Системы кодирования цвета

С помощью одного байта можно закодировать 256 разных значений. Мы уже знаем, что этого вполне хватает и на русские, и на английские буквы и на знаки препинания. А давайте посмотрим, хватит ли этою для кодирования графической информации. И начнем с кодирования цвета. Легко догадайся, что одним байтом можно закодировать 256 различных цветов. В принципе, этого достаточно для рисованных изображений типа тех, что мы видим в мульфильмах, но для полноцветных изображении живой природы -- недостаточно. Человеческий глаз -- не самый совершенный инструмент, но и он может различать десятки миллионов цветовых оттенков. А что, если на кодирование цвета одной точки отдать не один байт, а два, то есть, не 8 битов, а 16. Мы уже знаем, что добавление каждого бита увеличивает в два раза количество кодируемых значений. Добавление восьми битов восемь раз удвоит это количество, то есть увеличит его в 256 раз (2х2х2х2х2х2х2х2=256) Двумя байтами можно закодировать 256х256=65 536 различных цветов. Это уже лучше и похоже на то, что мы видим на фотографиях и на картинках в журналах, но все равно хуже, чем в живой природе. Если для кодирования цвета одной точки использовать 3 байта (24 бита), то количество возможных цветов увеличится еще в 256 раз и достигнет 16,5 миллионов. Этот режим позволяет хранить, обрабатывать и передавать изображения, не уступающие по качеству наблюдаемым в живой природе. Возможно, вы знаете, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех основных цветов: красного, зеленого и синего (их называют цветовыми составляющими). Если мы кодируем цвет точки с помощью трех байтов, то первый байт выделяется красной составляющей, второй -- зеленой, а третий -- синей. Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем ярче этот цвет. Белый цвет. Если точка имеет белый цвет, значит, у нее есть все цветовые составляющие, и они имеют полную яркость. Поэтому белый цвет колируется тремя полными байтами 255, 255, 255. Черный цвет. Он означает отсутствие всех прочих цветов. Все цветовые составляющие равны нулю. Черный цвет кодируется байтами 0, 0, 0. Серый цвет. Это цвет, промежуточный между черным и белым. В нем есть все цветовые составляющие, но они одинаковы и нейтрализуют друг друга. Например, серый цвет может быть таким 100, 100, 100 или таким: 150, 150, 150. Можно догадаться, что во втором случае яркость выше, и второй вариант серого цвета светлее первого. Красный цвет. У него все составляющие, кроме красной, равны нулю. Это может быть, например, темно-красный цвет: 128, 0, 0 или ярко-красный: 255, 0, 0.

То же относится и к синему цвету (0, 0, 255) и к зеленому (0, 255, 0). Задавая любые значения (от 0 до 255) для каждого из трех байтов, с помощью которых кодируется цвет, можно закодировать любой из 16,5 миллионов.

 

Вопрос № 8. Структуры данных. Виды обработки данных. Типовые операции с данными. Организация данных на устройствах с прямым и последовательным доступом. Проблема адресации и фрагментации данных. Файловая система. Работы с большими наборами данных автоматизируется проще, когда данные упорядочены, т.е образуют заданную структуру. Существует 3 типа структуры данных: линейная, иерархическая и табличная. Рассмотрим простой пример: Разберем книгу на отдельные листы. Если собрать все листы в нужной последовательности, мы получим простейшую структуру данных – линейную структуру.   Линейная структура – это списки. Списки – это простейшая структур данных, отличающаяся тем, что каждый элемент данных однозначно определяется своим номером в массиве. Такую книгу уже можно читать, хотя для поиска нужных данных ее придется прочитать подряд, начиная с самого начала, что не всегда удобно. Табличные структурные таблицы – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка, содержащая исходный элемент. Для быстрого поиска данных существует и иерархическая система. Нерегулярные данные, которые трудно представить в виде списка или таблицы, часто представляют в виде иерархических структур. Так например, иерархическую структуру имеет система почтовых адресов. Подобные структуры так же широко применяются в научных систематизациях и всевозможных классификациях. В иерархической структуре адрес каждого элемента определяется путем доступа, ведущим от вершины структуры к данному элементу.

Вопрос № 9. Передача данных. Помехоустойчивость каналов передачи. Контроль четности. Код Хемминга. Информация передаётся в виде сообщений от некоторого источника информации к её приёмнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приёмнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением (рисунок 1.1).

ИСТОЧНИК СООБЩЕНИЯ

канал связи ———>

ПРИЁМНИК СООБЩЕНИЯ

Рисунок 1.1 – Схема передачи информации

Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажениеи потерю информации. Обилие разнообразной информации обычно затрудняет поиск нужных сведений. Поэтому, например, для облегчения работы с бумажными информационными потоками на практике применяют различного рода классификаторы: универсальный десятичный классификатор (УДК), принятый в пятидесяти странах мира и разделяющий все потоки информации на десять классов и далее на подклассы; библиотечно–библиографический классификатор (ББК) России; Международный классификатор изобретений (МКИ); различные классификаторы промышленной продукции и т.д.

Контроль четкости.

Бит четности.

Рассмотрим схему использующую 9-тибитное слова (8 бит это данные, 1 бит контроль четности.)

Бит четности = 0 или 1 и служит для проверки четности единичных битов. (0 – четное число).

7-мибитные числа: 6 – стоповые и 1 бит четности.

Восстановление ошибок производится повторной передачей данных.

Код Хемминга. В коде Хемминга вводится понятие кодового расстояния равное числу разрядов с неоднократными значениями.

При контроле четности d=2.

В коде Хемминга d=3 (вводится (дополнительный разряд), к – число разрядов, L- разрядный контролируемый код – результат инвертированный параразрядного сложения N-ов технической информации разрядов, значения которого = 1.

Вопрос № 10. Сжатие данных. Алгоритмы сжатия без потерь. Приемы и методы работы со сжатыми данными. Сжатие данных. 1. Поиск повторяющихся последовательностей (миллион нулей). 2. Составление словаря лексических единиц.(45, 94, 169). 3. Код Хармена (3 бита для кодирования N поколения;  Верх пирамиды 0, и по возрастающей вниз.

Алгоритмы сжатия без потерь. Если при сжатии данных происходит только изменение их структуры, то метод сжатия обратим. Из результирующего кода можно восстановить исходный массив путем применения обратного метода. Обратимые методы применяются для сжатия любых типов данных. Характерными форматами сжатия без потерь информации являются:.GIF,.ITF, PCX и многие другие для графических данных;.AVI для видеоданных;.ZIP,.ARJ,.RAR,.LZH,.LH,.CAB и многие другие для любых типов данных.

Алгоритмы обработки методов. При исследовании методов сжатия данных иметь в виду существование следующих доказанных теорем.

1. Для любой последовательности данных существует теоретический предел сжатия, который не может быть превышен без потери части информации.

2. Для любого алгоритма сжатия модно указать такую последовательность данных, для которой он обеспечивает лучшую степень сжатия, чем другие методы.

3. Для любого алгоритма сжатия можно указать такую последовательность данных, для которой данный алгоритм вообще не получить сжатия.

Таким образом, обсуждая различные методы сжатия, следует иметь в виду, что наивысшую эффективность они демонстрируют для данных разных типов и разных объемов. Современные программные средства для создания и обслуживания архивов обеспечивают выполнение следующих функций: извлечение информации из архивов; создание новых архивов; добавление информации в имеющийся архив; тестирование целостности структуры архивов; полное или частичное восстановление поврежденных архивов; защита архивов от просмотра и несанкционированных изменений.

Перечислим основные методы сжатия цифровых данных. Основная проблема передачи данных – возникновение ошибок. Причинами ошибок могут быть: загрязнение поверхности магнитного диска, случайный сбой электронной схемы, влияние какого–либо излучения и др. Для обнаружения ошибок, возникающих при передаче данных разработано множество технологий. Один из наиболее простых способов построен на следующем принципе. Если каждая обрабатываемая битовая комбинация будет состоять из нечетного количества знаков, то обнаруженная комбинация с четным количеством битов будет свидетельствовать о возникновении ошибки. Для возможности такой проверки битовые комбинации дополняют так называемым битом четности (контрольным битом). Кроме того, разработаны такие методы, которые позволяют не только выявить ошибки при передаче данных, но и исправить их. Принцип действия кода с исправлением ошибок основан на понятии дистанции Хэмминга.

 

Вопрос № 11. Аппаратные средства информационных технологий. ЭВМ. Классическая (фон-неймановсая) и современная архитектура ЭВМ. Классификация современных компьютеров.При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру. Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

 

Структура компьютера — это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства — от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.  Теоретические основы построения и функционирования ЭВМ, кардинальным образом не изменившиеся до настоящего времени, были сформулированы выдающимся математиком Джоном фон Нейманом в 1945–1947 гг. и известны как принципы фон Неймана. Среди них была идея представления обрабатываемых данных и программы в числовой форме и их размещения в памяти машины. Для упрощения логических схем фон Нейман предложил использовать двоичную систему счисления. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:

арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;

устройство управления, которое организует процесс выполнения программ и координирует взаимодействие всех устройств ЭВМ во время ее работы; запоминающее устройство или память для хранения данных и программ; устройства ввода- вывода.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных (имеющих собственные адреса) ячеек, в каждой из которых могут находиться обрабатываемые данные или программные инструкции. Все ячейки памяти должны быть доступны для других устройств компьютера. В общих чертах работа компьютера, построенного по принципам фон Неймана, выглядит так: вначале при помощи устройства ввода в память компьютера вводится программа. Затем устройство управления считывает содержимое той ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение (считывание из памяти данных, выполнение арифметических или логических операций, ввод новых данных в память или запись туда результатов обработки, вывод данных из памяти на устройство вывода и др.) Далее в устройство управления попадает команда из следующей ячейки памяти и т.д. Важно отметить, что последовательность выполнения команд может меняться в зависимости от выполнения некоторых условий, задаваемых в самой программе. Для этого существуют специальные команды передачи управления. Совокупность наиболее общих принципов построения и организации функционирования информационно-вычислительной системы принято называть архитектурой. Описанную выше классическую архитектуру ЭВМ, часто называемую фон-неймановской, можно изобразить следующей схемой (см. рис. 2.1), на которой черными стрелками обозначены пути передачи данных, а белыми – управляющие связи. Арифметико-логическое устройство и устройство управления объединены в единое устройство, называемое центральным процессором.

 

Рис. 2.1. Классическая фон-неймановская архитектура ЭВМ

Схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. Уже в машинах первого поколения произошло разделение памяти на оперативную (сравнительно небольшую по объему, но быстродействующую) для хранения данных, к которым ЭВМ часто обращается в процессе работы, и внешнюю для хранения больших массивов данных и библиотек программ. Память современных ЭВМ представляет собой сложную многоуровневую иерархическую структуру, где на верхнем уровне иерархии расположена самая быстродействующая память (кэш-память), в которую при решении очередной задачи помещаются наиболее интенсивно используемые фрагменты данных и программ. В современных ЭВМ может быть несколько уровней кэш-памяти, причем кэш-память первого уровня, как правило, находится внутри центрального процессора. Радикально увеличилось количество и возможности внешних устройств накопления, ввода и вывода данных и др. Функции непосредственного управления работой внешних устройств перешли к специальным управляющим устройствам – контроллерам или адаптерам.Обмен данными между устройствами осуществляется через системную магистраль передачи данных, называемую шиной. В общем случае шина состоит из трех частей:  шина данных, по которой собственно осуществляется обмен данными;

адресная шина, определяющая, куда и откуда передаются данные; шина управления, передающая управляющие сигналы.

Физически шина – это просто набор проводников, однако именно она является функциональным центром конструкции современного компьютера. Соответствующая схема представлена на рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Шинная архитектура современных компьютеров

 

Важнейшим параметром шины является ее разрядность – число одновременно передаваемых бит данных. В результате перехода на шинную архитектуру появилась возможность организовать прямой (без непосредственного участия центрального процессора) обмен данными между устройствами, в частности, режим прямого доступа к оперативной памяти. Все вышеперечисленные изменения привели к существенному росту производительности ЭВМ. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство современных компьютеров в общих чертах соответствует классическим принципам фон Неймана.