Что такое цифровая информация определение

Информация аналоговая и цифровая

Информация – это знания, которые человек получает в общении с природой и обществом с помощью своих органов чувств.

Эти знания можно разделить на две категории: знание фактов (Я знаю, что…, декларативные знания) и знание правил (Я знаю, как…, процедурные знания). Для того чтобы правильно определить свои действия в конкретной ситуации, равно необходимы и те, и другие.

Все живые существа могут воспринимать образную информацию (запахи, вкусы, шумы и многое другое), это только человек умеет представлять свои знания в знаковом (символьном) виде. Из различных символов (букв, цифр, знаков препинания) состоит текст. Из символов – только уже звуковых (фонем) – состоит устная речь.

Знаковую систему для представления информации называют языком, а полный набор символов языка – его алфавитом. Языки делятся на разговорные (естественные) и формальные. Формальные языки создаются специально, чаще всего для определенной области человеческой деятельности (например, язык математики). В вычислительной технике тоже используются особые формальные языки. Когда информация представлена в виде, пригодном для автоматической обработки, ее называют словом данные.

Информация бывает аналоговой и цифровой.

Рис.1. Аналоговое и цифровое представление информации

Человек воспринимает аналоговую информацию с помощью органов чувств, а вычислительная техника, в основном, работает с цифровой информацией. Поэтому часто аналоговую информацию необходимо преобразовывать в цифровую. В ПК это делает АЦП – аналогово-цифровой преобразователь. Обратную операцию выполняет ЦАП– цифро-аналоговый преобразователь.

Чем ближе цифровая информация к аналоговой, тем больше вычислений приходится выполнять компьютеру (рис. 1).

Примеры аналоговых устройств: телевизор, проигрыватель, телефон.

Цифровые устройства: ПК, музыкальные проигрыватели компакт-дисков, мониторы.

Над информацией (данными) могут выполняться различные операции.

Сбор информации.Сбор информации – это процесс целенаправленного извлечения и анализа информации о предметной области, в роли которой может выступать тот или иной процесс, объект и т. д. Цель сбора – обеспечение готовности информации к дальнейшему продвижению в информационном процессе.

Данная фаза содержит этапы:

1) первичное восприятие информации; здесь осуществляется определение качественных и количественных характеристик предметной области, важных для решаемых потребителем информации задач;

2) разработка системы классификации и кодирования информации, кодирование классов;

3) распознавание и кодирование объектов;

4) регистрация результатов.

Регистрация информации.Собранная информация в обязательном порядке регистрируется, или фиксируется, на каком-либо материальном носителе. Это может быть бумага, машинный носитель (например, магнитный диск) и т. д. Только после регистрации информации образуется сигнал.

Хранение информации. Информация хранится либо в собственной памяти человека – и тогда ею можно воспользоваться сразу, либо на внешних носителях (в книге, блокноте, на магнитном диске и т. п.), откуда ее сначала нужно прочитать. Хранение данных осуществляется с использованием внешней памяти.

Передача информации. Информацияпередается в виде сигналов. Разные виды информации могут передаваться в виде сигналов, имеющих разную физическую природу.

Обработка информации. Почти непрерывно человек обрабатывает информацию: получает новые знания на основе уже известных ему фактов и правил, изменяет форму представления, упорядочивает (сортирует) информацию, ищет ее в большом массиве (словаре, справочнике, картотеке и т. п.). В компьютере обработка информации осуществляется в соответствии с программой, предварительно размещенной в памяти компьютера.

Представление информации.Для представления информации потребителю используются устройства вывода, называемые периферийными устройствами (или периферией), которые в зависимости от вида сигнала–носителя информации делятся на устройства вывода на бумажный носитель и устройства вывода на электронный носитель.

Данные представляют собой зарегистрированные сигналы. При этом физический метод регистрации может быть любым: механическое перемещение физических тел, изменение их формы или параметров качества поверхностей, изменение электрических, магнитных, оптических характеристик, химического состава или химических связей, изменение состояния электронной системы и многое другое. В соответствии с методом регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов.

Чтобы сохранить информацию на длительный срок, необходима дисковая память. Основу дисковой памяти составляют технология записи и способ организации быстрого доступа. Технология магнитной записи аналогична той, что используется во всех других видах переноса информации на магнитный носитель, например аудио и видеокассеты.

Принцип магнитной записи был впервые широко использован для записи звука, т.е. для аналоговой формы информации. Только позднее принцип был приспособлен для цифровой записи, которая теперь применяется в компьютерах, т.к. магнитная запись изначально двоична (намагничено-ненамагничено). Цифровая магнитная запись производится на поверхности магниточувствительного материала. Магнитное покрытие наносится на какую-либо основу, обычно гибкий пластик или алюминиевые пластины.

С помощью устройства, называемого дисководом, с диска можно считать (переслать в ОЗУ) информацию и записать (переслать из ОЗУ) ее на диск (сохранение информации на внешнем носителе).

Дисководы бывают нескольких типов: для дискет, CD-ROM/R/RW, DVD-ROM/R/RW. В компьютере может быть установлено несколько дисководов.

Чтение и запись информации с диска производится с помощью магнитной головки. Перемещение магнитной головки по направлению радиуса диска, вращающегося с постоянной скоростью вокруг своего центра, позволяет установить головку над любой точкой поверхности диска.
Форматирование – разбиение диска на дорожки и секторы. Самая первая дорожка магнитного диска (нулевая) – здесь хранится служебная информация, так называемая таблица размещения файлов(FAT таблица). В этой таблице компьютер запоминает адреса файлов.

У гибкого диска на двух сторонах по 80 дорожек. Каждая дорожка разбита на 18 секторов. Общая емкость гибкого магнитного диска может быть подсчитана

2х80х18х0.5Кбайт=1440 Кбайт = 1,44 Мбайт.

Жесткие диски имеют емкость, которую измеряют в гигабайтах: 1 Гбайт = 1024 Мбайт.

Накопители на жестких дисках (винчестеры) предназначены для хранения большого объема информации и значительно повышают возможности компьютера.
Жесткий диск изготовляется из прочного металла, на поверхность которого наносится магнитный материал. В компьютере обычно устанавливается несколько жестких дисков, расположенных один под другим, которые находятся в постоянном вращении. Жесткий диск вращается со скоростью порядка 3600 – 7200 об/мин (в 10 раз быстрее, чем гибкий диск) внутри герметичного металлического кожуха.

Головки чтения и записи устанавливают на расстоянии нескольких микрометров на воздушной подушке в непосредственной близости от жесткого диска.
Жесткие диски различаются емкостью, т. е. тем, сколько информации помещается на диске. Обычно компьютеры оснащаются жестким диском емкостью 800–2000 Мбайт.

Если на запись адреса файла использовано 16 бит (FAT – 16), то с их помощью можно дать адреса 65536 файлам, самих файлов не может быть больше 65536.

Кластер– минимальный размер адресного пространства.

Величина кластера =емкость диска / 65536.

При переходе на систему записи адреса 4 байтами (32 бита) – FAT – 32, размеры кластеров уменьшаются, а число адресов будет 36,5108=36 000 000 000.

В настоящее время широко используется файловая система FAT – 32.

Чем больше адресов, тем больше места пропадает из-за несовершенной системы адресации. Для борьбы с нерациональными потерями жесткий диск разбивают на несколько разделов. Каждый такой раздел рассматривают как отдельный логический жесткий диск. Каждый логический диск имеет свою собственную таблицу размещения файлов, поэтому на нем действует своя система адресации. В итоге потери из-за размеров кластеров становятся меньше.

В связи с ростом объемов и сложности программного обеспечения широкое внедрение получили мультимедиа-приложения. Достаточно популярны в последнее время устройства для чтения компакт-дисков (CD-ROM). Эти устройства и сами компакт-диски относительно не дороги и очень надежны. Они могут хранить большие объемы информации (700 Мбайт), поэтому они удобны для записи программ и данных большого объема, например каталогов, перечней энциклопедий, а также обучающих демонстрационных и игровых программ, сочетающих изображения, текст и звук.

Информация на компакт-дисках копируется посредством чередования отражающих и не отражающих свет участков на подложке диска. При промышленном производстве компакт-дисков эта подложка выполняется из алюминия, а не отражающие свет участки делаются с помощью продавливания углублений в подложке специальной пресс-формой. Сверху подложки на компакт-диске находится прозрачное покрытие, защищающее занесенную на компакт-диск информацию от повреждений.

Скорость чтения данных с компакт-дисков значительно меньше, чем с жестких дисков. Одна из основных причин этого состоит в том, что компакт-диски при чтении вращаются не с постоянной угловой скоростью, а так, чтобы обеспечить неизменную линейную скорость прохождения информации под читающей головкой.

Внешне DVD-диск напоминает CD: оба являются оптическими дисками диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Аналогичны они и по принципам записи цифровой информации. Оба состоят из прозрачной полимерной подложки, отражающего слоя и вспомогательного защитного (несущего) слоя, придающего дискам необходимую жесткость. В отражающем слое тем или иным образом формируется своеобразная матрица в виде закрученной в спираль дорожки с “дырками” (питами). Считывание информации производится лазерным лучом, сканирующим отражающую поверхность. При попадании в дырку луч отражается точно на регистрирующий детектор, его сигнал превышает заданный порог, что и соответствует логической единице. При отсутствии дырки луч рассеивается, сигнал с детектора оказывается ниже заданного порога – фиксируется логический ноль. CD- и DVD-диски во многом подобны, но их ключевые физические параметры значительно отличаются.

Главное преимущество DVD-дисков по сравнению с CD – существенно более высокая информационная емкость за счет большей поверхностной плотности пит. Достичь такого показателя позволили новые технологические решения, среди которых в первую очередь стоит отметить следующие:

Рис. 2. Размеры пит и шага спирали

o двухкратное уменьшение геометрических размеров пит (рис. 2);

o более чем двухкратное уменьшение шага спирали между соседними дорожками пит;

o применение лазерного луча с меньшей длиной волны и увеличенной апертурой фокусирующей линзы для надежного считывания сверхмалых пит;

oиспользование более эффективных схем модуляции цифровых данных и улучшенной схемы коррекции ошибок, позволяющих на порядок повысить надежность считывания данных, несмотря на более высокую плотность их записи. Еще одно важное отличие DVD-дисков заключается в том, что они всегда двухсторонние. Два отдельных диска (каждый толщиной 0,6 мм) склеены между собой нерабочими сторонами. В простейшем варианте данные содержит только одна из сторон, а вторая является пустой. С каждой стороны может быть не один, а два рабочих информационных слоя: первый – «основной» – выполняется по стандартной технологии создания пит (прессования или выжигания) и напыления отражающего слоя, а второй – полупрозрачный (коэффициент отражения 40%) – наносится поверх первого. Для считывания двухслойных дисков применяются сложные оптические головки с переменным фокусным расстоянием. Луч лазера, проходя через полупрозрачный слой, сначала фокусируется на внутреннем слое, а после завершения его чтения — на внешнем.

2.2.3. USB-флэшки.В конце прошлого века у магнитных дисков появились активные конкуренты – твердотельные флэш-носители с USB интерфейсом, или, проще говоря, USB флэш-драйвы. Название «флэш» (flash) было введено компанией Toshiba, так как содержимое памяти в таких микросхемах можно стереть мгновенно «in a flash». Флэш–носители являются энергонезависимыми, то есть данные в них не пропадают после отключения питания и теоретически способны храниться до ста лет. Устройства с флэш-памятью миниатюрны, очень легкие, высоконадежные и обладают низким энергопотреблением. Благодаря этим свойствам флэш стала самым популярным носителем для портативных цифровых устройств (цифровые камеры, карманные компьютеры, аудиоплейеры и т. д.). Объем современных флэш-драйвов составляет от 32 Мбайт до 2 Гбайт. В одном корпусе USB-флэшки объединены микросхемы флэш-памяти, контроллер и разъем USB. Большинство флэш-драйвов оснащено специальным светодиодом, который обычно мигает с частотой несколько герц при обращении к флэшке. Аббревиатура USB означает, что для подключения этих устройств не нужно никаких специальных «дисководов» или адаптеров, кроме имеющегося в каждом современном компьютере или ноутбуке USB порта. Размер обычных внешних накопителей (оптические приводы, жесткие диски, магнитооптика и т. д.) по сравнению с компактными флэш – драйвами все-таки достаточно громоздкий. Типичный размер USB-драйва 80x30x20 мм (некоторые чуть больше, некоторые чуть меньше), то есть небольшой брелок, помещающийся в кулаке. Вес обычно не превышает 20–30 г.

Поскольку внутри устройства нет никаких движущихся частей, то USB- драйвы не боятся физических воздействий и более надёжны с точки зрения сохранности данных. Корпуса флэш-драйвов выполняются из прочной (иногда прорезиненной) пластмассы, поэтому в отличие от оптических носителей царапин USB-драйв тоже не боится.

Обычно на флэш-драйве есть специальный механический переключатель защиты от записи. Он обозначается двумя пиктограммами – открытым и закрытым замочками. С помощью специального программного обеспечения часть драйва (или весь драйв) закрывается паролем. И обратиться к этой области или отформатировать ее можно будет, только зная пароль доступа.

Обычно скорость чтения не превышает 1 Мб/с, а скорость записи 0,70 – 0,8 Мб/с.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что USB флэш-драйвы являются одним из самых оптимальных устройств для хранения и переноса данных.

Статьи к прочтению:

08 01 Устройства вывода: Мониторы

Похожие статьи:

В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но другие оказали сильное влияние на…

Носители информации Информация – вещь нематериальная. Это сведения, которые зафиксированы (записаны) тем или иным расположением (состоянием)…

Источник

Реферат: Цифровая информация

Министерство образования Российской Федерации

Иркутский Государственный Технический Университет

Кафедра мировой экономики

2. Единицы измерения цифровой информации

3. Передача цифровой информации

4. Кодирование и декодирование цифровой информации

5. Кодирование текстовой информации

6. Кодирование графической информации

7. Кодирование звуковой информации

Список использованной литературы

Цифровые технологии изо дня в день все больше наполняют окружающий нас мир, и этот процесс со временем только ускоряется. В повседневном обиходе любого из нас уже сегодня присутствует большое число самых различных цифровых устройств, каждое из которых имеет характеристики и свойства, значение которых оказывается не всегда известным и понятным для потребителя. Некоторые из ставших уже абсолютно привычными электронные устройства, равно как и компьютерные программы, остаются для потребителя некими черными ящиками, устройство и принцип действия которых скрыто от глаз.

Прежде всего, хотелось бы сказать, что все цифровые технологии основаны на методах кодирования и передачи информации. Рассмотрим поподробнее, что же такое цифровая информация, ее единицы измерения, принципы кодирования и передачи цифровой информации.

Термин «информация»восходит к латинскому informatio,– разъяснение, изложение, осведомленность.

Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки это делают по-разному. Например, в философии различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с цифровой информацией.

Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук, тепло – это энергетические сигналы, а вкус и запах – это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Нет двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и двух абсолютно одинаковых звуков – это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам – ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

Музыка, когда ее слушают, несет аналоговую информацию, но если записать ее нотами, она становится цифровой.

Разница между аналоговой информацией и цифровой, прежде всего, в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая дискретна.

К цифровым устройствам относятся персональные компьютеры – они работают с информацией, представленной в цифровой форме, цифровыми являются и музыкальные проигрыватели лазерных компакт дисков.

2. Единицы измерения цифровой информации

Бит – наименьшая единица представления информации. Байт – наименьшая единица обработки и передачи информации. Единица измерения информации называется бит (bit) – сокращение от английских слов binary digit,что означает двоичная цифра.

В компьютерной технике бит соответствует физическому состоянию носителя информации: намагничено – не намагничено, есть отверстие – нет отверстия. При этом одно состояние принято обозначать цифрой 0, а другое – цифрой 1. Выбор одного из двух возможных вариантов позволяет также различать логические истину и ложь. Последовательностью битов можно закодировать текст, изображение, звук или какую-либо другую информацию. Такой метод представления информации называется двоичным кодированием(binary encoding).

В информатике часто используется величина, называемая байтом (byte) и равная 8 битам. И если бит позволяет выбрать один вариант из двух возможных, то байт, соответственно, 1 из 256 (2 8 ). Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:

1 Кбайт (один килобайт) = 2 10 байт = 1024 байта;

1 Мбайт (один мегабайт) = 2 10 Кбайт = 1024 Кбайта;

1 Гбайт (один гигабайт) = 2 10 Мбайт = 1024 Мбайта.

Например, книга содержит 100 страниц; на каждой странице – 35 строк, в каждой строке – 50 символов. Объем информации, содержащийся в книге, рассчитывается следующим образом:

Страница содержит 35 × 50 = 1750 байт информации. Объем всей информации в книге (в разных единицах):

1750 × 100 = 175 000 байт.

175 000 / 1024 = 170,8984 Кбайт.

170,8984 / 1024 = 0,166893 Мбайт.

3. Передача информации

Информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации к ее приемнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приемнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением. Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации.

Любое событие или явление может быть выражено по-разному, разными способами, разным алфавитом. Чтобы информацию более точно и экономно передать по каналам связи, ее надо соответственно закодировать.

Информация не может существовать без материального носителя, без передачи энергии. Закодированное сообщение приобретает вид сигналов-носителей информации, которые идут по каналу. Выйдя на приемник, сигналы должны обрести вновь общепонятный вид с помощью декодирующего устройства.

Еще один пример, но уже цифровой информации – компьютер. Отдельные его системы передают одна другой информацию с помощью сигналов. Компьютер – устройство для обработки информации (как станок – устройство для обработки металла), он не создает из “ничего” информацию, а преобразует то, что в него введено. Компьютер является информационным каналом с преобразованием информации: информация поступает с внешних устройств (клавиатура, диск, микрофон), преобразуется во внутренний код и обрабатывается, преобразуется в вид, пригодный для восприятия внешним выходным устройством (монитором, печатающим устройством, динамиками и др.), и передается на них.

4. Кодирование и декодирование цифровой информации

В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму.

Как правило, вся информация в компьютере представляются с помощью нулей и единиц. Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичнойсистеме счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми. С помощью двух цифр 0 и 1 можно закодировать любое сообщение.

Инженеров такой способ кодирования привлек простотой технической реализации – есть сигнал или нет сигнала. Эти состояния легко различать. Недостаток двоичного кодирования – длинные коды. Но в технике легче иметь дело с большим числом однотипных элементов, чем с небольшим числом сложных.

Устройства, обеспечивающие кодирование и декодирование, будем называть соответственно кодировщиком и декодировщиком. На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая процесс передачи сообщения в случае перекодировки, а также воздействия помех.

Рис. 1. Процесс передачи сообщения от источника к приемнику

В настоящее время существуют разные способы кодирования и декодирования информации в компьютере. Выбор способа зависит от вида информации, которую необходимо кодировать: текст, число, графическое изображение или звук. Для чисел, кроме того, важную роль играет то, как будет использоваться число: в тексте или в вычислениях, или в процессе ввода-вывода.

Рассмотрим основные принципы кодирования информации в компьютере.

5. Кодирование текстовой информации

Начиная с 60-х годов, компьютеры все больше стали использовать для обработки текстовой информации и в настоящее время большая часть ПК в мире занято обработкой именно текстовой информации.

Для кодирования одного символа требуется один байт информации. Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, получаем, что с помощью 1 байта можно закодировать 256 различных символов. (2 8 =256) Кодирование заключается в том, что каждому символу ставиться в соответствие уникальный двоичный код от 00000000 до 11111111 (или десятичный код от 0 до 255). Важно, что присвоение символу конкретного кода – это вопрос соглашения, которое фиксируется кодовой таблицей.

Например, вы нажимаете на компьютере латинскую букву S. В этом случае в память компьютера записывается код 01010011. Для вывода буквы S на экран в компьютере происходит декодирование – по этому двоичному коду строится его изображение.

Цифры кодируются по стандарту ASCII в двух случаях – при вводе-выводе и когда они встречаются в тексте. Если цифры участвуют в вычислениях, то осуществляется их преобразование в другой двоичный код.

Возьмем число 57. При использовании в тексте каждая цифра будет представлена своим кодом в соответствии с таблицей ASCII. В двоичной системе это – 00110101 00110111. При использовании в вычислениях код этого числа будет получен по правилам перевода в двоичную систему и получим – 00111001.

6. Кодирование графической информации

Весь массив элементарных единиц изображения называют растром (лат. rastrum – грабли). Степень четкости изображения зависит от количества строк на весь экран и количества точек в строке, которые представляют разрешающую способность экрана или просто разрешение. Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение. Достаточно хорошим считается разрешение 640×480, то есть 640 точек на строку и 480 строчек на экран.

Строки, из которых состоит изображение, можно просматривать сверху вниз друг за другом, как бы составив из них одну сплошную линию. После полного просмотра первой строки просматривается вторая, за ней третья, потом четвертая и т. д. до последней строки экрана. Так как каждая из строк представляет собой последовательность пикселов, то все изображение, вытянутое в линию, также можно считать линейной последовательностью элементарных точек. В рассматриваемом случае эта последовательность состоит из 640×480=307200 пикселов. Вначале рассмотрим принципы кодирования монохромного изображения, то есть изображения, состоящего из любых двух контрастных цветов – черного и белого, зеленого и белого, коричневого и белого и т. д. Для простоты обсуждения будем считать, что один из цветов – черный, а второй – белый. Тогда каждый пиксел изображения может иметь либо черный, либо белый цвет. Поставив в соответствие черному цвету двоичный код “0”, а белому – код “1” (либо наоборот), мы сможем закодировать в одном бите состояние одного пикселя монохромного изображения. А так как байт состоит из 8 бит, то на строчку, состоящую из 640 точек, потребуется 80 байтов памяти, а на все изображение – 38 400 байтов.

Однако полученное таким образом изображение будет чрезмерно контрастным. Реальное черно-белое изображение состоит не только из белого и черного цветов. В него входят множество различных промежуточных оттенков – серый, светло-серый, темно-серый и т. д. Если кроме белого и черного цветов использовать только две дополнительные градации, скажем светло-серый и темно-серый, то для того чтобы закодировать цветовое состояние одного пикселя, потребуется уже два бита. При этом кодировка может быть, например, такой: черный цвет – 002, темно-серый – 012, светло-серый – 102, белый – 112.

Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные монохромные изображения, считается кодирование состояния одного пикселя с помощью одного байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серого цвета от полностью белого до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 640×480 пикселов потребуется уже не 38 400, а все 307 200 байтов.

При записи изображения в память компьютера кроме цвета отдельных точек необходимо фиксировать много дополнительной информации – размеры рисунка, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требуемой при записи изображения информации образует графический формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пикселя, из которого состоит изображение, относят к группе растровых или BitMap форматов (bit map – битовая карта). Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Наиболее известными растровыми форматами являются BMP, GIF и JPEG форматы.

Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды.

7. Кодирование звуковой информации

Развитие способов кодирования звуковой информации, а также движущихся изображений – анимации и видеозаписей – происходило с запаздыванием относительно рассмотренных выше разновидностей информации.

Компьютер – это цифровое устройство, то есть электронное устройство, в котором рабочим сигналом является дискретный сигнал. Сегодняшние компьютеры оперируют дискретными сигналами, несущими двоичные значения, условно обозначаемые как «да» и «нет» (на электрическом уровне: 0 вольт и V вольт, для некоторого ненулевого значения V). С помощью одного двоичного сигнала за один шаг можно передать информацию об одном из всего двух положений: 0 («да») или 1 («нет»). С помощью N двоичных сигналов за один шаг можно передать информацию об одном из 2 N положений (2 N – это число комбинаций нулей и единиц для N сигналов). Взаимодействие всех составляющих компьютер блоков происходит путем обмена и обработки одним или одновременно несколькими двоичными сигналами. Все – коды управления, а также сама обрабатываемая информация – все представляется в компьютере в виде чисел. По этой причине и аудио сигналы в цифровой аппаратуре представляют в виде чисел.

Итак, каким же образом можно описать аналоговый аудио сигнал в цифровой форме? Реальный аудио сигнал – это сложное по форме колебание, некая сложная зависимость амплитуды звуковой волны от времени. На рис. 2 представлен график реальной звуковой волны.

Рис.2. Изображение реальной звуковой волны

Для компьютерной обработки аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел. Поступим следующим образом. Будем измерять напряжение через равные промежутки времени и записывать полученные значения в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой).

Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой вид называется аналогово-цифровым преобразованием или оцифровкой. Процесс такого преобразования заключается в:

· осуществлении замеров величины амплитуды аналогового сигнала с некоторым временным шагом – дискретизация,

· последующей записи полученных значений амплитуды в численном виде – квантование.

Чем выше частота дискретизации (т. е. количество отсчетов за секунду) и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук. Но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.

Количество осуществляемых в одну секунду замеров величины сигнала называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой сэмплирования (от англ. « sampling» – «выборка»).Очевидно, что чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации (то есть, тем чаще регистрируются значения амплитуды), и, значит, тем более точное представление о сигнале мы получаем.

Ухо человека не замечает ступенчатость полученного сигнала. Тут можно провести следующую аналогию. Каждый человек смотрел в кинотеатре фильмы, и перед его глазами на экране шло непрерывное, плавное действие: Но ведь на самом-то деле кинолента представляет собой серию неподвижных, дискретных изображений, которые прокручиваются с высокой скоростью 24 кадра в секунду. Поскольку человеческим глазам свойственна некоторая инерционность, то их легко обмануть, чем необычайно ловко пользуются кинематографисты. Наши уши тоже в какой-то степени не идеальны, и их можно обмануть подобным образом, представляя непрерывный аналоговый сигнал в виде последовательности быстро сменяющихся мгновенных значений напряжения. Только в отличие от киноленты смена «звукового кадра» происходит в тысячи раз быстрее. Для полной маскировки ступенчатости сигнала применяются фильтры нижних частот, сглаживающие форму волны.

Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс называется квантованием по амплитуде. Говоря более формальным языком, квантование по амплитуде – это процесс замены реальных (измеренных) значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Квантование значений сигнала привносит в спектр сигнала дополнительную помеху, называемую шумом квантования или шумом дробления. Шумом (ошибкой) квантования называют сигнал, составляющий разницу между восстановленным цифровым и исходным аудио сигналами. Эта разница образуется в результате округления измеренных значений сигнала. При этом выполняется следующая закономерность: чем выше разрядность квантования, тем ниже уровень шума квантования (поскольку тем на меньшее значение требуется округлять каждое измеренное значение сигнала). Природа шума квантования такова, что ширина спектральной области, в которой он простирается, пропорциональна значению частоты дискретизации.

Рис. 3. Процесс оцифровки звукового сигнала

Устройство, выполняющее оцифровку называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Рис.4. Процесс кодирования и декодирования звуковой волны

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами.

В современное время все упирается в вычислительную мощность современной цифровой техники. С возрастанием точности оцифровки одновременно возрастает скорость потока цифровых данных, увеличивается вычислительная нагрузка на процессор и требуется повышенный объем памяти для хранения цифровых отчетов. Имеются и серьезные схемотехнические трудности. Вместе со стремительным ростом компьютерных технологий становится возможным применять более высокие частоты дискретизации и разрядность. Цифровой звук широко применяется в современной звукозаписывающей индустрии благодаря хорошему качеству звучания, высокой помехозащищенности и удобству хранения и архивирования материала.

В настоящее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются частоты 8, 11, 22 и 44 кГц. Так, частота дискретизации 44 килогерца означает, что одна секунда непрерывного звучания заменяется набором из сорокачетырех тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованного звука.

Как отмечалось выше, каждый отдельный отсчет можно описать некоторой совокупностью чисел, которые затем можно представить в виде некоторого двоичного кода. Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только частотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования.

Методов сжатия (форматов), а также программ реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3),MPEG-2 AAC (advancedaudiocoding), OggVorbis, WindowsMediaAudio(WMA),TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие.

В настоящее время обычно используется разрядность 8,16 и 24 бит.

На описанных выше принципах основывается формат WAV (от WAVeform-audio – волновая форма аудио) кодирования звука. Получить запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру микрофона, проигрывателя, магнитофона, телевизора и других стандартно используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV требует очень много памяти. Так, при записи стереофонического звука с частотой дискретизации 44 килогерца и разрядностью 16 бит – параметрами, дающими хорошее качество звучания, – на одну минуту записи требуется около десяти миллионов байтов памяти.

Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат с названием MIDI (Musical Instruments Digital Interface – цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Фактически этот формат представляет собой набор инструкций, команд так называемого музыкального синтезатора – устройства, которое имитирует звучание реальных музыкальных инструментов. Команды синтезатора фактически являются указаниями на высоту ноты, длительность ее звучания, тип имитируемого музыкального инструмента и т. д. Таким образом, последовательность команд синтезатора представляет собой нечто вроде нотной записи музыкальной мелодии. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструментов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает высокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV.

На сегодня совершенно очевидно лишь одно – цифровые технологии находятся лишь в начале своего пути, и нам еще только предстоит понять, что значит их повсеместное внедрение совместно с миниатюризацией, наращиванием вычислительных мощностей и объемов памяти.

Совершенно ясно, что цифровые технологии очень скоро завоюют новые, еще не захваченные рубежи, и что от повсеместного применения этих технологий никуда не деться. Опасаться этого процесса можно, но сопротивляться ему бесполезно.

Цифровые же технологии пока еще очень молоды, и только это позволяет «аналогу» еще оставаться на плаву. Достаточно быстрое развитие и постоянное удешевление цифровых устройств дает основание утверждать, что совсем скоро «цифра» полностью вытеснит аналоговые методы записи и обработки информации. Только представьте себе, как развитие этих технологий может повлиять на окружающий нас мир! Все это лишь укрепляет мысли о том, что путь не близок, и что самое интересное нам еще только предстоит увидеть.

Список использованной литературы

3. Сергей Арзуманов. Секреты гитарного звука, Москва, 2003.

4. Симонович С.В. и др. Информатика. Базовый курс,«Питер», 2000.

Источник