Список литературы 450 Тема1. Формы представления информации Лекция 1. Основные понятия

В общем случае, информация является абстрактным понятием, значение которого зависит от контекста, в котором оно используется. Наиболее общее определение информации имеет место в философии, где под информацией понимается один из атрибутов материи, отражающий её структуру. В рамках данного курса под информацией будем понимать все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. В свою очередь, сведения – это знания, выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т.д.

Информация может быть выражена в самых разнообразных формах. По типу восприятия среди них можно выделить следующие, наиболее употребительные, формы представления информации:

- графическая или изобразительная – картины, фотографии, чертежи,

голограммы, различные виды реального мира, например, северное сияние,

географические карты и т.п.,

- звуковая – мир полон звуков, которые мы можем воспринимать либо

своими органами чувств, либо с помощью приборов, это речь, музыка,

инфранизкие звуки от землетрясений и ультразвуки в технике, и многое

другое,

- текстовая – закодированная специальными знаками речь человека,

- числовая – количественная мера объектов и их свойств, закодированная

специальными знаками аналогично текстовой,

- видеоинформация – форма представления информации в виде

последовательности кадров ( графическая форма), следующих друг за

другом с некоторой частотой,

- тактильная – форма представления информации, воспринимаемая

человеком при касании, либо с помощью датчиков,

- органолептическая – передаваемая через запахи, вкусы и другие органы

чувств человека, а также с помощью датчиков,

- техническая – форма представления информации посредством показаний

самых разнообразных датчиков, например, датчики напряжённости

магнитного поля, рентгеновские установки, андронные коллайдеры и т.п.

Все эти формы могут быть разделены ещё на разные виды по характеру представления параметров:

- статические ( не зависящие от времени) и динамические ( переменные во

времени),

- непрерывные и дискретные во времени,

- непрерывные и дискретные по величине.

В технике с понятием информации тесно связаны такие понятия, как сигнал, сообщение и данные.

Сигнал – это любой процесс, несущий информацию ( электрический сигнал в проводах, радиосигнал в эфире, свет, воспринимаемый телескопом и т.д.).

Сообщение – это информация, представленная в определённой форме и предназначенная для передачи.

Данные – это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки.

Сигнал называется непрерывным во времени, если его параметр в заданных пределах может изменяться в любой момент времени. Сигнал называется дискретным во времени, если его параметр в заданных пределах может изменяться только в фиксированные моменты времени.

Сигнал называется аналоговым, если его параметр в заданных пределах может принимать любые промежуточные значения в любой момент времени. Сигнал называется дискретным по величине и непрерывным во времени, если его параметр в заданных пределах может принимать только отдельные фиксированные значения, но в любой момент времени.

Сигнал называется дискретным по величине и во времени, если его параметр в заданных пределах может принимать только отдельные фиксированные значения, и изменения могут происходить только в фиксированные моменты времени.

На рисунке 1.1 в виде графиков изображены:

а) аналоговый (непрерывный по уровню и во времени) сигнал Хнн;

6) дискретный по уровню и непрерывный во времени сигнал Хдн;

в) непрерывный по уровню и дискретный во времени сигнал Хнд ;

г) дискретный по уровню и во времени сигнал Хдд.  

Рис.1.1. Разные виды представления сигналов

Форма представления информации очень важна при ее передаче и восприятии, поскольку в зависимости от цели, которую Вы перед собой поставили, одна и та же информация может быть представлена в различных формах.

Поскольку под информацией понимаются все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования, для однозначности при реализации этих процессов используют языки.

Основу любого языка составляет алфавит — набор однозначно определенных знаков (символов), с помощью которых представляется информация.

Языки делятся на естественные (разговорные) и формальные. Алфавит естественных языков зависит от национальных традиций. Формальные языки встречаются в специальных областях человеческой деятельности (математике, физике, химии, вычислительной технике и т. д.).

Представление информации с помощью формального языка называют кодированием.

 Код — набор символов (условных обозначений) дли представления информации. Кодирование — процесс представления информации в виде кода или, другими словами, процесс преобразования информации из одной формы в другую. Декодирование – процесс, обратный кодированию.

Способ представления информации с помощью языка, содержащего всего два символа алфавита — 0 и 1, предложил еще в XVII веке знаменитый немецкий ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц «Вычисление с помощью двоек... является для науки основным и порождает новые открытия... при сведении чисел к простейшим началам, каковы 0 и 1, везде появляется чудесный порядок».

Сегодня такой способ представления информации, широко используется в технических устройствах, в том числе и в компьютере. Эти два символа 0 и 1 принято называть двоичными цифрами или битами (от англ. bit  — Binary Digit - двоичный знак). Техническая реализация такого алфавита оказалась наиболее простой:

- в электронных устройствах 0 обычно представляется низким напряжением,

1 – высоким ( позитивная логика) или наоборот ( негативная логика),

- в запоминающих устройствах используются бистабильные ячейки, одно

состояние которых принимается за ноль, второе – за единицу,

- в волоконно-оптических линиях связи 0- отсутствие светового сигнала,

1- наличие светового сигнала. Более крупной единицей измерения объема информации принято считать 1 байт, который состоит из 8 бит.

Принято также использовать и более крупные единицы измерения объема информации. Число 1024 (2¹⁰) является множителем при переходе к более высокой единице измерения.

В общем случае, применительно к двоичной системе, объём информации определяется формулой К.Шеннона

H=log₂N ,

где Н – количество информации, несущей представление о состоянии, в котором находится объект,

N – количество равновероятных альтернативных состояний объекта.

Рассмотрим способы представления информации в ЭВМ.

Представление целых чисел.

В ЭВМ возможны разные способы представления целых чисел. Наиболее распространённым является формат с фиксированной запятой. Если это число без знака, то все биты ячейки памяти участвуют в указании количественного значения числа. При размере ячейки памяти в 1 байт имеется возможность представить все числа в диапазоне от 00000000 до 11111111 ( в двоичной системе) или от 0 до 255 ( в десятичной системе). Больший размер ячейки памяти позволяет закодировать больший диапазон чисел. Если необходимо закодировать числа со знаком, то знак числа кодируется в старшем бите ячейки памяти, а модуль числа кодируется оставшимися битами.

Представление вещественных чисел.

Вещественные числа в ЭВМ представляются как в формате с фиксированной запятой, так и в формате с плавающей запятой. Формат с фиксированной запятой предполагает, что старший бит хранит знак числа, одна часть оставшихся бит хранит целую часть числа, а другая часть – дробную часть числа. Причём, соотношение бит для хранения целой и дробной частей фиксировано. В формате с плавающей запятой биты ячейки памяти разбиты на следующие группы : знак числа, мантисса, знак порядка, модуль порядка. Например, при длине ячейки памяти в 32 бита, 1 разряд занимает знак числа, 24 разряда занимает мантисса числа, 1 разряд занимает знак порядка числа и 7 разрядов – модуль порядка.

Представление текстовой информации.

Текстовая информация представляется в виде последовательности знаков алфавита и служебных символов. Каждому знаку и символу сопоставляется двоичное число в соответствии с таблицей кодировок. Существуют различные стандарты кодирования текстовой информации, например, КОИ-7, ASCII, UCS-2, UCS-4. Часто используемая таблица кодировок ASCII позволяет 256 знаков алфавита и служебных символов закодировать 8-битными кодами. Для вывода на дисплей текстовая информация подвергается декодированию. Вместо цифрового кода на экран дисплея выводится изображение символа.Полный набор изображений символов для различных алфавитов и типов шрифтов хранится в специальной области памяти – знакогенераторе.

Представление графической информации.

Кодирование графических изображений разделяется на два направления – растровая и векторная графика. Растровое изображение представляет собой решётку точек, называемых пикселами ( pixel, от английских слов picture element). Чем больше пикселей, тем более детально представлено изображение. Для каждого пикселя в памяти хранится код цвета. Наиболее распространённой является RGB кодировка ( Red, Green, Blue – красный, зелёный, синий). При длине кода цвета в 24 бита 8 бит используется для задания интенсивности красного цвета, 8 бит – зелёного и ещё 8 бит – синего цвета. Таким образом, каждый цвет имеет 256 уровней интенсивности. Смешивание этих цветов в различных соотношениях даёт 2²⁴ различных цветов. В таком виде графическая информация хранится в файлах с расширением BMP. Для уменьшения размеров хранимых файлов применяют дополнительные методы кодирования – сжатие. Получающиеся при этом файлы имеют расширение JPEG, GIF и т.п.

При векторном представлении графической информации вместо решётки точек имеется набор слоёв. В каждом слое размещается свой элемент векторного изображения – отрезок, кривая линия или фигура, которые описываются с помощью специального языка ( математических уравнений).

Например, для построение такого графического примитива, как окружность радиуса r, необходимо и достаточно следующих исходных данных:

- координаты центра окружности,

- значение радиуса r,

- цвет заполнения, если окружность не прозрачная,

- цвет и толщина контура в случае наличия контура.

Сложные графические объекты представляются в виде совокупности элементарных графических объектов (графических примитивов). Результирующее изображение получается путём совмещения слоёв, которые его описывают. В качестве примеров графических редакторов, создающих растровые изображения можно привести CorelDRAU, Microsoft Visio и Adobe Flash.

Основное отличие растровой графики от векторной состоит в том, что можно легко производить перемещение, масштабирование, вращение, заполнение векторного изображения без потери качества так как оно фактически задано в виде уравнений, в то время как растровое изображение уже задано с конечной дискретностью ( ограниченное количество пикселей) и его увеличение приводит к возрастанию зернистости.

В то же время, не каждый объект может быть легко представлен в векторной форме. Для сложных объектов может понадобиться слишком большое количество графических примитивов и очень большое время для расчёта изображения при выводе на растровый дисплей. В частности, перевод растровых изображений в векторную форму, как правило, требует очень большого объёма вычислений и не всегда обеспечивает высокое качество векторного рисунка.

То есть векторная графика идеальна для простых или составных рисунков, которые должны быть аппаратно-независимыми или не нуждаются в фотореализме.

Представление звуковой информации.

Первичными преобразователями звукового сигнала являются датчики

( микрофоны), которые преобразуют звук в аналоговый электрический сигнал. Далее этот сигнал дискретизируется по времени и амплитуде (оцифровывается) специальными устройствами – аналого-цифровыми преобразователями, и в виде последовательности двоичных чисел поступает в ЭВМ. Обратное преобразование осуществляется цифро-аналоговыми преобразователями, выходной сигнал которых сглаживается, усиливается и подаётся на динамики, воспроизводящие звуковую информацию. Как правило, подобным образом поступает в ЭВМ информация от любых датчиков, преобразующих самую разнообразную техническую информацию.

Для сжатия звуковой информации в зависимости от характера звука используются разные методы кодирования. Например, для музыки часто используется формат MP3, а для кодирования речи в мобильной связи используется линейное предсказание с мультикодовым управлением (CELP - Code Excited Linear Prediction). Для кодирования инструментальной музыки в компьютерах и синтезаторах часто используют систему кодирования MIDI, основанную на нотной записи и отличающуюся чрезвычайной компактностью и простотой изменения темпа и тональности мелодии.

Контрольные вопросы

1. Назовите известные Вам формы представления информации.

2. Разделение форм представления информации по характеру представления параметров.

3. Дайте определение таким понятиям, как сигнал, сообщение и данные.

4. Чем отличается непрерывный во времени сигнал от аналогового.

5. Чем отличается формальные языки от естественных.

6. Дайте определение кодированию и декодированию.

7. Как представляются целые числа в ЭВМ.

8. Как представляются вещественные числа в ЭВМ.

9. Представление текстовой информации в ЭВМ.

10. Представление графической информации в ЭВМ.

11. В чём состоит отличие растровой графики от векторной.

12. Представление звуковой информации в ЭВМ.