Двоичное кодирование Информация и информационные процессы

2 Оглавление Двоичное кодирование в компьютере Аналоговая и дискретная форма представления информации Аналоговая и дискретная форма представления информации Двоичное кодирование графических изображений Двоичное кодирование графических изображений Двоичное кодирование звука Двоичное кодирование видеоинформации Двоичное кодирование текстовой информации

3 Двоичное кодирование в компьютере Вся информация, которую обрабатывает компьютер должна быть представлена двоичным кодом с помощью двух цифр: 0 и 1. Эти два символа принято называть двоичными цифрами или битами В компьютере обязательно должно быть организованно : кодирование и декодирование Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т.е. двоичный код Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку Привет!

4 Почему двоичное кодирование Удобно кодировать информацию в виде последовательности нулей и единиц, если представить эти значения как два возможных устойчивых состояния электронного элемента: 0 – отсутствие электрического сигнала; 1 – наличие электрического сигнала. Недостаток двоичного кодирования – длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных. Способы кодирования и декодирования информации в компьютере, в первую очередь, зависит от вида информации, а именно, что должно кодироваться: числа, текст, графические изображения или звук.

5 Аналоговая и дискретная форма представления информации Человек способен воспринимать и хранить информацию в форме образов (зрительных, звуковых, осязательных, вкусовых и обонятельных). Зрительные образы могут быть сохранены в виде изображений (рисунков, фотографий и так далее), а звуковые зафиксированы на пластинках, магнитных лентах, лазерных дисках и так далее Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно

6 Аналоговая и дискретная форма представления информации Пример аналогового и дискретного представления информации: положение тела на наклонной плоскости и на лестнице задается значениями координат X и У При движении тела по наклонной плоскости его координаты могут принимать бесконечное множество непрерывно изменяющихся значений из определенного диапазона, а при движении по лестнице только определенный набор значений, причем меняющихся скачкообразно

7 Дискретизация Примером аналогового представления графической информации живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного аудио компакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью) Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов

Двоичное кодирование графических изображений

9 Два типа кодирования рисунков растровое кодирование точечный рисунок, состоит из пикселей фотографии, размытые изображения векторное кодирование рисунок, состоит из отдельных геометрических фигур чертежи, схемы, карты

10 Шаг 1. Дискретизация: разбивка на пиксели. Растровое кодирование Шаг 2. Для каждого пикселя определяется единый цвет. Пиксель – это наименьший элемент рисунка, для которого можно независимо установить цвет. Разрешение: число пикселей на дюйм, dots per inch (dpi) экран 96 dpi, печать dpi, типография 1200 dpi

11 Растровое кодирование (True Color) Шаг 3. От цвета – к числам: модель RGB цвет = R + G + B red красный blue синий green зеленый R = 218 G = 164 B = 32 R = 135 G = 206 B = 250 Шаг 4. Числа – в двоичную систему. Сколько памяти нужно для хранения цвета 1 пикселя? ? Сколько разных цветов можно кодировать? ? 256·256·256 = (True Color) R: 256=2 8 вариантов, нужно 8 бит = 1 байт R G B: всего 3 байта Глубина цвета

12 Цветовая модель RGB Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами (по одному биту на каждый цвет RGB), то мы получим все восемь различных цветов

13 True Color На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (т.е. 24 бита) - по 1 байту (т.е. по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 2 8 =256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из цветов Такой набор цветов принято называть True Color (правдивые цвета), потому что человеческий глаз все равно не в состоянии различить большего разнообразия

14 Вычислим объем видеопамяти Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов В современных компьютерах разрешение экрана обычно составляет 1280 х 1024 точек. Т.е. всего 1280 * 1024 = точек. При глубине цвета 32 бита на точку необходимый объем видеопамяти: 32 * = бит = байт = 5120 Кб = 5 Мб

15 Растровое кодирование (True Color) CMYK-модель Субтрактивная (вычитательная), используется при подготовке изображений к печати на профессиональном принтере и служит основой для технологии четырехкрасочной печати. Цветовыми компонентами данной модели служат цвета, полученные вычитанием первичных из белого: голубой (Суаn) = белый - красный = зеленый - синий; пурпурный (Маgenta) = белый - зеленый = красный + синий; желтый (Yellow) = белый - синий = красный + зеленый. Проблема цветовой модели СМУ: на практике ни одна краска не является абсолютно чистой и обязательно содержит примеси, наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного цвета. Поэтому в эту цветовую модель и был включен компонент чистого черного цвета.

16 Растровые рисунки лучший способ для хранения фотографий и изображений без четких границ спецэффекты (тени, ореолы, и т.д.) есть потеря информации при изменении размеров рисунка он искажается размер файла не зависит от сложности рисунка

17 Кодирование векторных изображений Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества

18 Векторные рисунки Строятся из геометрических фигур: отрезки, ломаные, прямоугольники окружности, эллипсы, дуги сглаженные линии (кривые Безье) Для каждой фигуры в памяти хранятся: размеры и координаты на рисунке цвет и стиль границы цвет и стиль заливки (для замкнутых фигур) Форматы файлов: WMF (Windows Metafile) CDR (CorelDraw) AI (Adobe Illustrator) FH (FreeHand)

19 Векторные рисунки лучший способ для хранения чертежей, схем, карт; при кодировании нет потери информации; при изменении размера нет искажений; меньше размер файла, зависит от сложности рисунка; неэффективно использовать для фотографий и размытых изображений

20 Графические форматы файлов Форматы графических файлов определяют способ хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия) Наиболее популярные растровые форматы: BMP GIF JPEG TIFF PNG

21 Графические форматы файлов Bit MaP image (BMP) универсальный формат растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows. Поддерживается многими графическими редакторами, в том числе редактором Paint. Рекомендуется для хранения и обмена данными с другими приложениями Tagged Image File Format (TIFF) формат растровых графических файлов, поддерживается всеми основными графическими редакторами и компьютерными платформами. Включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации. Используется для обмена документами между различными программами. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами

22 Графические форматы файлов Graphics Interchange Format (GIF) формат растровых графических файлов, поддерживается приложениями для различных операционных систем. Включает алгоритм сжатия без потерь информации, позволяющий уменьшить объем файла в несколько раз. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете Portable Network Graphic (PNG) формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. Рекомендуется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете Joint Photographic Expert Group (JPEG) формат растровых графических файлов, который реализует эффективный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере части информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете

23 Вопросы и задания: Какие виды компьютерных изображений вы знаете? Какое максимальное количество цветов может быть использовано в изображении, если на каждую точку отводится 3 бита? Что вы знаете о цветовой модели RGB? Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического режима: разрешение экрана 800 х 600, качество цветопередачи 16 бит.

Двоичное кодирование звука

25 Кодирование звука Звук – волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой: чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон Сложные непрерывные звуковые сигналы можно с достаточной точностью представлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных колебаний Каждая синусоида, может быть точно задана некоторым набором числовых параметров – амплитуды, фазы и частоты, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени

26 Временная дискретизация звука В процессе кодирования звукового сигнала производится его временная дискретизация – непрерывная волна разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды Таким образом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости

27 Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации. Частота дискретизации – количество измерений уровня сигнала в единицу времени Количество уровней громкости определяет глубину кодирования. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. При этом количество уровней громкости равно N = 2 I = 2 16 = 65536

Двоичное кодирование видеоинформации

29 Представление видеоинформации Обработка видеоинформации требует очень высокого быстродействия компьютерной системы Что представляет собой фильм с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание звуковой и графической информации. Кроме того, для создания на экране эффекта движения используется дискретная по своей сути технология быстрой смены статических картинок. Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные

30 Представление видеоинформации При использовании традиционных методов сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры)

31 Некоторые форматы видеофайлов Существует множество различных форматов представления видеоданных. Video for Windows, базирующийся на универсальных файлах с расширением AVI (Audio Video Interleave – чередование аудио и видео) Все большее распространение в последнее время получают системы сжатия видеоизображений, допускающие некоторые незаметные для глаза искажения изображения с целью повышения степени сжатия. Наиболее известным стандартом подобного класса служит MPEG (Motion Picture Expert Group). Методы, применяемые в MPEG, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику Большее распространение получила технология под названием DivX (Digital Video Express). Благодаря DivX удалось достигнуть степени сжатия, позволившей вмесить качественную запись полнометражного фильма на один компакт-диск – сжать 4,7 Гб DVD-фильма до 650 Мб

32 Форматы звуковых файлов MIDI - запись музыкальных произведений в виде команд синтезатору, компактны, голос человека не воспроизводят, (соответствуют векторному представлению в графике) WAV – универсальный звуковой формат, в нем хранится полная информация об оцифрованном звуке ( соответствует формату bmp в графике ). Занимает очень большой объем памяти (15 Мбайт на 1 минуту звучания) MP3 – формат сжатия аудиоинформации с регулируемой потерей информации, позволяет сжимать файлы в несколько раз в зависимости от заданного битрейта (в среднем в 11 раз). Даже при самом высоком битрейте – 320 кбит/сек – обеспечивает 4- кратное сжатие по сравнению с компакт-дисками APE – формат сжатия аудиоинформации без потери информации (а следовательно – качества), коэффициент сжатия около 2

33 Мультимедиа Мультимедиа (multimedia, от англ. multi - много и media - носитель, среда) - совокупность компьютерных технологий, одновременно использующих несколько информационных сред: текст, графику, видео, фотографию, анимацию, звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождени Под словом «мультимедиа» понимают воздействие на пользователя по нескольким информационным каналам одновременно. Мультимедиа – это объединение изображения на экране компьютера (в том числе и графической анимации и видеокадров) с текстом и звуковым сопровождением Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений

Двоичное кодирование текстовой информации

35 Двоичное кодирование текстовой информации Начиная с 60-х годов, компьютеры все больше стали использовать для обработки текстовой информации и в настоящее время большая часть ПК в мире занято обработкой именно текстовой информации. Традиционно для кодирования одного символа используется количество информации = 1 байту (1 байт = 8 битов).

36 1 символ – 1 байт (8 бит) Для кодирования одного символа требуется один байт информации Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, получаем, что с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов 2 8 =256

37 Двоичное кодирование текстовой информации Кодирование заключается в том, что каждому символу ставиться в соответствие уникальный двоичный код от до (или десятичный код от 0 до 255) Важно, что присвоение символу конкретного кода – это вопрос соглашения, которое фиксируется кодовой таблицей

38 Таблица кодировки Таблица, в которой всем символам компьютерного алфавита поставлены в соответствие порядковые номера (коды), называется таблицей кодировки Для разных типов ЭВМ используются различные кодировки. С распространением IBM PC международным стандартом стала таблица кодировки ASCII (American Standart Code for Information Interchange) – Американский стандартный код для информационного обмена

39 Таблица кодировки ASCII Стандартной в этой таблице является только первая половина, т.е. символы с номерами от 0 ( ) до 127 ( ). Сюда входят буква латинского алфавита, цифры, знаки препинания, скобки и некоторые другие символы. Остальные 128 кодов используются в разных вариантах. В русских кодировках размещаются символы русского алфавита. В настоящее время существует 5 разных кодовых таблиц для русских букв (КОИ8, СР1251, СР866, Mac, ISO). В настоящее время получил широкое распространение новый международный стандарт Unicode, который отводит на каждый символ два байта. С его помощью можно закодировать (2 16 = ) различных символов.

40 Кодовая таблица ASCIIодовая таблица ASCII

41 КОИ8КОИ8 («Код обмена информацией, 8- битный»)

42 Наиболее распространенной в настоящее время является кодировка Microsoft Windows, обозначаемая сокращением CP1251 ("CP" означает "Code Page", "кодовая страница").CP1251

43 От начала 90-ых годов, времени господства операционной системы MS DOS, остается кодировка CP866.CP866

44 Компьютеры фирмы Apple, работающие под управлением операционной системы Mac OS, используют свою собственную кодировку Mac.Mac

45 Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка еще одну кодировку под названием ISO ISO

46

47 Таблица расширенного кода ASCII Кодировка Windows-1251 (CP1251)

48 Информационный объем текста Сегодня очень многие люди для подготовки писем, документов, статей, книг и пр. используют компьютерные текстовые редакторы. Компьютерные редакторы, в основном, работают с алфавитом размером 256 символов В этом случае легко подсчитать объем информации в тексте. Если 1 символ алфавита несет 1 байт информации, то надо просто сосчитать количество символов; полученное число даст информационный объем текста в байтах Пусть небольшая книжка, сделанная с помощью компьютера, содержит 150 страниц; на каждой странице 40 строк, в каждой строке 60 символов. Значит страница содержит 40x60=2400 байт информации. Объем всей информации в книге: 2400 х 150 = байт

49 Обратите внимание! Цифры кодируются по стандарту ASCII в двух случаях – при вводе-выводе и когда они встречаются в тексте. Если цифры участвуют в вычислениях, то осуществляется их преобразование в другой двоичных код (см. урок «представление чисел в компьютере»). Возьмем число 57. При использовании в тексте каждая цифра будет представлена своим кодом в соответствии с таблицей ASCII. В двоичной системе это – При использовании в вычислениях, код этого числа будет получен по правилам перевода в двоичную систему и получим –

50 Вопросы и задания: В чем заключается кодирование текстовой информации в компьютере? Закодируйте с помощью ASCII-кода свою фамилию, имя, номер класса. Какое сообщение закодировано в кодировке Windows-1251: Считая, что каждый символ кодируется одним байтом, оцените информационный объем следующего предложения из пушкинского четверостишия: Певец-Давид был ростом мал, Но повалил же Голиафа!

51 Вопросы и задания: Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического режима: разрешение экрана 800 х 600, качество цветопередачи 16 бит. Для хранения растрового изображения размером 64*64 пикселя отвели 1,5 Кб памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения? Укажите минимальный объем памяти (в Кб), достаточный для хранения любого растрового изображения размером 64*64 пикселя, если известно, что в изображении используется палитра из 256 цветов. Саму палитру хранить не нужно. Сколько секунд потребуется модему, передающему сообщения со скоростью бит/с, чтобы передать цветное растровое изображение размером 800*600 пикселей, при условии, что в палитре 16 миллионов цветов? Сканируется цветное изображение размером 10*10 см. Разрешающая способность сканера – 1200*1200 dpi, глубина цвета – 24 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл?