Двоичное кодирование

Информация и информационные процессы

2

Двоичное кодирование в компьютереВся информация, которую обрабатывает компьютер

должна быть представлена двоичным кодом с помощью двух цифр: 0 и 1. Эти два символа принято называть двоичными цифрами или битами

В компьютере обязательно должно быть организованно : кодирование и декодирование

Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т.е. двоичный код

Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человекуПривет! 1001011

3

Почему двоичное кодированиеУдобно 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.Недостаток двоичного кодирования – длинные коды.

Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных.

Способы кодирования и декодирования информации в компьютере, в первую очередь, зависит от вида информации, а именно, что должно кодироваться: числа, текст, графические изображения или звук.

Двоичное кодирование графической информации

5

Аналоговая и дискретная форма представления информацииЧеловек способен воспринимать и хранить информацию в

форме образов (зрительных, звуковых, осязательных, вкусовых и обонятельных). Зрительные образы могут быть сохранены в виде изображений (рисунков, фотографий и так далее), а звуковые — зафиксированы на пластинках, магнитных лентах, лазерных дисках и так далее

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме

При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно

При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно

6

Аналоговая и дискретная форма представления информацииПример аналогового и дискретного

представления информации: положение тела на наклонной плоскости и на лестнице задается значениями координат X и У

При движении тела по наклонной плоскости его координаты могут принимать бесконечное множество непрерывно изменяющихся значений из определенного диапазона, а при движении по лестнице — только определенный набор значений, причем меняющихся скачкообразно

7

ДискретизацияПримером аналогового представления графической информации

живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного — изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета

Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью)

Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода

Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов

Двоичное кодирование графической изображений

9

Виды компьютерных изображений

ИЗО БРАЖ ЕНИЯ

РАС ТРО ВЫ Е ВЕК ТО РНЫ Е

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение

Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования

10

Кодирование растровых изображенийРастровое изображение представляет

собой совокупность точек (пикселей) разных цветов

Пиксель - минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом.

В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация: изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета (красный, зеленый, синий и так далее)

Качество изображения зависит от количества точек (чем меньше размер точки и, соответственно, больше их количество, тем лучше качество) и количества используемых цветов (чем больше цветов, тем качественнее кодируется изображение)

11

Цветовые модели

Для представления цвета в виде числового кода используются две обратных друг другу цветовые модели:

Модель RGB используется в телевизорах, мониторах, проекторах, сканерах, цифровых фотоаппаратах… Основные цвета в этой модели: красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue)

Цветовая модель CMYK используется в полиграфии при формировании изображений, предназначенных для печати на бумаге

12

Цветовая модель RGB

Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемых для кодирования цвета точки

Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами (по одному биту на каждый цвет RGB), то мы получим все восемь различных цветов

13

True ColorНа практике же, для сохранения информации о цвете

каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (т.е. 24 бита) - по 1 байту (т.е. по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей

Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 28=256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из 16 777 216 цветов

Такой набор цветов принято называть True Color (правдивые цвета), потому что человеческий глаз все равно не в состоянии различить большего разнообразия

14

Вычислим объем видеопамятиДля того чтобы на экране монитора

формировалось изображение, информация о каждой точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера

Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов

В современных компьютерах разрешение экрана обычно составляет 1280х1024 точек. Т.е. всего 1280 * 1024 = 1310720 точек.

При глубине цвета 32 бита на точку необходимый объем видеопамяти: 32 *1310720 = 41943040 бит = 5242880 байт = 5120 Кб = 5 Мб

15

Кодирование векторных изображений Векторное изображение представляет собой совокупность

графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды

Достоинством векторной графики является то, что файлы, хранящие векторные графические изображения, имеют сравнительно небольшой объем

Важно также, что векторные графические изображения могут быть увеличены или уменьшены без потери качества

16

Графические форматы файлов Форматы графических файлов определяют способ

хранения информации в файле (растровый или векторный), а также форму хранения информации (используемый алгоритм сжатия)

Наиболее популярные растровые форматы: BMP GIF JPEG TIFF PNG

17

Графические форматы файлов Bit MaP image (BMP) — универсальный формат

растровых графических файлов, используется в операционной системе Windows. Поддерживается многими графическими редакторами, в том числе редактором Paint. Рекомендуется для хранения и обмена данными с другими приложениями

Tagged Image File Format (TIFF) — формат растровых графических файлов, поддерживается всеми основными графическими редакторами и компьютерными платформами. Включает в себя алгоритм сжатия без потерь информации. Используется для обмена документами между различными программами. Рекомендуется для использования при работе с издательскими системами

18

Графические форматы файлов Graphics Interchange Format (GIF) — формат растровых графических

файлов, поддерживается приложениями для различных операционных систем. Включает алгоритм сжатия без потерь информации, позволяющий уменьшить объем файла в несколько раз. Рекомендуется для хранения изображений, создаваемых программным путем (диаграмм, графиков и так далее) и рисунков (типа аппликации) с ограниченным количеством цветов (до 256). Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете

Portable Network Graphic (PNG) — формат растровых графических файлов, аналогичный формату GIF. Рекомендуется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете

Joint Photographic Expert Group (JPEG) — формат растровых графических файлов, который реализует эффективный алгоритм сжатия (метод JPEG) для отсканированных фотографий и иллюстраций. Алгоритм сжатия позволяет уменьшить объем файла в десятки раз, однако приводит к необратимой потере части информации. Поддерживается приложениями для различных операционных систем. Используется для размещения графических изображений на Web-страницах в Интернете

19

Вопросы и задания:

Какие виды компьютерных изображений вы знаете?

Какое максимальное количество цветов может быть использовано в изображении, если на каждую точку отводится 3 бита?

Что вы знаете о цветовой модели RGB?

Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического режима: разрешение экрана 800х600, качество цветопередачи 16 бит.

20

Кодирование звука

Звук – волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой: чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон

Сложные непрерывные звуковые сигналы можно с достаточной точностью представлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных колебаний

Каждая синусоида, может быть точно задана некоторым набором числовых параметров – амплитуды, фазы и частоты, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени

21

Временная дискретизация звукаВ процессе кодирования

звукового сигнала производится его временная дискретизация – непрерывная волна разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды

Таким образом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости

22

Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Частота дискретизации – количество измерений уровня сигнала в единицу времени

Количество уровней громкости определяет глубину кодирования. Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. При этом количество уровней громкости равно N = 2I = 216 = 65536

23

Представление видеоинформацииОбработка 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

24

Представление видеоинформацииПри использовании традиционных методов

сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой

Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком (в литературе его принято называть ключевым), а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры)

25

Некоторые форматы видеофайловСуществует множество различных форматов представления

видеоданных. Video for Windows, базирующийся на универсальных файлах с

расширением AVI (Audio Video Interleave – чередование аудио и видео)

Все большее распространение в последнее время получают системы сжатия видеоизображений, допускающие некоторые незаметные для глаза искажения изображения с целью повышения степени сжатия. Наиболее известным стандартом подобного класса служит MPEG (Motion Picture Expert Group). Методы, применяемые в MPEG, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику

Большее распространение получила технология под названием DivX (Digital Video Express). Благодаря DivX удалось достигнуть степени сжатия, позволившей вмесить качественную запись полнометражного фильма на один компакт-диск – сжать 4,7 Гб DVD-фильма до 650 Мб

26

Форматы звуковых файлов MIDI - запись музыкальных произведений в виде команд синтезатору,

компактны, голос человека не воспроизводят, (соответствуют векторному представлению в графике)

WAV – универсальный звуковой формат, в нем хранится полная информация об оцифрованном звуке (соответствует формату bmp в графике). Занимает очень большой объем памяти (15 Мбайт на 1 минуту звучания)

MP3 – формат сжатия аудиоинформации с регулируемой потерей информации, позволяет сжимать файлы в несколько раз в зависимости от заданного битрейта (в среднем в 11 раз). Даже при самом высоком битрейте – 320 кбит/сек – обеспечивает 4-кратное сжатие по сравнению с компакт-дисками

APE – формат сжатия аудиоинформации без потери информации (а следовательно – качества) , коэффициент сжатия около 2

27

МультимедиаМультимедиа (multimedia, от англ. multi - много и media -

носитель, среда) - совокупность компьютерных технологий, одновременно использующих несколько информационных сред: текст, графику, видео, фотографию, анимацию, звуковые эффекты, высококачественное звуковое сопровождени

Под словом «мультимедиа» понимают воздействие на пользователя по нескольким информационным каналам одновременно. Мультимедиа – это объединение изображения на экране компьютера (в том числе и графической анимации и видеокадров) с текстом и звуковым сопровождением

Наибольшее распространение системы мультимедиа получили в области обучения, рекламы, развлечений

28

Двоичное кодирование текстовой информацииНачиная с 60-х годов, компьютеры все

больше стали использовать для обработки текстовой информации и в настоящее время большая часть ПК в мире занято обработкой именно текстовой информации.

Традиционно для кодирования одного символа используется количество информации = 1 байту (1 байт = 8 битов).

29

1 символ – 1 байт (8 бит)

Для кодирования одного символа требуется один байт информации

Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, получаем, что с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов

28=256

30

Двоичное кодирование текстовой информацииКодирование 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

31

Таблица кодировки

Таблица, в которой всем символам компьютерного алфавита поставлены в соответствие порядковые номера (коды), называется таблицей кодировки

Для разных типов ЭВМ используются различные кодировки. С распространением IBM PC международным стандартом стала таблица кодировки ASCII (American Standart Code for Information Interchange) – Американский стандартный код для информационного обмена

32

Таблица кодировки ASCIIСтандартной 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.

33

Кодовая таблица ASCII

34

КОИ8 («Код обмена информацией, 8-битный»)

35

Наиболее распространенной в настоящее время является кодировка Microsoft Windows, обозначаемая сокращением CP1251 ("CP" означает "Code Page",

"кодовая страница").

36

От начала 90-ых годов, времени господства операционной системы MS DOS, остается кодировка CP866.

37

Компьютеры фирмы Apple, работающие под управлением операционной системы Mac OS, используют свою собственную

кодировку Mac.

38

Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) утвердила в качестве стандарта для русского языка еще одну

кодировку под названием ISO 8859-5.

39

40

Таблица расширенного кода ASCIIКодировка Windows-1251 (CP1251)

41

Информационный объем текстаСегодня 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

Пусть небольшая книжка, сделанная с помощью компьютера, содержит 150 страниц; на каждой странице — 40 строк, в каждой строке — 60 символов. Значит страница содержит 40x60=2400 байт информации. Объем всей информации в книге: 2400 х 150 = 360 000 байт

42

Обратите внимание!

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 (см. урок «представление чисел в компьютере»).

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.

43

Вопросы и задания: В чем заключается кодирование текстовой

информации в компьютере? Закодируйте с помощью ASCII-кода свою

фамилию, имя, номер класса. Какое сообщение закодировано в кодировке

Windows-1251: 0011010100100000111000011110000011101011111010111110111011100010

Считая, что каждый символ кодируется одним байтом, оцените информационный объем следующего предложения из пушкинского четверостишия:Певец-Давид был ростом мал, Но повалил же Голиафа!

44

Вопросы и задания: Рассчитайте необходимый объем видеопамяти для графического

режима: разрешение экрана 800х600, качество цветопередачи 16 бит.

Для хранения растрового изображения размером 64*64 пикселя отвели 1,5 Кб памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

Укажите минимальный объем памяти (в Кб), достаточный для хранения любого растрового изображения размером 64*64 пикселя, если известно, что в изображении используется палитра из 256 цветов. Саму палитру хранить не нужно.

Сколько секунд потребуется модему, передающему сообщения со скоростью 28800бит/с, чтобы передать цветное растровое изображение размером 800*600 пикселей, при условии, что в палитре 16 миллионов цветов?

Сканируется цветное изображение размером 10*10 см. Разрешающая способность сканера – 1200*1200 dpi, глубина цвета – 24 бита. Какой информационный объем будет иметь полученный графический файл?