Файл: Диалектическое единство данных и методов в информационном процессе (Информация и информатика).pdf

Собственная система существует и в вычислительной технике – она называется двоичной кодировкой и основана на представлении данных последовательностью всего из двух символов: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски – binary digit или, сокращенно, bit (бит).

Рис. 1.1 Примеры различных систем кодирования

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черный или белый, истинный или ложный и т.д.). Если увеличить количество битов до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 11 тремя битами можно закодировать восемь различных значений:

000 001 010 011 100 101 110 111

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которые могут быть выражены в данной системе, т. е. общая формула имеет вид:

N=2m,

N– число независимых кодируемых значений;

m – разрядность двоичного кодирования, принятая в этой системе

2.3. Кодирование целых и действительных чисел

Целые числа закодировать в двоичный код достаточно просто – хватит взять целое число и делить его пополам до тех пор, пока в остатке не образуется ноль или единица. Набор остатков от каждого деления, записанный справа налево вместе с последним остатком, и образует двоичный аналог десятичного числа.

19:2 = 9+1

9:2=4+1

4:2=2+0

2:2 = 1

Таким образом, 1910 = 10112.

Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит). Шестнадцать бит позволяют кодировать целые числа от 0 до 65535, а 24 бита – уже более 16,5 миллионов разных значений.

Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодирование. Число предварительно преобразуется в нормализованную форму:

5,1415926 = 0,51415926 ∙ 1010

500000 = 0,5-10

523456789 = 0,523456789 ∙ 10

Первая часть числа называется мантиссой, а вторая – характеристикой. Большинство из 80 бит зарезервировано для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фиксированное количество разрядов выделяют для хранения характеристики (также со знаком).

2.4. Кодирование текстовых данных

Если для каждого символа алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то при помощи двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого достаточно, чтобы выразить в различных комбинациях из восьми битов все символы английского и русского языков, как в нижнем регистре, так и в верхнем регистре, а также знаки пунктуации, символы основных арифметических операций и некоторые общие специальные символы, такие как символ «§».

Технически это выглядит очень просто, однако всегда были достаточно серьезные организационные трудности. В первые годы развития компьютерных технологий они были связаны с отсутствием необходимых стандартов, а теперь вызваны, наоборот, изобилием одновременно действующих и противоречивых стандартов. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, а это пока невозможно из-за противоречий между символами национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера. Для английского языка, захватившего де-факто нишу международного средства общения, противоречия уже сняты. Институт стандартизации США (ANSI –American National Standard Institute) ввел в действие систему кодирования ASCII (American Standard Code for Information Interchange – стандартный код информационного обмена США). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования – базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.воичный кодирование

2.5. Универсальная система кодирования текстовых данных

Если проанализировать организационные трудности, связанные с созданием единой системы кодирования текстовых данных, то можно сделать вывод, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). При этом очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возможных значений кодов будет значительно больше. Эта система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, имеет название универсальной – UNICODE. Шестнадцать разрядов разрешают обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов – этого поля достаточно, чтобы разместить в одну символьную таблицу большинства языков планеты.

Несмотря на тривиальную бесспорность такого подхода, простому механическому переходу на данную систему долгое время препятствовал недостаток ресурсов средств вычислительной техники (в системе кодирования UNICODE все текстовые документы автоматически становятся вдвое длиннее). Во второй половине 1990-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспеченности ресурсами, и сегодня мы наблюдаем постепенную передачу документов и программного обеспечения в универсальную систему кодирования. Для отдельных пользователей это добавило много хлопот в согласовании документов, которые были выполнены в разных системах кодирования, с программными средствами, но это надо понимать как трудности переходного периода.

2.6. Кодирование графических данных

Если посмотреть через увеличительное стекло черно-белое графическое изображение, напечатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из крошечных точек, которые образуют характерный узор, называемый растром.

Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) могут быть выражены как целые числа, то можно сказать, что растровое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления графических данных. Сегодня принято представлять черно-белые иллюстрации в виде комбинации точек с 256 оттенками серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип разложения произвольного цвета на основные компоненты. В качестве таких компонентов используются три основные цвета: красный (Red, К), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считают (хотя теоретически это не верно), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такую систему кодирования называют системой RGB по первым буквам названий основных цветов.

Если для кодирования яркости каждого из основных компонентов использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то для кодирования цвета одной точки необходимо затратить 24 разряда. В этом случае система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что фактически близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Каждому из основных цветов можно назначить дополнительный цвет, т.е. цвет, который будет дополнять основной цвет до белого. Несложно заметить, что для любого из главных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных главных цветов. Должным образом, дополнительными цветами будут являться: голубой (Cyan, С), пурпурный (Magenta, М) и желтый (Yellow, У). Принцип разложения произвольного цвета на составляющие компоненты может применяться не только для главных цветов, но и для дополнительных, т. е. любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющих. Этот метод кодирования цвета принят для использования в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска – черная (Black, К). Таким образом, эта система кодирования обозначается четырьмя буквами СМY (черный цвет обозначается буквой «К», потому, что буква «В» уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим также называется полноцветным (True Color).

Если уменьшить количество двоичных разрядов, которые используются при кодировании цвета каждой точки, то можно уменьшить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сократится. Кодировку цветовой графики 16-разрядными двоичными числами называют режимом High Color.

При кодировании информации о цвете при помощи восьми бит данных можно передавать только 256 оттенков цвета. Такой метод кодирования цвета называется индексным. Смысл названия заключается в том, что, так как 256 значений абсолютно недостаточно для передачи всего диапазона цветов, доступных человеческому глазу, код каждой точки растра выражает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в некоторой справочной таблице, называемой палитрой. Естественно, эта палитра должна дополняться к графическим данным – без нее нельзя использовать методы воспроизведения информации на экране или бумаге, т. е., воспользоваться, конечно, возможно, но из-за неполноты данных полученная информация не будет адекватной (листва на деревьях может оказаться красной, а небо – зеленым).

2.6. Кодирование звуковой информации

Приемы и методы работы со звуковой информацией подошли к вычислительной технике значительно поздно. Кроме того, в отличие от числовых, текстовых и графических данных, звуковые записи не имели столь же долгой и проверенной истории кодирования. В результате методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Большая часть отдельных компаний разработали собственные корпоративные стандарты, но если говорить в целом, то можно выделить два основных направления.

Частотная модуляция (Frequency Modulation) основана на том, что теоретически всякий сложный звук может быть разложен на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, и соответственно, может быть описан числовыми параметрами, т. е. кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный диапазон, т. е. являются аналоговыми. А разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов осуществляется с помощью специальных устройств – аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, осуществляются при помощи цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). При таких преобразованиях неминуемы потери информации, связанные с техникой кодирования, при этом качество звукозаписи обычно оказывается не совсем удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В это же время, этот метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и поэтому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы компьютерных средств были явно недостаточны.

Метод табличного и волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития оборудования. Если говорить просто, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества разных музыкальных инструментов (хотя и не только для них). В оборудовании такие образцы называются сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некие параметры среды, в которой происходит звучание, а также другие параметры, которые характеризуют особенности звука. Так как в качестве образцов используют «реальные» звуки, то качество звука, которое получают в результате синтеза, получается весьма высоким и приближается к качеству звучания настоящих музыкальных инструментов.

III. Основные структуры данных

Работу с большими наборами данных проще автоматизировать, когда данные организованы, т. е. образуют заданную структуру. Существует три основных типа структур данных: линейные, иерархические и табличные. Их можно разобрать на примере обычной книги.