Кодирование информации

Разбор 7 задания ЕГЭ по информатике

7-е задание: «Кодирование графической и звуковой информации, объем и передача информации»
Уровень сложности — базовый,
Требуется использование специализированного программного обеспечения — нет,
Максимальный балл — 1,
Примерное время выполнения — 5 минут.

Проверяемые элементы содержания: Умение определять объём памяти, необходимый для хранения графической и звуковой информации

«Если вычисления получаются слишком громоздкими, значит, Вы неправильно решаете задачу. Удобно выделить во всех множителях степени двойки, тогда умножение сведётся к сложению
показателей степеней, а деление – к вычитанию»

Зачем кодировать информацию?

Во-первых, необходимо ответить на вопрос для чего кодировать информацию? Дело в том, что компьютер способен обрабатывать и хранить только лишь один вид представления данных – цифровой. Поэтому любую входящую в него информацию необходимо переводить в цифровой вид.

Чтобы все компьютеры могли однозначно понимать тот или иной текст, необходимо использовать общепринятые стандарты кодирования текста. В прочих случаях потребуется дополнительное перекодирование или несовместимость данных.

ASCII

Самым первым компьютерным стандартом кодирования символов стал ASCII (полное название — American Standart Code for Information Interchange). Для кодирования любого символа в нём использовали всего 7 бит. Как вы помните, что закодировать при помощи 7 бит можно лишь 27 символов или 128 символов. Этого достаточно, чтобы закодировать заглавные и прописные буквы латинского алфавита, арабские цифры, знаки препинания, а так же определенный набор специальных символов, к примеру, знак доллара — «$». Однако, чтобы закодировать символы алфавитов других народов (в том числе и символов русского алфавита) пришлось дополнять код до 8 бит (28=256 символов). При этом, для каждого языка использовалась свой отдельная кодировка.

UNICODE

Нужно было спасать положение в плане совместимости таблиц кодировки. Поэтому, со временем были разработаны новые обновлённые стандарты. В настоящее время наиболее популярной является кодировка под названием UNICODE. В ней каждый символ кодируется с помощью 2-х байт, что соответствует 216=62536 разным кодам.

Графическая информация

Из курса информатики 7 — 9 классов вы знакомы с общими принципами компьютерной графики, с графическими технологиями. Здесь мы немного подробнее, чем это делалось раньше, рассмотрим способы представления графических изображений в памяти компьютера.

Принцип дискретности компьютерных данных справедлив и для графики. Здесь можно говорить о дискретном представлении изображения (рисунка, фотографии, видеокадров) и дискретности цвета.

Методы кодирования данных

Потребность в создании способов кодирования данных возникла с появлением первых ЭВМ. Изобретение таких методов на тот период времени могло бы поспособствовать возможности преобразования информации любого типа. Такая необходимость и повлияла на большое количество научных открытий мирового масштаба. Но сам интерес к шифрованию появился значительно раньше. Самыми первыми и наиболее известными методами кодирования являются письменность и математика, в том числе, и ее раздел – арифметика. Они позволяют представить речь или числовые данные.

Метод кодирования очень удобен, а сама информация в чистом виде не встречается. Закодированной она должна быть в любом случае. Система двоичных чисел используется для кодировки информации наиболее часто. Ее можно наблюдать в ЭВМ, а также при работе устройств числового программного управления (УЧПУ) станками, режущими по металлу и другим материалам. Интересно, что двоичная система используется и в роботизированных комплексах.

Представление и устройство памяти персонального компьютера

Скорее всего, вы знаете, что внутренняя память компьютера состоит из двух частей – оперативной и основной:

• Оперативная — энергозависимая часть персональной компьютерной системы, в которой хранятся входные, выходные и промежуточные данные обрабатываемые процессором.
• Основная — представляется энергонезависимыми устройствами, предназначенных для хранения пользовательских типов данных (текстовых, звуковых, графических и др.) В качестве устройств для хранения используют HDD и SSD носители.

Чтобы иметь представление, как работает внутренняя память компьютера, и как её использовать, нужно заглянуть внутрь системного блока. Здесь можно провести аналогию с тетрадным листом “в клеточку”. Каждая клетка содержит в себе одно из двух состояний – 0 или 1. Если в ячейке стоит 1, то это говорит о том, что данная ячейка внутренней памяти включена, если 0, то выключена. Этот способ представления информации называется цифровым кодированием.

Каждая ячейка внутренней памяти ПК хранит в себе единицу информации, которая называется битом. Составляя различные последовательности из битов, мы можем определить различную информацию. У цифрового кодирования много преимуществ – легко копировать и переносить материалы с одного носителя на другой. При создании дубликата копия полностью идентична оригиналу, что невозможно осуществить с данными, которые представлены в аналоговой форме. Из-за большого количества преимуществ в 80-х годах 20 века люди начали использовать способы представления текста, звука и фото с помощью цифр.

Примеры кодирования и декодирования чисел

Предлагаем рассмотреть 2 способа кодировки числа 45. Если эта цифра встречается в пределах текстового фрагмента, то каждая ее составляющая будет закодирована, согласно таблице стандартов ASCII, 8 битами. Четверка превратится в 01000011, а пятерка – в 01010011.

Если число 45 используется для вычислений, то будет задействована специальная методика преобразования в восьмиразрядный двоичный код 001011012, для хранения которого нужен будет всего лишь 1 байт.

Способы кодирования информации

Одна и та же информация может быть представлена разными кодами, иначе говоря, в разных формах.

Люди выработали множество форм представления информации. К ним относятся: разговорные языки (русский, английский, немецкий — всего более 2000 языков), язык мимики и жестов, язык рисунков и чертежей, научные языки (например, язык математики), языки искусства (музыка, живопись, скульптура), специальные языки (азбука Брайля, азбука Морзе, флажковая азбука).

Способ кодирования (форма представления) информации зависит от цели, ради которой осуществляется кодирование. Такими целями могут быть сокращение записи, засекречивание (шифровка) информации, удобство обработки и т. п.

Чаще всего применяют следующие способы кодирования информации:

1. графический — с помощью рисунков или значков;
2. числовой — с помощью чисел;
3. символьный — с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст.

Переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки, также называют кодированием.

Действия по восстановлению первоначальной формы представления информации принято называть декодированием. Для декодирования надо знать код.

Кодирование звуковой информации

В настоящее время компьютер широко используется в различных областях. Обработка звуковой информации, музыка не была исключением. Если есть компьютер со студийной звуковой картой, MIDI-клавиатурой и прикрепленным микрофоном, то можно работать со специальным музыкальным программным обеспечением.

А как же кодирование звука? В настоящее время существует, по сути, два способа записи звука: аналоговый и цифровой. Но чтобы записать звук на носителе, нужно преобразовать его в электрический сигнал.

Это делается с помощью микрофона. Самые простые микрофоны имеют мембрану, которая вибрирует при воздействии звуковых волн. К мембране прикреплена катушка, которая движется в магнитном поле синхронно с мембраной. В катушке генерируется переменный электрический ток. Изменения текущего напряжения точно отражают звуковые волны.

Переменный электрический ток, который появляется на выходе микрофона называется аналоговым сигналом. В случае электрического сигнала «аналоговый» означает, что сигнал является непрерывным во времени и амплитуде. Она точно отражает форму звуковой волны, распространяющейся в воздухе.

Аудиоинформация может быть представлена в дискретном или аналоговом виде. Их отличие состоит в том, что при дискретном представлении информации физическая величина резко изменяется («лестница»), беря окончательный набор значений. Если информация представлена в аналоговом виде, то физическое значение может занимать бесконечное число значений, которые постоянно меняются.

Виниловая пластинка является примером аналогового хранения звуковой информации, поскольку звуковая дорожка постоянно меняет свою форму. Но аналоговая запись на магнитной ленте имеет большой недостаток — старение носителя. Через год звуковой носитель, имеющий нормальный высокочастотный уровень, может потерять его. Виниловые пластинки несколько раз теряют качество во время воспроизведения. Значит, преимущество — цифровая запись.

Давайте вкратце рассмотрим процессы преобразования звука из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Примерное представление о том, что происходит в звуковой карте, может помочь избежать некоторых ошибок при работе со звуками.

Звуковые волны преобразуются микрофоном в аналоговый переменный электрический сигнал. Он проходит по звуковому тракту и входит в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), устройство, которое оцифровывает сигнал.

Проще говоря, принцип работы АЦП выглядит следующим образом: Он измеряет амплитуду сигнала через определенные интервалы времени и уже в цифровом виде передает числовую последовательность с информацией об амплитудных изменениях.

При аналого-цифровом преобразовании не происходит физического преобразования. Из электрического сигнала, как будто снимается отпечаток пальца или образец, который представляет собой цифровую модель колебаний напряжения в аудио тракте. При отображении в виде графика данная модель представляется в виде последовательности колонок, каждая из которых соответствует определенному числовому значению. Цифровой сигнал по своей природе дискретный, то есть прерывистый, поэтому цифровая модель не совсем соответствует форме аналогового сигнала.

Образец — это временной интервал между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала.

Verbatim Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и технической терминологии это слово имеет несколько значений. В дополнение к периоду времени под термином «образец» понимается любая последовательность цифровых данных, полученных путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называется выборочным. В русской терминологии это называется дискретизацией.

Цифровой звук выводится с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основе цифровых данных, полученных в соответствующее время, генерирует электрический сигнал с требуемой амплитудой.

3 Кодирование графической информации

Человеческий глаз воспринимает цветовую информацию в диапазоне волн примерно от 380 нм (синий цвет) до 770 нм (красный цвет). Причем наилучшую чувствительность имеет в районе 520 нм (зеленый цвет). Глаз реагирует на три различных цветовых составляющих. Глаз реагирует на три различных составляющих.

Кодирование изображения подразумевает процесс его дискретизации, т.е. разбиения на отдельные составляющие. Таким образом, графическое изображение представляет собой мозаику, каждому элементу которой соответствует определенный цвет. Качество изображения напрямую зависит от кодирования, а именно – от размера точки и размера применяемой палитры цветов. Чем меньше размер точки – тем выше качество изображения, а чем богаче палитра – тем более натуральным оно является.

Рассмотрим классификацию изображений. В первую очередь они делятся на растровые и векторные.

Растровое изображение представляет собой сетку из пикселей, каждому из которых соответствует определенная позиция и цвет[7]. Подавляющее большинство изображений являются растровыми. Их основными преимуществами являются:

• растровая графика предоставляет возможность создания изображения крайне высокой сложности;
• растровая графика очень широко распространена и используется практически повсеместно;
• растровая графика легко поддаётся редактированию и обработке;
• растровые графические форматы являются естественными для большого количества устройств, работающих с графикой – принтеров, сканеров, фотоаппаратов.

Разумеется, наряду с преимуществами, растровая графика имеет свои недостатки:

• масштабирование без потерь является трудновыполнимой задачей, качество зависит от разрешения изображения напрямую;
• простые изображения занимают большое количество дискового пространства;
• растровые изображения нельзя выводить на печать векторных графопостроителей.

Векторная графика — методика представления графической информации, базирующаяся на математическом описании различных геометрических единиц (примитивов), таких как: точки, отрезки, кривые, различные геометрические фигуры и другие[8].

Основными преимуществами векторной графики являются:

• объём данных, который занимает описательная часть файла изображения, совершенно не имеет зависимости от действительных размеров описываемого объекта, благодаря чему появляется возможность описывать огромные объекты в файлах малого размера. К примеру, для того чтобы описать окружность, требуется лишь задать три числа (если не брать в расчёт дополнительные атрибуты);
• ввиду того, что данные объекта хранятся в форме описания, можно масштабировать графические примитивы при выводе на устройство вывода графических данных, к примеру – можно увеличить дугу окружности и при любом коэффициенте увеличения она останется гладкой. Но в том случае, если на самом деле данная кривая представлена в форме ломаной линии, увеличение продемонстрирует это как нельзя лучше;
• параметры объектов хранятся и могут быть легко изменены. Также это означает что перемещение, масштабирование, вращение, заполнение и т. д. не ухудшает качества рисунка. Более того, обычно указывают размеры в аппаратно-независимых единицах (англ. device-independent unit), которые ведут к наилучшей возможной растеризации на растровых устройствах;
• при масштабировании графических объектов толщина линий может быть задана константой, которая в действительности не зависит от реальной площади описываемого объекта.

Рассмотрим кодирование растрового изображения на примере формата JPEG. Это самый распространенный формат растровой графики. Файлы данного формата представляют собой последовательность так называемых маркеров, которые начинаются с байта 0хFF, который обозначает начало маркера и байта-идентификатора. Отдельные маркеры состоят только из этих маркеров, однако есть те, которые включают в себя различные дополнительные данные, которые состоят из двухбайтового поля с длинной информационной части маркера. Эта форма организации хранения данных позволяет быстро найти маркер с требуемыми данными (например, с длиной строки, числом строк и числом цветовых компонентов сжатого изображения)[9]. Рассмотрим основные маркеры JPEG – таблица 2.