Образовательный консорциум
«Среднерусский университет»
_____________________________________________________________
ИНФОРМАТИКА
КУРС ЛЕКЦИЙ
Гукасова В.Н.
2010
Раздел і. Основные понятия и методы теории информатики и кодирования. Сигналы, данные, информация. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации
Лекция 1. Сообщения, данные, сигнал, атрибутивные свойства информации, показатели качества информации, формы представления информации. Системы передачи информации
Информатика это область науки, изучающая структуру и свойства информации, а также процессы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах деятельности.
Предмет информатики составляют следующие понятия:
Аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
Программное обеспечение средств вычислительной техники;
Средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
Средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.
Понятие «информация» является одним из фундаментальных в современной
науке вообще и базовым для информатики. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Однако если задаться целью формально определить понятие «информация », то сделать это будет чрезвычайно сложно.
В простейшем бытовом понимании с термином «информация» обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и т. п. Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации. Примерами сообщений являются музыкальное произведение; телепередача; команды регулировщика на перекрестке; текст, распечатанный на принтере; данные, полученные в результате работы составленной вами программы, и т. д. При этом предполагается,
что имеются «источник информации» и «получатель информации».
Сообщение от источника к получателю передается посредством какой-нибудь среды, являющейся в таком случае «каналом связи». Так, при передаче речевого сообщения в качестве канала связи можно рассматривать воздух, в котором распространяются звуковые волны, а в случае передачи письменного сообщения (например, текста, распечатанного на принтере) каналом сообщения можно считать лист бумаги, на котором напечатан текст.
Человеку свойственно субъективное восприятие информации через некоторый набор ее свойств: важность, достоверность, своевременность, доступность, «больше- меньше» и т.д. Использование терминов «больше информации» или «меньше информации» подразумевает некую возможность ее измерения (или хотя бы количественного соотнесения). При субъективном восприятии измерение информации возможно лишь в виде установления некоторой субъективной порядковой шкалы для оценки «больше-меньше». При объективном измерении количества информации следует заведомо отрешиться от восприятия ее с точки зрения субъективных свойств, примеры которых перечислены выше. Более того, не исключено, что не всякая информация будет иметь объективно измеряемое количество.
Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция — носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, — сигнал. В общем случае сигнал — это изменяющийся во времени физический процесс. Та из характеристик процесса, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала.
В случае, когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений (при этом все они могут быть пронумерованы), сигнал называется дискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов, — дискретным сообщением. Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала — непрерывная функция от времени), то соответствующая информация называется непрерывной. Примеры дискретного сообщения — текст книги, непрерывного сообщения — человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной; параметром сигнала в последнем случае
является давление, создаваемое этой волной в точке нахождения приемника — человеческого уха.
Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией,
заданной на некотором интервале. Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией). Из бесконечного множества значений параметра сигнала выбирается их определенное число, которое приближенно может характеризовать остальные значения. Для этого область определения функции разбивается на отрезки равной длины и на каждом из этих отрезков значение функции принимается постоянным и равным, например, среднему значению на этом отрезке. В итоге получим конечное множество чисел. Таким
образом, любое непрерывное сообщение может быть представлено как дискретное, иначе говоря, последовательностью знаков некоторого алфавита.
Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью (для возрастания точности достаточно уменьшить шаг) принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер — цифровая машина, т.е. внутреннее представление информации в нем дискретно. Дискретизация входной информации (если она непрерывна) позволяет сделать ее пригодной для компьютерной обработки.
Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов. Физические объекты окружающего нас мира находятся в состоянии непрерывного движения и изменения, которое сопровождается обменом энергией и ее переходом из одной формы в другую. Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигналов, то есть все сигналы имеют в своей основе материальную энергетическую природу. При взаимодействии сигналов с физическими телами, в последних возникают определенные изменения свойств – это явление называется регистрацией сигналов. Такие изменения можно наблюдать, измерять или фиксировать иными способами – при этом возникают и регистрируются новые сигналы, то есть образуются данные. Данные – это зарегистрированные сигналы. Данные несут в себе информацию о событиях, произошедших в материальном мире, однако данные не тождественны информации.
Как и всякий объект, информация обладает свойствами. Характерной особенностью информации, отличающей ее от других объектов природы и общества, является дуализм: на свойства информации влияют как свойства данных, составляющих ее содержательную часть, так и свойства методов, взаимодействующих с данными в ходе информационного процесса.
С точки зрения информатики наиболее важными представляются следующие свойства:
Объективность и субъективность информации. Понятие объективности информации является относительным. Это понятно, если учесть, что методы являются субъективными, более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят меньший субъективный элемент. В ходе информационного процесса степень объективности информации всегда понижается.
Полнота информации. Полнота информации во многом характеризует качество информации и определяет достаточность сведений для принятии правильных решений. Чем полнее данные, тем шире диапазон методов, которые можно использовать, тем проще подобрать метод, вносящий минимум погрешностей в ход информационного процесса.
Достоверность информации. Данные возникают в момент регистрации сигналов, но не все сигналы являются «полезными» - всегда присутствует какой-то уровень посторонних сигналов, в результате чего полезные данные сопровождаются определенным уровнем «информационного шума». Если полезный сигнал зарегистрирован более четко, чем посторонние сигналы, достоверность информации может быть более высокой. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается. В этом случае для передачи того же количества информации требуется использовать либо больше данных, либо более сложные методы. Достоверность характеризует способность отражать свойства объекта с необходимой точностью.
Адекватность информации – это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Однако и полные и достоверные данные могут приводить к созданию неадекватной информации в случае применения к ним неадекватных методов.
Доступность информации – мера возможности получить ту или иную информацию. На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Отсутствие доступа к данным или отсутствие адекватных методов обработки данных приводят к одинаковому результату ; информация оказывается недоступной. Отсутствие адекватных методов для работы с данными во многих случаях приводят к применению неадекватных методов, в результате чего образуется неполная, неадекватная или недостоверная информация.
Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени. Нередко с актуальностью, как и с полнотой, связывают коммерческую ценность информации. Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям. Необходимость поиска адекватного метода для работы с данными может приводить к такой задержке в получении информации, что она становится неактуальной и ненужной. Актуальность учитывает степень сохранения ценности информации с течением времени с момента ее возникновения.
При описании видов информации традиционно используют пять признаков, позволяющих конкретизировать ее особенности:
По мере возникновения информации: входная информация – поступает в фирму или в ее конкретные подразделения; выходная – поступает из одной фирмы в другую или из одного подразделения в другое; внутренняя – формируется внутри объекта; внешняя – формируется за пределами объекта;
По стадии обработки информации: первичная –формируется непосредственно в процессе функционирования объекта; вторичная – результат обработки первичной информации; промежуточная – результаты обработки служат входными данными для последующей обработки; результатная – используется непосредственно для принятия решения;
По стабильности информации: переменная (текущая) – отражает фактические количественные и качественные характеристики функционирования объекта; постоянная (условно-постоянная) – неизменная и многократно используемая информация. Она подразделяется на справочную, нормативную и плановую;
По функциям управления информацией: плановая – информация о значениях параметров объекта управления, которые необходимо достигнуть к определенному времени; нормативно-справочная (обновляется относительно редко); учетная – информация о значениях параметров объекта управления за определенный прошедший период времени. Она является основой для корректировки, при необходимости, плановой информации; оперативная (текущая) – информация, характеризующая свойства объекта управления в текущий период времени;
По способу отображения информации (в наиболее ответственных случаях используют комбинированные варианты отображения информации): текстовая, графическая, видео, аудио.
По существу информация может быть отнесена к абстрактным понятиям, аналогичным математическим. Однако, с другой стороны, ряд особенностей информации приближает ее к материальному миру. Как и другие объекты реального мира, информацию можно получить, передать, изменить. При этом есть и существенные особенности, отличающие информацию от реального мира. Так, при передачи информации из одной системы в другую количество информации в отдающей системе не уменьшается, а в принимающей системе, как правило, увеличивается. Кроме того, отсутствует последовательная связь между типом носителя, используемого для передачи информации, и самой передаваемой информацией, так как возможна ее передача по различным физическим средам с помощью различных физических сигналов. Любой обмен информации между отправителем и получателем предполагает использование носителя информации и канала связи. Самым распространенным носителем данных, хотя и не самым экономичным является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения оптических характеристик ее поверхности. Изменение оптических свойств используется также в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на пластмассовых носителях с отражающим покрытием (CD-ROM). В качестве носителей, использующих изменение магнитных свойств, можно назвать магнитные ленты и диски. Регистрация данных путем изменения химического состава поверхностных веществ носителя широко используется в фотографии. На биохимическом уровне происходит накопление и передача данных в живой природе. Для передачи данных и результатов их обработки используются различные способы: посредством курьеров, пересылка по почте, применение телефонов и пейджеров, дистанционная передача через компьютерные сети и др.
Для кодирования целых чисел о 0 до 255 достаточно иметь 8 бит (байт). 16 бит позволяет закодировать целые числа от 0 до 65535, а 24 бита – более 16,5 миллионов. Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму, состоящей из мантиссы и характеристикой. Большую часть их 80 бит отводят для хранения мантисс и некоторое фиксированное количество разрядов отводят для хранения характеристики. Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число, то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы. Если рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графических данных. Среди методов кодирования звуковой информации можно выделить два основных направления. Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот. Разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Метод таблично-волнового синтеза (Wave-Table) лучше соответствует современному уровню развития техники. При кодировании используются в заранее подготовленных таблицах образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов