Лабораторная работа 2 Тема: Дискретное (цифровое) представление графической, звуковой и видеоинформации Цель: научиться кодировать растровые

1 Лабораторная работа 2 Тема: Дискретное (цифровое) представление графической, звуковой и видеоинформации Цель: научиться кодировать растровые графические файлы, измерять информационный объем графических и звуковых файлов, заданных различными характеристиками; вычислять время звучания звукового файла по его размеру; научиться работать с программой Оборудование: ПК Программное обеспечение: Microsoft Office 2007: MS Word, стандартные программы «Блокнот» и «Калькулятор» ОС Windows ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Информация это последовательность символов, знаков. Количество символов в сообщении называется длиной сообщения. Основой любого языка является алфавит. Алфавит это набор знаков (символов), в котором определен их порядок. Мощность алфавита это полное число символов алфавита. Обозначим эту величину буквой M. Например, мощность алфавита из русских букв равна 33, мощность алфавита из английских букв равна 26. При алфавитном подходе к измерению информации количество информации от содержания не зависит. Количество информации зависит от объема текста (т.е. от числа знаков в тексте) и от мощности алфавита. Тогда информацию можно обрабатывать, передавать, хранить. Каждый символ несет x бит информации. Количество информации x, которое несет один символ в тексте, зависит от мощности алфавита M, которые связаны формулой M=2 x. Количество информации в тексте, состоящем из K символов, равно K*x. Пример_1, в 2-символьном алфавите каждый символ несет 1 бит информации (2 x = 2, откуда x = 1 бит). Если M=16, то каждый символ несет 4 бита информации, т.к. 2 4 = 16. Если M=32, то один символ несет 5 бит информации. При M=64, один символ «весит» 6 бит и т.д. Пример_2: Племя Обезьяны пишет письма, пользуясь 32-символьным алфавитом. Племя Слоны пользуется 64-символьным алфавитом. Вожди племен обменялись письмами. Письмо племени Обезьяны содержало 90 символов, а письмо племени Слоны 80 символов. Сравните объем информации, содержащейся в письмах. Решение: Мощность алфавита племени Обезьяны равна 32, информационный вес одного символа алфавита log 2 32 = 5 бит. Количество информации в тексте, состоящем из 90 символов, равно 90*log 2 32 = 450 бит. Рассуждая аналогично про племя Слоны, получим: 80*log 2 64 = 480 бит. Следовательно, объем информации в письме вождя племени Слоны больше объема информации, которую передал в письме вождь племени Обезьяны. 1

2 Есть алфавит, который можно назвать достаточным. Это алфавит мощностью 256 символов. Алфавит из 256 символов используется для представления текстов в компьютере. В этом алфавите можно поместить практически все необходимые символы: латинские и русские буквы, цифры, знаки арифметических операций, скобки, знаки препинания, знаки псевдографики. Поскольку 256=2 8, то один символ этого алфавита «весит» 8 бит. 8 бит информации присвоили свое название байт. Байт поле из 8 последовательных бит. Байт широко используется как единица измерения количества информации. 1 байт = 8 бит Компьютерные текстовые редакторы работают с алфавитом мощности 256 символов. Поскольку в настоящее время при подготовке книг используются текстовые редакторы, легко посчитать объем информации в тексте. Если один символ алфавита несет 1 байт информации, то надо просто сосчитать число символов, полученное значение даст информационный объем текста в байтах. В любой системе единиц измерения существуют основные единицы и производные от них. Для измерения больших объемов информации используются производные от байта единицы: 1 килобайт = 1 Кб = 2 10 байт = 1024 байта 1 мегабайт = 1 Мб = 2 10 Кб = 1024 Кб = байт 1 гигабайт = 1 Гб = 2 10 Мб = 1024 Мб = Кб = байт RGBмодель Кодирование графической информации Если посмотреть на экран работающего монитора посмотреть через лупу, можно увидеть множество мельчайших точек - пиксели. Каждый видеопиксель на цветном экране состоит из трех точек (зерен) базовых цветов: красного, зеленого и синего. Таким образом, соседние разноцветные точки сливаются, формируя другие цвета. Вычисление объема графического файла Информации о состоянии каждого пикселя хранится в закодированном виде в памяти ПК. Из основной формулы информатики можно подсчитать объем памяти, необходимый для хранения одного пикселя: N = 2 i где i - глубина кодирования (количество бит, занимаемых 1 пикселем), N - количество цветов (палитра) 2

3 Для получения черно-белого изображения пиксель может находится в одном из состояний: светится белый (1), не светится черный (0). 2 = 2 i, i = 1 Следовательно, для его хранения требуется 1 бит. Вычисление объема растрового изображения Задача 1. Вычислить объем растрового черно-белого изображения размером 100 х 100. Решение: V = K * i = 100 x 100 x 1 бит = бит / 8 бит = 1250 байт / 1024 = 1,22 Кбайт. Ответ: 1,22 Кбайт Задача 2. Вычислить объем растрового изображения размером 100 х 100 и палитрой 256 цветов. Решение: 1) 256 = 2 i, i = 8 2) V = K * i = 100 x 100 x 8 бит = 100 x 100 x 1 байт = байт / 1024 = 9,76 Кбайт. Ответ: 9,76 Кбайт Вычисление объема векторного изображения Задача 3. Вычислить объем векторного изображения. Решение: Векторное изображение формируется из примитивов и хранится в памяти в виде формулы: RECTANGLE 1, 1, 100, 100, Red, Green Подсчитаем количество символов в этой формуле: 36 символов (букв, цифр, знаков препинания и пробелов) 36 символов х 2 байта = 72 байт (Unicode 1 символ - 1 байт) Ответ: 72 байт ХОД РАБОТЫ ( варианта = по списку) по списку Размер изображения по списку Размер изображения по списку Размер изображения по списку Размер изображения 1 200* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *500 Задание 1 Вычислить объем растрового черно-белого изображения. Размер изображения согласно вашему варианту. 3

4 Задание 2 Вычислить объем растрового изображения палитрой 256 цветов. Размер изображения согласно вашему варианту. Задание 3 Вычислить объем растрового изображения палитрой 16 цветов. Размер изображения согласно вашему варианту Задание 4 Создать в программе Paint черно-белого изображение. Размер изображения согласно вашему варианту. Сохранить в рабочей папке. Сравнить размер файла с вычисленным в задании 1. Вычислить процент отклонения. Задание 5 Создать в программе Paint изображение палитрой 256 цветов. Размер изображения согласно вашему варианту. Сохранить в рабочей папке. Сравнить размер файла с вычисленным в задании 2. Вычислить процент отклонения. Задание 6 Создать в программе Paint изображение палитрой 16 цветов. Размер изображения согласно вашему варианту. Сохранить в рабочей папке. Сравнить размер файла с вычисленным в задании 3. Вычислить процент отклонения. Задание 7 Сделать выводы. Объяснить причину отклонений. Задание 8 Измерьте информационный объем сообщения, включающего ваши фамилию, имя, отчество, дату рождения и адрес в битах, байтах, килобайтах (Кб), мегабайтах (Мб). Указание: считается, что текст набран с помощью компьютера, один символ алфавита несет 1 байт информации. Пробел это тоже символ в алфавите мощностью 256 символов. Задание 9 Наберите ваши фамилию, имя, отчество, дату рождения и адрес в программе Блокнот. Сохраните файл в рабочей папке. Сравнить размер файла с вычисленным в задании 8. Вычислить процент отклонения. Сделать выводы. Объяснить причину отклонений. Задание 10 Подготовить отчет, сдать его преподавателю. 4

5 САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ДОМАШНЯЯ РАБОТА ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Графическая информация на экране дисплея представляется в виде изображения, которое формируется из точек (пикселей). Всмотритесь в газетную фотографию, и вы увидите, что она тоже состоит из мельчайших точек. Если это только чѐрные и белые точки, то каждую из них можно закодировать 1 битом. Но если на фотографии оттенки, то два бита позволяет закодировать 4 оттенка точек: 00 - белый цвет, 01 - светло-серый, 10 - тѐмно-серый, 11 - чѐрный. Три бита позволяют закодировать 8 оттенков и т.д. Количество бит, необходимое для кодирования одного оттенка цвета, называется глубиной цвета. В современных компьютерах разрешающая способность (количество точек на экране), а также количество цветов зависит от видеоадаптера и может изменяться программно. Цветные изображения могут иметь различные режимы: 16 цветов, 256 цветов, цветов (high color), цветов (true color). На одну точку для режима high color необходимо 16 бит или 2 байта. Наиболее распространѐнной разрешающей способностью экрана является разрешение 800 на 600 точек, т.е точек. Рассчитаем необходимый для режима high color объѐм видеопамяти: 2 байт *480000= байт. Следовательно, байт приблизительно равно 937,5 Кбайт. Если человек говорит по восемь часов в день без перерыва, то за 70 лет жизни он наговорит около 10 гигабайт информации (это 5 миллионов страниц - стопка бумаги высотой 500 метров). Скорость передачи информации - это количество битов, передаваемых в 1 секунду. Скорость передачи 1 бит в 1 секунду называется 1 бод. В видеопамяти компьютера хранится битовая карта, являющаяся двоичным кодом изображения, откуда она считывается процессором (не реже 50 раз в секунду) и отображается на экран. Задачи: 1. Измерьте информационный объем сообщения «Ура! Скоро Новый год!» в битах, байтах, килобайтах (Кб), мегабайтах (Мб). Указание: считается, что текст набран с помощью компьютера, один символ алфавита несет 1 байт информации. Пробел это тоже символ в алфавите мощностью 256 символов. 5

6 2. Измерьте примерную информационную емкость одной страницы любого своего учебника, всего учебника. Сколько таких учебников может поместиться на дискете 1,44 Мб, на винчестере в 1 Гб, на фэшке 4Гб? Указание: Для выполнения задания возьмите учебник по любимому предмету, посчитайте число строк на странице, число символов в строке, включая пробелы. Помните, что один символ алфавита несет 1 байт информации. Перемножив полученные значения, Вы найдете информационную емкость одной страницы учебника (в байтах). 3. Известно, что видеопамять компьютера имеет объем 512 Кбайт. Разрешающая способность экрана 640 на 200. Сколько страниц экрана одновременно разместится в видеопамяти при палитре: а) из 8 цветов, б) 16 цветов; в) 256 цветов? 4. Сколько бит требуется, чтобы закодировать информацию о 130 оттенках? 5. Подумайте, как уплотнить информацию о рисунке при его записи в файл, если известно, что: а) в рисунке одновременно содержится только 16 цветовых оттенков из 138 возможных; б) в рисунке присутствуют все 130 оттенков одновременно, но количество точек, закрашенных разными оттенками, сильно различаются. 6. Найдите в сети Интернет информацию на тему «Цветовые модели HSB, RGB, CMYK» и создайте на эту тему презентацию. В ней отобразите положительные и отрицательные стороны каждой цветовой модели, принцип ее функционирования и применение. Используя информацию о размере каждого из полученных файлов, вычислите количество используемых цветов в каждом из файлов, проверьте с полученным на практике. Объясните, почему формула расчета количества цветов не подходит для формата JPG. Для этого воспользуйтесь информацией из сети Интернет. 7. На бумаге в клетку (или в приложении Excel) нарисуйте произвольный рисунок 10*10 клеток. Закодируйте его двоичным кодом (закрашена клетка 1, не закрашена - 0). Полученный код отдайте одногруппнику для раскодирования и получения изображения. КОДИРОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ. С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, может сохранять в виде файлов (файл - это определѐнное количество информации, хранящееся на диске и имеющее имя) и воспроизводить звуковую информацию. С помощью специальных программных средств (редакторов аудио файлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи, и появляется возможность управления компьютером голосом. Именно звуковая плата (карта) преобразует аналоговый сигнал в дискретную фонограмму и наоборот, «оцифрованный» звук в аналоговый (непрерывный) сигнал, который поступает на вход динамика. При двоичном кодировании аналогового звукового сигнала непрерывный сигнал дискретизируется, т.е. заменяется серией его отдельных выборок - отсчѐтов. Качество двоичного 6

7 кодирования зависит от двух параметров: количества дискретных уровней сигнала и количества выборок в секунду. Количество выборок или частота дискретизации в аудиоадаптерах бывает различной: 11 кгц, 22 кгц, 44,1 кгц и др. Если количество уровней равно 65536, то на один звуковой сигнал рассчитано 16 бит (216). 16-разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8-разрядный. Количество бит, необходимое для кодирования одного уровня звука, называется глубиной звука. Объѐм моноаудиофайла (в байтах) определяется по формуле: При стереофоническом звучании объѐм аудиофайла удваивается, при квадрофоническом звучании учетверяется. По мере усложнения программ и увеличения их функций, а также появления мультимедиаприложений, растѐт функциональный объѐм программ и данных. Если в середине 80-х годов обычный объѐм программ и данных составлял десятки и лишь иногда сотни килобайт, то в середине 90-х годов он стал составлять десятки мегабайт. Соответственно растѐт объѐм оперативной памяти. Пример решения: Подсчитать, сколько места будет занимать одна минута цифрового звука на жестком диске или любом другом цифровом носителе, записанного с частотой а) 44.1 кгц; б) 11 кгц; в) 22 кгц; г) 32 кгц и разрядностью 16 бит. Решение. а) Если записывают моносигнал с частотой 44.1 кгц, разрядностью 16 бит (2 байта), то каждую минуту аналого-цифровой преобразователь будет выдавать * 2 * 60 = байт (около 5 Мб) данных об амплитуде аналогового сигнала, который в компьютере записываются на жесткий диск. Если записывают стереосигнал, то байт (около 10 Мб). Задания. 1. Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты? 2. Какой объем данных имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кгц)? 3. Рассчитайте объем стереоаудиофайла длительностью 20 секунд при 20-битном кодировании и частоте дискредитации 44.1 кгц. Варианты: 44,1 Mb, 4.21 Mb, 3,53 Mb. 4. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 20 с, если "глубина" кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно 8 бит и 8 кгц; 5. Рассчитайте время звучания моноаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кгц его объем равен 700 Кбайт; 6. Запишите звуковой моноаудиофайл длительностью 20 с, с "глубиной" кодирования 8 бит и частотой дискретизации 8 кгц. 7. Определите качество звука (качество радиотрансляции, среднее качество, качество аудио- CD) если известно, что объем стериоаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. Равен 940 Кбайт; 7

8 8. Оцените информационный объем стериоаудиофайла длительностью звучания 30 с, если "глубина" кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно 8 бит и 8 кгц; 9. Запишите звуковой файл длительностью 30с с "глубиной" кодирования 8бит и частотой дискретизации 8 кгц. Вычислите его объем и сверьтесь с полученным на практике значением. 10. Аналоговый звуковой сигнал был дискретизирован сначала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала (качество звучания радиотрансляции), а затем с использованием уровней интенсивности сигнала (качество звучания аудио-cd). Во сколько раз различаются информационные объемы оцифрованного звука? 11. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин. если "глубина" кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 16 бит и 48 кгц. 12. Запишите звуковой моноаудиофайл длительностью 1 минута с "глубиной" кодирования 16 бит и частотой дискретизации 48 кгц. 13. Подсчитать объем файла с 10 минутной речью записанного с частотой дискретизации Гц при 4 разрядном кодировании 14. Подсчитать время звучания звукового файла объемом 3.5 Мбайт содержащего стерео запись с частотой дискретизации Гц, 16-ти разрядном кодировании. 15. Определите количество уровней звукового сигнала при использовании 8-битных звуковых карт. Варианты: 256, 512,1024, Приведите пример: а) аналогового способа представления звуковой информации; б) дискретного способа представления звуковой информации. 17. Подготовить презентацию, демонстрирующую возможности звуковых форматов midi, wav, mp3, mod. 18. Перечислите параметры, от которых зависит качество двоичного кодирования звука. Задание 4. Ответить на вопросы: 1. Что такое информация? 2. Перечислить свойства информации. 3. Какие виды информации Вы знаете? 4. Приведите примеры аналогового представления графической информации. 5. Что такое пиксель? 6. Перечислите единицы измерения информации. 8