Що таке кодування інформації та її обробка?

У світі йде постійний обмін потоками інформації. Джерелами можуть бути люди, технічні пристрої, різні речі, об'єкти неживої та живої природи. Отримувати відомості як один об'єкт, так і декілька.
Для більш якісного обміну даними одночасно здійснюється кодування і обробка інформації на стороні передавача (підготовка даних і перетворення їх у форму, зручну для трансляції, обробки і зберігання), пересилання і декодування на стороні приймача (перетворення кодованих даних у вихідну форму). Це взаємопов'язані завдання: джерело і приймач повинні володіти подібними алгоритмами обробки відомостей, інакше процес кодування-декодування буде неможливий. Кодування і обробка графічної і мультимедійної інформації зазвичай реалізуються на основі обчислювальної техніки.

Кодування інформації на комп'ютері

Є багато способів обробки даних (тексти, числа, графіка, відео, звук) за допомогою комп'ютера. Вся інформація, що обробляється комп'ютером, представлена у двійковому коді — з допомогою цифр 1 і 0 званих бітами. Технічно цей спосіб реалізується дуже просто: 1 — електричний сигнал присутній, 0 — відсутня. З точки зору людини, такі коди незручні для сприйняття — довгі рядки нулів і одиниць, що представляють собою кодовані символи, дуже важко одразу збагнути. Зате такий формат запису відразу наочно показує, що таке кодування інформації. Наприклад, число 8 у двійковому восьмиразрядном вигляді виглядає як наступна послідовність біт: 000001000. Але те, що людині складно, просто комп'ютера. Електроніці простіше обробити безліч простих елементів, ніж невелика кількість складних.

Кодування текстів

Коли ми натискаємо кнопку на клавіатурі, комп'ютер отримує певний код натиснутої кнопки, шукає його в стандартній таблиці символів ASCII (американський код для обміну інформацією), «розуміє» яка кнопка натиснута і передає цей код для подальшої обробки (наприклад, для відображення символу на моніторі). Для зберігання символьного коду в двійковому вигляді використовується 8 розрядів, тому максимальне число комбінацій дорівнює 256. Перші 128 символів використовується під керуючі символи, цифри та латинські літери. Друга половина призначається для національних символів псевдографіки.

Кодування текстів

Легше буде зрозуміти, що таке кодування інформації, на прикладі. Розглянемо коди англійської символу «З» і російської букви «З». Зауважимо, що взяті символи прописні, та їх коди відрізняються від рядкових. Англійський символ буде виглядати як 01000010 а російська - 11010001. Те, що для людини на екрані монітора виглядає однаково, комп'ютер сприймає зовсім по-різному. Необхідно також звернути увагу на те, що коди перших 128 символів залишаються незмінні, а починаючи від 129 і далі одному двійковому коду можуть відповідати різні літери в залежності від використовуваної кодової таблиці. Приміром, десятковий код 194 може відповідати КОИ8 букві «б», в СР1251 - «В», ISO - «Т», а в кодуваннях СР866 і Мас взагалі цим кодом не відповідає ні один символ. Тому, коли при відкритті тексту ми замість російських слів бачимо буквену-символьну абракадабру, це означає, що таке кодування інформації нам не підходить і потрібно вибрати інший конвертор символів.

Кодування чисел

У двійковій системі числення беруться лише два варіанти значення — 0 і 1. Всі основні операції з двійковими числами використовує наука під назвою двійкова арифметика. Ці дії мають свої особливості. Візьмемо, наприклад, число 45 набране на клавіатурі. Кожна цифра має свій восьмирозрядний код у кодовій таблиці ASCII, тому число займає два байти (16 біт): 5 - 01010011 4 - 01000011 . Для того щоб використовувати це число в обчисленнях, воно перекладається за спеціальними алгоритмами в двійкову систему числення у вигляді восьмирозрядного двійкового числа: 45 - 00101101.

Кодування і обробка графічної інформації

У 50-х роках на комп'ютерах, які найчастіше використовувалися в наукових і військових цілях, вперше реалізували графічне відображення даних. Сьогодні візуалізація інформації, одержуваної від комп'ютера, є звичайним і звичним для будь-якої людини явищем, а в ті часи це справило надзвичайне переворот в роботі з технікою. Можливо, позначився вплив людської психіки: наочно представлена інформація краще засвоюється і сприймається. Великий ривок у розвитку візуалізації даних стався в 80-х роках, коли кодування і обробка графічної інформації отримали потужний розвиток.

Аналогове і дискретне представлення графіки

Графічна інформація буває двох видів: аналогова (живописне полотно з безперервно змінним кольором) і дискретна (зображення, що складається з безлічі точок різного кольору). Для зручності роботи з зображеннями на комп'ютері їх піддають обробці — просторової дискретизації, при якій кожному елементу призначається конкретне значення кольору у вигляді індивідуального коду. Кодування і обробка графічної інформації схожі на роботу з мозаїкою, що складається з великої кількості дрібних фрагментів. Причому якість кодування залежить від розмірів точок (чим менше розмір елемента - точок буде більша кількість на одиницю площі, тим вище якість) і розміру палітри кольорів (чим більше колірних станів може приймати кожна точка, відповідно, маючи більше інформації, тим краще якість).

Створення і зберігання графіки

Є кілька основних форматів зображень — векторний, фрактальний і растровий. Окремо розглядається поєднання растрової і векторної — широко поширена в наш час мультимедійна 3D-графіка представляє собою прийоми і методи побудови тривимірних об'єктів у віртуальному просторі. Кодування і обробка графічної і мультимедійної інформації різна для кожного формату зображень.

Растрове зображення

Суть цього графічного формату в тому, що малюнок розбивається на дрібні різнокольорові точки (пікселі). Верхня ліва точка контрольна. Кодування графічної інформації завжди починається з лівого кута зображення порядково, кожен піксель отримує код кольору. Обсяг растрової картинки можна обчислити множенням кількості точок на інформаційний обсяг кожного з них (який залежить від кількості варіантів кольору). Чим вище роздільна здатність монітора, тим більше кількість рядків растра і точок в кожного рядка, відповідно, вище якість зображення. Для обробки графічних даних растрового типу можна використовувати двійковий код, так як яскравість кожної точки і координати її розташування можна представити у вигляді цілих чисел.

Векторне зображення

Кодування графічної і мультимедійної інформації векторного типу зводиться до того, що графічний об'єкт представляється у вигляді елементарних відрізків і дуг. Властивості лінії, яка є базовим об'єктом, є форма (пряма або крива), колір, товщина, накреслення (пунктир або суцільна лінія). Ті лінії, які є замкнутими, володіють ще однією властивістю — заповнення іншими об'єктами або кольором. Стан об'єкта визначається точками початку і кінця лінії і радіусом дуги викривлення. Обсяг графічної інформації векторного формату значно менше растрового, але вимагає спеціальних програм для перегляду графіки цього типу. Існують також програми — векторизаторы, перетворюють растрові зображення в векторні.

Фрактальна графіка

Цей тип графіки, як і векторна, заснована на математичних розрахунках, але її базовою складовою є сама формула. У пам'яті комп'ютера немає необхідності зберігати ніяких зображень або об'єктів, сама картинка малюється тільки по формулі. Графіки такого типу зручно візуалізувати не тільки найпростіші регулярні структури, але і складні ілюстрації, що імітують, наприклад, ландшафти в іграх або емуляторах.

Звукові хвилі

Що таке кодування інформації, ще можна продемонструвати на прикладі роботи зі звуком. Ми знаємо, що наш світ переповнений звуками. З давніх часів люди розібралися, як народжуються звуки - хвилі стисненого і розрідженого повітря, що впливають на барабанні перетинки вуха. Людина може сприймати хвилі з частотою від 16 Гц до 20 кГц (1 Герц — одне коливання в секунду). Всі хвилі, частоти коливань яких потрапляють в цей діапазон, називаються звуковими.

Властивості звуку

Характеристиками звуку є тон, тембр (забарвлення звуку, яка залежить від форми коливань), висота (частота, яка визначається частотою коливань в секунду) і гучність, залежить від інтенсивності коливань. Будь-який реальний звук складається з суміші гармонійних коливань з фіксованим набором частот. Коливання з найнижчою частотою називають основним тоном, решта — обертонами. Особливу забарвлення звуку надає тембр — різну кількість обертонів, притаманне саме цьому звуці. Саме за тембром ми можемо дізнаватися голоси близьких людей, відрізняти звучання музичних інструментів.

Програми для роботи зі звуком

Умовно програми по функціоналу можна розділити на кілька видів: службові програми і драйвери для звукових плат, що працюють з ними на низькому рівні, аудіо редактори, які проводять різні операції зі звуковими файлами і застосовують до них різні ефекти, програмні синтезатори і перетворювачі аналого-цифрові (АЦП) і цифро-аналогові (ЦАП).

Кодування звуку

Кодування мультимедійної інформації полягає в перетворенні аналогової природи звуку в дискретну для більш зручної її обробки. АЦП отримує на вході аналоговий сигнал, вимірює його амплітуду в певні проміжки часу і видає на виході цифрову послідовність з даними про зміни амплітуди. Ніяких фізичних перетворень не відбувається. Вихідний сигнал є дискретним, тому, що частіше частота вимірювання амплітуди (семпл), тим точніше вихідний сигнал відповідає вхідному, тим краще проходить кодування і обробка мультимедійної інформації. Семпл також прийнято називати упорядковану послідовність цифрових даних, отриманих через АЦП. Сам процес при цьому називається семплюванням, по-російськи — дискретизацією.
Зворотне перетворення відбувається за допомогою ЦАП: на підставі надходять на вхід цифрових даних в певні моменти часу відбувається генерація електричного сигналу необхідної амплітуди.

Параметри дискретизації

Основними параметрами сэплирования є не тільки частота вимірювання, але і розрядність — точність вимірювання зміни амплітуди за кожен семпл. Чим точніше передається при оцифруванні значення амплітуди сигналу в кожну одиницю часу, тим вище якість сигналу після АЦП, тим вище вірогідність відновлення хвилі при зворотному перетворенні.