Инф_орматика_ и ИКТ. 10кл._п. _ред. Мак_аровой Н._В._2009--256с

1.6. Представление нечисловой

информации в компьютере

Изучив эту тему, вы узнаете:

111• как в компьютере представляется текстовая информация;

111• что такое ASCII и Unicode;

111• как в компьютере представляется графическая информация;

111• какие форматы используются при хранении графических

файлов;

11• как в компьютере представляется звуковая информация;

•11• какие форматы используются при хранении звуковых

файлов.

Представление текстовой информации

в компьютере

Нажатие любой алфавитно-цифровой кµавиmи на клавиатуре приводит к тому, что в компьютер посылается сигнал в виде дво­ ичного числа, представляющего собой одно из значений кодовой таблицы. Кодовая таблица - это внутреннее представление сим­ волов в компьютере. В качестве стандарта долгое время исполь­ зовалась таблица ASCII (American Standard Code for Informational Interchange - Американский стандартный код информационного обмена).

Для хранения двоичного кода одного символа выделен 1 байт == == 8 бит. Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или О, количество возможных сочетаний единиц и нулей равно 28 == 256. Значит, с помощью 1 байта можно получить 256 разных двоич­ ных кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 раз­ личных символов. Эrи коды и составляют таблицу АSСП (табл. 1 .6). Для сокращения записи и удобства пользования этими кодами символов в таблице используют шестнадцатеричную систему счисления, состоящую из 16 символов - 10 цифр и 6 латинских букв: А, В, С, D, Е, F. При кодировании символов сначала запи­ сывается цифра столбца, а затем - строки, на пересечении кото­ рых находится данный символ.

системе счисления. Первые 32 символа являются управляющими и предназначены в основном для передачи команд управления. Их назначение может варьироваться в зависимости от про­ граммных и аппаратных средств. Вторая половина кодовой таб­ лицы (от 128 до 255) американским стандартом не определена и

предназначена для символов национальных алфавитов, псевдо­ графических и некоторых математических символов. В разных странах могут использоваться различные варианты второй поло­ вины кодовой таблицы.

Обратите внимание! Цифры кодируются по стандарту ASCII

вдвух случаях - при вводе-выводе и когда они встречаются

втексте. Если цифры участвуют в вычислениях, то осущест­ вляется их преобразование в двоичный код в соответствии

справилами (см. параграфом 1.5).

Для сравнения рассмотрим число 45 для двух вариантов ко­

дирования.

При использовании в тексте это число потребует для своего

представления 2 байта, поскольку каждая цифра будет пред­ ставлена своим кодом в соответствии с таблицей ASCII. В шест­

надцатеричной системе код будет выглядеть как 34 35, в двоич­ ной системе - 00110100 001 10101.

При использовании в вычислениях код этого числа будет по­ лучен по специальным правилам: перевода и представлен в виде

В-разрядного двоичного числа 00101 101, на что потребуется

1байт.

Внастоящее время широко распространен код Unicode. Эта кодировка поддерживается в большинстве операционных сис­

тем, во всех современных браузерах и многих программах. Стандарт Unicode (табл. 1 .7) явился результатом сотрудниче­ ства Международной организации по стандартизации (180) с ве­ дущими производителями компьютеров и программного обеспе­ чения. В мире существует 6700 живых языков, но только 50 из них являются официальными языками государств. Письменно­ стей используется около 25, что делает возможным создание

универсального стандарта.

Для кодирования этих письменностей достаточно 16-битового диапазона (2 байта на символ), то есть диапазона от 0000 до FFFF. Стандарт ASCII занимает в кодовом пространстве свое

почетное место в диапазоне от 0000 до OOFF. Каждой письменно­

сти выделен свой блок кодов. На сегодняшний день кодирование

всех живых офици8J1Ъных письменностей считается завершенным -

распределено около 29 ООО позиций из 65 535 возможных.

Та&пица 1.7. Кодовая таблица Unicode

Россиямвоrонационалъное государство . Стандарт Unicode 3.2 поддерживает следующие языки: алтайский, башкирский, бурят­ ский, калмыцкий, коми, корякский, марийский, нанайский, не­ нецкий, осетинский, татарский, тувинский, удмуртский, хакас­ ский, чувашский, эвенкийский, эвенский, якутский и др.

В последнее время консорциум Unicode приступил к кодиро­ ванию остальных письменностей нашей планеты, которые пред­ ставляют какой-либо интерес - письменности мертвых языков,

выпавшие из современного обихода, китайские иероглифы, ис­ кусственно созданные алфавиты и т. п.

Для представления такого раанообразия языков 16-битового кодирования уже недостаточно, и сегодня Unicode уже присту­

пил к освоению 21-битового пространства кодов (000000-lOF'F'F'F'),

которое разбито на 16 зон, названных плоскостями.

Представление графической информации

вкомп. ьютере

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами - как растровое или как векторное изображе­ ние. Для каждого типа изображения используется свой способ кодирования.

Растровое изображение представляет собой совокупность то­ чек, используемых для его отображения на экране монитора. Объем растрового изображения определяется как произведение количества точек и информационного объема одной точки, кото­ рый зависит от количества возможных цветов. Для черно-белого

изображения информационный объем одной точки равен 1 биту, так как точка может быть либо черной, либо белой, что можно закодировать одной из двух цифр - О или 1 .

Рассмотрим, сколько потребуется бит для отображения цветной точки: для 8 цветов необходимо 3 бита; для 16 цветов - 4 бита; для 256 цветов - 8 битов (1 байт). В табл. 1.8 представлено коди­ рование цветовой палитры из 16 цветов.

56 Глава 1. Информация и информационные процессы

Разные цвета и их оттенки получаются за счет наличия или

отсутствия трех основных цветов (красного, синего, зеленого) и

степени их яркости. Каждая точка на экране кодируется с помо­

щью 4 битов.

Описание цвета пикселя является кодом цвета. Количество бит, отводимое на каждый пиксель для представления цвета, на­ зывают глубиной цвета (англ. color depth). От количества выде­ ляемых бит зависит разнообразие палитры. Чем больше глубина

цвета, тем больше объем графического файла.

В настоящее время существует более двух десятков форматов

графических файлов. Самые популярные - ВМР, GIF, TIFF, JPEG,

РСХ. Есть файлы, которые кроме статических изображений мо­

гут содержать анимационные клипы и/или звук, например, GIF,

PNG, AVI, SWF, MPEG, MOV. Важной характеристикой этих фай­

лов является способность представлять содержащиеся в них дан­

ные в сжатом виде.

ВМР (Binary Мар Picture) - Windows, поддерживает­ ся всеми графическими редакторами, работающими под управ­ лением этой операционной системы. Этот формат способен хра­ нить как индексированный (до 256 цветов), так и RGВ-цвет

(16 млн оттенков).

GIF (Graphics Interchange Format) - формат предназначен для сохранения растровых изображений с количеством цветов не бо­ лее 256, использует алгоритм сжатия информации без потерь.

JPEG (Joint Photographic Experts Group) - формат предна­ значен для компактного хранения многоцветных изображений с фотографическим качеством. Файлы этого формата имеют рас­ ширение jpg или jpeg.

В отличие от GIF, в формате JPEG используется алгоритм сжа­

тия с потерями информации, благодаря чему достигается очень большая степень сжатия (от единиц до сотен раз).

Векторное изображение представляет собой совокупность гра­ фических примитивов. Каждый примитив состоит из элементар­ ных отрезков кривых, параметры которых (координаты узловых

точек, радиус кривизны и пр.) описываются математ.ическими

формулами. Для каждой линии указываются ее тип (сплошная,

пунктирная, штрих-пунктирная), толщина и цвет, а замкнутые

фигуры дополнительно характеризуются типом заливки. Ко­

дирование векторных изображений выполняется различными

способами в зависимости от прикладной среды. В частности,

формулы, описывающие отрезки кривых, могут кодироваться

как обычная буквенно-цифроtзая информация для дальнейшей

обработки специальными программами.

Представпение звуковой информации

в компьютере

Звук представляет собой непрерывный сигнал - звуковую волну с меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда

сигнала, тем он громче для человека. Чем больше частота сигна­

ла, тем выше тон. Частота звуковой волны выражается числом

колебаний в секунду и измеряется в герцах (Гц, Hz). Человече­ ское ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц до

20 кГц, который называют звуковым.

Количество бит, отводимое на один звуковой сигнал, назы­

вают глубиной кодирования звука. Современные звуковые кар­

ты обеспечивают 16-, 32- или 64-битную глубину кодирования

звука.

При кодировании звуковой информации непрерывный сигнал за­

меняется дискретным, то есть превращается в последовательность

электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Важной ха­ рактеристикой при кодировании звука является частота дискре­

тизации - количество измерений уровней сигнала за 1 секунду:

•1 (одно) измерение в секунду соответствует частоте 1 Гц;

•1ООО измерений в секунду с"оответствует частоте 1 кГц.

Количество измерений может лежать в диапазоне от 8 кГц до

48 кГц (от частоты радиотрансляции до частоты, соответству­

ющей качеству звучания музыкальных носителей). Существуют различные методы кодирования звуковой инфор­

мации двоичным кодом, среди которых можно выделить два ос­

новных направления: метод FM и метод Wave-TaЫe.

Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоре­

тически любой сложный звук можно разложить на последова­ тельность простейших гармонических сигналов разных частот,

каждый из которых представляет собой правильную синусоиду,

и следовательно, может быть описан кодом. Разложение звуко­

вых сигналов в гармонические ряды и представление в виде дис-

58 Глава 1. Информация и информационные процессы

кретных цифровых сигналов (рис. 1 .5) выполняют специальные

устройства - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

8 6

Рис. 1.5. Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал: в - звуковой

сигнал на входе АЦП; б - дискретный сигнал на выходе АЦП

Обратное преобразование для воспроизведения звука, закоди­

рованного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преоб­ разователи (ЦАП). Процесс преобразования звука представлен на рис. 1 .6. Данный метод кодирования не дает хорошего каче­ ства звучания, но обеспечивает компактный код.

8

Рис. 1.6. Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал: а - дискретный

· сигнал на входе ЦАП; б - звуковой сигнал на выходе ЦАП

Таблично-волновой метод (Wave-TaЬle) основан на том, что в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира, музыкальных инструментов и т. д.. Число­ вые коды выражают высоту тона, продолжительность и интен­ сивность звука и прочие параметры, характеризующие особен­ ности звука. Поскольку в каЧестве образцов используются

•реальные• звуки, качество звука, полученного в результате

синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

Звуковые файлы имеют несколько форматов. Наиболее по­

пулярные из них MIDI, WAV, МРЗ.

Формат MIDI (Musical Instrument Digital lnterface) изначаль­ но был предназначен для управления музыкальными инструмен­

тами. В настоящее время используется в области электронных

u

музыкальных инструментов и компьютерных модулеи синтеза. Формат аудиофай.ла WAV (waveform) представляет произволь­

ный звук в виде цифрового представления исходного звукового колебания или звуковой волны. Все стандартные звуки Windows

имеют расширение WАV.

Формат МРЗ (MPEG-1 Audio Layer 3) - один из цифровых форматов хранения звуковой информации. Он обеспечивает бо­

лее высокое качество кодирования.

Представление видеоинфQрмации

в копьютере

Когда говорят о видеозаписи, прежде всего имеют в виду движу­ щееся изображение на экране телевизора или монитора.

Преобразование оптического изображения в последователь­ ность электрических сигналов осущест ляется видеокамерой.

Эти сигналы несут информацию о яркости и цветности отдель­

ных участков изображения. Они сохраняются на носителе в виде

изменения намагниченности видеоленты (аналоговая форма)

или в виде последовательности кодовых комбинаций электриче­

ских импульсов (цифровая форма).

Процесс превращения непре.рывного сигнала в набор кодовых слов называется аналого-цифровым преобразованием. Это слож­ ный процесс, состоящий из:

•дискретизации, когда непрерывный сигнал заменяется после­

довательностью мгновенных значений через равные проме­ жутки времени;

•квантования, когда величина каждого отсчета заменяется

округленным значением ближайшего уровня;

•кодирования, когда каждому значению уровней квантования,

полученных на предыдущем этапе, сопоставляются их поряд­ ковые номера в двоичном виде.

Видеоинформация может храниться в файлах форматов АVI

иMPEG.