Банковские ИС. Лекция 2 (по гл2) Элементы теор.информации. Лекция 2 элементы теории информации информация различные подходы к этому понятию
 Скачать 278 Kb.
|
|
2.6. Виды информации (данных). Понятие о кодировании. Формы представления информации 2.6.1. Виды информации (данных) Информация (а точнее – данные, несущие информацию) может существовать в виде: текстов, рисунков, чертежей, фотографий; световых или звуковых сигналов; электромагнитных волн; электрических и нервных импульсов; магнитных записей и записей на компакт дисках (CD); жестов и мимики; запахов, тактильных и вкусовых ощущений; хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов, и т. д. Основные виды информации (данных), которые используются в информатике, это: текстовая - речь человека отображается специальными символами - буквами на бумаге или другом носителе, причем разные народы имеют свои языки, имеющие свои алфавиты; особенно большое значение этот вид информации приобрел после изобретения книгопечатания; числовая - количественная мера объектов и их свойств в окружающем мире с помощью специальных символов - цифр, причем могут использоваться различные системы счисления; графическая (в частности, изобразительная) - первый вид, для которого был реализован способ хранения информации об окружающем мире в виде наскальных рисунков, а позднее в виде картин, фотографий, схем, чертежей на бумаге, холсте и других материалах; звуковая - играющая большую роль в жизни человека, поскольку мир полон звуков, и задача их хранения и тиражирования была решена с изобретением звукозаписывающих устройств в 1877 г.; видеоинформация - термин появился с изобретением кино, является более сложным вариантом графической информации. 2.6.2. Кодирование информации. Двоичный код и двоичное кодирование Человек живет в сложном мире, когда разные люди имеют свое мнение о происходящем в окружающем мире, поэтому часто возникает необходимость договариваться и приходить к общей точке зрения. В различных областях выработаны свои системы обозначений, причем их понимание является одинаковым для всех людей, занимающихся данной деятельностью, поскольку такие системы образованы с использованием довольно строгих правил. Примерами являются формулы в математике, физике, химии, алфавит языка из букв для образования из них слов и предложений, система условных обозначений на географических картах и т.д. В общем можно сказать, что человек выработал различные формы представления информации с помощью символов (условных обозначений), которые называются кодами. Код - набор условных обозначений для представления информации по строгим правилам. Цель использования кодов – простая: понимание друг друга и упрощение создания информационных моделей окружающего мира. Информационная модель – отобранная информация об объекте или процессе, которая необходима для решения конкретных задач. Ранее затрагивалось понятие алфавита, как совокупности символов языка. Совокупность используемых в коде символов также называется его алфавитом. Часто, даже в повседневной жизни, приходится сталкиваться с кодированием информации, например, когда студент записывает лекцию, то слова в виде звуков переводятся в код, соответствующий графическим символам на листе тетради. Преподаватель при этом словами кодирует свои мысли. Другой пример: знаки дорожного движения тоже являются кодом и знающий правила дорожного движения понимает с помощью информацию. Водитель также кодирует информацию сигналами гудка или миганием фар. Подобных примеров из жизни можно привести много. Процесс установления соответствия между содержанием информации и условными обозначениями для его выражения и будеткодированием информации. Часто мы имеем дело также со сменой кодов, например при переводе текста с иностранного языка на родной. Кодирование - процесс установления по строгим правилам соответствия между содержанием информации и условными обозначениями для его выражения, а также смена кода при переходе от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки. Более коротко кодирование - процесс представления информации в виде кода по строгим правилам. Обратное преобразование называется декодированием. Приведенное определение выражает кодирование в широком смысле (им приходится заниматься, по сути, всем). При узком подходе слово «кодирование» означает способ сделать сообщение непонятным для всех, кто не владеет ключом кода. В этом понимании оно часто заменяется словом «шифрование». По мере развития техники появились разные способы кодирования информации. Важнейшим из них оказался способ представления информации с помощью кода, состоящего всего из двух символов: 0 и 1, т.е. двоичного кода. Для удобства использования такого алфавита договорились называть любой из его знаков «бит» (от английского «binary digit» - двоичный знак). Таким образом, «бит» - это не только единица измерения информации, но и обозначение символов 0 и 1, хотя здесь путаницы не должно быть, поскольку одним из этих символов (или с помощью слов «нет» и «да») можно передать минимальное количество информации (один бит информации). Одним битом могут быть выражены два понятия: «1» или «0» (соответственно, например, «да» или «нет»; «черное» или «белое»; «истина» или «ложь»; «включено» или «выключено» и т.п.). Двоичные числа очень удобно хранить и передавать с помощью технических (часто электронных) устройств.Например, 1 и 0 могут соответствовать: намагниченным и размагниченным участкам магнитного диска или ленты; напряжению 5 Вольт и напряжению 0 Вольт; отражению луча от зеркальной поверхности и отсутствию отражения; наличию и отсутствию тока в цепи и т.п. В этом случае говорят, что для технической реализации двоичного кода необходимо, чтобы устройство имело два устойчивых состояния, а таких устройств довольно много. Именно относительная простота технической реализации двоичного кода привела к его использованию в компьютерах. Последовательностью битов можно закодировать любую информацию: текстовую, числовую, графическую, звуковую и видеоинформацию. Такой метод представления информации называется двоичным кодированием. Таким образом, двоичный код является универсальным средством кодирования информации.  На рис.2.2. показан упрощенный процесс использования двоичного кодирования при использовании в компьютерах. Специальные преобразователи (называемые аналого-цифровыми) преобразуют информацию из окружающего мира в последовательности битов по строгим правилам. Эти последовательности называются двоичными (машинными) словами. Для каждого вида информации используется свой преобразователь, который может входить в системный блок компьютера. Например, текст преобразуется с помощью клавиатуры, звук – с помощью звуковой карты. Необходимость использования нескольких преобразователей диктуется тем, что правила кодирования различны для каждого вида информации. Таким образом, процессор компьютера «понимает» только язык нулей и единиц. Такая информация, играющая наиважнейшую роль в информатике, получила специальное название – цифровая информация, хотя она по большому счету является разновидностью числовой информации. Цифровая информация – это информация, полученная путем двоичного кодирования, и являющаяся разновидностью числовой информации. В процессоре компьютера производится обработка цифровой информации в соответствии с решаемыми задачами, оформленными в виде программ, написанных на специальных языках программирования. На физическом уровне двоичные слова представляют собой совокупность временных тактов с наличием импульсов электрического напряжения (они соответствуют 1) и отсутствием этих импульсов (они соответствуют 0) (рис.2.3). Такты имеют строго фиксированную длительность  для конкретного компьютера, поэтому промежуток времени, равный, например,  с наличием напряжения на всем промежутке, будет соответствовать двум битам 11 (рис.2.3). Аналогично: промежуток времени с отсутствием напряжения на всем промежутке будет соответствовать комбинации 00. Некоторые технические подробности двоичного кодирования приведены в следующем параграфе, а правила кодирования различных видов информации будут рассмотрены в последующих главах. 2.6.3. Дискретные и непрерывные сигналы. Двоичное кодирование (продолжение) Из вышесказанного видно, что любая закодированная информация является дискретной в том смысле, что представлена дискретными (отдельными) символами. Передача такой информации будет осуществляться в виде тоже дискретных сигналов. Поскольку на физическом уровне машинное слово представляет собой последовательность импульсов, то в компьютере также используется дискретная форма представления информации. Дискретный сигнал – это когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений, причем эти значения изменяются скачкообразно и могут быть пронумерованы.  Примеры: количество дорожно-транспортных происшествий, количество знаков на бумаге, точек и тире в азбуке Морзе и т.п. Примеры графиков дискретных сигналов приведены на рис.2.3 и рис.2.4. В случае рис.2.4,б сигнал будет дискретным импульсным сигналом, когда имеются временные паузы. Н  о имеется много сигналов, когда параметр сигнала меняется не скачкообразно, а плавно: температура объекта; скорость автомобиля; звуковая волна, передающая речь человека; яркость светящегося тела и др. Такие сигналы называются аналоговыми (непрерывными).Аналоговый (непрерывный) сигнал - это когда параметр сигнала имеет бесконечное множество значений, причем эти значения изменяются плавно. Пример графика такого сигнала приведен на рис. 2.4. Кодирование аналоговой информации предполагает обязательное преобразование аналогового сигнала в дискретный. Такая процедура называется дискретизацией. Дискретизация – процесс представления непрерывного сигнала дискретной последовательностью отсчетов, следующих с некоторым временным шагом Δt, и по которым, при необходимости, можно восстановить исходный сигнал с заданной точностью. Она заключается в том, что из бесконечного множества значений параметра аналогового сигнала выбирается их определенное число. Для этого временная область сигнала разбивается на отрезки равной длины (шаги) Δt (рис.2.6,а), а затем на каждом шаге запоминается значение параметра сигнала, имеющее место в это время, что показано на рис.2.6,б, где огибающая соответствует исходному аналоговому сигналу. В итоге получим конечное множество чисел, которые называются дискретами, т.е. дискретный импульсный сигнал - вместо непрерывного. Доказано, что любой непрерывный сигнал может быть представлен как дискретный, т.е., иначе говоря, представлен последовательностью знаков некоторого алфавита. Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью (для возрастания точности достаточно уменьшить шаг Δt) принципиально важна с точки зрения информатики, поскольку затем каждую дискрету можно представить двоичным кодом для обработки компьютером. Для этого после дискретизации выполняется квантование каждой дискреты по уровню. Операцию квантования каждый из нас проводил многократно. Например, измерение длины предмета миллиметровой линейкой является квантованием, т.е. измерением длины с точностью до миллиметра. Квантование – процесс преобразования дискретного сигнала по уровню, когда весь диапазон значений сигнала разбивается на определенное число фиксированных уровней Δ, называемых шагом квантования, с округлением значений сигнала до ближайшего уровня. Например, на рис.2.6,в шаг квантования Δ=1, соответственно уровни квантования равны: 0, 1, 2, 3, 4, 5, поэтому значение каждой дискреты округляется до целого числа: 1, 3, 4, 5, 4, 3, 2, 1, 0 – это показано в нижней части рис.2.6,в. Далее сигнал кодируется двоичным кодом (рис.2.6,г), т.е. получается цифровой дискретный сигнал (дискретный сигнал, закодированный двоичным кодом), который можно использовать в цифровом компьютере. Все описанные процедуры (дискретизация, квантование, кодирование двоичным кодом) производятся специальным устройством, которое называется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (стрелка вниз на рис.2.6). После обработке на компьютере, если необходимо, цифровая информация преобразуется а аналоговую, что показано на рис.2.6 стрелкой вверх, с помощью другого устройства, которое называется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).  2.7. Самое важное во второй главе1 1. Термин «информация» происходит от латинского слова informatio, что означает сведение, разъяснение, осведомление, изложение. Это многогранное понятие, использующиеся во многих науках, и, практически, во всех сферах деятельности человека. Единого определения информации нет. 2. Информация существует в материальном мире, но это не материя и не энергия, как, например, и форма предметов или тень, отбрасываемая материальным объектом. 3. Существует несколько точек зрения на то, что такое информация. Например, информация – всеобщее свойство (атрибут) материи (живой и не живой) и представляет собой меру распределения неоднородности материи. Другая точка зрения: информация связана лишь с функционированием самоорганизующихся систем (живых и технических) и неразрывно связана лишь с процессами управления. 4. Информация имеет связь с такими понятиями как сигнал, данные, знания, но не сводится ни к одному из них. Например, данные являются материальным способом существования информации, т.е. формой информации. 5. Вопрос измерения информации играет важнейшую роль в технике, но, фактически, сводится к измерению объема данных. Существует два основных подхода к измерению информации – вероятностный и объемный. Элементарной единицей измерения информации является бит. 6. Информация, как сущность объективного мира, имеет базовые свойства: трансформируемость, преобразуемость, передаваемость, а также копируемость, стираемость. Свойства информации не зависят от потребителя информации. 7. Информация имеет также следующие основные показатели качества: доступность, актуальность, достоверность, полезность (практическая ценность), объективность и субъективность, точность, достоверность, адекватность, достаточность (полнота) и избыточность. Показатели качества отражают тот факт, информация предназначена для достижения определенных целей и решения конкретных задач, стоящих перед пользователем (потребителем информации), поэтому их конкретные значения свои для каждого потребителя. Этим показатели качества информации отличаются от свойств информации. 8. Кодирование информации играет важную роль в различных областях деятельности человека, поскольку часто необходимо построение информационных моделей объектов и процессов окружающего мира с помощью той или иной совокупности условных обозначений, представляющих собой код. 9. В информатике получил наибольшее распространение двоичный код, состоящий всего из двух символов: 0 и 1, называемых битами. Последовательностью битов можно закодировать любую информацию: текстовую, числовую, графическую, звуковую и видеоинформацию. Таким образом, двоичный код является универсальным средством кодирования информации. 10. Для технической реализации двоичного кода необходимо, чтобы устройство имело два устойчивых состояния, а таких устройств довольно много. Именно относительная простота технической реализации двоичного кода привела к его использованию в компьютерах. 11. Все сигналы, с помощью которых передается информация, можно разделить на аналоговые (непрерывные) и дискретные. В компьютерах используются дискретные сигналы, полученные с использованием двоичного кода, называемые также дискретными цифровыми сигналами. Любое кодирование предполагает преобразование аналогового сигнала в дискретный. Это осуществляется с помощью операций дискретизации, квантования и, собственно, кодирования. 2.8. Контрольные вопросы Что такое «информация»? Почему информация, являясь материальным явлением, не сводится ни к материи, ни к энергии? В чем заключается атрибутивный подходк понятию информации? В чем заключается функциональный подход к понятию и информации? Что такое сигнал? Как он связан с информацией? Что такое данные? Как они связаны с информацией? Чем отличаются знания от информации? Назовите подходы к измерению информации. В чем их суть? Каково минимальное количество информации? Как называется единица измерения информации? Перечислите свойства информации. Дайте им краткую характеристику. Перечислите показатели качества информации. Дайте им краткую характеристику. Чем отличаются свойства информации от показателей качества? Какие виды информации существуют? Что такое код и кодирование информации? Почему в компьютерах используется двоичный код? В чем заключается универсальность двоичного кода? Дайте определения дискретному и аналоговому сигналу. 1 Ключевые понятия главы выделены, при необходимости обращайтесь к тексту. |