Мы уже говорили, что вся информация, которую обрабатывает компьютер, должна быть представлена в виде двоичного кода с помощью двух цифр 0 и 1. Эти два символа принято называть двоичными цифрами или битами. С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение, то есть в компьютере обязательно должно быть организованно два важных процесса: кодирование и декодирование информации.

Кодирование – это процесс представления информации в виде последовательности условных обозначений. Для компьютера кодирование – это преобразование входной информации в двоичный код. Декодирование – обратный процесс, т.е. преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку.

Вспомним, что с точки зрения технической реализации использование двоичной системы счисления для кодирования информации оказалось намного более простым, чем применение других         способов.     Действительно,       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.

Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования – длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных. Напомним, как выглядит главная формула информатики: 𝑵=𝟐^𝒊, где i – разрядность ячейки памяти (в битах),  N – количество различных целых положительных чисел, которые можно записать в эту ячейку.

Рассмотрим, как в компьютере представляется информация различного типа: текстовая графическая и звуковая. С текстовой и графической информацией конструкторы «научили» работать ЭВМ (электронно-вычислительные машины), начиная с третьего поколения (1970 годы). А работу со звуком «освоили» лишь машины четвёртого поколения, современные персональные компьютеры. С этого момента началось распространение технологии мультимедиа, что добавило к компьютеру дополнительные периферийные устройства для ввода и вывода текстов, графики, видео и звука. Процессор и оперативная память по своим функциям изменились мало, лишь возросло их быстродействие и объём памяти.  

1. Представление текстовой информации в компьютере.

Принципиально важно, что текстовая информация уже дискретна – состоит из отдельных знаков. Модель представления текста в памяти компьютера весьма проста. За каждой буквой алфавита, цифрой, знаком препинания и иным символом закрепляется определённый двоичный код, который хранится в кодовой таблице в компьютере. Кодовая таблица – это внутреннее представление символов в компьютере. Нажатие любой символьной клавиши приводит к тому, что в компьютер посылается сигнал в виде двоичного числа.

В качестве стандарта долгое время использовалась кодовая таблица ASCII (American

Standard Code for International Interchange – Американский стандартный код информационного обмена).

В этой системе кодировки каждый символ заменяется на 7-разрядное целое положительное двоичное число. Для хранения этого числа необходимо выделить ячейку памяти размером 7 бит. Согласно главной формуле информатики, определяем, что размер алфавита, который можно закодировать, равен: 2⁷ = 128 символов. Каждое 7-разрядное число является порядковым номером символа в кодовой таблице. Для сокращения записи и удобства пользования кодами таблицы ASCII используют шестнадцатеричную систему счисления, состоящую из 16 символов – 10 цифр и 6 латинских букв: A, B, C, D, E, F. При кодировании символов сначала записывается цифра строки, а затем столбца, на пересечении которых находится символ. 

Первые 32 символа (от 0 до 31) стандарта ASCII являются управляющими и предназначены для передачи команд управления. Остальные символы 32-127 – цифры, буквы латинского алфавита и другие символы.

Используя 8-битную кодировку можно расширить кодовую таблицу до 256 символов

(2⁸ = 256). Этого достаточно для кодировки как английского, так и русского алфавита (кириллицы). Хронологически одним из первых стандартов кодирования русских букв на компьютерах был КОИ8 (Код обмена информацией, 8-битный).

Эта кодировка применялась ещё в СССР на компьютерах серии ЕС ЭВМ, и когда в середине 80-х появились первые русифицированные версии операционной системы UNIX, они переняли эту кодировку у своих "старших братьев". Сеть Релком, с которой начинался российский Интернет в начале 90-х и которая поначалу состояла в основном из компьютеров с UNIX, также приняла кодировку КОИ8 в качестве стандартной. Сейчас КОИ8-R является единственно допустимой кодировкой в русскоязычной электронной почте и телеконференциях. КОИ8-R - одна из кодировок, которые обязательно должна поддерживать любая русская страница в WWW (см. таблицу справа).

 На сегодняшний день существует пять кодировок кириллицы:  КОИ8-R (в Unix), CP1251 (в Windows), CP866 (в MS DOS), ISO, Mac.  Для преобразования текстовых документов из одной кодировки в другую существуют программы, которые называются Конверторы.

Поскольку в мире много языков и много алфавитов, постепенно совершается переход на международную 16-разрядную систему кодировки Unicode, разработанную  в 1991 г. В ней код символа занимает 2 байта (16 бит), то есть можно закодировать 2¹⁶ = 65 536 различных символов. В начале кодовой таблицы Unicode, называемой UTF-16 (от англ. UNICODE Transformation Format – формат преобразования Unicode) содержатся символы ASCII, а дальше есть и символы кириллицы.

В современной версии Unicode можно закодировать  2³¹ = 2 147 483 648 различных знаков, однако реально используются немногим более 100 000 символов.  Unicode включает в себя все существующие, вымершие и искусственно созданные алфавиты мира, множество математических, музыкальных, химических и прочих символов. Достоинство системы Unicode в том, что она позволяет использовать символы разных языков одном документе и решает проблему правильного отображения текста, вызванную использованием разных кодовых таблиц.

2. Представление графической информации в компьютере.

Графическая информация является визуальной (зрительной). Именно поэтому она находит широкое применение в современном мире. 

Изображение на экране монитора дискретно, так как состоит из отдельных точек – пикселей. Такую структуру изображения

называют растром. Связана она с техническими особенностями устройства экрана, независимо от его физического устройства (на электронно-лучевой трубке, жидкокристаллический, плазменный). Пиксели так близко располагаются на экране, что человеческий глаз не различает этой дискретности и видит изображение как непрерывное, сплошное. 

образом.

Экран монитора можно настроить на разное графическое разрешение, то есть количество пикселей на экране может быть 800х600, 1024х768 и т.п.

Экран монитора характеризуется такими параметрами как длина диагонали (обычно измеряется в дюймах) и разрешающая способность, которая измеряется в точках на дюйм (по-английски,  dots per inch – dpi). Например, у монитора с диагональю 15 дюймов размер изображения на экране составляет примерно 28х21 см². Зная, что 1 дюйм = 25,4 мм, можно рассчитать, что при работе монитора в режиме 800х600 пикселей разрешение экранного изображения равно 72 dpi.  При печати на бумаге разрешение должно быть намного выше. Полиграфическая печать полноцветного изображения требует разрешения 200-300 dpi. Стандартный фотоснимок 10х15 см² должен содержать примерно 1000х1500 пикселей.

Таким образом, качество растрового изображения зависит от количества пикселей – чем их больше, тем меньше их размер и, соответственно, качественнее изображение (сравни изображения на рисунках).

                                      369 х 204 пикселей                                                                                             93 * 51 пикселей  

Графические изображения бывают чёрно-белые и цветные. Каким же образом в памяти компьютера представлена информация о цвете пикселя?

В простейшем случае каждая точка экрана может иметь одно из двух состояний – «чёрная» или «белая». То есть для хранения её состояния необходим 1 бит памяти (принимает значение 1 - белая или 0 - чёрная).  

Количество бит, необходимое для кодирования цвета одной точки называется глубиной цвета. 

Количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по

N=2i формуле , где i – глубина цвета. Наиболее распространёнными значениями глубины цвета являются 4, 8, 16, 24 или 32 бита.

Выделение 1 байта (8 бит) позволяет кодировать 2⁸ = 256 оттенков; 2 байта (16 бит) 2¹⁶ = 65 536 оттенков (режим High Color – глубокий цвет); 3 байта (24 бит) 2²⁴ = 16 777 216 оттенков (режим True Color – правдивый цвет).

отражения                                                                                                                      света

Занятие 8                                                                                            Конспекты для студентов 1 курса

бумаги. В этой модели основные цвета: Cyan – голубой, Magenta – пурпурный, Yellow – жёлтый, blacK – чёрный. Совмещение всех трёх цветов практически полностью поглощает падающий свет, и изображение получается очень тёмным.

Представление графической информации в компьютере можно разделить на следующие виды: растровое, векторное, фрактальное и объёмное. Рассмотрим подробнее два вида представления графической информации: растровый и векторный.

Растровая графика чаще всего используется в электронных и полиграфических изданиях, например, практически вся графика в Интернете растровая. При кодировании изображения происходит, так называемая, пространственная дискретизация – перевод  графического изображения в цифровой компьютерный формат путём разбиения изображения на отдельные маленькие фрагменты - пиксели (точки), где каждому элементу присваивается код цвета (красный, зеленый, синий и так далее). То есть, каждый пиксель имеет кодировку цвета (в том числе его глубины) и координаты.

Для ввода растровых изображений в компьютер обычно применяют сканер, цифровые видео- и фотокамеры. Достоинство растровой графики – эффективное представление изображений фотографического качества, а основными недостатками является большой объём занимаемой памяти и искажение при масштабировании. Растровая графическая информация сохраняется в памяти компьютера в виде файлов. Существуют разные форматы растровых графических файлов: BMP, TIFF, JPEG , GIF, PNG  и другие. 

Векторная графика основным элементом имеет не точку, как растровая, а линию (прямую, кривую). Линии могут быть соединены в более сложные объекты – графические примитивы (треугольники, окружности, прямоугольники и т.п.). Каждый раз при выводе линии на экран происходит вычисление координат и цветности точек, из которых и строится линия.

Иногда векторную графику так и называют вычисляемой, так как

в       основе          представлений       линийобъектов       лежат математические формулы. Векторный рисунок можно «разобрать» на части, растащив мышкой его элементы, а потом снова собрать полное изображение.

 Достоинством   векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объём. Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества. Файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют, например, форматы WMF, CGM, CDR, SVG.

3. Представление звуковой информации в компьютере.  

Давайте      разберёмся, как     можно закодировать звук. Звук – это механическая волна, распространяющаяся в упругой среде, например, звуковые колебания воздуха. В компьютер звук вводят при помощи специальных устройств     –        микрофонов,        которые преобразовывают механическую        волну в непрерывный       (аналоговый)       электрический сигнал – колебания электрического тока (пример смотри на рисунке справа). Выход микрофона подключается к порту звуковой карты, задача которой      производить измерения    уровня звукового сигнала с определённой частотой и результаты измерений записывать в память компьютера в виде цифрового кода. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Промежуток времени между двумя измерениями называется периодом измерений – τ с.

Занятие 8                                                                                            Конспекты для студентов 1 курса

(τ - греческая буква тау). 

Обратная величина H=1/τ называется частотой дискретизации. Измеряется в Гц (1 Герц=1 с^-1). Чем выше значение частоты дискретизации, тем лучше качество оцифровки звука. Хорошее качество записи звука получается при частотах дискретизации 44,1 кГц и выше.

Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ обработки звука – редакторов звука. Качество воспроизведения закодированного звука зависит от: частоты дискретизации и глубины кодирования звука. Глубина кодирования звука – это длина двоичного кода, который будет представлять в памяти компьютера амплитуду (громкость) сигнала. Процесс дискретизации амплитуды звука называют квантованием звука. Количество уровней квантования звука K связано с битовой глубиной кодирования звука (разрядность квантования) b формулой: 𝑲 = 𝟐^𝒃.  

Современные 16-битные звуковые карты кодируют 2¹⁶ = 65 536 различных уровней громкости или 16-битную глубину звука (каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код).  

Дискретное цифровое представление аналогового звукового сигнала тем точнее его отражает, чем выше частота дискретизации и разрядность квантования.

Рассчитать объём записанной информации можно по формуле:

𝑰 = 𝑯 ∙ 𝒕 ∙ 𝒃 или   𝑰 = 𝑵 ∙ 𝒕

H – частота дискретизации;

N – количество произведённых измерений звукового сигнала; b – глубина кодирования звука (разрядность квантования); t – время звучания (с).

Форматы звуковых файлов: WAV, MP3, AAC, WMA и другие.  В последнее время компьютер всё чаще используется для работы с видеоинформацией. Простейшей такой работой является просмотр кинофильмов и видеоклипов. Следует чётко представлять, что 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 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные.

Контрольные вопросы:

1.       Что представляют собой процессы кодирования и декодирования информации?

2.       Почему оказалось удобным двоичное представление информации в компьютере?

3.       Как представляется текстовая информация  в памяти компьютера? Что такое кодовая таблица?

4.       Сколько символов можно закодировать при помощи 7-разрядного двоичного кода? 8-разрядного?            2-байтного?

5.       Что такое пиксель? Каковы основные характеристики монитора? От чего зависит качество изображения?

6.       В чём принципы кодирования графической информации? Цвета? Что такое глубина цвета?

7.       Какие цветовые модели используют в компьютере для представления цвета?

8.       Чем отличается растровая графика от векторной? В чём преимущества одной по сравнению с другой?

9.       При помощи какого устройства вводят звук в компьютер? Какой сигнал при этом получается?

10.   Что такое оцифровка звука?

11.   Что такое период измерений? Частота дискретизации? Глубина кодировки звука? Квантование звука?

12.   Выучите формулы, связывающие перечисленные в 11 вопросе величины, их обозначения и единицы измерения.

Используемые источники:

1.     Семакин И.Г. Информатика. Базовый уровень: учебник для 10 класса / И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер, Т.Ю. Шеина.-3е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014

2.     Семакин И.Г. Информатика. Углублённый уровень: учебник для 10 класса: в 2 ч. Ч. 2 / И.Г. Семакин, Е.К., Т.Ю. Шеина, Л.В. Шестакова.-3-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014

3.     Поляков К.Ю., Шестаков А.П., Еремин Е.А. Информатика и ИКТ. 10 класс: профильный уровень -  Учебник. — М.: Сети, 2011. — 274 с.

4.     Информатика и ИКТ: учебник для начального и среднего профессионального образования. Цветкова Н.С., Великович Л.С. – Академия, 2013 г.