Стандартные коды в вычислительной технике
Может возникнуть вопрос, почему, например, буква А кодируется именно этой комбинацией нулей и единиц, а не какой-нибудь другой? Очевидно, что разработчики вычислительной техники должны были договориться о том, как кодировать символы. Если этого не сделать, то на каждом компьютере будет свое собственное кодирование, что вызовет большие неудобства при необходимости переноса информации с одного компьютера на другой и, в конечном счете, приведет к «великой путанице».
Первоначально, в реальной жизни, именно так все и происходило. Каждая фирма, выпускающая компьютеры, часто разрабатывала и внедряла свои кодировки, что существенно затрудняло работу. До настоящего времени в мире существует множество различных 8-битовых кодов (КОИ-8, ДКОИ-8, MIC и т.д.).
В 1961 г. американцы решили положить конец этой «анархии» и разработали «Универсальный стандартный код для обмена информацией» ASCII (American Standard Code for Information Interchange) для персональных компьютеров. В нем закодированы все символы, имеющиеся на клавиатуре ПК, в определенном алфавитном порядке: чем дальше символ стоит от начала алфавита, тем больше его 8-разрядный код.
ASCII представляет собой таблицу, в которой коды могут быть представлены в десятичной, двоичной, 8- или 16-ричных системах счисления. Таблица состоит из двух частей.
Общая часть:
| 0-31 | управляющие коды (например, при нажатии На клавишу <ENTER> в компьютер поступает код 13, <ESC> - 27 и т.д.) |
| 32-127 | Стандартные коды (например, <ПРОБЕЛ> имеет код 32, <0> - 48, <1> - 49, <9> - 57, <А> - 64, <В>-66. <Z> - 90. <*>-42, <+> - 43 и т.д.). |
Заметим, что фактически общая часть представляет собой 7-разрядный двоичный код, содержащий 128 различных комбинаций.
Дополнительная часть:
| 128-256 | Дополнительные коды (сюда входят различные дополнительные символы (например, символы для рисования рамок таблиц), включая и русские буквы: <А> - 128, <Б> - 129, <Я> - 159, <а> - 160, <б> - 161) и т.д. |
Следует отметить, что большие и маленькие буквы, как латинские, так и русские, имеют собственные коды.
Дополнительная часть может изменяться в зависимости от типа компьютера и страны, куда он поставляется. Фактически эта часть является расширением основного кода ASCII на основе международного стандарта ISO (International Standards Organization).
Таким образом, с учетом расширения ISO, в ASCII использованы не 128, а 256 комбинаций 8-битового кода. Возможность замены дополнительной части кода ASCII делает компьютер пригодным для использования в любой стране мира.
Для больших вычислительных систем существует другой международный стандарт - код EBCDIC. Сейчас американцы совместно с японцами разрабатывают единый универсальный 32-разрядный код.
Сейчас существует несколько различных кодовых таблиц для русских букв (КОИ-8, СР-1251, СР-866, Mac, ISO), причем тексты, созданные в одной кодировке, могут неправильно отображаться в другой. Решается такая проблема с помощью специальных программ перевода текста из одной кодировки в другую.
Альтернативная кодировка не подошла для ОС Windows. Пришлось передвинуть русские буквы в таблице на место псевдографики, и получили кодировку Windows 1251 (Win-1251).
В течение долгого времени понятия "байт" и "символ" были почти синонимами. Однако, в конце концов, стало ясно, что 256 различных символов - это не так много. Математикам требуется использовать в формулах специальные математические знаки, переводчикам необходимо создавать тексты, где могут встретиться символы из различных алфавитов, экономистам необходимы символы валют ($, £, ¥). Для решения этой проблемы была разработана универсальная система кодирования текстовой информации - Unicode. В этой кодировке для каждого символа отводится не один, а два байта, т.е. шестнадцать бит. Таким образом, доступно 65536 (216) различных кодов. Этого хватит на латинский алфавит, кириллицу, иврит, африканские и азиатские языки, различные специализированные символы: математические, экономические, технические и многое другое. Главный недостаток Unicode состоит в том, что все тексты в этой кодировке становятся в два раза длиннее. В настоящее время стандарты ASCII и Unicode мирно сосуществуют.
Виды компьютерной графики
Под компьютерной (машинной) графикой понимается совокупность методов и приемов преобразования при помощи ЭВМ данных в графическое представление или графического представления в данные. Под графическим представлением понимается изображение либо комплекс изображений (чертеж).
Изображение может быть черно-белым или цветным с эффектом освещенности (наличие теней, бликов, полутонов) либо без него.
Различают всего три вида компьютерной графики. Это растровая графика, векторная графика и фрактальная графика. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге.
Растровую графику применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий.
Иллюстрации, выполненные средствами растровой графики, редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели сканируют иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. В последнее время для ввода растровых изображений в компьютер нашли широкое применение цифровые фото- и видеокамеры.
Большинство графических редакторов, предназначенных для работы с растровыми иллюстрациями, ориентированы не столько на создание изображений, сколько на их обработку.
Программные средства для работы с векторной графикой наоборот предназначены, в первую очередь, для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки. Такие средства широко используют в рекламных агентствах, дизайнерских бюро, редакциях и издательствах.
Программные средства для работы с фрактальной графикой предназначены для автоматической генерации изображений путем математических расчетов.
Фрактальную графику редко применяют для создания печатных или электронных документов, но ее часто используют в развлекательных программах
Растровая графика
Растр (по-английски bitmap массив битов) это просто совокупность битов, расположенных на сетчатом поле.
Как известно, бит единица информации в компьютере, обозначающая ячейку памяти, которая может находиться во включенном (1) или выключенном (0) состоянии. Эти состояния можно отождествить с черным и белым цветом, т.е. соединив несколько битов, можно создать изображение из черных и белых точек. Таким образом растровое изображение напоминает лист клетчатой бумаги, на котором каждая клеточка закрашена черным или белым цветом, формируя при этом рисунок.
Основным термином растровой графики является пиксел. Пиксел (Pixel - сокращение от Picture Element - элемент изображения) отдельный элемент растрового изображения.
Из таких элементов (кирпичиков) собирается растровое изображение. Для обозначения количества пикселов в матрице рисунков по горизонтали и по вертикали используется коэффициент прямоугольности изображения. Этот коэффициент часто называют размером изображения и записывают в виде 800Х600 (800 пиксел по горизонтали и 600 строк по вертикали). Произведение этих двух чисел дает общее количество пиксел изображения. Так изображение с коэффициентом прямоугольности 800 600 состоит из 480000 пиксел.
Цвет каждого пиксела растрового изображения черный, белый или любой из спектра запоминается в компьютере с помощью комбинации битов. Очевидно, что чем больше битов для этого используется, тем больше оттенков цветов можно получить.
Число битов, используемых компьютером для каждого пиксела, называется битовой глубиной.
Размеры изображения и расположение пикселов в нем вот две основные характеристики, которые файл растрового изображения должен сохранить, чтобы создать картинку.
Следует помнить, что пиксел сам по себе не обладает никаким размером. Он всего лишь область памяти компьютера, хранящая информацию о цвете. Поэтому коэффициент прямоугольности изображения не соответствует никакой размерности. Размеры изображения хранятся отдельно, пикселы запоминаются один за другим, обычно как один большой блок данных. Таким образом, компьютер не сохраняет отдельные позиции для каждого пиксела, он всего лишь воссоздает сетку по размерам, заданным коэффициентом прямоугольности, а затем заполняет ее пиксел за пикселом.
Например: Коэффициент прямоугольности = 10 10 пиксел
Запись графического изображения происходит следующим образом:
| Первые 10 ячеек | Вторые 10 ячеек | Третьи 10 ячеек и т.д. |
Воссоздание графического изображения:
Так как пикселы не имеют собственных размеров, они приобретают их при выводе изображения на некоторое устройство монитор, принтер. Для того чтобы помнить действительные размеры (например, в дюймах) растрового рисунка, файлы растровой графики иногда хранят разрешающую способность растра.
Разрешающая способность это число элементов в заданной области, задается, как правило, в пикселах на дюйм (пиксел/д).
Если имеется изображение размером 72 72 пиксел и разрешающая способность растра 72 пиксел/д, то растровое изображение будет занимать один квадратный дюйм.
Растровые изображения содержат большое количество пикселов, каждый из которых занимает определенную часть памяти. Например, отсканированное с фотографии цветное изображение может занимать десятки и сотни Мбайт. Наибольшее влияние на количество памяти, занимаемой растровым изображением, оказывают три фактора:
ü размер изображения (коэффициент прямоугольности);
ü битовая глубина изображения;
ü формат файла, используемый для хранения изображения.
Очевидно, что, чем больше размер и битовая глубина изображения, тем больше размер файла. Следует заметить, что разрешающая способность изображения на величину файла никак не влияет. Она оказывает эффект только при сканировании изображения и то лишь потому, что определяет, сколько пикселов будет создаваться.
Достоинства растровой графики:
1. Растровые изображения выглядят вполне реалистично. Это связано со свойствами человеческого глаза: он приспособлен для восприятия реального мира как огромного набора дискретных элементов, образующих предметы.
2. Легко управлять выводом изображения на устройства представляющие изображения в виде совокупности точек принтеры, фотонаборные автоматы.
Недостатки растровой графики:
1. Большой объем памяти, требуемый для хранения изображения хорошего качества.
2. Трудности редактирования изображений. Так как сами изображения занимают много памяти компьютера, то, очевидно, и для их редактирования потребуется так же много памяти. Кроме того, применение фильтров специальных эффектов к таким изображениям может занять от нескольких минут до часа в зависимости от используемого оборудования.
Векторная графика
В отличии от растровой графики, в которой для создания изображений используются большие массивы отдельных точек, в векторной графике изображения строятся с помощью математических описаний объектов, например окружностей, линий.
Разумеется, в растровой графике тоже существуют линии, но там они рассматриваются как комбинации точек. Чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. В векторной графике объем памяти, занимаемый линией, не зависит от размеров линии, поскольку линия представляется в виде формулы, а точнее говоря, в виде нескольких параметров. Что бы мы ни делали с этой линией, меняются только ее параметры, хранящиеся в ячейках памяти. Количество же ячеек остается неизменным для любой линии.
В основе векторной графики лежат математические представления о свойствах геометрических фигур.
Как мы сказали выше, простейшим объектом векторной графики является линия. Поэтому в основе векторной графики лежит прежде всего математическое представление линии.
Ключевым моментом векторной графики является то, что она использует комбинацию компьютерных команд и математических формул для описания объектов. Векторную графику называют объектно-ориентированной или чертежной графикой.
Простые объекты двумерной графики дуги, линии, эллипсы, окружности, трехмерной графики сферы, кубы и т.п. называются примитивами и используются для создания более сложных объектов. В векторной графике изображения создаются путем комбинации различных объектов.
Все объекты имеют атрибуты (свойства). К этим свойствам относятся:
форма линии, ее толщина, цвет, характер линии (сплошная, пунктирная и т. п.). Замкнутые линии имеют свойство заполнения. Внутренняя область замкнутого контура может быть заполнена цветом, текстурой.
Файлы векторной графики могут содержать несколько различных элементов:
1. наборы векторных команд для создания изображения;
2. таблицы информации о цвете рисунка;
3. данные о шрифтах, которые могут быть использованы на рисунке и т.д.
Достоинства векторной графики:
1. Она использует все преимущества разрешающей способности любого устройства вывода, что позволяет изменять размеры векторного рисунка без потерь его качества.
2. Векторная графика позволяет редактировать отдельные части рисунка, не оказывая влияния на остальные (в растровых изображениях пришлось бы редактировать каждый пиксел).
3. Векторные изображения, не содержащие растровых объектов, занимают в памяти компьютера относительно небольшое место (в 10 - 1000 раз меньше, чем его растровый аналог).
Недостатки векторной графики:
1. Рисунки часто выглядят достаточно искусственно, так как основным компонентом векторного рисунка является прямая линия, а она в природе встречается достаточно редко. Поэтому до недавнего времени векторная графика использовалась только для технических иллюстраций, чертежей.
2. Возможны проблемы при печати, как правило, сложных рисунков на отдельных типах принтеров из-за того что не все команды могут ими правильно интерпретироваться.