Способ кодирования информации с помощью чисел что это

Способ кодирования информации с помощью чисел. Двоичное кодирование

В процессе развития человечество пришло к осознанию необходимости хранить и передавать на расстояния ту или иную информацию. В последнем случае требовалось её преобразование в сигналы. Этот процесс называется кодированием данных. Текстовая информация, а также графические изображения при этом могут преобразоваться в числа. О том, каким образом это можно сделать, расскажет наша статья.

Передача информации на расстояние

Чтобы передать сообщение от автора к адресату (от источника к приемнику), чаще всего используются три вида систем передачи:

• фельдъегерско-почтовая;
• акустическая (например, посредством громкоговорителя);
• на основе того или иного способа электросвязи (проводная, радио, оптическая, радиорелейная, спутниковая, оптико-волоконная).

Наиболее распространенными на данный момент являются системы передачи последнего типа. Однако для их использования требуется предварительно применить тот или иной способ кодирования информации. С помощью чисел в привычном для современного человека десятичном исчислении сделать это крайне сложно.

Шифрование

Иногда содержание послания требуется скрыть от посторонних. В таком случае используется шифрование. При этом могут быть использованы различные способы кодирования информации с помощью чисел.

Двоичная система счисления

На заре компьютерной эры ученые были озабочены поисками устройства, которое бы позволило максимально просто представлять числа в ЭВМ. Вопрос разрешился, когда Клод Шенон предложил использовать двоичную систему счисления. Она была известна с 17 века, и для ее реализации требовалось устройство с 2 устойчивыми состояниями, соответствующими логической «1» и логическому «0». Их на тот момент было известно предостаточно — от сердечника, который мог быть либо намагниченным, либо размагниченным, до транзистора, способного находиться или в открытом, или в закрытом состоянии.

К плюсам двоичной системы исчисления относится также простота вычислений, которые можно производить над числами, представленными в двоичной записи.

Как осуществляет преобразование «обычной» информации в вид, пригодный для обработки и хранения ЭВМ

Компьютерный двоичный код технически реализуется отсутствием или наличием импульсов у микроскопических запоминающих элементов. Эти могут быть:

1. Фотооптические импульсы. Поверхность любого оптического диска (DVD, CD или BluRay) состоит из спирали, сформированной из мелких отрезков. Каждый из них либо светлого, либо темного цвета. Когда диск вращается в дисководе, на его спиральную дорожку фокусируется лазер. Его отражение попадает на фотоэлемент. Последний в данном случае является приемником информации. Светлые участки спирали отражают свет и передают его на фотоэлемент, темные, наоборот, поглощают свет. В результате на фотоэлемент поступает информация, зашифрованная в дорожке диска как темные и светлые точки.

2. Магнитные импульсы. С их помощью кодируется информация на жестком диске, внутри которого расположена быстро вращающаяся пластина. Как и в случае с оптическими дисками, вся ее поверхность — спираль, которая состоит из последовательности мелких участков в количестве нескольких миллионов. Каждый из них представляет собой элемент, который способен принимать одно из двух состояний: «намагниченное» или «ненамагниченное». Они формируют двоичный код той или иной информации. «Выяснение», в каком состоянии находится конкретный элемент, осуществляется посредством специальной головки, которая перемещается по поверхности пластины.

3. Электрические импульсы. Оперативная память ЭВМ представляет собой микросхему, состоящую из миллионов маленьких ячеек, «собранных» из микроскопических конденсаторов и транзисторов. Каждая из них может содержать электрический заряд или быть незаряженной. Комбинации ячеек оперативной памяти, которые находятся в одном из этих двух возможных состояний, формируют двоичный код. Во всех других устройствах на основе запоминающих микросхем, например, на флешках, SSD-носителях и пр., информация сохраняется точно таким же образом.

Кодирование текстов

Как уже было сказано, одним из видов преобразования информации для ее передачи и хранения является шифрование. Оно используется для защиты от несанкционированного доступа. Изначально для шифрования наряду с более примитивными применялись следующие способы кодирования информации:

• Посредством квадрата Полибия, представляющего собой таблицу, в которую в определенном порядке вписан весь греческий алфавит. Каждая буква сообщения заменялась парой чисел, представляющих собой номер столбца и строки.
• Посредством диска Альберти, состоящего из двух концентрических кругов. На них были нанесены буквы и цифры. Они ставились друг другу в соответствие путем вращения дисков.

Современный способ кодирования текстовой информации в компьютере основан на похожих принципах. Для его реализации каждому символу алфавита отвечает определенное целое число. Затем оно переводится в двоичный код. Восемь двоичных разрядов позволяют кодировать 256 различных символов. Их достаточно для представления всех букв английского и русского языков, включая прописные, знаков арифметических действий и препинания, а также некоторые общепринятые спецсимволов.

На данный момент действует система ASCII. Для нее закреплены 2 таблицы кодирования. Из них базовая определяет значения от 0 до 127, а расширенная представлена номерами от 128 до 255.

Как осуществляется кодирование монохромной картинки в компьютере

Любое черно-белое изображение, распечатанное на бумаге, под увеличительным стеклом выглядит как множество точек, которые принято называть растром. Линейные координаты и яркость каждой из можно выразить через целые числа. Это значит, что для растирования изображения можно использовать двоичный код. Общепринятым на данный момент считается представление монохромных иллюстраций в виде комбинации большого числа точек с 256 градациями серого. Для числового кодирования яркости любой из них требуется восьмиразрядное двоичное число.

Представление цветных картинок

Способ кодирования информации с помощью чисел для таких изображений реализуется несколько сложнее. С этой целью предварительно требуется декомпозиция картинки на 3 основных цвета (зеленый, красный и синий), так как в результате их смешения в определенных пропорциях можно получить любой оттенок, воспринимаемый человеческим глазом. Такой способ кодирования картинки с помощью чисел с использованием 24 двоичных разрядов называется RGB, или полноцветным (True Color).

Если же речь идет о полиграфии, то используется система CMYK. Она основана на идее о том, что каждую из основных компонент RGB можно поставить в соответствие с цветом, дополняющим её до белого. Ими являются голубой, пурпурный и желтый. Хотя их достаточно, с целью снижения полиграфических расходов, добавляют и четвертую компоненту — черную. Таким образом, для представления графики в системе CMYK требуется 32 двоичных разряда, а сам режим принято называть полноцветным.

Представление звуков

На вопрос о том, есть ли для этого способ кодирования информации с помощью чисел, ответ должен быть положительным. Однако на данный момент такие методы не считаются совершенными. К их числу относятся:

• Метод FM. Он основан на разложении любого сложного звука на последовательность элементарных гармонических сигналов разных частот, которые можно описать кодом.
• Таблично-волновой метод. В заранее составленных таблицах хранят сэмплы — образцы звуков для различных музыкальных инструментов. Числовые коды выражают тип и номер модели инструмента, высоту тона, интенсивность и продолжительность звука и пр.

Теперь вы знаете, что двоичное кодирование — один из распространенных способов представления информации, который сыграл огромную роль в развитии компьютерной техники.

Источник

Способы кодирования информации

Вы будете перенаправлены на Автор24

Кодированием информации называют преобразование данных в вид, удобный для обработки и передачи. То есть, по сути, это превращение одной информационной формы в другую. А собственно код — это комбинация символов для обозначения общепринятых и общеизвестных понятий.

Как правило, определённые образы при кодировке (можно сказать шифровании) могут быть выражены определёнными знаками. Набор различных знаков образует некое множество с ограниченным набором элементов. Электронные вычислительные машины способны работать только с информационными данными, заданными в формате чисел. Поэтому информационные данные других видов (к примеру, речь, различные звуки, изображения и так далее) для использования и преобразования компьютерными программами необходимо представить в числовом формате.

В качестве примера можно рассмотреть преобразование в формат набора чисел музыкальных звуков. Для этого необходимо через определённые временные интервалы определять амплитуду звуковых колебаний на некотором наборе частот, выражая в виде числа итоги этих замеров. Далее, используя специальное программное обеспечение, возможно сделать практически любую обработку этих данных. К примеру, соединить звуковую информацию от различных источников.

Аналогично этому, возможно преобразовывать и любые данные, представленные в виде текста. При наборе текста, например, с клавиатуры компьютера, любой символ заменяется некоторым числовым значением, а при выводе сформированного текстового файла на дисплей или принтер, выполняется обратная процедура. То есть набор чисел преобразуется в понятные людям визуальные образы букв.

Выстроенную связь между числовыми значениями и соответствующими им буквами, можно назвать кодировкой символов.

Готовые работы на аналогичную тему

В компьютерной технике принято использовать не десятичную, а более легко реализуемую электроникой, двоичную систему счисления. То есть, применяются всего две цифры ноль и единица, что соответствует двум устойчивым состояниям базового элемента электроники, триггера. Но ввод и вывод числовой информации осуществляется в привычной обычному человеку десятичной системе счисления, что обеспечивает соответствующее программное обеспечение.

Методы кодирования данных

Одни и те же информационные данные можно выразить (кодировать) в различных форматах. С созданием электронных вычислительных машин появилась потребность кодировать практически все типы информационных данных, с которыми связаны конкретные люди и всё мировое сообщество в целом. Но заниматься проблемой шифрования (кодирования) информации люди начали ещё до изобретения электронных вычислительных машин. Великие изобретения людей, какими являются письменность и математика (и её подраздел, арифметика), по сути и есть методы кодирования человеческой речи и числовых данных.

В абсолютно чистом виде информацию мы нигде не встретим, в любом случае она будет как-то выражена (закодирована). Самым распространённым методом выражения информации является система двоичных кодов. В электронных вычислительных машинах, в роботизированных комплексах, в устройствах числового программного управления (УЧПУ) металлорежущими и другими станками, информационные данные, с которыми оперирует оборудование, представлены в виде набора двоичных чисел.

Кодирование текстовой (символьной) и числовой информации

Главная процедура, выполняемая над каждым элементом текстовых данных, это сопоставление символов. В процедуре сравнения символов основным моментом выступает неповторимость шифра (кода) любого символа и размер данного шифра (кода), а собственно метод кодировки фактически не важен.

Чтобы закодировать какой-либо текст, применяются разнообразные таблицы перекодирования. Главное, чтобы для кодирования и последующего декодирования применялись одни и те же таблицы. Таблица перекодирования должна включать в свой состав формализованный определённым порядком список символов для кодирования, согласно которому выполняется перевод символа в двоичный код, а также обратная процедура.

Самые распространённые формы таблиц это:

Длина кода представления символа уже давно сформировалась как 8 бит (1 байт). И именно по этой причине один текстовый символ занимает один байт памяти компьютера. Соответственно, число вариантов (комбинаций) набора нулей и единиц при размере кода 8 бит будет два в восьмой степени, то есть 256. Это означает, одна таблица для перекодирования позволяет кодировать максимум 256 символов. Но если использовать код длиною в два байта, то это число соответственно возрастёт до 65536 символов.

У кодирования чисел и текста есть один общий момент, для возможности сравнения данных такого вида, различные числа (как и в случае символов) обязаны иметь разные коды. Главной отличительной особенностью числовой информации от символьной, является то, что числа кроме процедуры сравнения, подвергаются ещё самым разным арифметическим операциям (вычитание и сложение, умножение и так далее). Для выполнения этих действий в электронных вычислительных машинах служит двоичная позиционная система счисления.

При кодировании текстовой информации каждый символ имеет своё двоичное число (код) от 00000000 до 11111111, что в десятичной системе соответствует числам от 0 до 255.

Следует учитывать, что для кодирования букв русского алфавита существует пять разных кодовых таблиц (КОИ — 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), при этом, если текст вводился с применением одной из таблиц, то он будет неправильно декодироваться при использовании другой таблицы.

Кодирование графической информации

Одним из основных действий при кодировании графики (изображения) можно считать разделение её на отдельные составные части. Этот процесс называется дискретизация. Главными методами отображения графической информации для сохранения и дальнейшей работы с ней на электронной вычислительной машине можно считать растровые и векторные изображения. Векторные изображения – это объекты графики, которые составлены из разных простейших фигур геометрии (обычно это дуги окружности и отрезки прямых). Расположение этих геометрических фигур задаётся координатами точек и длинами радиусов.

Источник

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020

Методы кодирования информации

Код — это комплект условных обозначений (либо сигналов) с целью записи (либо передачи) предварительно определенных конкретных понятий.

Кодирование информации – это процедура образования установленного представления данных. В узком смысле «кодирование» переключение с одной формы представления данных к иной, наиболее комфортной для хранения, передачи либо обработки.

Как правило любой образ при кодировании представляется отдельным символом.

Символ — это компонент конечного множества непохожих друг на друга компонентов.

Пк способен подвергать обработке лишь данные, представленные в числовой форме. Вся иная информация (к примеру, звуки, изображения и т. д.) для обработки в пк должна быть преобразована в числовую форму. К примеру, для того чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, необходимо через незначительные интервалы времени определять интенсивность звука на определенных частотах, представляя итоги каждого измерения в числовой форме. С помощью программ для пк возможно осуществить преобразования полученной данных, к примеру «наложить» друг на друга звуки с разных источников.

Подобным способом в пк возможно подвергать обработке текстовую информацию. При вводе в пк каждая буква кодируется конкретным числом, а при выводе на внешние устройства с целью восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как мы знаем все без исключения числа в пк представляются с помощью нулей и единиц. Другими словами, пк как правило функционируют в двоичной системе счисления, так как при этом устройства для их обработки получаются наиболее элементарными. Ввод чисел в пк, а также вывод их с целью чтения человеком способен реализоваться в обычной десятичной форме, а все без исключения требуемые преобразования осуществляют программы, действующие в пк.

Двоичный код – это метод представления данных с помощью 2-ух знаков — $0$ также $1$.

Длина кода – число знаков, применяемых для представления кодируемой информации.

Бит — это одна двоичная цифра $0$ либо $1$. Одним битом возможно закодировать 2 значения: $1$ либо $0$. Двумя битами возможно закодировать 4 значения: $00$, $01$, $10$, $11$. Тремя битами кодируются $8$ различных значений. Добавление 1-го бита удваивает число значений, которое возможно закодировать.

Виды кодирования информации

Различают кодирование информации следующих видов:

кодирование текстовой информации;

кодирование графической информации;

кодирование числовой информации;

кодирование звуковой информации;

Кодирование текстовой информации.

Каждый текст состоит из последовательности знаков. Знаками могут являться буквы, цифры, знаки препинания, знаки математических операций, круглые и квадратные скобки и т.д.

Текстовая информация, равно как также каждая иная, находится в памяти пк в двоичном виде. Для этого любому устанавливается в соответствии некоторое неотрицательное число, именуемое кодом знака, и это число вносится в память ЭВМ в двоичном виде. Конкретное соотношение между знаками и их кодами именуется системой кодировки. В пк как правило применяется система кодировки ASCII (American Standard Code for Informational Interchange – Американский стандартный код для информационного обмена).

Создатели программного обеспечения сформировали личные $8$-битные стандарты кодировки текста. За счет дополнительного бита диапазон кодирования в них был расширен до $256$ знаков. Чтобы не было путаницы, первые $128$ знаков в таких кодировках, как правило, отвечают стандарту ASCII. Остальные $128$ — реализуют региональные языковые характерные черты.

Восьмибитными кодировками, популярными в нашей стране, считаются KOI8, UTF8, Windows-1251 и некоторые прочие.

Больше всего кодированию подвергаются тексты, написанные на естественных языках (русском, немецком и др.).

Основные методы кодирования текстовой информации

Имеется ряд ключевых методов кодирования текстовых данных:

графический, в котором текстовая информация кодируется путем применения специальных рисунков либо символов;

символьный, в котором тексты кодируются с применением знаков того же алфавита, на котором написан исходник;

числовой, в котором текстовая информация кодируется с помощью чисел.

Процедура чтения текста представляет собой процесс, обратный его написанию, в результате которого рукописный текст преобразуется в устную речь. Чтение – это ничто иное, как декодирование письменного текста.

Стенография — это один из методов кодирования текстовой информации с помощью специальных символов. Она представляет собой быстрый метод записи устной речи. Навыками стенографии могут обладать далеко не все, а только немногие специально обученные люди, которых называют стенографистами. Эти люди успевают записывать текст одновременно с речью выступающего лица, что, на наш взгляд, достаточно трудно. Но для них это не проблема, так как в стенограмме целое слово либо совокупность букв могут обозначаться одним символом. Скорость стенографического письма превышает скорость обыкновенного в $4-7$ раз. Расшифровать стенограмму способен только сам стенографист.

На рисунке представлен пример стенографии, в которой написано следущее: «Говорить умеют все люди на свете. Даже у самых примитивных племен есть речь. Язык — это нечто всеобщее и самое человеческое, что есть на свете»:

Стенография дает возможность не только осуществлять синхронную запись устной речи, но и рационализировать технику письма.

В некоторых случаях появляется необходимость засекречивания текста сообщения или документа, с целью того чтобы его не смогли прочитать те, кому не положено. Это называется защитой от несанкционированного доступа. В таком случае секретный текст шифруется. В старые времена шифрование называлось тайнописью.

Шифрование представляет собой процедура превращения открытого текста в зашифрованный, а дешифрование — процедура противоположного преобразования, при котором восстанавливается первоначальный текст.

Шифрование — это тоже кодирование, но с засекреченным способом, известным только источнику и адресату. Методами шифрования занимается наука криптография.

Криптография — это наука о способах и принципах передачи и приема зашифрованной с помощью специальных ключей информации. Ключ — секретная информация, используемая криптографическим алгоритмом при шифровании/расшифровке сообщений.

Числовое кодирование текстовой информации

В любом национальном языке существует свой алфавит, который состоит из определенного набора букв, следующих друг за другом, а значит и имеющих собственный порядковый номер.

Каждой букве сопоставляется целое положительное число, которое называют кодом символа. Именно данный код и будет хранить память компьютера, а при выводе на экран или бумагу преобразовывать в соответствующий ему символ. Кроме кодов самих символов в памяти пк находится также сведения о том, какие именно данные закодированы в конкретной области памяти. Это необходимо для различия представленной информации в памяти пк.

Используя соответствия букв алфавита с их числовыми кодами, возможно сформировать специальные таблицы кодирования. Иначе можно отметить, что символы конкретного алфавита имеют свои числовые коды в соответствии с конкретной таблицей кодирования.

Как мы знаем национальных алфавитов колоссальное число, поэтому и расширенные таблицы ASCII-кодов презентованы множеством альтернатив. Так для русского языка имеется также несколько альтернатив, наиболее распространенные Windows-$1251$ и Koi8-r. Огромное количество вариантов кодировочных таблиц формирует определенные проблемы. К примеру, мы отправляем сообщение, представленное в одной кодировке, а адресат при этом пытается прочесть его в иной. В следствии на экране у него появляется непонятная абракадабра, что свидетельствует о том, что получателю для прочтения письма необходимо использовать другую кодировочную таблицу.

Чтобы сохранить в двоичном коде фотографию, ее сперва условно делят на множество небольших цветных точек, именуемых пикселями. После разбивки на точки цвет каждого пикселя кодируется в бинарный код и записывается на запоминающем устройстве.

Но качество кодирования фото в бинарный код зависит не только от количества пикселей, но также и от их цветового многообразия. Алгоритмов записи цвета в двоичном коде имеется несколько. Наиболее популярным из них считается RGB. Эта аббревиатура – первые буквы названий 3-х ключевых цветов: красного – англ.Red, зеленого – англ. Green, синего – англ. Blue. Перемешивая эти 3 тона в разных пропорциях, можно получить любой иной цвет либо оттенок.

На этом и построен алгоритм RGB. Каждый пиксель записывается в двоичном коде путем указания количества красного, зеленого и синего цвета, участвующего в его создании. Чем больше битов выделяется для кодирования пикселя, тем больше вариантов смешивания этих 3-х каналов можно использовать и тем значительнее будет цветовая насыщенность изображения.

Цветовое разнообразие пикселей, из которых состоит изображение, именуется глубиной цвета

Кодирование графической информации

Считается, что глаз человека может отличать приблизительно $16$ миллионов оттенков цвета. Для формального описания цвета создали ряд цветовых моделей и соответствующих им методов кодирования.

Цветовая модель RGB

Название этой модели происходит от названий 3-х базовых цветов, применяемых в модели — Red, Green, Blue, а конкретнее их первых букв. Данная цветовая модель представляет метод получения цвета на экране монитора либо тв, т.е. устройства, содержащего электронно-лучевую трубку. Модель аддитивная (цвет получается при сложении точек 3-х базовых цветов, каждая своей яркости). Причем яркость любого базового цвета может принимать значения от $0$ до $255$, таким образом, модель дает возможность кодировать $2563$ либо $16,7$ млн. цветов. Эти тройки базовых цветов находятся весьма близко друг к другу, так, когда мы посмотрим на эти триады из светящихся точек, то любая тройка объединяется для нас в большую точку определенного цвета. Чем больше яркость цветной точки, тем большее количество данного цвета добавится к результирующей точке

Устройства ввода графических данных такие, как сканер, цифровая камера и пр. функционируют в данной модели. RGB-кодирование лучше всего может помочь описать цвет, излучаемый определенным устройством, к примеру, монитором. Если же мы посмотрим на изображение, отпечатанное на бумаге, ситуация абсолютно другая. Мы улавливаем не прямые лучи источника, которые попадают нам в глаза, а лучи, отраженные с поверхности. Белый свет, испускаемый некоторым источником и включающий волны всего видимого диапазона, поступает на бумагу с нанесенной на нее краской. Краска впитывает долю лучей, а остальные воспринимают наши глаза, это и есть тот цвет, что мы видим.

Описанная выше техника формирования изображений из мелких точек считается более популярной и именуется растровой. Однако помимо растровой графики, в пк применяется еще и векторная графика.

Векторные изображения формируются только при поддержке пк и создаются не из пикселей, а из графических примитивов.

Кодирование числовой информации

При кодировании чисел учитывается цель, с которой цифра была введена в систему. Любые сведения, кодируемые в двоичной системе, шифруются с помощью единиц и нолей. Данные символы еще именуют битами. Этот способ кодировки считается более распространенным, так как его проще организовать в технологическом плане: наличие сигнала – $1$, отсутствие – $0$. У двоичного шифрования имеется только единственный минус – длина комбинаций из символов. С технической точки зрения легче действовать с множеством обычных, однотипных компонентов, нежели с небольшим количеством более сложных.

Целые числа кодируются переводом чисел с одной системы счисления в иную. Для кодирования реальных чисел применяют $80$-разрядное кодирование.

Список использованных источников

Простейшие методы шифрования текста/ Д.М. Златопольский. – М.: Чистые пруды, 2007 – 32 с.

Информатика. Задачник-практикум в 2 т. / Под ред. И. Г. Семакина, Е. К. Хеннера: Том 1. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. – 304 с.: ил.

Источник