Презентация на тему: Кодирование информации

Кодирование информации Язык и кодирование Двоичное кодирование Кодирование чисел и символов Кодирование рисунков Кодирование звука и видео К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование информации Тема 1. Язык и кодирование К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Что такое кодирование? * Кодирование – это запись информации с помощью некоторой знаковой системы (языка). кодирование 10101001010 данные (код) обработка 11111100010 данные (код) хранение борьба с помехами (специальные способы кодирования) передача передача Информация передается, обрабатывается и хранится в виде кодов. К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Языки * Язык – знаковая система, используемая для хранения и передачи информации. естественные (русский, английский, …) есть правила и исключения формальные (строгие правила) Грамматика – правила по которым из символов алфавита строятся слова. Синтаксис – правила, по которым из слов строятся предложения. program qq; begin writeln("Привет!"); end. К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Задача 1. Закодируйте свое имя с помощью азбуки Морзе. ВАСЯ Азбука Морзе * К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Задача 2. Закодируйте свое имя с помощью кодовой таблицы (Windows-1251): Кодовые таблицы * 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F C А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П D Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Текст: в России: Привет, Вася! Windows-1251: CFF0E8E2E52C20C2E0F1FF21 передача за рубеж (транслит): Privet, Vasya! стенография: шифрование: Рсйгжу-!Гбта” Числа: для вычислений: 25 прописью: двадцать пять римская система: XXV Цели и способы кодирования * К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование информации Тема 2. Двоичное кодирование К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Двоичное кодирование * Двоичное кодирование – это кодирование всех видов информации с помощью двух знаков (обычно 0 и 1). Передача электрических сигналов: сигнал с помехами «1» «0» полезный сигнал сигнал с помехами полезный сигнал К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Двоичное кодирование * в такой форме можно закодировать (почти) все виды информации нужны только устройства с двумя состояниями почти нет ошибок при передаче данных компьютеру легче обрабатывать данные человеку сложно воспринимать двоичные коды числа символы рисунки звук 101011011101110110101 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Декодирование * Декодирование – это восстановление сообщения из последовательности кодов. МАМА МЫЛА ЛАМУ → 00 1 00 1 11 00 01 0 1 11 0 1 00 10 0010011100010111010010 ??? ЛЛАЛЛАААЛЛЛАЛАААЛАЛЛАЛ Приняли сообщение: М А Ы Л У пробел 00 1 01 0 10 11 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Равномерные коды * Равномерные коды – все кодовые слова (коды отдельных букв) имеют одинаковую длину. МАМА МЫЛА ЛАМУ: 000 001 000 001 101 000 010 011 001 101 011 001 000 100 сообщения получаются длинными М А Ы Л У пробел 000 001 010 011 100 101 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Неравномерные коды * кодовые слова имеют разную длину 0100010011011011100001110000011010 М А М А М Ы Л А А Л М У Префиксный код – ни одно кодовое слово не совпадает с началом другого кодового слова (условие Фано). М А Ы Л У пробел 01 00 1011 100 1010 11 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Постфиксные коды * Постфикс = окончание слова. Постфиксный код – ни одно кодовое слово не совпадает с концом другого кодового слова («обратное» условие Фано). для декодирования нужно получить всё сообщение целиком М А Ы Л У пробел 10 00 1101 001 0101 11 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Задачи на построение кода * Для передачи по каналу связи сообщения, состоящего только из букв А, Б, В, Г, решили использовать неравномерный по длине код: Как нужно закодировать букву Г, чтобы длина кода была минимальной и допускалось однозначное разбиение кодированного сообщения на буквы? 1) 00 2) 01 3) 11 4) 010 Решение: для букв А-Б-В выполнятся условие Фано при Г=00 условие Фано нарушится (пары Г-Б, Г-В) при Г=01 условие Фано выполняется при Г=11 условие Фано нарушится (пара А-Г) при Г=010 условие Фано выполняется (но длиннее 01) А Б В Г 1 000 001 ? К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование информации Тема 2. Кодирование чисел и символов К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование чисел (двоичная система) * Алфавит: 0, 1 Основание (количество цифр): 2 10 2 2 10 19 19 = 100112 система счисления 100112 4 3 2 1 0 разряды = 1·24 + 0·23 + 0·22 + 1·21 + 1·20 = 16 + 2 + 1 = 19 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование символов * Текстовый файл на экране (символы) в памяти – двоичные коды А где же хранятся изображения? 10000012 10000102 10000112 10001002 65 66 67 68 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование символов * Сколько символов надо использовать одновременно? или 65536 (UNICODE) Сколько места надо выделить на символ: Выбрать 256 любых символов (или 65536) - алфавит. Каждому символу – уникальный код 0..255 (или 0..65535). Таблица символов: Коды – в двоичную систему. 256 коды 65 66 67 68 … A B C D … К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

8-битные кодировки (1 байт на символ) * таблица ASCII (международная) расширение (национальный алфавит) ASCII = American Standard Code for Information Interchange 0-31 управляющие символы: 7 – звонок, 10 – новая строка, 13 – возврат каретки, 27 – Esc. 32 пробел знаки препинания: . , : ; ! ? специальные знаки: + - * / () {} [] 48-57 цифры 0..9 65-90 заглавные латинские буквы A-Z 97-122 строчные латинские буквы a-z Кодовая страница (расширенная таблица ASCII) для русского языка: CP-866 для системы MS DOS CP-1251 для системы Windows (Интернет) КОИ8-Р для системы UNIX (Интернет) 0 1 254 255 127 128 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

1 байт на символ – файлы небольшого размера! просто обрабатывать в программах нельзя использовать символы разных кодовых страниц одновременно (русские и французские буквы, и т.п.) неясно, в какой кодировке текст (перебор вариантов!) для каждой кодировки нужен свой шрифт (изображения символов) 8-битные кодировки (1 байт на символ) * К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Стандарт UNICODE * 110 182 символа (2012) каждому символу присвоен код кириллица: А – 041016, Б – 041116, … а – 043016, б – 043116, … коды 0..10FFFF16, всего 1 114 112 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

UNICODE в Windows (UTF-16) * можно одновременно использовать символы разных языков (Интернет) размер файла увеличивается общеупотребительные символы 0..65535 = 216-1 (0..FFFF16) эти символы можно закодировать с помощью 16 бит кодировка UTF-16 (почти все символы по 16 бит) К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

UNICODE в Linux (кодировка UТF-8) * символы ASCII – 1 байт на символ остальные символы от 2 до 4 байт более 50% сайтов используют UTF-8 тексты, состоящие только из кодов ASCII (коды 0 – 127) не увеличиваются в размере переменное число байтов на символ замедление работы программ К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование информации Тема 4. Кодирование рисунков К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Два типа кодирования рисунков * растровое кодирование точечный рисунок, состоит из пикселей фотографии, размытые изображения векторное кодирование рисунок, состоит из отдельных геометрических фигур чертежи, схемы, карты К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Растровое кодирование * Шаг 1. Дискретизация: разбивка на пиксели. Шаг 2. Для каждого пикселя определяется единый цвет. Пиксель – это наименьший элемент рисунка, для которого можно независимо установить цвет. Разрешение: число пикселей на дюйм, pixels per inch (ppi) экран 96 ppi, печать 300-600 ppi, типография 1200 ppi К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Растровое кодирование (True Color) * Шаг 3. От цвета – к числам: модель RGB цвет = R + G + B red красный 0..255 blue синий 0..255 green зеленый 0..255 R = 218 G = 164 B = 32 R = 135 G = 206 B = 250 Шаг 4. Числа – в двоичную систему. 256·256·256 = 16 777 216 (True Color) R: 256=28 вариантов, нужно 8 бит = 1 байт R G B: всего 3 байта Глубина цвета К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Растровое кодирование с палитрой * Шаг 1. Выбрать количество цветов: 2, 4, … 256. Шаг 2. Выбрать 256 цветов из палитры: Шаг 3. Составить палитру (каждому цвету – номер 0..255) палитра хранится в начале файла Шаг 4. Код пикселя = номеру его цвета в палитре 248 0 88 0 221 21 … 181 192 0 … 21 0 97 … 161 12 20 19 23 90 65 1 45 14 … 12 23 К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Растровое кодирование с палитрой * Файл с палитрой: 256 = 28 цветов: палитра 256·3 = 768 байт рисунок 8 бит на пиксель 16 цветов: палитра 16·3 = 48 байт рисунок 4 бита на пиксель 2 цвета: палитра 2·3 = 6 байт рисунок 1 бит на пиксель Один цвет в палитре: 3 байта (RGB) Глубина цвета палитра коды пикселей К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Форматы файлов (растровые рисунки) * Формат True Color Палитра Прозрачность BMP JPG GIF PNG К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование цвета при печати * Белый – красный = голубой C = Cyan Белый – зелёный = пурпурный M = Magenta Белый – синий = желтый Y = Yellow Модель CMY C M Y 0 0 0 255 255 0 255 0 255 0 255 255 255 255 255 Модель CMYK: + Key color Меньший расход краски и лучшее качество для чёрного и серого цветов. К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Растровые рисунки * лучший способ для хранения фотографий и изображений без четких границ спецэффекты (тени, ореолы, и т.д.) есть потеря информации (почему?) при изменении размеров рисунка он искажается размер файла не зависит от сложности рисунка (а от чего зависит?) К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Векторные рисунки * Строятся из геометрических фигур: отрезки, ломаные, прямоугольники окружности, эллипсы, дуги сглаженные линии (кривые Безье) Для каждой фигуры в памяти хранятся: размеры и координаты на рисунке цвет и стиль границы цвет и стиль заливки (для замкнутых фигур) Форматы файлов: WMF (Windows Metafile) CDR (CorelDraw) AI (Adobe Illustrator) SVG (Inkscape) для Web К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Векторные рисунки * прямоугольник размеры координаты контур заливка К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Векторные рисунки * лучший способ для хранения чертежей, схем, карт; при кодировании нет потери информации; при изменении размера нет искажений; меньше размер файла, зависит от сложности рисунка; неэффективно использовать для фотографий и размытых изображений К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование информации Тема 5. Кодирование звука и видео К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Оцифровка звука * Оцифровка – это преобразование аналогового сигнала в цифровой код (дискретизация). – интервал дискретизации (с) – частота дискретизации (Гц, кГц) 8 кГц – минимальная частота для распознавания речи 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц – качество CD-дисков 48 кГц – фильмы на DVD 96 кГц, 192 кГц Человек слышит 16 Гц … 20 кГц К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Оцифровка звука: квантование * 3-битное кодирование: 8 битов = 256 уровней 16 битов = 65536 уровней 24 бита = 224 уровней АЦП = Аналого-Цифровой Преобразователь Квантование (дискретизация по уровню) – это представление числа в виде цифрового кода конечной длины. Разрядность кодирования — это число битов, используемое для хранения одного отсчёта. К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Оцифровка звука * Задача. Определите информационный объем данных, полученных при оцифровке звука длительностью 1 минута с частотой 44 кГц с помощью 16-битной звуковой карты. Запись выполнена в режиме «стерео». За 1 сек каждый канал записывает 44000 значений, каждое занимает 16 битов = 2 байта всего 44000 2 байта = 88000 байтов С учётом «стерео» всего 88000 2 = 176000 байтов За 1 минуту 176000 60 = 1056000 байтов 10313 Кбайт 10 Мбайт К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Оцифровка звука * Как восстановить сигнал? без сглаживания после сглаживания уменьшать T размер файла аналоговые устройства! ЦАП = Цифро-Аналоговый Преобразователь было до оцифровки К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Оцифровка – итог * можно закодировать любой звук (в т.ч. голос, свист, шорох, …) есть потеря информации большой объем файлов Форматы файлов: WAV (Waveform audio format), часто без сжатия (размер!) MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3, сжатие с учётом восприятия человеком) AAC (Advanced Audio Coding, 48 каналов, сжатие) WMA (Windows Media Audio, потоковый звук, сжатие) OGG (Ogg Vorbis, открытый формат, сжатие) К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Инструментальное кодирование * MIDI (Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов). в файле .mid: нота (высота, длительность) музыкальный инструмент параметры звука (громкость, тембр) до 1024 каналов в памяти звуковой карты: образцы звуков (волновые таблицы) MIDI-клавиатура: нет потери информации при кодировании инструментальной музыки небольшой размер файлов невозможно закодировать нестандартный звук, голос программа для звуковой карты! 128 мелодических и 47 ударных К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Трекерная музыка * В файле (модуле): образцы звуков (сэмплы) нотная запись, трек (track) – дорожка музыкальный инструмент до 32 каналов Использование: демосцены (важен размер файла) Форматы файлов: MOD разработан для компьютеров Amiga S3M оцифрованные каналы + синтезированный звук, 99 инструментов XM, STM, … К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Кодирование видео * Синхронность! изображения: ≥ 25 кадров в секунду PAL: 768×576, 24 бита за 1 с: 768×576×3 байта ≈ 32 Мб за 1 мин: 60×32 Мбайта ≈ 1,85 Гб HDTV: 1280×720, 1920×1080. исходный кадр + изменения (10-15 с) сжатие (кодеки – алгоритмы сжатия) DivX, Xvid, H.264, WMV, Ogg Theora… звук: 48 кГц, 16 бит сжатие (кодеки – алгоритмы сжатия) MP3, AAC, WMA, … К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Форматы видеофайлов * AVI – Audio Video Interleave – чередующиеся звук и видео; контейнер – могут использоваться разные кодеки MPEG – Motion Picture Expert Group WMV – Windows Media Video, формат фирмы Microsoft MP4 – MPEG-4, сжатое видео и звук MOV – Quick Time Movie, формат фирмы Apple WebM – открытый формат, поддерживается браузерами К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации

Конец фильма * ПОЛЯКОВ Константин Юрьевич д.т.н., учитель информатики высшей категории, ГОУ СОШ № 163, г. Санкт-Петербург [email protected] К. Поляков, 2006-2012 http://kpolyakov.narod.ru Кодирование информации