Дискретное (цифровое) представление текстовой, графической, звуковой информации и видеоинформации

 

При вводе в компьютер текстовой информации происходит ее двоичное кодирование. Пользователь нажимает на клавиатуре клавишу с символом, а в компьютер поступает его двоичный код. С помощью 8 битов (1 байт) можно закодировать 256 (28) различных последовательностей из 8 нулей и единиц. Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111. При выводе символа на экран происходит обратный процесс — декодирование, т.е. преобразование кода символа в его изображение.

В качестве международного стандарта принята кодовая таблица ASCII (от англ. — American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией). Поддерживает кодирование 128 буквенно-цифровых символов.

Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы разработчикам аппаратных средств (прежде всего производителям компьютеров и печатающих устройств). В этой области размещаются так называемые управляющие коды, которым не соответствуют символы языков, а значит, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но используются для функций управления (например, возврата каретки или возврата на один символ).

Национальные стандарты кодировочных таблиц включают международную часть кодовой таблицы без изменений, а во второй половине содержат коды национальных алфавитов, символы псевдографики и некоторые математические знаки.

С кода 32 по код 127 размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов. Базовая таблица кодировки ASCII приведена в табл. 2.2.

 

Таблица 2.2

Базовая таблица кодировки ASCII

Наиболее распространенной в настоящее время является кодировка Windows 1251 (табл. 2.3) с учетом широкого использования операционных систем и других продуктов этой компании в России.

 

Таблица 2.3

Таблица кодировки Windows 1251

В 1991 г. появился новый международный стандарт Unicode — 16-разрядная система кодирования, совместимая с системой ASCII.

В Unicode под один символ отводится не 1 байт, а 2, поэтому с его помощью можно закодировать не 256, а 65 536 различных символов. Полная спецификация стандарта Unicode охватывает символы различных письменностей: латинской, кириллической, греческой, а также языков, использующих иероглифы, например, китайского и японского. Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой и дискретной формах. При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.

При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем величина изменяется скачкообразно. Примеры аналогового и дискретного представлений информации помещены в табл. 2.4.

 

Таблица 2.4

Примеры аналогового и дискретного представлений информации

Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную осуществляется путем дискретизации, т.е. разбиения непрерывного графического изображения (звукового сигнала) на отдельные элементы. В процессе дискретизации проводится кодирование — присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода.

Дискретизация — это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кода. В процессе кодирования изображения происходит пространственная дискретизация. Пространственную дискретизацию изображения можно сравнить с построением изображения из мозаики.

Изображение разбивается на отдельные точки, образующие характерный узор, называемый растром.

Качество кодирования зависит от размера точки (чем меньше размер точки, тем выше качество) и от цветовой палитры — количества цветов (чем оно больше, тем выше качество изображения).

Для представления черно-белых изображений используется 256 градаций серого цвета. Таким образом, для кодирования яркости любой точки достаточно 8-разрядного двоичного кода.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких составляющих используют три основных цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). Такая система кодирования называется системой RGB — по первым буквам названий основных цветов.

Если для кодирования яркости каждой основной составляющей использовать по 256 значений (8 двоичных разрядов), как это принято для черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки потребуется 24 разряда. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Звук представляет собой звуковую волну с непрерывно меняющимися амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем звук громче, чем больше частота, тем выше тон. Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть превращен в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала проводится его временная дискретизация (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Дискретизация звукового сигнала

Дискретизацией называется процесс превращения исходного звукового сигнала в цифровую форму, в которой он хранится для последующего воспроизведения. При этом звуковая волна разбивается на мелкие временные участки, для каждого из которых устанавливается значение амплитуды. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек», каждой из которых присваивается значение уровня громкости. Чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем более качественным будет звучание.Современные звуковые карты обеспечивают 16-битную глубину кодировки звука. Количество различных уровней сигнала можно рассчитать по формуле N = 2¹⁶ = 65 536. Таким образом, современные звуковые карты обеспечивают кодирование 65 536 уровней сигнала. Каждому значению амплитуды присваивается 16-битный код.

При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью его дискретных уровней. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени, т.е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений проводится в 1 с (чем больше частота дискретизации), тем точнее процедура двоичного кодирования. Качество двоичного кодирования звука определяется глубиной

кодирования и частотой дискретизации.

Глубина кодирования звука — это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука. Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитывать по общей формуле N = 2^I. Например, пусть глубина кодирования звука составляет 16 бит, в таком случае количество уровней громкости звука N = 2^I = 2¹⁶ = 65 536.

В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16-битовый двоичный код; наименьшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему — 1111111111111111.

Частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 кГц. При частоте 8 кГц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц — качеству звучания аудио-CD.

Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стереорежимы. Чем больше частота дискретизации и глубина кодирования звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука и тем ближе будет оцифрованный звук к оригинальному звучанию.

Попробуем оценить информационный объем стерео-аудиофайла длительностью звучания 1 с при высоком качестве звука (16 бит, 48 кГц). Для этого количество битов нужно умножить на количество выборок в 1 с и умножить на 2 (стерео):

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. В чем заключается процесс кодирования и декодирования информации?

2. Что входит в кодовую таблицу ASCII? Из каких частей она состоит?

3. Чем отличается стандарт Unicode от кодировки ASCII?

4. Какова разница между дискретным и аналоговым представлением информации? Приведите примеры.

5. Охарактеризуйте процесс дискретизации.

6. Что происходит в процессе кодирования изображения? Какой принцип используется при декодировании цветных изображений?

7. Как кодируется звуковой сигнал? Чем определяется качество кодирования звука?

8. Для хранения растрового изображения размером 32 × 32 пикселя отвели 512 байт памяти. Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?

9. Оцените информационный объем следующего предложения: «Белеет парус одинокий в тумане моря голубом!», считая, что каждый символ кодируется 1 байтом. Ответ выразите в битах.