Е. А. Симановский введение в информатику учебное пособие

Кодирование данных

Как уже упоминалось, минимальная единица количества информации – бит, равна одному двоичному разряду. Его можно представить как выбор ответа «да» или «нет» на поставленный вопрос. Электронным представлением бита на компьютере является ситуация «есть сигнал/нет сигнала». В математических науках и информатике обычно «да» обозначается цифрой 1, «нет» – цифрой 0. Одним битом можно закодировать два объекта.

Бит как единица информации слишком мала, поэтому постоянно используется другая более распространенная единица количества информации, производная от бита – байт.

Байт – наименьшая единица памяти компьютера, равная 8 битам, или 8-значному двоичному числу:

Одним байтом можно закодировать 256 объектов, приписав каждому из 256 объектов одно из 256 8-значных двоичных чисел. Поэтому запомните еще одно число, постоянно встречающееся в информатике: 256 = 2⁸ .

Работая с информацией на современных компьютерах, следует знать следующие единицы, производные от байта, при составлении которых используется третье замечательное число 1024 = 2¹⁰.

1 килобайт = 1 Кб = 1 К = 1024 байта.

1 мегабайт = 1 Мб = 1 М = 1024 Кб.

1 гигабайт = 1 Гб = 1 Г = 1024 Мб.

1 терабайт = 1 Тб = 1 Т = 1024 Гб.

Заполним таблицу с коэффициентами перевода производных единиц от байта друг в друга. Например,

Таблица 1.5. Таблица: Коэффициенты перевода производных единиц от байта

	Байт	Килобайт	Мегабайт	Гигабайт	Терабайт
б	1	2-10	2-20	2-30	2-40
Кб	210	1	2-10	2-20	2-30
Мб	220	210	1	2-10	2-20
Гб	230	220	210	1	2-10
Тб	240	230	220	210	1

1. Представление чисел

Знак отрицательного числа кодируется обычно старшим битом, нуль интерпретируется как плюс, единица как минус. Поскольку один бит будет занят, то одним байтом могут быть закодированы целые числа в интервале от -127 до +127. Такой способ представления целых чисел называется прямым кодом. Существует способ кодирования отрицательных целых чисел в обратном коде. В этом случае положительные числа совпадают с положительными числами в прямом коде, а отрицательные получаются в результате вычитания из двоичного числа 1 0000 0000 соответствующего положительного числа, например, число -7 получит код 1111 1000. Целые числа больших диапазонов представляются в двухбайтовых и четырехбайтовых адресах памяти.

Точность представления действительных чисел в памяти ЭВМ ограничена. Для представления действительных чисел используется форма их записи, называемая формой с плавающей точкой:

X=mq^p

где m — мантисса числа, q — основание системы счисления, р — целое число, называемое порядком. При этом для десятичной системы счисления мантисса выбирается в диапазоне

Такая форма представления называется нормализованной.

Действительное (вещественное) число занимает в памяти несколько смежных байтов и имеет следующую структуру:

s

e

m

Существует несколько международных стандартов представления действительных чисел в памяти компьютера. Рассмотрим четырехбайтовый стандарт:

Точка (запятая), отделяющая целую часть от дробной подразумевается перед левым (старшим) разрядом мантиссы. Но при действиях с числом её положение сдвигается влево или вправо в соответствии с двоичным порядком числа, поэтому действия над вещественными числами называют арифметикой с плавающей точкой (запятой).

2. Кодирование текстовых и символьных данных

Наиболее популярная таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange, американский стандартный код информационного обмена) разработана в 1981 году (смотри таблицу в Приложении).

Коды с 0 до 127 составляют базовую (основную) таблицу, коды со 128 по 255 — расширенную (дополнительную) таблицу. Дополнительная таблица отдана национальным алфавитам и символам псевдографики.

Символы с 0 до 31 относятся к служебным кодам. Если эти коды используются в символьном тексте программы, они считаются пробелами. При использовании в операциях ввода-вывода они имеют самостоятельное значение (смотри Приложение).

Аналогичные системы кодирования текстовых данных были разработаны и в других странах. Так, в СССР действовала система кодирования КОИ-8 (код информационного обмена восьмизначный). Компанией Microsoft была введена кодировка символов русского языка, известная как кодировка Windows-1251.

Во многих азиатских странах 256 кодов не хватило. В 1991 году производители программных продуктов (Microsoft, IBM, Apple) выработали единый стандарт Unicode 3.0. Этот код построен по 31-битной схеме. Все текстовые документы в этой кодировке вдвое длиннее, зато она содержит буквы латинского и многих национальных алфавитов, спецсимволы и т. п.

3. Кодирование графических данных

Если графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и разных яркостей, то это называется растровой графикой. В растровой графике общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета. Эти мельчайшие точки образуют характерный узор, называемый растром. Точно так же изображают информацию периферийные устройства печати. В Интернете применяются только растровые иллюстрации. Основным элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселем. В зависимости от того, на какое графическое разрешение экрана настроена операционная система компьютера, на экране могут размещаться изображения 640x480, 800x600, 1024x768 и более пикселей. При кодировании растровых изображений в памяти компьютера должна храниться информация о каждом пикселе. С размером изображения непосредственно связано его разрешение. Этот параметр измеряется в dpi (dots per inch — точек на дюйм).

У растровых изображений два основных недостатка. Во-первых, очень большие объёмы данных. Для активных работ с большеразмерными иллюстрациями типа журнальной полосы требуются компьютеры с большими размерами оперативной памяти (128 Мбайт и более). Во-вторых, растровые изображения невозможно значительно увеличить без серьезных искажений. Эффект искажения при увеличении точек растра называется пикселизацией.

В отличие от растровой, в векторной графике изображение представляет собой совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников и т. п., которые называются графическими примитивами. Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. В векторной графике объём памяти, занимаемой, например линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее в виде нескольких параметров. Перед выводом на экран каждого объекта программа векторной графики производит вычисление координат экранных точек в изображении объекта. Аналогичные вычисления производятся при выводе объектов на принтер.

Векторная графика лишена недостатков растровой, но в ней сложно создавать художественные иллюстрации, поэтому чаще всего её используют для чертёжных и проектно-конструкторских работ.

Фрактальная графика, как и векторная, – вычисляемая, но отличается от неё тем, что никакие объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнениям, поэтому ничего, кроме формулы, хранить не надо. Изменение коэффициентов в уравнении позволяет получить совершенно другую картину.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции – разложение произвольного цвета на основные составляющие. Существует множество различных типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяется не более трёх. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYК и HSB:

• 
  Цветовая модель RGB. В ней в качестве составляющих используются три цвета: красный (Red), зеленый (Green) и синий {Blue). Считается, что любой цвет состоит из этих трёх компонент. Совмещение всех трех цветов дает нейтральный цвет (серый), который при большой яркости стремится к белому цвету. Метод получения нового оттенка суммированием яркостей составляющих компонент называется аддитивным. Он применяется всюду, где цвета изображения рассматриваются в проходящем цвете,: т. е. на просвет: в мониторах, слайд-проекторах и т. п. Каждому из основных цветов для кодирования нужно восемь двоичных разрядов; для трех – 24, а 2²⁴ = 16,5 млн. Таким образом, эта система обеспечивает однозначное определение 16,5 млн.. цветов, что близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).
  
• 
  Цветовая модель CMYK. Эту модель используют для подготовки не экранных, а печатных изображений. Они отличаются тем, что видят их не в проходящем, а в отражённом цвете. Чем больше краски положено на бумагу, тем больше света она поглощает и меньше отражает. В отличие от модели RGB увеличение количества краски приводит не к увеличению визуальной яркости, а к её уменьшению. Поэтому для подготовки печатных изображений используется не аддитивная модель, а субтрактивная (вычитающая) модель. Цветовыми компонентами этой модели являются не основные цвета, а дополнительные, т. е. те, которые получаются в результате вычитания основных цветов из белого: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Так как цветные красители по отражающим свойствам не одинаковы, то для повышения контрастности применяется ещё черный (Black) цвет. В типографиях цветные изображения печатаются в несколько приемов. Накладывая на бумагу поочередно голубой, пурпурный, жёлтый и чёрный отпечатки, получают полноцветную иллюстрацию.
  
• 
  Цветовая модель HSB. Если модель RGB наиболее удобна для компьютера, модель CMYK – для типографии, то модель HSB наиболее удобна для человека. В модели HSB также три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя эти три компоненты, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями. Эта модель удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание. Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру – чистым цветам. Направление вектора определяет цветовой оттенок и задаётся в модели HSB в угловых градусах. Длина вектора определяет насыщенность цвета. Яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет.
  

Как уже отмечалось, режим представления цветной графики двоичным кодом из 24 разрядов называется полноцветным или True Color. Очевидно, что графические данные занимают очень большие объёмы на носителях. Например, если экран монитора имеет растр 800x600 точек, изображение, представленное в режиме True Color, займет 800x600x3 = 1 440 000 байт.

В случае, когда не требуется очень высокое качество отображения цвета, применяется режим High Color, который кодирует одну точку растра двумя байтами (16 разрядов дают 2¹⁶ = 65,5 тысяч цветов).

Режим, который при кодировании одной точки растра использует один байт, называется индексным, в нём различаются 256 цветов. Этого недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов. Код каждой точки при этом выражает собственно не цвет, а некоторый номер цвета из таблицы цветов, называемой палитрой. Палитра должна прикладываться к файлам с графическими данными и используется при воспроизведении изображения.

4. Кодирование звуковой информации

• 
  Метод частотной модуляции (метод FM — Frequency Modulation) основан на разложении сигнала в виде суперпозиции элементарных гармоник с разными фазами, частотами и амплитудами. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства – аналого-цифровые преобразователи (АЦП). При воспроизведении происходит обратное преобразование – цифроаналоговое (ЦАП). Конструктивно АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера. При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования. Метод компактен, но качество звучания не очень высокое и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов.
  
• 
  Метод таблично-волнового синтеза (Wave-Table) заключается в том, что образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (сэмплы) хранятся в особых таблицах. Числовые коды выражают тип инструмента, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения и другие особенности. Затем при моделировании звуковой информации эти образцы смешиваются. Качество звука, полученное в результате синтеза, приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.