Первичное кодирование в информационной цифровой среде

Методические указания к выполнению лабораторной работы №2

по курсу «Теория информации и кодирования»

Первичное кодирование в информационной цифровой среде

Цель работы: познакомиться с типовыми решениями по первичному кодированию знаков, изображений и звука в компьютерных системах

Краткие теоретические сведения

Первичное кодирование рассмотрено в лекции 3 по курсу ТИК. Для текстовых, графических и звуковых данных такое кодирование имеет определенные особенности.

Знаки кодируются либо с помощью кодовых таблиц, либо по стандарту Unicode.

При использовании кодовых таблиц код знака занимает 1 байт. Соответственно, количество уникальных кодов составляет 256 (28). Кодовая таблица представляется матрицей 16х16 (см. Приложения). Широко применяется компактная 16-ричная запись кодов (от 00 до FF), где первая цифра - номеру строки, а вторая — столбца. Строки с номерами 0-7 (верхняя половина таблицы) используют для представления наиболее употребимых знаков, представленных в ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Строки от 8 до F (нижняя половина кодовой таблицы), применяют для более специальных знаков – например, для букв разных национальных алфавитов. При этом нижнюю половину кодовой таблицы делают переменной, что позволяет значительно расширить число кодируемых знаков. Широко распространенные таблицы Windows (CP-1251) и MS-DOS (CP-866) как примеры приведены в Приложении.

Стандарт Unicode использует уникальные коды для каждого вида знаков. Наиболее часто применяют двухбайтное кодирование (UTF-16), при котором число уникальных кодовых слов 65536 (216). Код знака представляется как U+XXXX, где U – начальный адрес таблицы, а X – 16-ричная цифра. Существует версия Unicode c использованием 4 байтов/знак (UTF-32), которая потенциально обеспечивает кодирование до 232 знаков. Однако, для совместимости с UTF-16 (за счет специального способа адресации) используется 216 + 220 - 211 кодов (около миллиона). Версия UTF-8 применяется для совместимости однобайтного кодирования с UTF-16.

Изображения в современных компьютерах чаще всего представлются в растровой форме – в виде матрицы элементов-пикселов. Пикселы кодируются как совокупность трех основных цветов RGB. Число пикселов P=X*Y (часто — в мегапикселях MP). Объем первичного кода растра определяется с учетом разрядности кода пиксела n. Наиболее простой способ предусматривает кодирование каждой из цветовых составляющих одним байтом. При этом n=24 и количество возможных оттенков около 16 миллионов (224). Более экономичный способ основывается на использовании «палитр» цветов. Например, при использовании палитры из 256 оттенков каждый пиксел может кодироваться всего одним байтом. Использование только 16 цветов позволяет кодировать одним байтом 2 пикселя. Эффект от использование различных способов кодирования можно проследить на примере графического формата. bmp. Прямое сокращение количества цветов зачастую ухудшает качество изображения. Более эффективный способ — применение сжатия с управляемой потерей качества (в частности, формата .jpg).

Звуковые сообщения представляются как последовательность одно - или двухбайтовых кодов, каждый из которых пропорционален амплитуде звука в фиксированные моменты времени. Частота “отсчетов” амплитуды в зависимости от требований к качеству воспроизведения звука обычно составляет 8 кГц, 22 кГц или 44 кГц (реже используются некоторые промежуточные значения). Такой выбор частот опирается на правило Найквиста-Котельникова, согласно которому частота дискретизации должна быть вдвое выше максимальной частоты, содержащейся в сигнале (на практике частота берется с 10-15%-ным запасом). При записи звука часто применяют раздельное кодирование по нескольким (чаще двум) независимым каналам. Последовательность закодированных амплитуд звукового сигнала оценивается величиной битрейта, который определяется в битах за секунду. Наиболее распространенным форматом для первичного кода звука является. wav. Экономичное кодирование звука с приемлемой потерей качества обеспечивается, например, в формате mp3.

Содержание работы

В данной работе выполняется анализ первичного кодирования и отображения знаковых, графических и звуковых данных в ПК.

Для знаковых данных выполняется ознакомление с принципом кодирования символов клавиатуры и их отображения с использованием кодовых страниц и Unicode.

Для графической информации используется учебная программа, которая визуализирует баланс цветовых составляющих выбираемых элементов изображения. С помощью программы необходимо проанализировать коды, отвечающие различным оттенкам и уровням яркости пикселов.

Для звуковых данных применяется учебная программа, которая отображает амплитуды звуковых отсчетов. Программа работает с файлами формата WAV. Анализ звукового файла позволяет получить представление об особенностях кодирования двухканального звука, а также о частотном составе конкретного звукового сообщения.

Порядок выполнения работы

1.  Анализ кодирования и отображения знаковой информации

1.1 Просмотрите содержимое файла symbols.txt с набором знаков из разных частей кодовой таблицы с помощью файл-менеджера (например, FAR) — рис.1:

- по F3 отображаются знаки в кодировке DOS;

- далее по F8 отображаются знаки для тех же кодов в кодировке Windows;

- далее по F4 дополнительно отображаются шестнадцатиричные коды знаков, а также знаки, отвечающие управляющим кодом (в частности — перевода строки и «возврата каретки»).

Рис.1 Пример отображения знаков в разных кодировках, а также с их 16-ричными кодами

1.2 Используя сайт http://, познакомьтесь с кодированием знаков в Unicode:

- убедитесь, что знаки ASCII (рис.1) имеют в Unicode те же коды, что и в изученных таблицах кодировки (диапазон U+0000 – U+007F);

- найдите и опишите в форме табл.1 следующие знаки Unicode: 1) первую букву вашей фамилии; 2) ваш знак зодиака; 3) один из вариантов значка интеграла; 4) ваш номер по списку в 16-ричной записи; 5) описание управляющего кода с вашим номером по списку.

Таблица 1

Характеристики знаков Unicode

N	Описание	Вид	Код	Набор символов	Диапазон кодов
1 (пример)	Буква “А” кириллицы	А	U+0410	Кириллица	0400-04FF
...

2. Анализ кодирования и отображения растровой графической информации

2.1. Запустите программу FastStone Viewer для работы с растровыми изображениями. Просмотрите и определите характеристики предложенного примера растрового изображения. Изначально изображение (фотография) сохранена в формате. jpg при достаточно высоком качестве. Зафиксируйте параметры растра в режиме «Свойства изображения» (доступ — по правой кнопке мыши на изображении).

2.2 Сохраните файл с исходым изображением в формате. bmp при 24-, 8- и 4-битном кодировании цвета (задается в режиме “опции”). Уменьшите размеры изображения до 1500х1000 и сохраните при 24-битном кодировании. Сохраните исходное изображение в формат jpg при 50%-ном показателе качества (задается в режиме “опции”).

2.3 Проанализируйте параметры сохраненных изображений (в режиме «Свойства изображения») и заполните табл.2. Объясните полученные результаты. Обратите внимание на высокую эффективность сжатия изображения в формате jpg.

Таблица 2

Характеристики закодированного растрового изображения

N	Формат файла	Ширина растра X	Высота растра Y	Количество пикселей MP	Разрядность цвета бит	Объем кода MB	Размеры изображения при 300 dpi

3. Анализ кодирования и отображения кодированной звуковой информации

3.1 Запустите учебную программу для визуального отображения звуковых сообщений SpeсViz. Последовательно откройте с помощью программы wav-файлы, находящиеся в папке. Прослушайте звуковые фрагменты и просмотрите временные и спектральные диаграммы дискретизированного звукового сигнала. Сохраните скриншоты.

3.2 Запустите учебную программу sound_code и ознакомьтесь с параметрами кодирования звуковых фрагментов, в режиме “Дополнительная информация”. Проанализируйте данные и поместите их табл.3.

Таблица 3

N	Имя звукового файла	Объем файла (байт)	Разрядность кодирования (бит)	Количество каналов	Частота дискрет-ции (Гц)	Битрейт (кбит/c)	Время звучания (с)

Содержание отчета

Тема и цель лабораторной работы. Раздел “Анализ кодирования и отображения знаковой информации”

А) Определение: как представляется знаковая информация в памяти и на экране компьютера при использовании кодовых таблиц и Unicode.

Б) Заполненная Таблица 1

Раздел “Анализ кодирования и отображения растровой графической информации”

А) Определение: как представляется растровая графическая информация на экране и в памяти компьютера.

Б) Заполненная Таблица 2

4. Раздел “Анализ кодирования и отображения кодированной звуковой информации”

А) Определение: как представляется звуковая информация в памяти компьютера.

Б) Скриншоты временных и спектральных диаграмм временных фрагментов

Б) Заполненная Таблица 3

Популярные кодовые таблицы (Приложение)