Представление информации в компьютере

Представление информации в компьютере Ганзеев П.В. Преподаватель ГПОУ ТТТ

Представление информации Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму.

Благодаря этой рекламе сайт может продолжать свое существование, спасибо за просмотр.

Основы хранения информации в компьютере При компьютерной обработке информации приходится иметь дело с числовой, текстовой, графической, звуковой информацией. Для сведения всех видов информации в единую информационную основу они кодируются в последовательности нулей и единиц. Такое кодирование называется двоичным кодированием, а логические последовательности нулей и единиц образуют машиночитаемый язык.

Основы хранения информации в компьютере Элементарное устройство памяти компьютера, которое применяется для изображения одной двоичной цифры, называется двоичным разрядом или битом. Элемент памяти компьютера, состоящий из восьми битов, называется байтом. Каждый из восьми битов байта может содержать любую из двоичных цифр независимо от остальных.

Основы хранения информации в компьютере Последовательность из восьми нулей и единиц называют двоичным числом. Для хранения двоичных чисел в компьютере используется устройство, которое принято называть ячейкой памяти.

Кодирование информации Кодирование - это процесс установления взаимно однозначного соответствия элементам и словам одного алфавита элементов и слов другого алфавита. Кодом называется правило, по которому сопоставляются различные алфавиты и слова.

Кодирование информации Практически всегда основой кодирования чисел в современной ЭВМ является двоичная система счисления. Системой счисления называется способ записи чисел при помощи ограниченного числа символов (цифр).

Числовая информация Исторически первым видом данных, с которыми стали работать компьютеры, были числа. В соответствии с принципами Джона Фон Неймана ЭВМ выполняет расчёты в двоичной системе счисления. Числа в памяти ЭВМ хранятся в двух форматах: в формате с фиксированной точкой и в формате с плавающей запятой. Формат с фиксированной точкой используется для хранения в памяти целых чисел, и в этом случае число занимает 16 бит.

Чтобы получить код целого положительного десятичного числа следует: перевести число N из десятичной системы счисления в двоичную, полученный результат дополнить слева незначащими нулями до 16 разрядов. Например, N = 160710 = 110010001112. Внутреннее представление этого числа в памяти компьютера будет следующим: 0000 0110 0100 0111

Числовая информация В сжатой 16-теричной форме этот код запишется так: 064716. Двоичные разряды в машинном слове нумеруются от нуля до 15 справа налево. Старший 15-й разряд в машинном представлении любого положительного числа равен нулю, поэтому максимальное целое число в такой форме равно: 0111 1111 1111 11112

Числовая информация Старший разряд в представлении любого отрицательного числа равен 1. Следовательно, он указывает на знак числа и поэтому называется знаковым разрядом. Для перехода от десятичной системы счисления к двоичной и обратно – от двоичной к десятичной – применяются специальные правила, в подавляющем большинстве ситуаций эти переходы осуществляются компьютером автоматически.

Принципы Джона Фон Неймана В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом: принцип программного управления, принцип однородности памяти, принцип адресности.

Символьная информация При хранении в компьютере любой текст рассматривается как линейная последовательность символов. Причем промежуток между отдельными символами – пробел, переход на следующую строку или страницу – также рассматриваются как специальные символы.

Символьная информация Для кодирования одного символа текстовой информации используется количество информации равное 1 байту (8 бит). При вводе в память компьютера текстовой информации происходит ее двоичное кодирование, т. е. символ преобразуется в двоичный код.

Символьная информация При выводе символа на экран компьютера производится обратный процесс – декодирование, что означает преобразование двоичного кода символа в его изображение. Таким образом, различия в начертании символов преобразуются в различия между их кодами.

Символьная информация Множество символов, используемых на ЭВМ, для внешнего представления текста называется символьным алфавитом компьютера. Списки всех используемых при записи текстов символов и соответствующих им двоичных кодов образуют кодовые таблицы.

Символьная информация Таблица кодировки – это стандарт, ставящий в соответствие каждому символу алфавита свой порядковый номер: наименьший номер – 0, наибольший – 255. Двоичный код символа – это его порядковый номер в двоичной системе счисления (от 00000000 до 11111111). Присвоение символу конкретного кода – это вопрос соглашения, которое фиксируется кодовой таблицей (например, ASCII).

* Таблицы кодировки Таблица, в которой устанавливается однозначное соответствие между символами и их порядковыми номерами, называется таблицей кодировки. Для разных типов ЭВМ используют различные таблицы кодировки: ANSI - (American National Standards Institute) ASCII - (American Standard Cod for Information Interchange)

Кодовые таблицы В практике программирования применяются различные кодовые таблицы. Наиболее часто используется кодовая таблица ASCII (American Standart Code for Information Interchange – стандартный американский код для обмена информацией), которая в настоящее время стала международным стандартом для персональных компьютеров. Международным стандартом является лишь первая (базовая) половина таблицы, т. е. символы от 0 до 127.

* Таблица кодировки ASCII *

* Код обмена информации ASCII Первоначально – 7 бит N=27=128 символов 0…31- всевозможные управляющие символы 32…127 – видимые на экране символы. Сейчас – 8 бит N=28 =256 символов 128…255- национальные алфавиты, псевдографика: 01000001 = буква А = 65

* Системы кодирования КОИ-7 Windows-1251 КОИ-8 ISO Unicode

Символы от 0 до 127 строчные и прописные буквы латинского алфавита, десятичные цифры, различные математические символы, знаки препинания, всевозможные скобки, коммерческие и другие символы и т. д.

Символы от 0 до 127 Символы с номерами от 0 до 31 принято называть управляющими - управление процессом вывода текста на экран или печать, подача звукового сигнала, разметка текста и т. д.

Символы от 0 до 127 Символ номера 32 – пробел, т. е. пустая позиция в тексте. Все остальные сопровождаются определенными знаками.

Кодовые таблицы Вторая половина кодовой таблицы может иметь различные варианты. В первую очередь она используется для размещения национальных алфавитов, отличных от латинского.

Кодовые таблицы Для кодировки русского алфавита – кириллицы, применяются разные варианты таблиц, поэтому возникают проблемы с переносом русского текста с одного компьютера на другой, из одной программной системы в другую.

Например, согласно таблице ASCII машинный код текста, состоящего из одного слова «СИМВОЛ» следующий: 1001 0001 С 1000 1000 И 1000 1100 М 1000 0010 В 1000 1110 О 1000 1011 Л Кодовые таблицы

КОИ-7 Для представления букв русского языка (кириллицы) в рамках ASCII было предложено несколько версий. Первоначально был разработан ГОСТ под названием КОИ-7, оказавшийся по ряду причин крайне неудачным, ныне он практически не используется.

Unicode Проблема стандартизации символьного кодирования решается введением нового международного стандарта, который называется Unicode. Это 16-разрядная кодировка, т. е. в ней на каждый символ отводится 2 байта памяти. Конечно, при этом объем занимаемой памяти увеличивается в два раза. Но зато такая кодовая таблица допускает включение до 65 536 символов и в нее можно внести всевозможные национальные алфавиты.

Форматы текстовых файлов Существует много различных форматов – конкретных способов кодирования символов текста и фиксации элементов его оформления. Например, общепринятый, «понятный» большинству работающих с текстами программ формат TXT основывается на одной из кодовых таблиц для представления символов текста и практически не содержит никаких элементов его оформления. Именно поэтому с этим форматом могут работать очень многие программы. Значительно более сложным является формат RTF (Rich Text Format – богатый текстовый формат), который содержит очень много различных возможностей по оформлению текстов.

Кодирование графической информации Для обработки изображения на компьютере графическая информация должна быть представлена в цифровом формате (закодирована). Существует два способа кодирования графической информации – растровый и векторный. Различие между ними главным образом состоит в способе описания информации об изображении в графических файлах.

В векторной графике все изображения описываются в виде математических объектов (примитивов): прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр. При таком способе компьютерная модель конкретного изображения – это математическое описание контуров, которым могут быть присвоены заливки и обводки. Каждый элемент представляет собой независимый объект, который можно перемещать, масштабировать и изменять.

Векторная графика Например, изображение древесного листа описывается точками, через которые проходит линия, создавая тем самым контур листа. Цвет листа задается цветом контура и области внутри этого контура.

Достоинства векторной графики: объекты легко трансформируются и ими просто манипулировать, что не оказывает никакого влияния на качество изображения, файлы, содержащие векторные изображения, невелики по размеру, т. к. хранится не само изображение, а только его основные данные, используя которые программа всякий раз воссоздает изображение заново, в программах векторной графики есть развитые средства интеграции изображений и текста, возможность создания конечного продукта.

Векторная графика используется там, где принципиальное значение имеет сохранение ясных и четких контуров. Сложность векторного принципа описания изображения не позволяет автоматизировать ввод графической информации. Кодирование зависти от прикладной среды. Векторный формат изображения создаётся в результате использования графических редакторов векторного типа, например, Corel Draw, Adobe Illustrator, Macromedia FreeHand.

Значительным недостатком векторной графики является программная зависимость: каждая программа сохраняет данные в своем собственном формате, поэтому изображение, созданное в одном векторном редакторе, как правило, не конвертируется в формат другой программы без погрешностей.

Растровый способ При использовании растрового способа изображение представляет собой прямоугольную матрицу точек (пикселов), имеющих свой цвет из заданного набора цветов (палитры). Растровое изображение чем-то напоминает мозаику, и любая графическая операция сводится к работе с отдельными элементами мозаики – пикселами.

Растровая графика Растровая графика описывает изображения с использованием цветных точек, называемых пикселами, расположенных на сетке. Например, изображение древесного листа описывается конкретным расположением и цветом каждой точки сетки, что создает изображение примерно также, как в мозаике.

Кодирование растровых изображений Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту (либо черная, либо белая – либо 1, либо 0).

Кодирование растровых изображений Для представления изображения в растровом виде оно разбивается на определенное количество ячеек, и каждая ячейка обозначается единицей или нулем в зависимости от того, попало в нее изображение или нет. Цифры заносятся в таблицу такой же размерности. Полученная таблица называется битовой картой.

Разрешение Физический размер ячейки выражается через разрешение (количество пикселов на единицу длины, обычно дюйм). Чем разрешение больше, тем больше ячеек в битовой карте данного размера. При визуализации число ячеек (разрешение) исходного изображения может быть равно числу ячеек (разрешению) выводного устройства, например, монитора.

Разрешение Изображение в масштабе 1:1 отображается пиксел в пиксел. Если разрешение изображения меньше разрешения устройства вывода, то исходный пиксел отображается множеством пикселов устройства и получается размытое, ступенчатое изображение.

Кодирование растровых изображений Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего (модель RGB). Для получения богатой палитры базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности.

RGB (модель) Красный (Red), Зеленый (Green) и Синий (Blue)

Кодирование растровых изображений Для четырех цветного – 2 бита. Для 8 цветов необходимо – 3 бита. Для 16 цветов – 4 бита. Для 256 цветов – 8 бит (1 байт). 4 294 967 296 цветов (True Color) – 32 бита (4 байта). Большое значение для растрового изображения имеет параметр глубины цвета – максимальное число цветов, которые могут быть в нем использованы.

Достоинства растровой графики: простота и, как следствие, техническая реализуемость автоматизации ввода (оцифровки) графической информации. Существует развитая система внешних устройств для ввода фотографий, слайдов, рисунков, акварелей и т. д. – сканеры, видеокамеры, цифровые фотокамеры, фотореалистичность: можно получить живописные эффекты используя нерезкость, размытость, цветовые переходы и т. д. Растровое изображение имеет полутона, что позволяет кодировать и отображать рисунки с фотографической точностью.

Недостатком растровых изображений является их пиксельный характер. При увеличении масштабов растрового изображения каждый пиксел увеличивается, и растр изображения становится виден, что мешает восприятию изображения. Любая трансформация (поворот, наклон) сопровождается искажениями. Хранение растровых изображений требует существенных затрат памяти компьютера и временных ресурсов для их обработки.

Графические файлы растровых типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами, например, Paint, Adobe PhotoShop. Форматы файлов, предназначенные для сохранения точечных изображений, являются стандартными, поэтому не имеет решающего значения, в каком графическом редакторе создано то или иное изображение. Файл, сохраняющий точечное изображение, легко открывается и импортируется в редакторах точечной и векторной графики.

Данные об изображении хранятся в графических файлах. Способ организации графических файлов называется графическим форматом. Размер графического файла сильно зависит от формата, выбранного для хранения изображения. Знание графических форматов и их возможностей является одним из ключевых факторов в допечатной подготовке изданий, подготовке изображений для Web и в компьютерной графике вообще. Форматы графических файлов

Голубой (Cyan), Пурпурный (Magenta) Желтый (Yellow) Черный (BlacK)

Сравнение векторной и растровой графики   Основной элемент изображения Цвет и форма Основное применение растровая графика точка(в экранном изображении пиксел) Цвет и форма неотделимы, но цвет первичен, а форма  является производной от цвета (без цвета, форма не существует) Создание фотореалистических изображений с тонкими цветовыми переходами - это портрет, пейзаж, живописный коллаж

Сравнение векторной и растровой графики   Основной элемент изображения Цвет и форма Основное применение векторная графика линия(контур) прямая или кривая Цвет и форма независимы друг от друга, и форма первична, а цвет -  заполнитель формы (без контура, цвет не существует) Используются для отображения объектов с чёткой границей и ясными деталями - это шрифт, логотип, графический знак, орнамент, декоративная композиция

* Кодирование графической информации Растровое изображение представляет собой однослойную сетку точек, называемых пикселами (pixel, от англ. picture element). Код пиксела содержит информации о его цвете. Векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения - линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста - располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев. Объем графического файла в битах определяется как произведение количества пикселей N на разрядность цвета M (битовую глубину)

Двоичное кодирование звука Звук – волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон.

Кодирование звука Современные компьютеры «умеют» сохранять и воспроизводить звук (речь, музыку и пр.). Звук, как и любая другая информация, представляется в памяти ЭВМ в форме двоичного кода. Звук является обязательной компонентой мультимедийных продуктов. Кодирование аудиосигнала основано на временной дискретизации.

Кодирование звука В процессе кодирования звукового сигнала производится его временная дискретизация – непрерывная волна разбивается на отдельные маленькие временные участки. Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной кодирования и частотой дискретизации.

Процесс преобразования звуковых волн в памяти компьютера Физическая природа звука – это колебания в определённом диапазоне частот, передаваемых звуковой волной, через воздух (или другую упругую среду).

Процесс воспроизведения звуковой информации, сохраненной в памяти компьютера:

Кодирование звука Результат кодирования и декодирования зависит от аудиоадаптера. Аудиоадаптер – звуковая плата, подключенная к компьютеру, предназначенная для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования при воспроизведении.

Кодирование звука В процессе записи звука аудиоадаптер с определённым периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера.

Кодирование звука Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью. Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Характерные частоты – 11, 22, 44,1.

Кодирование звука Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерений входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 28 либо 216 различных значений. Звуковой файл хранит звуковую информацию в числовой двоичной форме. Как правило, звуковая информация подвергается сжатию.

* Кодирование звука* Звук - это колебания воздуха Процесс преобразования аналогового сигнала в последовательность двоичных чисел называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его - аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь -- ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

* Кодирование видеоинформации Число кадров вычисляется как произведение длительности видеоклипа на скорость кадров , то есть их количество в 1 с При разрешении 800*600 точек, разрядности цвета C=16, скорости кадров v=25 кадров/c, видеоклип длительностью 30 с будет иметь объем: V=800*600*16*25*30=576*107(бит)=72*107(байт)=687(Мбайт)