учебник информатика

1.2 Кодирование информации

Особняком стоит 7-битная, русская кодировка – транслитерация, или транскириллица, когда русские буквы передаются похожими по зву-

чанию английскими primerno takim obrazom.

Таким образом, в настоящее время при работе в Интернете Вы можете встретить следующие кодировки для кириллицы:

CP1251 – Cyrillic Windows – операционной системы Microsoft Windows;

CP866 – Cyrillic DOS – операционной системы MS DOS;

ISO 8859-5 – Cyrillic ISO – 8-ми битная таблица ASCII ;

KOI8-R – операционной системы Linux;

CP10007 – операционной системы компьютеров Macintosh;

UTF-8 – универсальная Unicode кодировка переменной длины.

1.2.2 Кодирование числовой информации

Числовая информация, как и любая другая, хранится и обрабатывается в компьютерах в двоичной системе счисления – числа представляются в виде последовательностей нулей и единиц.

Существуют два вида чисел и два способа их представления: форма с фиксированной точкой и форма с плавающей точкой. Форма с фиксированной точкой применяется для целых чисел, форма с плавающей точкой – для вещественных (действительных) чисел.

Как это ни странно, не все студенты 1 курса вуза могут ответить на вопрос, что такое действительные или вещественные числа. Это рациональные и иррациональные числа, у которых может быть как целая, так и дробная часть, записываемая справа от разделителя целой и дробной части. Как разделитель при работе на компьютере раньше всегда использовалась точка, но в современных системах разделитель – точка или запятая – может настраиваться в соответствии со стандартами страны пользователя или с его привычками.

ЭВМ оперирует с числами, содержащими конечное число двоичных цифр (разрядов). Количество разрядов ограничено длиной разрядной сетки машины. Под разрядной сеткой понимается совокупность двоичных разря-

22

1.2 Кодирование информации

Например, число -1 в 8-разрядном двоичном коде выглядит, как

11111111, -2 – как 11111110 и т. д.

Дополнительный код позволяет заменить арифметическую операцию вычитания операцией сложения, что исключает операцию вычитания их набора команд двоичной арифметики процессора.

Таким образом, при использовании 8-ми разрядов для хранения целых чисел со знаком диапазон их изменения составит от – 128 до 127, если использовать 16 разрядов – от -32 768 до 32 767, 32 разряда – от -2 147 483 648 до 2 147 483 647, что следует учитывать при работе с целыми типами данных при программировании и работе с базами данных.

Кодирование вещественных чисел

Для того чтобы представить действительное число X в виде набора целых чисел (двоичных – для представления в компьютерной памяти), его необходимо привести к нормализованной форме:

X = M · NP;

где M – мантисса (дробная часть), N – основание системы счисления, а P – порядок числа.

Для десятичной системы счисления нормальная форма X = M · 10P, для двоичной X = M · 2P.

Например, число 22.2210 в таком виде будет выглядеть, как +0,2222·102 (при записи чисел в памяти ЭВМ ноль и запятая отсутствуют).

Таким образом, действительные число на компьютерах хранится в двоичной системе счисления в виде:

где S – признак знака числа.

Поскольку размер памяти, отводимый под мантиссу и порядок, ограничен, то действительные числа представляются с некоторой погрешностью, определяемой количеством разрядов в мантиссе числа, и имеют определенный диапазон изменения, определяемый количеством разрядов в порядке числа.

Конкретные характеристики различных типов вещественных типов данных для ПК определены в стандарте IEEE-754-1985 (Institute of Electrical and Electronic Engineers - http://www.ieee.org/), согласно которому ис-

пользуются 3 основных формы (см. табл. 1.3).

Особенности арифметики для чисел с плавающей точкой могут существенно влиять на результаты расчётов, вплоть до того, что погреш-

24

1.2 Кодирование информации

На мониторе и в растровых изображениях число пикселей по горизонтали и по вертикали называют разрешением (resolution). Наиболее ча-

сто используются 1024×768 или 1280×800, 1280×1024 (для 15, 17 19 ),

720×576 (качество обычных DVD-фильмов), 1920×1080 и 1920×720 (телевидение высокой четкости HDTV – стандарты 1080i и 720p). Каждый пиксель изображения 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 определен цвет. Самая простая двухцветная модель – битовая. В ней для описания цвета каждого пикселя (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 (Red-Green-Blue). 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 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 принтерах используется субтрактивная CMYK-модель (Cyan-Magenta-Yellow-blacK), цвет в которой получается в результате вычитания базовых цветов из белого цвета. Белому цвету в этой модели соответствует (0,0,0,0), чёрному - (0,0,0,1), голубому - (1,0,0,0), сиреневому - (0,1,0,0), жёлтому - (0,0,1,0). 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.

Кроме растрового изображения на экране монитора существуют графические форматы файлов, сохраняющие растровую или векторную графическую информацию. С такой информацией работают специальные программы, которые преобразуют векторные изображения в растровые, отображаемые на мониторе.

26

1.2 Кодирование информации

ступеньке присваивается свой уровень громкости звука, который можно рассматривать как набор возможных состояний.

Характеристики качества звука

1)Точность выборки или глубина кодирования звука – количество бит на одно измерение величины звукового сигнала.

Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодирования звука. Количество уровней (градаций амплитуды) можно рассчитать по формуле:

N = 2I = 216 = 65 536 уровней сигнала (градаций амплитуды)

2)Частота выборки или частота дискретизации – это количе-

ство измерений уровня звукового сигнала за 1 секунду.

Одно измерение в 1 секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений в 1 секунду - 1 кГц.

Количество измерений может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000

(8 кГц – 48 кГц).

8 кГц соответствует частоте радиотрансляции,

48 кГц – качеству звучания аудио-CD.

Опыт показывает, что точное соответствие цифрового сигнала аналоговому достигается, если частота дискретизации будет вдвое выше максимальной звуковой частоты, то есть составит не менее 40 кГц.

На практике значения частоты дискретизации, применяемые в звуковых системах, равны 44,1 кГц или 48 кГц.

Чем больше частота дискретизации, тем качественнее звук.

3)Для характеристики сжатого звука и видео используется понятие битрейт – количество единиц информации, необходимых для хранения или передачи одной секунды потока данных. Величина измеряется в килобитах в секунду (kbps). Битрейт характеризует как плотность упаковки информации, так и её качество. Например, из двух MP3 файлов сжатых с разным битрейтом, более качественный (близкий к оригиналу) звук будет у файла с большим битрейтом. В тоже время, файл другого формата, при равном битрейте, может дать как лучшее, так и худшее качество звука. Стандартов кодирования двухканальной и многоканальной (5.1 и 7.1) аудиоинформации насчитывается несколько десятков, наименования некоторых из них, используемых в современных методах записи мультимедиаинформации, приведены далее в таблице 1.4.

28

1.2 Кодирование информации

Таблица 1.4. Сравнение форматов записи видео на диски

Все форматы сжатия семейства MPEG (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7) используют высокую избыточность информации в изображениях, разделенных малым интервалом времени. Между двумя соседними кадрами обычно изменяется только малая часть сцены – например, происходит плавное смещение небольшого объекта на фоне фиксированного заднего плана. В этом случае полная информация о сцене сохраняется выборочно – только для опорных кадров. Для остальных кадров достаточно передавать разностную информацию: о положении объекта, направлении и величине его смещения, о новых элементах фона, открывающихся за объектом по мере его движения. Причем эти разности можно формировать не только по сравнению с предыдущими изображениями, но и с последующими (поскольку именно в них по мере движения объекта открывается ранее скрытая часть фона).

Алгоритмы MPEG сжимают только опорные кадры – I-кадры (Intra frame – внутренний кадр). В промежутки между ними включаются кадры, содержащие только изменения между двумя соседними I-кадрами – P-

30