1 Кодирование информации § 11. Кодирование текстов § 12. Кодирование рисунков: растровый метод § 13. Кодирование рисунков: другие методы § 14. Кодирование звука и видео § 15. Передача информации § 16. Сжатие данных
§ 11. Кодирование текстов 2
3 выбрали алфавит: { А, Б, В, …, Я, … } всего М символов (мощность) длина кода i битов, так что: 2 i M составили кодовую таблицу: Сколько битов нужно? ? А Б В … Я … 0 1 2 … 32 … 000000 00000 1 000010 … 100000 … в двоичном коде
4 Файл vasya.txt (« только текст ») : 1 000000 1 1 00000 1 0 1 00000 11 коды символов 65 66 67 Какие это символы? ? … А B C … … 65 66 67 … Кодовая таблица: Где взять изображение? ? в файле его нет! Шрифтовой файл (.ttf,.otf ): 65 А 6 7 C 66 B Times New Roman
5 ASCII = American Standard Code for Information Interchange 48 – 57 цифры 0..9 65 – 90 заглавные латинские буквы A-Z 97 – 122 строчные латинские буквы a-z знаки препинания:., : ; ! ? специальные знаки: + - * / () {} [] Международный стандарт! ! Всего 128 символов, коды с 0 до 127 Сколько бит нужно? ? 7-битная кодировка
6 0 1 254 255 127 128 коды ASCII расширение (национальный алфавит) Кодовая страница (расширенная таблица ASCII ) для русского языка: Windows -1251 – для системы Windows ( Интернет ) KOI8-R – для системы UNIX ( Интернет ) CP-866 – альтернативная кодировка (для системы MS DOS ) MacCyrillic – для компьютеров фирмы Apple Добавим 1 бит до 8 бит на символ. Всего 256 символов, коды с 0 до 255 Сколько символов можно закодировать? ?
7 Windows-1251 KOI8-R Здравствуй, мир! гДПЮБЯРБСИ, ЛХП! ъДТБЧУФЧХК, НЙТ! Здравствуй, мир! небольшой размер файла удобно обрабатывать программистам можно использовать только 256 символов неизвестно какая кодировка
8 Идея : все символы в одну таблицу! 1 6 битов на символ 2 1 6 = 65536 символов нужно больше! Стандарт UNICODE : место для 1 112 064 символов заполнены 136 тысяч (2017) Windows: UTF-16 2 или 4 байта на символ Linux и др. : UTF- 8 от 1 до 4 байт на символ Символы ASCII имеют те же коды! ! более 80% сайтов можно использовать много символов увеличивается объём файла сложнее обрабатывать, если переменное число байт на символ
9 При равномерном кодировании: I = L · i Количество информации Количество символов Место для 1 символа Задача. Определите информационный объём сообщения ПРИВЕТ, МИР! при использовании 16-битной кодировки. L = 12 символов i = 16 бит I = 12 16 =192 бита Считаем пробелы и знаки препинания! ! = 2 байта I = 12 2 = 24 байта
10 Задача. Рассказ, набранный на компьютере, содержит 12 страниц, на каждой странице 48 строк, в каждой строке 64 символа. Определите информационный объём рассказа в Кбайтах в кодировке, в которой каждый символ кодируется 16 битами. I = L · i L = 12 48 64 i = 16 бит = 2 байта I = 9 2 12 2 = 9 2 13 байтов 3 4 = 3 2 2 3 16 = 3 2 4 2 6 1 Кбайт = 2 10 байтов! ! = = 72 Кбайт 9 2 13 2 10 = 9 2 12 символов
11 Задача. Информационный объём статьи 96 Кбайт. Сколько страниц займет статья, если на одной странице электронного документа помещается 32 строки по 64 символа, а каждый символ занимает 8 бит памяти?. I = L · i L = x 32 64 i = 8 бит = 1 байт I = x 2 11 1 = x 2 11 байт x 2 11 байт = 96 2 10 байт x 2 = 96 x = 48 страниц 2 5 2 6 = x 2 11 символов = 96 Кбайтов 1 Кбайт = 2 1 0 байт!
§ 12. Кодирование рисунков: растровый метод 12
13 Пиксель – это наименьший элемент рисунка, для которого можно задать свой цвет. дискретизация пиксель Растровое изображение – это изображение, которое кодируется как множество пикселей. Рисунок искажается! ! растр
14 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 E5 D9 BD 00 BD A5 A5 81 E5D9BD00BDA5A581
15 Разрешение – это количество пикселей, приходящихся на дюйм размера изображения. ppi = pixels per inch, пикселей на дюйм 300 ppi 96 ppi 48 ppi 24 ppi печать экран 1 дюйм = 2,54 см
16 Задача. Какой размер в пикселях должен иметь закодированный рисунок с разрешением 300 ppi, чтобы с него можно было сделать отпечаток размером 10×15 см ? высота 10 см × 300 пикселей 2, 54 см 1181 пиксель ширина 15 см × 300 пикселей 2, 54 см 1 771 пиксель
17 00 11 11 11 11 11 11 11 00 11 11 11 11 11 11 11 00 01 01 01 01 01 01 01 00 01 01 01 01 01 01 01 00 10 10 10 10 10 10 10 00 10 10 10 10 10 10 10 Как выводить на монитор цвет с кодом 00? ? Как закодировать цвет в виде чисел? ?
18 Д. Максвелл, 1860 цвет = ( R, G, B ) red красный 0..255 blue синий 0..255 green зеленый 0..255 (0, 0, 0 ) (255, 255, 255) (255, 0, 0 ) (0, 255, 0 ) ( 255, 255, 0 ) (0, 0, 255 ) (255, 150, 150 ) (100, 0, 0 ) Сколько разных цветов можно кодировать? ? RGB – цветовая модель для устройств, излучающих свет (мониторов)! ! 256 · 256 · 256 = 16 777 216 ( True Color, «истинный цвет» ) (150, 150, 150 ) ( 2 0, 20, 20 )
19 Сколько памяти нужно для хранения цвета 1 пикселя в режиме True Color ? ? R G B: 24 бита = 3 байта R (0..255) 25 6 = 2 8 оттенков 8 битов = 1 байт Глубина цвета — это количество битов, используемое для кодирования цвета пикселя. True Color ( истинный цвет ) Задача. Определите размер файла, в котором закодирован растровый рисунок размером 2 0× 30 пикселей в режиме истинного цвета ( True Color ). 2 0 30 3 байта = 1800 байт
20 G R B G B G R B Белый – красный = голубой C = Cyan Белый – зелёный = пурпурный M = Magenta Белый – синий = желтый Y = Yellow Модель CMY C M Y 0 0 0 255 255 0 255 0 255 0 255 255 255 255 255 Модель CMYK: + Key color меньший расход краски и лучшее качество для чёрного и серого цветов монитор печатный документ
21 не все цвета, которые показывает монитор ( RGB ), можно напечатать ( CMYK ) при переводе кода цвета из RGB в CMYK цвет искажается видит человек RGB CMYK RGB(0,255,0) CMYK(65,0,100,0) RGB(104,175,35)
22 HSB = H ue ( тон, оттенок ) S aturation ( насыщенность ) B rightness ( яркость ) или V alue ( величина ) 0 /360 180 90 27 0 Тон ( H ) 0 10 0 Насыщенность ( S ) Яркость ( B ) 0 10 0 насыщенность – добавить белого яркость – добавить чёрного
23 Как уменьшить размер файла? ? уменьшить разрешение уменьшить глубину цвета снижается качество Цветовая палитра – это таблица, в которой каждому цвету, заданному в виде составляющих в модели RGB, сопоставляется числовой код.
24 0 0 0 0 0 255 255 0 0 255 255 255 цвет 00 2 цвет 01 2 цвет 10 2 цвет 11 2 00 11 11 11 11 11 11 11 00 11 11 11 11 11 11 11 00 01 01 01 01 01 01 01 00 01 01 01 01 01 01 01 00 10 10 10 10 10 10 10 00 10 10 10 10 10 10 10 Палитра: Какая глубина цвета? ? Сколько занимает палитра? ? 2 бита на пиксель 3 4 = 12 байтов
25 Шаг 1. Выбрать количество цветов: 2, 4, … 256. Шаг 2. Выбрать 256 цветов из палитры: 248 0 88 0 221 21 181 192 0 21 0 97 Шаг 3. Составить палитру (каждому цвету – номер 0..255) палитра хранится в начале файла 248 0 88 0 221 21 … 181 192 0 21 0 97 0 1 254 255 Шаг 4. Код пикселя = номеру его цвета в палитре 2 45 65 14 … 12 23
26 Файл с палитрой: пал ит ра коды пикселей Количество цветов Размер палитры (байтов) Глубина цвета (битов на пиксель) 2 6 1 4 12 2 16 48 4 256 768 8 3 байта на цвет
27 Задача. Определите размер файла, в котором закодирован растровый рисунок размером 2 0× 30 пикселей с 16 цветной палитрой. Место для хранения палитры не учитывать. количество пикселей 2 0 30 = 600 16 цветов 4 бита на пиксель (16 = 2 4 ) 600 4 = 2400 бита = 300 байт Сколько занимает палитра? ? 3 16 = 48 байтов
28 Формат True Color Палитра Прозрачность Анимация BMP JPG GIF PNG
29 универсальный метод (можно закодировать любое изображение) единственный метод для кодирования и обработки размытых изображений, не имеющих чётких границ (фотографий) есть потеря информации (почему?) при изменении размеров цвет и форма объектов на рисунке искажается размер файла не зависит от сложности рисунка (а от чего зависит?)
§ 13. Кодирование рисунков: другие методы 30
31 Рисунки из геометрических фигур: отрезки, ломаные, прямоугольники окружности, эллипсы, дуги сглаженные линии (кривые Безье) Для каждой фигуры в памяти хранятся: размеры и координаты на рисунке цвет и стиль границы цвет и стиль заливки (для замкнутых фигур)
32 Кривые Безье: А Б В Г Д Хранятся координаты узлов и концов «рычагов» (3 точки для каждого узла, кривые 3-го порядка). угловой узел гладкий узел
33 лучший способ для чертежей, схем, карт при кодировании нет потери информации при изменении размера нет искажений меньше размер файла, зависит от сложности рисунка не используют для фотографий и размытых изображений растровый рисунок векторный рисунок
34 WMF, EMF ( Windows Metafile ) ODG ( формат OpenOffice Draw ) CDR ( программа CorelDraw ) AI ( программа Adobe Illustrator ) EPS ( для подготовки печатных изданий ) SVG (Scalable Vector Graphics, масштабируемые векторные изображения ) для веб-страниц
35 <svg> <rect width="135" height="30" x="0" y="10" stroke-width="1" stroke="rgb(0,0,0)" fill="rgb(255,255,255)"/> <rect width="135" height="30" x="0" y="40" stroke-width="1" stroke="rgb(0,0,0)" fill="rgb(0,0,255)"/> <rect width="135" height="30" x="0" y="70" stroke-width="1" stroke="rgb(0,0,0)" fill="rgb(255,0,0)"/> <line x1="0" y1="0" x2="0" y2="150" stroke-width="15" stroke="rgb(0,0,0)" /> </svg> прямоугольник размеры координаты контур заливка Это программа для браузера! !
36 Трёхмерная графика (3D-графика) – это раздел компьютерной графики, который занимается созданием моделей и изображений трёхмерных объектов. 3D-модели: каждая точка имеет 3 координаты 3D-модели проекции (на плоскость) расчёты (на прочность и т.п.) анимация 3D- печать
37 Растровая или векторная? ? узлы (вершины) рёбра Хранятся координаты точек ( x, y, z )! !
38 треугольники многоугольники (полигоны)
39 сглаживание материал установка света установка камеры камера
40 рендеринг Рендеринг (визуализация) — построение двухмерного изображения по 3D- модели. 3D- печать
41 Фрактал — это фигура, обладающая самоподобием : основная фигура состоит из нескольких таких же, только меньшего размера. Множество Мандельброта Пифагорово дерево Задаётся математической формулой + алгоритмом построения.
§ 14. Кодирование звука и видео 42
43 аналоговый сигнал Оцифровка – это преобразование аналогового сигнала в цифровой код (дискретизация). T t – интервал дискретизации (с) – частота дискретизации (Гц, кГц) 8 кГц – минимальная частота для распознавания речи 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц – качество CD- дисков 48 кГц – фильмы на DVD 96 кГц, 192 кГц Человек слышит 16 Гц … 20 кГц
44 T t 0 1 2 3 4 5 7 6 3-битное кодирование (2 3 = 8 уровней): 8 битов = 256 уровней 16 битов = 65536 уровней 2 4 бита = 2 2 4 = 16 777 216 уровней Глубина кодирования — это число битов для хранения одного результата измерений. Результаты измерения записываются как целое число! ! Лучше больше или меньше? ? A ЦП = А налого- Ц ифровой П реобразователь в звуковой карте
45 Как восстановить сигнал? T t без сглаживания после сглаживания Как улучшить качество? ? уменьшать T Что при этом ухудшится? ? размер файла аналоговые устройства! ЦАП = Ц ифро- А налоговый П реобразователь было до оцифровки в звуковой карте
46 Задача. Определите информационный объем данных, полученных при оцифровке звука длительностью 1 минута с частотой 44 кГц с помощью 16-битной звуковой карты. Запись выполнена в режиме «стерео». За 1 сек каждый канал записывает 44000 значений, каждое занимает 16 битов = 2 байта всего 44000 2 байта = 88000 байтов С учётом «стерео» всего 88000 2 = 176000 байтов За 1 минуту 176000 60 = 1056000 0 байтов 10313 Кбайт 10 Мбайт
47 можно закодировать любой звук (в т.ч. голос, свист, шорох, …) есть потеря информации большой объем файлов Какие свойства оцифрованного звука определяют качество звучания? ? Форматы файлов: WAV ( Waveform audio format), часто без сжатия (размер!) MP3 ( MPEG-1 Audio Layer 3, сжатие с учётом восприятия человеком ) AAC ( Advanced Audio Coding, 48 каналов, сжатие ) WMA ( Windows Media Audio, потоковый звук, сжатие ) OGG ( Ogg Vorbis, открытый формат, сжатие )
48 MIDI ( Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов). в файле.mid : нота (высота, длительность) музыкальный инструмент параметры звука (громкость, тембр) до 1024 каналов в памяти звуковой карты: образцы звуков (волновые таблицы) MIDI -клавиатура : нет потери информации при кодировании инструментальной музыки небольшой размер файлов невозможно закодировать нестандартный звук, голос программа для звуковой карты! 128 мелодических и 47 ударных
49 Синхронность! Видео = изображения + звук ! изображения: ≥ 25 кадров в секунду PAL/SECAM : 720×576, 24 бита за 1 с: 720×576×25×3 байта ≈ 30 Мб за 1 мин: 60×32 Мбайта ≈ 1,74 Гб HDTV : 1280×720, 1920×1080. 4 K : 4096×3072 исходный кадр + изменения (10-15 с) сжатие ( кодеки – алгоритмы сжатия) DivX, Xvid, H.264, WMV, Ogg Theora … звук: 48 кГц, 16 бит сжатие (кодеки – MP3, AAC, WMA, …)
50 AVI – Audio Video Interleave – чередующиеся звук и видео; могут использоваться разные алгоритмы сжатия MPEG – Motion Picture Expert Group MP 4 – несколько потоков видео + субтитры WMV – Windows Media Video, формат фирмы Microsoft MOV – Quick Time Movie, формат фирмы Apple WebM – открытый формат, поддерживается браузерами
§ 15. Передача информации 51
52 источник информации приёмник информации помехи канал связи носитель Канал связи — это среда и технические устройства, с помощью которых передаётся информация. Носитель — это объект, который может некоторое время сохранять информацию. почта, воздух, электрические кабели, радиоканал бумага, звуковые волны, радиоволны, ток
53 Сигнал — это изменение свойств носителя, которое используется для передачи информации. Сообщение — это последовательность сигналов. кодирование МАМА МЫЛА РАМУ 101010101101010100… исходное сообщение закодированное сообщение …ЫМ АМАМ декодирование передача
54 км / час В каких единицах? ? лимонад м / с л / мин м 3 / с 10101001 бит / с байт / с кбит / с Мбит / с Мбайт / с Средняя скорость передачи данных: v = I / t, где I — количество переданных данных t — время пере дачи.
25 бит /c Измерение скорости 55 1 к бит /c = 1 000 бит / с 1 M бит /c = 1 000 000 бит / с 1 Гбит /c = 1 000 000 000 бит / с Сравните: 1 К байт = 1024 байта 1 M байт = 1024 Кбайта 1 Гбайт = 1024 Мбайта Файл размером 1 000 бит был передан по каналу связи за 40 с. Найдите среднюю скорость передачи данных в битах в секунду. Файл размером 1 000 байт был передан по каналу связи за 40 с. Найдите среднюю скорость передачи данных в битах в секунду. 2 00 бит /c Пропускная способность канала связи — это предельно возможная скорость передачи.
56 Скорость передачи данных по линии связи равна 200 бит/с. Сколько бит будет передано за 5 секунд? I = v t 100 0 бит Ответ: Скорость передачи данных по линии связи равна 200 бит/с. Сколько байт будет передано за 5 минут ? 750 0 байт Ответ:
57 Скорость передачи данных по линии связи равна 1000 бит/с. Сколько секунд потребуется на передачу файла размером 4000 бит? t = I / v 4 c Ответ: Скорость передачи данных по линии связи равна 2 12 бит/с. Сколько секунд потребуется на передачу файла размером 2 Кбайт ? 4 c Ответ:
§ 16. Сжатие данных 58
59 сэкономить место в долговременной памяти (флэшки, жесткие диски) уменьшить время передачи по сети Цифровой звук и видео почти всегда сжаты! ! Кодек – это программа для сжатия / распаковки цифрового звука или видео.
60 Алгоритм RLE ( англ. Run Length Encoding, кодирование цепочек одинаковых символов, используется для рисунков *.bmp ). A A … A B B … B 100 100 200 байт Файл qq.txt Файл qq.rle ( сжатый ) 100 65 100 66 4 байта Код буквы А Код буквы B Коэффициент сжатия – это отношение размера исходного файла к размеру сжатого файла. I 0 I сж k сж = = 5 0 I 0 I сж
61 Почему удалось сжать в 100 раз ? ? Сжатие возможно, если в данных есть избыточность : повторяющиеся символы повторяющиеся цепочки символов другие закономерности Сжатие «устраняет» избыточность. Влга впдт в Кспске мре. Хорошо сжимаются тексты рисунки несжатый звук несжатое видео Плохо сжимаются программы случайные данные сжатые данные
62 Сжатие без потерь — это такое уменьшение объёма данных, при котором можно восстановить их исходный вид без искажений. Тексты, программы, числовые данные и т.п. Рисунки: GIF, PNG
63 Сжатие с потерями — это такое уменьшение объёма данных, при котором распакованный файл может отличаться от оригинала. Рисунки: JPEG Звук: MP3 100% 12 Кбайт 50% 4 Кбайт 2 0% 3 Кбайт 0% 2 Кбайт
64 Архивация — это создание файла-архива, который объединяет группу файлов. Зачем? резервная копия данных объединить много файлов в один архив передать данные по сети зашифровать с паролем Обычно архивация + сжатие.
65 Форматы (расширения): ZIP – самый известный формат RAR – алгоритм Е. Рошала 7 Z – алгоритм программы 7 Zip TGZ – алгоритм программы gzip Сжатие без потерь! ! группа файлов архив.tar сжатый архив. tgz tar gzip
66 бесплатно! свободная программа (с исходными кодами) кроссплатформенная упаковывает в форматах ZIP и 7Z распаковывает всё WinRAR ( www.rarlab.com ) условно-бесплатная программа только для Windows упаковывает в форматах ZIP и RAR распаковывает всё Windows – распаковка ZIP
67 Linux Ark FileRoller macOS Stuffit Expander BetterZip Andriod RAR WinZip ZArchiver iOS iZip Pro WinZip iFiles
68 Пароли в архиве не хранятся! ! Как можно вскрыть пароль? Данные Контрольная сумма Данные с паролем Введите пароль: **** число, которое зависит от всех данных и изменяется при изменении любого бита данных. Данные ( ?) Архив Контрольная сумма = Данные Пароль неверный! !
69 Как можно вскрыть пароль? догадаться (личные данные автора) подбор по словарю полный перебор вариантов… Требования к паролю: не личные данные автора не осмысленное слово длина не менее 6 символов разные символы (заглавные и строчные буквы, цифры, другие знаки…)
70 Перебор 1000 вариантов в секунду. 4 симв. 6 симв. 8 симв. 10 симв. только цифры 10 с 17 мин 28 часов 117 дней латинские строчные буквы 8 мин 87 часов 7 лет 4476 лет латинские строчные буквы и цифры 28 мин 25 дней 89 лет 115936 лет латинские строчные и заглавные буквы + цифры 4 часа 2 года 6923 лет 26 млн лет
71 Плохие пароли: телефон ( 9112345678 ) фамилия ( ivanov ) дата рождения ( 12052001 ) слово, которое есть в словаре ( password ) удобно набирать на клавиатуре ( qwerty ) одни цифры ( 12345 ) только строчные английские буквы Хорошие пароли: rH3cyJfl98H 67B/C9QD7dJeY 55PuHUChMW666
72 SFX- архив — это файл (с расширением. exe ), который содержит сжатые данные и программу для их распаковки. около 15 Кбайт для распаковки не нужен архиватор может распаковать неквалифицированный пользователь увеличение размера файла опасность заражения вирусами
73 Конец фильма ПОЛЯКОВ Константин Юрьевич д.т.н., учитель информатики ГБОУ СОШ № 163, г. Санкт-Петербург kpolyakov@mail.ru ЕРЕМИН Евгений Александрович к.ф.-м.н., доцент кафедры мультимедийной дидактики и ИТО ПГГПУ, г. Пермь eremin@pspu.ac.ru
74 http://s1.iconbird.com https://sandstorm.deviantart.com http:// compression.ru http://ru.wikipedia.org https://www.khanacademy.org https://www.kns.ru http://nix.ru http:// www.computer-services.ru http:// www.masterna4as.com http://blendercontest.com http:// geeky-gadgets.com авторские материалы
