente en los datos.

Las metodologas de compresin existentes pueden clasificarse en:

1.- Transformar un conjunto de datos en otro equivalente pero de menor tamao,

reduciendo bien el numero de datos o el tamao de los mismos : Mtodos de

correspondencia (map).

2.- Reducir la precisi

n de los valores individuales : m

todos de cuantificaci

n.3.- Codificar cada dato de forma que se minimice el nmero total de bits :

mtodos de codificacin.

1.13.1.- Compresin por transformacin.-

La idea bsica es reducir el tamao del conjunto de datos aprovechando la repeticin de

patrones. Un patrn, en este contexto, es una secuencia repetitiva de items. Por tanto,

estos mtodos tambin se llaman de bsqueda de patrones.

Segn sea el tipo de procesamiento que se hace sobre los datos, tenemos las diferentescategoras de compresin basadas en esta tcnica (figura 1.23)

Mtodos de Bsqueda 1D:

Codificacin Run-Length : las secuencias de valores idnticos en una lista

pueden reemplazarse por dato-longitud

Ej : AAAAAAAAA --------->A9

Algunos formatos que utilizan esta tcnica son CCITT Fax3, GEM/IMG, HDF,

PCX, Postscript, TARGA (9,10,11,32,33) y TIFF (2).

Codfificacin LZW: Debida a Lempel-Ziv-Welch (1985). Utiliza la repeticin

de secuencias de valores no idnticos para asignarles un cdigo y almacenarlas

codificadas, juntamente con el libro de cdigos (Code-Book)

Ej : 5 23 7 12 5 23 7 6 12 5 23 7 6 12 .....

La secuencia 5 23 7 se repite. Se le asigna codigo C1

La secuencia 6 12 se repite. Se le asigna codigo C2 ...


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Algunos formatos que usan este mtodo son, entre otros, GIF, Postscript,

TIFF(5). El GIF, que en un principio tuvo un enorme xito, dej de usarse a raz

de una demanada de propiedad intelectual interpuesta por Unisys.

Metodo de Diferenciacin 1D

Este es un mtodo que trata de reducir el tamao de los conjuntos de datos

almacenando, para cada dato, su diferencia con algn otro (normalmente el

anterior). Para conjuntos de datos con variaciones suaves, esto puede suponer un

ahorro considerable.

Ej : 34 37 39 45 36 43 ..

34 3 2 6 -9 7 ...

Algunos formatos que los usan: JPEG, LANDSAT, MPEG,

Las razones de compresin que se obtienen con los mtodos 1D son:

Run-Length : entre 2:1 y 5:1

LZW : entre 2:1 y 9:1

Diferenciacin : entre 1.5:1 y 3:1

Mtodos de Bsqueda 2D

El principio bsico es el mismo que en el caso 1D, pero tratando los datos como

conjuntos de dos dimensiones.

La codificacin por fractales (Barnsley 93), trata de reconocer patrones 2D en

la imagen y encontrar un conjunto de datos simple que pueda dar lugar a los

datos originales a travs de transformaciones simples. La compresin se logra

entonces almacenando el conjunto de datos simple y el conjunto de

transformaciones.

Es un mtodo que puede ser muy costoso en tiempo de clculo, pero puede

llegar a lograr razones de compresin de 100:1

La diferenciacin 2D es una extensin. ms o menos trivial, del caso 1D. Es

usada por los formatos JPEG, MPEG y otros, y logra unas razones de

compresin de hasta 1:3.

Mtodos de Bsqueda 3D.-

La extensin a 3D (sucesin de patrones 2D) de los mtodos 2D es bastante directa. Los


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mtodos de diferenciacin, por ejemplo, funcionan evaluando las diferencias entre una

imagen (frame) y la siguiente (inter-frame compression). Si , adems, esta informacin

de cada frame es codificada con algn mtodo 1D, tenemos una gran gama de posibles

mtodos.

MPEG, por ejemplo, usa una diferenciacin pixel a pixel entre frames.Anlogamente, se pueden usar mtodos como DCT por frame, combinados con

diferenciacin

Mtodo de transformaciones.-

La codificacin basada en transformaciones matemticas explota la idea de que existen

algunas transformaciones (FFT,...) que son reversibles y que, al aplicarlas, reducen el

tamao de los datos. La ms empleada de estas es la DCT (Digital Cosine Transform),

variante de la FFT, debido a la existencia de algoritmos muy rpidos para su clculo. El

inconveniente es que la transformacin inversa pierde informacin por dos factores:

Los valores cos() no se pueden calcular con precisin infinita.

Errores de redondeo acumulados.

La DCT ser empleada por el formato ACATS(HDTV en USA), y es empleado

por JPEG y MPEG

Mtodos de precisin reducida

Aunque no hay ningn formato que utilice este tipo de mtodos en exclusiva, si se usan,

implcitamente, en algunos (JPEG). La idea bsica es que en alguna informacin de tipo

grfico existen datos que son ms precisos de lo que el ojo humano puede detectar (porejemplo, en los scanners). Por ello, se puede reducir la precisin (p.e., limitando el

nmero de niveles de gris), sin que ello suponga una prdida apreciable de informacin.

No obstante, es obvio que estos son mtodos lossy.

Mtodos de minimizacin.

La base de estos mtodos consiste en reducir el nmero de bits necesarios para codificar

el conjunto de datos. En algunos casos, esto da lugar a cdigos de longitud fija y en

otros a cdigos de longitud variable. En formatos grficos se emplean tres mtodos

basados en esta tcnica:

Cdigos de desplazamiento: si el rango de variacin de los datos no es muy

amplio, es posible que puedan representarse con menos bits de los originales. Ej

: LANDSAT utiliza un cdigo de diferenciacin 1D, en el cual, la mayora de las

diferencias entre un pixel y el siguiente estn entre -7 y +7. Por tanto, se

codifican con 4 bits. Se obtienen razones de compresin de hasta 3:1


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Cdigos de Huffman, asignan a cada dato un cdigo de longitud que depende

inversamente de la frecuencia de aparicin del mismo. JPEG, MPEG, TARGA

32, etc. razones de compresin de 2:1

Cdigos aritmticos: usando la frecuencia de aparicin de cada dato, se generan

valores que corresponden a secuencias de datos. (JPEG). Mtodo patentado en1990.

Combinacin de mtodos de compresin

Algunos esquemas de compresin combinan dos o ms de los mtodos anteriores, para

conseguir mayores tasas de compresin. La secuencia tpica se muestra en la figura

1.24:

Figura 1.24.- Combinacin de mtodos

Formato JPEG

El standard JPEG define una batera de formatos grficos para imgenes de rastreo de

color. Incluye cuatro formas distintas de operacin:1.- Compresin predictiva, sin prdidas (es un mtodo de diferenciacin).

2.- Compresin secuencial, DCT, fila a fila

3.- Compresin progresiva, DCT, sobre la imagen completa

4.- Compresin jerrquica.

Todo ello da lugar a un total de 29 posibles mtodos de codificacin. Como es obvio, el

mtodo usado forma parte del fichero grfico a efectos de decodificacin. Este mtodo

se est convirtiendo en el standard de hecho en aplicaciones de imgenes.

Como regla general en JPEG, a mayor tasa de compresin mayor es la prdida de

informacin.

Formato MPEG

Usa bsicamente los mismos esquemas de compresin que JPEG, pero est diseado

para secuencias de video. Difiere de JPEG en los siguientes puntos:

Requiere el uso del modelo de color YCrCb (CCIR 601-1)

Requiere el uso de cdigos de Hoffmann.


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No codifica cada frame como una entidad separada, sino que codifica solamente

la diferencia con los anteriores (inter-frame)

MPEG tambin define un esquema de compresin para audio. Adems, define

un procedimiento que permite mezclar, en una nica corriente de datos video y

audio, hasta un total de 32 seales de audio y 16 de video simultneas.(multiplexing)

Est diseado para acomodar seales sincronizadas de video y audio en un

ancho de banda de 1.5 Mbits/sg, a expensas de exigir un procesador de cierta

potencia para poder hacer la decodificacin en tiempo real

Formato PNG

Es un formato grfico basado en un algoritmo de compresin sin prdida para bitmaps no

sujeto a patentes.

Solventar deficiencias del formato GIF como la limitacin de 8 paletas de 256 colores.

Su versin animada se llama MNG.

Soporta transparencias

Es uno de los mejores formatos para almacenar una imagen fielmente.

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