Кодирование графической информации

Кодирование текстовой информации

Всякий текст – это набор знаков. Но компьютер не может различать знаки, он “понимает” только язык электрических сигналов. Поэтому каждый знак в компьютере закодирован некоторой неповторимой последовательностью электрических сигналов, а им, в свою очередь, установлено цифровое соответствие – код. Нажимая на клавишу клавиатуры, мы посылаем такой код в память компьютера, затем процессор ищет ему соответствие и выдаёт необходимый знак на экран монитора.

Процесс преобразования в компьютере текстовой информации в цифровую форму и обратно называют текстовым кодированием. Таким образом, человек различает знаки по их начертанию, а компьютер – по их коду.

Коды составляют таблицу кодировки, к которой и обращается процессор при обработке текстов. В этой таблице для представления любого текста предусмотрено 2⁸ (256) знаков, что составляет машинный алфавит. Первые 33 кода таблицы (с 0 по 32) отведены не для знаков, а для операций (перевод строки, ввод пробела и т. д.). Коды с 33 по 127 – интернациональные и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам препинания и знакам арифметических действий. Коды с 128 по 255 являются национальными, то есть в нашей стране отведены для знаков кириллицы.

На сегодняшний день существует универсальная таблица кодировки – ASCII (American Standart Code for Information Interchange). Но она не единственная. Для русских букв существует несколько кодировок, среди которых: СР1251 (Windows), СР866, КОИ-8 (MS-DOS). В последнее время появился новый международный стандарт Unicode, который позволяет кодировать 2¹⁶ (65536) символов.

Кодирование графической информации

Графическая информация в зависимости от способа формирования на экране монитора бывает растровой и векторной.

Растровое изображение похоже на лист клетчатой бумаги, на котором каждая клетка закрашена определённым цветом (и это роднит его с мозаикой, витражами, вышивкой крестом, рисованием «по клеточкам»). Растровая графика предполагает, что изображение состоит из элементарных частей, называемых пикселями («точками»). Они упорядочены по строкам. Количество таких строк на экране образует графическую сетку или растр. Таким образом, растровое изображение – это набор пикселей, расположенных на прямоугольной сетке.

Чем меньше пиксель и больше растр у монитора, тем качественнее его изображение. Наибольшее распространение в современных мониторах получили размеры сетки:
800х600,
1024х768,
1152х864.

Важной характеристикой монитора является также разрешающая способность экрана. Она измеряется как количество пикселей на единицу длины, dpi (dots per inch – «точка на дюйм»). Для экрана обычно это 72 или 96 dpi, (для сравнения - у лазерного принтера – 600 dpi). Чем больше dpi, тем меньше "зернистость" монитора, лучше качество изображения.

Не менее важным признаком изображения является количество цветов, обеспечиваемое видеокартой. Его можно менять программно (в пределах возможностей видеокарты), выбирая режим цветного изображения:
- чёрно-белое или битовое (0 – белый цвет, 1 – чёрный цвет);
- 16 цветов (4 бита информации в пикселе, 24);
- 256 цветов (8 бит информации в пикселе, 28);
- high color (16 бит информации в пикселе, 65 536 цветов);
- true color (32 бита информации в пикселе, 16 777 216 цветов).

Количество различных цветов Ки количество битов для их кодирования bсвязаны формулой К=2^b

Так же, как в телевизоре, в мониторе компьютера цветное изображение строится при помощи трёх основных цветов. RGB (аббревиатура английских слов Red, Green, Blue — красный, зелёный, синий) — цветовая модель, описывающая способ синтеза цвета.

В зависимости от разрешения экрана и количества установленных цветов для преобразования изображений в двоичный код требуется некоторый объём памяти. Например, для сетки 800х600 и цветности high color требуется:
800х600х16бит = 480000х2байт - около 1 мегабайта. Это -видеопамять. Её предоставляет видеоадаптер в дополнение к имеющейся внутренней памяти ПК. Из неё цифровое изображение считывается процессором с частотой не реже 50 раз в секунду (50 Гц) и отображается на экране. Таким образом, от возможностей видеоадаптера и монитора во многом зависит построение изображения на экране и его качество.

Кодирование звука

Звук – это явление аналогового (непрерывного) характера. Колебания воздуха вызывают звуковые волны, которые могут быть представлены графиком в виде синусоиды. Но для представления звука в ПК исходный непрерывный звуковой сигнал надо разбить на части, чтобы закодировать - оцифровать. Чем мельче частицы (больше разбиений), тем точнее передача звука, меньше потери его качества (хотя полностью этого избежать нельзя).

Качество кодирования определяется частотой дискретизации и уровнем кодирования.

Частота дискретизации – это количество измерений уровня сигнала в единицу времени (секунду). Она может находиться в пределах от 8000 до 48000, то есть от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество цифрового звука сравнимо со звуком радиотрансляции, а при 44,1 кГц (48 кГц) – со звуком аудио CD.

Одновременно с временной дискретизацией (частотой) выполняется и амплитудная, то есть измерение значений амплитуды и их представление в виде чисел с определенной точностью (квантование). Эта величина называется уровнем кодирования звукаи обычно составляет 16 бит, то есть каждому значению амплитуды звуковой волны соответствует двоичное число в 16 разрядов.

При оцифровке звука возможны моно- и стереорежимы. Получаемый поток двоичных чисел, описывающий звуковой сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (PCM - Pulse Code Modulation). Такое преобразование звука происходит в аудиоадаптерах (звуковых картах), специальных устройствах расширения, которыми нужно оснастить аппаратную составляющую мультимедиа. Будучи преобразован в цифровую форму, звуковой сигнал "застывает" - в этом виде он уже не подвержен изменениям при хранении и копировании, как обычная аналоговая запись. Если с цифровым звуковым сигналом обращаться аккуратно - его можно хранить вечно и копировать любое число раз без какой-либо потери качества.

Количество информации 1 Количество информации как мера уменьшения неопределенности знания. (Содержательный подход к определению количества информации) Процесс познания окружающего мира приводит к накоплению информации в форме знаний (фактов, научных теорий и т. д.). Получение новой информации приводит к расширению знаний или, как иногда говорят, к уменьшению неопределенности знания. Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности нашего знания, то можно говорить, что такое сообщение содержит информацию. Например, после сдачи зачета или выполнения контрольной работы вы мучаетесь неопределенностью, вы не знаете, какую оценку получили. Наконец, учитель объявляет результаты, и вы получаете одно из двух информационных сообщений: "зачет" или "незачет", а после контрольной работы одно из четырех информационных сообщений: "2", "3", "4" или "5". Информационное сообщение об оценке за зачет приводит к уменьшению неопределенности вашего знания в два раза, так как получено одно из двух возможных информационных сообщений. Информационное сообщение об оценке за контрольную работу приводит к уменьшению неопределенности вашего знания в четыре раза, так как получено одно из четырех возможных информационных сообщений. Ясно, что чем более неопределенна первоначальная ситуация (чем большее количество информационных сообщений возможно), тем больше мы получим новой информации при получении информационного сообщения (тем в большее количество раз уменьшится неопределенность знания). Количество информации можно рассматривать как меру уменьшения неопределенности знания при получении информационных сообщений. Рассмотренный выше подход к информации как мере уменьшения неопределенности знания позволяет количественно измерять информацию. Существует формула, которая связывает между собой количество возможных информационных сообщений N и количество информации I, которое несет полученное сообщение: N = 2i (1.1) Бит. Для количественного выражения любой величины необходимо сначала определить единицу измерения. Так, для измерения длины в качестве единицы выбран метр, для измерения массы - килограмм и т. д. Аналогично, для определения количества информации необходимо ввести единицу измерения. За единицу количества информации принимается такое количество информации, которое содержится в информационном сообщении, уменьшающем неопределенность знания в два раза. Такая единица названа битом. Если вернуться к рассмотренному выше получению информационного сообщения о результатах зачета, то здесь неопределенность как раз уменьшается в два раза и, следовательно, количество информации, которое несет сообщение, равно 1 биту. Производные единицы измерения количества информации. Минимальной единицей измерения количества информации является бит, а следующей по величине единицей - байт, причем: 1 байт = 8 битов = 23 битов. В информатике система образования кратных единиц измерения несколько отличается от принятых в большинстве наук. Традиционные метрические системы единиц, например Международная система единиц СИ, в качестве множителей кратных единиц используют коэффициент 10n, где n = 3, 6, 9 и т. д., что соответствует десятичным приставкам "Кило" (103), "Мега" (106), "Гига" (109) и т. д. В компьютере информация кодируется с помощью двоичной знаковой системы, и поэтому в кратных единицах измерения количества информации используется коэффициент 2n Так, кратные байту единицы измерения количества информации вводятся следующим образом: 1 килобайт (Кбайт) = 210 байт = 1024 байт; 1 мегабайт (Мбайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайт; 1 гигабайт (Гбайт) = 210 Мбайт = 1024 Мбайт. Контрольные вопросы 1. Приведите примеры информационных сообщений, которые приводят к уменьшению неопределенности знания. 2. Приведите примеры информационных сообщений, которые несут 1 бит информации. Определение количества информации Определение количества информационных сообщений.По формуле (1.1) можно легко определить количество возможных информационных сообщений, если известно количество информации. Например, на экзамене вы берете экзаменационный билет, и учитель сообщает, что зрительное информационное сообщение о его номере несет 5 битов информации. Если вы хотите определить количество экзаменационных билетов, то достаточно определить количество возможных информационных сообщений об их номерах по формуле (1.1): N = 25 = 32. Таким образом, количество экзаменационных билетов равно 32. Определение количества информации. Наоборот, если известно возможное количество информационных сообщений N, то для определения количества информации, которое несет сообщение, необходимо решить уравнение относительно I. Представьте себе, что вы управляете движением робота и можете задавать направление его движения с помощью информационных сообщений: "север", "северо-восток", "восток", "юго-восток", "юг", "юго-запад", "запад" и "северо-запад" (рис. 1.11). Какое количество информации будет получать робот после каждого сообщения? Рис. 1.4. Управление роботом с использованием информационных сообщений   Всего возможных информационных сообщений 8, поэтому формула (1.1) принимает вид уравнения относительно I: 8 = 2I. Разложим стоящее в левой части уравнения число 8 на сомножители и представим его в степенной форме: 8 = 2 × 2 × 2 = 23. Наше уравнение: 23 = 2I. Равенство левой и правой частей уравнения справедливо, если равны показатели степени числа 2. Таким образом, I = 3 бита, т. е. количество информации, которое несет роботу каждое информационное сообщение, равно 3 битам.