© Черноскова Ю.Ю. Представление и кодирование информации в компьютере Лекция. - презентация

1 © Черноскова Ю.Ю. Представление и кодирование информации в компьютере Лекция

2 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование информации Вид информации Двоичный код Числовая Текстовая Графическая Звуковая Видео

3 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование информации 1 и 0 – два равновероятных события. Воспользовавшись формулой 2 I =N, где I – количество информации в сообщении о событии, N – количество равновероятных событий, получим, что одна двоичная цифра несет количество информации равное 1 бит.

4 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование числовой информации Форматы представления чисел целочисленный целые положительные числа целые числа со знаком с плавающей точкой

5 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование числовой информации Целые числа без знака обычно занимают в памяти компьютера один или два байта. В однобайтовом формате принимают значения от до В двубайтовом формате - от до Формат числа в байтах Диапазон Запись с порядком Обычная запись 1 0 … 2 8 – 1 0 … … 2 16 –

6 © Черноскова Ю.Ю. Примеры число = в однобайтовом формате: это же число в двубайтовом формате: число в двубайтовом формате:

7 © Черноскова Ю.Ю. Правило для представления целого положительного числа 1. Перевести число в двоичную систему. 2. Результат дополнить слева незначащими нулями в пределах выбранного формата. Пример Запишем число в 1-байтовом и 2- байтовом форматах. формат 1 байт: формат 2 байта:

8 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование числовой информации Целые числа со знаком обычно занимают в памяти компьютера один, два или четыре байта, при этом самый левый (старший) разряд содержит информацию о знаке числа. Формат числа в байтах Диапазон Запись с порядком Обычная запись … 2 7 – … … 2 15 – … … 2 31 – 1 –

9 © Черноскова Ю.Ю. Правило для представления целого отрицательного числа 1. Модуль числа перевести в двоичную систему. 2. Результат дополнить слева незначащими нулями в пределах выбранного формата. 3. Полученное число перевести в обратный код – нули заменить единицами, а единицы – нулями. 4. К полученному коду прибавить 1. Примечание: дополнительный код положительного числа равен его прямому коду.

10 © Черноскова Ю.Ю. Пример Запишем число в 2-байтовом формате

11 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 1. Представьте числа в 2-байтовом формате: a) ; b) Проверка: a) b)

12 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 2. Найдите десятичное представление целого числа со знаком: a)с дополнительным кодом ; b)с прямым кодом Решение: a) b)-63.

13 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование числовой информации При записи вещественных чисел в программах вместо привычной запятой принято ставить точку. Для отображения вещественных чисел, которые могут быть как очень маленькими, так и очень большими, используется форма записи чисел с порядком основания системы счисления. Например, десятичное число 1.25 в этой форме можно представить так: 1.25 · 10 0 = · 10 1 = · 10 2 =...

14 © Черноскова Ю.Ю. Запись вещественнх чисел Любое число N в системе счисления с основанием q можно записать в виде N = M · q p где M - множитель, содержащий все цифры числа (мантисса), а p - целое число, называемое порядком. Такой способ записи чисел называется представлением числа с плавающей точкой или запись числа в экспоненциальной форме.

15 © Черноскова Ю.Ю. Запись вещественных чисел Мантисса должна быть правильной дробью, у которой первая цифра после точки (запятой в обычной записи) отлична от нуля: 0.1 M < 1 Если это требование выполнено, то число называется нормализованным. Мантиссу и порядок q-ичного числа принято записывать в системе с основанием q, а само основание - в десятичной системе.

16 © Черноскова Ю.Ю. Примеры Десятичная система Двоичная система = · = · 2 11 (порядок 11 2 =3 10 ) = · = 0.11 · (порядок = )

17 © Черноскова Ю.Ю. Запись вещественных чисел 2-байтовый формат: 4-байтовый формат Знак числа Знак порядка Порядок Мантисса Знак числа Знак порядка Порядок Мантисса Чем больше разрядов отводится под запись мантиссы, тем выше точность представления числа.

18 © Черноскова Ю.Ю. Пример 6,25 10 = 110,01 2 =0,11001· Знак числа Знак порядка Порядок Мантисса

19 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование текстовой информации Для кодирования одного символа требуется 1 байт информации. Можно закодировать 256 различных символов: N = 2 I 2 8 = 256. Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от до

20 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование текстовой информации Присвоение символу конкретного кода фиксируется в кодовой таблице. В качестве стандарта долгое время использовалась таблица ASCII (American Standard Code for Informational Interchange). Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и т.д.). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, то есть в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы.

21 © Черноскова Ю.Ю. Кодировка русских букв Существует пять различных кодовых таблиц для русских букв КОИ-8, СР1251, СР866, Мас, ISO. Поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут правильно отображаться в другой. Например, код соответствует Кодировка Слово СР1251ЭВМ КОИ-8 щбл ISOнТЬ

22 © Черноскова Ю.Ю. Международный стандарт Unicode отводит на каждый символ не 1 байт, а 2, и поэтому с его помощью можно закодировать различных символов. Эту кодировку поддерживают последние версии платформы Microsoft Windows&Office (начиная с 1997 года).

23 © Черноскова Ю.Ю. Форматы текстовых файлов TXTDOCRTFPDFHTML

24 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 1. Средняя скорость чтения учащихся классов составляет 160 слов в минуту (одно слово в среднем – 6 символов). Сколько Кбайт успеет переработать ученик за четыре часа непрерывного чтения? Решение: I = (160·6·60·4)/1024 = 225 (Кб).

25 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 2. Сведения о сотруднике хранятся в виде строки из 2048 символов. На каком минимальном числе дискет емкостью 1,2 Мб можно разместить сведения обо всех 8192 сотрудниках? Решение: К = (2048·8192)/(1024·1024·1,2) = 14 (дискет).

26 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование графической информации В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Качество кодирования изображения зависит от двух параметров: 1. качество тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение. 2. чем большее количество цветов, используется, тем более качественно кодируется изображение.

27 © Черноскова Ю.Ю Формирование изображения Разрешающая способность монитора – это размер экрана монитора по ширине и высоте в пикселях. Самыми популярными являются разрешающие способности: 640x480, 800x600, 1024x768, 1280 х 1024.

28 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование цвета Для кодирования черно-белого изображения достаточно одного бита памяти: 1 – белый 0 – черный. Для кодирования 4-цветного изображения требуется два бита на пиксель, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 – черный 01 – красный 10 – зеленый 11 – коричневый.

29 © Черноскова Ю.Ю. На цветном экране все разнообразие красок получается из сочетаний трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Такая цветовая модель называется RGB моделью, по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue): КЗСЦвет

30 © Черноскова Ю.Ю. Шестнадцатицветная палитра получается при использовании четырехразрядной кодировки пикселя: к трем битам базовых цветов добавляется один бит интенсивности. Этот бит управляет яркостью всех трех цветов одновременно: ИКЗСЦвет 0000 черный 0001 синий 0010 зеленый 0011 голубой 0100 красный 0101 розовый 0110 коричневый 0111 серый 1000 темно-серый 1001 ярко-синий 1010 ярко-зеленый 1011 ярко-голубой 1100 ярко-красный 1101 ярко-розовый 1110 ярко-желтый 1111 белый

31 © Черноскова Ю.Ю. Количество бит, которое используется для кодирования цвета точки, называется глубиной цвета. Тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле: N=2 I, где N – количество цветов, I – глубина цвета. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 4, 8, 16 или 24 бита на точку. Глубина цвета Кол-во цветов

32 © Черноскова Ю.Ю. Пример Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800 на 600 точек и глубиной цвета 24 бит на точку. V = = (бит) = (байт) = 1406,25 (Кб) = 1,37 (Мб).

33 © Черноскова Ю.Ю. Виды изображений Растровое – совокупность точек (пикселей), используемых для его отображения на экране монитора. Векторное – совокупность графических примитивов (линий, прямоугольников, эллипсов и т.д.).

34 © Черноскова Ю.Ю. Форматы графических файлов Растровые:BMPGIFJPEGTIFFPCXВекторные:WMFCDR

35 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 1. Графическое изображение занимает на экране дисплея область размером пикселей. Цветовая палитра – 256 цветов. Найти объем оперативной памяти, занимаемой этой иллюстрацией. Решение: 1. N = 2 I, 256 = 2 I I = 8 (бит). 2. V = 100·100·8 = = (байт).

36 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 2. В процессе преобразования растрового графического файла количество цветов уменьшилось с до 256. Во сколько раз уменьшится информационный объем файла? Решение: 1. N = 2 I, = 2 I1 I 1 = 16 (бит) = 2 I2 I 2 =8 (бит). 3. I 1 = 2I 2 Информационный объем уменьшится в два раза.

37 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование звуковой информации Звук – непрерывный сигнал, звуковая волна с меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека. Чем больше частота сигнала, тем выше тон. Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц).

38 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование звуковой информации В процессе кодирования звуковой информации непрерывный сигнал заменяется дискретным, то есть превращается в последовательность электрических импульсов. Качество звукового сигнала определяется глубиной и частотой дискретизации. Глубина дискретизации – количество бит, отводимое на один звуковой сигнал. Например, 16-битные звуковые карты могут обеспечить N = 2 I 2 16 = уровней сигнала.

39 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование звуковой информации Частота дискретизации – количество измерений уровня сигнала за 1 секунду. Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне от 8000 до , то есть частота дискретизации звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 к Гц. При частоте 8 к Гц качество дискретизации соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 к Гц – качеству звучания аудио-CD.

40 © Черноскова Ю.Ю. Методы кодирования звуковой информации Метод FM (Frequency Modulation). Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал: а – звуковой сигнал на входе АЦП (аналогово-цифровые преобразователи); б – дискретный сигнал на выходе АЦП

41 © Черноскова Ю.Ю. Методы кодирования звуковой информации Метод FM (Frequency Modulation). Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал: а – дискретный сигнал на входе ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи); б – звуковой сигнал на выходе ЦАП

42 © Черноскова Ю.Ю. Методы кодирования звуковой информации Таблично-волновой метод (Wave-Table) основан на том, что в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира, музыкальных инструментов и т.д. Числовые коды выражают высоту тона, продолжительность и интенсивность звука и прочие параметры. Качество звука приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

43 © Черноскова Ю.Ю. Пример Найдем информационный объем моноаудиофайла, длительность звучания которого 1 секунда, качество звука среднее (16 бит, 24 к Гц): V = 16·24000 = (бит) = (байт) = 47 (Кбайт).

44 © Черноскова Ю.Ю. Форматы звуковых файлов MIDIWAVMP3

45 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 1. Объем свободной памяти на диске – 5,25 Мб, разрядность звуковой платы – 16 бит. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 к Гц? Решение: Х = (5,25·1024·1024·8)/(16·22050) = 124,8 (с).

46 © Черноскова Ю.Ю. Задания для самостоятельной работы 2. Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации Гц. Какова разрядность аудиоадаптера? Решение: Х = (5,1·1024·1024·8)/(2·60·22050) = 16 (бит)

47 © Черноскова Ю.Ю. Кодирование видеоинформации Преобразование оптического изображения в последовательность электрических сигналов осуществляется видеокамерой. Сигналы несут информацию о яркости и цветности отдельных участков изображения. Сигналы сохраняются на носителе в виде изменения намагниченности видеоленты (аналоговая форма) или в виде последовательности кодовых комбинаций электрических импульсов (цифровая форма).

48 © Черноскова Ю.Ю. Аналого-цифровое преобразование видеоинформации Дискретизация – непрерывный сигнал заменяется последовательностью мгновенных значений через равные промежутки времени. Квантование – величина каждого отсчета заменяется округленным значением ближайшего уровня. Кодирование – каждому значению уровней квантования сопоставляются их порядковые номера в двоичном виде.

49 © Черноскова Ю.Ю. Форматы видео файлов AVIMPEGDIVX

50 © Черноскова Ю.Ю. Источники информации Информатика и ИКТ. Учебник. 10 класс. Базовый уровень / Под ред. проф. Н.В.Макаровой. – СПб.: Питер, Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебное пособие для классов. Углубленный курс. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, Шауцукова Л.З. Информатика классы. – М.: Просвещение, 2000.