Файл: Методы кодирования данных (Кодирование числовой информации).pdf

Качество кодирования изображения зависит от двух параметров. Во-первых, качество кодирования изображения тем выше, чем меньше размер точки и соответственно большее количество точек составляет изображение. Во-вторых, чем большее количество цветов, т.е. большее количество возможных состояний точки изображения, используется, тем более качественно кодируется изображение (каждая точка несет большее количество информации). Используемый набор цветов образует палитру цветов.

Одним байтом можно закодировать 256 различных цветов. Такой метод кодирования цвета называется индексным. В принципе, этого недостаточно для полноцветных изображений живой природы. Человеческий глаз может различать десятки миллионов цветовых оттенков.

65536 различных цветов можно закодировать 2 байтами. Это уже похоже на то, что мы видим на фотографиях и на картинках в журналах, но все равно хуже, чем в живой природе. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color. [10. Епифанцева М. Я., Т.А. Мызникова Кодирование информации в персональном компьютере: Учебно-методическое пособие: В 2-х ч. / М.Я. Епифанцева., Т.А. Мызникова – Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – Ч. 2. – C. 24.].

Если для кодирования цвета одной точки использовать 3 байта (24 бита), то количество возможных цветов увеличится еще в 256 раз и достигнет 16,5 миллиона. Этот режим позволяет хранить, обрабатывать и передавать изображения, не уступающие по качеству наблюдаемым в живой природе. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color). Используемое количество битов для кодирования цвета точки называют глубиной цвета. Как известно, цветовые рецепторы человека, подразделяются на три группы, причем каждая может воспринимать всего один цвет – красный, зеленый, или синий. Поэтому цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая цветовая модель называется RGB моделью, по первым буквам английских названий цветов (Red, Green, Blue).

Если мы кодируем цвет точки с помощью трех байтов, то первый байт выделяется красной составляющей, второй – зеленой, а третий – синей. Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет.

Графическая информация на экране монитора представляется в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые, в свою очередь, содержат определенное количество точек (пикселей). [10. Епифанцева М. Я., Т.А. Мызникова Кодирование информации в персональном компьютере: Учебно-методическое пособие: В 2-х ч. / М.Я. Епифанцева., Т.А. Мызникова – Омск: Изд-во СибАДИ, 2006. – Ч. 2. – C.23-24.].

Векторное изображение представляется в виде комбинации простых геометрических фигур, так называемых примитивов – точек, отрезков, окружностей, прямоугольников и т. п. Каждый элемент векторного изображения можно описывать с помощью математических формул (уравнения линий, дуг, окружностей и т.д.).

Векторные изображения создаются специальными программами, например, встроенным в Microsoft Word редактором рисунков, системой AutoCAD и другими. Программы векторной графики используются для рисунков, которые легко представить в виде комбинации простейших фигур, например, технические чертежи, схемы, логотипы, шрифты и т.п. У векторной графики много достоинств. Она экономна в плане дискового пространства, необходимого для хранения изображений: это связано с тем, что сохраняется не само изображение, а только некоторые основные данные, используя которые, программа всякий раз воссоздает изображение заново. [8. Гуркова М.А., Назаренко С.Н., Резникова Э.Р., Смирнов В.Ю., Смирнова О.В. Информатика: Конспект лекций по курсу «Информатика» / М.А. Гуркова, С.Н. Назаренко, Э.Р. Резникова, В.Ю. Смирнов, О.В. Смирнова – М: МИИТ, 2008. – C.54]

Основным преимуществом векторной графики является возможность легкой модификации объектов без потери качества. Масштабирование, поворот, искривление могут быть сведены к двум, трем простейшим преобразованиям над векторами. Главным же недостатком является ограничение в живописных средствах: в программах векторной графики практически невозможно создавать фотореалистические изображения.

1.4 Кодирование звуковой информации

Звук – колебание частиц воздуха, непрерывный сигнал с меняющейся амплитудой. При кодировании звука этот сигнал надо представить в виде последовательности нулей и единиц. Если преобразовать звук в электрический сигнал (используя микрофона), мы сможем увидеть плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Будем измерять напряжение через одинаковые промежутки времени и записывать полученные значения в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией, а устройство, выполняющее его – АЦП (аналого-цифровым преобразователем). [16. Топильский В.Б. Cхемотехника аналого-цифровых преобразователей. Учебное издание Москва: ТЕХНОСФЕРА, 2014 – c.32]. Для того чтобы воспроизвести закодированный таким методом звук, нужно выполнить обратное преобразование, для этого используется цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП, а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал. Чем выше частота дискретизации и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом размер звукового файла увеличивается. [12. Ковалгин Ю.A., Вологдин Э.И. Цифровое кодирование звуковых сигналов / Ю.A. Ковалгин, Э.И. Вологдин — Изд-во Kорона-принт, 2004. – с.76]

Человек уже давно использует довольно компактный способ представления музыки – нотную запись. В ней специальными символами указывается на каком инструменте сыграть, какой высоты звук, и как его сыграть. Нотную запись можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 г. ведущие производители музыкальных синтезаторов и компьютеров разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI. Существуют и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них следует отметить формат MP3, позволяющий с хорошим качеством и высокой степенью сжатия кодировать звуковую информацию. [8. Гуркова М.А., Назаренко С.Н., Резникова Э.Р., Смирнов В.Ю., Смирнова О.В. Информатика: Конспект лекций по курсу «Информатика» / М.А. Гуркова, С.Н. Назаренко, Э.Р. Резникова, В.Ю. Смирнов, О.В. Смирнова – М: МИИТ, 2008. – C.56]

Существуют и чисто компьютерные форматы записи музыки. Среди них следует отметить наиболее популярный формат - MP3, позволяющий с хорошим качеством и высокой степенью сжатия кодировать звуковую информацию. MP3, он же MPEG-1 Layer 3 — стандарт сжатия аудиоинформации с потерями. Главной целью при создании стандарта было обеспечение максимально «идентичного» исходному звука, а также сведение к минимуму объема хранимых данных. Для этого была создана оригинальная схема кодирования — на первом этапе оцифрованный звук разбивается на частотные составляющие, которые проходят через ряд фильтров.

В формате MP3 в отличии от ранее существовавших стандартов появилась фильтрация. Разработчики стандарта создали так называемую психоакустическую модель (ПА-модель) — модель, в которой учитываются особенности человеческого слуха, и на основании этого из аудиосигнала отфильтровываются те частоты, отсутствие которых слух почти не замечает. На 2 этапе полученный поток кодируется по алгоритму Хаффмена со статической таблицей. Результат является потоком MP3. [1. Артюшенко А.В., Шелухин О.И, Афонин М. Ю. Цифровое сжатие видеоинформации и звука/ А.В. Артюшенко – М.: “Дашков и Ко”, 2003 – с. 183]

Ширина потока — битрейт определяет, сколько бит необходимо для кодирования 1 секунды музыки. Стандарт MP3 регламентирует потоки от 8kbit/s до 320kbit/s. Чем больше битрейт, тем больше деталей звука удается сохранить, тем он звучит реалистичнее. [6. Вологдин Э.И. Компрессирование Аудио Сигналов в формате MP3: Конспект лекций / Э.И. Вологдин – Санкт Петербург 2012 — С. 3]

В выборе битрейта при кодировании приходится чем-либо жертвовать — либо качеством в пользу малого размера, либо размером в пользу качества. Самый простой режим сжатия MP3 — это режим с постоянным битрейтом (CBR, Constant BitRate). Наиболее популярным сейчас является битрейт - 192 kbps. Именно используя его, мы можем получить достойный звук, но при этом готовый файл не будет занимать большой объём жесткого диска.

1.5 Кодирование видеоинформации

Видеоинформация – это очень сложный вид для хранения, обработки и воспроизведения. Впервые движущиеся изображения были сохранены на кинопленке в виде большого количества отдельных кадров изображения, снятых через короткие промежутки времени (24 кадра в секунду). Позднее на ту же самую пленку стала записываться и звуковая дорожка. В результате появилось телевидение с аналоговой записью движущегося изображения на магнитные ленты (системы телевидения SECAM и PAL используют 25 кадров в секунду, система NTSC - 29,97 кадров в секунду). С появлением компьютеров широкое распространение получили цифровые методы записи и кодирования видеоинформации, которые постоянно совершенствуются. В наше время время каждый может записать видео с использованием мобильных телефонов, цифровых видеокамер и выполнить монтаж видеофильма на ПК, производительности которых вполне достаточно для перекодирования видео высокого разрешения, однако продолжительность кодирования может составлять несколько часов.

Компьютерные цифровые методы кодирования видео могут использовать частоту телевизионных стандартов SECAM/PAL или NTSC, т. к. видеозаписи многих цифровых форматов могут воспроизводиться специальными компьютерными программами, а также путем подключения телевизора к компьютеру по средствам порта HDMI). [7. Грошев А. С. Информатика: Учебник для вузов / А.С. Грошев. – Архангельск, Арханг. гос. техн. ун-т, 2010. – C.29.].

Алгоритмы сжатия видеоинформации активно эксплуатируют ранзые типы избыточности, естественным образом им присущие. При использовании информационной избыточности можно достичь более чем двукратного сжатия данных. При использовании избыточности в смысле восприятия зрительной системой человека можно достичь гораздо больших величин коэффициента сжатия. Известно, что пространственно- высокочастотные детали зрительных образов менее важны для качества восприятия изображения, чем крупные пространственно-низкочастотные, из этого следует, что высокочастотные составляющие можно устранить из изображения, внося информационные потери, но незначительно ухудшая качество восприятия. В составляющих цветности такие искажения заметны значительно меньше, чем в яркостной составляющей. Воспроизводимое видео представляется в виде последовательно сменяющих друг друга изображений с заданной частотой. Для видеоинформации алгоритмы сжатия используют идею межкадровой избыточности. Сжатию подвергается разница между соседними кадрами, а не видеокадр в целом. Благодаря такому подходу удается достичь гораздо более высоких коэффициентов сжатия, т.к. разница между видеокадрами в общем случае очень мала из-за незначительного временного интервала. [9. Дворкович А.В., Дворкович В. П. Цифровые видеоинформационные системы (теория и практика)/ А.В. Дворкевич -М: ТЕХНОСФЕРА, 2012 -1009 - 380с. В дополнение к сокращению межкадровой избыточности используются различные механизмы предсказаний изменений в видеопоследовательности. Это приводит к уменьшению необходимости сжимать и сокращать всю извлекаемую информацию. Наиболее известные на сегодняшний день алгоритмы сжатия видео H.264, H.265, H.265 + и группа MPEG-2, MPEG-4. Все они используют гибридную модель, основанную на дискретном косинусном преобразовании для устранения пространственной внутрикадровой избыточности и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции для удаления межкадровой избыточности. В 2013 г. появился новый стандарт сжатия видеоизображений H.265. Он позволил вдвое сократить необходимую для передачи видеоинформации пропускную способность каналов. [13. Козин И.Д., Федулина И.Н. Методы сжатия видеоинформации: Учебное пособие (для магистрантов специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»)/И.Д. Козин, И.Н. Федулина – Алматы: АУЭС, 2015. – C.76]

Рассмотрев основные методы кодирования различных видов информации в ПК, мы можем прийти к выводу, что главная цель кодирования - преобразование информации в вид, более удобной для хранения, передачи или обработки. Также не менее важным результатом кодирования информации является сжатие (многократное уменьшение размера информации).

Для кодирования различных типов информации используются различные методы, но несмотря на это у них есть нечто общее: вся закодированная информация представляется в виде 0 и 1.

Проанализировав различные системы кодирования, мы можем увидеть, что у них есть недостатки, которые устраняются в процессе совершенствования. Это происходит за счёт появления новых методов кодирования информации.

2. Применения кодирования в коммерческой деятельности

За последние десятилетия в связи с внедрением ЭВМ выросла значимость кодирования информации. Кодирование облегчает обработку технико-экономической информации с помощью ЭВМ

Код должен иметь определенную структуру построения. Структура кода состоит из следующих элементов:

- длина кода – характеризуется числом знаков в коде.

- алфавит кода – это система знаков, принятых для образования кода; наиболее часто используется буквенный, цифровой, буквенно-цифровой и штриховой алфавиты кода;

- основание кода – это число знаков в алфавите кода;

- разряд кода – это позиция знака в коде;

При кодировании продукции предпочитают код десятиразрядный цифровой. Применяемый в ОПК код удобен для машинной обработки информации.

На данный момент известно несколько технологий автоматической идентификации: штриховое кодирование, радиочастотные системы, оптическое распознавание знаков, машинное зрение, речевой ввод данных.

Наибольшее распространение получило штриховое кодирование. Штриховой код (Приложение 1) – это символ, состоящий из четкого рисунка штрихов и промежутков между ними, соответствующий машинному коду букв и чисел в двоичной системе. Такой код легче считывать, чем буквы и цифры. [11. Ишдавлетова Э.Т. Методическое пособие по дисциплине Автоматизация технологических процессов почтовой связи/ Э.Т. Ишдавлетова – Ташкент, 2006 – с.3]

Процесс управления товародвижением как составная часть коммерческой деятельности требует информационного обеспечения. Для любого предприятия наличие данных о характере продукции, ее происхождении, оперативность получения информации о товаропотоках и правилах их учета жизненно необходимы. Эта проблема всегда стояла перед фирмами и предприятиями. В этих условиях встал вопрос о разработке новой системы идентификации - штрихового кодирования.