Кодирование информации. Единицы измерения количества информации

Данная тема является очень важной как для продолжения теоретического освоения материала (понятие кодирования), так и для эффективного практического использования ПК и компьютерных сетей (единицы измерения). Ниже освещены принципы представления информации в современной вычислительной технике и ее количественные характеристики. Поскольку эти темы тесно связаны, их рассмотрение вынесено в один пункт.

Чтобы понять суть двоичного кодирования, рассмотрим принципы хранения информации в электронике. Одним из основных носителей информации в современной вычислительной технике является триггер — электронное полупроводниковое устройство. Триггер может принимать только 2 устойчивых состояния, назовем их «заряженным» и «разряженным» (рис. 3, а). Триггер может запомнить только одно из двух возможных значений и является минимальным хранилищем дискретной информации объемом 1 бит.

Рис. 3 Тригеры

Бит (bit, b) — минимальная единица измерения количества дискретной информации. В вычислительных системах бит представлен наличием или отсутствием какого-либо свойства частиц носителя информации. В зависимости от типа данного носителя такими свойствами являются магнитная заряженность, отражаемость, электрический заряд и так далее. Один бит позволяет хранить одну цифру двоичной системы счисления: «0» или «1».

Сочетание 2 битов может принимать уже 4 состояния (рис. 3, б). Совокупность 3 битов будет иметь 8 состояний. Нетрудно проследить закономерность, что сочетание n битов даст 2n состояний. Сочетание n битов называется n-битным (n-разрядным) двоичным числом. Разрядность двоичного числа — это количество состав-ляющих его битов.

В табл. 4 приведено соответствие натуральных чисел в десятичной системе и 4-битных чисел в двоичной системе счисления (нижняя строка). Такое сопоставление и называется цифровым (двоичным) кодированием. Как видно, любое число от 0 до 15 может быть сохранено в 4 битах.

Таблица 4. Соответствие двоичных и десятичных чисел

n10

n2

Традиционно в вычислительной технике пользуются 8-разрядным двоичным числом — байтом (byte). Сосчитаем, сколько различных состояний оно может иметь: 28 = 256. Первому состоянию байта можно присвоить значение 0, второму — 1 и так далее, до 255. Таким образом, в 8 битах-триггерах можно запомнить любое деся-тичное число от 0 до 255.

На практике используются двоичные числа с разрядностью, кратной степеням двойки: 8, 16, 32, 64.

Так же, как при измерении расстояний между городами никто не пользуется метрами и сантиметрами, на практике чаще всего пользуются не байтами, и, тем более, битами, а кратными единицами измерения количества информации (табл. 5). При оценке объема информации часто округляют значения кратных единиц до более привычных степеней десяти: 1 кб ≈ 1000 байт, 1 Мб ≈ 1000 кб, и т. д.

Таблица 5. Кратные единицы измерения количества информации
Единица	Сокращенное. обозн. (русск., междунар.)	Количество байт	Приблизительное значение
1 киллобайт	кб, KB	2 в степени 10 (1024)	1 тыс. байт
1 мегабайт	Мб, MB	2 в степени 20 (1048576)	1 млн. байт
1 гигабайт	Гб, GB	2 в степени 30	1 млрд. байт
1 терабайт	Тб, TB	2 в степени 40	1 трлн. байт

После усвоения принципа двоичного кодирования числовой информации понять кодирование других видов информации достаточно легко.

Кодирование текстовой информации. Поскольку байт может принимать 256 различных состояний, можно условится, что различные его состояния обозначают различные символы: буквы алфавита, цифры и знаки препинания. Условное сопоставление символов и состояний байта называется таблицей кодировки текста. Таким образом, получается, что 1 символ текста занимает 1 байт. Например, для хранения слова «информация» необходимо 10 байт.

В связи с наличием множества различных национальных алфавитов, в том числе иероглифических, 1 символ некоторых кодировок занимает 2 в 16 степени байта. Таблица кодировки при этом имеет 216 = 65536 символов.

Цифровое кодирование графики, звука или видео называется оцифровкой. Оцифровка графики, звука и видео производится соответственно сканером (цифровым фотоаппаратом), звуковой картой и цифровой видеокамерой (видеокартой с видеовходом) с помощью специальных электронных микросхем, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Кодирование графической информации. Любой рисунок в компьютере представлен как растр — совокупность матрицы мелких точек, которые называются пиксели (рис. 4). Сосчитаем, какой объем информации займет данный рисунок. Если условиться, что информацию о цвете каждого его пикселя можно запомнить в 2 байтах (16 битах), то получается, что рисунок должен иметь не более 65536 цветов. Часто этого бывает достаточно. Ко-личество пикселей (иногда деленное на длину в дюймах) называется разрешением. Разрешение рисунка по горизонтали и вертикали в данном случае 57 x 34 точек. Общее количество пикселей на рисунке равно 1938. Количество байтов, которое занимает рисунок, 1938 x 2 ≈ 3,8 кб. Очевидно, чем выше качество рисунка (разрешение и количество оттенков, которое при кодировании 1 пикселя 4 байтами достигает 4 млрд.), тем больший объем информации он займет.

Рисунки часто имеют множество пикселей одинакового цвета, поэтому они подвергаются программному сжатию, в результате занимая в 5-10 раз меньший объем информации.

Рис. 4 Растровый графический рисунок в исходном (а) и увеличенном масштабе (б)

Кодирование звука. Звук — это колебания физической среды. При оцифровке они преобразовываются из аналоговых в прямоугольные (цифровые) сигналы более высокой частоты 22-48 кГц. Эта частота называется частотой дискретизации. Уровень цифрового сигнала кодируется двоичным числом с разрядностью от 8 до 32 (рис. 5). Чем выше частота дискретизации и разрядность, тем лучше качество звучания. В процессе оцифровки закодированный звук обычно подвергается гармоническому анализу и специальному сжатию, благодаря чему объем закодированного звука уменьшается в 5-10 раз. Таким образом, нетрудно прикинуть, что 1 секунда звучания может быть закодирована в объеме информации 2-20 кб, в зависимости от качества оцифровки.

Кодирование видеоинформации. Видеоинформация — это не что иное, как быстро сменяющиеся картинки, сопровождающиеся синхронным звуком. В зависимости от разрешения изображения и частоты смены кадров, а также от качества звука, 1 секунда видеоинформации может занимать 10-500 кб.

Рис. 5 Оцифровка звука.