Формы представления информации

Как известно, человек воспринимает информацию органами чувств. Часть ее используется немедленно по мере поступления, а другая реги­стрируется, записывается и хранится на различных носителях. Так, для хранения символьно-текстовой информации традиционно использовалась бумага, звуковой - виниловые диски и магнитная пленка, видеоинформа­ции - кино- и видеопленка. С появлением мощных ЭВМ стала возможной унификация форм ее представления. После преобразования в двоичные коды любая информация (текстовая, графическая, аудио, видео) может фиксироваться, передаваться, обрабатываться и храниться на одних и тех же машинных носителях.

Процесс преобразования информации из одной формы представления в другую называется кодированием. Для ЭВМ используют двоичное ко­дирование (binary encoding), основанное на двоичной системе счисления. Объем информации, который может быть представлен в одном двоичном разряде, считается равным одному биту (bit, binary digi/ - двоичная

цифра).

Одним битом могут быть представлены два значения: 0 или 1 (да или нет, включен или выключен, намагничено или не намагничено, истина или ложь и т.п.). Это минимальное количество информации, как правило, недостаточно для выражения каких-либо смысловых значений. Но уже двумя битами можно закодировать четыре различных значения:

00 01 10 11

Три бита позволяют выразить восемь значений:

000 001 010 011 100 101 110 111

Таким образом, в системе двоичного кодирования при увеличении количества разрядов на единицу количество кодируемых значений уве­личивается вдвое.

Общая формула для объема кодируемой информации имеет вид

N=2^m,

где N - количество независимых кодируемых значений; т - разряд­ность двоичного кодирования.

Последовательностью битов можно закодировать текст, изображение, звук и любую иную информацию.

Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно 8 разрядов дво­ичного кода (8 бит):

0000 0000=0

0000 0001=1

___________

1111 1111=255

16 битпозволяют закодировать целые числа от 0 до 65 535, а 24 бита - более 16,5 миллионов различных значений.

Для кодирования действительных чисел требуется предварительная нормализация; это означает, что произвольное действительное число X приводится к виду Х= ± т•10^±р, где т - мантисса, р - характеристика (порядок) числа; при этом мантисса должна быть меньше 1, а первая значащая цифра отличной от нуля (например, 3,14159 = 0,314159•10¹; 123456789 = 0,123456789•10⁹ и т.д.).

Текстовую информацию кодируют с помощью двоичного кода, ставя в соответствие каждому символу алфавита определенное целое число (например, его порядковый номер). Восьми двоичных разрядов достаточ­но, чтобы выразить все символы английского и русского алфавита, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основ­ных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы (№, § и др.).

Международным стандартом для персональных компьютеров явля­ется таблица кодировки ASCII (американский стандартный код обмена информацией, сокращенно произносится «аски»). В этой таблице латин­ские буквы (прописные и строчные) располагаются в алфавитном по­рядке. Расположение цифр также упорядочено по возрастанию значений. Однозначным образом в таблице ASCII представлены только первые 128 символов, то есть символы с номерами от нуля (двоичный код 00000000) до 127 (01111111). Сюда входят все буквы латинского алфавита, цифры, знаки препинания, скобки и некоторые другие символы. Остальные 128 кодов, начиная со 128-го (двоичный код 10000000) и до 255-го (11111111), используются для кодировки других букв национальных европейских алфавитов, символов псевдографики и- научных символов. Этих 128 кодов недостаточно для представлений всех символов национальных алфавитов (хотя бы европейских), в связи с чем было разработано мно­жество вариантов кодировки (кодовых таблиц). Так, для отображения на компьютере символов русского алфавита используются стандартные кодировки КОИ8-Р, Windows-1251, ГОСТ-альтернативная, а также два устаревших стандарта.

Отсутствие единого стандарта приводит к большим проблемам (на­пример, при передаче сообщений электронной почты). Решить эту задачу можно лишь при переходе на 16-разрядное кодирование, что позволит обеспечить унифицированное представление 65536 различных символов. Этого достаточно для размещения в одной таблице символов, использу­емых при письме большинством народов мира. В настоящее время все более широкое применение находит одна из таких систем - UNICODE.

Для цифрового представления графической информации исполь­зуют два способа: растровый и векторный. Растровые изображе­ния представляют собой однослойную сетку точек, называемых пик­селами (pixel, от англ, picture element). Код каждого пиксела содержит информацию о его цвете.

Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксел может при­нимать только два значения: белый и черный (светится экран или не светится), а для его кодирования достаточно одного бита: 1 - белый цвет, О - черный.

На цветном экране пиксел может иметь различную окраску, поэтому одного бита уже недостаточно. Так, для кодирования 4-цветного изо­бражения требуются два бита на пиксел, поскольку комбинация из двух битов может принимать 4 различных значения.

Все разнообразие цветов воспроизводится на мониторе сочетанием трех базовых цветов - красного (Red), зеленого {Green), синего (Blue). Считается, что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно по­лучить путем их смешения в нужной пропорции. Такая система пред­ставления цвета называется RGB (по первым буквам названий основных цветов). Изменяя интенсивность (яркость) свечения базовых цветов, получают самые разнообразные оттенки. Количество различных цветов nh количество битов т, необходимых для их кодировки, связаны между собой уже известной формулой: N= 2^m.

Если для характеристики цвета отвести четыре бита, можно закоди­ровать 2⁴ = 16 различных цветов (отвечающих комбинациям битот 0000 до 1111). При 8-битной кодировке пикселов рисунок может содержать уже 2⁸ = 256 различных цветов, 16-битной-2¹⁶ = 65 536. Наконец, если отвести на цвет каждого пиксела 24 бита (по 8 бит на каждый из трех основных цветов), рисунок может содержать до 2²⁴ = 16 777 216 различных цветов и оттенков. Этого вполне достаточно для получения фотореалистического изображения, поэтому такой режим представления цветной графики назы­вается полноцветным (True Color). Режим представления цветной графики 16-разрядными двоичными числами носит название High Color.

В отличие от растровой графики векторное изображение представляет собой совокупность не светящихся точек, а ряда графических элемен­тов (линий, прямоугольников, эллипсов, фрагментов текста), каждый

из которых описывается с помощью специального языка кодирования (математических уравнений линий и окружностей и т.п.). Этот способ кодирования идеально подходит для рисунков, составленных из отдель­ных фигур (например, технических чертежей, диаграмм, блок-схем). Преимущество векторной графики заключается в том, что форму, цвет и пространственное положение составляющих ее объектов можно описать с помощью достаточно простых математических формул, что облегчает манипуляции с ними в программах редактирования графики.

Кодирование звука основано на его преобразовании в электрические сигналы (например, с помощью микрофона или другой звукозаписыва­ющей аппаратуры) с последующим представлением в виде последова­тельности двоичных чисел. Для этого измеряют напряжение записанных сигналов через равные (очень короткие) промежутки времени, и полу­ченные значения заносят в память компьютера. Этот процесс (рис. 1) на­зывается дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его - аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для этого используют цифро-аналоговый преобразователь - ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Рис.1. Процесс дискретизации

Чем выше частота дискретизации (количество замеров в секунду) и чем больше разрядов отводится для записи каждого измерения, тем точ­нее будет представлен звук. Так, для профессиональной записи музыки на компакт-диске требуется произвести 44,1 тыс. измерений в секунду и кодировать каждое измерение 16 двоичными разрядами.

Указанный способ кодирования звуковой информации является уни­версальным, он позволяет представить любой звук (живую речь, музыку, различные шумы и специальные звуковые эффекты), а также преобразо­вывать его произвольным способом. Вместе с тем, он требует довольно много места на электронном носителе.

Другим, более компактным способом представления звука является нотная записьи ее различные модификации; по сути, это руководство для исполнителя, записанное на особом формальном языке. Такая система кодирования, однако, пригодна только для инструментальной музыки (с ее помощью нельзя, например, записать речь, произвольные шумы или звуковую дорожку кинофильма).