370

различных символов можно закодировать (считая, что символы – это

возможные события):

К = 2I = 28 = 256,

т. е. для представления текстовой информации можно использовать алфавит мощностью 256 символов.

Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.

В русском языке 33 буквы (символа), для их кодирования достаточно 33 различных байта. Если различать прописные (заглавные) и строчные буквы, то потребуется 66 байтов. Для строчных и прописных букв английского языка следует добавить еще 52 символа – получается 118. Если добавить цифры (от 0 до 9), все возможные знаки препинания, скобки, знаки математических операций, а также специальные символы, например такие, как %, $, &, @, то все их можно закодировать восемью битами и при этом еще останутся свободные коды, которые можно использовать для других целей.

Таблицу кодов разделили пополам. Первые 128 кодов (от 0 до 127) должны быть стандартными и обязательными для всех стран и всех компьютеров, а во второй половине (с кода 128 до кода 255) каждая страна может делать все, что ей угодно, и создавать в этой половине свой национальный стандарт.

Первую (международную) половину таблицы кодов называют таблицей ASCII (American Standard Code for Information Interchange), ее ввел американский институт стандартизации ANSI. В этой таблице размещаются прописные и строчные буквы английского алфавита, символы чисел от 0 до 9, все знаки препинания, символы арифметических операций и некоторые другие специальные коды.

За вторую половину кодовой таблицы (коды от 128 до 255) стандарт ASCII не отвечает. Разные страны могут создавать здесь свои таблицы. Часто бывает, что даже в одной стране в этой половине действуют несколько разных стандартов, предназначенных для разных компьютерных систем. В России, например, содержание этой половины таблицы может подчиняться разным стандартам, каждый из которых действует в какой-то своей, особой области.

Таким образом, первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производителям аппаратных средств. В этой области размещаются управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков. Начиная с 32 по 127 код размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов (табл. 3.1).

21

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 (табл. 3.2).

Другая распространённая кодировка носит название КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) – её происхождение относится к временам действия Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы. Сегодня кодировка КОИ-8 имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернета.

Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского языка, носит название ISO (International Standard Organization – Международный институт стандартизации). На практике данная кодировка используется редко. Ниже приведены таблицы кодировки ASCII (табл. 5, 6).

Тексты, закодированные при помощи одной таблицы, не будут правильно отображаться в другой кодировке. Одному и тому же двоичному коду ставятся в соответствие различные символы.

В большинстве случаев о перекодировке текстовых документов заботится не пользователь, а специальные программы – конверторы, которые встроены в приложения.

Таблица 5

Базовая таблица кодировки ASCII

22

Таблица 6

Кодировка Windows-1251

Начиная с 1997 г. последние версии Microsoft Windows&Office

поддерживают новую кодировку Unicode, которая на каждый символ отводит по 2 байта, а поэтому можно закодировать не 256 символов, а 65536 различных символов.

Таким образом, в настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.

Контрольные вопросы

1.Как кодируются символы текста?

2.Чем различаются существующие кодировки русских букв?

3.В чем разница между традиционными 8-битными кодировками и новой кодировкой Unicode?

4.ДВОИЧНОЕ КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Внастоящее время широко используются технологии обработки графической информации с помощью ПК. Интерфейс пользователя также стал графическим. Особенно интенсивно технология обработки графической информации с помощью компьютера стала развиваться в 80-х годах.

Графическая информация может быть представлена в двух формах: аналоговой или дискретной. Примером аналогового представления может быть картина художника, а изображение, напечатанное при помощи

23

струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета, – это дискретное представление. Преобразование графической информации из аналоговой формы в дискретную происходит путем пространственной дискретизации (разбиения) графического изображения. При этом производится кодирование – присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода. В процессе дискретизации изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому элементу (фрагменту) присваивается значение его цвета, т.е. код цвета (красный, зеленый, синий и т.д.).

Рис. 10. Пространственная дискретизация изображения

Качество кодирования изображения зависит от двух параметров. Вопервых, качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение. Во-вторых, чем большее количество цветов, т.е. большее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). Используемый набор цветов образует палитру цветов.

Одним байтом можно закодировать 256 различных цветов. Такой метод кодирования цвета называется индексным. В принципе, этого недостаточно для полноцветных изображений живой природы. Человеческий глаз может различать десятки миллионов цветовых оттенков.

Двумя байтами можно закодировать 65536 различных цветов. Это уже похоже на то, что мы видим на фотографиях и на картинках в журналах, но все равно хуже, чем в живой природе. Кодирование цветной графики 16разрядными двоичными числами называется режимом High Color.

Если для кодирования цвета одной точки использовать 3 байта (24 бита), то количество возможных цветов увеличится еще в 256 раз и достигнет 16,5 миллиона. Этот режим позволяет хранить, обрабатывать и передавать изображения, не уступающие по качеству наблюдаемым в живой природе. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

24

Используемое количество битов для кодирования цвета точки называют глубиной цвета.

Как известно, цветовые рецепторы человека, которые еще называют колбочками, подразделяются на три группы, причем каждая может воспринимать всего один цвет – красный, или зеленый, или синий. Поэтому цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая цветовая модель называется RGB моделью, по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue).

Если мы кодируем цвет точки с помощью трех байтов, то первый байт выделяется красной составляющей, второй – зеленой, а третий – синей. Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет. Например, если точка имеет белый цвет, значит, у нее есть все цветовые составляющие и они имеют полную яркость. Поэтому белый цвет кодируется тремя полными байтами: 255, 255, 255. Черный цвет означает отсутствие всех прочих цветов. Все цветовые составляющие равны нулю. Черный цвет кодируется байтами 0, 0, 0. Серый цвет промежуточный между черным и белым. В нем есть все цветовые составляющие, но они одинаковы и нейтрализуют друг друга. Например, серый цвет может быть таким: 100, 100, 100 или таким: 150, 150, 150. Можно догадаться, что во втором случае яркость выше и второй вариант серого цвета светлее первого. У красного цвета все составляющие, кроме красной, равны нулю. Это может быть, например, темно-красный цвет: 128, 0, 0 или ярко-красный: 255, 0, 0. То же относится и к синему цвету (0, 0, 255) и к зеленому (0, 255, 0). Задавая любые значения (от 0 до 255) для каждого из трех байтов, с помощью которых кодируется цвет, можно закодировать любой из 16,5 миллиона цветов. Описанные примеры можно свести в табл. 7.

Итак, для кодирования цвета одной точки необходимы один, два или три байта, в зависимости от того, сколько цветов мы хотим передать.

25

Следует заметить, что для кодирования точки черно-белого рисунка достаточно и одного байта на каждую точку. Код 0 обозначает черную точку, код 255 – белую. Коды 1– 254 обозначают серые точки. Чем выше значение кода, тем светлее точка. Когда все точки рисунка закодированы, получается определенная последовательность байтов, например: 176, 176, 176, 128, 64, 64, 64, 80, 64, 64, 80, 80, 80, 80, 80...

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).

Качество изображения определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета. Разрешающая способность монитора – это количество точек, из которых складывается изображение. Чем больше разрешающая способность, т.е. чем больше количество строк растра (M) и точек в строке (N), тем выше качество изображения. В современных персональных компьютерах обычно используются четыре основные разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точки.

Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, тогда количество цветов, отображаемых на экране монитора, может быть вычислено по формуле N = 2I.

Таблица 8

Глубина цвета и количество отображаемых цветов

Двоичный код изображения, выводимого на экран, хранится в видеопамяти. Видеопамять – это электронное энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и глубины цвета (количества цветов). Но ее минимальный объем V определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности на глубину цвета.

Vmin = M*N*I.

Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для одного из графических режимов, например, с разрешением 800 на 600 точек и глубиной цвета 24 бита на точку. Всего точек на экране: 800*600 = 480000. Необходимый объем видеопамяти: V = 24 бита*480000 = 11520000 битов =

26

=1440000 байтов = 1406,25 Кбайта = 1,37 Мбайта. Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов.

Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того, чтобы обрабатывать графические данные.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит суть метода пространственной дискретизации?

2.Объясните принцип формирования растрового изображения.

3.Какими параметрами задается графический режим, в котором изображения выводятся на экран монитора?

4.Если использовать графический режим с глубиной цвета 32 бита, то определите:

-какое количество цветов отображается на экране при этой глубине

цвета?

-какой объем видеопамяти необходим для реализации данной глубины цвета при различных разрешающих способностях экрана?

5. Проверьте, остается ли постоянной форма экрана (соотношение ширины и высоты) при различных разрешениях экрана.

5. ДВОИЧНОЕ КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ

Наш мир наполнен самыми разнообразными звуками: шелестом листьев, гулом моторов, звуками, издаваемыми музыкальными инструментами. Так, колеблющаяся струна то разряжает, то уплотняет воздух, а из-за упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство – от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука.

На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту в пределах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц – 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат

вуказанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком.

Внедалеком прошлом все записи музыки выходили на виниловых

пластинках или компакт–кассетах (пример аналогового хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка свою форму изменяет непрерывно). В настоящее время широкое распространение получили компакт-диски (пример дискретного хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка компакт–диска содержит участки с различной

27

отражающей способностью).

Персональные компьютеры получили возможность работать со звуком с начала 90-х годов. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию с помощью специальных программ – редакторов звукозаписей. Создаются также программы распознавания речи, и в результате появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.

Итак, звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в дискретный (последовательность двоичных нулей и единиц).

В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его дискретизация по времени, или, как говорят, временная дискретизация. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На рис. 11 это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек».

Рис. 11. Временная дискретизация фонограммы

Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня громкости звука, его код (1, 2, 3 и т.д.). Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний, соответственно, чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание.

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную «глубину»

28

кодирования звука. Количество различных уровней сигнала или состояний

N при данном кодировании можно рассчитать по формуле

N = 2I = 216 = 65536,

где I – количество битов для кодирования звука.

При другом значении I ситуацию можно охарактеризовать так, как приведено в табл. 9.

Таким образом, современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, т.е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за 1 секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования. Следовательно, качество звукового сигнала определяется «глубиной» и частотой дискретизации.

Но чем выше частота дискретизации, тем больше и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.

Количество измерений в секунду может лежать в диапазоне от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц — качеству звучания аудио-CD. Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стереорежимы.

Можно оценить информационный объем стереоаудиофайла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука (16 битов, 48 кГц). Для этого количество битов на одну выборку необходимо

29

умножить на количество выборок в 1 секунду и умножить на два:

16 битов · 48000 · 2 = 1536000 битов = 192000 байтов * 187,5 Кбайта Следует заметить, что описанный способ кодирования звуковой

информации достаточно универсален, он позволяет представлять любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Человек издавна использует довольно компактный способ представления музыки – нотную запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI (Musical Instrument Digital Interface) – цифровой интерфейс для музыкальных инструментов. Этот стандарт определяет еще и физические характеристики линий передачи, протоколы связи и многое другое. В результате все MIDI-устройства совместимы между собой

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.

Заметим, что существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку. При этом вместо 18 - 20 музыкальных композиций на стандартный компактдиск (CDROM) помещается около 200. Одна песня занимает примерно 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит принцип двоичного кодирования звука?

2.От каких параметров зависит качество двоичного кодирования

звука?

30