Лекция 1
Тема: Информация и ее свойства. Измерение и кодирование информации.
Цель: Сформировать знания об информации, ее свойствах, создать понимание о кодировании информации разных видов (звуковой, текстовой и т.д.), единицах измерения информации.
Знания: понятие «информация», свойства информации, предмет и задачи исследования информатики как науки, кодирование информации, бит, байт, двоичная система кодирования информации.
План:
1.Информация и ее свойства;
2.Кодирование информации;
3. Измерение информации;
4. Предмет и задачи информатики.
Информатика — это комплексная, техническая наука, которая изучает и систематизирует законы и приемы создания, сохранения, воспроизведения, получения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ними. Термин "информатика" происходит от французского слова Informatique и образован из двух слов: информация и автоматика. Термин информация произошел от латинского слова informatio — разъяснение, осведомление. Этот термин введен во Франции в середине 60—х лет XX ст., когда началось широкое использование вычислительной техники. Тогда в англоязычных странах вошел в употребление термин "Computer Science" для обозначения науки о преобразовании информации, которая базируется на использовании вычислительной техники. Теперь эти термины являются синонимами.
Появление информатики обусловлено возникновением и распространением новой технологии сбора, обработки и передачи информации, связанной с фиксацией данных на машинных носителях.
Предмет информатики как науки составляют:
• аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
• программное обеспечение средств вычислительной техники;
• средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
• средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
Средства взаимодействия в информатике принято называть интерфейсом. Поэтому средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения иногда называют также программноаппаратным интерфейсом, а средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами — интерфейсом пользователя.
Задачи информатики как науки составляют:
• изучить структуру, общие свойства информации, исследовать законы и методы создания, преобразования, накопления, передачи и использования информации.
• систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в том, чтобы выделять, внедрять и развивать передовые, более эффективные технологии автоматизации этапов работы с данными, а также методически обеспечивать новые технологические исследования.
В составе основной задачи сегодня можно выделить такие основные направления информатики для практического применения :
• архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем, предназначенных для автоматической обработки данных);
• интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);
• программирование (приемы, методы и средства разработки комплексных задач);
• преобразование данных (приемы и методы преобразования структур данных);
• защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты данных);
• автоматизация (функционирование программно—аппаратных средств без участия человека);
• стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программными средствами, между форматами представления данных, относящихся к разным типам вычислительных систем).
На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым вопросом есть эффективность. Для аппаратных средств под эффективностью понимают соотношение производительности оснащение к его стоимости. Для программного обеспечения под эффективностью принято понимать производительность работающих с ним пользователей. В программировании под эффективностью понимают объем программного кода, созданного программистами за единицу времени. В информатике все жестко ориентированно на эффективность. Вопрос как осуществить ту или другую операцию, для информатики важный, но не основной. Основным есть вопрос — как совершить данную операцию эффективно. В рамках информатики, как технической науки можно сформулировать понятия информации, информационной системы и информационной технологии.
Данные Данные (data)— это такое же первоначальное понятие, как, скажем, в математике "точка": попытка дать определение начальным понятиям приводит к необходимости дополнительно определять использованные термины. Итак, будем считать, что данные — это те или иные сведения (необязательно несущие смысловую нагрузку).
Пример данных: 812, 930, 944. (для человека это ничего не значит, если нет объяснения, что обозначают эти цифры). 01000001 01101100 01101100 01100001 (для человека это ничего не значит, но в ASCII – это слово Alla).
Во время информационного процесса данные преобразовываются из одного вида в другого с помощью методов.
Обработка данных включает в себя множество разных операций. Основными операциями есть:
• сбор данных — накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решения;
• формализация данных — приведение данных, которые поступают из разных источников к единой форме;
• фильтрация данных — устранение лишних данных, которые не нужны для принятия решений;
• сортировка данных — приведение в порядок данных за заданным признаком с целью удобства использования;
• архивация данных — сохранение данных в удобной и доступной форме;
• защита данных — комплекс мер, направленных на предотвращение потерь, воспроизведения и модификации данных;
• транспортирование данных — прием и передача данных между отдаленными пользователями информационного процесса. Источник данных принят называть сервером, а потребителя — клиентом;
• преобразование данных — преобразование данных с одной формы в другую, или с одной структуры в другую, или изменение типа носителя.
Информация (information)— это данные, сопровождающиеся смысловой нагрузкой. При этом, очевидно, то, что для одних является данными, для других вполне может быть информацией. Но всегда можно точно сказать, что нужно предпринять для того, чтобы те или иные данные стали информативными для наибольшей аудитории: их нужно снабдить смысловым содержанием. Чем более полным будет это содержание, тем более информативной будет соответствующее сообщение. Информация которая: воспринимается из окружающей среды называется входной информацией, выдается в окружающую среду называется исходная информацией.
Информация существует в виде документов, чертежей, рисунков, текстов, звуковых и световых сигналов, электрических и нервных импульсов и т.п..
Важнейшие свойства информации:
• объективность и субъективность;
• полнота;
• достоверность;
• адекватность;
• доступность;
• актуальность.
Пример информации: 812 рублей, 930 рублей, 944 рубля. Более информативное сообщение: 812 рублей, 930 рублей, 944 рубля — цены на бальзам после бритья. Ещё более информативное: 812 рублей, 930 рублей, 944 рубля — цены на бальзам после бритья "Dune", 100 мл. в Москве.
В итоге мы имеем следующую простую формулу: информация = данные + смысл
Знание — есть переживание, сравнённое с другими переживаниями это определение, которое дал Лосский Н. О. в своей работе "Обоснование интуитивизма", является наиболее точным.
В итоге мы имеем следующую простую формулу: знание = информация + сравнение.
Информационная система В информатике понятие "система" чаще используют относительно набора технических средств и программ. Системой называют также аппаратную часть компьютера. Дополнение понятия "система" словом "информационная" отображает цель ее создания и функционирования. Информационная система — взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая для сохранения, обработки и выдачи информации с целью решения конкретной задачи. Современное понимание информационной системы предусматривает использование компьютера как основного технического средства обработки информации. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом информационной системы. В работе информационной системы можно выделить слудующие этапы: 1. Зарождение данных — формирование первичных сообщений, которые фиксируют результаты определенных операций, свойства объектов и субъектов управления, параметры процессов, содержание нормативных и юридических актов и т.п.. 2. Накопление и систематизация данных — организация такого их размещения, которое обеспечивало бы быстрый поиск и отбор нужных сведений, методическое обновление данных, защита их от искажений, потери, деформирование целостности и др. 3. Обработка данных — процессы, вследствие которых на основании прежде накопленных данных формируются новые виды данных: обобщающие, аналитические, рекомендательные, прогнозные. Производные данные тоже можно обрабатывать, получая более обобщенные сведения. 4. Отображение данных — представление их в форме, пригодной для восприятия человеком. Прежде всего — это вывод на печать, то есть создание документов на так называемых твердых (бумажных) носителях. Широко используют построение графических иллюстративных материалов (графиков, диаграмм) и формирование звуковых сигналов. Сообщения, которые формируются на первом этапе, могут быть обычным бумажным документом, сообщением в "машинном виде" или тем и другим одновременно. В современных информационных системах сообщения массового характера большей частью имеют "машинный вид". Аппаратура, которая используется при этом, имеет название средства регистрации первичной информации. Потребности второго и третьего этапов удовлетворяются в современных информационных системах в основном средствами вычислительной техники. Средства, которые обеспечивают доступность информации для человека, то есть средства отображения данных, являются компонентами вычислительной техники. Подавляющее большинство информационных систем работает в режиме диалога с пользователем. Типичные программные компоненты информационных систем включают: диалоговую подсистему ввода— вывода, подсистему, которая реализует логику диалога, подсистему прикладной логики обработки данных, подсистему логики управления данными. Для сетевых информационных систем важным элементом является коммуникационный сервис, обеспечивающий взаимодействие узлов сети при общем решении задачи. Значительная часть функциональных возможностей информационных систем закладывается в 4 системном программном обеспечении: операционных системах, системных библиотеках и конструкциях инструментальных средств разработки. Кроме программной составной информационных систем важную роль играет информационная составная, которая задает структуру, атрибутику и типы данных, а также тесно связана с логикой управления данными.
Информационные технологии
В широком смысле слово технология — это способ освоения человеком материального мира с помощью социально организованной деятельности, которая включает три компоненты: информационную (научные принципы и обоснование), материальную (орудие работы) и социальную (специалисты, имеющие профессиональные навыки). Эта триада составляет сущность современного понимания понятия технологии. Понятие информационной технологии появилось с возникновением информационного общества, основой социальной динамики в котором являются не традиционные материальные, а информационные ресурсы: знания, наука, организационные факторы, интеллектуальные способности, инициатива, творчество и т.д. К сожалению, это понятие настолько общее и всеохватывающее, что до сих пор специалисты не пришли к четкой, формализованной формулировке. Наиболее удачным определением понятия информационной технологии дано академиком Глушковым В.М., который трактовал ее как человеко-машинную технологию сбора, обработки и передачи информации, которая основывается на использовании вычислительной техники. Эта технология быстро развивается, охватывая все виды общественной деятельности: производство, управление, науку, образование, финансово—банковские операции, медицину, быт и др.
Кодирование информации
Очевидно, что для кодирования информации достаточно использовать любые два различных значения, например, цифры 0 и 1 (да и нет, истина и ложь и т. п.). В этом случае применительно к кодировке чисел мы имеем дело с так называемой двоичной системой счисления. В общем случае, необходимо говорить о кодировке любых символов (не чисел!), не смешивая эти две разные задачи. Для измерения количества информации используют 1 бит – один символ двухбуквенного алфавита, состоящего из нулей и единиц {0, 1}.
Кроме этого используются также следующие единицы: 1 байт=8 бит, 1024 байт=1 Кбайт, 1024 Кбайт=1 Мбайт, 1024 Мбайт=1 Гбайт.
Кодировка чисел
Целые числа в системе счисления с любым основанием (2, 10, 16 и т.д.) всегда представляются точно. Так, любое целое число представляется в виде суммы степеней числа, лежащего в основании системы счисления с соответствующими коэффициентами — от 0 до 9 в десятичной, 0 и 1 в двоичной, от 0 до F (15) в шестнадцатеричной системах. Для определенности остановимся на двоичном представлении. При этом, как показано выше, чем большее количество двоичных разрядов отводится под хранение целого числа, тем больше возможный диапазон изменения его значений. Минимальное количество использующихся двоичных разрядов (применительно к компьютерным технологиям) равно 8, что составляет 1 байт. Легко убедиться, что 8 двоичных разрядов позволяют закодировать числа от 0 до 255. Если же отвести один из разрядов под хранение знака числа, то те же 8 разрядов обеспечат возможность кодировки целых чисел от -128 до 127. Для кодировки вещественных чисел, когда необходимо учесть и десятичную часть числа, используется особая форма представления — с плавающей точкой: X = M * 2P Здесь M — так называемая мантисса, Р — порядок. При хранении чисел с плавающей точкой выделяется определенное количество разрядов под хранение мантиссы и под хранение порядка. Точность представления вещественного числа зависит от разрядности мантиссы, а возможный диапазон изменения — от количества разрядов, выделенных для хранения порядка.
Кодировка символов
Кодировка символов применительно к компьютерным приложениям базируется обычно на системе кодировки ASCII (American Standard Code for Information Interchange- Американский стандартный код для обмена информацией) — 256 различных, упорядоченных по коду (номеру) символов. Значения кода — целые числа от 0 до 255. Для кодирования одного символа используется 8 битов, или 1 байт. В этом легко убедиться, если записать значения кодов в двоичной системе. Существует много систем кодировки, основанных на выделении 1 байта для кодирования одного символа (ANSI, KOI-8 и т.д.). В последнее время получила распространение система Unicode, использующая для кодировки одного символа 2 байта. Это резко расширило возможности, позволив кодировать более чем 65000 различных символов уникальными кодами.
Кодировка изображений
Под изображением будем понимать прямоугольную область, закрашенную непрерывно изменяющимся цветом. Поэтому для представления изображений в целых числах необходимо отдельно дискретизировать прямоугольную область и цвет. Для описания области она разбивается на множество точечных элементов – пикселов [pixel]. Само множество называется растром [bit map, dot matrix, raster] (см. рис. 1.3), а изображения, которые формируются на основе растра, называются растровыми. Рис. 1.4 Дискретизация области изображения Число пикселов называется разрешением [resolution]. Часто встречаются значения 640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024. Каждый пиксел нумеруется, начиная с нуля слева направо и сверху вниз. Для представления цвета используются цветовые модели. Цветовая модель [color model] это правило, по которому может быть вычислен цвет. Самая простая цветовая модель – битовая. В ней для описания цвета каждого пиксела (чёрного или белого) используется всего один бит. Для представления полноцветных изображений используются несколько более сложных моделей. Известно, что любой цвет может быть представлен как сумма трёх основных цветов: красного, зелёного и синего. Если интенсивность каждого цвета представить числом, то любой цвет будет выражаться через набор из трёх чисел. Так определяется наиболее известная цветовая RGB-модель. На каждое число отводится один байт. Так можно представить 224 цвета, то есть примерно 16,7 млн. цветов. Белый цвет в этой модели представляется как (1,1,1), чёрный – (0,0,0), красный (1,0,0), синий (0,0,1). Жёлтый цвет является комбинацией красного и зелёного и потому представляется как (1,1,0). Цветовая модель RGB [Red-Green-Blue] была стандартизирована в 1931 г. и впервые использована в цветном телевидении. Модель RGB является аддитивной моделью, то есть цвет получается в результате сложения базовых цветов. Существуют и другие цветовые модели, которые для ряда задач оказываются более предпочтительными, чем RGB-модель. Например, для представления цвета в принтере используется субтрактивная CMY-модель [CyanMagenta-Yellow], цвет в которой получается в результате вычитания базовых цветов из белого цвета. Белому цвету в этой модели соответствует (0,0,0), чёрному - (1,1,1), голубому - (1,0,0), сиреневому - (0,1,0), жёлтому - (0,0,1). В цветовой модели HSV [Hue-Saturation-Value] цвет представляется через цвет, насыщенность и значение, а в модели HLS [Hue-Lightness-Saturation] через оттенок, яркость и насыщенность. Современные графические редакторы, как правило, могут работать с несколькими цветовыми моделями.
Наиболее популярными являются графические форматы: BMP [Bit MaP], PCX, GIF [Graphics Interchange Format], TIFF [Tagged Image File Format], JPEG [Joint Photographic Experts Group], которые по существу различаются между собой используемыми методами сжатия. Форматы BMP и PCX используют RLE-алгоритм, форматы GIF и TIFF – LZW-алгоритм, JPEG использует одноимённый алгоритм сжатия.
Цифровое представление звука
Звук можно описать в виде совокупности синусоидальных волн определённых частоты и амплитуды. Частота волны определяет высоту звукового тона, амплитуда – громкость звука. Частота измеряется в герцах (Гц [Hz]). Диапазон слышимости для человека составляет от 20 Гц до 17000 Гц (или 17 кГц).Рис. 1.5 Дискретизация звукового сигнала Задача цифрового представления звука, таким образом, сводится к задаче описания синусоидальной кривой. Принцип такого представления изображён на рис. 1.5. Каждой дискретной выборке присваивается целое число – значение амплитуды. Количество выборок в секунду называется частотой выборки [sampling rate]. Количество возможных значений амплитуды называется точностью выборки [sampling size]. Таким образом, звуковая волна представляется в виде ступенчатой кривой. Ширина ступеньки тем меньше, чем больше частота выборки, а высота ступеньки тем меньше, чем больше точность выборки. Пример Возможности наиболее распространённой современной аппаратуры предусматривают работу с частотой выборки до 44,1 кГц, что позволяет правильно описывать звук частотой до 22,05 кГц. Точность выборки имеет всего два значения 8 бит и 16 бит. То есть для представления амплитуды 8-битного звука используется 28 = 256 уровней амплитуды.
Контрольные вопросы
1. Что изучает наука информатика?
2. Что понимают под интерфейсом пользователя?
3. Что такое информация? Какими свойствами она владеет?
4. Из каких операций складывается процесс обработки данных?
5. Что такое информационная система?
6. Из каких этапов складывается работа информационных систем?
7. Какой смысл вкладывается у понятия "информационная технология"?
Список рекомендованной литературы
1. Информатика. Компьютерная техника. Компьютерные технологии. / Пособие под ред. О.И.Пушкаря.— Издательский центр "Академия", Киев, — 2001 г.
2. Коцюбинский А.О., Грошев С.В. Современный самоучитель профессиональной работы на компьютере. — Г.: Триумф, 1999 г.
3. Информатика. Базовый курс. / Под ред. С.В.Симоновича. — Спб., 2000 г.
4.http://lc.kubagro.ru/aidos/aidos99/4.htm
5. http://victoria.lviv.ua/html/informatika/lecture9.htm
257
154 071 
