Информатика. Информация. Данные. Кодирование информации

Что такое информатика?
Информатика – это техническая наука, определяющая сферу деятельности, связанную с процессами хранения, преобразования и передачи информации с помощью компьютера.
Компьютер – универсальный прибор для обработки информации.

Что такое информация?
Термин «информация» в переводе с латинского означает «разъяснение, изложение, набор сведений».
Информация – это очень сложное и глубокое понятие, которому не просто дать четкое определение.
Чем отличается информация от данных???
Термин "информация" происходит от латинского слова "informatio", что означает сведения, разъяснения, изложение.

В каком виде существует информация
Информация может существовать в виде:
текстов, рисунков, чертежей, фотографий;
световых или звуковых сигналов;
радиоволн;
электрических и нервных импульсов;
магнитных записей;
жестов и мимики;
запахов и вкусовых ощущений;
хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов.
Предметы, процессы, явления материального или нематериального свойства, рассматриваемые с точки зрения их информационных свойств, называются информационными объектами.

Что можно делать с информацией
Информацию можно:
Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами.

по способу восприятия:
Визуальная — воспринимаемая органами зрения.
Аудиальная — воспринимаемая органами слуха.
Тактильная — воспринимаемая тактильными рецепторами.
Обонятельная — воспринимаемая обонятельными рецепторами.
Вкусовая — воспринимаемая вкусовыми рецепторами.
Классификация информации
по форме представления:
Текстовая — передаваемая в виде символов, предназначенных обозначать лексемы языка.
Числовая — в виде цифр и знаков, обозначающих математические действия.
Графическая — в виде изображений, предметов, графиков.
Звуковая — устная или в виде записи и передачи лексем языка аудиальным путём.
Видеоинформация — передаваемая в виде видеозаписи.

Классификация информации
по назначению:
Массовая — содержит тривиальные сведения и оперирует набором понятий, понятным большей части социума.
Специальная — содержит специфический набор понятий, при использовании происходит передача сведений, которые могут быть не понятны основной массе социума, но необходимы и понятны в рамках узкой социальной группы, где используется данная информация.
Секретная — передаваемая узкому кругу лиц и по закрытым (защищённым) каналам.
Личная (приватная) — набор сведений о какой-либо личности, определяющий социальное положение и типы социальных взаимодействий внутри популяции.

Классификация информации
по значению:
Актуальная — информация, ценная в данный момент времени.
Достоверная — информация, полученная без искажений.
Понятная — информация, выраженная на языке, понятном тому, кому она предназначена.
Полная — информация, достаточная для принятия правильного решения или понимания.
Полезная — полезность информации определяется субъектом, получившим информацию в зависимости от объёма возможностей её использования.
по истинности:
истинная
ложная

СВОЙСТВА ИНФОРМАЦИИ

Свойства информации (с точки зрения бытового подхода к определению информации):
релевантность — способность информации соответствовать нуждам (запросам) потребителя;
полнота — свойство информации исчерпывающе (для данного потребителя) характеризовать отображаемый объект или процесс; информация полна, если её достаточно для понимания и принятия решений; как неполная, так и избыточная информация сдерживает принятие решений или может повлечь ошибки;
своевременность — способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени; только своевременно полученная информация может принести ожидаемую пользу; одинаково нежелательны как преждевременная подача информации (когда она ещё не может быть усвоена), так и её задержка;

достоверность — свойство информации не иметь скрытых ошибок; достоверная информация со временем может стать недостоверной, если устареет и перестанет отражать истинное положение дел; информация достоверна, если она отражает истинное положение дел; недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений;
доступность — свойство информации, характеризующее возможность её получения данным потребителем; информация должна преподноситься в доступной (по уровню восприятия) форме; поэтому одни и те же вопросы по-разному излагаются в школьных учебниках и научных изданиях.
защищённость — свойство, характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения информации;
эргономичность — свойство, характеризующее удобство формы или объёма информации с точки зрения данного потребителя.

Для обмена информацией с другими людьми человек использует естественные языки. Наряду с естественными языками были разработаны формальные языки для профессионального применения их в какой-либо сфере.
Код — набор символов (условных обозначений) для представления информации.
— система условных знаков (символов) для передачи, обработки и хранения
Кодирование — процесс представления информации (сообщения) в виде кода.
Все множество символов, используемых для кодирования, называется алфавитом кодирования.
КОДИРОВАНИЕ И ДЕКОДИРОВАНИЕ
Декодирование – процесс восстановления закодированной информации.

Код объекта (кодовое обозначение, кодовая комбинация)
образуется в соответствии с правилами кодирования, принятыми в данной системе кодирования, и характеризуется:
длиной - числом знаков (разрядов)
структурой - условным обозначением.
Дихотомический
Политомический
0 – белый цвет, 1 – черный цвет
Пример
дихотомического кодирования
Пример
политомического кодирования
0 – белый цвет, 1 – черный цвет, 2 – красный цвет, 3 – синий цвет, 4 - голубой

Методы кодирования:
Порядковый метод — каждый из объектов множества кодируется с помощью текущего номера по порядку. Обеспечивает простоту добавления новых объектов и краткость кода, однако такой код не несёт никакой информации об объекте.
Серийно-порядковый метод — кодами служат числа натурального ряда с закрепленной отдельной серией этих чисел за объектами классификации с одинаковыми признаками. Чаще всего используется для идентификации объектов в сочетании с классификационным методом (например, классификатор должностей и служащих).
Последовательный метод — в кодовом обозначении знаки на каждой ступени деления зависят от результатов разбиения на предыдущих ступенях. В результате кодовое обозначение группировки дает информацию о последовательности признаков, характеризующих эту группировку. Наиболее подходит иерархическому методу классификации.
Параллельный метод — признаки классификации кодируются независимо друг от друга определенными разрядами или группой разрядов кодового обозначения. Метод параллельного кодирования чаще всего используется при фасетной классификации, но применяется также и в иерархической классификации.

Рассмотрим систему распознавания букв русского алфавита, для этого необходимо все буквы закодировать в виде матриц 6 × 8. Каждая строка матрицы является соответствующим уровнем иерархии. Рассмотрим случай, когда первая строка состоит из всех единиц, это соответствует буквам Б, Г, Е, П, Т.
Последовательный метод кодирования

Примером служит зрительная система, предназначенная для управления рукой робота при захвате деталей с ленты конвейера
Параллельный метод кодирования
1 - конвейер,
2- орган зрения робота,
3- робот,
4, 5, 6 - бункеры для хранения деталей,
7- устройство управления

По конвейеру движутся 3 вида деталей:
Плита Крышка Шайба
Каждая деталь обладает рядом признаков.
Выделим два признака: форма и наличие отверстия.
10
00
01
Код

В некоторых случаях возникает потребность засекречивания текста сообщения или документа, для того чтобы его не смогли прочитать те, кому не положено. Это называется ЗАЩИТОЙ ОТ НЕСАНКЦИОНИРОВАННОГО ДОСТУПА.
В таком случае секретный текст шифруется.
В давние времена шифрование называлось тайнописью.
Шифрование представляет собой процесс превращения открытого текста в зашифрованный, а дешифрование —процесс обратного преобразования, при котором восстанавливается исходный текст.
Шифрование — это тоже кодирование, но с засекреченным методом, известным только источнику и адресату.
Методами шифрования занимается наука под названием криптография.
ШИФРОВАНИЕ И ДЕШИФРОВАНИЕ

Биты и байты
Эти два символа 0 и 1 принято называть битами (от англ. binary digit – двоичный знак).
Бит – наименьшая единица измерения информации и обозначается двоичным числом.
Более крупной единицей изменения объема информации принято считать 1 байт, который состоит из 8 бит.
1 байт = 8 битов.

Единицы измерения объема информации.

СПОСОБЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

- КОДИРОВАНИЕ ТЕКСТОВЫХ ДАННЫХ
(СИМВОЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ)
Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать текстовую информацию.
!!!Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов.
00101010

Институт стандартизации США (ANSI—American National Standard Institute) ввел в действие систему кодирования ASCII (American Standard Code for Information Interchange — стандартный код информационного обмена США).
В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.
Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производителям аппаратных средств (в первую очередь производителям компьютеров и печатающих устройств). В этой области размещаются так называемые управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных.
Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов.

Аналогичные системы кодирования текстовых данных были разработаны и в других странах. Так, например, в СССР в этой области действовала система кодирования КОИ-7 (код обмена информацией, семизначный).
Кодировка символов русского языка, известная как кодировка Windows-1251, была введена «извне» — компанией Microsoft, но, учитывая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России, она глубоко закрепилась и нашла широкое распространение (таблица 1.2).
!!! Эта кодировка используется на большинстве локальных компьютеров, работающих на платформе Windows.

Другая распространенная кодировка носит название КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) — ее происхождение относится ко временам действия Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы (таблица 1.3). Сегодня кодировка КОИ-8 имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернета.

Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского алфавита, носит название кодировки ISO (International Standard Organization — Международный институт стандартизации). На практике данная кодировка используется редко (таблица 1.4).

На компьютерах, работающих в операционных системах MS-DOS, могут действовать еще две кодировки (кодировка ГОСТ и кодировка ГОСТ-альтернативная).

Система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, получила название универсальной — UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов — этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.
Фрагмент спецификации UNICODE 4.0 для кириллицы.
Таблица символов Microsoft Word основана на Юникоде.

- КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ
Способы представления
При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее значения изменяются скачкообразно.
АНАЛОГОВЫЙ
ДИСКРЕТНЫЙ
При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно.

Графическая информация может быть представлена в аналоговой или дискретной форме.
Примером аналогового представления графической информации может служить, например, живописное полотно, цвет, котopoгo изменяется непрерывно, а дискретного - изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета.

Пространственная дискретизация
Преобразование гpaфической информации из аналоговой формы в дискретную производится путем пространственной дискретизации, т. е. разбиения непрерывного графического изображения на отдельные элементы.
В результате пространственной дискретизации графическая информация представляется в виде pacтpoвoгo изображения, которое формируется из определенного количества строк, которые, в свою очередь, coдepжат определенное количество точек (пикселей).

Растровое изображение характеризуется разрешением.
Разрешение монитора выражается обычно в виде двух целых чисел, например: 1600 х 1200. В данном случае это означает, что ширина изображения составляет 1600, а высота - 1200 точек. В итоге изображение состоит из одного миллиона девятьсот двадцати тысяч (1 920 000) точек.
Большинство форматов графических файлов позволяют хранить данные о разрешении в dpi (англ. dots per inch), но это исключительно справочная величина. Эта величина говорит о каком-то количестве точек на единицу длины, например 300 dpi означает 300 точек на один дюйм.
Качество pacтpoвoгo изображения тем выше, чем больше eгo разрешение, т. е. чем меньше размер точки, и, соответственно, чем большее количество точек составляет изображение.

Кодирование цвета точки.
В процессе пространственной дискретизации производится кодирование, т. е. присваивание каждой точке конкретного значения цвета в форме кода.
Качество дискретного изображения тем выше, чем большее количество цветов используется. Совокупность используемых цветов образует палитру цветов. Количество цветов N в палитре, и количество информации I, необходимое для кодирования цвета каждой точки (глубина цвета), связаны между собой и могут быть вычислены по формуле:
N=2I
Наиболее распространенными значениями глубины цвета при кодировании цветных изображений являются 8, 16 или 32 бита на точку.

Система цветопередачи RGB
С экрана монитора человек воспринимает цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red-красный, Green-зеленый, Blue-синий).
На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (т.е. 24 бита) - по 1 байту (т.е. по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей.
Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 28=256 значений), а каждая точка изображения, при такой системе кодирования может быть окрашена в один из 16 777 216 цветов.
Данную модель цветопередачи называют аддитивной. Аддитивной она называется потому, что цвета получаются путём добавления (англ. addition) к черному.

Смешение цветов в системе RGB
Смешение цветов происходит на черном фоне.

Кодирование каждого цвета
Как уже говорилось выше каждая составляющая цвета (красный, зеленый синий) может принимать значение от 0 до 255.
Черный цвет – 0, 0, 0.
Белый цвет – 255, 255, 255.

Кодирование каждого цвета
Для удобства значения диапазона двоичных чисел 0..255 заменили диапазоном шестнадцатеричных чисел 0..FF

Система цветопередачи CMYK
Модель цветопередачи CMYK используемая прежде всего в полиграфии для стандартной триадной печати. Схема CMYK, как правило, обладает сравнительно небольшим цветовым охватом.
Первые три символа CMY означают (Суаn-голубой, Magenta-пурпурный, Yellow-желтый).
В CMYK используются четыре цвета, первые три в аббревиатуре названы по первой букве цвета, а в качестве четвёртого используется чёрный.
Одна из версий утверждает, что K — сокращение от англ. blacK. Согласно этой версии, при выводе полиграфических плёнок на них одной буквой указывался цвет, которому они принадлежат. Чёрный не стали обозначать B, чтобы не путать с B (англ. blue) из модели RGB, а стали обозначать K (по последней букве).
Согласно другому варианту, K является сокращением от слова ключевой англ. Key в англоязычных странах термином key plate обозначается печатная форма для чёрной краски.

Данную модель цветопередачи называют субтрактивной. Так как модель CMYK применяют в основном в полиграфии при цветной печати, а бумага и прочие печатные материалы являются поверхностями, отражающими свет, удобнее считать, какое количество света отразилось от той или иной поверхности, нежели сколько поглотилось. Таким образом, если вычесть из белого три первичных цвета, RGB, мы получим тройку дополнительных цветов CMY.
«Субтрактивный» означает «вычитаемый» — из белого вычитаются первичные цвета.

Несмотря на то, что чёрный цвет можно получать смешением в равной пропорции пурпурного, голубого и жёлтого красителей, по ряду причин (чистота цвета, переувлажнение бумаги и др.) такой подход обычно неудовлетворителен. Основные причины использования дополнительного чёрного пигмента таковы:
На практике в силу неидеальности красителей и погрешностей в пропорциях компонентов смешение реальных пурпурного, голубого и жёлтого цветов даёт скорее грязно-коричневый или грязно-серый цвет; триадные краски не дают той глубины и насыщенности, которая достигается использованием настоящего чёрного.
При выводе мелких чёрных деталей изображения или текста без использования чёрного пигмента возрастает риск неприводки (недостаточно точное совпадение точек нанесения) пурпурного, голубого и жёлтого цветов.
Смешение 100 % пурпурного, голубого и жёлтого пигментов в одной точке в случае струйной печати существенно смачивает бумагу, деформирует её и увеличивает время просушки.
Чёрный пигмент существенно дешевле остальных трёх.

Смешение цветов в системе CMYK

- КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну (колебания воздуха или другой среды) с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
Человек воспринимает звуковые волны с помощью слуха в форме звука различной громкости и тона.
Чем больше амплитуда звуковой волны, тем громче звук, чем больнее частота колебаний, тем выше
тон звука
Звуковая
информация

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук).
Человек может воспринимать звук в огромном диапазоне амплитуд, в котором максимальная амплитуда больше минимальной в 1014 раз (в сто тысяч миллиардов раз).
Для измерения громкости звука применяется специальная единица децибел (дБ).
Восприятие
звука

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации.
Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенный уровень громкости.
Временная дискретизация
звука

Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации.
Чем большее количество измерений производится за одну секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее «лесенка» цифрового звукового сигнала повторяет кривую аналогового сигнала.
Частота
дискретизации

Каждой «ступеньке» присваивается определенный уровень громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор N возможных состояний, для кодирования которых необходимо определенное количество информации i, которое называется глубиной кодирования звука.
Глубина
кодирования

Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле.
В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16-битовый двоичный код,
наименьшему уровню громкости будет соответствовать код 0000000000000000,
а наибольшему — 1111111111111111.
Пример:
Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно
N = 2i = 216 = 65 536.

Задачи на скорость передачи информации

60 км/час
Решение:
время t
скорость v
S = 60 км/ч·20 мин = ?
единицы измерения?
= 60 км/ч· ч = 20 км
ПРИМЕРЫ

пропускная способность – 10 л/мин
ЛИМОНАД
ЛИМОНАД
Решение:
время t
скорость v
Q = v·t = 10 л/мин·1 час = ?
единицы измерения?
= 10 л/мин·1· 60 мин = 600 л
ПРИМЕРЫ

Задача 1
скорость передачи – 80 бит/с
данные
данные
Решение:
время t
скорость v
= 80 бит/с·5 мин = ?
единицы измерения?
Q = байт/с· 5 · 60 с = 3000 байт

Задача 1a
скорость передачи – 128 000 бит/с
данные
данные
Решение:
Q = v·t = 128000 бит/с·16 с = ?
единицы измерения?
= = … байт
= = … Кбайт
= = = 250 Кбайт

Задача 2
скорость передачи – 128 000 бит/с
данные
данные
Решение:
единицы измерения?
= = …
= = = 16 c

Задача 3
данные
данные
Решение:
единицы измерения?
= = …
= = = 128000 бит/c

Задач 4 (сложная)
256 Кбит/с
32 Кбит/с
Вася
Петя
1 Кбит = 1024 бит
Решение:
время перекачивания файла от Васи к Пете
время, пока Вася ждет первые 512 Кбайт