Представление данных в памяти персонального компьютера (числа, символы, графика, звук)
Вычислительная техника возникла с целью автоматизации вычислений. Однако, вскоре стала ясна необходимость обработки и представления текстовой информации. Впервые появились текстовые редакторы, которые с течением времени дополнялись возможностями работы с графикой и рисунками. Использовались специальные символы для создания таблиц и диаграмм. Однако, потребности в графической информации на компьютере быстро росли, и графика стала неотъемлемой частью компьютерной информации.
Также со временем появилась возможность обрабатывать звук и видео. Рост быстродействия компьютеров создал технические возможности для работы с мультимедийной информацией.
Основные принципы двоичного кодирования четко сформулированы в пособии для учителя [1].
При кодировании в двоичном алфавите A величины, принадлежащей алфавиту B, необходимо установить правила замены символов алфавита B символами алфавита A.
Двоичный алфавит A состоит из символов 0 и 1. Каждой букве алфавита B соответствует определенный двоичный код, который может быть произвольным. При этом коды различных букв должны быть уникальными, чтобы обеспечить однозначность кодирования. Кроме того, двоичные коды букв алфавита B должны иметь одинаковое количество двоичных цифр. Например, в 32-разрядной машине число 1 представляется в виде 31 незначащего нуля, за которыми следует единица.
Существует важный вопрос, который следует обсудить перед переходом к конкретным видам информации – это различие между дискретной и непрерывной информацией, к которому часто обращаются как к аналоговой. Дискретность означает прерывность и отличается от непрерывности. По определению математического словаря, дискретность – это изменение значения какой-либо величины через определенные интервалы времени, т.е. скачками. Также можно отметить, что связь дискретности с системой целых чисел позволяет пронумеровать дискретные значения.
Дискретность — это свойство быть разбитым на отдельные элементы или состояния. В контексте цифровых измерительных приборов, таких как вольтметр, показания являются дискретными, в отличие от стрелочных приборов. Другим примером является распечатка матричного принтера, которая также является дискретной. Напротив, линия, проводимая графопостроителем, является непрерывной.
Современные материальные носители документированной информации
... обеспечивающие на базе действующего законодательства и других правовых норм оперативность фиксации, сбора, обработки, поиска и передачи информации, надежность ее хранения, удаленный доступ, предоставление информации в нужное время, на нужном носителе и в нужной форме, ...
Растровый способ представления изображений также является дискретным, в то время как векторная графика является непрерывной. Таблица значений функции также является дискретной, но при рисовании графика на бумаге и соединении точек получается непрерывная линия.
Однако, не все так просто. Например, в современных глянцевых журналах фотографии также могут быть дискретными, в то время как распечатка картинок на лазерном принтере может быть как дискретной, так и непрерывной. В этом случае, характеристика dpi (количество точек на единицу площади) может вызвать сомнения в непрерывности картинки.
Кроме того, при рассмотрении мельчайших составляющих мироздания, таких как атомы, и чувствительности нашего глаза, вопрос о дискретности и непрерывности становится более сложным и неоднозначным.
Хранение информации в компьютере
Важным аспектом хранения информации в компьютере является проблема дискретизации. Это связано с тем, что компьютер способен хранить только дискретную информацию, состоящую из отдельных битов.
Для понимания этой проблемы, рассмотрим аналогию с непрерывными и дискретными величинами. Подобно тому, как издали жилой массив может казаться сплошной стеной, но при ближайшем рассмотрении мы видим отдельные дома и пространство между ними, непрерывная информация ассоциируется с графиком функции, а дискретная — с таблицей её значений. С уменьшением интервала дискретизации (или увеличением количества точек в таблице) различия между ними становятся менее существенными, что позволяет дискретизированной величине хорошо описывать исходную непрерывную информацию.
Проблема дискретизации
Проблема дискретизации или квантования информации всегда является ключевой при хранении звуковой информации и во многих других случаях. Несмотря на то, что она редко упоминается, она имеет большое значение для кодирования информации.
Преобразование информации для компьютера
Теперь, когда мы понимаем основные принципы преобразования информации для ввода в компьютер, давайте рассмотрим, как эти принципы реализуются для различных видов информации.
Целые числа
Целые числа являются дискретным типом информации, который легко преобразуется для хранения в компьютере. Для этого достаточно перевести число в двоичную систему счисления. Однако стоит отметить, что кодирование отрицательных целых чисел имеет свои особенности, которые мы рассмотрим в контексте представления числовой информации.
Вещественные числа
В отличие от целых чисел, вещественные числа являются непрерывными и могут иметь бесконечное число разрядов в своем представлении. Это связано с тем, что любое вещественное число можно дробить на все более мелкие части, что требует бесконечного количества разрядов для точного представления. Однако в ЭВМ для представления вещественных чисел используется ограниченная точность, и младшие разряды просто игнорируются. Это может приводить к проблемам, таким как неточное сравнение двух вещественных значений на равенство. Например, при разделении отрезка от 0 до 1 на равные части, значения могут быть немного меньше ожидаемых. Этот эффект важно учитывать при работе с вещественными числами и избегать сравнения на точное равенство.
Символы
Символы также являются дискретными величинами, поскольку компьютер оперирует ограниченным набором символов. Этот набор символов можно рассматривать как алфавит машины, где каждый символ имеет свою фиксированную позицию. Для хранения символов в памяти ЭВМ каждый символ заменяется числом, которое соответствует его позиции в алфавите.
Кодирование информации
... имеет специальное название - кодирование информации. Цель реферата: изучение теоретических аспектов применения систем кодирования информации. Задачи реферата: Узнать и изучить все способы кодирование информации; Выявить различные формы представления информации; Сделать выводы В данном реферате использована литература прошлых ...
Компактное хранение символов и их недостатки
Замена символа его номером имеет ряд преимуществ, включая компактность хранения. Однако этот подход также сопряжен с определенными недостатками. Один из основных недостатков заключается в том, что текст можно корректно воспроизвести на другом компьютере только в случае совпадения алфавитов обоих компьютеров. Для латинских букв, для которых существует единый стандарт, это требование не является строгим, но в случае с русскими текстами ситуация заметно усложняется.
Даже в пределах одного компьютера существует различие в кодировке русских букв в операционных системах MS-DOS и Windows. Тем не менее, перекодировка текста является относительно простой задачей, и при правильном указании исходной и требуемой кодировки она может быть решена автоматически.
Отображение символов на экране и на бумаге
При выводе символа компьютер определяет, как его следует изобразить на экране или на бумаге. Ранее для каждого символа хранилась его растровая картинка, представляющая собой матрицу из черных и белых точек, окрашенных в соответствии с начертанием символа. Такой подход позволял компьютеру легко ориентироваться в таблице символов, которая научно называлась знакогенератором.
Однако у этого метода вывода текста был главный недостаток: начертания букв и их размер были жестко зафиксированными. С ростом объема текстовой обработки на компьютерах стало необходимым разработать новые принципы организации шрифтов, чтобы обеспечить большую гибкость. В современном подходе для каждого символа не хранится его начертание, а создается своеобразная программа, которая порождает изображение символа с использованием векторного способа создания изображений.
Геометрические параметры этих «программ» могут легко изменяться, что обеспечивает быстрое и удобное масштабирование шрифтов.
Графика
Каждое графическое изображение состоит из пикселей, которые представляют собой точки с определенными цветами. Сохранение изображения, по сути, означает сохранение цветов пикселей. Для этого можно использовать ограниченное количество цветов и создать «алфавит цветов», затем сохранять номера цветов. Однако, в отличие от текстовых символов, набор цветов в графических изображениях может сильно различаться. Например, лесное изображение имеет разнообразные оттенки зеленого, в то время как изображение облаков преимущественно состоит из белых и голубых цветов. Поэтому некоторые графические форматы хранят палитру вместе с изображением, что существенно сокращает размер файла.
Важно отметить, что для компьютерного представления непрерывных изображений, таких как художественные рисунки, необходимо специальное устройство, способное осуществлять это преобразование. Сканеры и цифровые камеры являются примерами таких устройств, но важно знать, что они также выполняют дискретизацию изображения, то есть аналого-цифровое преобразование.
Кроме растрового способа хранения изображений, существует векторный метод. В нем сохраняется программа рисования, а не полная матрица пикселей. Кодирование этой программы зависит от используемого программного обеспечения и ближе к программированию, чем к хранению данных. Векторные изображения обычно создаются на компьютере, в то время как векторизация натуральных изображений является сложной задачей и не всегда дает хорошие результаты.
Ввод и вывод информации
... и выделения элементов изображения устройства ввода графической информации делятся на два больших класса: автоматические и полуавтоматические. В полуавтоматических устройствах ввода графической информации функции поиска и выделения элементов изображения ... печатающие устройства) – это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы и ...
Для ввода в ЭВМ звуковой информации нужна дискретизация, происходящая как по времени, так и по интенсивности звука. Информация о звуке описывается последовательностью целых чисел, полученных в результате округления интенсивности звука к ближайшему значению в стандартном наборе фиксированных значений. В компьютере информация хранится в двоичном виде, а кодирование любой информации является ее преобразованием в числовую форму. Для ввода в компьютер графической и звуковой информации требуется использование процедур, которые преобразуют эту информацию в дискретную форму. Информация всех видов хранится и обрабатывается компьютером в дискретной форме, не требующей дополнительной обработки. Однако для сохранения качества процесса дискретизации выдвигаются высокие требования к его точности.
2. Математический энциклопедический словарь. / Гл. ред. Ю.В. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1988, 847 с.
3. Еремин Е.А. Как работает современный компьютер. Пермь: Изд.-во ПРИПИТ, 1997, 176 с. (необходимая часть книги доступна в Интернет по адресу
4. Информационная культура: Кодирование информации. Информационные модели. 9-10 классы. М.: Дрофа, 2000, 208 с.
