кодирование текстовой графической звуковой и видеоинформации
Конспект по теме: «Кодирование текстовой, графической и звуковой информации»
Для удобства представления информации в компьютере все возможные виды информации переводятся в числовую форму, и эти числа хранятся в компьютере в двоичном виде, т. е. кодируются.
Кодирование информации — процесс преобразования информации из формы, удобной для непосредственного использования, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки.
Кодирование текстовой информации
Для записи текстовой (знаковой) информации всегда используется какой-либо язык (естественный или формальный).
Всё множество используемых в языке символов называется алфавитом. Полное число символов алфавита N называют его мощностью. При записи текста в каждой очередной позиции может появиться любой из N символов алфавита, т. е. может произойти N событий. Следовательно, каждый символ алфавита содержит i бит информации, где i определяется из неравенства (формула Хартли): 2i ≥ N. Тогда общее количество информации в тексте определяется формулой:
где V – количество информации в тексте; k – число знаков в тексте (включая знаки препинания и даже пробелы), i— количество бит, выделенных на кодирование одного знака.
Если кодирование – это перевод информации с одного языка на другой (запись в другой системе символов, в другом алфавите), то декодирование – обратный перевод.
При кодировании один символ исходного сообщения может заменяться одним символом нового кода или несколькими символами, а может быть и наоборот – несколько символов исходного сообщения заменяются одним символом в новом коде (китайские иероглифы обозначают целые слова и понятия), поэтому кодирование может быть равномерное и неравномерное. При равномерном кодировании все символы кодируются кодами равной длины, при неравномерном кодировании разные символы могут кодироваться кодами разной длины, что затрудняет декодирование.
Закодированное сообщение можно однозначно декодировать с начала, если выполняется условие Фано: никакое кодовое слово не является началом другого кодового слова. Закодированное сообщение можно однозначно декодировать с конца, если выполняется обратное условие Фано: никакое кодовое слово не является окончанием другого кодового слова. Условие Фано – это достаточное, но не необходимое условие однозначного декодирования.
Решение задач на кодирование текстовой информации
1.Автоматическое устройство осуществило перекодировку информационного сообщения на русском языке длиной в 20 символов, первоначально записанного в 2-байтном коде Unicode, в 8-битную кодировку КОИ-8. На сколько бит уменьшилась длина сообщения? В ответе запишите только число.
1) при 16-битной кодировке объем сообщения – 16*20 бит
2) когда его перекодировали в 8-битный код, его объем стал равен– 8*20 бит
3) таким образом, сообщение уменьшилось на 16*20 – 8*20 = 8*20 = 160 бит
2. Определите информационный объем текста в битах
1) в этом тексте 19 символов (обязательно считать пробелы и знаки препинания)
2) если нет дополнительной информации, считаем, что используется 8-битная кодировка (чаще всего явно указано, что кодировка 8- или 16-битная), поэтому в сообщении 19*8 = 152 бита информации
3. В таблице ниже представлена часть кодовой таблицы ASCII:
Урок 9
Кодирование графической информации, звуковой и видеоинформации
§16. Кодирование графических изображений. §17. Кодирование звуковой и видеоинформации
Содержание урока
§16. Кодирование графических изображений
§17. Кодирование звуковой и видеоинформации
Оцифровка звука
§17. Кодирование звуковой и видеоинформации
Оцифровка звука
Звук — это колебания среды (воздуха, воды), которые воспринимает человеческое ухо. С помощью микрофона звук преобразуется в аналоговый электрический сигнал. В любой момент времени аналоговый сигнал на выходе микрофона (ток или напряжение) может принимать любое значение в некотором интервале (рис. 2.24).
Как вы знаете, современные компьютеры обрабатывают только дискретные сигналы (двоичные коды). Поэтому для работы со звуком необходима звуковая карта 1 — специальное устройство, которое преобразует аналоговый сигнал, полученный с микрофона, в двоичный код, т. е. в цепочку нулей и единиц. Эта процедура называется оцифровкой.
1 В современных персональных компьютерах функции звуковой карты часто выполняет специальная микросхема материнской платы — аппаратный аудиокодек.
Оцифровка — это преобразование аналогового сигнала в цифровой код.
Ситуация напоминает ту, с которой мы столкнулись при кодировании рисунка: любая линия состоит из бесконечного числа точек, поэтому, чтобы закодировать «по точкам», нужна бесконечная память. Здесь тоже придётся использовать дискретизацию — представить аналоговый сигнал в виде набора чисел, т. е. записать в память только значения сигнала в отдельных точках, взятых с некоторым шагом Т по времени (рис. 2.25).
Число Т называется интервалом дискретизации, а обратная ему величина 1/Т — частотой дискретизации. Частота дискретизации обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Один герц — это один отсчёт в секунду, а 1 кГц — 1000 отсчётов в секунду. Чем больше частота дискретизации, тем точнее мы записываем сигнал, тем меньше информации теряем. Однако при этом возрастает количество отсчётов, т. е. информационный объём закодированного звука.
Для кодирования звука в компьютерах чаще всего используются частоты дискретизации 8 кГц (минимальное качество, достаточное для распознавания речи), 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц (звуковые компакт-диски), 48 кГц (фильмы в формате DVD), а также 96 кГц и 192 кГц (высококачественный звук в формате DVD- audio). Выбранная частота влияет на качество цифрового звука. Дело в том, что наушники и звуковые колонки — это аналоговые (не цифровые) устройства, и при проигрывании звука через звуковую карту компьютеру нужно как-то восстановить исходный аналоговый сигнал и передать его на наушники или звуковые колонки. В памяти есть только значения, снятые с интервалом Т, остальная информация была потеряна при кодировании. В простейшем случае по ним можно восстановить ступенчатый сигнал, который будет существенно отличаться от исходного (до кодирования) (рис. 2.26). В современных звуковых картах для повышения качества звука этот ступенчатый сигнал сглаживается с помощью специальных фильтров.
Для повышения качества звука, т. е. для большего соответствия между сигналом, принятым микрофоном, и сигналом, выведенным из компьютера на колонки, нужно увеличивать частоту дискретизации, однако при этом, как вы уже знаете, увеличивается и объём файла. Как же выбрать оптимальную частоту при кодировании? Ответ на этот вопрос во многом зависит от свойств звука, который нужно закодировать.
С точки зрения математики, любой сигнал можно представить в виде суммы очень большого числа колебаний разных частот (гармоник). Если выбрать частоту дискретизации больше, чем удвоенная частота самой быстрой гармоники, то теоретически по отдельным отсчётам можно точно восстановить исходный аналоговый сигнал. Этот результат известен в радиотехнике как теорема Котельникова-Шеннона.
К сожалению, на практике всё несколько сложнее. Дело в том, что в реальных сигналах содержатся гармоники с очень высокими частотами, так что частота дискретизации, полученная с помощью теоремы Котельникова-Шеннона, будет также высока и объём файла — недопустимо велик. Однако средний человек слышит только звуки с частотами от 16 Гц до 20 кГц, поэтому все частоты выше 20 кГц можно «потерять» практически без ухудшения качества звука (человек не почувствует разницу!). Удвоив эту частоту (по теореме Котельникова-Шеннона), получаем оптимальную частоту дискретизации около 40 кГц, которая обеспечивает наилучшее качество, различимое на слух. Поэтому при высококачественном цифровом кодировании звука на компакт-дисках и в видеофильмах чаще всего используют частоты 44,1 и 48 кГц. Более низкие частоты применяют тогда, когда важно всячески уменьшать объём звуковых данных (например, для трансляции радиопередач через Интернет), даже ценой ухудшения качества.
Кроме того что при кодировании звука выполняется дискретизация с потерей информации, нужно учитывать, что на хранение одного отсчёта в памяти отводится ограниченное место. При этом вносятся дополнительные ошибки.
Представим себе, что на один отсчёт выделяется 3 бита. При этом код каждого отсчёта — это целое число от 0 до 7. Весь диапазон возможных значений сигнала, от 0 до максимально допустимого, делится на 8 полос, каждой из которых присваивается номер (код). Все отсчёты, попавшие в одну полосу, получают одинаковый код (рис. 2.27).
Преобразование измеренного значения сигнала в целое число называется дискретизацией по уровню или квантованием. Эту операцию выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — специальный блок звуковой карты.
Разрядность кодирования — это число битов, используемое для хранения одного отсчёта.
Недорогие звуковые карты имеют разрядность 16-18 битов, большинство современных — 24 бита, что позволяет использовать 2 24 = 16 777 216 различных уровней.
Объём данных, полученный после оцифровки звука, зависит от разрядности кодирования и частоты дискретизации. Например, если используется 16-разрядное кодирование с частотой 44 кГц, то за 1 с выполняется 44 000 измерений сигнала, и каждое из измеренных значений занимает 16 битов (2 байта). Поэтому за 1 секунду накапливается 44 000 • 2 = 88 000 байтов данных, а за 1 минуту: 88 000 • 60 = 5 280 000 байтов ≈ 5 Мбайт.
Если записывается стереозвук (левый и правый каналы), это число нужно удвоить.
С помощью оцифровки можно закодировать любой звук, который принимает микрофон. В частности, это единственный способ кодирования человеческого голоса и различных природных звуков (шума прибоя, шелеста листвы и т. п.).
Однако у этого метода есть и недостатки:
• при оцифровке звука всегда есть потеря информации (из-за дискретизации);
• звуковые файлы имеют, как правило, большой размер, поэтому в большинстве современных форматов используется сжатие.
Среди форматов оцифрованных звуковых файлов наиболее известны:
• WAV (англ. Waveform Audio File Format; файлы с расширением wav) — стандартный формат звуковых файлов в операционной системе Windows; сжатие данных возможно, но используется редко;
• MP3 (файлы с расширением mp3) — самый популярный формат звуковых файлов, использующий сжатие с потерями: для значительного уменьшения объёма файла снижается качество кодирования для тех частот, которые практически неразличимы для человеческого слуха;
• WMA (англ. Windows Media Audio; файлы с расширением wma) — формат звуковых файлов, разработанный фирмой Microsoft; чаще всего используется сжатие для уменьшения объема файла;
• Ogg Vorbis (файлы с расширением ogg) — свободный (не требующий коммерческих лицензий) формат сжатия звука с потерями.
Все эти форматы являются потоковыми, т. е. можно начинать прослушивание до того момента, как весь файл будет получен (например, из Интернета).
Следующая страница 
Инструментальное кодирование звука
Cкачать материалы урока
Кодирование информации
Вы будете перенаправлены на Автор24
Общие понятия
Кодирование — это преобразование информации из одной ее формы представления в другую, наиболее удобную для её хранения, передачи или обработки.
Кодом называют правило отображения одного набора знаков в другом.
Длина кода – это количество знаков, используемых для представления кодируемой информации.
Виды кодирования информации
Различают кодирование информации следующих видов:
Кодирование текстовой информации
Любой текст (к примеру, студенческий реферат) состоит из последовательности символов. Символами могут быть буквы, цифры, знаки препинания, знаки математических действий, круглые и квадратные скобки и т.д.
Текстовая информация, как и любая другая, хранится в памяти компьютера в двоичном виде. Для этого каждому ставится в соответствии некоторое неотрицательное число, называемое кодом символа, и это число записывается в память ЭВМ в двоичном виде. Конкретное соотношение между символами и их кодами называется системой кодировки. В персональных компьютерах обычно используется система кодировки ASCII (American Standard Code for Informational Interchange – Американский стандартный код для информационного обмена).
Готовые работы на аналогичную тему
Восьмибитными кодировками, распространенными в нашей стране, являются KOI8, UTF8, Windows-1251 и некоторые другие.
Кодирование цвета
Чтобы сохранить в двоичном коде фотографию, ее сначала виртуально разделяют на множество мелких цветных точек, называемых пикселями (что-то на подобии мозаики). После разбивки на точки цвет каждого пикселя кодируется в бинарный код и записывается на запоминающем устройстве.
Если говорят, что размер изображения составляет, например, х 512х512 точек, это значит, что оно представляет собой матрицу, сформированную из 262144 пикселей (количество пикселей по вертикали, умноженное на количество пикселей по горизонтали).
Однако качество кодирования фотографий в бинарный код зависит не только от количества пикселей, но также и от их цветового разнообразия. Алгоритмов записи цвета в двоичном коде существует несколько. Самым распространенным из них является RGB. Эта аббревиатура – первые буквы названий трех основных цветов: красного – англ.Red, зеленого – англ. Green, синего – англ. Blue. Смешивая эти три цвета в разных пропорциях, можно получить любой другой цвет или оттенок.
На этом и построен алгоритм RGB. Каждый пиксель записывается в двоичном коде путем указания количества красного, зеленого и синего цвета, участвующего в его формировании.
Чем больше битов выделяется для кодирования пикселя, тем больше вариантов смешивания этих трех каналов можно использовать и тем значительнее будет цветовая насыщенность изображения.
Цветовое разнообразие пикселей, из которых состоит изображение, называется глубиной цвета.
Кодирование графической информации
Описанная выше техника формирования изображений из мелких точек является наиболее распространенной и называется растровой. Но кроме растровой графики, в компьютерах используется еще и так называемая векторная графика.
Векторные изображения создаются только при помощи компьютера и формируются не из пикселей, а из графических примитивов (линий, многоугольников, окружностей и др.).
Чтобы записать на запоминающем устройстве векторное изображение круга, компьютеру достаточно в двоичный код закодировать тип объекта (окружность), координаты его центра на холсте, длину радиуса, толщину и цвет линии, цвет заливки. В растровой системе пришлось бы кодировать цвет каждого пикселя. И если размер изображения большой, для его хранения понадобилось бы значительно больше места на запоминающем устройстве.
Тем не менее, векторный способ кодирования не позволяет записывать в двоичном коде реалистичные фото. Поэтому все фотокамеры работают только по принципу растровой графики. Рядовому пользователю иметь дело с векторной графикой в повседневной жизни приходится не часто.
Кодирование числовой информации
При кодировании чисел учитывается цель, с которой цифра была введена в систему: для арифметических вычислений или просто для вывода. Все данные, кодируемые в двоичной системе, шифруются с помощью единиц и нолей. Эти символы еще называют битами. Этот метод кодировки является наиболее популярным, ведь его легче всего организовать в технологическом плане: присутствие сигнала – 1, отсутствие – 0. У двоичного шифрования есть лишь один недостаток – это длина комбинаций из символов. Но с технической точки зрения легче орудовать кучей простых, однотипных компонентов, чем малым числом более сложных.
Целые числа кодируются просто переводом чисел из одной системы счисления в другую. Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. При этом число преобразуют в стандартный вид.
Кодирование звуковой информации
Принцип разделения звуковой волны на мелкие участки лежит в основе двоичного кодирования звука. Аудиокарта компьютера разделяет звук на очень мелкие временные участки и кодирует степень интенсивности каждого из них в двоичный код. Такое дробление звука на части называется дискретизацией. Чем выше частота дискретизации, тем точнее фиксируется геометрия звуковой волны и тем качественней получается запись.
Качество записи сильно зависит также от количества битов, используемых компьютером для кодирования каждого участка звука, полученного в результате дискретизации. Количество битов, используемых для кодирования каждого участка звука, полученного при дискретизации, называется глубиной звука.
Кодирование видеозаписи
Видеозапись состоит из двух компонентов: звукового и графического.
Учитывая эту особенность, алгоритмы кодирования видео, как правило, предусматривают запись лишь первого (базового) кадра. Каждый же последующий кадр формируются путем записи его отличий от предыдущего.
Кодирование текстовой, звуковой и графической информации в ЭВМ
Для хранения двоичного кода одного символа выделен 1 байт = 8 бит. Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, количество возможных сочетаний единиц и нулей равно 2 8 = 256. Следовательно, с помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов. Эти коды и составляют таблицу ASCII.
Для сравнения рассмотрим представление числа 2710 для двух вариантов кодирования.
При использовании в вычислениях код этого числа будет получен по специальным правилам перевода и представлен в виде 8-разрядного двоичного числа 00011011, на что потребуется 1 байт.
В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования: базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127: цифры, буквы латинского алфавита, знаки препинания, управляющие символы (таблица 2.3). Первые 32 символа являются управляющими и предназначены в основном для передачи команд управления. Их назначение может варьироваться в зависимости от программных и аппаратных средств. Расширенная таблица (символы с номерами от 128
до 255) американским стандартом не определена и предназначена для символов национальных алфавитов, псевдографических и некоторых математических символов. В разных странах могут использоваться различные варианты второй половины кодовой таблицы.
Отсутствие единого стандарта расширенной таблицы ASCII кодов в привело к множественности одновременно действующих кодировок. Только в России можно указать несколько действующих стандарта кодировки.
Базовая таблица кодировки ASCII
Кодирование графических данных. Есть два основных способа представления изображений.
Модель RGB. Чтобы оцифровать цвет, его необходимо измерить. Немецкий ученый Грасман сформулировал три закона смешения цветов:
Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать 256 значений (8 двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки требуется 4 разряда. При этом система кодирования обеспечивает определение 16,5 млн. различных цветов, что близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).
Если уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color.
Расчет необходимого объема видеопамяти для хранения битовой карты изображения в различных видеорежимах.Графическая информация на экране дисплея ПК представляется в виде изображения, которое формируется из точек (пикселей). В современных компьютерах разрешающая способность (количество точек на экране дисплея), а также количество цветов зависят от видеоадаптера и могут меняться программно.
Цветные изображения могут иметь различные режимы: 16 цветов, 256 цветов, 65 536 цветов (high color), 16 777 216 цветов (true color).
Очевидно, что количество бит на точку (пиксель), например, режима true color, равно:
I= log2 65 536 = 16 бит = 2 байта.
Наиболее распространенной разрешающей способностью экрана является разрешение 800 на 600 точек, т.е. 480 000 точек.
Рассчитаем, например, необходимый для режима true color (65 536 цветов) объем видеопамяти:
V= 2 байта х 480 000 = 960 000 байт = 937,5 Кбайт.
Аналогично рассчитывается объем видеопамяти, необходимый для хранения битовой карты изображений при других видеорежимах.
В видеопамяти компьютера хранится битовый план (bit map), являющийся двоичным кодом изображения, отсюда она считывается (не реже 50 раз в секунду) и отображается на экране.
Т.о. при двоичном кодировании аналогового звукового сигнала непрерывный сигнал дискретизируется (оцифровывается), т. е. заменяется серией отдельных выборок (см. рис. 2.3). Качество двоичного кодирования зависит от двух параметров: количества распознаваемых дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду.
Рис. 2.2. Схема обработки звукового сигнала
Рис. 2.3. Схема дискретизации звукового сигнала
Частота дискретизации аналогового звукового сигнала (количество выборок в секунду) также может принимать различные значения (5,5, 11, 22 и 44 кГц). Таким образом, качество звука в дискретной форме может быть очень плохим (качество радиотрансляции) при 8 битах и 5,5 кГц и весьма высоким (качество аудио-СD) при 16 битах и 44 кГц.
Можно оценить объем моноаудиофайла с длительностью звучания
1 с. при среднем качестве звука (16 бит, 22 кГц). Для этого 16 бит на одну выборку необходимо умножить на 22 000 выборок в секунду, что дает в результате 43 Кбайта.
Вопросы и задания для самопроверки
1. Дайте определение понятию «система счисления». Приведите пример.
2. Правила перевода чисел из десятичной системы счисления в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления.
3. Правила перевода чисел из двоичной системы счисления в восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления.
4. Правила сложения и вычитания двоичных чисел.
5. Правила умножения двоичных чисел.
6. Числа с фиксированной и плавающей запятой.
7. Прямой, обратный и дополнительный код. Правила перевода.
8. Правило сложения чисел в обратном коде.
9. Правило сложения чисел в дополнительном коде.
10. Кодирование текста в ЭВМ.
11. Кодирование графической информации в ЭВМ.
12. Модель RGB и CMYK.
13. Кодирование звуковой информации в ЭВМ.
14. Перевести число 2610 из десятичной системы счисления в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления?
15. Перевести число 11100100102 в десятичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления?
16. Сложить/вычесть числа 101012 и 110012, умножить числа 101012 и 10012.
17. Перевести число 0,3910 из десятичной системы счисления в двоичную.
18. Найти прямой, обратный и дополнительный код чисел 101.012 и – 1101.1012.
19. Сложить числа из п. 18 в обратном и дополнительном коде.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.