Способ кодирования информации с помощью чисел. Двоичное кодирование

В процессе развития человечество пришло к осознанию необходимости хранить и передавать на расстояния ту или иную информацию. В последнем случае требовалось её преобразование в сигналы. Этот процесс называется кодированием данных. Текстовая информация, а также графические изображения при этом могут преобразоваться в числа. О том, каким образом это можно сделать, расскажет наша статья.

Передача информации на расстояние

Чтобы передать сообщение от автора к адресату (от источника к приемнику), чаще всего используются три вида систем передачи:

• фельдъегерско-почтовая;
• акустическая (например, посредством громкоговорителя);
• на основе того или иного способа электросвязи (проводная, радио, оптическая, радиорелейная, спутниковая, оптико-волоконная).

Наиболее распространенными на данный момент являются системы передачи последнего типа. Однако для их использования требуется предварительно применить тот или иной способ кодирования информации. С помощью чисел в привычном для современного человека десятичном исчислении сделать это крайне сложно.

Шифрование

Иногда содержание послания требуется скрыть от посторонних. В таком случае используется шифрование. При этом могут быть использованы различные способы кодирования информации с помощью чисел.

Двоичная система счисления

На заре компьютерной эры ученые были озабочены поисками устройства, которое бы позволило максимально просто представлять числа в ЭВМ. Вопрос разрешился, когда Клод Шенон предложил использовать двоичную систему счисления. Она была известна с 17 века, и для ее реализации требовалось устройство с 2 устойчивыми состояниями, соответствующими логической «1» и логическому «0». Их на тот момент было известно предостаточно - от сердечника, который мог быть либо намагниченным, либо размагниченным, до транзистора, способного находиться или в открытом, или в закрытом состоянии.

К плюсам двоичной системы исчисления относится также простота вычислений, которые можно производить над числами, представленными в двоичной записи.

Как осуществляет преобразование «обычной» информации в вид, пригодный для обработки и хранения ЭВМ

Компьютерный двоичный код технически реализуется отсутствием или наличием импульсов у микроскопических запоминающих элементов. Эти могут быть:

1. Фотооптические импульсы. Поверхность любого оптического диска (DVD, CD или BluRay) состоит из спирали, сформированной из мелких отрезков. Каждый из них либо светлого, либо темного цвета. Когда диск вращается в дисководе, на его спиральную дорожку фокусируется лазер. Его отражение попадает на фотоэлемент. Последний в данном случае является приемником информации. Светлые участки спирали отражают свет и передают его на фотоэлемент, темные, наоборот, поглощают свет. В результате на фотоэлемент поступает информация, зашифрованная в дорожке диска как темные и светлые точки.

2. Магнитные импульсы. С их помощью кодируется информация на жестком диске, внутри которого расположена быстро вращающаяся пластина. Как и в случае с оптическими дисками, вся ее поверхность — спираль, которая состоит из последовательности мелких участков в количестве нескольких миллионов. Каждый из них представляет собой элемент, который способен принимать одно из двух состояний: «намагниченное» или «ненамагниченное». Они формируют двоичный код той или иной информации. «Выяснение», в каком состоянии находится конкретный элемент, осуществляется посредством специальной головки, которая перемещается по поверхности пластины.

3. Электрические импульсы. Оперативная память ЭВМ представляет собой микросхему, состоящую из миллионов маленьких ячеек, «собранных» из микроскопических конденсаторов и транзисторов. Каждая из них может содержать электрический заряд или быть незаряженной. Комбинации ячеек оперативной памяти, которые находятся в одном из этих двух возможных состояний, формируют двоичный код. Во всех других устройствах на основе запоминающих микросхем, например, на флешках, SSD-носителях и пр., информация сохраняется точно таким же образом.

Кодирование текстов

Как уже было сказано, одним из видов преобразования информации для ее передачи и хранения является шифрование. Оно используется для защиты от несанкционированного доступа. Изначально для шифрования наряду с более примитивными применялись следующие способы кодирования информации:

• Посредством квадрата Полибия, представляющего собой таблицу, в которую в определенном порядке вписан весь греческий алфавит. Каждая буква сообщения заменялась парой чисел, представляющих собой номер столбца и строки.
• Посредством диска Альберти, состоящего из двух концентрических кругов. На них были нанесены буквы и цифры. Они ставились друг другу в соответствие путем вращения дисков.

Современный способ кодирования текстовой информации в компьютере основан на похожих принципах. Для его реализации каждому символу алфавита отвечает определенное целое число. Затем оно переводится в двоичный код. Восемь двоичных разрядов позволяют кодировать 256 различных символов. Их достаточно для представления всех букв английского и русского языков, включая прописные, знаков арифметических действий и препинания, а также некоторые общепринятые спецсимволов.

На данный момент действует система ASCII. Для нее закреплены 2 таблицы кодирования. Из них базовая определяет значения от 0 до 127, а расширенная представлена номерами от 128 до 255.

Как осуществляется кодирование монохромной картинки в компьютере

Любое черно-белое изображение, распечатанное на бумаге, под увеличительным стеклом выглядит как множество точек, которые принято называть растром. Линейные координаты и яркость каждой из можно выразить через целые числа. Это значит, что для растирования изображения можно использовать двоичный код. Общепринятым на данный момент считается представление монохромных иллюстраций в виде комбинации большого числа точек с 256 градациями серого. Для числового кодирования яркости любой из них требуется восьмиразрядное двоичное число.

Представление цветных картинок

Способ кодирования информации с помощью чисел для таких изображений реализуется несколько сложнее. С этой целью предварительно требуется декомпозиция картинки на 3 основных цвета (зеленый, красный и синий), так как в результате их смешения в определенных пропорциях можно получить любой оттенок, воспринимаемый человеческим глазом. Такой способ кодирования картинки с помощью чисел с использованием 24 двоичных разрядов называется RGB, или полноцветным (True Color).

Если же речь идет о полиграфии, то используется система CMYK. Она основана на идее о том, что каждую из основных компонент RGB можно поставить в соответствие с цветом, дополняющим её до белого. Ими являются голубой, пурпурный и желтый. Хотя их достаточно, с целью снижения полиграфических расходов, добавляют и четвертую компоненту — черную. Таким образом, для представления графики в системе CMYK требуется 32 двоичных разряда, а сам режим принято называть полноцветным.

Представление звуков

На вопрос о том, есть ли для этого способ кодирования информации с помощью чисел, ответ должен быть положительным. Однако на данный момент такие методы не считаются совершенными. К их числу относятся:

• Метод FM. Он основан на разложении любого сложного звука на последовательность элементарных гармонических сигналов разных частот, которые можно описать кодом.
• Таблично-волновой метод. В заранее составленных таблицах хранят сэмплы — образцы звуков для различных музыкальных инструментов. Числовые коды выражают тип и номер модели инструмента, высоту тона, интенсивность и продолжительность звука и пр.

Теперь вы знаете, что двоичное кодирование — один из распространенных способов представления информации, который сыграл огромную роль в развитии компьютерной техники.