Кодирование информации 1. Двоичное кодирование Двоичное кодирование 2. Кодирование чисел и символов Кодирование чисел и символов 3. Кодирование рисунков Кодирование рисунков 4. Кодирование звука Кодирование звука

2 Кодирование и декодирование Для обмена информацией с другими людьми человек использует естественные языки. Наряду с естественными языками были разработаны формальные языки для профессионального применения их в какой-либо сфере. Представление информации с помощью какого-либо языка часто называют кодированием. Код набор символов (условных обозначений) для представления информации. Код система условных знаков (символов) для передачи, обработки и хранения информации(сообщения). Кодирование процесс представления информации (сообщения) в виде кода. Все множество символов, используемых для кодирования, называется алфавитом кодирования. Например, в памяти компьютера любая информация кодируется с помощью двоичного алфавита, содержащего всего два символа: 0 и 1. Декодирование- процесс обратного преобразования кода к форме исходной символьной системы, т.е. получение исходного сообщения. Например: перевод с азбуки Морзе в письменный текст на русском языке. В более широком смысле декодирование это процесс восстановления содержания закодированного сообщения. При таком подходе процесс записи текста с помощью русского алфавита можно рассматривать в качестве кодирования, а его чтение это декодирование.

Кодирование информации Тема 1. Двоичное кодирование

4 Двоичное кодирование Двоичное кодирование – это кодирование всех видов информации с помощью двух знаков (обычно 0 и 1). Передача электрических сигналов: сигнал с помехами время U «1»«1» «0»«0» полезный сигнал сигнал с помехами 5 В U время полезный сигнал

5 Двоичное кодирование в такой форме можно закодировать все виды информации нужны только устройства с двумя состояниями практически нет ошибок при передаче компьютеру легче обрабатывать данные человеку сложно воспринимать двоичные коды Можно ли использовать не «0» и «1», а другие символы, например, «А» и «Б»? ? кодировщик числа символы рисунки звук

Кодирование информации Тема 2. Кодирование чисел и символов

7 Кодирование чисел (двоичная система) Алфавит: 0, 1 Основание (количество цифр): = система счисления разряды = 1· · · · ·2 0 = = 19

8 Кодирование символов Текстовый файл на экране (символы) в памяти – двоичные коды В файле хранятся не изображения символов, а их числовые коды в двоичной системе! ! А где же хранятся изображения?

9 Кодирование символов 1. Сколько символов надо использовать одновременно? или (UNICODE) 2. Сколько места надо выделить на символ: 3. Выбрать 256 любых символов (или 65536) - алфавит. 4. Каждому символу – уникальный код (или ). Таблица символов: 5. Коды – в двоичную систему = бит на символ …ABCD… коды

10 Кодировка 1 байт на символ таблица ASCII (международная) кодовая страница ASCII = American Standard Code for Information Interchange 0-31 управляющие символы: 7 – звонок, 10 – новая строка, 13 – возврат каретки, 27 – Esc. 32 пробел знаки препинания:., : ; ! ? специальные знаки: + - * / () {} [] цифры заглавные латинские буквы A-Z строчные латинские буквы a-z Кодовая страница (расширенная таблица ASCII) для русского языка: CP-866 для системы MS DOS CP-1251 для системы Windows (Интернет) КОИ8-R для системы UNIX (Интернет)

11 Кодировка UNICODE (UTF-16) Windows, MS Office, … 16 бит на символ или 2 16 символов в одной таблице можно одновременно использовать символы разных языков (Интернет) размер файла увеличивается в 2 раза

Кодирование информации Тема 3. Кодирование рисунков

13 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

14 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. Есть потеря информации! почему? как ее уменьшить? ! Разрешение: число пикселей на дюйм, pixels per inch (ppi) экран 96 ppi, печать ppi, типография 1200 ppi

15 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

16 Растровое кодирование с палитрой Шаг 1. Выбрать количество цветов: 2, 4, … 256. Шаг 2. Выбрать 256 цветов из палитры: Шаг 3. Составить палитру (каждому цвету – номер ) палитра хранится в начале файла … Шаг 4. Код пикселя = номеру его цвета в палитре …1223

17 Растровое кодирование с палитрой Сколько занимает палитра и основная часть? ? Файл с палитрой: палитра коды пикселей 256 = 2 8 цветов: палитра 256·3 = 768 байт рисунок 8 бит на пиксель 16 цветов: палитра 16·3 = 48 байт рисунок 4 бита на пиксель 2 цвета: палитра 2·3 = 6 байт рисунок 1 бит на пиксель Один цвет в палитре: 3 байта (RGB) Глубина цвета

18 Форматы файлов (растровые рисунки) ФорматTrue Color ПалитраПрозрачность BMP JPG GIF PNG

19 Растровые рисунки лучший способ для хранения фотографий и изображений без четких границ спецэффекты (тени, ореолы, и т.д.) есть потеря информации (почему?) при изменении размеров рисунка он искажается размер файла не зависит от сложности рисунка (а от чего зависит?) Какие свойства цифрового рисунка определяют его качество? ?

20 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)

21 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

Кодирование информации Тема 4. Кодирование звука

Музыкальный код Звуковое пространство издавна является предметом особого внимания. Музыка начинается с того, что композитор находит способ его фиксации, опираясь на традицию, момент настоящего времени и необходимые условия для реализации конкретного произведения. Соответственно, музыка записанная, фиксированная в нотах, является кодом. Каждый исполнитель, прикоснувшийся к музыкальному произведению, считывающий код условий существования этого пространства в нотах, настраивающий свой инструмент, согласно заданным композитором параметрам, начинает воссоздавать это звуковое пространство через известные ему приемы игры на конкретном музыкальном инструменте. Композитор этого произведения, в свою очередь, приобретает роль создателя данного кода. То, каким образом музыка существует от момента написания и до момента исполнения показывает насколько это многоуровневый и каждый раз осмысленный заново процесс. 23

24 Две подсистемы звукового интерфейса подсистема собственно цифрового звука (Audio, Wave) Оцифровка (перевод в цифровую форму) подсистема MIDI (Musical Instrument Digital Interface - цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Назначение подсистемы MIDI: управление работой музыкальных синтезаторов - как реальных, так и виртуальных, реализованных в виде имитирующей программы. цифровое представление музыкальных партитур для редактирования и обработки.

25 Оцифровка (перевод в цифровую форму) аналоговый сигнал цифровой сигнал Какой объем информации в аналоговом сигнале? Можно ли хранить его в памяти реального устройства? Будет ли сигнал на выходе тот же самый? Почему есть потеря информации? ? аналоговый сигнал

26 Частота дискретизации: f = 8 к Гц, 11 к Гц, 22 к Гц, 44 к Гц (CD) Человек слышит 16 Гц … 20 к Гц Дискретизация по времени хранятся только значения сигнала в моменты 0, T, 2T, … T – интервал дискретизации 0 T 2T2T 22 к Гц с Что компьютер может выдать на выход? ? Как улучшить качество? Что при этом ухудшится? ? 0 T 2T2T

27 Дискретизация по уровню Сколько бит нужно, чтобы хранить число 0,7? ? 0 T 2T2T У всех точек в одной полосе одинаковый код! 8 бит = 256 уровней 16 бит = уровней 24 бита = 2 24 уровней При оцифровке потерю информации дает дискретизация как по времени, так и по уровню! ! «Глубина» кодирования (разрядность звуковой карты) «Глубина» кодирования (разрядность звуковой карты)

28 Оцифровка – итог можно закодировать любой звук (в т.ч. голос, свист, шорох, …) есть потеря информации большой объем файлов Форматы файлов: WAV (Waveform audio format), часто без сжатия (размер!) MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3, сжатие с потерями) WMA (Windows Media Audio, потоковый звук, сжатие) 88 Кб/с = 5,3 Мб/мин Какие свойства цифрового звука определяют его качество? ? частота дискретизации 44 к Гц, глубина кодирования 16 бит:

29 Инструментальное кодирование MIDI (Musical Instrument Digital Interface), файлы *.MID в файле: нота (высота, длительность) музыкальный инструмент параметры звука (громкость, тембр) может быть несколько каналов нет потери информации при кодировании инструментальной музыки небольшой размер файлов MIDI-клавиатура Диапозон MIDI-инструмента перекрывается 128-ю клавишами, что соответствует почти одиннадцати октавам – 10 полных и одна не полная (от до до соль) сложность в работе с большим количеством параметров

Таблица соответствия MIDI-номеров и музыкальных названий октав MIDI номер октавы Музыкальное название октав Cakewalk SONARSteinberg Cubase SX СИ ++ (midi2txt) Субконтроктава 201Контроктава 312Большая октава 423Малая октава 534Первая октава 645Вторая октава 756Третья октава 867Четвертая октава 978Пятая октава 30

Как звучит белок и при чем здесь частота встречаемости нот? Это не Бетховен. Но звучит как выдержанный джаз. Эта музыка призвана оживить порой такой "сухой" предмет как молекулярная биология, переводя миллионы созданных природой белков в музыкальные формы. По словам Рие Такахаши (Rie Takahashi) это на много интересней, чем изучать строение белков посредством символов. Микробиолог и пианист, Такахаши вместе со своим коллегой Джеффри Миллером (Jeffrey Miller) из Калифорнийского университета в Сан-Диего заставили белки "играть".белков Такая музыка уже создавалась ранее, но Такахаши и Миллеру удалось обогатить звук и мелодию, чтобы сделать последнюю более полной, ритмичной и не такой отрывистой, как это было в попытках их предшественников. В роли "нот" вуступают 20 аминокислот из различных комбинаций которых состоят все белки в природе. Основной принцип прост: связать каждую из этих аминокислот с разными нотами, например, лейцин - это до-бимоль, серин - ре, и так далее для остальных аминокислот.аминокислотлейцинсерин Для создания музыкального ряда, необходимо просто пройти всю последовательность аминокислот белка и записать соответствуйщие им ноты. К сожелению, при последовательном прохождении всех нот получаются мелодии, которые были разительно не музыкальными из-за огромных, неожиданных "прыжков" вплоть до 20-ти нот. Тяжело слушать такую музыку, если ноты скачут между несколькими октавами. Эту проблему микробиологи решили, присвоив каждой аминокислоте трёхзвучный аккорд - группу из трёх нот вместо одной. Если играть такие аккорды один за другим, в точности соответствуя порядку аминокислот в последовательности молекулы белка, то звучат последовательности гармоний, делающих мелодию богаче и интересней. Также, они нашли способ определять длительность для каждого аккорда, добавляя ритм музыке. Для этого они отошли от белка и вернулись к гену, который его кодирует в ДНК. Последовательность, в которой аминокислоты формируют цепочку белка, определятся в гене триплетами ДНК-оснований. Но природа не так проста, и одна и таже аминокислота может быть закодирована не одним, а несколькими разными триплетами ДНК-оснований. Разность в частоте "встречаемости" триплета Такахаши и Миллер использовали для определения длительности звучания каждого "амино-аккорда". Аккорд аминокислоты звучит дольше, если чаще встречается соответствующий ей триплет в последовательности ДНК. В результате, музыка белка получается гармоничной и ритмичной с меншими прыжками в мелодии. Нотные ряды некоторых белков, полученные новым способом, были опубликованы в avtoritetnom журнале Genome Biology. На их сайте можно скачать программу, которая преобразовывает любой введённый в неё ген белка в музыку по разработанному алгоритму. Такахаши планирует и дальше развивать эту идею, введя разные музыкальные инструменты для разных по своим биологическим функциям участков белка, что сделает белковые увертюры ещё увлекательней. А также, Такахаши даст в ближайшем будущем концерт для пианино, написанный на основании полученных ими белковых мелодий.Genome Biology 31

32 Задание 1. Найти статью с предыдущего слайда в интернете. 2. Скачать файлы в формате MIDI (звук) и TIFF(нотный текст) и охарактеризовать музыкальные звучания выбранного примера с сайта в файле DOC (текст). amples.html 3. Привести свои примеры возможного использования частотных словарей в музыке. 4. Создать папку в своей группе - Примеры использования частотных словарей. 5. Сохранить в ней файлы в формате MIDI (звук), TIFF(нотный текст) и DOC (текст).