Файл: Методы кодирования данных (Понятие кода и кодирования данных).pdf

В современном мире необходимость кодирования информации различными способами ощущается довольно остро. Поскольку в процессе развития общества появляются новые носители данных, которым информация необходима в различных её форматах. Например мобильный телефон, коим сейчас пользуется огромная часть населения планеты, способен переносить в себе и звукозаписи, и видеофайлы, и изображения. Так же сам по себе телефонный разговор двух (и более!) пользователей является ничем иным, как закодированной информацией.

Следующей основной задачей кодирования данных является их защита от несанкционированного доступа третьими лицами. Кодирование, иначе называемое еще шифрованием, информации начало использоваться достаточно давно. Примером можно привести передачу тайных посланий при войнах и иных конфликтах.

Таким образом могу с уверенность сказать, что кодирование данных человечеством никогда не потеряет своей актуальности.

Глава 1 Кодирование данных

Раздел 1 Понятие кода и кодирования данных

Код – набор условных обозначений для записи или передачи заранее определенных понятий; правило, по которому сопоставляются различные алфавиты и слова. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов. При кодировании каждый образ представляется отдельным знаком.

Знак – элемент конечного множества отличных друг от друга элементов. Процесс «кодирования» называют также процессом «шифрования», хотя последний термин имеет, по крайней мере, два значения. Первое – перевод информации из одной системы представления в другую, и второе– шифрование любой системы с целью ограничения возможности пользоваться ею.

Количество символов, используемое при кодировании, называется длиной кода. Количество знаков в элементе кодирования и длина кода абсолютно разные вещи. Например, в алфавите русского языка 33 символа, а слова могут быть длиной в один, два и т.д. символа.

Кодированием информации называется процесс формирования определенного представления информации. В более узком смысле под термином кодирование часто понимается переход из одной формы представления информации в другую, более удобную для хранения, передачи или обработки.

Раздел 2 Актуальность

К концу XX в. стала складываться, сначала в рамках кибернетики, а затем информатики, информационная картина мира. Строение и функционирование сложных систем различной природы (биологических, социальных, технических) оказалось невозможным объяснить, не рассматривая общих закономерностей информационных процессов.

Получение и преобразование информации является условием жизнедеятельности любого организма. Даже простейшие одноклеточные организмы постоянно воспринимают и используют информацию, например, о температуре и химическом составе среды для выбора наиболее благоприятных условий существования.

Любой живой организм, в том числе человек, является носителем генетической информации, которая передается по наследству. Генетическая информация определяет строение и развитие живых организмов и передается по наследству. Генетическая информация хранится во всех клетках организма в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Молекулы ДНК состоят из четырех различных составляющих (нуклеотидов), которые образуют генетический алфавит.

Молекула ДНК человека включает в себя около трех миллиардов пар нуклеотидов, и в ней закодирована вся информация об организме человека: его внешность, здоровье или предрасположенность к болезням, способности и т.д.

Человек воспринимает окружающий мир (получает информацию) с помощью органов чувств (зрения, слуха, обоняния, осязания, вкуса). Чтобы правильно ориентироваться в мире, он запоминает полученные сведения (хранит информацию). В процессе достижения каких-либо целей человек принимает решения (обрабатывает информацию), а в процессе общения с другими людьми - передает и принимает информацию. Человек живет в мире информации.

Процессы, связанные с получением, хранением, обработкой и передачей информации, называются информационными процессами.

Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека и общества, но и для техники Человеком разработаны технические устройства, в частности компьютеры, которые специально предназначены для автоматической обработки информации.

Глава 2

Раздел 1 Обзор и классификации методов кодирования данных

Кодирование чисел

Известны два основных формата записи чисел в памяти компьютера. Один из них используется для представления целых чисел, второй (кодирование числа в формате с плавающей точкой) применяется для задания подмножества действительных чисел.

Представление целых чисел производиться с помощью их кодирования в двоичной системе счисления: в таком виде они и записываются в ячейке. Один бит доступен при этом для представления знака числа (нулем записывается знак "плюс", единицей – "минус").

Для представления действительных чисел применяется особый формат чисел с плавающей запятой. Число при этом кодируется в виде: где M – мантисса, p – порядок числа N, q – основание системы счисления. Если при этом мантисса M подчиняется условию , то число N называют нормализованным.

Кодирование текста

Для Кодирование текста в ЭВМ используется таблица нумерации символов или таблица кодировки символов для представления текстовой информации, в этой таблице каждому символу соответствует целое число ее порядковый номер. 256 различных символов могут быть закодированы восемью двоичными разрядами.

Существующий стандарт ASCII (American Standard Code for Information Intercange – американский стандартный код для обмена информацией; 8 – разрядная система кодирования) содержит в себе две таблицы кодирования – расширенную и базовую. Одна таблица содержит 128 символов, в ней размещены коды символов английского алфавита, а во второй таблице кодирования содержатся расширенные символы в количестве 128 штук.

Исходя из того что в стандарт не включены символы национальных алфавитов остальных стран, то в каждой стране 128 кодов расширенной таблицы заменяются символами национального алфавита. В настоящее время существует огромное множество таблиц кодировки символов, в которых 128 кодов расширенных символов заменены символами национального алфавита.

Например, кодировка символов русского языка Windows – 1251 применяется для компьютеров, работающих под ОС Windows. Альтернативная кодировка для русского языка – это КОИ – 8, которая также широко используется в российском секторе Интернет и в компьютерных сетях.

В настоящее время получает распространение универсальная система UNICODE, которая основанная на 16 – разрядном кодировании символов. Эта 16 – разрядная система позволяет присвоить универсальные коды для 65536 различных символов, т.е. в этой таблице размещаются символы языков большинства стран мира.

Однако, под кодированием текста так же можно понимать криптографию. Криптография - наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонним), целостности данных (невозможности незаметного изменения информации), аутентификации (проверки подлинности авторства или иных свойств объекта), а также невозможности отказа от авторства. Криптографические алгоритмы делятся на

использующие Симметричное шифрование. Заключается в том, что обе стороны-участники обмена данными имеют идентичные ключи для шифрования и расшифровки данных. Этот способ осуществляет преобразование, позволяющее предотвратить получение доступа к информации третьей стороной.
использующие Асимметричное шифрование. Используются в паре два разных ключа — открытый и секретный. В асимметричном шифровании ключи работают в связке— если данные зашифрованы секретным ключом, то расшифровать их можно только соответствующим открытым ключом и наоборот — если данные шифруются открытым ключом, то расшифровать их можно только соответствующим секретным ключом. Использовать непарные открытый и секретный ключи — невозможно. Пары асимметричных ключей связаны математическими зависимостями.
использующие Хеширование. Входной массив данных произвольной длины преобразуется в выходную битовую строку фиксированной длины. Такие преобразования также называются хеш-функциями или функциями свертки, хеш-кодом, контрольной суммой или дайджестом сообщения называют их результаты. Результаты хэширования всегда статистически уникальны. Последовательность, различающаяся хотя бы одним байтом, никогда не будет преобразована в то же самое значение.

Распространенные алгоритмы:

симметричные DES, AES, ГОСТ 28147-89, Camellia, Twofish, Blowfish, IDEA, RC4 и др.;
асимметричные RSA и Elgamal (Эль-Гамаль);
хэш-функций MD4, MD5, MD6, SHA-1, SHA-2, ГОСТ Р 34.11-2012 («Стрибог») .

Кодирование графической информации

Все изображения за небольшим исключением можно разделить на две большие группы – растровую и векторную графику.

Растровые представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселями (pixel, от англ. picture element). Код пикселя содержит информации о его цвете.

Для кодирования черно-белых изображений применяются оттенки серого цвета, то есть при кодировании учитывается только яркость. Она записывается одним числом, следовательно для записи одного пикселя требуется от 1 до 8 бит, где чёрный цвет – 0, белый цвет – N = 2^k-l, где k – количество разрядов, которые отводятся для записи цвета. Пример, при длине ячейки в 8 бит это 256-1 = 255.

Цветные изображения кодируются как сумма трёх основных цветов – зелёного,красного и синего. Поэтому достаточно записать цвет тремя числами – яркостью его красной, зелёной и синей составляющих. Этот способ кодирования имеет название RGB (Red – Green – Blue). Его применяют в устройствах, излучающих свет, например компьютерных мониторах, телевизорах и экранах других гаджетов. Для реальных красок действуют иные правила, потому как они сами по себе не излучают свет, а только поглощают цвета спектра. Исходя из этого при печати цветных изображений применяется метод CMY (Cyan – Magenta – Yellow) – голубой, сиреневый, жёлтый цвета.

В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Все элементы такого изображения – прямоугольник, линия, окружность – располагаются в своем собственном слое, пиксели которого записываются независимо от других слоев. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью математических уравнений. Составные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности простых графических объектов.

Объекты векторного изображения, в отличие от растровой графики, изменяют свои размеры без потери качества, в свою очередь растровые изображения при увеличении изображения начинают зерниться.

Кодирование звука

Музыка представляет из себя колебания звука. Записав и преобразовав которые можно получить последовательность нулей и единиц. Этот процесс называется дискретизацией. Прибор для выполнения дискретизации называется аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Воспроизведение такого звука производится при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Полученный в итоге сигнал выравнивается и преобразуется в звук при помощи усилителей и динамиков. На качество звучания влияют частота дискретизации и разрешение (размер ячейки, выделенной под запись значения амплитуды). К примеру, при записи музыки на диски используются 16-разрядные значения и частота дискретизации 48 кГц. [4]