ЛекИн. кодирование информации. Сожержание I. История кодирования информации ii. Кодирование информации iii. Кодирование текстовой информации iv. Виды таблиц кодировок V. Расчет количества текстовой информации Список используемой литературы I. История кодирования информации
 Скачать 0.91 Mb.
|
1 2 2. Кодирование графической информацииГрафическая информация, представленная в виде рисунков, фотографий, слайдов, подвижных изображений (анимация, видео), схем, чертежей, может создаваться и редактироваться с помощью компьютера, при этом она соответствующим образом кодируется. В настоящее время существует достаточно большое количество прикладных программ для обработки графической информации, но все они реализуют три вида компьютерной графики: растровую, векторную и фрактальную. Если более пристально рассмотреть графическое изображение на экране монитора компьютера, то можно увидеть большое количество разноцветных точек (пикселов – от англ. pixel, образованного от picture element – элемент изображения), которые, будучи собраны вместе, и образуют данное графическое изображение. Из этого можно сделать вывод: графическое изображение в компьютере определенным образом кодируется и должно быть представлено в виде графического файла. Файл является основной структурной единицей организации и хранения данных в компьютере и в данном случае должен содержать информацию о том, как представить этот набор точек на экране монитора. Файлы, созданные на основе векторной графики, содержат информацию в виде математических зависимостей (математических функций, описывающих линейные зависимости) и соответствующих данных о том, как построить изображение объекта с помощью отрезков линий (векторов) при выводе его на экран монитора компьютера. Файлы, созданные на основе растровой графики, предполагают хранение данных о каждой отдельной точке изображения. Для отображения растровой графики не требуется сложных математических расчетов, достаточно лишь получить данные о каждой точке изображения (ее координаты и цвет) и отобразить их на экране монитора компьютера. В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация, т. е. изображение разбивается на отдельные точки и каждой точке задается код цвета (желтый, красный, синий и т. д.). Чтобы оцифровать цвет, его необходимо измерить. Немецкий ученый Грасман сформулировал три закона смешения цветов: 1) закон трехмерности - любой цвет может быть представлен комбинацией трех основных цветов - красного (Red, R),зеленого (Green, G) и синего (Blue, В); 2) закон непрерывности - к любому цвету можно подобрать бесконечно близкий; 3) закон аддитивности - цвет смеси зависит только от цвета составляющих. Модель RGB. Для кодирования каждой точки цветного графического изображения применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные его составляющие, в качестве которых используют три основных цвета: красный (английское слово Red, обозначают буквой К), зеленый (Green, обозначают буквой G), синий (Blue, обозначают букой В). Любой цвет точки, воспринимаемый человеческим глазом, можно получить путем аддитивного (пропорционального) сложения (смешения) трех основных цветов – красного, зеленого и синего. Такая система кодирования называется цветовой системой RGB. Файлы графических изображений, в которых применяется цветовая система RGB, представляют каждую точку изображения в виде цветового триплета – трех числовых величин R, G и В, соответствующих интенсивностям красного, зеленого и синего цветов. Процесс кодирования графического изображения осуществляется с помощью различных технических средств (сканера, цифрового фотоаппарата, цифровой видеокамеры и т. д.); в результате получается растровое изображение. При воспроизведении цветных графических изображений на экране цветного монитора компьютера цвет каждой точки (пикселя) такого изображения получается путем смешения трех основных цветов R,G и B.  Качество растрового изображения определяется двумя основными параметрами – разрешением (количеством точек по горизонтали и вертикали) и используемой палитрой цветов (количеством задаваемых цветов для каждой точки изображения). Разрешение задается указанием числа точек по горизонтали и по вертикали, например 800 на 600 точек. Между количеством цветов, задаваемых точке растрового изображения, и количеством информации, которое необходимо выделить для хранения цвета точки, существует зависимость, определяемая соотношением (формула Р. Хартли) :  (1)где I – количество информации; N – количество цветов, задаваемых точке. Количество информации, необходимое для хранения цвета точки, называют также глубиной цвета, или качеством цветопередачи. Так, если количество цветов, задаваемых для точки изображения, N = 256, то количество информации необходимое для ее хранения (глубина цвета) в соответствии с формулой (3.1) будет равно I = 8 бит. Соответствие между количеством отображаемых цветов (N) и количеством бит для их кодировки (I) находится по формуле: N = 2I. (формула обратная формуле 1)
В компьютерах для отображения графической информации используются различные графические режимы работы монитора. Здесь необходимо отметить, что кроме графического режима работы монитора есть также текстовый режим, при котором экран монитора условно разбивается на 25 строк по 80 символов в строке. Эти графические режимы характеризуются разрешением экрана монитора и качеством цветопередачи (глубиной цвета). Для установки графического режима экрана монитора в операционной системе MS Windows ХР необходимо выполнить команду: [Кнопка Пуск – Настройка – Панель управления – Экран]. В появившемся диалоговом окне «Свойства: Экран» (рис. 3.12) необходимо выбрать вкладку «Параметры» и с помощью ползунка «Разрешение экрана» выбрать соответствующее разрешение экрана (800 на 600 точек, 1024 на 768 точек и т. д.). С помощью раскрывающегося списка «Качество цветопередачи» можно выбрать глубину цвета – «Самое высокое (32 бита)», «Среднее (16 бит)» и т. д., при этом количество цветов, задаваемых каждой точке изображения, будет соответственно равно 232 (4294967296), 216 (65536) и т. д.  Рис. 1. Диалоговое окно «Свойства: Экран» Для реализации каждого из графических режимов экрана монитора необходим определенный информационный объем видеопамяти компьютера. Необходимый информационный объем видеопамяти (V) определяется из соотношения  (2)где К – количество точек изображения на экране монитора (К = А · В); А – количество точек по горизонтали на экране монитора; В – количество точек по вертикали на экране монитора; I – количество информации (глубина цвета). Так, если экран монитора имеет разрешающую способность 1024 на 768 точек и палитру, состоящую из 65 536 цветов, то глубина цвета в соответствии с формулой (1) составит I = log265 538 = 16 бит, количество точек изображения будет равно: К = 1024 х 768 = 786432, и требуемый информационный объем видеопамяти в соответствии с (2) будет равен V = 786432 · 16 бит = 12582912 бит = 1572864 байт = 1536 Кбайт = 1,5 Мбайт. Кроме перечислены характеристик важнейшими характеристиками монитора являются геометрические размеры его экрана и точки изображения. Геометрические размеры экрана задаются величиной диагонали монитора. Величина диагонали мониторов задается в дюймах (1 дюйм = 1" = 25,4 мм) и может принимать значения, равные: 14", 15", 17", 21" т. д. Современные технологии производства мониторов могут обеспечить размер точки изображения равный 0,22 мм. Таким образом, для каждого монитора существует физически максимально возможная разрешающая способность экрана, определяемая величиной его диагонали и размером точки изображения. Кодирование звуковой информации Из физики известно, что звук – это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), то видно плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой – аналоговый – сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел. Делается это, например, так – измеряется напряжение через равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его – аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал. Чем выше частота дискретизации и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук, но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения. Параметры дискретизации. Важными параметрами дискретизации являются частота и разрядность. Разрядность указывает, с какой точностью происходят изменения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны. Для кодирования значения амплитуды используют принцип двоичного кодирования. Звуковой сигнал должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Обычно используют 8, 16-битное или 20-битное представление значений амплитуды. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала его заменяют последовательностью дискретных уровней сигнала. Звуковой сигнал преобразовать в электрический аналог звука с помощью микрофона. Электрический аналог получается в непрерывной форме и не пригоден для обработки на цифровом компьютере. Чтобы перевести сигнал в цифровой код, надо пропустить его через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). При воспроизведении происходит обратное преобразование - цифро-аналоговое (через ЦАП). Конструктивно АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера. Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду.  Рис. 2. Схема обработки звукового сигнала Т.о. при двоичном кодировании аналогового звукового сигнала непрерывный сигнал дискретизируется (оцифровывается), т. е. заменяется серией отдельных выборок (см. рис. 3).  Рисунок 3 Частота - количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду. В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т.е. применяют частоту дискретизации 96 кГц. Для экономии места на жестком диске в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, а, значит, происходит сильное искажение того, что слышно. От частоты дискретизации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискретизации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц (количество измерений в секунду 8000) качество оцифрованного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц (количество измерений в секунду 48000) - качеству звучания аудио- CD. В современных преобразователях принято использовать 20-битное кодирование сигнала, что позволяет получать высококачественную оцифровку звука. Используют формулу К = 2I . Здесь К - количество всевозможных звуков (количество различных уровней сигнала или состояний), которые можно получить при помощи кодирования звука I битами
Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному. Издавна используется довольно компактный способ представления музыки – нотная запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI. Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии. Есть и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них – формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку, при этом вместо 18–20 музыкальных композиций на стандартном компакт-диске (CDROM) помещается около 200. Одна песня занимает, примерно, 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями. Задачи по кодированию звука. Задача 1. Подсчитать, сколько места будет занимать одна минута цифрового звука на жестком диске или любом другом цифровом носителе, записанного с частотой а) 44.1 кГц; б) 11 кГц; в) 22 кГц; г) 32 кГц и разрядностью 16 бит. Решение. а) Если записывают моносигнал с частотой 44.1 кГц, разрядностью 16 бит (2 байта), то каждую минуту аналого-цифровой преобразователь будет выдавать 44100 * 2 * 60 = 529000 байт (примерно 5 Мб) данных об амплитуде аналогового сигнала, который в компьютере записываются на жесткий диск. Если записывают стереосигнал, то 1058000 байт (около 10 Мб) б) для частот 11, 22, 32 кГц расчеты производятся аналогично. Задача 2. Какой информационный объем имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)? Решение. 16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт = 47 кБайт Задача 3. Рассчитайте объем стереоаудиофайла длительностью 20 секунд при 20-битном кодировании и частоте дискретизации 44.1 кГц. Решение. 20 бит * 20 * 44100 * 2 = 35280000 бит = 4410000 байт = 4.41 Мб Задачи для самостоятельной работы 1. Закодировать и записать в виде последовательности чисел в десятичной и шестнадцатеричной системе счисления следующие слова: a) Internet Explorer,
б) Microsoft Office;
в) CorelDRAW.
Кодирование произвести с помощью кодировочной таблицы ASCII. 2. Декодировать с помощью модернизированной кодировочной таблицы КОИ8-Р последовательности чисел записанных в шестнадцатеричной системе счисления: а)
б)
в)
3. Как будет выглядеть слово «Кибернетика», записанное в кодировке СР1251, при использовании кодировок СР866 и КОИ8-Р?
4. Используя кодовую таблицу, приведенную выше (Вторая половина таблицы кодов ASCII), декодировать следующие кодовые последовательности, записанные в двоичной системе счисления: а) 01010111 01101111 01110010 01100100; Word б) 01000101 01111000 01100011 01100101 01101100; Excel в) 01000001 01100011 01100011 01100101 01110011 01110011. Access 5. Определить информационный объем слова «Экономика», закодированного с помощью кодовых таблиц СР866, СР1251, Unicode и КОИ8-Р. 6. Определить информационный объем файла, полученного в результате сканирования цветного изображения размером 12x12 см. Разрешающая способность сканера, используемого при сканировании данного изображения, равна 600 dpi. Сканер задает глубину цвета точки изображения равной 16 бит. Разрешающая способность сканера 600 dpi (dotper inch – точек на дюйм) определяет возможность сканера с такой разрешающей способностью на отрезке длиной 1 дюйм различить 600 точек. 7. Определить информационный объем файла, полученного в результате сканирования цветного изображения размером А4. Разрешающая способность сканера, используемого при сканировании данного изображения, равна 1200 dpi. Сканер задает глубину цвета точки изображения равной 24 бит. 8. Определить количество цветов в палитре при глубине цвета 8, 16, 24 и 32 бита. 9. Определить требуемый объем видеопамяти для графических режимов экрана монитора 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точек при глубине цвета точки изображения 8, 16, 24 и 32 бита. Результаты свести в таблицу. Разработать в MS Excel программу для автоматизации расчетов. 10. Определить максимальное число цветов, которое допустимо использовать для хранения изображения размером 32 на 32 точки, если в компьютере выделено под изображение 2 Кбайт памяти. 11. Определить максимально возможную разрешающую способность экрана монитора, имеющего длину диагонали 15" и размер точки изображения 0,28 мм. 12*. Какие графические режимы работы монитора может обеспечить видеопамять объемом 64 Мбайт? (дополнительный вопрос) Список используемой литературы Агеев В.М. Теория информации и кодирования: дискретизация и кодирование измерительной информации. — М.: МАИ, 1977. Кузьмин И.В., Кедрус В.А. Основы теории информации и кодирования. — Киев, Вища школа, 1986. Простейшие методы шифрования текста/ Д.М. Златопольский. – М.: Чистые пруды, 2007 – 32 с. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии. Учебник для 10-11 классов / Н.Д.Угринович. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003. – 512 с. http://school497.spb.edu.ru/uchint002/les10/les.html#n 1 2 |
