Лекция по Информатике на тему: "Представление и обработка информации" (1 курс спо, информатика)

Лекция 4 Представление и обработка информации 1. Основные стадии обработки информации. 2. Универсальность дискретного (цифрового) представления информации.  3. Представление информации в двоичной системе счисления. 1.Основные стадии обработки информации. Современный   компьютер   является   довольно   сложным   прибором,   состоящим   из множества компонентов, соединенных километрами проводов. Но он выполняет те же три действия   по обработке информации,   что  и  карманный   калькулятор:  ввод,  обработку и вывод. Любое устройство компьютера занято в одном (иногда в двух) из трех этапов этого процесса. Основной этап обработки информации ­ это ввод информации в компьютер, т.е.  любой  способ  передачи   сведении   из  внешнего  мира  в  процессор   компьютера. Данные должны попасть в процессор, иначе ему нечего будет обрабатывать. «Сердцем»   компьютера   являются   устройства,   обрабатывающие   данные.   В   процессе вычислении   обработка   информации   является   вторым   этапом.   Изначально   компьютеры предназначались для "коммерческой работы ­ их создавали как инструменты для нудного «перемалывания»   чисел   и   хранения   больших   объемов   данных.   В   наши   дни   функции компьютера   расширились   ­   это   инструмент   обучения,   развлечения,   ведения   хозяйства, обработки информации Скоро мы забудем, что когда­то жили без него. Даже если вы сами и   не   пользуетесь   компьютером,   микропроцессоры   вcё   равно   работают   на   вас   в механических   и   электронных   устройствах,   например   в   некоторых   современных автомобилях. Какой толк в устройствах ввода и обработки данных, если мы не сможем извлечь обработанную информацию из процессора'' Вывод информации ­ третий     этап обработки информации. Запустив какое­нибудь приложение (игру, текстовый процессор, электронную таблицу или   систему   управления   базами   данных),   вы   превращаетесь   в   активного   участника процессов   ввода,   обработки   и   вывода   информации   на   этом   компьютере.   Рассмотрим основные стадии обработки информации при работе в разных программах. Текстовый процессор:  ввод ­ слова, которые вы набираете;  обработка ­ форматирование текста (разбиение на абзацы, выбор шрифта и т.д.);  вывод ­сохранение текста для повторного использования или его печать. Электронная таблица:  ввод ­ числа (например» объемы продаж), которые вы вводите или импортируете;  обработка ­ применение к данным одной или нескольких формул;  вывод – отображение результатов расчета в численной или графической форме. База данных:  ввод  ­ заполнение формы данных;  обработка ­ сортировка и сохранение записей базы данных;  вывод ­ отчет, содержащий записи, отобранные по какому­либо критерию. Шахматная игра:  ввод­ передвижение шахматной фигуры;  обработка ­ определение компьютером лучшего ответного хода;  вывод ­ ход компьютера. Основные   технологии   обработки   информации   и   области   применения   компьютера перекрываются   функциональными   и   типовыми   проблемно­ориентированными программными   пакетами.   Часто   вместо   совокупности   функциональных   пакетов   может 1 быть   использован   интегрированный   пакет»   включающий   в   себя   необходимый   набор функций. 2. Универсальность дискретного (цифрового) представления информации. Двоичное кодирование текстовой информации. Начиная с 60­х годов, компьютеры все больше стали использовать для обработки текстовой информации и в настоящее время большая часть ПК в мире занято обработкой именно текстовой информации. Для представления текстовой информации достаточно 256 знаков. По формуле  N = 2I  256= 28  следовательно   для   кодирования   одного   символа   используется   количество   информации равное   1   байту.   Кодирование   заключается   в   том,   что   каждому   символу   ставиться   в соответствие уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (или десятичный код от 0 до 255). Важно, что присвоение символу конкретного кода – это вопрос соглашения, которое фиксируется кодовой таблицей (рис.3.1). Для разных типов ЭВМ используются различные кодировки. Рисунок 3.1.Таблица ASCII С   распространением  IBM  PC  международным   стандартом   стала   таблица   кодировки ASCII  (American  Standart  Code  for  Information  Interchange)  – Американский стандартный код для информационного обмена. Стандартной в этой таблице является только первая половина, т.е. символы с номерами от 0 (00000000) до 127 (0111111). 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   65536   (216=   65536   ) различных символов.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.   Возьмем   число  57.   При использовании в тексте каждая цифра будет представлена своим кодом в соответствии с таблицей   ASCII.   В   двоичной   системе   это   –   0011010100110111.   При   использовании   в вычислениях, код этого числа будет получен по правилам перевода в двоичную систему и получим – 00111001. 2 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. I=K×i, где I­информационный объем сообщения K­ количество символов в тексте i­ информационный вес одного символа 2i = N N­ мощность алфавита  Мощность алфавита равна 256. Сколько Кбайт памяти потребуется для сохранения 160 страниц текста, содержащего в среднем 192 символа на каждой странице?  Мощность алфавита равна 64. Сколько Кбайт памяти потребуется, чтобы сохранить 128 страниц текста, содержащего в среднем 256 символов на каждой странице?  Объем   сообщения   –   7,5   Кбайт.   Известно,   что   данное   сообщение   содержит   7680 символов. Какова мощность алфавита?  Объем   сообщения   равен   11   Кбайт.   Сообщение   содержит   11264   символа.   Какова мощность алфавита? Графическая информация Цветовые модели Аддитивная модель англ. “add” – «присоединять»,основными цветами являются: RED – красный GREEN – зеленый BLUE – синий                                                  Рисунок 3.2 Аддитивная цветовая модель Цвет получается в результате суммирования трех цветов. В палитре RGB каждый из цветов может менять свою интенсивность от 0 до 255. 0 – интенсивность цвета минимальна 255 – интенсивность цвета максимальна (табл.1).  Таблица 2. Цвета RGB Красный Зеленый Синий Цвет 0 255 0 0 0 0 Черный Красный 3 0 0 0 255 255 255 255 0 255 255 0 255 0 255 255 0 255 255 Зеленый Синий Бирюзовый Желтый Пурпурный Белый Аддитивный – при увеличении яркости отдельных цветов результирующий цвет  становится ярче.     Субтрактивная модель англ. “subtract” – «вычитать», основными цветами являются: Cyan – голубой Magenta – пурпурный Yellow – желтый Каждый из них поглощает (вычитает) определенные цвета из белого света, падающего  на печатаемую палитру (рис.3.3).                                         Рисунок 3.2 Субтрактивная цветовая модель В палитре CMY каждый из цветов может менять свою интенсивность от 0 до 255.  0 – интенсивность цвета минимальна 255 – интенсивность цвета максимальна Субтрактивный   ­   при   увеличении   яркости   отдельных   цветов   результирующий   цвет становится темнее. Из­за особенностей типографских красок смесь трех цветов дает не черный,   а   грязно   –   коричневый   цвет.   Поэтому   к   основным   цветам   добавляют   еще   и черный(табл.2). Отличие в воспроизведении цветов в моделях RGB и СMYK на рис.3.3. Cyan – голубой;        Magenta – пурпурный;       Yellow – желтый; Black – черный. Таблица 2. Таблица цветов СMYK Голубой (нет красного) Пурпурный (нет зеленого) Желтый (нет синего) 0 0 0 255 0 255 255 255 0 0 255 0 255 0 255 255 0 255 0 0 255 255 0 255 Цвет Белый Желтый Пурпурный Голубой Красный Зеленый Синий Черный 4 Рисунок 3.3. Отличие в воспроизведении  цветов в моделях RGB и СMYK При работе в графических программах с помощью этой модели очень удобно подбирать цвет, так как представление в ней цвета согласуется с его восприятием человеком. Hue ­ цветовой тон Saturation ­насыщенность Brightness ­яркость Тон имеет 360 уровней, а цвет и яркость по 100 уровней. Цвет представляется как комбинация параметров цвета: тона, насыщенности и яркости  (рис.3.4.).                     Основные понятия Рисунок3.4.Круговое расположение  цветов модели HSB  Графическая информация хранится в растровом и векторном форматах.  Векторное изображение – это набор геометрических фигур, которые можно описать математическими зависимостями.  Растровое изображение хранится в виде набора пикселей, для каждого из которых задается свой цвет, независимо от других.  Глубина   цвета   –   это   количество   бит   на   пиксель,   которые   используются   в изображении.   Палитра – это ограниченный набор цветов,  которые используются в изображении Цвет на   web –  страницах кодируется в RGB и записывается  в шестнадцатеричной системе: #RRGGBB, ­ где RR, GG и BB – яркости красного, зеленого и синего, записанные 5 в виде двух шестнадцатеричных цифр; это позволяет закодировать 256 значений от 0 (0016) до 255 (FF16)  для каждой составляющей (табл.3). Таблица3. Кодирование цвета на  web – страницах  Код #FFFFFF #000000 #FF0000 #00FF00 #0000FF #FFFF00 #FF00FF #00FFFF Цвет Белый Черный Красный Зеленый Синий Желтый Фиолетовый Голубой Кодирование звуковой информации: Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой. В процессе кодирования звуковой информации происходит  временная дискретизация, когда   звуковая   волна   разбивается   на   отдельные   маленькие   временные   участки.   Для каждого   такого   участка   устанавливается   определенная   величина   интенсивности   звука (рис.3.5).                      . Рисунок 3.5.Звуковые волны По   окончании   процесса   дискретизации,   звуковая   информация   хранится   в   памяти компьютера     в   виде  двоичных   кодов.   С   помощью  микрофона  звук   превращается   в колебания электрического тока, которые имеют определённую амплитуду. Устройство для выполнения  дискретизации  (АЦП) измеряет  электрическое  напряжение  в  определённом диапазоне и переводит числовое значение напряжения в многоразрядное двоичное число. Обратный   процесс:   ЦАП   преобразует   двоичные   числа   в   электрическое   напряжение. Полученный   на   выходе   ЦАП   ступенчатый   сигнал   преобразуется   в   звук   с   помощью усилителя и динамика. Современные звуковые карты обеспечивают 16­битное кодирование звука (глубина кодирования). При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается   16   битный   код.   Человеческое   ухо   воспринимает   звук   с   частотой   от  20 колебаний в секунду (низкий звук) до  20 000  колебаний в секунду (высокий звук).Чем больше частота и глубина звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио­ 6 CD, достигается при частоте дискретизации     48 000 раз в секунду, глубине кодирования 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео"). Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3. 3. Представление информации в двоичной системе счисления. Система счисления – это знаковая система, в которой числа записываются по  определенным правилам с помощью символов некоторого алфавита, называемых цифрами. Все системы счисления делятся на две большие группы: позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных СС количественное значение цифры зависит от ее положения в числе.  Рассмотрим вначале позиционные СС, например десятичную СС. Число 579. Цифра 5 обозначает пять сотен, 7 – семь десятков, 9 – девять единиц. Если поменять местами цифры, например, 5 и 7, то цифра 5 – станет обозначать пять десятков, 7 – семь сотен.  Одним из примеров непозиционных СС  является римская СС (римские числа). Давайте подробнее рассмотрим, по какому принципу образуются числа в римской СС. В римской СС числа получаются путем прибавления или вычитания. Например, число IX (9) получается путем вычитания единицы из десяти. Теперь переставим единицу слева направо, получили число  XI  (11) путем прибавления единицы к десяти. Таким образом, дописывая   цифру   справа   от   числа,   прибавляем   её,   дописывая   цифру   слева   от   числа, отнимаем   её.   При   этом   количественное   значение   цифры   от   её   положения   в   числе   не изменяется.  Запишем   примеры   позиционных   и   непозиционных   СС.   Обратите   внимание,   что   в позиционных   СС   основание   системы   равно   количеству   цифр   (знаков   в   её   алфавите)   и определяет во сколько раз различаются значения одинаковых цифр, стоящих в соседних позициях. Вся   информация   в   компьютере   представлена   в   виде   двоичного   кода.   Компьютер переводит   информацию   (числовую,   текстовую,   графическую,   звуковую,   видео)   в последовательность нулей и единиц. Давайте посмотрим, как можно перевести числа из привычной нам десятичной СС в двоичную СС. Перевод целых чисел из десятичной СС в двоичную:  Алгоритм перевода: 1. Последовательно   выполнять   деление   исходного   целого   десятичного   числа   и получаемых целых частных на основание системы (на 2) до тех пор, пока не получится частное, меньшее делителя, то есть меньшее 2. 2. Записать полученные остатки в обратной последовательности. 227­ 26 13 ­ 2 1 12 6 1 ­ 6 0 ­ 2 1 2 3 2 1 Теперь рассмотрим обратную задачу – перевод чисел из двоичной СС в десятичную.  Алгоритм перевода: Двоичное   число  записать   в  развернутой  форме.Давайте  вернемся   в  курс  математики  и вспомним, как записывается число в развернутой форме. Запишем число 579 в десятичной СС в развернутой форме. 7 Мы   уже   с   вами   выяснили,   что   в   э   том   числе   цифра   5   означает   5   сотен,   7   –   семь десятков, 9 – девять единиц. Число 579 записано в привычной для нас свернутой форме. Мы настолько привыкли к такой форме записи, что уже не замечаем, как в уме умножаем цифры числа на различные степени числа 10. В развернутой форме записи числа такое умножение записывается в явной форме  2 10 *  7 1 10 *  9 0 10 * 579 10 5  Аналогично, и для двоичной СС. В двоичной СС основание равно 2, а алфавит состоит из  двух цифр (0 и  1). Следовательно,  числа  в двоичной  системе  в развернутой форме записываются в виде суммы степеней основания 2 с коэффициентами, в качестве которых выступают цифры 0 или 1  21212021 1011     * * * * 2 0 1 2 3 Итак,   вернемся   к   нашему   примеру   (через   гиперссылку   «назад»)   запишем   число 1101102 в развернутой форме.               5         4          3          2           1      0        1      1      0     1      1    02 = 1*25 + 1*24 + 0*23+1*22+1*21+0*20  =32+16+4+2=5410 Ответ: 1101102 =5410 Примеры для самостоятельного решения и закрепления изученного материала. Перевести из десятичной СС в двоичную число.  10  ? 85 101110001 2 2  ? 10 10  85 101110001 1010101  2 2 369 10 Вопросы для самоконтроля. 1.Дайте характеристику основных этапов обработки информации  3.Для чего предназначен текстовый редактор? 4.Опишите технологию и средства обработки графической информации 5.Понятие «система счисления» 6.Какие виды систем счисления вы знаете? 7.Как кодируется текстовая информация? 8.Как кодируется графическая и звуковая информация? 8