Prečo sa informácie nazývajú kódované? Kódovanie informácií v počítači. Štandardy kódovania zvuku

3. Kódovanie grafických informácií4

4. Kódovanie zvukových informácií8

5. Záver10

Referencie11

Úvod

Moderný počítač dokáže spracovať číselné, textové, grafické, zvukové a obrazové informácie. Všetky tieto typy informácií v počítači sú prezentované v binárnom kóde, to znamená, že sa používa abeceda s mocninou dva (iba dva znaky 0 a 1). Je to spôsobené tým, že je vhodné reprezentovať informácie vo forme sekvencie elektrických impulzov: neexistuje impulz (0), existuje impulz (1). Takéto kódovanie sa zvyčajne nazýva binárne a samotné logické postupnosti núl a jednotiek sa nazývajú strojový jazyk. Každá číslica strojového binárneho kódu nesie množstvo informácií, ktoré sa rovná jednému bitu. Tento záver možno urobiť tak, že sa čísla strojovej abecedy budú považovať za rovnako pravdepodobné udalosti. Pri zápise binárnej číslice si môžete vybrať iba jeden z dvoch možných stavov, čo znamená, že nesie množstvo informácií rovnajúce sa 1 bitu. Preto dve číslice nesú 2 bity informácie, štyri číslice 4 bity atď. Na určenie množstva informácie v bitoch stačí určiť počet číslic v binárnom strojovom kóde.

Kódovanie textových informácií

V súčasnosti väčšina používateľov používa počítač na spracovanie textových informácií, ktoré pozostávajú zo symbolov: písmen, číslic, interpunkčných znamienok atď.

Tradične sa na zakódovanie jedného znaku používa množstvo informácií rovné 1 bajtu, t.j. I = 1 bajt = 8 bitov. Pomocou vzorca, ktorý spája počet možných udalostí K a množstvo informácií I, môžete vypočítať, koľko rôznych symbolov je možné zakódovať (za predpokladu, že symboly sú možné udalosti): K = 2I = 28 = 256, t. j. na vyjadrenie textovej informácie , môžete použiť abecedu s kapacitou 256 znakov.

Podstatou kódovania je, že každému znaku je priradený binárny kód od 00000000 do 11111111 alebo zodpovedajúci desiatkový kód od 0 do 255.

V súčasnosti sa na kódovanie ruských písmen používa päť rôznych kódových tabuliek (KOI - 8, CP1251, CP866, Mac, ISO) a texty zakódované pomocou jednej tabuľky sa v inom kódovaní nezobrazia správne. Toto možno vizuálne znázorniť ako fragment kombinovanej tabuľky kódovania znakov. K rovnakému binárnemu kódu sú priradené rôzne symboly.

Vo väčšine prípadov sa však používateľ stará o prekódovanie textových dokumentov a špeciálne programy sú konvertory, ktoré sú zabudované do aplikácií. Od roku 1997 najnovšie verzie Microsoft Windows & Office podporujú nové kódovanie Unicode, ktoré každému znaku prideľuje 2 bajty, a preto môžete zakódovať nie 256 znakov, ale 65536 rôznych znakov.

Na určenie číselného kódu znaku môžete použiť buď tabuľku kódov, alebo pracovať v textovom editore Word 6.0 / 95. Ak to chcete urobiť, vyberte z ponuky „Vložiť“ - „Symbol“, po ktorom sa zobrazí dialógové okno Symbol na obrazovke sa zobrazí panel. V dialógovom okne sa zobrazí tabuľka znakov pre vybraté písmo. Znaky v tejto tabuľke sú usporiadané po riadkoch, postupne zľava doprava, počnúc symbolom medzery (ľavý horný roh) a končiac písmenom „I“ (pravý dolný roh).

Ak chcete určiť číselný kód znaku v kódovaní Windows (CP1251), musíte pomocou myši alebo kurzorových kláves vybrať požadovaný znak a potom kliknúť na tlačidlo Kľúč. Potom sa na obrazovke zobrazí dialógové okno Nastavenia, ktoré obsahuje desiatkový číselný kód zvoleného znaku v ľavom dolnom rohu.

Kódovanie grafických informácií

Grafické informácie môžu byť prezentované v dvoch formách: analógové alebo diskrétne. Obraz, ktorého farba sa neustále mení, je príkladom analógovej reprezentácie, zatiaľ čo obraz vytlačený na atramentovej tlačiarni a pozostávajúci z jednotlivých bodov rôznych farieb je diskrétnou reprezentáciou. Rozdelením grafického obrazu (vzorkovaním) sa grafická informácia prevedie z analógovej formy do diskrétnej formy. V tomto prípade sa vykoná kódovanie - priradenie konkrétnej hodnoty každému prvku vo forme kódu. Pri kódovaní obrazu dochádza k jeho priestorovej diskretizácii. Dá sa to prirovnať k konštruovaniu obrazu z veľkého množstva malých farebných úlomkov (mozaiková metóda). Celý obrázok je rozdelený do samostatných bodov, každému prvku je priradený farebný kód.

V tomto prípade bude kvalita kódovania závisieť od nasledujúcich parametrov: veľkosť bodu a počet použitých farieb. Čím menšia je veľkosť bodu, čo znamená, že obrázok pozostáva z väčšieho počtu bodov, tým vyššia je kvalita kódovania. Čím viac farieb sa použije (t. j. obrazový bod môže nadobudnúť viac možných stavov), tým viac informácií nesie každý bod, a preto sa zvyšuje kvalita kódovania. Vytváranie a ukladanie grafických objektov je možné vo viacerých typoch – vo forme vektorového, fraktálneho alebo rastrového obrázka. Samostatným predmetom je 3D (trojrozmerná) grafika, ktorá kombinuje vektorovú a rastrovú metódu tvorby obrazu. Študuje metódy a techniky konštrukcie trojrozmerných modelov objektov vo virtuálnom priestore. Každý typ používa svoju vlastnú metódu kódovania grafických informácií.

Rastrový obrázok. Pomocou lupy vidíte, že čiernobiely grafický obrázok, napríklad z novín, pozostáva z drobných bodiek, ktoré tvoria určitý vzor – raster. Vo Francúzsku v 19. storočí vznikol nový smer v maliarstve – pointilizmus. Jeho technikou bolo nanášanie kresby na plátno štetcom vo forme viacfarebných bodiek. Táto metóda sa tiež dlho používa v tlači na kódovanie grafických informácií. Presnosť kresby závisí od počtu bodov a ich veľkosti. Po rozdelení kresby na bodky, začínajúc od ľavého rohu, pohybom pozdĺž čiar zľava doprava, môžete kódovať farbu každej bodky. Ďalej budeme jeden takýto bod nazývať pixel (pôvod tohto slova súvisí s anglickou skratkou „picture element“). Objem rastrového obrázku sa určí vynásobením počtu pixelov (informačným objemom jedného bodu, ktorý závisí od počtu možných farieb. Kvalita obrazu je určená rozlíšením monitora. Čím je vyššie, tým čím väčší je počet rastrových riadkov a bodov na riadok, tým vyššia je kvalita obrazu. V moderných počítačoch sa vo všeobecnosti používajú tieto rozlíšenia obrazovky: 640 x 480, 800 x 600, 1024 x 768 a 1280 x 1024. každý bod a jeho lineárne súradnice možno vyjadriť pomocou celých čísel, môžeme povedať, že táto metóda kódovania umožňuje použiť binárny kód na spracovanie grafických údajov.

Ak hovoríme o čiernobielych ilustráciách, potom ak nepoužijete poltóny, pixel nadobudne jeden z dvoch stavov: žiariaci (biely) a nežiariaci (čierny). A keďže informácia o farbe pixelu sa nazýva kód pixelu, na jej zakódovanie stačí jeden bit pamäte: 0 – čierna, 1 – biela. Ak uvažujeme o ilustráciách vo forme kombinácie bodov s 256 odtieňmi sivej (a to sú tie, ktoré sú v súčasnosti všeobecne akceptované), potom na zakódovanie jasu akéhokoľvek bodu stačí osembitové binárne číslo. Farba je v počítačovej grafike mimoriadne dôležitá. Pôsobí ako prostriedok na umocnenie vizuálneho dojmu a zvýšenie informačnej bohatosti obrazu. Ako sa vytvára vnímanie farieb v ľudskom mozgu? K tomu dochádza v dôsledku analýzy svetelného toku vstupujúceho do sietnice z odrážajúcich alebo emitujúcich predmetov.

Farebné modely. Ak hovoríme o kódovaní farebných grafických obrázkov, musíme zvážiť princíp rozkladu ľubovoľnej farby na jej hlavné zložky. Používa sa niekoľko kódovacích systémov: HSB, RGB a CMYK. Prvý farebný model je jednoduchý a intuitívny, t. j. vhodný pre ľudí, druhý je najvhodnejší pre počítače a posledný model CMYK je určený pre tlačiarne. Použitie týchto farebných modelov je dané tým, že svetelný tok môže byť tvorený žiarením, ktoré je kombináciou „čistých“ spektrálnych farieb: červenej, zelenej, modrej alebo ich derivátov. Existuje aditívna reprodukcia farieb (typická pre vyžarujúce predmety) a subtraktívna reprodukcia farieb (typická pre reflexné predmety). Príkladom predmetu prvého typu je katódová trubica monitora a príkladom druhého typu je tlač.

1) Model HSB sa vyznačuje tromi zložkami: farebným odtieňom (Hue), sýtosťou farieb (Saturation) a jasom farieb (Brightness).

2) Princíp metódy RGB je nasledovný: je známe, že akákoľvek farba môže byť reprezentovaná ako kombinácia troch farieb: červená (Red, R), zelená (Green, G), modrá (Blue, B). Iné farby a ich odtiene sa získajú v dôsledku prítomnosti alebo neprítomnosti týchto zložiek.

3) Princíp metódy CMYK. Tento farebný model sa používa pri príprave publikácií na tlač. Každá z primárnych farieb je spojená s ďalšou farbou (dopĺňa hlavnú farbu k bielej). Dodatočná farba sa získa sčítaním páru ďalších základných farieb.

Existuje niekoľko režimov prezentácie farebnej grafiky: plnofarebná (True Color); Vysoká farba; index.

V plnofarebnom režime sa na zakódovanie jasu každej zložky používa 256 hodnôt (osem binárnych bitov), ​​to znamená, že 8 * 3 = 24 bitov sa musí minúť na zakódovanie farby jedného pixelu (v systéme RGB) . To umožňuje jednoznačne identifikovať 16,5 milióna farieb. To je dosť blízko k citlivosti ľudského oka. Pri kódovaní pomocou systému CMYK na zobrazenie farebnej grafiky potrebujete mať 8*4=32 binárnych bitov. Režim High Color je kódovanie pomocou 16-bitových binárnych čísel, to znamená, že počet binárnych číslic sa pri kódovaní každého bodu zníži. To však výrazne znižuje rozsah kódovaných farieb. S indexovým farebným kódovaním je možné prenášať iba 256 farebných odtieňov. Každá farba je zakódovaná pomocou ôsmich bitov dát. Ale keďže 256 hodnôt neprenáša celý rozsah farieb dostupných pre ľudské oko, rozumie sa, že ku grafickým údajom je pripojená paleta (vyhľadávacia tabuľka), bez ktorej bude reprodukcia nedostatočná: more sa môže ukázať byť červené a listy môžu byť modré. Samotný kód rastrového bodu v tomto prípade neznamená samotnú farbu, ale iba jej číslo (index) v palete. Odtiaľ pochádza názov režimu – index.

Súvislosť medzi počtom zobrazených farieb (K) a počtom bitov na ich zakódovanie (a) možno nájsť podľa vzorca: K = 2 a.

Binárny kód obrazu zobrazeného na obrazovke je uložený vo video pamäti. Video pamäť je elektronické prchavé pamäťové zariadenie. Veľkosť video pamäte závisí od rozlíšenia displeja a počtu farieb. Ale jeho minimálny objem je určený tak, aby sa zmestil jeden rám (jedna strana) obrazu, t.j. ako výsledok súčinu rozlíšenia a veľkosti pixelového kódu.

Vmin = M * N * a.

Binárny kód osemfarebnej palety.

Farebné komponenty

Červená 100

Zelená 0 ​​1 0

Modrá 0 0 1

Modrá 0 1 1

Fialová 1 0 1

Žltá 1 1 0

Biela 1 1 1

Čierna 0 0 0

Šestnásťfarebná paleta umožňuje zvýšiť počet použitých farieb. Tu použijeme 4-bitové kódovanie pixelov: 3 bity základných farieb + 1 bit intenzity. Ten ovláda súčasne jas troch základných farieb (intenzita troch elektrónových lúčov). Samostatným riadením intenzity primárnych farieb sa zvyšuje počet vytvorených farieb. Takže na získanie palety s farebnou hĺbkou 24 bitov je pre každú farbu alokovaných 8 bitov, to znamená, že je možných 256 úrovní intenzity (K = 28).

Vektorový obrázok je grafický objekt pozostávajúci z elementárnych segmentov a oblúkov. Základným prvkom obraznosti je čiara. Ako každý predmet má vlastnosti: tvar (rovný, zakrivený), hrúbka, farba, štýl (bodkovaný, plný). Uzavreté čiary majú vlastnosť byť vyplnené (buď inými objektmi alebo zvolenou farbou). Všetky ostatné objekty vektorovej grafiky sú tvorené čiarami. Keďže čiara je matematicky opísaná ako jeden objekt, množstvo údajov na zobrazenie objektu pomocou vektorovej grafiky je oveľa menšie ako pri rastrovej grafike. Informácie o vektorovom obrázku sú zakódované ako bežné alfanumerické a spracované špeciálnymi programami.

Softvérové ​​nástroje na vytváranie a spracovanie vektorovej grafiky zahŕňajú nasledujúce GR: CorelDraw, Adobe Illustrator, ako aj vektorizéry (tracery) - špecializované balíky na konverziu rastrových obrázkov na vektorové.

Fraktálna grafika je založená na matematických výpočtoch, rovnako ako vektorová grafika. Ale na rozdiel od vektora je jeho základným prvkom samotný matematický vzorec. To vedie k tomu, že v pamäti počítača nie sú uložené žiadne objekty a obraz je konštruovaný len pomocou rovníc. Pomocou tejto metódy môžete zostaviť najjednoduchšie pravidelné štruktúry, ako aj zložité ilustrácie, ktoré napodobňujú krajinu.

Kódovanie zvukových informácií

Počítače sú v súčasnosti široko používané v rôznych oblastiach. Výnimkou nebolo ani spracovanie zvukových informácií a hudby. Až do roku 1983 bola všetka nahraná hudba vydávaná na vinylových platniach a kompaktných kazetách. V súčasnosti sú CD disky široko používané. Ak máte počítač s nainštalovanou štúdiovou zvukovou kartou, ku ktorej je pripojená MIDI klávesnica a mikrofón, môžete pracovať so špecializovaným hudobným softvérom. Bežne sa dá rozdeliť do niekoľkých typov: 1) všetky druhy pomôcok a ovládačov určených na prácu so špecifickými zvukovými kartami a externými zariadeniami; 2) zvukové editory, ktoré sú určené na prácu so zvukovými súbormi, umožňujú s nimi vykonávať akékoľvek operácie – od ich rozdelenia na časti až po ich spracovanie pomocou efektov; 3) softvérové ​​syntetizátory, ktoré sa objavili relatívne nedávno a fungujú správne iba na výkonných počítačoch. Umožňujú vám experimentovať s vytváraním rôznych zvukov; a ďalšie.

Prvá skupina zahŕňa všetky pomocné programy operačného systému. Napríklad win 95 a 98 majú svoje vlastné mixážne programy a pomôcky na prehrávanie/nahrávanie zvuku, prehrávanie CD a štandardných MIDI súborov. Po nainštalovaní zvukovej karty môžete pomocou týchto programov skontrolovať jej funkčnosť. Napríklad program Phonograph je určený na prácu so súbormi wave (súbory na nahrávanie zvuku vo formáte Windows). Tieto súbory majú príponu .WAV. Tento program poskytuje možnosť prehrávať, nahrávať a upravovať zvukové záznamy pomocou techník podobných tým, ktoré sa používajú s magnetofónom. Pre prácu s fonografom je vhodné pripojiť mikrofón k počítaču. Ak potrebujete urobiť zvukový záznam, musíte sa rozhodnúť pre kvalitu zvuku, pretože od toho závisí trvanie zvukového záznamu. Čím vyššia je kvalita záznamu, tým kratšie je možné trvanie zvuku. S priemernou kvalitou záznamu môžete uspokojivo nahrávať reč a vytvárať súbory dlhé až 60 sekúnd. Približne 6 sekúnd bude trvať nahrávanie, ktoré má kvalitu hudobného CD.

Aby bolo možné zaznamenať zvuk na akékoľvek médium, musí sa previesť na elektrický signál. To sa vykonáva pomocou mikrofónu. Najjednoduchšie mikrofóny majú membránu, ktorá vibruje pod vplyvom zvukových vĺn. K membráne je pripojená cievka, ktorá sa synchrónne pohybuje s membránou v magnetickom poli. V cievke vzniká striedavý elektrický prúd. Zmeny napätia presne odrážajú zvukové vlny. Striedavý elektrický prúd, ktorý sa objavuje na výstupe mikrofónu, sa nazýva analógový signál. Keď sa použije na elektrický signál, „analógový“ znamená, že signál je nepretržitý v čase a amplitúde. Presne odráža tvar zvukovej vlny, ktorá sa šíri vzduchom.

Zvukové informácie môžu byť reprezentované v diskrétnej alebo analógovej forme. Ich rozdiel je v tom, že pri diskrétnej reprezentácii informácie sa fyzikálna veličina náhle zmení („rebrík“) a nadobudne konečný súbor hodnôt. Ak sú informácie prezentované v analógovej forme, potom fyzikálne množstvo môže nadobudnúť nekonečný počet hodnôt, ktoré sa neustále menia.

Pozrime sa stručne na procesy prevodu zvuku z analógového na digitálny a naopak. Približná predstava o tom, čo sa deje na vašej zvukovej karte, vám môže pomôcť vyhnúť sa niektorým chybám pri práci so zvukom. Zvukové vlny sa pomocou mikrofónu konvertujú na analógový striedavý elektrický signál. Prechádza zvukovou cestou a vstupuje do analógovo-digitálneho prevodníka (ADC), zariadenia, ktoré konvertuje signál do digitálnej podoby. V zjednodušenej forme je princíp činnosti ADC nasledovný: meria amplitúdu signálu v určitých intervaloch a ďalej prenáša digitálnou cestou postupnosť čísel nesúcich informácie o zmenách amplitúdy. Digitálny zvuk je na výstupe pomocou digitálno-analógového prevodníka (DAC), ktorý na základe prichádzajúcich digitálnych dát generuje vo vhodných časoch elektrický signál s požadovanou amplitúdou.

Ak vytvoríte graf rovnakého zvuku pri 1 kHz (nota do siedmej oktávy klavíra približne zodpovedá tejto frekvencii), ale vzorkovaný na rôznych frekvenciách (spodná časť sínusovej vlny nie je zobrazená vo všetkých grafoch), potom rozdiely budú viditeľné. Jeden dielik na vodorovnej osi, ktorý ukazuje čas, zodpovedá 10 vzorkám. Mierka sa použije rovnako (pozri prílohu Obrázok 1.13). Môžete vidieť, že pri 11 kHz existuje približne päť oscilácií zvukových vĺn na každých 50 vzoriek, čo znamená, že jedna perióda sínusovej vlny je reprezentovaná iba 10 hodnotami. Ide o dosť nepresné vykreslenie. Zároveň, ak vezmeme do úvahy frekvenciu digitalizácie 44 kHz, tak na každú periódu sínusoidy je už takmer 50 vzoriek. To vám umožní získať kvalitný signál.

Bitová hĺbka udáva presnosť, s akou dochádza k zmenám amplitúdy analógového signálu. Presnosť, s akou sa hodnota amplitúdy signálu v každom časovom okamihu prenáša počas digitalizácie, určuje kvalitu signálu po konverzii digitálneho signálu na analógový. Spoľahlivosť rekonštrukcie tvaru vlny závisí od bitovej hĺbky.

Na zakódovanie hodnoty amplitúdy sa používa princíp binárneho kódovania. Zvukový signál musí byť prezentovaný ako sekvencia elektrických impulzov (binárne nuly a jednotky). Typicky sa používa 8, 16-bitové alebo 20-bitové znázornenie hodnôt amplitúdy. Pri binárnom kódovaní súvislého zvukového signálu je tento nahradený sekvenciou diskrétnych úrovní signálu. Kvalita kódovania závisí od vzorkovacej frekvencie (počet meraní úrovne signálu za jednotku času). So zvyšovaním vzorkovacej frekvencie sa zvyšuje presnosť binárnej reprezentácie informácií. Pri frekvencii 8 kHz (počet vzoriek za sekundu 8 000) kvalita vzorkovaného zvukového signálu zodpovedá kvalite rozhlasového vysielania a pri frekvencii 48 kHz (počet vzoriek za sekundu 48 000) - kvalita zvuku zvukového CD.

Ak použijete 8-bitové kódovanie, môžete dosiahnuť presnosť amplitúdy analógového signálu až 1/256 dynamického rozsahu digitálneho zariadenia (28 = 256).

Ak na vyjadrenie hodnôt amplitúdy zvukového signálu použijete 16-bitové kódovanie, presnosť merania sa zvýši 256-krát.

Moderné prevodníky zvyčajne používajú 20-bitové kódovanie signálu, čo umožňuje vysokokvalitnú digitalizáciu zvuku.

Záver

Kód je súbor konvencií (alebo signálov) na zaznamenávanie (alebo komunikáciu) niektorých vopred definovaných konceptov.

Kódovanie informácií je proces vytvárania špecifickej reprezentácie informácií. V užšom zmysle sa pojem „kódovanie“ často chápe ako prechod od jednej formy reprezentácie informácie k inej, vhodnejšej na uchovávanie, prenos alebo spracovanie.

Zvyčajne je každý obrázok pri kódovaní reprezentovaný samostatným znakom. Znak je prvok z konečného súboru prvkov, ktoré sa navzájom odlišujú. Znak spolu s jeho významom sa nazýva symbol. Dĺžka kódu je počet znakov použitých na kódovanie.

Kód môže mať konštantnú alebo nekonštantnú dĺžku. Na reprezentáciu informácií v pamäti počítača sa používa metóda binárneho kódovania.

Základná pamäťová bunka počítača má dĺžku 8 bitov. Každý bajt má svoje vlastné číslo. Najväčšia sekvencia bitov, ktorú môže počítač spracovať ako jednu jednotku, sa nazýva strojové slovo. Dĺžka strojového slova závisí od bitovej hĺbky procesora a môže byť 16, 32 bitov atď. Ďalším spôsobom, ako reprezentovať celé čísla, je dvojkový doplnkový kód. Rozsah hodnôt závisí od počtu pamäťových bitov pridelených na ich uloženie. Doplnkový kód kladného čísla je rovnaký ako jeho priamy kód.

Bibliografia

1.Informatika a informačné technológie. Ed. Yu.D. Romanova, 3. vydanie, M.: EKSMO, 2008

2. Kostrov B.V. Základy digitálneho prenosu a kódovania informácií. - TechBook, 2007, 192 strán.

3. Makarova N.V. „Informatika“: Učebnica. - M.: Financie a štatistika, 2005 - 768 s.

4. Stepanenko O. S. Osobný počítač. Samoučiteľská príručka Dialektika. 2005, 28 s.

Kódovanie textových informácií v počítači je niekedy základnou podmienkou pre správnu činnosť zariadenia alebo zobrazenie konkrétneho fragmentu. Ako sa tento proces vyskytuje počas prevádzky počítača s textovými a vizuálnymi informáciami, zvukom - to všetko analyzujeme v tomto článku.

Úvod

Elektronický počítač (ktorý v bežnom živote nazývame počítač) vníma text veľmi špecifickým spôsobom. Kódovanie textovej informácie je pre ňu veľmi dôležité, pretože každý fragment textu vníma ako skupinu symbolov, ktoré sú od seba izolované.

Aké sú symboly?

Ako symboly pre počítač fungujú nielen ruské, anglické a iné písmená, ale aj interpunkčné znamienka a iné znaky. Aj priestor, ktorý používame na oddeľovanie slov pri písaní na počítači, zariadenie vníma ako symbol. V niečom to veľmi pripomína vyššiu matematiku, pretože tam má nula podľa mnohých profesorov dvojaký význam: je to aj číslo a zároveň nič neznamená. Dokonca aj pre filozofov môže byť otázka bieleho priestoru naliehavým problémom. Vtip, samozrejme, ale ako sa hovorí, na každom vtipe je niečo pravdy.

Aké informácie existujú?

Takže na vnímanie informácií musí počítač spustiť procesy spracovania. Aké informácie tam vôbec sú? Témou tohto článku je kódovanie textových informácií. Tejto úlohe budeme venovať osobitnú pozornosť, ale budeme sa venovať aj iným mikrotémam.

Informácie môžu byť textové, číselné, zvukové, grafické. Počítač musí spustiť procesy, ktoré kódujú textové informácie, aby na obrazovke zobrazil to, čo napríklad píšeme na klávesnici. Uvidíme symboly a písmená, to je pochopiteľné. Čo vidí stroj? Absolútne všetky informácie – a teraz nehovoríme len o texte – vníma ako určitú postupnosť núl a jednotiek. Tvoria základ takzvaného binárneho kódu. Preto sa proces, ktorý prevádza informácie prijaté zariadením na niečo, čomu rozumie, nazýva „binárne kódovanie textových informácií“.

Stručný princíp fungovania binárneho kódu

Prečo je binárne kódovanie informácií najrozšírenejšie v elektronických strojoch? Základom textu, ktorý je zakódovaný pomocou núl a jednotiek, môže byť absolútne ľubovoľná sekvencia symbolov a znakov. Toto však nie je jediná výhoda, ktorú binárne textové kódovanie informácií má. Ide o to, že princíp, na ktorom je táto metóda kódovania založená, je veľmi jednoduchý, ale zároveň celkom funkčný. Keď dôjde k elektrickému impulzu, je označený (samozrejme podmienečne) jednotkou. Neexistuje žiadny impulz - označený nulou. To znamená, že textové kódovanie informácií je založené na princípe konštrukcie postupnosti elektrických impulzov. Logická postupnosť zložená zo symbolov binárneho kódu sa nazýva strojový jazyk. Kódovanie a spracovanie textových informácií pomocou binárneho kódu zároveň umožňuje vykonávanie operácií v pomerne krátkom čase.

Bity a bajty

Číslo vnímané strojom obsahuje určité množstvo informácií. Je rovný jednému bitu. To platí pre každú jednu a každú nulu, ktorá tvorí jednu alebo druhú sekvenciu šifrovaných informácií.

V súlade s tým môže byť množstvo informácií v každom prípade určené jednoducho poznaním počtu znakov v sekvencii binárneho kódu. Budú sa navzájom numericky rovnať. 2 číslice v kóde nesú 2 bity informácie, 10 číslic - 10 bitov atď. Princíp určovania objemu informácií, ktorý leží v konkrétnom fragmente binárneho kódu, je pomerne jednoduchý, ako vidíte.

Kódovanie textových informácií v počítači

Práve teraz čítate článok, ktorý pozostáva, ako veríme, zo sekvencie písmen ruskej abecedy. A počítač, ako už bolo spomenuté vyššie, vníma všetky informácie (a aj v tomto prípade) ako sekvenciu nie písmen, ale núl a jednotiek, čo naznačuje neprítomnosť a prítomnosť elektrického impulzu.

Ide o to, že jeden znak, ktorý vidíme na obrazovke, môžete zakódovať pomocou konvenčnej mernej jednotky nazývanej bajt. Ako je napísané vyššie, binárny kód má takzvanú informačnú záťaž. Pripomeňme, že číselne sa rovná celkovému počtu núl a jednotiek vo vybranom fragmente kódu. Takže 8 bitov tvorí 1 bajt. Kombinácie signálov môžu byť veľmi odlišné, čo možno ľahko vidieť nakreslením obdĺžnika na papier pozostávajúceho z 8 buniek rovnakej veľkosti.

Ukazuje sa, že textové informácie je možné kódovať pomocou abecedy s kapacitou 256 znakov. Aký to má zmysel? Význam spočíva v tom, že každý znak bude mať svoj vlastný binárny kód. Kombinácie „naviazané“ na určité znaky začínajú od 00000000 a končia 11111111. Ak prejdete z binárneho do desiatkového systému čísel, potom môžete v takomto systéme kódovať informácie od 0 do 255.

Nezabudnite, že teraz existujú rôzne tabuľky, ktoré používajú kódovanie písmen ruskej abecedy. Ide napríklad o ISO a KOI-8, Mac a CP v dvoch variáciách: 1251 a 866. Je ľahké sa uistiť, že text zakódovaný v niektorej z týchto tabuliek sa v inom ako v tomto kódovaní nezobrazí správne. Je to spôsobené tým, že v rôznych tabuľkách zodpovedajú rovnakému binárnemu kódu rôzne symboly.

Toto bol spočiatku problém. Dnešné programy však už majú zabudované špeciálne algoritmy, ktoré konvertujú text a privedú ho do správnej formy. Rok 1997 sa niesol v znamení vytvorenia kódovania s názvom Unicode. V ňom má každá postava k dispozícii 2 bajty. To vám umožní kódovať text s oveľa väčším počtom znakov. 256 a 65536: je v tom rozdiel?

Kódovanie grafiky

Kódovanie textových a grafických informácií má určité podobnosti. Ako viete, na zobrazovanie grafických informácií sa používa periférne zariadenie počítača nazývané „monitor“. Grafika (teraz hovoríme o počítačovej grafike) sa široko používa v rôznych oblastiach. Našťastie hardvérové ​​možnosti osobných počítačov umožňujú riešiť pomerne zložité grafické problémy.

Spracovanie videoinformácií je v posledných rokoch možné. Text je však oveľa „ľahší“ ako grafika, čo je v zásade pochopiteľné. Z tohto dôvodu sa musí zväčšiť konečná veľkosť grafických súborov. Takéto problémy možno prekonať poznaním podstaty, v ktorej sú grafické informácie prezentované.

Poďme si najprv zistiť, do akých skupín sa tento typ informácií delí. Po prvé, je to raster. Po druhé, vektor.

Rastrové obrázky sú dosť podobné kockovanému papieru. Každá bunka na takomto papieri je natretá jednou alebo druhou farbou. Tento princíp trochu pripomína mozaiku. To znamená, že sa ukazuje, že v rastrovej grafike je obrázok rozdelený na samostatné elementárne časti. Nazývajú sa pixely. V preklade do ruštiny znamenajú pixely „bodky“. Je logické, že pixely sú usporiadané relatívne k čiaram. Grafická mriežka pozostáva len z určitého počtu pixelov. Nazýva sa aj raster. Vzhľadom na tieto dve definície môžeme povedať, že rastrový obrázok nie je nič iné ako súbor pixelov, ktoré sú zobrazené na obdĺžnikovej mriežke.

Raster monitora a veľkosť pixelov ovplyvňujú kvalitu obrazu. Čím väčší je raster monitora, tým vyšší bude. Veľkosti rastrov sú rozlíšenie obrazovky, o ktorom už určite počul každý používateľ. Jednou z najdôležitejších vlastností počítačových obrazoviek je rozlíšenie, nielen rozlíšenie. Ukazuje, koľko pixelov je na jednotku dĺžky. Rozlíšenie monitora sa zvyčajne meria v pixeloch na palec. Čím viac pixelov na jednotku dĺžky, tým vyššia bude kvalita, pretože „zrno“ sa zníži.

Spracovanie audio streamu

Kódovanie textových a zvukových informácií, podobne ako iné typy kódovania, má niektoré funkcie. Teraz budeme hovoriť o poslednom procese: kódovaní zvukových informácií.

Reprezentáciu zvukového prúdu (ako aj jednotlivého zvuku) je možné vytvoriť dvoma spôsobmi.

Analógová forma reprezentácie zvukovej informácie

V tomto prípade môže množstvo nadobudnúť skutočne obrovské množstvo rôznych hodnôt. Navyše tieto rovnaké hodnoty nezostávajú konštantné: menia sa veľmi rýchlo a tento proces je nepretržitý.

Diskrétna forma reprezentácie zvukovej informácie

Ak hovoríme o diskrétnej metóde, potom v tomto prípade môže mať množstvo iba obmedzený počet hodnôt. V tomto prípade sa zmena vyskytuje kŕčovito. Môžete diskrétne kódovať nielen zvukové, ale aj grafické informácie. Mimochodom, pokiaľ ide o analógovú formu.

Analógové zvukové informácie sú uložené napríklad na vinylových platniach. Ale CD je už diskrétny spôsob prezentácie zvukových informácií.

Hneď na začiatku sme hovorili o tom, že počítač vníma všetky informácie v strojovom jazyku. Na tento účel sú informácie zakódované vo forme sekvencie elektrických impulzov - núl a jednotiek. Kódovanie zvukových informácií nie je výnimkou z tohto pravidla. Ak chcete spracovať zvuk v počítači, musíte ho najskôr premeniť na túto sekvenciu. Až potom je možné vykonávať operácie s prúdom alebo jedným zvukom.

Keď nastane proces kódovania, prúd podlieha časovému vzorkovaniu. Zvuková vlna je nepretržitá, vyvíja sa v malých časových úsekoch. Hodnota amplitúdy sa nastavuje pre každý konkrétny interval samostatne.

Záver

Čo sme sa teda počas tohto článku dozvedeli? Po prvé, úplne všetky informácie, ktoré sa zobrazujú na monitore počítača, sú predtým, ako sa tam objavia, zakódované. Po druhé, toto kódovanie zahŕňa preklad informácií do strojového jazyka. Po tretie, strojový jazyk nie je nič iné ako sled elektrických impulzov – núl a jednotiek. Po štvrté, existujú samostatné tabuľky na kódovanie rôznych znakov. A po piate, grafické a zvukové informácie môžu byť prezentované v analógovej a diskrétnej forme. Tu sú možno hlavné body, o ktorých sme diskutovali. Jednou z disciplín, ktorá študuje túto oblasť, je informatika. Kódovanie textových informácií a jeho základy sa vysvetľujú v škole, keďže na tom nie je nič zložité.

Všeobecné pojmy

Definícia 1

Kódovanie- ide o transformáciu informácií z jednej formy zobrazenia na inú, najvhodnejšiu na ich uchovávanie, prenos alebo spracovanie.

Definícia 2

kód nazývané pravidlo pre zobrazenie jednej sady znakov v inej.

Definícia 3

Binárny kód je spôsob reprezentácie informácií pomocou dvoch symbolov – $0$ a $1$.

Definícia 4

Dĺžka kódu– počet znakov použitých na reprezentáciu zakódovanej informácie.

Definícia 5

Trocha je jedna binárna číslica $0$ alebo $1$. Jeden bit môže zakódovať dve hodnoty: $1$ alebo $0$. Pomocou dvoch bitov môžete zakódovať štyri hodnoty: $00$, $01$, $10$, $11$. Tri bity kódujú rôzne hodnoty $8$. Pridaním jedného bitu sa zdvojnásobí počet hodnôt, ktoré je možné zakódovať.

Obrázok 1.

Typy kódovania informácií

Existujú nasledujúce typy kódovania informácií:

• farebné kódovanie;
• kódovanie číselných informácií;
• kódovanie zvukových informácií;
• kódovanie videa.

Kódovanie textových informácií

Akýkoľvek text pozostáva zo sekvencie znakov. Symboly môžu byť písmená, čísla, interpunkčné znamienka, matematické symboly, okrúhle a hranaté zátvorky atď.

Textová informácia, ako každá iná informácia, je uložená v pamäti počítača v binárnej forme. Na to je každému pridelené určité nezáporné číslo, tzv znakový kód a toto číslo sa zapíše do pamäte počítača v binárnej forme. Špecifický vzťah medzi symbolmi a ich kódmi je tzv kódovací systém. Osobné počítače zvyčajne používajú kódovací systém ASCII (American Standard Code for Informational Interchange).

Poznámka 1

Vývojári softvéru vytvorili svoje vlastné štandardy kódovania textu v hodnote 8 $. Kvôli dodatočnému bitu sa rozsah kódovania v nich rozšíril na 256 $ znakov. Aby sa predišlo nejasnostiam, prvé znaky $128$ v takýchto kódovaniach spravidla zodpovedajú štandardu ASCII. Zvyšných 128 $ implementuje funkcie regionálneho jazyka.

Poznámka 2

Osembitové kódovania u nás bežné sú KOI8, UTF8, Windows-1251 a niektoré ďalšie.

Farebné kódovanie

Pre uloženie fotografie v binárnom kóde je najskôr virtuálne rozdelená do mnohých malých farebných bodiek tzv pixelov(niečo ako mozaika). Po rozdelení na bodky sa farba každého pixelu zakóduje do binárneho kódu a uloží sa na pamäťové zariadenie.

Príklad 1

Ak sa hovorí, že obrázok má veľkosť napríklad 512 x 512 pixelov, znamená to, že ide o maticu vytvorenú z 262 144 pixelov (počet vertikálnych pixelov vynásobený počtom horizontálnych pixelov).

Príklad 2

Zariadenie, ktoré „rozbíja“ obrázky na pixely, je akýkoľvek moderný fotoaparát (vrátane webovej kamery, fotoaparátu telefónu) alebo skener. A ak charakteristiky fotoaparátu hovoria napríklad „10 $ megapixelov“, potom počet pixelov, na ktoré tento fotoaparát rozdeľuje obraz na záznam v binárnom kóde, je 10 miliónov. Čím viac pixelov je obrázok rozdelený, tým realistickejšie vyzerá fotografia v dekódovanej podobe (na monitore alebo po vytlačení).

Kvalita kódovania fotografií do binárneho kódu však závisí nielen od počtu pixelov, ale aj od ich farebnej rozmanitosti. Algoritmy na zaznamenávanie farieb v binárnom kóde je ich viacero. Najbežnejší je RGB. Táto skratka sú prvé písmená názvov troch základných farieb: červená - EnglishČervená, zelená - Angličtina zelená, Modrá - Angličtina Modrá. Zmiešaním týchto troch farieb v rôznych pomeroch môžete získať akúkoľvek inú farbu alebo odtieň.

Na tom je založený algoritmus RGB. Každý pixel je zapísaný v binárnom kóde uvedením množstva červenej, zelenej a modrej, ktoré sa podieľajú na jeho tvorbe.

Čím viac bitov je pridelených na kódovanie pixelu, tým viac možností na zmiešanie týchto troch kanálov je možné použiť a tým väčšia je sýtosť farieb obrazu.

Definícia 6

Farebná rozmanitosť pixelov, ktoré tvoria obrázok, sa nazývajú farebná hĺbka.

Kódovanie grafických informácií

Vyššie opísaná technika na vytváranie obrázkov z malých bodiek je najbežnejšia a nazýva sa raster . Ale okrem rastrovej grafiky používajú počítače aj tzv Vektorová grafika .

Vektorové obrázky sa vytvárajú iba pomocou počítača a nie sú tvorené pixelmi, ale grafickými primitívami (čiary, polygóny, kruhy atď.).

Vektorová grafika je kreslená grafika. Je veľmi vhodný pre počítačové „kreslenie“ a je široko používaný dizajnérmi pri grafickom dizajne tlačených materiálov, vrátane vytvárania obrovských reklamných plagátov, ako aj v iných podobných situáciách. Vektorový obrázok v binárnom kóde je napísaný ako zbierka primitív označujúcich ich veľkosti, farbu výplne, umiestnenie na plátne a niektoré ďalšie vlastnosti.

Príklad 3

Na zaznamenanie vektorového obrazu kruhu na pamäťové zariadenie počítaču stačí zakódovať v binárnom kóde typ objektu (kruh), súradnice jeho stredu na plátne, dĺžku polomeru, hrúbku a farbu čiaru a farbu výplne.

V rastrovom systéme by musela byť zakódovaná farba každého pixelu. A ak je veľkosť obrázka veľká, vyžadovalo by to podstatne viac úložného priestoru na jeho uloženie.

Metóda vektorového kódovania však neumožňuje písať realistické fotografie v binárnom kóde. Preto všetky fotoaparáty fungujú len na princípe rastrovej grafiky. Bežný používateľ sa v bežnom živote musí s vektorovou grafikou potýkať len zriedka.

Kódovanie číselných informácií

Pri kódovaní čísel sa berie do úvahy účel, na ktorý bolo číslo zadané do systému: pre aritmetické výpočty alebo jednoducho pre výstup. Všetky dáta zakódované v binárnom systéme sú šifrované pomocou jednotiek a núl. Tieto symboly sa tiež nazývajú bitov. Táto metóda kódovania je najpopulárnejšia, pretože je technologicky najjednoduchšia: prítomnosť signálu je $ 1 $, neprítomnosť je $ 0 $. Binárne šifrovanie má len jednu nevýhodu – dĺžku kombinácií symbolov. Ale z technického hľadiska je jednoduchšie ovládať veľa jednoduchých, podobných komponentov ako malý počet zložitejších.

Poznámka 3

Celé čísla sa kódujú jednoducho prevodom čísel z jednej číselnej sústavy do druhej. Na kódovanie reálnych čísel sa používa kódovanie 80 $. V tomto prípade sa číslo prevedie do štandardného tvaru.

Kódovanie zvukových informácií

Definícia 7

Akýkoľvek zvuk, ktorý človek počuje, je vzduchová vibrácia, ktorá sa vyznačuje dvoma hlavnými indikátormi: frekvenciou a amplitúdou. Amplitúda oscilácie- to je miera odchýlky stavu vzduchu od počiatočného stavu pri každom kmitu. Vnímame ho ako hlasitosť zvuku. Frekvencia kmitov je počet odchýlok stavov vzduchu od počiatočného stavu za jednotku času. Je vnímaná ako výška zvuku.

Príklad 4

Tiché pískanie komárov je teda zvuk s vysokou frekvenciou, ale s malou amplitúdou. Zvuk búrky má naopak veľkú amplitúdu, ale nízku frekvenciu.

Spôsob, akým počítač pracuje so zvukom, možno všeobecne opísať nasledovne. Mikrofón premieňa vibrácie vzduchu na elektrické vibrácie s podobnými vlastnosťami. Zvuková karta počítača prevádza elektrické vibrácie na binárny kód, ktorý je uložený na pamäťovom zariadení. Pri prehrávaní takejto nahrávky nastáva opačný proces (dekódovanie) – binárny kód sa premení na elektrické vibrácie, ktoré vstupujú do audio systému alebo slúchadiel. Reproduktory alebo slúchadlá majú opačný efekt ako mikrofón. Premieňajú elektrické vibrácie na vibrácie vzduchu.

Princíp rozdelenia zvukovej vlny na malé časti je základom binárneho kódovania zvuku. Zvuková karta počítača rozdeľuje zvuk na veľmi malé časové úseky a intenzitu každého z nich zakóduje do binárneho kódu. Toto rozdelenie zvuku na časti sa nazýva vzorkovanie. Čím vyššia je vzorkovacia frekvencia, tým presnejšie je zaznamenaná geometria zvukovej vlny a tým lepšia je kvalita záznamu.

Definícia 8

Kvalita záznamu tiež do značnej miery závisí od počtu bitov použitých počítačom na zakódovanie každej časti zvuku, ktorá je výsledkom vzorkovania. Zavolá sa počet bitov použitých na zakódovanie každej časti zvuku, ktorá je výsledkom vzorkovania hĺbka zvuku.

Kódovanie videa

Nahrávanie videa pozostáva z dvoch komponentov: zvuk A grafický .

Kódovanie zvukovej stopy video súboru do binárneho kódu sa vykonáva pomocou rovnakých algoritmov ako kódovanie bežných zvukových údajov. Princípy kódovania videa sú podobné kódovaniu rastrovej grafiky (diskutované vyššie), aj keď majú niektoré funkcie. Ako viete, nahrávanie videa je sekvencia rýchlo sa meniacich statických obrázkov (snímok). Jedna sekunda videa môže pozostávať z obrázkov za 25 $ alebo viac. Zároveň sa každá ďalšia snímka len mierne líši od predchádzajúceho.

Vzhľadom na túto vlastnosť algoritmy kódovania videa spravidla umožňujú zaznamenávať iba prvú (základnú) snímku. Každá nasledujúca snímka je tvorená zaznamenaním jej odlišností od predchádzajúceho.

Vektorové a fraktálne obrázky.

Vektorový obrázok je grafický objekt pozostávajúci z elementárnych segmentov a oblúkov. Základným prvkom obraznosti je čiara. Ako každý predmet má vlastnosti: tvar (rovný, zakrivený), hrúbka, farba, štýl (bodkovaný, plný). Uzavreté čiary majú vlastnosť byť vyplnené (buď inými objektmi alebo zvolenou farbou). Všetky ostatné objekty vektorovej grafiky sú tvorené čiarami. Keďže čiara je matematicky opísaná ako jeden objekt, množstvo údajov na zobrazenie objektu pomocou vektorovej grafiky je oveľa menšie ako pri rastrovej grafike. Informácie o vektorovom obrázku sú zakódované ako bežné alfanumerické a spracované špeciálnymi programami.

Softvérové ​​nástroje na vytváranie a spracovanie vektorovej grafiky zahŕňajú nasledujúce GR: CorelDraw, Adobe Illustrator, ako aj vektorizéry (tracery) - špecializované balíky na konverziu rastrových obrázkov na vektorové.

Fraktálna grafika je založený na matematických výpočtoch, ako je vektor. Ale na rozdiel od vektora je jeho základným prvkom samotný matematický vzorec. To vedie k tomu, že v pamäti počítača nie sú uložené žiadne objekty a obraz je konštruovaný len pomocou rovníc. Pomocou tejto metódy môžete zostaviť najjednoduchšie pravidelné štruktúry, ako aj zložité ilustrácie, ktoré napodobňujú krajinu.

Úlohy.

Je známe, že video pamäť počítača má kapacitu 512 KB. Rozlíšenie obrazovky je 640 x 200. Koľko strán obrazovky je možné súčasne umiestniť do video pamäte pomocou palety
a) od 8 farieb;
b) 16 farieb;
c) 256 farieb?

Koľko bitov je potrebných na zakódovanie informácií o 130 odtieňoch? Nie je ťažké vypočítať, že 8 (teda 1 bajt), keďže so 7 bitmi môžete uložiť číslo odtieňa od 0 do 127 a 8 bitov uložiť od 0 do 255. Je ľahké vidieť, že táto metóda kódovania je nie optimálne: 130 je výrazne menej ako 255. Zamyslite sa nad tým, ako zhustiť informácie o kresbe pri jej zápise do súboru, ak je známe, že
a) kresba obsahuje súčasne len 16 farebných odtieňov zo 138 možných;
b) kresba obsahuje všetkých 130 odtieňov súčasne, ale počet bodov namaľovaných rôznymi odtieňmi sa veľmi líši.

A) je zrejmé, že 4 bity (pol bajtu) stačia na uloženie informácií o 16 odtieňoch. Keďže sa však týchto 16 odtieňov vyberá zo 130, môžu mať čísla, ktoré sa nezmestia do 4 bitov. Preto použijeme paletovú metódu. Priraďme 16 odtieňom použitým v našej kresbe ich „miestne“ čísla od 1 do 15 a zakódujeme celú kresbu rýchlosťou 2 body na bajt. A potom k týmto informáciám (na koniec súboru, ktorý ich obsahuje) pridáme korešpondenčnú tabuľku pozostávajúcu zo 16 párov bajtov s číslami odtieňov: 1 bajt je naše „miestne“ číslo na tomto obrázku, druhý je skutočný počet tento odtieň. (keď sa namiesto toho použijú zakódované informácie o samotnom odtieni, napríklad informácie o jase žiary „elektronických zbraní“ červenej, zelenej, modrej katódovej trubice, potom bude takáto tabuľka farebná paleta). Ak je výkres dostatočne veľký, zisk vo výslednej veľkosti súboru bude významný;
b) skúsme implementovať najjednoduchší algoritmus na archiváciu informácií o výkrese. Priraďme kódy 128 - 130 k trom odtieňom, ktorými je natretý minimálny počet bodov, a kódy 1 -127 zvyšným odtieňom. Do súboru (čo v tomto prípade nie je postupnosť bajtov, ale súvislý bitový tok) zapíšeme sedembitové kódy pre odtiene s číslami od 1 do 127. Pre zvyšné tri odtiene v bitovom toku napíšeme číslo znamienka - sedembitová 0 - a hneď za ním dvojbitové „miestne“ číslo a na koniec súboru pridáme tabuľku zhody medzi „miestnymi“ a reálnymi číslami. Keďže odtiene s kódmi 128 - 130 sú zriedkavé, sedembitových núl bude málo.

Upozorňujeme, že kladenie otázok v tomto probléme nevylučuje iné riešenia, bez ohľadu na farebnú kompozíciu obrázka - archivácia:
a) na základe identifikácie postupnosti bodov natretých rovnakými odtieňmi a nahradenia každej z týchto postupností dvojicou čísel (farba), (množstvo) (tento princíp je základom grafického formátu PCX);
b) porovnávaním pixelových čiar (zaznamenaním čísel odtieňov bodov prvej strany ako celku a pre nasledujúce riadky zaznamenaním čísel odtieňov len tých bodov, ktorých odtiene sa líšia od odtieňov bodov umiestnených na rovnakej pozícii na predchádzajúcej strane riadok - toto je základ formátu GIF);
c) pomocou algoritmu balenia fraktálov (formát YPEG). (IO 6,1999)

Svet je plný najrôznejších zvukov: tikanie hodín a bzučanie motorov, kvílenie vetra a šušťanie lístia, spev vtákov a hlasy ľudí. Ľudia začali hádať o tom, ako sa zvuky rodia a čo predstavujú už veľmi dávno. Už staroveký grécky filozof a vedec – encyklopedista Aristoteles na základe pozorovaní vysvetlil podstatu zvuku v presvedčení, že znejúce teleso vytvára striedavé stláčanie a riedenie vzduchu. Kmitavá struna teda vzduch buď vypúšťa alebo stláča a vďaka pružnosti vzduchu sa tieto striedavé účinky prenášajú ďalej do priestoru - z vrstvy na vrstvu vznikajú elastické vlny. Keď sa dostanú do ucha, zasiahnu ušné bubienky a spôsobia pocit zvuku.

Sluchom človek vníma elastické vlny s frekvenciou niekde v rozsahu od 16 Hz do 20 kHz (1 Hz - 1 vibrácia za sekundu). V súlade s tým sa elastické vlny v akomkoľvek médiu, ktorých frekvencie ležia v určených medziach, nazývajú zvukové vlny alebo jednoducho zvuk. Pri štúdiu zvuku sa používajú také pojmy ako tón A timbre zvuk. Akýkoľvek skutočný zvuk, či už je to hra na hudobných nástrojoch alebo ľudský hlas, je zvláštnou zmesou mnohých harmonických vibrácií s určitým súborom frekvencií.

Vibrácia, ktorá má najnižšiu frekvenciu, sa nazýva hlavný tón, iné - podtóny.

Timbre- rôzny počet podtónov, ktoré sú vlastné konkrétnemu zvuku, čo mu dodáva zvláštne zafarbenie. Rozdiel medzi jedným a druhým timbrom nie je určený len počtom, ale aj intenzitou presahov sprevádzajúcich zvuk základného tónu. Práve podľa zafarbenia dokážeme ľahko rozlíšiť zvuky klavíra a huslí, gitary a flauty a rozpoznať hlas známeho človeka.

Hudobný zvuk možno charakterizovať tromi kvalitami: timbre, t.j. farba zvuku, ktorá závisí od tvaru vibrácií, výška tónu určená počtom vibrácií za sekundu (frekvencia) a hlasitosť v závislosti od intenzity vibrácií. vibrácie.

Počítače sú v súčasnosti široko používané v rôznych oblastiach. Výnimkou nebolo ani spracovanie zvukových informácií a hudby. Až do roku 1983 bola všetka nahraná hudba vydávaná na vinylových platniach a kompaktných kazetách. V súčasnosti sú CD disky široko používané. Ak máte počítač s nainštalovanou štúdiovou zvukovou kartou, ku ktorej je pripojená MIDI klávesnica a mikrofón, môžete pracovať so špecializovaným hudobným softvérom.

Obvykle sa dá rozdeliť do niekoľkých typov:

1) všetky druhy pomôcok a ovládačov navrhnutých na prácu so špecifickými zvukovými kartami a externými zariadeniami;
2) zvukové editory, ktoré sú určené na prácu so zvukovými súbormi, umožňujú s nimi vykonávať akékoľvek operácie – od ich rozdelenia na časti až po ich spracovanie pomocou efektov;
3) softvérové ​​syntetizátory, ktoré sa objavili relatívne nedávno a fungujú správne iba na výkonných počítačoch. Umožňujú vám experimentovať s vytváraním rôznych zvukov;
a ďalšie.

Prvá skupina zahŕňa všetky pomocné programy operačného systému. Napríklad win 95 a 98 majú svoje vlastné mixážne programy a pomôcky na prehrávanie/nahrávanie zvuku, prehrávanie CD a štandardných MIDI súborov. Po nainštalovaní zvukovej karty môžete pomocou týchto programov skontrolovať jej funkčnosť. Napríklad program Phonograph je určený na prácu so súbormi wave (súbory na nahrávanie zvuku vo formáte Windows). Tieto súbory majú príponu .WAV. Tento program poskytuje možnosť prehrávať, nahrávať a upravovať zvukové záznamy pomocou techník podobných tým, ktoré sa používajú s magnetofónom. Pre prácu s fonografom je vhodné pripojiť mikrofón k počítaču. Ak potrebujete urobiť zvukový záznam, musíte sa rozhodnúť pre kvalitu zvuku, pretože od toho závisí trvanie zvukového záznamu. Čím vyššia je kvalita záznamu, tým kratšie je možné trvanie zvuku. S priemernou kvalitou záznamu môžete uspokojivo nahrávať reč a vytvárať súbory dlhé až 60 sekúnd. Približne 6 sekúnd bude trvať nahrávanie, ktoré má kvalitu hudobného CD.

Ako funguje kódovanie zvuku? Od detstva sme boli vystavení nahrávkam hudby na rôznych nosičoch: platne, kazety, CD atď. V súčasnosti existujú dva hlavné spôsoby nahrávania zvuku: analógové a digitálne. Ale aby bolo možné zaznamenať zvuk na akékoľvek médium, musí sa premeniť na elektrický signál.

To sa vykonáva pomocou mikrofónu. Najjednoduchšie mikrofóny majú membránu, ktorá vibruje pod vplyvom zvukových vĺn. K membráne je pripojená cievka, ktorá sa synchrónne pohybuje s membránou v magnetickom poli. V cievke vzniká striedavý elektrický prúd. Zmeny napätia presne odrážajú zvukové vlny.

Striedavý elektrický prúd, ktorý sa objavuje na výstupe mikrofónu, sa nazýva analógový signál. Keď sa použije na elektrický signál, „analógový“ znamená, že signál je nepretržitý v čase a amplitúde. Presne odráža tvar zvukovej vlny, ktorá sa šíri vzduchom.

Zvukové informácie môžu byť reprezentované v diskrétnej alebo analógovej forme. Ich rozdiel je v tom, že pri diskrétnej reprezentácii informácie sa fyzikálna veličina náhle zmení („rebrík“) a nadobudne konečný súbor hodnôt. Ak sú informácie prezentované v analógovej forme, potom fyzikálne množstvo môže nadobudnúť nekonečný počet hodnôt, ktoré sa neustále menia.

Vinylová platňa je príkladom analógového ukladania zvukových informácií, pretože zvuková stopa neustále mení svoj tvar. Ale analógové nahrávky na magnetickej páske majú veľkú nevýhodu - starnutie média. Zvukový záznam, ktorý mal normálnu úroveň vysokých frekvencií, ich môže v priebehu roka stratiť. Vinylové platne pri hraní niekoľkokrát strácajú kvalitu. Preto sa uprednostňuje digitálny záznam.

Začiatkom 80. rokov sa objavili kompaktné disky. Sú príkladom diskrétneho ukladania zvukových informácií, pretože zvuková stopa CD obsahuje oblasti s rôznou odrazivosťou. Teoreticky môžu tieto digitálne disky vydržať večnosť, ak nie sú poškriabané, t.j. ich prednosťou je trvanlivosť a odolnosť proti mechanickému starnutiu. Ďalšou výhodou je, že pri digitálnom dabingu nedochádza k strate kvality zvuku.

Na multimediálnych zvukových kartách nájdete analógový mikrofónový predzosilňovač a mixér.

Digitálno-analógový a analógovo-digitálny prevod zvukových informácií.

Pozrime sa stručne na procesy prevodu zvuku z analógového na digitálny a naopak. Približná predstava o tom, čo sa deje na vašej zvukovej karte, vám môže pomôcť vyhnúť sa niektorým chybám pri práci so zvukom.

Zvukové vlny sa pomocou mikrofónu konvertujú na analógový striedavý elektrický signál. Prechádza zvukovou cestou (pozri prílohu obrázok 1.11, schéma 1) a vstupuje do analógovo-digitálneho prevodníka (ADC) - zariadenia, ktoré prevádza signál do digitálnej podoby.

V zjednodušenej forme je princíp činnosti ADC nasledovný: meria amplitúdu signálu v určitých intervaloch a prenáša ďalej, pozdĺž digitálnej cesty, postupnosť čísel nesúcich informácie o zmenách amplitúdy (pozri prílohu Obrázok 1.11, Schéma 2 ).

Počas analógovo-digitálnej konverzie nedochádza k žiadnej fyzickej konverzii. Je to, ako keby sa z elektrického signálu odobral odtlačok prsta alebo vzorka, čo je digitálny model kolísania napätia v audio ceste. Ak je to znázornené vo forme diagramu, potom je tento model prezentovaný ako postupnosť stĺpcov, z ktorých každý zodpovedá konkrétnej číselnej hodnote. Digitálny signál je svojou povahou diskrétny - to znamená prerušovaný - takže digitálny model presne nezodpovedá tvaru analógového signálu.

Ukážka je časový interval medzi dvoma meraniami amplitúdy analógového signálu.

Vzorka je doslovne preložená z angličtiny ako „vzorka“. V multimediálnej a odbornej audio terminológii má toto slovo viacero významov. Okrem časového obdobia sa vzorka nazýva aj ľubovoľná sekvencia digitálnych údajov, ktoré sa získajú prostredníctvom analógovo-digitálnej konverzie. Samotný proces transformácie je tzv vzorkovanie. V ruskom odbornom jazyku sa tomu hovorí vzorkovanie.

Digitálny zvuk je na výstupe pomocou digitálno-analógového prevodníka (DAC), ktorý na základe prichádzajúcich digitálnych dát generuje elektrický signál s požadovanou amplitúdou vo vhodných časoch (pozri prílohu obrázok 1.11, diagram 3).

možnosti vzorkovanie

Dôležité parametre vzorkovanie sú frekvencia a bitová hĺbka.
Frekvencia- počet meraní amplitúdy analógového signálu za sekundu.

Ak vzorkovacia frekvencia nie je väčšia ako dvojnásobok frekvencie hornej hranice zvukového rozsahu, pri vysokých frekvenciách dôjde k strate. To vysvetľuje, prečo je štandardná frekvencia pre audio CD 44,1 kHz. Pretože rozsah oscilácií zvukových vĺn je od 20 Hz do 20 kHz, počet meraní signálu za sekundu musí byť väčší ako počet oscilácií za rovnaký časový úsek. Ak je vzorkovacia frekvencia výrazne nižšia ako frekvencia zvukovej vlny, amplitúda signálu sa má čas niekoľkokrát zmeniť počas doby medzi meraniami, čo vedie k tomu, že digitálny odtlačok nesie chaotický súbor údajov. Počas digitálneho analógového prevodu takáto vzorka neprenáša hlavný signál, ale vytvára iba šum.

V novom formáte Audio DVD je signál zmeraný 96 000-krát za jednu sekundu, t.j. Používa sa vzorkovacia frekvencia 96 kHz. Na úsporu miesta na pevnom disku v multimediálnych aplikáciách sa často používajú nižšie frekvencie: 11, 22, 32 kHz. To vedie k zníženiu počuteľného frekvenčného rozsahu, čo znamená, že dochádza k silnému skresleniu počutého.

Ak vytvoríte graf rovnakého zvuku pri 1 kHz (nota do siedmej oktávy klavíra približne zodpovedá tejto frekvencii), ale vzorkovaný na rôznych frekvenciách (spodná časť sínusovej vlny nie je zobrazená vo všetkých grafoch), potom rozdiely budú viditeľné. Jeden dielik na vodorovnej osi, ktorý ukazuje čas, zodpovedá 10 vzorkám. Mierka sa použije rovnako (pozri prílohu Obrázok 1.13). Môžete vidieť, že pri 11 kHz existuje približne päť oscilácií zvukových vĺn na každých 50 vzoriek, čo znamená, že jedna perióda sínusovej vlny je reprezentovaná iba 10 hodnotami. Ide o dosť nepresné vykreslenie. Zároveň, ak vezmeme do úvahy frekvenciu digitalizácie 44 kHz, tak na každú periódu sínusoidy je už takmer 50 vzoriek. To vám umožní získať kvalitný signál.

Bitová hĺbka udáva, s akou presnosťou sa vyskytujú zmeny v amplitúde analógového signálu. Presnosť, s akou sa hodnota amplitúdy signálu v každom časovom okamihu prenáša počas digitalizácie, určuje kvalitu signálu po konverzii digitálneho signálu na analógový. Spoľahlivosť rekonštrukcie tvaru vlny závisí od bitovej hĺbky.

Na zakódovanie hodnoty amplitúdy sa používa princíp binárneho kódovania. Zvukový signál musí byť prezentovaný ako sekvencia elektrických impulzov (binárne nuly a jednotky). Typicky sa používa 8, 16-bitové alebo 20-bitové znázornenie hodnôt amplitúdy. Pri binárnom kódovaní súvislého zvukového signálu je tento nahradený sekvenciou diskrétnych úrovní signálu. Kvalita kódovania závisí od vzorkovacej frekvencie (počet meraní úrovne signálu za jednotku času). So zvyšovaním vzorkovacej frekvencie sa zvyšuje presnosť binárnej reprezentácie informácií. Pri frekvencii 8 kHz (počet vzoriek za sekundu 8 000) kvalita vzorkovaného zvukového signálu zodpovedá kvalite rozhlasového vysielania a pri frekvencii 48 kHz (počet vzoriek za sekundu 48 000) - kvalita zvuku zvukového CD.

Ak použijete 8-bitové kódovanie, môžete dosiahnuť presnosť amplitúdy analógového signálu až 1/256 dynamického rozsahu digitálneho zariadenia (2 8 = 256).

Ak na vyjadrenie hodnôt amplitúdy zvukového signálu použijete 16-bitové kódovanie, presnosť merania sa zvýši 256-krát.

Moderné prevodníky zvyčajne používajú 20-bitové kódovanie signálu, čo umožňuje vysokokvalitnú digitalizáciu zvuku.

Spomeňme si na vzorec K = 2 a. Tu K je počet všetkých možných zvukov (počet rôznych úrovní signálu alebo stavov), ktoré možno získať kódovaním zvuku pomocou bitov.

Zoznámili sme sa s číselnými sústavami – spôsobmi kódovania čísel. Čísla poskytujú informácie o počte položiek. Tieto informácie musia byť zakódované a prezentované v nejakom číselnom systéme. Ktorú zo známych metód zvoliť, závisí od riešeného problému.
Počítače donedávna spracovávali najmä číselné a textové informácie. Ale človek dostáva väčšinu informácií o vonkajšom svete vo forme obrazov a zvuku. V tomto prípade sa ukazuje, že obraz je dôležitejší. Pamätajte na príslovie: "Je lepšie raz vidieť, ako stokrát počuť." Preto dnes počítače začínajú čoraz aktívnejšie pracovať s obrazom a zvukom. Určite zvážime spôsoby, ako takéto informácie zakódovať.

Binárne kódovanie číselných a textových informácií.

Akákoľvek informácia je v počítači zakódovaná pomocou sekvencií dvoch číslic - 0 a 1. Počítač ukladá a spracováva informácie vo forme kombinácie elektrických signálov: napätie 0,4V-0,6V zodpovedá logickej nule a napätie 2,4V-2,7 V zodpovedá logickej jednotke. Vyvolajú sa postupnosti 0 a 1 binárne kódy a čísla 0 a 1 sú bitov (binárne číslice). Toto kódovanie informácií v počítači sa nazýva binárne kódovanie . Binárne kódovanie je teda kódovanie s minimálnym možným počtom elementárnych symbolov, kódovanie najjednoduchšími prostriedkami. To je dôvod, prečo je to pozoruhodné z teoretického hľadiska.
Inžinierov priťahuje binárne kódovanie informácií, pretože je ľahké ho technicky implementovať. Elektronické obvody na spracovanie binárnych kódov musia byť iba v jednom z dvoch stavov: je signál / nie je signál alebo vysoké napätie/nízke napätie .
Počítače vo svojej práci pracujú s reálnymi a celými číslami, prezentovanými vo forme dvoch, štyroch, ôsmich a dokonca desiatich bajtov. Na vyjadrenie znamienka čísla pri počítaní, dodatok znaková číslica , ktorý sa zvyčajne nachádza pred číselnými číslicami. Pre kladné čísla je hodnota bitu znamienka 0 a pre záporné čísla - 1. Ak chcete zapísať internú reprezentáciu záporného celého čísla (-N), musíte:
1) získajte dodatočný kód čísla N nahradením 0 1 a 1 0;
2) k výslednému číslu pridajte 1.

Keďže jeden bajt na vyjadrenie tohto čísla nestačí, je reprezentovaný ako 2 bajty alebo 16 bitov, jeho doplnkový kód je 1111101111000101, teda -1082=1111101111000110.
Ak by počítač zvládal iba jednotlivé bajty, bolo by to málo užitočné. V skutočnosti PC pracuje s číslami, ktoré sú zapísané v dvoch, štyroch, ôsmich a dokonca aj desiatich bajtoch.
Od konca 60-tych rokov sa počítače čoraz častejšie používajú na spracovanie textových informácií. Na vyjadrenie textových informácií sa zvyčajne používa 256 rôznych znakov, napríklad veľké a malé písmená latinskej abecedy, čísla, interpunkčné znamienka atď. Vo väčšine moderných počítačov každý znak zodpovedá postupnosti ôsmich núl a jednotiek, tzv byte .
Bajt je osembitová kombinácia núl a jednotiek.
Pri kódovaní informácií v týchto elektronických počítačoch sa používa 256 rôznych sekvencií 8 núl a jednotiek, čo umožňuje zakódovať 256 znakov. Napríklad veľké ruské písmeno „M“ má kód 11101101, písmeno „I“ má kód 11101001, písmeno „P“ má kód 11110010. Slovo „WORLD“ je teda zakódované sekvenciou 24 bitov alebo 3 bajty: 111011011110100111110010.
Počet bitov v správe sa nazýva objem správy. Toto je zaujímavé!

Spočiatku sa v počítačoch používala iba latinská abeceda. Má 26 písmen. Na označenie každého z nich by teda stačilo päť impulzov (bitov). Text však obsahuje interpunkčné znamienka, desatinné čísla atď. Preto v prvých počítačoch v anglickom jazyku obsahoval bajt – strojová slabika – šesť bitov. Potom sedem - nielen na rozlíšenie veľkých písmen od malých, ale aj na zvýšenie počtu ovládacích kódov pre tlačiarne, signálne svetlá a ďalšie zariadenia. V roku 1964 sa objavil výkonný IBM-360, v ktorom sa bajt nakoniec rovnal ôsmim bitom. Posledný ôsmy bit bol potrebný pre pseudografické znaky.
Priradenie konkrétneho binárneho kódu k symbolu je vecou konvencie, ktorá je zaznamenaná v tabuľke kódov. Bohužiaľ, existuje päť rôznych kódovaní ruských písmen, takže texty vytvorené v jednom kódovaní sa nebudú správne prejavovať v inom.
Chronologicky bol jedným z prvých štandardov na kódovanie ruských písmen na počítačoch KOI8 („Kód výmeny informácií, 8-bit“). Najbežnejším kódovaním je štandardné kódovanie cyriliky Microsoft Windows, označované skratkou SR1251 (“SR” znamená “Code Page” alebo “code page”). Apple vyvinul vlastné kódovanie ruských písmen (Mac) pre počítače Macintosh. Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO) schválila kódovanie ISO 8859-5 ako štandard pre ruský jazyk. Konečne sa objavil nový medzinárodný štandard Unicode, ktorý každému znaku neprideľuje jeden bajt, ale dva, a preto s jeho pomocou zakódujete nie 256 znakov, ale až 65536.
Všetky tieto kódovania pokračujú v tabuľke kódov ASCII (American Standard Code for Information Interchange), ktorá kóduje 128 znakov.
Tabuľka znakov ASCII:

Binárne kódovanie textu prebieha nasledovne: keď stlačíte kláves, určitá sekvencia elektrických impulzov sa prenesie do počítača a každý znak zodpovedá svojej vlastnej sekvencii elektrických impulzov (nuly a jednotky v strojovom jazyku). Program ovládača klávesnice a obrazovky určí znak pomocou tabuľky kódov a vytvorí jeho obraz na obrazovke. Texty a čísla sú teda uložené v pamäti počítača v binárnom kóde a programovo prevedené na obrázky na obrazovke.

Od 80. rokov sa rýchlo rozvíja technológia spracovania grafických informácií na počítači. Počítačová grafika sa široko používa v počítačovej simulácii vo vedeckom výskume, počítačovej simulácii, počítačovej animácii, obchodnej grafike, hrách atď.
Grafické informácie na displeji sú prezentované vo forme obrazu, ktorý je tvorený bodkami (pixelmi). Pozrite sa pozorne na novinovú fotografiu a uvidíte, že sa skladá aj z malých bodiek. Ak sú to iba čierne a biele bodky, potom každý z nich môže byť zakódovaný 1 bitom. Ak sú však na fotografii odtiene, dva bity vám umožňujú zakódovať 4 odtiene bodov: 00 - biela, 01 - svetlošedá, 10 - tmavošedá, 11 - čierna. Tri bity umožňujú zakódovať 8 odtieňov atď.
Počet bitov potrebných na zakódovanie jedného farebného odtieňa sa nazýva farebná hĺbka.

V moderných počítačoch rozhodnutie (počet bodov na obrazovke), ako aj počet farieb závisí od grafického adaptéra a možno ich softvérovo zmeniť.
Farebné obrázky môžu mať rôzne režimy: 16 farieb, 256 farieb, 65536 farieb ( vysoká farba), 16777216 farieb ( skutočná farba). Za bod pre režim vysoká farba Vyžaduje sa 16 bitov alebo 2 bajty.
Najbežnejšie rozlíšenie obrazovky je 800 na 600 pixelov, t.j. 480 000 bodov. Vypočítajme množstvo video pamäte potrebnej pre režim vysokej farby: 2 bajty *480 000=960 000 bajtov.
Väčšie jednotky sa používajú aj na meranie množstva informácií:

Preto sa 960 000 bajtov približne rovná 937,5 KB. Ak človek hovorí osem hodín denne bez prestávky, potom v priebehu 70 rokov života prehovorí asi 10 gigabajtov informácií (to je 5 miliónov strán - stoh papiera vysoký 500 metrov).
Rýchlosť prenosu informácií je počet bitov prenesených za sekundu. Prenosová rýchlosť 1 bit za sekundu sa nazýva 1 baud.

Bitmapa, čo je binárny kód obrazu, je uložená vo videopamäti počítača, odkiaľ ju procesor načíta (najmenej 50-krát za sekundu) a zobrazí na obrazovke.

Binárne kódovanie zvukových informácií.

Od začiatku 90. rokov boli osobné počítače schopné pracovať so zvukovými informáciami. Každý počítač so zvukovou kartou môže ukladať ako súbory ( súbor je určité množstvo informácií uložených na disku a má názov ) a prehrať zvukové informácie. Použitie špeciálneho softvéru (editorov zvukových súborov) otvára široké možnosti na vytváranie, úpravu a počúvanie zvukových súborov. Vytvárajú sa programy na rozpoznávanie reči a je možné ovládať počítač hlasom.
Je to zvuková karta (karta), ktorá konvertuje analógový signál na diskrétny zvukový záznam a naopak, „digitalizovaný“ zvuk na analógový (kontinuálny) signál, ktorý ide na vstup reproduktora.

Pri binárnom kódovaní analógového zvukového signálu sa vzorkuje súvislý signál, t.j. je nahradený radom jeho jednotlivých vzoriek - odčítaní. Kvalita binárneho kódovania závisí od dvoch parametrov: počtu úrovní diskrétneho signálu a počtu vzoriek za sekundu. Počet vzoriek alebo vzorkovacia frekvencia v audio adaptéroch môže byť rôzna: 11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz atď. Ak je počet úrovní 65536, potom 16 bitov (216) je určených pre jeden zvukový signál. 16-bitový zvukový adaptér kóduje a reprodukuje zvuk presnejšie ako 8-bitový zvukový adaptér.
Počet bitov potrebných na zakódovanie jednej úrovne zvuku sa nazýva hĺbka zvuku.
Hlasitosť mono zvukového súboru (v bajtoch) je určená vzorcom:

Pri stereofónnom zvuku sa hlasitosť zvukového súboru zdvojnásobí, pri kvadrafónnom zvuku štvornásobne.
So zvyšujúcou sa komplexnosťou programov a nárastom ich funkcií, ako aj so vznikom multimediálnych aplikácií sa zvyšuje funkčný objem programov a dát. Ak v polovici 80. rokov bol bežný objem programov a dát desiatky a len niekedy stovky kilobajtov, tak v polovici 90. rokov to začali byť desiatky megabajtov. Množstvo pamäte RAM sa zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje.