Представление информации. Языки. Кодирование.

Тема: Представление информации. Языки. Кодирование.

С развитием человечества появилась потребность обмениваться информацией. Но человеческий мозг не способен сохранять всю имеющуюся информацию. Так появилось гениальное изобретение – письменность. Возник набор условных обозначений для представления звуков, названный алфавитом. Алфавит мы сейчас рассматриваем как конечную совокупность символов, использующих для создания сообщений. Алфавит есть код человеческого языка. С созданием автоматических устройств возникла потребность создания таких языков, которые не имели бы множества толкований, т.е необходимо было формализовать человеческий язык. Огромное количество способов кодирования информации неизбежно привело пытливый человеческий ум к попыткам создать универсальный язык или азбуку для кодирования

Преподаватель информатики Отева О.А.

ГПОУ «СГПК»

Схема передачи информации через письменность

Чтение

письмо

Письменный текст - код

Устная речь

Устная речь

Кодирование

Декодирование

С развитием человечества появилась потребность обмениваться информацией. Но человеческий мозг не способен сохранять всю имеющуюся информацию. Так появилось гениальное изобретение – письменность. Возник набор условных обозначений для представления звуков, названный алфавитом. Алфавит мы сейчас рассматриваем как конечную совокупность символов, использующих для создания сообщений. Алфавит есть код человеческого языка. С созданием автоматических устройств возникла потребность создания таких языков, которые не имели бы множества толкований, т.е необходимо было формализовать человеческий язык. Огромное количество способов кодирования информации неизбежно привело пытливый человеческий ум к попыткам создать универсальный язык или азбуку для кодирования

2

Языки представления информации

Представление информации

Языки представления информации

Естественные: русский, китайский,

английский и др.

Кодирование

Цели кодирования

Формальные: язык математики,

Засекречивание информации

нотная грамота, языки программирования и др.

Быстрый способ записи

Шифрование

Алгоритмы криптографии

Передача по техническим каналам связи

Стенография

Один знак – слово или сочетание букв

Телеграфный код

Выполнение математических вычислений

Код Морзе: неравномерный, троичный код

Системы счисления

Код Бодо: равномерный, двоичный код

Для человека: десятичная с.с.

Для компьютера: двоичная с.с.

Все языки представления информации делятся на естественные и формальные.

Уже с 60-х годов прошлого столетия, компьютеры всё больше стали использовать для обработки текстовой информации. Для кодирования текстовой информации в компьютере применяется двоичное кодирование, т.е. представление текста в виде последовательности 0 и 1 (Эти два символа называются двоичными цифрами, по-английски – binary digit или сокращённо bit).

С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение. Это явилось причиной того, что в компьютере обязательно должно быть организованно два важных процесса:

Кодирование – преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т.е. двоичный код.

Декодирование – преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку.

С точки зрения технической реализации использование двоичной системы счисления для кодирования информации оказалось намного более простым, чем применение других способов. Действительно, удобно кодировать информацию в виде последовательность нулей и единиц, если представить эти значения как два возможных устойчивых состояния электронного элемента:

0 – отсутствие электрического сигнала;

1 – наличие электрического сигнала.

Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования – длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим количеством простых элементов, чем с небольшим числом сложных.

Вам приходится постоянно сталкиваться с устройством, которое может находится только в двух устойчивых состояниях: включено/выключено. Конечно же, это хорошо знакомый всем выключатель. А вот придумать выключатель, который мог бы устойчиво и быстро переключаться в любое из 10 состояний, оказалось невозможным. В результате после ряда неудачных попыток разработчики пришли к выводу о невозможности построения компьютера на основе десятичной системы счисления. И в основу представления чисел в компьютере была положена именно двоичная система счисления.

Способы кодирования и декодирования информации в компьютере, в первую очередь, зависит от вида информации, а именно, что должно кодироваться: числа, текст, графические изображения или звук.

1. Представление чисел с помощью систем счисления

Система счисления – это знаковая система, в которой числа записываются по определенным правилам с помощью символов некоторого алфавита, называемых цифрами

• ПОЗИЦИОННЫЕ
• НЕПОЗИЦИОННЫЕ

Рассмотрим основные способы двоичного кодирования информации в компьютере.

Представление чисел

Для записи информации о количестве объектов используются числа. Числа записываются с использование особых знаковых систем, которые называют системами счисления.

Система счисления – совокупность приемов и правил записи чисел с помощью определенного набора символов.

Все системы счисления делятся на две большие группы: ПОЗИЦИОННЫЕ и НЕПОЗИЦИОННЫЕ.

Позиционные - количественное значение каждой цифры числа зависит от того, в каком месте (позиции или разряде) записана та или иная цифра.

Непозиционные - количественное значение цифры числа не зависит от того, в каком месте (позиции или разряде) записана та или иная цифра.

Непозиционная система исчисления

Римская система счисления

В качестве цифр используются: I(1), V(5), X(10), L(50), C(100), D(500), M(1000).

MCMXCVIII = 1000+(1000-100)+(100-10)+5+1+1+1 = 1998

Позиционные системы счисления

Система счисления

Основание

Десятичная

Алфавит цифр

10

Двоичная

2

Восьмеричная

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9

0,1

8

Шестнадцатеричная

16

0,1,2,3,4,5,6,7

0,1,2,3,4,5,6,7,8,9, A, B,C,D,E,F

В позиционных системах счисления значение цифры зависит от ее места в записи числа. Позиция цифры называется разрядом. Разряд числа возрастает справа налево, от младших разрядов к старшим.

Основанием позиционной системы счисления называется целое число, которое равно количеству цифр, используемых для изображения чисел в данной системе исчисления. Основание показывает во сколько раз изменяется количест.значение цифры при перемещении ее в младший или старший разряд.

• Кодирование – это преобразование входной информации в форму, воспринимаемую компьютером, т.е. двоичный код.

• Декодирование – это преобразование данных из двоичного кода в форму, понятную человеку

2.Двоичное кодирование текстовой информации

33 русских прописных буквы +

33 русских строчных букв + 26 английских строчных букв + 26 прописных английских букв + 10 цифр + знаки препинания + скобки и знаки математических операций + специальные символы (@, #, $, %, &, *) + знаки псевдографики ≈ 256 символов.

Уже с 60-х годов прошлого столетия, компьютеры всё больше стали использовать для обработки текстовой информации. Для кодирования текстовой информации в компьютере применяется двоичное кодирование, т.е. представление текста в виде последовательности 0 и 1 (Эти два символа называются двоичными цифрами, по-английски – binary digit или сокращённо bit).

Почему же двоичное кодирование используется в вычислительной технике?

Оказывается такой способ легко реализовать технически: 1 – есть сигнал, 0 – нет сигнала. Каждому символу алфавита сопоставили определённое количество и последовательность нулей и единиц.

Сколько же бит необходимо для кодирования символов?

Ограничений на количество символов не существует. Однако есть количество, которое можно назвать достаточным.

Почему же двоичное кодирование используется в вычислительной технике?

Посчитаем примерное достаточное количество символов для внутреннего алфавита компьютера и по формуле вычислим необходимое количество бит.

33 русских прописных буквы + 33 русских строчных букв + 26 английских строчных букв + 26 прописных английских букв + 10 цифр + знаки препинания + скобки и знаки математических операций + специальные символы (@, #, $, %, &, *) + знаки псевдографики ≈ 256 символов.

Формула определения количества информации

N = 2 I

256 = 2 I

2 8 = 2 I

I = 8 битов

Вспомним формулу определения количества информации в двоичной знаковой системе (Тема предыдущего урока).

N = 2I

256 = 28

Для количества такого количества символов достаточно 8 бит или 1 байт. Итак, с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов.

Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111. Т.О. человек различает символы по их начертанию, компьютер по их коду. При вводе в компьютер текстовой информации происходит двоичное кодирование, изображение символа преобразуется в двоичный код. Код символа хранится в одной ячейке оперативной памяти.

00000000 до 11111111 – двоичный код

От 0 до 255 – в десятичном коде

Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111. Т.О. человек различает символы по их начертанию, компьютер по их коду. При вводе в компьютер текстовой информации происходит двоичное кодирование, изображение символа преобразуется в двоичный код. Код символа хранится в одной ячейке оперативной памяти.

Любой код – это своего рода соглашение между людьми, которые договариваются , что таким-то образом они будут обозначать то-то и то-то. Данное соглашение фиксируется в кодовой таблице. В качестве международного стандарта принята кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange).

Первые 33 кода (с 0 по 33) этой таблице соответствует не символам, а операциям (ввод пробела, перевод строки и т.д.)

Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания.

Коды с 128 по 255 являются национальными, т.е. в разных национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы.

Кодировочные таблицы для русских букв

• Windows
• MS-DOS
• Mac
• ISO
• КОИ – 8

Существует 5 кодировочных таблиц для русских букв (Windows, MS-DOS, Mac, ISO, КОИ – 8). Поэтому тексты созданные в одной кодировке не будут правильно отображаться в другой

Международный стандарт кодирования текстовых символов - Unicode

2 байта (16 битов) на каждый символ

N = 2 I = 2 16 = 65 536

В последние годы широкое распространение получил Международный стандарт кодирования текстовых символов - Unicode , который отводит на каждый сивол 2 байта (16 битов).

По формуле нахождения кол-ва информации можно опредилить кол-во символов, которые можно закодировать..

Такого кол-ва символов оказалось достаточно, чтобы закодировать не только русский и латинский алфавиты, цифры, знаки и математические символы, но и греческий, арабский, иврит и др.алфавиты.

3.Двоичное кодирование графической информации

Область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, называется компьютерная графика.

Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности: компьютерная томография (медицина), визуализация строения вещества, векторных полей, и др. (научные исследования), моделирование одежды, опытно-конструкторские разработки , не говоря уже о том, что многие из вас очень любят играть в компьютерные игры , где без качественного изображения не обойтись!

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную, фрактальную.

Область информатики, изучающая методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, называется компьютерная графика.

Визуализация данных находит применение в самых разных сферах человеческой деятельности: компьютерная томография (медицина), визуализация строения вещества, векторных полей, и др. (научные исследования), моделирование одежды, опытно-конструкторские разработки, не говоря уже о том, что многие из вас очень любят играть в компьютерные игры, где без качественного изображения не обойтись!

В зависимости от способа формирования изображений компьютерную графику принято подразделять на растровую, векторную, фрактальную.

Сегодня на уроке мы поговорим об основных понятиях по теме графика,

Кодирование растровых изображений

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов.

Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту (либо черная, либо белая – либо 1, либо 0).

Для четырех цветного – 2 бита.

Для 8 цветов необходимо – 3 бита.

Для 16 цветов – 4 бита.

Для 256 цветов – 8 бит (1 байт).

Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Т.н. модель RGB.

Для получения богатой палитры базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности.

4 294 967 296 цветов (True Color) – 32 бита (4 байта).

Кодирование векторных изображений

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами.

Векторный рисунок можно «растащить» мышкой на отдельные элементы и собрать снова в единое изображение

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды.

Пространственная дискретизация

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 (красный, зеленый, синий и так далее). 

Дискретизация  — это   преобразование графической  информации из аналоговой формы в дискретную, то есть разбиения непрерывного графического изображения  на отдельные элементы.

Качество кодирования изображения зависит от:

1)  частоты дискретизации, т.е. размера фрагментов, на которые делится изображение. Качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение.

Выбор частоты дискретизации - это всегда компромисс между качеством воспроизведения мелких деталей и степенью сокращения информации. Как правило, в процессе дискретизации изображения определяется, как говорят, его "формат", т.е. количество образующих его элементов. При этом, естественно, меняется и размер изображения. Поэтому, чтобы исключить влияние этого дополнительного фактора (размера изображения) на исследуемый параметр, в настоящей работе применен искусственный прием: при изменении условий дискретизации размер изображения искусственноподдерживается постоянным.

2) глубины кодирования, т.е. количество цветов.

Чем большее количество цветов, то есть большее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации).

Совокупность используемых в наборе цветов образует палитру цветов.

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).

Пиксель

  - минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом.

Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле:

N = 2i, где i -глубина цвета:( если глубина цвета (I)=8, то2^8 = 256)

Давайте сравним два графических изображения:

Что вы можете сказать о качестве этих изображений?

Как можно объяснить разницу?

Ответ: чем больше пикселей – тем выше качество изображения

4. Кодирование видеоинформации

Объем видеопамяти вычисляется по формуле

V=x*y*i , где х *у — количество пикселей, а i (бит)- глубина цвета точки

N = 2 I - количество цветов в палитре

Литература:

• Название:  Информатика и ИКТ 10-11 классы Автор(ы):  И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер Год издания:  2012 Издательство:   Бином Количество страниц:  249