Інформація про новину
  • Переглядів: 152
  • Дата: 21-03-2021, 23:48
21-03-2021, 23:48

Розділ 2. Кодування даних

Категорія: Інформатика





Попередня сторінка:  Розділ 1. Математичні основи обчислюва...
Наступна сторінка:   Розділ 3. Комп'ютер як універсальний п...

Зміст

 

2.1. Опрацювання даних як інформаційний процес. Кодування та декодування повідомлень Одиниці вимірювання довжини двійкового коду. 

2.2. Кодування чисел у комп'ютері 

2.3. Кодування символів 

2.4. Кодування графічних даних. Поняття колірної схеми

Практична робота № 2. Опрацювання колірних моделей у векторному графічному редакторі

2.5. Кодування звукових даних 

Практична робота № 3. Кодування даних різного формату в комп'ютері 

 

2.1. Кодування та декодування повідомлень

Дайте означення таких понять, як дані, повідомлення, інформація, інформаційний процес.

Ви вже познайомилися з різними системами числення, зокрема з двійковою. Саме двійковою системою щодня користується величезна кількість людей. Адже людство нині живе в інформаційному суспільстві, і дані, що опрацьовуються та зберігаються комп’ютерами, подані у вигляді двійкового коду.

Пригадайте, що є різні типи даних: числа, текст, звук, графічне зображення, відео. У процесі передавання даних бере участь передавач і приймач. Ними може бути як жива істота — людина, тварина, так і технічний прилад (приклад 1).

Приклад 1.

Люди спілкуються між собою безпосередньо або, скажімо, за допомогою телефону. В цьому випадку передавач — особа 1, а приймач — особа 2. Зв’язок між ними здійснюється через пристрої: пристрій 1 є приймачем від особи 1 і передавачем на пристрій 2, а пристрій 2 є приймачем від пристрою 1 та передавачем особі 2.

Спілкування людей за допомогою звуку або жестів є прикладом таких інформаційних процесів, як передавання та прийняття даних. У ході передавання дані між людиною та пристроями перетворюються в сигнали, які можуть опрацьовувати пристрої.

Усі типи даних подаються в однаковому вигляді, здійснюються операції над даними — відбувається такий інформаційний процес, як опрацювання даних. Під час передавання даних у комп’ютер за допомогою мікрофона, вебкамери чи шляхом набору тексту з клавіатури теж відбувається перетворення цих даних. Усі типи даних перекодовуються в однотипні сигнали для подальшої роботи з ними пристроями комп’ютера.

Кодування — процес замінення однієї форми даних на іншу, зручну для передавання, опрацювання та зберігання за допомогою деякого коду.

Код — система правил для перетворення форми даних.

Декодування — процес відновлення змісту закодованої інформації.

Процеси кодування та декодування можуть повторюватися багато разів. У прикладі 1 обмін даними можна відтворити таким ланцюжком (рис. 1). У пристрої 1 дані, отримані від особи 1, кодуються, а в пристрої 2, навпаки, декодуються.

Дані в комп’ютерах зберігаються та опрацьовуються у вигляді комбінації електричних сигналів (сигнал є, сигнал відсутній), які для зручності описують двійковим кодом — послідовністю цифр 0 і 1: відсутність сигналу — 0, наявність — 1.

Біт є найменшою одиницею кодування. Найменшою одиницею зберігання даних у комп'ютері є байт — послідовність із 8 бітів.

Біт (від англ. binary digit — скорочено bit) — це двійковий знак із значенням 0 або 1.

Сучасні комп’ютери оперують об’ємами пам’яті, які дозволяють опрацьовувати значно більшу кількість даних. Одиниці вимірювання довжини двійкового коду:

З прикладами кодування ми зустрічаємося не лише під час роботи з технікою, а й у повсякденному житті. Всім знайомі дорожні знаки, що є інформацією для водіїв та пішоходів, нотні знаки для відтворення звуків за допомогою музичних інструментів, які розуміє музикант. Для спілкування між людьми різних країн запрошують перекладача та для розуміння тексту, написаного незнайомою мовою, його перекладають — здійснюється кодування — декодування.

У кодування давня історія, ми ознайомимося з його найві-домішими досягненнями.

Для нашого сьогодення характерне створення автоматизованих систем кодування — декодування. Поміркуйте, з чим ми зустрічаємось практично щодня. Так, система штрих-кодів однозначно ідентифікує товари в магазинах. На стрічці або чіп-елементі банківських карток закодовані дані власника та його рахунку в банку.

1. Шифр Цезаря названо на честь римського імператора Гая Юлія Цезаря і призначено для кодування літер алфавіту. Кожна літера заміняється на ту, що віддалена від неї в алфавіті на певну кількість позицій (такий зсув по алфавіту називається ключем). При цьому алфавіт може зчитуватися по замкненому колу, наприклад літера Я з ключем 3 закодується як В. Юлій Цезар використовував для листування шифр зсуву з ключем 3.

Слово «біт» з ключем 2 буде закодовано як «гйф» (рис. 2). Процес декодування виконується у зворотному порядку.

2. Шифр Віженера відрізняється від шифру Цезаря змінним ключем на основі літер

у ключовому слові. Тобто це вже відомий нам шифр Цезаря, але з різними значеннями зсуву.

3. Шрифт Брайля був створений у 1928 році французом Луі Брайлем для читання тексту сліпими й слабозорими людьми. В основі шрифту лежить шість об’ємних крапок. Зчитування відбувається дотиками пальців до крапок і розпізнаванням їх комбінацій. Першою книгою, надрукованою за системою Брайля, була «Історія Франції». Для різних мов шрифт Брайля різний.

На рис. 3 подано фрагмент абетки Брайля українською мовою.

4. Азбука Морзе містить літери, закодовані послідовністю крапок і тире, різною за довжиною для різних літер. Її створив американський винахідник і художник Семюел Морзе у 1838 році. Принцип кодування полягає в тому, що найчастіше вживані в англійській мові літери кодуються простішими сполученнями крапок і тире. Так, літера E кодується точкою, а T — одним тире. На рис. 4 наведено варіант азбуки Морзе українською мовою.

Метод кодування Морзе, заснований на двох знаках, нагадує двійковий код, але на відміну від кодування у комп’ютерах літери алфавіту Морзе мають різну довжину.

5. У 1890 році під час підбиття результатів перепису населення було застосовано табуля-ційну машину Голлеріта (рис. 5). Її розробив американський інженер і винахідник Герман Голлеріт. Машина використовувала закодовані дані на перфокартах. Вони завантажувались у з’єднаний із машиною пристрій, де нанизувалися на голки: коли голка потрапляла в отвір, то замикала електричний контакт і спрацьовував лічильник.

Перфокарти тривалий час були основним носієм комп’ютерних даних під час збереження й опрацювання. У 1980-х роках їх замінили гнучкі магнітні дискети.

Запитання для перевірки знань

1 Дайте означення коду; двійкового коду; біта.

2 Назвіть одиниці зберігання даних.

3 Наведіть приклади з історії кодування.

4 Поясніть різницю між кодуванням та декодуванням.

5 Наведіть приклади символьного та графічного кодування даних.

6 У чому полягає різниця між поняттями «кілобайт» і «кібібайт»?

Завдання для самостійного виконання

Дослідіть назви та призначення одиниць вимірювання кількості інформації.

1 Завантажте Вікіпедію.

2 У пошукове поле введіть слово «кібібайт».

3 Перейдіть на сторінку, що містить це слово.

4 Занотуйте в зошит значення цього слова.

5 Занотуйте скорочений запис цього слова.

6 Запишіть означення та значення інших подібних понять.

 

2.2. Кодування чисел у комп'ютері

 

Що таке кодування? Наведіть приклади кодування даних із повсякденного життя. Навіщо здійснюється кодування в пристроях?

Ви вже познайомились із різними способами кодування даних (приклад 1). У всіх випадках відбувається заміна початкових даних на числа, інші символи або графічні зображення за певними правилами.

У комп’ютерах всі дані подаються у вигляді двійкового коду, що пояснюється особливістю апаратної будови комп’ютера. Будь-які дані зберігаються в пам’яті комп’ютера в комірках пам’яті. Комірка складається з однотипних фізичних елементів, стан яких реагує на електричний сигнал: за нульової напруги стан один, за наявності напруги — стан інший. Математично такий стан елемента можна описати за допомогою цифр 0 і 1, знайомих вам як значення біту.

Приклад 1.

Існують різні способи кодування:

• за допомогою чисел (наприклад, двійкове кодування),

• символьний (шифр Цезаря),

• графічний (дорожні знаки).

Розглянемо способи кодування чисел.

У комп’ютері по-різному кодуються числа, значення яких може бути:

• тільки додатним — так звані беззнакові числа й такі, що можуть набувати значень як додатних, так і від’ємних;

• тільки цілим і дійсним.

Для цілих чисел задіяні всі розряди коду. Це визначає діапазон чисел. За двобітового кодування отримуємо у двійковій системі коди таких чисел: 00, 01, 10 і 11. Отже, можна закодувати числа від 0 до 3 — чотири числа.

Одним байтом можна закодувати числа від 0 до 255 — 256 чисел. За однобайтового кодування найменше число 0 — усі біти дорівнюють нулю. А якщо перевести всі одиниці в байті (8 бітів), то отримаємо 255. Наявність комбінацій чисел 0 і 1 дасть проміжні значення із заданого діапазону чисел.

Кількість бітів для кодування визначає діапазон значень числа, яке кодується. Значення максимального беззнакового цілого числа, закодованого n бітами, є 2n - 1.

Розглянемо таблицю.

Комірки пам'яті, у яких зберігаються дані, мають обмежену кількість елементів — розрядів у двійковому поданні: 8, 16, 32 або 64 (1 байт, 2, 4 або 8) — кодування відбувається бітами, загальна кількість яких є кратною 8.

Результатом кодування цілих чисел зі знаком є прямий код числа. Прямим кодом двійкового подання чисел є форма: знак, значення числа. Найстарший біт (розряд зліва) відводиться під знак: значення 0 для додатного числа і 1 — для

від’ємного. Решта бітів визначає значення числа, записаного у двійковій системі. Наприклад, 5 = 1012. У 8-бітовому коді

в комп’ютері +510 = 0000 0101, а -510 = 1000 01012.

У таблиці наведено діапазон цілих чисел під час кодування різної кількості бітів.

Приклад 2.

Для числа 40075.696 (довжина екватора Землі в тисячах кілометрів) мантисою буде 4.0075696, а для 0.75 (такий розмір у міліметрах має найбільша бактерія) — 7.5.

Знаковий розряд у прямому коді несе інформацію тільки про знак числа і не має жодного кількісного значення. Для подальшого опрацювання від’ємного числа в комп’ютері відбуваються перетворення його значущої області коду. Зазвичай (у програмуванні) оперують цілими числами, для подання яких достатньо 1, 2 або 4 байтів.

Дійсні числа подано в комп’ютері у формі з рухомою крапкою. Ми звикли оперувати числами у формі з фіксованою крапкою: десяткова крапка відокремлює цілу частину числа від дробової. Наприклад: 7.37510 або 1101.0112.

Нормалізована форма запису числа (або форма з рухомою крапкою) подана мантисою та порядком.

Мантисою числа є запис цифр числа з крапкою після першої значущої цифри (приклад 2).

Щоб отримати правильне значення числа, поряд із мантисою потрібно дописати порядок — степінь 10, завдяки якому значення числа в мантисі буде помножене або поділене на 10 у цьому степені для отримання істинного значення числа (приклад 3).

У комп'ютері мантиса та порядок будуть подані у двійковій системі в такій послідовності: знак числа, порядок, закодований як число із знаком, і мантиса. Оскільки у мантиси перша значуща цифра не 0, то у двійковому коді перед комою завжди буде 1 і біти під десяткову крапку не виділяються.

Розмір точного подання числа залежить від відповідності необхідної кількості бітів запису його мантиси у двійковій системі числення та кількості бітів, які призначено для збереження числа. Під дійсні числа відводиться 4 або 8 байтів із мантисами 23 і 53 біти відповідно.

У таблиці наведено розподіл бітів для 4-байтового подання числа з рухомою крапкою.

Запитання для перевірки знань

1 Який біт та яке його значення відповідають за знак числа?

2 Назвіть форми подання дійсних чисел.

3 Чому нормалізовану форму числа ще називають формою з рухомою крапкою? Чому крапка «рухається»?

4 Пригадайте діапазони беззнакових і знакових чисел в однобайтовому поданні. Чи однакова тут кількість закодованих чисел?

5 Чому при однобайтовому поданні цілих чисел зі знаком найменше значення -128 (адже 1 у двійковому коді числа 128 стоїть на місці знака)?

6 Для кодування значень температури повітря (ціле число в інтервалі від -15 до 31) використовується двійковий код.

Яка мінімальна довжина двійкового коду?

 

2.3. Кодування символів

Назвіть типи даних. Як кодуються дані в обчислювальних машинах?

Текст, як і інші типи даних, кодується в комп’ютері двійковими кодами. Текст складається зі слів, які, у свою чергу, складаються із символів.

Отже, кодування текстових даних у комп’ютері — це кодування символів. Уведення символу з клавіатури супроводжується появою і передаванням електричних сигналів, які в математичній моделі подано двійковими кодами. Кожному символу відповідає двійковий код довжиною 8 або 16 бітів: 8 бітів дозволяють закодувати 256 (28) символів, а 16 бітів — 65 536 (216) символів.

Кодова таблиця ASCII складається з двох частин: базової і розширеної.

Базова частина таблиці містить коди семи молодших бітів (нумерація кодів від 0 до 127). Перші 32 кодові комбінації (від 0 до 31) відведено для операцій керування, наприклад: переміщення в межах рядка та з рядка на рядок, видалення, звуковий сигнал, підтвердження введення (Enter). Наступні коди (від 32 до 127) відведено для символів латинського алфавіту, цифр, знаків пунктуації та ін.

Базова частина таблиці ASCII є спільною в усіх комп’ютерах світу. Як бачимо з таблиці, великі літери англійської абетки починаються з 65-го місця, у двійкових кодах це 01000001. Отже, англійській літері А відповідає код 01000001.

Розширена частина таблиці (або друга половина) містить коди 128-255 і використовується для кодування символів національної абетки та символів псевдографіки. Тому в різних країнах одному й тому самому коду відповідають різні символи.

Текстові дані є набором символів — літер, цифр, знаків пунктуації, дужок, знаків арифметичних дій, а також пропусків, які відокремлюють слова.

Першою стандартизованою є система кодування ASCII (American Standart Code for Information Interchange) із використанням двійкового коду довжиною 1 байт.

Таблиця. Базова частина таблиці ASCII

Для українських символів використовували 8-розрядні таблиці кодування KOI8-U, KOI8-R, Windows-1251, ISO 8859. Щоб уникнути непорозумінь із національною частиною таблиці кодування, було розроблено та впроваджено 16-розрядний міжнародний стандарт ISO 10646 під назвою Unicode (Юнікод), який має 65 536 кодових комбінацій. Програми MS Windows Office підтримують це кодування починаючи з 1997 року.

У MS Word визначають шістнадцятковий код символу в системі Unicode у вікні Символ (див. рисунок).

Для запуску вікна Символ потрібно перейти у стрічці Вставлення — групи Символи — списку Символи — до команди Інші символи.

Юнікод має кілька версій: UTF (Unicode Transformation Format — формат перетворення Юнікоду) і UCS (Universal Character Set — універсальна таблиця символів). UTF широко застосовується для передавання символів інтернетом.

У нижній частині цього вікна у шістнадцятковій системі числення висвітлюється код вибраного символу. На рисунку видно, що код великої англійської літери А дорівнює

Якщо скористатися сполученням клавіші Alt і цифр із додаткової цифрової клавіатури, то в документ буде вставлено символ, код якого набрано на клавіатурі.

Залежно від правил кодування програмним засобом текстові файли зберігаються в різних форматах. Наприклад, форматом збереження текстових даних у програмі Блокнот є ТХТ, а у Word — DOC, DOCX.

Запитання для перевірки знань

1 Що означає термін «текстові дані»?

2 Скільки символів містить кодова таблиця ASCII?

3 Як можна визначити коди символів у текстовому процесорі Word?

4 Яка довжина фрази «Моя країна — Україна» у стандарті Unicode; ASCII?

5 Чи можуть бути в тексті неправильно зазначені коди однотипних літер різних алфавітів?

6 Поясніть, яким чином при введенні з клавіатури однакових літер можна отримати такий вигляд:

Завдання для самостійного виконання

1 Запустіть програму Word.

2 Виконайте команду Вставлення ^ Символи ^ Інші символи — відкриється вікно Символ.

3 Зі списку Шрифт виберіть шрифт, наприклад Arial.

4 У вікні Символи виділіть літеру D і двічі клацніть — вона буде відображена в рядку з назвою Використані раніше символи. У цьому рядку виділіть D як поточний символ.

5 Передивіться шістнадцятковий код літери із зазначенням таблиці кодування — виберіть таблицю ASCII (шістн.), змініть на кирилиця (шістн.), Юнікод (шістн.).

З'ясуйте, чи змінюється код літери.

6 Знайдіть у таблиці серед літер кирилиці літеру Я і перегляньте її коди за рекомендаціями в п. 4, 5.

З'ясуйте, чи відбувались зміни. Відповідь обґрунтуйте.

 

2.4. Кодування графічних даних. Поняття колірної схеми

 

Наведіть приклади інформації, поданої у графічному вигляді.

Така інформація в повсякденному житті нас практично оточує (рис. 1). Так, «зебру» на дорозі «читають» і пішоходи (місце для переходу), і водії (загальмувати, бути уважним, перевірити, чи вільна дорога). Стрілки, намальовані на стінах будівлі, позначають шлях до певних місць. А піктограми на екранах смартфонів і дисплеях цілком звичні та зрозумілі за змістом.

Є різні форми подання та збереження графічних даних: неперервна (аналогова) і цифрова. Прикладом аналогового подання є неперервна зміна кольорів на полотні митця або навіть на меблях. Зображення, що виводиться на екран дисплея, складається з окремих точок різного кольору — отримуємо цифрове, дискретне подання.

Просторова дискретизація — перетворення аналогової форми подання графічних даних на цифрову.

• Кодування растрових зображень

У растровому (цифровому) зображенні найменшим елементом є піксель, прямокутна ділянка з пікселів — це растр.

Кодування відбувається, оскільки кожному елементу графічного зображення відповідає значення двійкового коду. Приклад кодування растрового зображення наведено на рис. 2. Видно, що збільшена літера К побудована з пікселів.

Для створення й опрацювання графічних зображень є низка програмних засобів. Залежно від способу збереження та опрацювання зображення їх поділяють на растрові та векторні (є й інші засоби, проте нас цікавить лише спосіб кодування зображення).

Для коду кольору зображення (див. рис. 2) достатньо використати біт: світлий тон кодується 0, а темний — 1, і код верхньої частини зображення матиме такий вигляд, як на рис. 3.

Для збереження зображення достатньо скористатися координатами точки на екрані та зазначити код її кольору. У випадку кодування растрового зображення зазначаються коди кольорів точок прямокутної ділянки від лівого верхнього кута до правого нижнього.

Зображення розміром 100x100 пікселів, вибране у графічному редакторі, виглядатиме більшим на екрані з характеристикою 640x480 пікселів, ніж за роздільної здатності 1024x768 пікселів.

• Кодування векторного зображення

Векторне зображення складається з елементарних об’єктів — графічних примітивів (лінія, дуга, прямокутник та ін.), які описуються математичними формулами. Наприклад, об’єкт квадрат можна описати так: центр — 80, 60 (координати х, у); сторона — 20; лінія — суцільна; товщина — 0,50; заливка — відсутня.

Кожний піксель растрового зображення містить інформацію про його колір. Контури та заповнення векторного зображення теж характеризуються кольором. Для кодування кольорів векторного зображення використовують ті самі методи, що й для растрового зображення.

Векторні й растрові зображення відтворюються на моніторах, лазерних і струменевих принтерах, які за принципом дії є растровими. А для відтворення векторних зображень вони перетворюються в набори пікселів. Процес перетворення здійснюється з урахуванням масштабу зображення та роздільної здатності пристрою.

Роздільна здатність графічного зображення екрана — кількість пікселів на одиницю довжини, найчастіше на дюйм (1 дюйм = 2,54 см); позначається ppi (picel per inch — пікселів на дюйм).

У сучасних комп'ютерах в основному використовують достатньо великі значення роздільної здатності екрана: 1024 х 768, 1280 х 1024 або 1680 х 1050 пікселів.

Чим вища роздільна здатність — більша кількість рядків і точок у рядку, тим вища якість зображення..

Обсяг збереженого зображення залежить також від методу кодування кольору пікселя. Глибина кольору визначає метод кодування кольорів: для кодування кольору чорно-білого зображення достатньо 1 біта, для зображення у відтінках сірого колір кодується 1 байтом — отримують 256 відтінків сірого. Є різні колірні моделі для кодування кольору.

Колірна модель — математична модель опису подання кольорів у вигляді послідовності чисел, кожне з яких називається колірним компонентом.

На екрані ми бачимо зображення завдяки випромінюванню світла точками екрана, а на папері ми бачимо світло, яке відбивається від поверхні аркуша. Для опису кольорів, утворюваних у різний спосіб, створено різні колірні моделі.

Колірні моделі умовно поділено на три класи:

• адитивні (RGB): колір пікселя формується поєднанням базових кольорів червоного (Red), зеленого (Green) і синього (Blue) — рис. 4;

• субтрактивні, або додаткові (оскільки модель доповнює кольори адитивної моделі до всього спектра): модель CMY отримала назву від складових Cyan (блакитний), Magenta (пурпуровий) і Yellow (жовтий) — рис. 5;

• перцепційні: Lab, HSB, HSL — мають за основу сприйняття кольору людським оком.

Розглянемо принципи кодування кольору в адитивній моделі RGB. Якщо кожний колір закодувати 1 бітом (колір є, колір відсутній), отримаємо 3-бітове кодування кольору, бо маємо три базові кольори для кодування. А комбінація базових кольорів дасть 8 (23) кольорів. Для кожного базового кольору в сучасних комп’ютерах відводиться 8 бітів, колір має 256 відтінків від 0 до 255.

Усі нульові значення означають відсутність будь-якого кольору — чорний колір, а 255 255 255 — навпаки, білий. За моделлю RGB можна отримати 2563 різних кольорів (або 224). Таке кодування називають True Color. Розглянемо таблицю.

Графічні редактори надають можливість вибрати режим кольору зображення: кольорове, напівтонове (у відтінках сірого) або чорно-біле, а також вказати коефіцієнт прозорості.

У 1996 році прийнято sRGB (standard Red Green Blue) — стандарт подання колірного спектру з використанням моделі RGB для уніфікації її використання в моніторах, принтерах та на інтернет-сайтах.

З таблиці видно, що комбінацією базових кольорів моделі отримано кольори веселки.

До 24-бітного кодування (режим High Color) додається 8-біт-ний альфа-канал, який задає прозорість зображення в піксе-лях. Отже, колір кодується 32 бітами, а реально має 2563 кольорів. У поданні кольору зображення використовується така важлива характеристика графічного зображення, як глибина кольору (або колірна роздільна здатність).

У процесі опрацювання графічних зображень для отримання висококонтрастних зображень користуються технологіями HDR (або HDR! — High Dynamic Range Imaging), які перевищують можливості стандартних технологій відображення. Режим екрану HDR можна встановити в комп'ютері з Windows 10 і отримати яскраве насичене деталізоване зображення порівняно зі стандартом SDR/ LDR (Standard Dynamic Range / Low Dynamic Range) і sRGB.

Глибина кольору, або бітова глибина, — кількість бітів (обсяг пам'яті) для зберігання й подання кольору під час кодування одного пікселя графіки або відеозображення.

На графічному зображенні, яке створене з використанням моделі RGB і чудово виглядає на екрані дисплея, чимало відтінків не передаються на папір під час друку. Кольорове зображення на папері бачимо у відбитому від паперу світлі.

Розглянемо принципи кодування кольору в субтрактивній моделі CMY.

Модель CMY описує колір у відбитому світлі. Оскільки поєднання CMY-кольорів не дає глибокого чорного кольору, то під час друку до основних фарб додають чорну — використовують модель CMYR (англ. blacK — літеру В не використовують, щоб не плутати з Blue моделі RGB).

У комп'ютерах кольори точок на екрані — це відпрацювання матриці світлодіодів: для кожної точки їх три, і кожний світлодіод може світитися з різною інтенсивністю, яка кодується двійковими символами. Інтенсивність кожного світлодіода, а відповідно і яскравість базового кольору кодується 1 байтом (1111 1111 максимальна інтенсивність кольору, а 0000 0000 — відсутність кольору).

Таким чином, у поліграфії друк здійснюється блакитною, пурпуровою, жовтою та чорною фарбами, що, власне, і становить палітру CMYK. У моделі CMY усі нулі дають біле світло (усі колірні компоненти моделі RGB відбились, і додавати до спектра нічого). Якщо поверхня повністю поглинула світло, то ми бачимо її чорною.

Однозначно визначає колір перцепційна модель Lab.

У моделі Lab є можливість окремо впливати на яскравість, контрастність і колір зображення. Колір визначається трьома параметрами: освітленістю, діапазоном зміни від пурпурового до зеленого та діапазоном зміни від синього до жовтого. Освітленість змінюється в діапазоні від 0 до 100 %. Її максимальне значення відповідає максимальній яскравості кольору. Значення діапазонів зміни кольорів задаються числами від -128 до 127.

Вибираючи колір, можна дізнатися, як він виглядатиме. На рис. 6 подано приклад вибору в різних програмах.

Якщо на папері бачимо зображення жовтого кольору, то це означає, що поглинувся синій колір моделі RGB, а зелений і червоний, що відбились, у поєднанні дали жовтий.

Найяскравіші кольори моделі RGB неможливо передати під час друку за допомогою CМYK, а для найтемніших кольорів моделі CМYK немає аналогів у RGB.

Розглянемо приклад вибору колірної моделі для графічного об’єкта, створеного у векторному редакторі, вбудованому в Microsoft Office. Щоб вибрати колір, необхідно:

1) створити або виділити графічний об’єкт і звернутись до стрічки Формат фігури;

2) у групі Стилі фігури вибрати список Заливка фігури, а в ньому — команду Інші кольори заливки;

3) у вікні, що відкрилося, вибрати зі списку модель кодування кольору.

Розглянемо характеристики кольору моделі HSB (рис. 7).

• Колірний тон (англ. — Hue) — колір світла, який ми бачимо. Якщо всі кольори розмістити на колірному колі, то позиція кольору буде змінюватись від 0° до 360°, що й дасть значення параметра тону.

• Насиченість (Saturation) — характеристика чистоти кольору певного тону. Значення насиченості коливаються від 0 до 100 % у суміші з сірим кольором; тон кольору задається хвилею певної довжини, решта хвиль спектра зливаються в сірий колір. Значення 0 насиченості відповідає сірому кольору.

• Яскравість (Brightness) або освітленість (Lightness) — означає, наскільки світлим (100 %) або темним подано колір (0 %). Моделі різні за рахунок останнього компонента.

Запитання для перевірки знань

1 Що таке просторова дискретизація?

2 Назвіть колірні моделі для опису кольорів комп'ютерної графіки.

3 Поясніть принципи кодування кольору в моделях RGB і CMYK. Де використовують таке кодування кольору?

4 Який обсяг пам'яті необхідно виділити для збереження растрового зображення

розміром 64 х 64 пікселі, якщо в палітрі зображення 16 кольорів?

5 Які моделі більш точно описують колір у процесі сканування зображення та виведення цього самого зображення з файлу на друк?

6 Як можна визначити код кольору в зображенні для вебсайту?

 

Практична робота №2

Тема. Опрацювання колірних моделей у векторному графічному редакторі Завдання: ознайомитися з можливостями редактора щодо налаштування колірної гами зображення з використанням різних колірних моделей.

Обладнання: комп'ютер, програмний засіб Microsoft Office.

Хід роботи

Під час роботи з комп’ютером дотримуйтесь правил безпеки.

1 Відкрийте графічний редактор.

2 Намалюйте правильний трикутник: стрічка Вставлення ^ група Ілюстрації ^ Список фігур. Фігура має бути активною — активною є стрічка Формат фігури.

3 Перейдіть до вибору кольору заповнення: у групі Стилі фігур зі списку Заливка фігури виберіть команду Інші кольори заливки. У списку Контур фігури виберіть Без контуру.

4 У вікні, що відкриється, перейдіть на вкладку Спектр і доберіть колір або задайте вручну так, щоб у моделі RGB червоний колір мав значення 255, решта — 0.

5 У списку моделей перейдіть до HSL і запишіть у зошиті значення тону кольору: Hue (або в іншомовному інтерфейсі редактора — тон).

6 Повторіть попередні дії для створення трикутників зеленого та синього кольорів окремо.

7 Попрацюємо з моделлю CMYK: доберіть колір або задайте вручну так, щоб

в моделі RGB два кольори мали значення 255, а третій — 0.

8 Зафіксуйте колір та значення тону, запишіть у зошиті.

9 Повторіть попередні дії, змінюючи попарно значення кольорів (два по 255, третій 0) — кількість трикутників має бути 6.

10 Розташуйте зображення трикутників у ряд за кольорами веселки (див. рисунок). Додайте підписи — вкажіть перші літери кольорів моделей RGB і CMYK.

11 Додайте помаранчевий трикутник і запишіть значення кольорів моделей RGB і HSL.

12 Порівняйте кольори останнього трикутника.

Зробіть висновок щодо збігу кодів у колірних моделях.

 

2.5. Кодування звукових даних

 

Дайте означення просторової дискретизації. Що означає закодувати графічні дані?

Одним зі способів передавання інформації є звук. Звукові сигнали надсилають живі істоти, люди спілкуються завдяки звуку не тільки, коли знаходяться поруч, ай на відстані — за допомогою пристроїв. У пристроях відбувається кодування звичного для нас звуку в певні сигнали. Звуком є фізичне явище — коливальний рух частинок середовищ, який поширюється в цьому середовищі.

Під час передавання звуку поширення коливального руху середовищем є неперервним явищем: будь-якому моменту часу відповідає наявність звукового сигналу.

У комп’ютерах відбувається цифрове кодування неперервного (аналогового) сигналу. Сигнал опрацьовується та зберігається у певні проміжки часу (рис. 1), а висота вертикальних ліній у певні моменти часу показує, який сигнал за значенням, тобто визначає амплітуду сигналу.

Людина сприймає коливання повітря з частотою від 16-20 Гц до 15 000-20 000 Гц. Звуки нижчих частот, які може сприймати людина, називають інфразвуком, вищих частот, до 1 ГГц, — ультразвуком, а вищих за 1 ГГц — гіперзвуком.

Приклад 1. Звукова доріжка вінілової платівки (у минулому ці платівки були єдиним пристроєм зберігання звуку) неперервно змінює свою форму — так зберігаються звукові дані в неперервному, або аналоговому, вигляді.

Оцифрування звуку — процес перетворення звукових даних в аналоговому вигляді у закодований цифровий сигнал.

Дискретизація — процес вимірювання, зберігання та опрацювання значень аналогового сигналу через однакові проміжки часу, які називаються частотою дискретизації (рис. 1, а).

Чим вища частота дискретизації, тим точніше відбувається перетворення безперервних даних у дискретні, але при цьому зростає і кількість отриманих значень і, як наслідок, складність їх опрацювання, передавання та зберігання.

Квантування амплітуди сигналу — процес заміни реального значення сигналу, який отримано в результаті вимірювання, найближчим значенням із набору фіксованих значень, які називають рівнями квантування (рис. 1, б).

Приклад 2. Якщо у відеосю-жеті на незмінному тлі відбувається рух об’єкта, то на всіх кадрах, задіяних у цьому відеосюжеті, зміни стосуються лише рухомого об’єкта. Зберігаються тло та деякі зображення під час руху об’єкта.

Набір фіксованих значень є значеннями ваги розрядів, наприклад, у двійковій або шістнадцятковій системі числення. У процесі кодування визначають значення сигналу в певні проміжки часу (дискретизація) у вигляді двійкового коду (квантування). Будь-яке число можна подати у двійковій системі числення, але на можливість точного подання значення впливає кількість розрядів або бітів.

Кількість використаних розрядів для подання даних називають розрядністю квантування.

Процес оцифрування звуку має таку послідовність кроків:

На приймач подається звуковий сигнал (приклад приймача — мікрофон)

Неперервний електромагнітний сигнал мікрофона подається на аналого-цифровий перетворювач (АЦП)

В АЦП здійснюється безпосереднє оцифрування звуку — дискретизація та квантування отриманого сигналу

Сигнал у вигляді двійкового коду зберігається в комп'ютері

Звукові дані зберігаються у файлах, які потребують значного обсягу пам’яті.

Залежно від способу кодування (є різні способи квантування та стиснення даних) розрізняють такі формати файлів збереження закодованого звуку:

• аудіоформати без стиснення: WAV, AIFF;

• аудіоформати зі стисненням без втрат: APE, FLAC;

• аудіоформати зі стисненням із втратами: MP3, WMA (Windows Media Audio).

Відеодані для їх опрацювання та зберігання комп’ютером теж кодуються. Кодування звукового супроводу відеоданих нічим не відрізняється від кодування звуку, а зображення у відео складається з окремих кадрів, які змінюються з пев-ною частотою.

Розрядність квантування і частота дискретизації є характеристиками звукових пристроїв записування та відтворення. Наприклад, 24 біти/192 кГц; або 16 бітів/48 кГц. Якість цифрового звуку залежить від розрядності й частоти дискретизації.

Кадри кодуються як звичайне растрове зображення — по-піксельно. Якщо закодувати всі кадри, відеодані будуть подані як послідовність змінних графічних об’єктів, описаних у цифровому вигляді. Основою збереження кольорового відео-сюжету є використання моделі RGB. Зміна об’єктів відбувається з однаковою швидкістю. Але закодований таким чином відеофайл матиме великий розмір. Існують різні програми кодування відео, які використовують алгоритми стиснення відеоданих. Програма з таким алгоритмом називається ко-деком. Кожний кодек зберігає відеофайли у своєму форматі. Кодек виявляє і зберігає кадри, на яких вже відбулась зміна сюжету. Такі кадри називають ключовими. Дані зі змінами зберігаються в поточному відносно до попереднього кадрі; проміжні між ними кадри взагалі не зберігаються.

Характеристики зберігання відеоданих: кількість кадрів за секунду та роздільна здатність кадру. Різні стандарти стиснення мають різні характеристики збереження (приклад 3).

Приклад 3. Збереження відеоданих у стандарті SIF характеризується 30 кадрами за секунду та роздільною здатністю кадру 352x240 пікселів.

Запитання для перевірки знань

1 Наведіть приклад зберігання звукових даних в аналоговому (неперервному) вигляді.

2 Опишіть процес оцифрування звуку.

3 Дайте означення дискретизації сигналу.

4 Дайте означення квантування сигналу.

5 Поясніть сутність оцифрування відеоданих.

6 Поясніть, навіщо необхідні алгоритми стиснення для кодування звукових і відеоданих.

Практична робота №3

Тема. Кодування даних різного формату в комп'ютері.

Завдання: проаналізувати візуалізацію формату чисел із рухомою крапкою в комп'ютері за допомогою табличного редактора.

Обладнання: комп'ютер, табличний редактор.

Хід роботи

Під час роботи з комп’ютером дотримуйтесь правил безпеки.

1 Відкрийте табличний редактор MS Excel.

2 У клітинку А1 уведіть 15 одиниць.

3 Скопіюйте це значення в клітинки А2, А3 — активною є клітинка А1.

4 Відкрийте вікно стрічки Основне групи Число.

5 У списку Числові формати виберіть формат Експоненціальний (це одання чисел із рухомою крапкою). (Як змінилося зображення числа?) Зробіть активною А2.

6 Відкрийте вікно форматів, виберіть Експоненціальний і змініть кількість знаків після крапки. Проаналізуйте, скільки нулів після десяткової крапки.

7 Зробіть активною клітинку А3. Виберіть формат Експоненціальний та установіть 0 знаків після крапки.

8 Проаналізуйте: як змінилося зображення числа; розмір чого ви встановлюєте кількістю десяткових знаків; яке значення має порядок числа; що замінює 10 в записі порядку числа.

9 З’ясуйте, скільки існує різних послідовностей із символів «крапка» і «тире» довжиною від 4 до 6 символів (включно).

10 Світлове табло складається з лампочок. Кожна лампочка може перебувати в одному з двох станів («увімкнено», «вимкнено»). Визначте, якою найменшою кількістю лампочок на табло можна передати 100 різних повідомлень.

11 Розгляньте растрову чорно-білу фотографію 13x18 см. У кожному квадратному сантиметрі 450 точок, кожна точка описується 2 бітами. Який обсяг фото в кілобайтах? Для розрахунків скористайтесь табличним процесором.

12 Для збереження растрових зображень розміром 512x256 пікселів відвели 64 Кбайтів пам’яті. Яке максимально можливе число кольорів у палітрі зображення? Для розрахунків скористайтесь табличним процесором.

Зробіть висновок про розміри кодування даних різних типів.

 

 

 

Це матеріал з підручника Інформатика 8 клас Руденко (2021)

 



Попередня сторінка:  Розділ 1. Математичні основи обчислюва...
Наступна сторінка:   Розділ 3. Комп'ютер як універсальний п...



^