Лекция. +Лекция_31.01.2023. Декодированием
 Скачать 0.93 Mb.
|
Кодирование информации План 1 Кодирование и декодирование данных .................................................................................... 1 2 Кодирование символьных данных ............................................................................................ 1 3 Кодирование графической информации .................................................................................. 4 4 Кодирование аудиоинформации ............................................................................................... 7 5 Кодирование видеоинформации ............................................................................................... 7 1 Кодирование и декодирование данных Для того чтобы хранить, обрабатывать, передавать информацию, ее необходимо как-то зафиксировать. Например, записать с помощью символов какого-либо языка. Кодирование – это процесс перевода информации с одного языка на другой (за- пись в другой системе символов, в другом алфавите). Т.е. слово «кодирование» понимает- ся не в узком смысле – кодирование как способ сделать сообщение непонятным для всех, кто не владеет ключом кода, а в широком – как представление информации в виде сооб- щения на каком-либо языке. Обычно кодированием называют перевод информации с естественного языка на формальный, например, в двоичный код, а декодированием – обратный процесс, т.е. про- цесс восстановления информационного сообщения из некоторой последовательности ко- дов. Один символ исходного сообщения может заменяться одним символом нового кода или несколькими символами, а может быть и наоборот – несколько символов исходного сообщения заменяются одним символом в новом коде (китайские иероглифы обозначают целые слова и понятия). Иногда при кодировании и декодировании происходит искажение сообщения. Например, известно, что перевод художественных текстов на другой язык и затем обратный перевод могут изменить их до неузнаваемости. Кодирование может быть равномерное и неравномерное. При равномерном коди- ровании – все символы кодируются кодами равной длины. При неравномерном кодирова- нии – разные символы могут кодироваться кодами разной длины, что затрудняет декоди- рование. 2 Кодирование символьных данных В современных компьютерах все виды информации представлены в двоичном коде. Поэтому каждому используемому символу как-то сопоставляется цепочка нулей и единиц. Например, составляется таблица «символ – код»: 1) определяется, сколько символов нужно использовать (N); 2) определяется нужное количество k двоичных разрядов так, чтобы с их помощью можно было закодировать не менее N разных последовательностей (то есть 2 k ≥ N); 3) составляется таблица, в которой каждому символу сопоставляется целое число в интервале от 0 до 2 k–1 (код символа); 4) коды символов переводят в двоичную систему счисления. Итак, присвоение символу конкретного двоичного кода – это вопрос соглашения, который фиксируется в кодовой таблице. Таблицы кодировки – стандарт, ставящий в соответствие каждому символу алфавита свой порядковый номер. При декодировании ко- ды преобразуются в соответствующие символы. Стандарт ASCII Международным стандартом является 7-битная кодировка ASCII (англ. American Standard Code for Information Interchange – американский стандартный код для обмена ин- формацией, 1964 г.), в которую входят 2 7 = 128 символов с кодами от 0 до 127: • служебные (управляющие) символы с кодами от 0 до 31; • цифры от «0» до «9» с кодами от 48 до 57; • латинские буквы: заглавные, от «A» до «Z» (с кодами от 65 до 90) и строчные, от «a» до «z» (с кодами от 97 до 122); • знаки препинания: . , : ; ! ? • скобки: [] {} () • математические символы: + - * / = < > • некоторые другие знаки: " ' # $ % & ^ | @ \ _ Минимальная единица памяти, имеющая собственный адрес – это 8-битный байт. Поэтому для хранения кодов ASCII в памяти можно добавить к ним еще один (старший) нулевой бит, таким образом, получая 8-битную кодировку (1 байт на символ). Кроме то- го, дополнительный бит можно использовать: он дает возможность добавить в таблицу еще 128 символов с кодами от 128 до 255. Такое расширение ASCII часто называют кодо- вой страницей. Первую половину кодовой страницы (коды от 0 до 127) занимает стандартная таб- лица ASCII, а вторую – символы национальных алфавитов (например, кириллица). Рисунок 1 – Кодовая страница ASCII Для русского языка существуют несколько кодовых страниц, которые были разра- ботаны для разных операционных систем. Наиболее известны: • кодовая страница Windows-1251 (CP-1251, см. рисунок 2) – в ОС Windows; • кодовая страница KOI8-R – в ОС Unix; • альтернативная кодировка (CP-1251) – в системе MS DOS; • MacCyrillic – на компьютерах фирмы Apple. Рисунок 2 – Кодовая страница Windows-1251 Стандарт UNICODE Любая 8-битная кодовая страница имеет ограничение – она может включать только 256 символов. Поэтому не получится набрать в одном документе часть текста на русском языке, а часть – на испанском. Кроме того, существует проблема чтения документов, набранных с использованием другой кодовой страницы. Все это привело к принятию в 1991 году нового стандарта кодирования символов UNICODE, который позволяет одно- временно записывать знаки любых существующих языков, математические и музыкаль- ные символы и др. Если расширить число используемых знаков, то необходимо увеличивать место, которое отводится под каждый символ. Компьютер работает сразу с одним или несколь- кими байтами, прочитанными из памяти. Поэтому место, отводимое на каждый символ, расширили сразу с одного байта до двух. Это позволило закодировать 2 16 = 65 536 символов в одном наборе. В современной версии UNICODE можно кодиро- вать до 2 31 = 2 147 483 648 различных знаков, однако реально используются немногим бо- лее 100 000 символов. В ОС Windows используется кодировка UNICODE, называемая UTF ‐16 (от англ. UNICODE Transformation Format – формат преобразования UNICODE). В ней на каждый символ отводится 16 бит (2 байта). В Unix ‐подобных системах, например, в Linux, чаще применяют кодировку UTF ‐8. В ней все символы, входящие в таблицу ASCII, кодируются в виде 1 байта, а другие символы могут занимать от 2 до 4 байт. Если значительную часть текста составляют латинские буквы и цифры, такой подход позволяет значительно уменьшить объем файла в сравнении с UTF ‐16. Текст, состоящий только из символов таб- лицы ASCII, кодируется точно так же, как и в кодировке ASCII. Достоинства кодировки UNICODE состоят в том, что она позволяет использовать символы разных языков в одном документе и решает проблему правильного отображения текста, вызванную использованием разных кодовых страниц. Но при этом увеличивается объем файлов. 3 Кодирование графических данных Графическая информация может быть представлена в аналоговой или дискретной форме. Примером аналогового представления графической информации является, напри- мер, фотография, а примером дискретного представления – изображение на экране мони- тора, состоящее из отдельных точек – пикселей (pixel – PIcture ELement) разного цвета. Получение цифрового представления изображения основано на выполнении про- странственной дискретизации аналогового изображения (осуществлении аналого- цифрового преобразования). Данный процесс заключается в разбиении непрерывного (аналогового) изображения на отдельные мелкие фрагменты, после чего цвет каждого фрагмента (а точнее – код цвета, например, в цветовой системе RGB) записывается в ячейку таблицы с координатами, соответствующими координатам фрагмента исходного изображения. Одним из устройств, которое выполняет дискретизацию изображения, является сканер. Сканер – это устройство для ввода в ЭВМ графической информации. Сканер осу- ществляет аналого-цифровое преобразование. К основным параметрам, определяющим результат работы сканера, относятся: 1) оптическое разрешение измеряется в точках на дюйм (dots per inch – dpi). Обыч- но указывается два значения, например, 600х1200 dpi, где горизонтальное разрешение (первое число) определяется CCD-матрицей 1 сканера, а вертикальное (второе число) определяется количеством шагов двигателя на дюйм; 2) глубина цвета определяется качеством CCD-матрицы и разрядностью АЦП. Из- меряется количеством оттенков, которые устройство способно распознать (например, 24 бита соответствуют 16 777 216 оттенкам). В настоящее время сканеры выпускают с глубиной цвета 24, 30 и 36 бит. Цифровое изображение обычно описывается следующими параметрами: 1) глубина цвета – количество битов, используемых для представления цвета при ко- дировании одного пикселя изображения: I = log 2 N, где N – количество цветов в изображении, I – глубина цвета; 2) цветовой диапазон – максимальное количество цветов в изображении: N = 2 I ; 3) размер изображения – количество пикселей по вертикали (w) и по горизонтали (h); 4) объем памяти, занимаемой изображением: I I = I · h · w, где I I – объем памяти, занимаемый изображением, I – глубина цвета. Описание цветов в ЭВМ основано на использовании цветовых моделей и соответ- ствующих им способов кодирования цвета. 1 CCD-матрица (Charge-Coupled Device) – специализированная аналоговая интегральная микросхема, состо- ящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния и использующая технологию ПЗС (прибор с зарядовой связью). Модель RGB Согласно современному представлению о цветном зрении глаз человека содержит чувствительные элементы трех типов. Каждый из них воспринимает весь поток света, но первые наиболее чувствительны в области красного цвета, вторые – области зеленого, а третьи – в области синего цвета. Цвет – это результат возбуждения всех трех типов рецеп- торов. Поэтому считается, что любой цвет (т.е. ощущения человека, воспринимающего волны определенной длины) можно имитировать, используя только три световых луча (красный, зеленый, синий) разной яркости. Следовательно, любой цвет (в том числе и «белый») приближенно раскладывается на три составляющих – красную, зеленую и си- нюю. Меняя силу этих составляющих, можно составить любые цвета. Эта модель получи- ла название RGB – Red (красный), Green (зеленый) и Blue (синий). Данная модель является аддитивной, т. е. требуемый произвольный цвет получается при сложении трех базовых цветов. Яркость каждого базового цвета может при этом принимать значения от 0 до 255 (256 значений); таким образом, данная модель позволяет кодировать 256 · 256 · 256 = 2 8 · 2 8 · 2 8 = 2 24 цветов. Если значения яркостей всех базовых цветов рав- ны, то образуемый цвет представляет собой один из оттенков серого. Кроме цветовой модели RGB также используются CMYK, HSB, Lab и другие. Размер файла не зависит от сложности изображения, а определяется только разре- шением и глубиной цвета. 4 Кодирование аудиоданных Звук – волна с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Частоту звука из- меряют в герцах – количество колебаний с секунду. Человек способен воспринимать звук от 16 Гц до 20 кГц. Число Т называется интервалом дискретизации, а обратная ему величина f – ча- стотой дискретизации (один Гц – один отсчет в секунду, 1 кГц – 1000 отсчетов в секун- ду). Чем больше частота дискретизации, тем точнее записан сигнал, тем меньше ин- формации теряется. Но возрастает количество отсчетов, т.е. информационный объем ко- дированного звука. В памяти есть только значения, снятые с интервалом Т, остальная информация «те- ряется» при кодировании. В простейшем случае по ним можно восстановить ступенчатый сигнал. В современных звуковых картах для повышения качества этот ступенчатый сиг- нал сглаживается с помощью специальных фильтров. Глубина кодирования– количество бит, которые выделяются на один отсчет или на кодирование различных уровней звука (количество уровней N=2 i ). Рисунок – Дискретизация аналогово сигнала Для хранения информации о звуке длительностью t секунд, закодированном с ча- стотой дискретизации fГци глубиной кодирования Вбиттребуется следующее количе- ство информации: При двухканальной записи (стерео) объем памяти, необходимый для хранения данных одного канала, умножается на 2. Квадро – это 4 канала, поэтому результат умно- жается на 4. 5 Кодирование видеоданных Для того чтобы сохранить видео в памяти компьютера, нужно закодировать звук и изменяющееся изображение, причем требуется обеспечить их синхронность. Для кодиро- вания звука чаще всего используют оцифровку с частотой 48 кГц и глубиной кодирования 16 бит. Изображение состоит из отдельных растровых рисунков, которые меняются с ча- |
Если используется размер 768 на 576 точек (стандарты PAL/SECAM) и глубина цвета 24 бита на пиксель, то закодированная 1 секунда видео будет занимать примерно
32 Мбайта, а 1 минута – около 1,85 Гбайт. Это недопустимо много, поэтому в большин- стве форматов видеоизображений используется сжатие с потерями.
На практике используются различные алгоритмы сжатия для уменьшения скорости и объема потока видеоинформации – кодеки – метод сжатия аудио и видео и обратного восстановления данных. Это значит, что некоторые незначительные детали теряются, но
«обычный» человек (непрофессионал) не почувствует существенного ухудшения каче- ства. Например, один из алгоритмов сжатия заключается в том, что за короткое время изображение изменяется очень мало, поэтому можно запомнить «исходный» кадр, а затем сохранять только изменения. Через 10-15 секунд изображение изменяется настолько, что необходим новый исходный кадр.