Принципы представления данных и команд в компьютере (Представление информации в компьютере)

Содержание:

Представление информации в компьютере

Люди имеют дело с множеством информации. Прочитав статью в газете, можно записать ее в компьютер, чтобы затем ею воспользоваться. В компьютер можно поместить фотографию своего друга или видеосъемку о том, как вы провели лето. Но ввести в компьютер вкус шоколада или мягкость покрывала никак нельзя.

Компьютер - это электронная машина (ЭВМ), которая работает с сигналами. Компьютер может работать только с такой информацией, которую можно превратить в сигналы.

Если бы люди умели превращать в сигналы вкус или запах, то компьютер мог бы работать и ними.

У компьютера хорошо получается работать с числами. Все числа в компьютере закодированы "двоичным кодом", то есть, представлены с помощью всего двух символов 1 и 0, которые легко представляются сигналами. Вся информация в компьютере кодируется числами. Независимо от того, графическая, текстовая или звуковая.

Представление текстовых данных

Любой текст состоит из последовательности символов. Символами могут быть буквы, цифры, знаки препинания, и т.д. Текстовая информация, как и любая другая, хранится в памяти компьютера в двоичном виде. Для этого каждому символу ставится в соответствие некоторое неотрицательное число, называемое кодом символа, и это число записывается в память ЭВМ в двоичном виде. Соответствие между символами и их кодами называется системой кодировки.

В современных ЭВМ, в зависимости от типа операционной системы и конкретных прикладных программ, используются 32-разрядные и 64-разрядные коды символов.

Использование же 8-разрядных кодов позволяет закодировать 256 различных знаков, этого вполне достаточно для представления многих символов, используемых на практике. При такой кодировке для кода символа достаточно выделить в памяти один байт. Так и делают: каждый символ представляют своим кодом, который записывают в один байт памяти.

В персональных компьютерах обычно используется система кодировки ASCII (American Standard Code for Information Interchange - американский стандартный код для обмена информации). Он введен в 1963 г. и ставит в соответствие каждому символу семиразрядный двоичный код.

Кодировка символов русского языка, известная как кодировка Windows-1251, была введена "извне" - компанией Microsoft, но, учитывая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России, она глубоко закрепилась и нашла широкое распространение.

Другая распространённая кодировка носит название КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) - её происхождение относится к временам действия Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы. Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского языка, носит название ISO (International Standard Organization - Международный институт стандартизации).

Если создание единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу что, очевидно, если кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим разрядом то и диапазон возможных значений кодов станет на много больше.

Представление изображений

Все известные форматы представления изображений можно разделить на растровые и векторные (рис.1).

Рис.1. Сравнение растра и вектора

В векторном формате изображение разделяется на примитивы - прямые линии, многоугольники, окружности и сегменты окружностей, параметрические кривые, залитые определенным цветом или шаблоном, связные области, набранные определенным шрифтом отрывки текста и т. д. (рис.2).

Рис.2. Примитивы

Для пересекающихся примитивов задается порядок, в котором один из них перекрывает другой (рис.3).

Рис.3. Пересекающиеся примитивы

Каждый примитив описывается своими геометрическими координатами. Точность описания в разных форматах различна, нередко используются числа с плавающей точкой двойной точности или с фиксированной точкой и точностью до 16-го двоичного знака (рис.4).

Рис.4. Форматы чисел с плавающей точкой

Координаты примитивов бывают как двух-, так и трехмерными. Для трехмерных изображений, естественно, набор примитивов расширяется, в него включаются и различные поверхности - сферы, эллипсоиды и их сегменты, параметрические многообразия и др. (рис.5).

Рис.5. 3Д Примитивы

Двухмерные векторные форматы очень хороши для представления чертежей, диаграмм, шрифтов (или, если угодно, отдельных букв шрифта) и отформатированных текстов (рис.6-9).

Рис.6-9. Чертеж, диаграмма, шрифты, отдельные буквы щрифта

Такие изображения удобно редактировать - изображения и их отдельные элементы легко поддаются масштабированию и другим преобразованиям.

Примеры двухмерных векторных форматов - PDF (Portable Document Format), WMF (Windows MetaFile), PCL (Printer Control Language).

Примером векторного представления движущихся изображений является MacroMedia Flash.

Трехмерные векторные форматы широко используются в системах автоматизированного проектирования. В растровом формате изображение разбивается на прямоугольную матрицу элементов, называемых пикселами. Матрица называется растром.

Для каждого пиксела определяется его яркость и, если изображение цветное, цвет. Если, как это часто бывает при оцифровке реальных сцен или растеризации векторных изображений, в один пиксел попали несколько элементов, их яркость и цвет усредняются с учетом занимаемой площади.

Размер матрицы называется разрешением растрового изображения. Для печатающих устройств обычно задается неполный размер матрицы, соответствующей всему печатному листу, а количество пикселов, приходящихся на вертикальный или горизонтальный отрезок длиной 1 дюйм; соответствующая единица так и называется - точки на дюйм (DPI, Dots Per Inch).

Вторым параметром растрового изображения является разрядность одного пиксела, которую называют цветовой глубиной. Для черно-белых изображений достаточно одного бита на пиксел, для градаций яркости серого или цветовых составляющих изображения необходимо несколько битов (рис.10).

Рис.10. Цветовая глубина для ЧБ и его градаций в изображении

В цветных изображениях пиксел разбивается на три или четыре составляющие, соответствующие разным цветам спектра (рис.11).

Рис.11. Цветовая глубина для Цветных изображений

Наиболее широко используемые цветовые модели - это RGB, CMYK и CMYG - те же цвета, но с добавлением градаций серого (рис.12).

Рис.12.Цветовые модели

В различных графических форматах используется разный способ хранения пикселов. Два основных подхода - хранить числа, соответствующие пикселам, одно за другим, второй- разбивать изображение на битовые плоскости - сначала хранятся младшие биты всех пикселов, потом - вторые и так далее.

Представление звуковой информации

Приёмы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. К тому же, в отличие от числовых, текстовых и графических данных, у звукозаписей не было столь же длительной и проверенной истории кодирования. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но среди них можно выделить два основных направления.

Метод FM (Frequency Modulation) основан та том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом.

В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальный устройства - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза работает так: в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментах.

В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звучания.

Представление видео

Простейшей работой с видео является просмотр кинофильмов и видеоклипов, видеоигр. Более правомерно данным термином называть создание и редактирование такой информации с помощью компьютера.

Что представляет собой фильм с точки зрения информатики? Прежде всего, это сочетание звуковой и графической информации. Кроме того, для создания на экране эффекта движения используется технология быстрой смены статических картинок.

Исследования показали, что если за одну секунду сменяется более 10-12 кадров, то человеческий глаз воспринимает изменения на них как непрерывные.

В любительской киносъемке используется частота 16 кадров/сек., в профессиональной - 24.

Традиционный кадр на кинопленке "докомпьютерной" эпохи выглядел так (рис.13). Основную его часть, разумеется, занимает видеоизображение, а справа сбоку отчетливо видны колебания на звуковой дорожке. Имеющаяся по обоим краям пленки перфорация служит для механической протяжки ленты в киноаппарате с помощью специального механизма.

Рис.13. Традиционный кадр на кинопленке "докомпьютерной" эпохи

Казалось бы, если проблемы кодирования статической графики и звука решены, то сохранить видеоизображение уже не составит труда.

Но это только на первый взгляд, поскольку, как показывает разобранный выше пример, при использовании традиционных методов сохранения информации электронная версия фильма получится слишком большой. Достаточно очевидное усовершенствование состоит в том, чтобы первый кадр запомнить целиком, а в следующих сохранять лишь отличия от начального кадра (разностные кадры).

Существует множество различных форматов представления видеоданных.

Например универсальный формат базирующийся на расширении AVI (Audio Video Interleave - чередование аудио и видео).

Суть AVI файлов состоит в хранении структур произвольных мультимедийных данных, каждая из которых имеет простой вид (рис.14).

Рис.14.Структура произвольных мультимедийных данных

Файл как таковой представляет собой единый блок, причем в него, как и в любой другой, могут быть вложены новые блоки. Заметим, что идентификатор блока определяет тип информации, которая хранится в блоке.

Внутри блока могут храниться абсолютно произвольные данные, в том числе, например, блоки, сжатые разными методами. Таким образом, все AVI-файлы только внешне выглядят одинаково, а внутри могут различаться очень существенно. Еще более универсальным является мультимедийный формат Quick Time, первоначально возникший на компьютерах Apple. По сравнению с описанным выше, он позволяет хранить независимые фрагменты данных, причем даже не имеющие общей временной синхронизации, как этого требует AVI.

Существую так же системы сжатия видеоизображений, допускающие некоторые незаметные для глаза искажения изображения с целью повышения степени сжатия. компьютер информация кодировка

Наиболее известным стандартом подобного класса служит MPEG (Motion Picture Expert Group), который разработан и постоянно развивается созданным в 1988 году Комитетом международной организации ISO/IEC (International Standards Organization/International Electrotechnical Commission) по стандартам высококачественного сжатия движущихся изображений.

Методы, применяемые в MPEG, непросты для понимания и опираются на достаточно сложную математику. Прежде всего, обрабатываемый сигнал из RGB-представления с равноправными компонентами преобразуется в яркость и две "координаты" цветности. Цветовые компоненты менее важны для восприятия и их можно проредить вдвое.

Кроме того, производится специальные математические преобразования, несколько загрубляющее изображение в мелких деталях. На субъективном восприятии изображение это практически не сказывается.

Наконец, специальными методами ликвидируется сильная избыточность информации, связанная со слабыми отличиями между соседними кадрами. Полученные в результате всех описанных процедур данные дополнительно сжимаются общепринятыми методами, подобно тому, как это делается при архивации файлов.

А еще существует технология под названием DivX (Digital Video Express). Благодаря DivX удалось достигнуть степени сжатия, позволившей сжать 4,7 Гб DVD-фильма до 650 Мб.

И хотя это достижение, к сожалению, чаще всего используется для пиратского копирования, сам по себе этот факт не умаляет достоинств этой технологии. Как и то, что самая первая версия сжатия DivX была сработана французскими хакерами из MPEG-4 - современные версии DivX уже не имеют к этому событию никакого отношения.

Список литературы

1. Информатика. Базовый курс: учебное пособие для втузов/ под ред. Симоновича С.В. - СПб: Питер, 2007.

2. Информатика: учебник/ Б.В. Соболь. (и др.) - Ростов н/Д: Феникс, 2006.

3. Информатика: базовый курс: учеб. Для студентов вузов / О. А. Акулов, Н. В. Медведев - М.: Омега-Л, 2008.

4. Острейковский В.А. Информатика: Учеб. Для вузов. - М: Высш. шк., 2006.

5. Колмыкова Е.А., Кумскова И.А. Информатика: учебной пособие для студ. сред. проф. образования. - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2009.

6. Михеева Е.В., Практикум по информатике. - М.: Издательский центр «Академия», 2007.

7. Безручко В.Т. Информатика (курс лекций): учебное пособие. - М.: ИД «Форум»: ИНФРА-М, 2008.

8. Информатика: Базовый курс/ Симонович С.В.и др. - СПб.: Питер, 2007.

9. Информатика. Базовый курс: учебное пособие для втузов/ под ред. Симоновича С.В. - СПб: Питер, 2007.