Кодирование информации. Кодирование числовой информации. Кодирование текстовой и графической информации. Кодирование звуковой и видеоинформации. Методика.
Код - правило, описывающее соответствие знаков или их сочетаний первичного алфавита знакам или их сочетаниям вторичного алфавита.
Кодирование - перевод информации, представленной сообщением в первичном алфавите, в последовательность кодов.
Декодирование - операция, обратная кодированию, т.е. восстановление информации в первичном алфавите по полученной последовательности кодов.
Кодирование числовой информации.
Кодирование и обработка в компьютере целых чисел без знака:
Для записи числа в устройствах компьютера выделяется фиксированное количество двоичных разрядов. Память компьютера имеет байтовую структуру. Например, в компьютерах IBM ячейка памяти объединяет 2 байта (16 двоичных разрядов) - такая комбинация связанных соседних ячеек, обрабатываемая совместно, называется машинным словом.
Конечный размер разрядной сетки порождает понятие «наибольшее целое число». Вычисляется по формуле (Z2)max = 2k – 1, где k-количество разрядов.. В частности, при k = 16 (Z2)max = 216 - 1 = 1111111111111112 = 6553510. Другими словами, целого числа, скажем, 65636 и более в компьютере просто не может существовать и, следовательно, появление в ходе вычислений чисел, превышающих (Z2)max, должно интерпретироваться как ошибка. Минимальным целым числом в беззнаковом представлении, очевидно, является (Z2)min = 0000000000000002 = 010.
Кодирование и обработка в компьютере целых чисел со знаком:
Кодирование целых чисел, имеющих знак, можно осуществить двумя способами: 1) старший разряд в машинном слове отводится для записи знака числа; при этом условились кодировать знак «+» нулем, знак «-» - единицей. Под запись самого числа, очевидно, остается 15 двоичных разрядов, что обеспечивает наибольшее значение числа Zmax = 215 - 1 = 3276710. Такое представление чисел называется прямым кодом. 2) представление чисел со знаком в дополнительном коде. Его применение позволяет заменить вычитание чисел их суммированием в дополнительном коде.
Дополнение двоичного числа формируется в два этапа: строится инвертированное представление исходного числа; к инвертированному представлению прибавляется 1 по правилам двоичной арифметики.
Дополнительный код (DK) двоичных целых чисел строится по следующим правилам:
- для Z2 ≥ 0 дополнительный код совпадает с самим числом (DK = Z2);
- для Z2 < 0 дополнительный код совпадает с дополнением модуля числа, т.е. DK = D(|Z2|,k).
Кодирование и обработка в компьютере вещественных чисел:
Основной формой представления кодов вещественных чисел в компьютере является двоичная нормализованная. При этом записываться и храниться в памяти компьютера должны все составляющие нормализованной формы (знак числа, мантисса, знак порядка и порядок), что требует нескольких ячеек памяти. Непосредственное распределение компонентов нормализованного числа по разрядам определяется конструктивными особенностями компьютера и программным обеспечением. Ниже приведен пример размещения числа в двух ячейках памяти (32 разряда):
Поскольку значение мантиссы лежит в интервале 0,12 ≤ М2 < 1, ноль в разряде целых и разделитель десятичных разрядов в представление не включается, т.е. мантисса содержит только цифры дробной части. В ходе выполнения арифметических операций, как указывалось ранее, производится нормализация промежуточных и конечного значений, состоящая в сдвиге мантиссы вправо или влево с одновременным изменением порядка, что эквивалентно смещению разделителя десятичных разрядов - именно по этой причине такая форма представления числа получила название «с плавающей запятой».
Кодирование текстовой информации в компьютере.
Двоичный код каждого символа в компьютерном тексте занимает 1 байт памяти. Все символы компьютерного алфавита пронумерованы от 0 до 255. Каждому номеру соответствует восьмиразрядный двоичный код от 00000000 до 11111111. Таблица, в которой всем символам компьютерного алфавита поставлены в соответствие порядковые номера, называется таблицей кодировки. Международным стандартом для ПК стала таблица ASCII (американский стандартный код для информационного обмена), где для кодировки 1 символа отводится 8 бит. ASCII представляет собой кодировку для представления десятичных цифр, латинского и национального алфавитов, знаков препинания и управляющих символов. Таблица кодов ASCII делится на две части. Международным стандартом является лишь первая половина таблицы, т.е. символы с номерами от 0 (00000000) до 127 (01111111), 128-255 – национальные коды – в различных национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют разные знаки.
В настоящее время существуют пять различных кодировок кириллицы (КОИ8-Р, Windows, MS-DOS, Macintosh и ISO). Из-за этого часто возникают проблемы с переносом русского текста с одного компьютера на другой, из одной программной системы в другую.
С конца 90-х годов проблема стандартизации символьного кодирования решается введением нового международного стандарта, который называется Unicode. Это 16-разрядная кодировка, т.е. в ней на каждый символ отводится 2 байта памяти. Такая кодовая таблица допускает включение до 65536 символов. Полная спецификация стандарта Unicode включает в себя все существующие, вымершие и искусственно созданные алфавиты мира, а также множество математических, музыкальных, химических и прочих символов.
Чтобы найти информационный объем текстового сообщения используют формулу: V=i*k. Информационный объем сообщения = инф. вес одного символа * количество символов.
Кодирование графической информации в компьютере.
В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики (большого количества маленьких разноцветных стекол). Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета. Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов.
Формирование растрового изображения. Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые в свою очередь содержат определенное количество точек (пикселей). Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора, т.е. количеством точек, из которых оно складывается. Чем больше разрешающая способность, то есть чем больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения.
Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета, которая задается количеством битов, используемым для кодирования цвета точки. Количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле: N = 2I, где I - глубина цвета далее в таблице.
Графический режим. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (код цвета точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитать необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов можно по формуле: V=I*X*Y, где I – глубина цвета отдельной точки, X, Y –размеры экрана по горизонтали и по вертикали (произведение х на у – разрешающая способность экрана).
Кодирование звуковой информации в компьютере.
Звуковая информация. Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.
Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона.
Для измерения громкости звука применяется специальная единица "децибел" (дБ).
Временная дискретизация звука. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.
Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек".
Частота дискретизации. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000 измерений громкости звука за одну секунду.
Глубина кодирования звука. Каждой "ступеньке" присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука.Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле N = 2I.
Информационный объем звукового файла находят по формуле V=k·ν·I·t, где V – размер (объём) звукового файла (в битах), k – количество дорожек в записи (k=1 – моно, k=2 – стерео), ν – частота дискретизации (в Герцах), I – глубина кодирования (в битах), t – время звучания (в секундах).
Кодирование видео: Изображение в видео состоит из отдельных кадров, которые меняются с определенной частотой. Кадр кодируется как обычное растровое изображение, то есть разбивается на множество пикселей. Закодировав отдельные кадры и собрав их вместе, мы сможем описать все видео.
Отметим то, что видеоданные характеризуются частотой кадров и экранным разрешением. Если представить каждый кадр изображения как отдельный рисунок, то видеоизображение будет занимать очень большой объем, поэтому на практике используются различные алгоритмы сжатия для уменьшения скорости и объема потока видеоинформации.
Кодирование видеоинформации еще более сложная проблема, чем кодирование звуковой информации, так как нужно позаботиться не только о дискретизации непрерывных движений, но и о синхронизации изображения со звуковым сопровождением. В настоящее время для этого используется формат, которой называется AVI (Audio-Video Interleaved — чередующееся аудио и видео). Основные мультимедийные форматы AVI и WAV очень требовательны к памяти. Поэтому на практике применяются различные способы компрессии, то есть сжатия звуковых и видеокодов. В настоящее время стандартными стали способы сжатия, предложенные MPEG (Moving Pictures Experts Group — группа экспертов по движущимся изображениям). В частности, стандарт MPEG-1 описывает несколько популярных в настоящее время форматов записи звука. Так, например, при записи в формате МР-3 при практически том же качестве звука требуется в десять раз меньше памяти, чем при использовании формата WAV. Существуют специальные программы, которые преобразуют записи звука из формата WAV в формат МР-3. Стандарт MPEG-2 описывает методы сжатия видеозаписей, которые обеспечивают телевизионное качество изображения и стереозвуковое сопровождение и имеют приемлемые требования к памяти. Совсем недавно был разработан стандарт MPEG-4, применение которого позволяет записать полнометражный цветной фильм со звуковым сопровождением на компакт-диск обычных размеров и качества.