Методическая разработка
методическая разработка по информатике и икт (11 класс) по теме

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

    Республики Мордовия

«Зубово-Полянский педагогический колледж»

  УТВЕРЖДАЮ

                                                                                   Заместитель директора по учебной работе

                                                                                        ___________________ Т.М. Какаева

                                                      «___» _____________ 2015 г.

 СБОРНИК ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ  ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

ОП.14 Основы теории информации

основной профессиональной образовательной программы

по специальности СПО

230115 Программирование в компьютерных системах

Зубова Поляна, 2015

Разработчик: Коняшкина Любовь Ивановна

«___» ________________ 2015 г.

Cодержание

Практическое занятие №1 Измерение количества информации.

Практическое занятие № 2 Скорость передачи информации.

Практическое занятие № 3 Расчет вероятностей.

Практическое занятие № 4 Представление символьной информации.

Практическое занятие № 5 Представление графической информации.

Практическое занятие № 6 Представление звуковой информации.

Практическое занятие № 1

Тема программы: Информационные процессы.

Тема: Скорость передачи информации.

Цель: научиться измерять и вычислять скорость передачи  информацию.

Время выполнения: 2 часа

Оборудование:  ПК.

Раздаточный материал: дидактический материал

Программное обеспечение: операционная система, текстовый редактор.

Теоретические основы

Скорость передачи информации определяется количеством  элементов двоичной информации,, передаваемых за 1 с. В синхронной  передачи данных по коммутируемым каналам рекомендуется использовать скорости из следующего ряда: 600, 1200, 2400, 4800, 9600 бит/с. Для  асинхронной передачи по коммутьируемым каналм рекомегндуется скорость 300 бит/с.

В синхронной  передачи данных по арендованным каналам рекомендуется использовать скорости из следующих рядов:

а) предпочтительные: 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400 бит/с;

б) дополнительные: 3000, 6000, 7200, 12000 бит/с;

в) допустимого диапазона: Nx600 бит/с (1<=N<=24)

Следует отличать скорость передачи информации от   модуляционной (линейной) скорости, измеряемой в Бодах (количество элементов модулированного сигнала, передаваемого за 1 с). Для  простых  видов модуляции  скорость передачи информации совпадает с модуляционной скоростью.

         При синхронной передаче скорость должна отличаться  от  номинального  значения  не  более, чем на 0,01%, а при асинхронной – не более, чем на 2,5%.

Оба компьютера, как правило, могут одновременно обмениваться информацией в обе стороны. Этот режим работы называется полным дуплексным.

Дуплексный режим передачи данных – режим, при котором передача данных осуществляется одновременно в обоих направлениях.

В отличие от дуплексного режима передачи данных, полудуплексный подразумевает передачу в каждый момент времени только в одном направлении.

Кроме собственно модуляции и демодуляции сигналов модемы могут выполнять сжатие и декомпрессию пересылаемой информации, а также заниматься поиском и исправлением ошибок, возникнувших в процессе передачи данных по линиям связи.

Одной из основных характеристик модема является скорость модуляции (modulation speed), которая определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных. Единицей измерения этого параметра является количество бит в секунду (бит/с), называемое бодом.

Любой канал связи имеет ограниченную пропускную способность (скорость передачи информации), это число ограничивается свойствами аппаратуры и самой линии (кабеля).

Объем переданной информации  вычисляется по формуле Q=q*t, где   q – пропускная способность канала (в битах в секунду), а t – время передачи

Пример 1. Скорость передачи данных через ADSL-соединение равна 128000 бит/c. Через данное соединение передают файл размером 625 кбайт. Определить время передачи файла в секундах.

Решение:

1) выделим в заданных больших числах степени двойки и переведем размер файла в биты, чтобы «согласовать» единиц измерения:

128000 бит/c = 128 · 1000 бит/с = 27 · 125 · 8 бит/с = 27 · 53 · 23 бит/с = 210·53 бит/с

625 кбайт = 54 кбайт = 54 · 213 бит.

2) чтобы найти время передачи в секундах, нужно разделить размер файла на скорость передачи:

t=(54 · 213)бит / 210·53 бит/с = 40 с.

Ответ: 40 с.

 Пример 2. Скорость передачи данных через ADSL-соединение равна 512000 бит/c. Передача файла через это соединение заняла 1 минуту. Определить размер файла в килобайтах.

Решение:

1) выделим в заданных больших числах степени двойки; переведем время в секунды (чтобы «согласовать» единицы измерения), а скорость передачи – в кбайты/с, поскольку ответ нужно получить в кбайтах:

1 мин = 60 с = 4 · 15 с = 22 · 15 с

512000 бит/c = 512 · 1000 бит/с = 29 · 125 · 8 бит/с = 29 · 53 · 23 бит/с = 212 · 53 бит/с = 29 · 53 бит/с = (29 · 53) / 210  кбайт/с =  (53 / 2) кбайт/с

2) чтобы найти объем файла, нужно умножить время передачи на скорость передачи:

 Q=q*t = 22 · 15 с *(53 / 2) кбайт/с = 3750 кбайт

Ответ: 3750 кбайт.

 Пример 3. C помощью модема установлена связь с другим компьютером со скоростью соединения 19200, с коррекцией ошибок и сжатием данных. 
а) Можно ли при таком соединении файл размером 2,6 килобайт передать за 1 секунду? Обоснуйте свой ответ. 
б) Всегда ли при таком соединении файл размером 2,3 килобайт будет передаваться за 1 секунду? Обоснуйте свой ответ. 
в) Можно ли при таком соединении оценить время передачи файла размером 4 Мб? Если можно, то каким образом?

Решение:

а) Для начала узнаем, какое количество килобайт мы можем передать за 1 секунду: 19200/1024/8 = 2,3 (Кбайт). Следовательно, если бы не было сжатия информации, то данный файл за одну секунду при данной скорости соединения было бы невозможно передать. Но сжатие есть, 2.6/2.3 < 4, следовательно, передача возможна. 
б) Нет не всегда, так как скорость соединения это максимально возможная скорость передачи данных при этом соединении. Реальная скорость может быть меньше. 
в) Можно указать минимальное время передачи этого файла: 4*1024*1024/4/19200, около 55 с (столько времени будет передаваться файл на указанной скорости с максимальной компрессией). Максимальное же время передачи оценить вообще говоря нельзя, так как в любой момент может произойти обрыв связи.

Практические задания

 Задание 1. Решите задачу о передаче информации с помощью модема.

 Задание 2. Решите задачу о передаче графической информации.

Отчет

Отчет должен быть оформлен в текстовом редакторе и содержать:

• наименование работы;
• цель работы;
• задание;
• последовательность выполнения работы;
• ответы на контрольные вопросы;
• вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение пропускной способности (передача информации)?

2. В чем измеряется пропускная способность?

3. Зависит ли скорость передачи информации от объема передаваемой информации?

Практическое занятие № 2

Тема программы: Подходы к измерению информации.

Тема: Измерение количества информации.

Цель: научиться измерять и вычислять информацию, а также и работать с носителями информации.

Время выполнения: 2 часа

Оборудование: ПК.

Раздаточный материал: дидактический материал

Программное обеспечение: операционная система, текстовый редактор.

Теоретические основы

1 байт = 8 битов.

    Существуют еще более крупные единицы измерения информации.

     Переход к более крупным единицам измерения информации (килобайт, мегабайт, терабайт, петабайт, эксабайт). Байт наиболее удобная единица измерения информационного объема сообщения, состоящего из последовательности символов компьютерного алфавита. Однако она мала при подсчете емкости информационных носителей. По аналогии с физическими единицами измерения (например, 1 килограмм = 1000 грамм) подбираем по таблице целых степеней двойки значение близкое к тысячи. Это значение равно 1024. Поэтому 1 килобайт = 1024 байт = 210 байт, 1 мегабайт = 1024 килобайт = 210 килобайт и т. д.

1 Кбайт (один килобайт) = 1024 байт;

1 Мбайт (один мегабайт) = 1024 Кбайт;

1 Гбайт (один гигабайт) = 1024 Мбайт.

Что представляют единицы измерения:

5 бит – буква в клетке кроссворда.

1 байт – символ, введенный с клавиатуры.

6 байт – средний размер слова, в тексте на русском языке.

50 байт – строка текста.

2 Кбайта – страница машинописного текста.

100 Кбайт – фотография в низком разрешении

1 Мбайт – небольшая художественная книга.

100 Мбайт – метровая книга с полками.

1 Гбайт – прочитывает человек за всю жизнь.

3 Гбайт – час качественной видеозаписи.

Для сохранения информации используют носители информации: флэш-накопители, флэш-карты, диски разных форматов, съемные жесткие диски.

Порядок выполнения работы

Изучение материала и выполнение заданий на компьютере.  

Содержательный (вероятностный) подход к определению количества информации

Если заключённые в каком-то сообщении сведения являются для человека новыми, понятными, пополняют его знания, т.е. приводят к уменьшению неопределённости знаний, то сообщение содержит информацию.

1 бит – количество информации, которое содержится в сообщении,  которое уменьшает неопределённость знаний в 2 раза.

Пример1. При бросании монеты возможны 2 события (случая) – монета упадёт орлом или решкой, причём оба события равновероятны (при большом количестве бросаний количество случаев падения монеты орлом и решкой одинаковы). После получения сообщения о результате падения монеты неопределённость знаний уменьшилась в 2 раза, и, поэтому, количество информации, полученное при этом равно 1 бит.

Содержательный (вероятностный) подход является субъективным, т.к. одну и ту же информацию разные люди могут оценивать  по разному. Для одного человека сведения в сообщении могут быть важными и понятными, для другого бесполезными, непонятными или вредными.

Единицы измерения информации. Перевод единиц измерения.

1 бит – количество информации, которое содержится в сообщении, которое уменьшает неопределённость знаний в 2 раза.

1 бит – наименьшая единица информации. Более крупные единицы – байт, килобайт, мегабайт, гигабайт.

Система единиц измерения информации:

1 байт = 8 бит

1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт;

1 Мбайт = 210 Кбайт = 1024 Кбайт = 220 байт;

1 Гбайт = 210 Мбайт = 1024 Мбайт = 220 кбайт = 230 байт

Информационный объём носителей информации:
Дискета – 1,44 Мбайт; компакт-диск ≈ 700 Мбайт; DVD-диск – до 17 Гбайт (стандарт – 4,7 Гбайт); жёсткий диск – от 20 Гбайт до 80 Гбайт и более (стандарт 80 Гбайт); Flash-память – 256 Мбайт – 2 Гбайт.

Примеры перевода единиц:

1) 5 байт = 5 * 8 бит = 40 бит;

2) 24 бита = 24*8 байта = 3 байта;

3) 4 Кбайт = 4 * 1024 байт = 4096 байт;

4) 16384 бита = 16384: 8 байт = 2048 байт;

1. 2048 байт: 1024 = 2 Кбайта.

Вычисление количества информации для равновероятных событий.

Если события равновероятны, то количество информации можно рассчитать по формуле:

       N = 2I ,

где N – число возможных событий,

I – количество информации в битах.

Формула была предложена американским инженером Р. Хартли в 1928 г.

Задача 1. В коробке 32 карандаша, все карандаши разного цвета. Наугад вытащили красный. Какое количество информации при этом было получено?

Решение.

Так как вытаскивание карандаша любого цвета из имеющихся в коробке 32 карандашей является равновероятным, то число возможных событий

равно 32.

N = 32, I = ?

N = 2I, 32 = 25, I = 5 бит.

Ответ: 5 бит.

Задачи на перевод единиц измерения информации

Задача 2. В школьной библиотеке 16 стеллажей с книгами, на каждом – по 8 полок. Ученику сообщили, что нужный учебник находится на 2-ой полке 4-го стеллажа. Какое количество информации получил ученик?

Решение.

1) Число стеллажей (случаев) – 16.

         N1 = 16, N1 = 2I, 16 = 2I, 16 = 24, I1= 4 бита.

2) Число полок на каждом стеллаже (случаев) – 8,

        N2 = 8, N2 = 2I, 8 = 23, I2 = 3 бит.

3) I = I1 + I2, I = 4 бита + 3 бита = 7 бит.

Ответ: 7 бит.

Задача 3. Загадывают число в диапазоне от 1 до 200. Какое наименьшее количество вопросов надо задать, чтобы наверняка отгадать число. На вопросы можно отвечать только «Да» или «Нет».

Решение. 

Правильная стратегия состоит в том, чтобы количество вариантов каждый раз уменьшалось вдвое.

Например, загадано число 152.

1 вопрос: Число >100?  Да.

2 вопрос: Число < 150? Нет.

3 вопрос: Число > 175? Нет. и т.д.

Количество событий в каждом варианте будет одинаково, и их отгадывание равновероятно. N = 2I, 200 = 2I, 7 < I < 8. Т.к. количество вопросов нецелым числом быть не может, то необходимо задать не более 8 вопросов.

Ответ: 8 вопросов

**Вычисление количества информации для событий с различными вероятностями.

Существует множество ситуаций, когда возможные события имеют различные вероятности реализации. Рассмотрим примеры таких событий.

1. В коробке 20 карандашей, из них 15 красных и 5 чёрных. Вероятность вытащить наугад красный карандаш больше, чем чёрный.
2. При случайном падении бутерброда вероятность падения его маслом вниз (более тяжёлой стороной) больше, чем маслом вверх.
3. В пруду живут 8000 карасей, 2000 щук и 40000 пескарей. Самая большая вероятность для рыбака – поймать в этом пруду пескаря, на втором месте – карася, на третьем – щуку.

Количество информации в сообщении о некотором событии зависит от его вероятности. Чем меньше вероятность события, тем больше информации оно несёт.
P = K/N, где К – количество случаев реализации одного из исходов события, N – общее число возможных исходов одного из событий
2 I = log2(1/p), где I – количество информации, p – вероятность события

Задача. В коробке 50 шаров, из них 40 белых и 10 чёрных. Определить количество информации в сообщении о вытаскивании наугад белого шара и чёрного шара.

Решение.
Вероятность вытаскивания белого шара

P1 = 40/50 = 0,8
Вероятность вытаскивания чёрного шара P2 = 10/50 = 0,2
Количество информации о вытаскивании белого шара I1 = log2(1/0,8) = log21,25 = log1,25/log2 ≈ 0,32 бит
Количество информации о вытаскивании чёрного шара

I2 = log2(1/0,2) = log25 = log5/log2 ≈ 2,32 бит                                              

Ответ: 0,32 бит, 2,32 бит

Что такое логарифм?

Логарифмом числа а по основанию b называется показатель степени, в которую надо возвести число a, чтобы получить число b.

a logab = b, a > 0, b > 0, a ≠ 1

Вычисление логарифмов чисел по основанию 2 с помощью электронного калькулятора

log 2 6 = log 6 / log 2, где log 6 и log 2 – десятичные логарифмы

Программа вычисления логарифма числа 6  по основанию 2 ( log 2 6 ) с помощью инженерного калькулятора:         6, log, / , 2, log, =

Количество информации в случае различных вероятностей событий определяется по формуле:
Формула Шеннона: (американский учёный, 1948 г.)

где Pi – вероятность i-го события, N – количество возможных событий

Задача. В озере живут караси и окуни. Подсчитано, что карасей 1500, а окуней - 500. Сколько информации содержится в сообщениях о том, что рыбак поймал карася, окуня, поймал рыбу?

Решение.
События поимки карася или окуня не являются равновероятными, так как окуней в озере меньше, чем карасей.

Общее количество карасей и окуней в пруду 1500 + 500 = 2000.
Вероятность попадания на удочку карася

p1 = 1500/2000 = 0,75, окуня p2 – 500/2000 = 0,25.

 I1 = log2(1/p1), I1 = log2(1/p2), где I1 и I2 – вероятности поймать карася и окуня соответственно.

I1 = log2(1 / 0,75) ≈ 0,43 бит, I2 = log2(1 / 0,25) ≈ 2 бит – количество информации в сообщении поймать карася и поймать окуня соответственно.

Количество информации в сообщении поймать рыбу (карася или окуня) рассчитывается по формуле Шеннона

I = - p1log2p1 - p2log2p2

I = - 0,75*log20,75 - 0,25*log20,25 = - 0,75*(log0,75/log2)-0,25*(log0,25/log2) =

= 0,604 бит ≈ 0.6 бит.

Ответ: в сообщении содержится 0,6 бит информации

Отчет

Отчет должен быть оформлен в текстовом редакторе и содержать:

• наименование работы;
• цель работы;
• задание;
• последовательность выполнения работы;
• ответы на контрольные вопросы;
• вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Какое количество информации несет в себе жесткий диск емкостью 4 терабайта, если производитель рассчитывает 1000 за 1024?

2. Чем отличается вероятностный подход к измерению информации от алфавитного?

3. Какие единицы измерения информации используют для флэш-накопителей?

Практическое занятие № 3

Тема программы: Подходы к измерению информации.

Тема: Расчет вероятностей.

Цель: научиться вычислять вероятности событий (появление символов в сообщении) и рассчитывать энтропию.

Время выполнения: 2 часа

Оборудование: ПК.

Программное обеспечение: операционная система, калькулятор,  текстовый редактор.

Теоретические основы

Количество информации по Хартли и Шеннону

Понятие количество информации отождествляется с понятием информация. Эти два понятия являются синонимами. Мера информации должна монотонно возрастать с увеличением длительности сообщения (сигнала), которую естественно измерять числом символов в дискретном сообщении и временем передачи в непрерывном случае. Кроме того, на содержание количества информации должны влиять и статистические характеристики, так как сигнал должен рассматриваться как случайный процесс.

При этом наложено ряд ограничений:

1. Рассматриваются только дискретные сообщения.

2. Множество различных сообщений конечно.

3. Символы, составляющие сообщения равновероятны и независимы.

Хартли впервые предложил в качестве меры количества информации принять логарифм числа возможных последовательностей символов.

I=log mk=log N                                                                        (1)

К.Шеннон попытался снять те ограничения, которые наложил Хартли. На самом деле в рассмотренном выше случае равной вероятности и независимости символов при любом k все возможные сообщения оказываются также равновероятными, вероятность каждого из таких сообщений равна P=1/N. Тогда количество информации можно выразить через вероятности появления сообщений I=−log P.

В силу статистической независимости символов, вероятность сообщения длиной в k символов равна

Если i−й символ повторяется в данном сообщении ki раз, то

так как при повторении i символа ki раз k уменьшается до m. Из теории вероятностей известно, что, при достаточно длинных сообщениях (большое число символов k) ki≈k·pi и тогда вероятность сообщений будет равняться  

Тогда окончательно получим

                                                                (2)

Данное выражение называется формулой Шеннона для определения количества информации.

Формула Шеннона для количества информации на отдельный символ сообщения совпадает с энтропией. Тогда количество информации сообщения состоящего из k символов будет равняться I=k·H

Количество информации, как мера снятой неопределенности

При передаче сообщений, о какой либо системе происходит уменьшение неопределенности. Если о системе все известно, то нет смысла посылать сообщение. Количество информации измеряют уменьшением энтропии.

Количество информации, приобретаемое при полном выяснении состояния некоторой физической системы, равно энтропии этой системы:

Количество информации I − есть осредненное значение логарифма вероятности состояния. Тогда каждое отдельное слагаемое −log pi необходимо рассматривать как частную информацию, получаемую от отдельного сообщения, то есть

Избыточность информации

Если бы сообщения передавались с помощью равновероятных букв алфавита и между собой статистически независимых, то энтропия таких сообщений была бы максимальной. На самом деле реальные сообщения строятся из не равновероятных букв алфавита с наличием статистических связей между буквами. Поэтому энтропия реальных сообщений −Hр, оказывается много меньше оптимальных сообщений − Hо. Допустим, нужно передать сообщение, содержащее количество информации, равное I. Источнику, обладающему энтропией на букву, равной Hр, придется затратить некоторое число nр, то есть

Если энтропия источника была бы Н0, то пришлось бы затратить меньше букв на передачу этого же количества информации

I= n0H0

Таким образом, часть букв nр−nо являются как бы лишними, избыточными. Мера удлинения реальных сообщений по сравнению с оптимально закодированными и представляет собой избыточность D.

                                                        (3)

Но наличие избыточности нельзя рассматривать как признак несовершенства источника сообщений. Наличие избыточности способствует повышению помехоустойчивости сообщений. Высокая избыточность естественных языков обеспечивает надежное общение между людьми.

Частотные характеристики текстовых сообщений

Важными характеристиками текста являются повторяемость букв, пар букв (биграмм) и вообще m-ок (m-грамм), сочетаемость букв друг с другом, чередование гласных и согласных и некоторые другие. Замечательно, что эти характеристики являются достаточно устойчивыми.

Идея состоит в подсчете чисел вхождений каждой nm возможных m-грамм в достаточно длинных открытых текстах T=t1t2…tl, составленных из букв алфавита {a1, a2, ..., an}. При этом просматриваются подряд идущие m-граммы текста

t1t2...tm, t2t3... tm+1, ..., ti-m+1tl-m+2...tl.

Если – число появлений m-граммы ai1ai2...aim в тексте T, а L общее число подсчитанных m-грамм, то опыт показывает, что при достаточно больших L частоты

    для данной m-граммы мало отличаются друг от друга.

В силу этого, относительную частоту считают приближением вероятности P (ai1ai2...aim) появления данной m-граммы в случайно выбранном месте текста (такой подход принят при статистическом определении вероятности).

Для русского языка частоты (в порядке убывания) знаков алфавита, в котором отождествлены E c Ё, Ь с Ъ, а также имеется знак пробела (-) между словами, приведены в таблице 1.

Таблица 1

Некоторая разница значений частот в приводимых в различных источниках таблицах объясняется тем, что частоты существенно зависят не только от длины текста, но и от его характера.

Устойчивыми являются также частотные характеристики биграмм, триграмм и четырехграмм осмысленных текстов.

Порядок выполнения работы

Определить количество информации (по Хартли), содержащееся в заданном сообщении, при условии, что значениями являются буквы кириллицы.

«Фамилия Имя Отчество» завершил ежегодный съезд эрудированных школьников, мечтающих глубоко проникнуть в тайны физических явлений и химических реакций

Построить таблицу распределения частот символов, характерные для заданного сообщения. Производится так называемая частотная селекция, текст сообщения анализируется как поток символов и высчитывается частота встречаемости каждого символа. Сравнить с имеющимися данными в табл 1.

На основании полученных данных определить среднее и полное количество информации, содержащееся в заданном сообщении. Оценить избыточность сообщения.

1. Построить таблицу распределения частот символов, характерныx для заданного сообщения путём деления количества определённого символа в данном сообщении на общее число символов

По формуле

H=        вычислил энтропию сообщения

2. Далее по формуле Шеннона для определения кол-ва информации

 вычислил кол-во информации в передаваемом сообщении        

3. Вычислил избыточность D по формуле

Отчет

Отчет должен быть оформлен в текстовом редакторе и содержать:

• наименование работы;
• цель работы;
• задание;
• последовательность выполнения работы;
• ответы на контрольные вопросы;
• вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Дать определение понятие энтропия?

2. Что означает вероятностный способ измерения информации?

3. Что означает статическое определение вероятности?

4. Запишите уравнение Хартли?

5. Какие основные разработки внес в основу теории информации  Шеннон?

Практическое занятие № 4

Тема программы: Представление данных в компьютере.

Тема: Практическое применение алгоритмов кодирования. Представление символьной информации.

Цель: Познакомиться с различными кодировками символов, используя текстовые редакторы, выполнить задания в различных текстовых приложениях.

Время выполнения: 2 часа

Оборудование: ПК.

Программное обеспечение: операционная система, текстовые редакторы.

Теоретические основы

Правило цифрового представления символов следующее: каждому символу ставится в соответствие некоторое целое число, то есть каждый символ нумеруется.

Пример:

Рассмотрим последовательность строчных букв русского алфавита: а, б, в, г, д, е, ё, ж, з, и, й. к, л, м. н. о, п, р, с, т, у, ф, х, ц, ч, ш, щ, ъ, ы, в, э, ю, я. Присвоив каждой букве номер от 0 до 33. получим простейший способ представления символов. Последнее число - 32 в двоичной форме имеет вид 100000, то есть для хранения символа в памяти понадобится 6 бит.Так как с помощью шести бит можно представить число 26 - 1 = 63, то шести бит будет достаточно для представления 64 букв.

Имеются разные стандарты для представления, символов, которые отличаются лишь порядком нумерации символов. Наиболее распространён американский стандартный код для информационного обмена - ASCII [American Standard-Code for Information Interchange] введён в США в 1963г. В 1977 году в несколько модифицированном виде он был принят в качестве всемирного стандарта Международной организации стандартов [International Standards Organization -. ISO] под названием ISO-646. Согласно этому стандарту каждому символу поставлено в соответствие число от 0 до 255. Символы от 0 до 127 - латинские буквы, цифры и знаки препинания - составляют постоянную часть таблицы. Остальные символы используются для представления национальных алфавитов. Конкретный состав этих символов определяется кодовой страницей. В русской версии ОC Windows95 используется кодовая, страница 866. В ОС Linux для представления русских букв более употребительна кодировка КОИ-8. Недостатки такого способа кодировки национального, алфавита очевидны. Во-первых, невозможно одновременное представление русских и ,например, французских букв. Во-вторых, такая кодировка совершенно непригодна для представления, китайских иероглифов. В 1991 году была создана некоммерческая организация Unicode, в которую входят представители ряда фирм (Borland. IBM, Noyell, Sun и др) и которая занимается развитием и внедрением нового стандарта. Кодировка Unicode использует 16 разрядов ,и может содержать 65536 символов. Это символы большинства народов мира, элементы иероглифов, спецсимволы, 5000 – мест для частного использования, резерв из 30000 мест.

Пример:

ASCII-код символа А= 6510 =4116= 010001112;

Unicode-код символа С= 6710=00000000011001112

Задания                                                                                                                        

1. Закодируйте свое имя, фамилию и отчество с помощью одной из таблиц (win-1251, KOI-8)
2. Раскодируйте ФИО соседа
3. Закодируйте следующие слова, используя таблицы ASCII-кодов: ИНФОРМАТИЗАЦИЯ, МИКРОПРОЦЕССОР, МОДЕЛИРОВАНИЕ
4. Раскодируйте следующие слова, используя таблицы ASCII-кодов:

88 AD E4 AE E0 AC A0 E2 A8 AA A0

50 72 6F 67 72 61 6D

43 6F 6D 70 75 74 65 72 20 49 42 4D 20 50 43

5. Текстовый редактор Блокнот

Открыть блокнот.

а) Используя клавишу Alt и малую цифровую клавиатуру раскодировать фразу: 145 170 174 224 174 255 170 160 173 168 170 227 171 235; 

Технология выполнения задания: При удерживаемой клавише Alt, набрать на малой цифровой клавиатуре указанные цифры. Отпустить клавишу Alt, после чего в тексте появится буква, закодированная набранным кодом.

б) Используя ключ к кодированию, закодировать слово  – зима;

Технология выполнения задания: Из предыдущего задания выяснить, каким кодом записана буква а. Учитывая, что буквы кодируются в алфавитном порядке, выяснить коды остальных букв.

Что вы заметили при выполнении этого задания во время раскодировки? Запишите свои наблюдения.

6. Текстовый процессор.

Технология выполнения задания: рассмотрим на примере: представить в различных кодировках слово Кодировка

Решение:

• Создать новый текстовый документ в текстовом редакторе;
• Выбрать  – Команда –  Вставка – Символ.          
  В открывшемся окне «Символ» установить из: Юникод (шестн.),
• В наборе символов находим букву  К и щелкнем на ней левой кнопкой мыши (ЩЛКМ).
• В строке код знака  появится код выбранной буквы 041А (незначащие нули тоже записываем).
• У буквы о код – 043Е и так далее: д – 0434, и – 0438, р – 0440, о – 043Е, в – 0432, к – 043А, а – 0430.
• Установить Кириллица (дес.)
• К – 0202, о – 0238, д – 0228, и – 0232, р – 0240, о – 0238, в –0226, к – 0202, а –0224.

7. Открыть Текстовый редактор

Используя окно «Вставка символа» выполнить задания: Закодировать слово Forest

а) Выбрать шрифт Courier New, кодировку ASCII(дес.) Ответ: 70 111 114 101 115 116
б) Выбрать шрифт Courier New, кодировку Юникод(шест.) Ответ: 0046 006F 0072 0665 0073 0074

в) Выбрать шрифт Times New Roman, кодировку Кирилица(дес.) Ответ: 70 111 114 101 115 116

г) Выбрать шрифт Times New Roman, кодировку ASCII(дес.) Ответ: 70 111 114 101 115 116

Вывод: _________________________________________________________

Выполнение лабораторной работы оформить в виде таблицы.

8. Буква Z  имеет десятичный код 90, а z – 122. Записать слово «sport» в десятичном коде.

9. С помощью десятичных кодов зашифровано слово «info» 105 110 102 111. Записать последовательность десятичных кодов для этого же слова, но записанного заглавными буквами.

10. Буква Z  имеет десятичный код 90, а z – 122. Записать слово «forma» в десятичном коде.

11. С помощью десятичных кодов зашифровано слово «port» 112 111 114 116. Записать последовательность десятичных кодов для этого же слова, но записанного заглавными буквами.

Ответ: 80 79 82 84

Отчет

Отчет должен быть оформлен в текстовом редакторе и содержать:

• наименование работы;
• цель работы;
• задание;
• последовательность выполнения работы;
• ответы на контрольные вопросы;
• вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Какие возможности предоставляет текстовые редакторы по работе с символами?

2. Какие вы знаете алгоритмы кодирования информации?

3. Где применяется алгоритм кодирования информации?

Практическое занятие № 5

Тема программы: Арифметическое кодирование

Тема: Представление графической информации.

Цель: научиться кодировать растровые графические файлы; научиться измерять информационный объем графических файлов.

Время выполнения: 2 часа

Оборудование: ПК.

Программное обеспечение: операционная система, графические редакторы.

Теоретические основы

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 чёрные 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 - тёмно-серый, 11 - чёрный. 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, 65536 цветов (high color), 16777216 цветов (true color). На одну точку для режима high color необходимо 16 бит или 2 байта.

    Наиболее распространённой разрешающей способностью экрана является разрешение 800 на 600 точек, т.е. 480000 точек. Рассчитаем необходимый для режима high color объём видеопамяти: 2 байт *480000=960000 байт.

    Для измерения объёма информации используются и более крупные единицы:

Следовательно, 960000 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. 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?
2.  Сколько бит требуется, чтобы закодировать информацию о 130 оттенках?
3. 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.
4. 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.
5. В приложении «Точечный рисунок» создайте файл размером (по вариантам):

А) 200*300, (№ по списку 1, 8, 15, 22, 29)

Б) 590*350, (№ по списку 2, 9, 16, 23, 30)

В) 478*472, (№ по списку 3, 10, 17, 24, 31)

Г)190*367, (№ по списку 4, 11, 18, 25, 32)

Д) 288*577; (№ по списку 5, 12, 19, 26, 33)

Е) 100*466, (№ по списку 5, 13, 20, 27, 34)

Ж) 390*277. (№ по списку  6, 14, 21, 28)

Сохраните его под следующими расширениями:

- монохромный рисунок,

- 16-цветный рисунок,

- 256-цветный рисунок,

- 24-битный рисунок,

- формат JPG.

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.

6. На бумаге в клетку (или в приложении табличный редактор) 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.

Отчет

Отчет должен содержать:

• наименование работы;
• цель работы;
• задание;
• последовательность выполнения работы;
• ответы на контрольные вопросы;
• вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Влияет разрешение рисунка на объем файла?

2. Чем отличаются цветовые модели?

3. Что означает глубина цвета?

Практическое занятие № 6

Тема программы: Представление данных в компьютере.

Тема: Представление звуковой информации.

Цель: познакомиться с различными кодировками звуковой информации и с характеристиками звуковых файлов.

Время выполнения: 2 часа

Оборудование: ПК.

Программное обеспечение: операционная система, звуковые редакторы.

Теоретические основы

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 определённое 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 - отсчётов. Качество двоичного 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. Объём моноаудиофайла (в байтах) определяется по формуле:

    При стереофоническом звучании объём аудиофайла удваивается, при квадрофоническом звучании – учетверяется.

     По мере усложнения программ и увеличения их функций, а также появления мультимедиа-приложений, растёт функциональный объём программ и данных. Если в середине 80-х годов обычный объём программ и данных составлял десятки и лишь иногда сотни килобайт, то в середине 90-х годов он стал составлять десятки мегабайт. Соответственно растёт объём 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 441000 * 2 * 60 = 529 000 байт (около 5 Мб) данных об амплитуде аналогового сигнала, который в компьютере записываются на жесткий диск. Если записывают стереосигнал, то 1 058 000 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;

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 65536 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 11025 Гц при 4 разрядном кодировании

14. Подсчитать время звучания звукового файла объемом 3.5 Мбайт содержащего стерео запись с частотой дискретизации 44100 Гц, 16-ти разрядном кодировании.

15. Определите количество уровней звукового сигнала при использовании 8-битных звуковых карт. Варианты: 256, 512,1024, 65 536.

16. 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.

Отчет

Отчет должен быть оформлен в текстовом редакторе и содержать:

• наименование работы;
• цель работы;
• задание;
• последовательность выполнения работы;
• ответы на контрольные вопросы;
• вывод о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. С какими звуковыми форматами вы встречаетесь чаще в повседневной жизни?

2. Дайте определение аудиоадаптеру?

3. Что значит оцифровка звука?