Егоров Александр, 10а классГБОУ лицей №378 Кировского района

Санкт-ПетербургаРуководитель: Ключева Елена Евгеньевна,

учитель информатики

Анализ методов кодирования информации

Цель: изучить основные способы кодирования, проанализировать популярность различных методов, определить основные профессии, связанные с кодированием информации.

История кодирования информации начинается в глубокой древности, когда первобытный человек изображал происходящее вокруг в виде петроглифов. Кодирование информации разнообразно. C появлением компьютеров возникла необходимость кодирования всех видов информации, с которыми имеет дело человек. 

Любая информация, с которой работает современная вычислительная техника, преобразуется в числа в двоичной системе счисления.

Дело в том, что физические устройства (регистры, ячейки памяти) могут находиться в двух состояниях, которым соотносят 0 или 1. Используя ряд подобных физических устройств, можно хранить в памяти компьютера почти любое число в двоичной системе счисления. Сколько физических ячеек используемых для записи числа, столько и разрядное число можно записать. Если ячеек 8, то и число может состоять из 8 цифр.

Натуральные числа (целые положительные числа)

Обычно ячейка памяти равна 1 байту, который в свою очередь равен 8 битам. Т.е. в одной ячейке памяти можно сохранить восьмиразрядное число в двоичной системе счисления. Очевидно, что минимальным таким числом будет 00000000, а максимальным 11111111.

Если представить число 11111111 в десятичной системе счисления, то мы получим число 255. Т.е в одном байте можно сохранять целые положительные числа от 0 до 255 включительно (всего 256 значений, что соответствует 28).

Для хранения чисел имеющих значение большее, чем 255, используют большее количество байтов. Так в двух байтах можно хранить число, состоящее из 16 разрядов. Можно узнать количество возможных комбинаций нулей и единиц для 16-ти разрядного числа: 216 = 65536. Т.е. в двух байтах можно сохранить любое число от 0 до 65535.

Кодирование текстовой информации

В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др. 

Традиционно для того чтобы закодировать один символ используют количество информации равное 1 байту, т. е. I = 1 байт = 8 бит.

Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255. 

Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой кодировке. Наглядно это можно представить в виде фрагмента объединенной таблицы кодировки символов

Кодирование графической информации

Качество изображения определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета.

Число цветов (К), воспроизводимых на экране дисплея, зависти от числа бит (N), отводимых в видеопамяти под каждый пиксель:K=2N

Для получения богатой палитры цветов базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. Например, при глубине цвета в 24 бита на каждый из цветов выделяется по 8 бит (RGB), т.е. для каждого из цветов возможны K = 28 = 256 уровней интенсивности. Один бит видеопамяти занимает информация об одном пикселе на черно-белом экране (без полутонов).

Величину N называют битовой глубиной.

Страница - раздел видеопамяти, вмещающий информацию об одном образе экрана (одной "картинке" на экране). В видеопамяти одновременно могут размещаться несколько страниц.

Если на экране с разрешающей способностью 800 х 600 высвечиваются только двухцветные изображения, то битовая глубина двухцветного изображения равна 1, а объем видеопамяти на одну страницу изображения равен 800 * 600 * 1 = 480000 бит = 60000 байт.

Для хранения двух страниц изображения при условии, что разрешающая способность дисплея равна 640 х 350 пикселей, а количество используемых цветов — 16 будет таким: 640 * 350 * 4 * 2 = 1792000 бит = 218,75 КбайтКоличество используемых цветов - 16, это 24, значит, битовая глубина цвета равна 4.

Векторная графика

Векторная графика не позволяет получать изображения фотографического качества.

В векторной графике изображение состоит из простых элементов, называемых примитивами: линий, окружностей, прямоугольников, закрашенных областей. Границы областей задаются кривыми.

Файл, отображающий векторное изображение, содержит начальные координаты и параметры примитивов – векторные команды.

Самым близким аналогом векторной графики является графическое представление математических функций. Например, для описания отрезка прямой достаточно указать координаты его концов, а окружность можно описать, задав координаты центра и радиус.

Информация о цвете объекта сохраняется как часть его описания, т.е. тоже в векторной команде.

 Растровое изображение

Точность передачи рисунка зависит от количества точек и их размера. После разбиения рисунка на точки, начиная с левого угла, двигаясь по строкам слева направо, можно кодировать цвет каждой точки. Далее одну такую точку будем называть пикселем (происхождение этого слова связано с английской аббревиатурой "picture element" - элемент рисунка). Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей (на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов.

Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных ПК в основном используют следующие разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точки. Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того чтобы обрабатывать графические данные. 

Если говорить о черно-белых иллюстрациях, то, если не использовать полутона, то пиксель будет принимать одно из двух состояний: светится (белый) и не светится (черный). А так как информация о цвете пикселя называется кодом пикселя, то для его кодирования достаточно одного бита памяти: 0 - черный, 1 - белый. Если же рассматриваются иллюстрации в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета (а именно такие в настоящее время общеприняты), то достаточно восьмиразрядного двоичного числа для того чтобы закодировать яркость любой точки.

Цветовые модели

Если говорить о кодировании цветных графических изображений, то нужно рассмотреть принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK. Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т. е. удобна для человека, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK-для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что световой поток может формироваться излучениями, представляющими собой комбинацию " чистых" спектральных цветов : красного, зеленого, синего или их производных. Различают аддитивное цветовоспроизведение (характерно для излучающих объектов) и субтрактивное цветовоспроизведение (характерно для отражающих объектов). В качестве примера объекта первого типа можно привести электронно-лучевую трубку монитора, второго типа - полиграфический отпечаток. 

Различают несколько режимов представления цветной графики:

а) полноцветный (True Color);

б) High Color;

в) индексный. 

При полноцветном режиме для кодирования яркости каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 разряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза. При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда. 

Режим High Color - это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то есть уменьшается количество двоичных разрядов при кодировании каждой точки. Но при этом значительно уменьшается диапазон кодируемых цветов. 

При индексном кодировании цвета можно передать всего лишь 256 цветовых оттенков. Каждый цвет кодируется при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, то подразумевается, что к графическим данным прилагается палитра (справочная таблица), без которой воспроизведение будет неадекватным: море может получиться красным, а листья - синими. Сам код точки растра в данном случае означает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в палитре. Отсюда и название режима - индексный. 

Кодирование звуковой информации

Физически звук представляет собой волновые колебания давления в той или иной среде. Каковы бы ни были физические характеристики колебаний, в данном случае важно то, что звук представляет собой нечто неделимое на части (непрерывное), пробегающее в пространстве и времени. Чтобы записать звук на какой-нибудь носитель можно соотнести его уровень (силу) с какой-нибудь измеряемой характеристикой этого носителя.

Для того, чтобы записать звук на цифровой носитель информации (например, жесткий диск), его подвергают так называемой оцифровке, механизм которой заключается в измерении параметров звука через определенные промежутки времени (очень малые).

Дискретизация и квантование

При преобразовании звуковой информации в цифровую форму ее подвергают дискретизации и квантованию. Дискретизация заключается в замерах величины аналогового сигнала огромное множество раз в секунду. Полученной величине аналогового сигнала сопоставляется определенное значение из заранее выделенного диапазона: 256 (8 бит) или 65536 (16 бит). Привидение в соответствие уровня сигнала определенной величине диапазона и есть квантование.

Понятно, что как бы часто мы не проводили измерения, все равно часть информации будет теряться. Однако и понятно, что чем чаще мы проводим замеры, тем точнее будет соответствовать цифровой звук своему аналоговому оригиналу.

Также, чем больше бит отведено под кодирование уровня сигнала (квантование), тем точнее соответствие.

С другой стороны, звук хорошего качества будет содержать больше данных и, следовательно, больше занимать места на цифровом носителе информации.

В качестве примера можно привести такие расчеты. Для записи качественной музыки аналоговый звуковой сигнал измеряют более 44 000 раз в секунду и квантуют 2 байтами (16 бит дает диапазон из 65536 значений). Т.е. за одну секунду записывается 88 000 байт информации. Это равно (88 000 / 1024) примерно 86 Кбайт. Минута обойдется уже в 5168 Кбайт (86*60), что немного больше 5 Мб.

Профессии, связанные с кодированием информации

Шифровальщик (Криптограф)

• Шифровальщик – специалист по расшифровке и зашифровыванию информации.

Особенности профессии

Для чего шифруют информацию? Для того, чтобы она не досталась противнику.Разумеется, это касается не всей информации, а только действительно важной и секретной.

Шифр применяют, когда информацию нужно передать своим, но высока вероятность, что она попадёт в чужие руки. Её обязательно нужно защитить, например, при передаче по рации, по электронной почте. Другой вариант: информация хранится в секретной базе данных, но её всё равно зашифровывают на случай проникновения хакеров. «Ключ» от шифра есть только у посвящённых, допущенных к секрету. Информация может быть и военной, и дипломатической, и касаться государственной разведки. А может принадлежать какой-либо коммерческой структуре. 

С военной информацией работают военные шифровальщики, если она касается международной разведки и контрразведки – это дело сотрудников ФСБ.  В коммерческих структурах ею занимаются сотрудники отделов информационной безопасности. 

Иногда шифровка довольно проста:  с помощью условного знака, слова или фразы можно предупредить о каком-то событии. Все помнят знаменитый провал связного Штирлица  на явочной квартире. Тогда профессор Плейшнер  не обратил внимания на выставленный в окно горшок с цветком  – предупреждение, что явка провалена, и ходить туда не нужно.

Рядовой шифровальщик, как правило, не разрабатывает шифр самостоятельно, но умеет им пользоваться. По существу, он выполняет роль оператора: получает зашифрованный текст и, применяя «ключ», расшифровывает его. Или наоборот, шифрует для дальнейшей передачи. Каждый раз для передачи послания используется новый шифр. Рядовой шифровальщик берёт его из специального шифровального блокнота, который тщательно оберегается от посторонних.

Разработкой систем шифров, шифрующих программ занимаются криптографы. Для этой работы требуется высокая квалификация. Это же касается и работы крипто аналитика, специалиста по взлому шифров.Имена некоторых криптографов и разработчиков защитных программ широко известны. Среди них – Евгений Касперский, окончивший в своё время технический факультет Высшей краснознамённой школы КГБ (ныне Институт криптографии, связи и информатики Академии ФСБ России).

К минусам профессии шифровальщика можно отнести повышенную секретность. Если шифровальщик допущен серьёзным секретам государственной важности, он не вправе говорить о своей работе никому, даже о том, как именно называется его специальность и в какой структуре он работает. От его умения молчать, а также от его уровня квалификации могут зависеть успехи (или провалы) спецслужб. Если шифровальщик служит в Армии, то ещё несколько лет после службы он не может выезжать за рубеж.

Также весьма секретна информация коммерческая. В коммерческих структурах этот минус  оборачивается плюсом: даже у рядовых шифровальщиков отдела информационной безопасности весьма высокие зарплаты.

Программист

Программист — это специалист, занимающийся разработкой алгоритмов и программ на основе математических моделей. Условно программистов можно разделить на три категории: 

Прикладные программисты занимаются разработкой программного обеспечения, необходимого для работы организации. Например, сюда можно отнести программистов 1С.

Системные программисты разрабатывают операционные системы, интерфейсы к распределенным базам данных, работают с сетями. Специалисты этой категории являются самыми редкими и высокооплачиваемыми. 

Web-программисты имеют дело с сетями, но, как правило, с глобальными, такими, как Internet. Они пишут web-интерфейсы к базам данных, создают динамические web-страницы и т.п. 

Перспективы кодирования информации очень большие. Ведь каждый день люди придумывают и создают новые. Сейчас уже существуют продвинутые способы кодирования. Например тот же сканер сетчатки глаза, отпечатков пальцев, кодеры речи.Я расскажу о некоторых из них.

Кодер РечиКодеры формы характеризуются способностью сохранять основную форму речевого сигнала. Кодеры формы не являются специфичными для речи в том смысле, что они с успе хом работают с любой формой входного сигнала, и их применение ограничено только пределами амплитуды и шириной полосы. Сохраняя огибающую формы сигнала, подобные кодеры работают по принципу выборка-выборка, и их характеристики эффективно измеряются отношением сигнал/шум (ОСШ), так как квантование является основным источником искажений формы выходного сигнала.

ИКМ — первый мировой стандарт кодирования речи со скоростью 64 кбит/с с логарифмическим сжатием (по μ-закону для Северной Америки и А-закону для Европы). ИКМ-кодер является кодером формы и все еще широко используется в цифровых системах. Некоторые другие кодеры, например с дельта-модуляцией и плавно изменяющейся крутизной (CVSDM — Continuous Variable Slope Delta Modulation) на скорости 32 кбит/с, используются для решения специфичных задач. Хотя подобные высокоскоростные алгоритмы кодирования малоэффективны, они, тем не менее, остаются самыми эксплуатируемыми системами и, возможно, будут оставаться таковыми еще некоторое время.

Сканирование сетчатки глаза

Технология сканирования радужной оболочки глаза была впервые предложена в 1936 году офтальмологом Франком Бурхом (Frank Burch). Он отметил, что радужная оболочка глаза каждого человека является уникальной. В 1994 году Джон Дафман (John Daugman) из компании Iridian Technologies запатентовал алгоритм для обнаружения таких различий.В системах сканирования сетчатки глаза идентификация происходит с использованием инфракрасного излучения низкой интенсивности, направленного через зрачок к кровеносным сосудам на задней стенке глаза. У сканеров сетчатки глаза - один из самых низких процентов отказа в доступе зарегистрированных пользователей и практически не бывает ошибочных разрешений доступа, хотя возрастные изменения сетчатки тоже способны повлиять на результат. Кроме того, изображение радужной оболочки должно быть четким, поэтому наличие катаракты может также привести к отказу в доступе.Сканеры глаз анализируют различные детали цветной ткани, окружающей зрачок. Для сканирования используется обычная видеокамера. При этом пользователь смотрит в устройство, а после сканирования радужной оболочки оно сравнивает полученное изображение с имеющимися в базе. Процесс опознавания варьируется, но обычно составляет менее пяти секунд. При этом для сканирования достаточно лишь быстрого взгляда в устройство.

Для предотвращения использования поддельных глаз, некоторые модели изменяют поток света, идущий в глаз, и следят за реакцией зрачка – не изменяющийся размер свидетельствует о подделке.В настоящее время подобные сканеры используются в различных военных и правоохранительных структурах. Однако они не получили такого широкого распространения, как сканеры отпечатков пальцев, несмотря на свою более высокую безопасность. Обычно такие сканеры громоздки.Сканеры сетчатки имеют аналогичный принцип работы, однако при этом человек должен находиться очень близко к камере. Данная камера фиксирует изображение крошечных кровеносных сосудов на сетчатке, подсвеченных слабым лазером. Считается, что подобные сканеры невозможно обмануть, и потому они устанавливаются в зонах с очень высокой безопасностью. Их высокая стоимость и необходимость помещать глаз близко к камере мешает их более широкому использованию.

В ходе работы был проведен анализ теоретического материала по теме исследования; проведен анализ профессий, связанных с темой кодирования. По методам кодирования была создана презентация-игра для учащихся 5-6 классов, которая помогла им разобраться в основных способах.

Результаты опроса

31%

50%

10%8%

Что такое код?

Не знаюЗатрудняюсь ответитьВерно ответилиНе верно ответили

10%

24%

45%

21%

Что такое кодирование информации?

Не знаюЗатрудняюсь ответитьВерно ответилиНе верно ответили

10%

22%

42%

19%

1%2% 3%

Какие способы кодирования вы знаете?

Графически Звуковой СимвольныйЧисловойНе помнюНе знаюДругие

16%

46%5%

18%

15%

Часто ли Вы задумываетесь над тем, как происходит кодирование информации?

Редко

Совершенно не задумываюсь над этим

Довольно часто

Довольно редко

Затрудняюсь ответить

66%

22%

12%

Знаете ли Вы, как происходит кодирование символьной, звуковой или

графической информации?

ДаНетЗатрудняюсь ответить

22%

6%

50%

6%

6% 11%

Назовите профессии, связанные с кодированием информации

ПрограммистИнженерУчитель информатикеРадист ШифровальщикНе знаю

Назовите профессии, связанные с кодированием информации

Опрашиваемые назвали такие профессии, как программист, шифровальщик, учитель информатики, радист, инженер…

Назовите фильмы, связанные с кодированием информации

Опрашиваемые назвали такие фильмы, как «Код да Винчи», «Матрица», «Семнадцать мгновений весны», «Крепкий орешек», «Джеймс Бонд», «Шерлок Холмс» и др.

Вывод:Хоть в школе и изучают кодирование информации, но мало кто до конца осознает, зачем это надо. Хотя мы постоянно связаны с кодированием, очень немногие задумываются об этом. Профессии, связанные с данной темой, становятся все более популярными (т.к. список таких профессий постоянно расширяется).

Специально разработанная викторина для учащихся 5-6 классов (часть)

ВИКТОРИНА

Какая информация в памяти компьютера представляется в виде чисел в двоичной системе счисления?

Числовая

Текстовая

Графическая

Все перечисленн

ые

Ячейка памяти равна 1 байту, в свою очередь равна?

16 бит

24 бит 1024 бит

8 бит

В кодировании графической информации величину N называют?

Цветовой глубиной

Кило битовой глубиной

Нет правильно варианта

Битовой глубиной

Если представить число 11111111 в десятичной системе счисления, то мы получим?

254

Нет правильного

ответа256

255

Качество изображения определяется разрешающей способностью?

Экрана

Нет правильного

ответа

Глубиной цвета

Экрана и глубиной

цвета

При индексном кодировании цвета можно передать всего лишь … цветовых оттенков?

257

258 255

256