| Билет №1. Понятие информации. Виды информации, ее свойства, классификация. Информационные процессы. Передача информации. Информационная система, управление, обратная связь.
Билет №2. Понятие о кодировании информации. Позиционные и непозиционные системы счисления. Двоичная арифметика. Билет №3. Подходы к изменению информации. Преимущества и недостатки вероятного и алфавитного подходов к измерению информации. Единицы измерения информации. Скорость передачи информации. Пропуская способность канала связи. Билет №4. Понятие алгоритма: свойство алгоритмов, исполнителя алгоритмов. Автоматическое исполнение алгоритма. Способы описания алгоритмов. Основные алгоритмические структуры и их реализация на языке программирования. Оценка эффективности алгоритмов. Билет №5. Язык программирования. Типы данных. Реализация основных алгоритмических структур на языке программирования. Основные этапы разработки программ. Билет №6. Технология программирования. Структурное и объектно-ориентированное программирование. Процедуры и функции. Локальные и глобальные переменные. Билет №7. Типы данных. Структуры данных. Обработка массивов. Итеративные и рекурсивные алгоритмы обработки массивов. Многомерные массивы. Билет №8. Основные понятия и операции формальной логики. Законы логики. Логические переменные. Логические выражения и их преобразования. Построение таблиц истинности логических выражений. Билет №9. Логические элементы и схемы. Типовые логические устройства компьютера: полусумматор, сумматор, триггеры, регистры. Описание архитектуры компьютера с опорой на составляющие ее логические устройства. Билет №10. Моделирование как метод познания. Информационные модели. Основные этапы компьютерного моделирования. Билет №11. Информационные основы управления. Общие принципы управления. Роль обратной связи в управлении. Замкнутые и разомкнутые системы управления. Самоуправляемые системы, их особенности. Понятие о сложных системах управления, принцип иерархичности систем. Самоорганизующиеся системы. Билет №12. Архитектура современных компьютеров. Основные устройства компьютера, их функции и взаимосвязь. Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Безопасность, гигиена, эргономика, ресурсосбережение, технологические требования при эксплуатации компьютерного рабочего места. Комплектация компьютерного рабочего места в соответствии с целями его использования. Билет №13. Компьютерные сети. Аппаратные средства компьютерных сетей. Топология локальных сетей. Характеристики каналов (линий) связи. Профессии, связанные с обеспечением эксплуатации сетей. Билет №14. Основные этапы становления информационного общества. Информационные ресурсы государства, их структура. Образовательные информационные ресурсы. Информационная этика и право, информационная безопасность. Правовые нормы, относящиеся к информации, правонарушения в информационной сфере, меры их предотвращения. Билет №15. Классификация и характеристика программного обеспечения компьютера. Взаимосвязь аппаратного и программного обеспечения компьютера. Многообразие операционных систем. Понятие о системном администрировании. Программные и аппаратные средства для решения различных профессиональных задач. Билет №16. Компьютерные вирусы и антивирусные программы. Специализированное программное обеспечение для защиты программ и данных. Технологии и средства защиты информации в глобальной локальной компьютерных сетях от разрушения, несанкционированного доступа. Билет №17. Понятие файла. Файлы прямого и последовательного доступа. Файловый принцип организации данных. Операции с файлами. Типы файлов. Аппаратное обеспечение хранения данных и функционирования файловой системы. Билет №18. Виды профессиональной информационной деятельности человека и используемые инструменты (технические средства и информационные ресурсы). Профессии, связанные с построением математических и компьютерных моделей, программированием, обеспечением информационной деятельности людей и организаций. Билет №19. Кодирование графической информации. Растровая и векторная графика. Средства и технологии работы с графикой. Создание и редактирование графических информационных объектов средствами графических редакторов, систем презентационной и анимационной графики. Форматы графических файлов. Способы сжатия. Билет №20. Кодирование звуковой информации. Форматы звуковых файлов. Ввод и обработка звуковых файлов. Использование инструментов специального программного обеспечения и цифрового оборудования для создания и преобразования звуковых файлов. |
Билет№19 Кодирование графической информации. Растровая и векторная графика. Средства и технологии работы с графикой. Создание и редактирование графических информационных объектов средствами графических редакторов, систем презентационной и анимационной графики. Форматы графических файлов. Способы сжатия. Современная компьютерная графика столь многогранна и разнообразна, что ее часто даже выделяют в качестве отдельного раздела информатики. С практической точки зрения это, возможно, и правильно, но с позиций описания автоматизированных процессов обработки информации графические данные не являются чем-то уникальным или принципиально отличающимся. Уместно, например, вспомнить, что, несмотря на все особенности графических файлов, не существует отдельного программного обеспечения для их передачи по сети или специализированных методов хранения таких файлов на фиске. Кодирование графической информации подчиняется наиболее общим принципам представления информации в компьютере (см. билет № 2): она должна быть дискретной и тем или иным способом сводиться к двоичному коду. Дискретность графической информации непосредственно вытекает из способа представления изображения на экране дисплея: там оно формируется из отдельных точек, которые окрашены в те или иные цвета. Точки, из которых состоит изображение, в литературе принято называть пикселями. Важно подчеркнуть, что пиксель не всегда совпадает с «физической» точкой дисплея: например, в некоторых видеорежимах один пиксель может состоять из нескольких точек экрана. Для наглядности напомним читателям о том, что один и тот же современный монитор (имеющий, разумеется, фиксированное число точек на светящейся поверхности) способен отображать картинку в нескольких стандартных форматах: 600×800, 1024×768, 1280×1024 и даже больше. Что касается сведения графических данных к двоичному коду, то это несколько более сложный вопрос. Остановимся на нем поподробнее. В случае черно-белого изображения каждая точка может иметь всего два цвета; естественно кодировать их нулем (точка не светится, т.е. черная) или единицей (белая). Для того чтобы наглядно представить себе, как хранится в памяти ЭВМ простейшее изображение, рассмотрим для примера нарисованный на черном фоне белый квадратик размером 4×4. В черно-белом режиме это будет выглядеть весьма компактно (сначала для наглядности приведен двоичный, а затем шестнадцатеричный вид): 1111 F 1001 9 1001 9 1111 9 Теперь увеличим число цветов – пусть их будет 16. Если принять, что все имеющиеся цвета пронумерованы от нуля, то для хранения информации о цвете одной точки потребуется 4 бита: 2 4=16 (см. билет №3). Следовательно, в режиме 16-цветной графике тот же самый квадратик займет памяти в 4 раза больше, т.к. каждая точка уже будет кодироваться четырьмя битами: 1111 1111 1111 1111 F F F F 1111 0000 0000 1111 F 0 0 F 1111 0000 0000 1111 F 0 0 F 1111 1111 1111 1111 F F F F Аналогичным образом при увеличении количества цветов до 256 на каждый пиксель требуется уже по байту, и наш квадратик разрастется еще вдвое: 11111111 11111111 11111111 11111111 FF FF FF FF 11111111 00000000 00000000 11111111 FF 00 00 FF 11111111 00000000 00000000 11111111 FF 00 00 FF 11111111 11111111 11111111 11111111 FF FF FF FF Обратите внимание на то, что белый цвет, как самый яркий, обычно имеет максимально возможный номер. Поэтому для черно-белого режима он равен 1, для 16-цветного – 15, а для – 255. Промежуточные значения позволяют закодировать все остальные цвета. Остается сказать, что для наиболее точной цветопередачи в современных компьютерах используется обычно 2-байтовый или 3-байтовый (это опять же количество информации на одну точку) цвет. Итак, каждый пиксель характеризуется цветом, а цвет, как и вся остальная информация, кодируется (двоичным) числом. Примечание. Если быть несколько более точным, код цвета обычно составлен из трех частей, каждая из которых характеризует интенсивность красной, зеленой и синей цветовых составляющих (так называемая «модель RGB»). Тем не менее части кода хранятся вместе и формально могут считаться единым числом. Интересно заметить, что при 2-байтовом кодировании цвета общее число битов на три равные части не делится; «лишний» шестнадцатый бит либо не используется, либо присоединяется к зеленой компоненте, поскольку именно к ней человеческий глаз наиболее чувствителен. Рассмотренный нами способ кодирования графических изображений, заключающийся в сохранении информации о цвете каждой точки, принято называть растровым. Термин растр возник довольно давно (в конце XIX века) и означает разложения из отдельных точек появился задолго до изобретения компьютеров. Вспомним, например, мозаику или вышивание; формирование растра на экране лежит также в основе работы используемого нами каждодневно телевизора. Рассмотренный метод кодирования изображений прост и нагляден, но обладает недостатком – требует запоминания слишком большого количества информации. В качестве альтернативного метода существует векторная графика, в которой запоминается не готовая итоговая картинка, а последовательность ее рисования. Поскольку в учебниках, как правило, суть этого вида графики объясняется весьма туманно, обсудим вопрос подробнее, (может быть, даже чуть подробнее чем требует экзаменационный билет). Примечание. Общим принципам создания произвольных, но не слишком сложных изображений из так называемых графических примитивов: точка, линия, прямоугольник, эллипс и т.д. Последовательность подобных графических команд и хранится в файлах векторной графике; стандартным векторным форматом в Windows является WMF – Windows MetaFale. Как образно сказано, метафайл “очень похож на музыкальную запись, где вместо музыки записаны команды интерфейса графических устройств (GDI). Для того чтобы отображать метафайл, программа передает эти команды функции PlayMetaFile(), которая, подобно магнитофону, воспроизводит визуальную «мелодию» ”. Очень хорошее представление о составе метафайла дает понимание графических операторов языка Basic, например, PSET, LINE, CIRCLE и других. Важно знать, что метафайл не связан с каким-либо конкретным графическим устройством, имеющим фиксированное число точек. Поэтому в момент создания рисунка компьютер способен учесть все особенности используемого устройства и выполнить изображение максимально хорошо. Именно по этой причине метафайлы прекрасно масштабируются; не случайно библиотеки рисунков (clipart), как правило, создаются именно в векторном формате. Подавляющее большинство шрифтов, используемых в системе Windows, базируется на векторном представлении символов. Не менее успешно векторная графика применяется и в САПР. Каждая графическая команда состоит из кода (например, команда рисования дуги Ars имеет код 817h) и минимального количества параметров ( например, координат или углов). Для того чтобы читатели получили некоторое представление о возможностях векторной графике, выпишем название наиболее распространенных графических команд-примитивов: Ars (дуга), Chord (хорда), DrawText (нарисовать текст), Ellipse(эллипс, в частном случае – окружность), LineTo (провести линию), MoveTo (перенести перо, не оставляя следа), Polygon(полигон), Polyline(ломанная линия), Rectangle(прямоугольник), PoundRectangle (прямоугольник со скругленными краями) и многие другие. Очевидно, что графические команды не только проще масштабируются (путем пересчета их числовых параметров), но и необычайно компактны; в частности, линия абсолютно любой длины будет нарисована на основе всего трех чисел – кода соответствующей команды и координат конца линии (координаты начальной точки будут взяты из памяти). Каждый из описанных видов графики имеет свои достоинства и недостатки, вытекающие непосредственно из рассмотренных выше принципов построения изображений. Особенности обоих видов графики подытожены в следующей таблице. Приведенная таблица позволяет выбрать наиболее подходящий для конкретной задачи пользователя способ рисования.
Никто не станет возражать, что компьютер предоставляет пользователям большие возможности в обработке графических изображений. Используя компьютерные технологии, мы можем с помощью сканера ввести в компьютер любой рисунок с обычного листа бумаги или из книги. Кроме того, развитое программное обеспечение предоставляет нам возможность создавать изображения непосредственно на компьютере, используя бумагу исключительно на завершающем этапе для представления результатов нашей работы. Независимо от способа создания рисунка, компьютер позволяет его редактировать. Возможности здесь необычайно разнообразны: от мелкой корректировки погрешностей сканирования и нанесения подписей до изменения композиции рисунка и совмещения нескольких изображений. Важно подчеркнуть, что компьютер предоставляет пользователю целый ряд технологий, аналоги которым трудно найти в традиционном рисовании. Упомянем в качестве примеров настройку цветового баланса рисунка или его частей, сглаживание или обострение контуров, применение всевозможных спецэффектов и методов типа компенсации «эффекта красных глаз». Наверное, не каждый пользователь осознает, что в основе всех этих технологий лежит математическая обработка числовых данных порой по весьма сложным алгоритмам. Тем не менее это так, и именно благодаря вычислительной мощности компьютера возможности современных электронных «художников» существенно расширяются. Помимо плоских статистических изображений, компьютер также способен работать с объемной и динамической графикой. Кроме того, все большую популярность среди пользователей завоевывают «комбинированные» мультимедийные ресурсы, например, презентации или фотоальбомы с позволяющие легко осуществлять поиск и навигацию по большому числу фотографий. Очевидно, что для реализации на компьютере любых графических технологий необходимо соответствующее программное обеспечение. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные его виды. Самым известным и чаще всего применяемым ПО является графический редактор. В соответствии с основными способами создания графических изображений имеется два типа редакторов. Для векторной графики наиболее известны Corel Draw и Adobe Illustrator, а ассортимент более простых в обращении редакторов растровых изображений значительно шире – от простейшего входящего в состав Windows). Если взглянуть с указанных позиций на любой графический редактор, то он работает в стандартном окне и, как остальные программы, имеет меню, панель инструментов и прочие стандартные органы управления. Главными особенностями графического редактора по сравнению с остальным ПО, видимо, являются большее количество приемов использования мыши и специфические графические инструменты. Помимо «электронных аналогов» реальность орудий труда художника (карандаш, кисть, резинка, палитра красок ит.п.), программа предоставляет нам совершенно специфические виртуальные инструменты, такие, как, например, цветной ластик. Особый класс инструментов графических редакторов образуют средства рисования графических примитивов, которые фактически являются одной из основ компьютерной графики. Помимо графических редакторов, в школах активно изучают системы презентационной графики и реже – анимационной системы. Кратко остановимся здесь на системе создания и редактирования презентаций PowerPoint. Данная программа позволяет разрабатывать презентации по некоторой выбранной теме, что может быть использовано как при изложении учебного материала на уроке, так и при изложении учебного материала на уроке, так и при выступлении «на более представительном уровне», например, на конференции. Каждая презентация состоит из отдельных кадров – слайдов. Программа PowerPoint предоставляет пользователю средства по подготовке слайдов, а также машину для их демонстрации, способную показывать слайды в ручном и автоматическом режимах. Имеется большой ассортимент способов смены слайдов на экране, прилагается богатый набор готовых шаблонов для оформления презентации. Характерной особенностью презентационной системы по сравнению с графическим редактором является ее мультимедийный характер. Если графический редактор работает только с рисунками, то презентационная система имеет встроенные средства для работы с текстами, графикой, аудио- и видеофрагментами. Столь широкие возможности делают тщательно подготовленную презентацию весьма выразительным средством. В то же время, презентационная система не претендует на редактирование графики, аудио- и видеоматериалов: она лишь способна включать в себя то, что разработано средствами другого, более специализированного, программного обеспечения. Подчеркнем, что при подготовке слайда каждый элемент кадра (тексты, картинки, стрелки и т.д.) являются самостоятельным объектом. Мы можем независимым образом менять размер каждого объекта и перемещать его, причем данный объект может частично заслонять другие объекты или, наоборот, закрываться ими (PowerPoint., как и многие другие программы, поддерживает идеологию графических плоскостей: каждый предмет находится в собственной плоскости, причем порядок расположения плоскостей относительно зрителя можно менять). Таким образом, по принципам работы система PowerPoint определенно ближе к векторному редактированию, чем к растровому. Разработка хорошей презентации – это не чисто технологический процесс. Имеется множество примеров, когда при подготовке презентации человек, увлеченный подбором эффектного механизма смены кадров, забывает о содержании материала и его логике. В результате вместо восхищения продукт такого, с позволения сказать, творчества вызывает в лучшем случае равнодушие, а то и вовсе раздражение. Нам остается рассмотреть последнюю часть вопроса, связанную с форматами графических файлов. Как и любые другие результаты нашей работы на компьютере, графические изображения также могут сохраняться на внешних носителях в виде файлов. Количество графических форматов весьма разнообразно, поэтому выбор наиболее подходящего из них есть важная практическая задача. Как уже отмечалось раньше, типичным векторным форматом графических файлов в среде Windows является WMF. Каждый мощный векторный редактор использует свой собственный формат хранения рисунков (например, CDR y Corel Draw); к счастью, такие редакторы поддерживают большое количество форматов, что позволяет легко преобразовывать их один в другой. Растровые форматы обладают еще большим разнообразием. Стандартным графическим форматом в операционной системе Windows является ВМР. Это очень простой формат, который может использовать любое программное обеспечение. Тем не менее он имеет существенный недостаток – файлы .ВМР очень велики. Для смягчения этого недостатка многие графические форматы используют внутреннее сжатие (подробности см. ниже). В сети Интернет очень распространен один из таких форматов – GIF. Если сохранить один и тот же рисунок в форматах .ВМР и .GIF, то последний окажется существенно меньше при абсолютно таком же качестве изображения. К сожалению, рисунок в формате .GIF не может иметь более 256 цветов, что несколько ограничивает его применение. Наконец, для хранения многоцветных художественных иллюстраций и фотографий существует формат со специальным сжатием – JPEG (обычно расширение файлов уменьшают до стандартной длинны и пишут JPG). Традиционные методы сжатия на многоцветные изображения практически не действуют, т.к. в них почти нет соседних точек с одинаковым цветом: например, все точки листа зеленые, но их оттенки различны. Поэтому большая группа экспертов по цветопередаче JPEG (Joint Photographic Experts Group), обобщив полувековой опыт исследований в области компьютеров, телевидения, полиграфии и других родственных областях, а также по особенностям человеческого зрения, представила детальные рекомендации по сжатию графической информации. Результат получился впечатляющим: объем графических файлов сократился более чем на порядок. Не следует только забывать, что преобразование в формат .JPEG является необратимым – восстанавливаемый после сжатия рисунок не абсолютно идентичен исходному, хотя на глаз это практически незаметно. Файлы .JPG являются вторым базовым стандартом изображений в сети Интернет. Обсуждая наиболее распространенные форматы графических файлов, мы не могли не упоминать об использующихся в них методах сжатия информации. (Возможно, с точки зрения повышения логичности ответа авторам билета стоило поменять местами в тексте вопроса сжатия и форматы файлов.) Итак, рассмотрим методы сжатия графической информации. Сжатия – это один из процессов обработки информации. Прежде всего различают обратимое и необратимое сжатие (упаковка с потерей информации или без нее). В первом случае то, что получается в результате восстановления сжатой информации, полностью совпадает с оригиналом, а во втором распакованные данные хоть и не сильно, но отличаются от исходных. В частности, обратимого сжатия обязательно требует текстовая и числовая информация, зато графика и звук допускают некоторые незаметные для органов чувств искажения. Еще большие искажения можно позволить при упаковке отдельных кадров фильма, поскольку они сменяются настолько быстро, что человек не в состоянии рассмотреть отдельные детали изображения. Наиболее распространенной идеей, лежащей в основе обратимого сжатия графических изображений, является учет числа повторений точек с одинаковым цветом. Основанный на ней метод называется методом группового кодирования; в англоязычной литературе он носит название RLE (Run Length Encoding –кодирование длин серий). Метод наиболее хорошо подходит к упаковке простых контурных графических изображений с небольшим числом цветов. Рассмотрим ее на примере простейшего рисунка, на котором на синем небе находится желтое солнышко. Одно из горизонтальных сечений рисунка отмечено черной прямой. Как отчетливо видно, в нем после достаточно большого количества синих точек имеется одна желтая, а затем снова следует группа синих. Очевидно, что вместо хранения информации о каждой точке можно просто закодировать, что 22 точки имеют синий цвет, 1- желтый и т.п. В результате в нашем случае вместо 38 чисел, характеризующих всего трех пар, указывающих количество точек и их цвет. Еще более мощным групповой метод становится для черно-белых (двухуровневых) изображений. В этом случае даже нет необходимости специально указывать цвета, поскольку они обязательно чередуются, — можно просто сохранять число точек в черных и белых группах. Подобные стандарты упаковки данных активно используются в факс-машинах. Метод RLE, будучи необязательной возможностью файлов формата ВМР, используется на практике не очень часто. Помимо него, в некоторых других форматах графических файлов также может применяться сжатие: метод LZ (назван так в честь его авторов A.Lempel и J.Ziv) и его модификации в форматах GIF и PNG, а также метод Хаффмана (PNG и JPG – о последнем речь пойдет ниже). В последнее время все большее распространение получают системы сжатия, специально вносящие некоторые незаметные для человека искажения данных с целью повышения возможности их сжатия. Потребность в подобных технологиях обусловлена тем, что традиционные способы не могут обеспечить существенной степени сжатия. В частности, обратимом методом удается достаточно хорошо упаковать контурные рисунки с небольшим количеством цветов, но попытки проделать то же самое с многоцветными фотографическими изображениями приводят к результатам, которые намного хуже; но именно такие картинки в первую очередь и нуждаются в сжатии из-за большого объема! Наиболее известные стандарты необратимого сжатия базируются на рекомендациях группы профессиональных экспертов по качеству графических изображений и цветопередачи JPEG. Данные рекомендации существенным образом учитывают особенности человеческого зрения. Примечание. Строго говоря, несмотря на укоренившуюся терминологию, JPEG – это не сам формат файлов, а техника сжатия изображений. Методы, примененные в JPEG, опираются на достаточно сложную математику и входят за рамки нашего обсуждения. Их суть заключается в том, что каждом небольшом квадратном участке изображения (обычно 8×8 пикселей) производится разложение на гармонические составляющие. Затем гармоники с наиболее высокими частотами, ответственные за резкие переходы в изображении, округляются. Фотографические и полутоновые изображения, в которых отсутствуют резкие границы и происходит плавное перетекание цветов, от такой обработки практически не пострадают, зато цвета точек, получившиеся в результате усреднения, поддаются сжатию во много раз лучше, чем в исходном изображении. В то же время, фрагменты, содержащие резкие цветовые переходы (рамки, текст и т.п.), в процессе описанной процедуры искажаются: скорее всего вы замечали, что вокруг надписей на фотографиях формата JPG часто имеется специфический «узор» из разноцветных точек. Существенно, что при сохранении данных в JPEG-файл пользователь может по своему усмотрению задавать степень уплотнения, подбирая баланс между потерей качества и уменьшением объема. Полезно отметить, что в случае чрезмерной степени сжатия границы между отдельными квадратиками, по которым производилось усреднение, становятся различными. Закончить хочется цитатой, которая может служить хорошим практическим советом: «Как бы ни был хорош формат JPEG, для некоторых приложений он непригоден. Все методы сжатия, обычно используемые в JPEG, относятся к технологиям сжатия с потерями, что делает этот формат непригодным в качестве формата промежуточного хранения, когда требуется многократно повторно редактировать файл изображения. Кроме того, при сжатии текста и рисунков формат JPEG не так хорош, как при сжатии фотографий».
В частности, интуитивно понятно, что в файле где-то должны быть указаны размеры рисунка, иначе пиксели разбиваются на строки неоднозначно. Менее очевидно, но известно, что в начале файла .ВМР хранится основательная сигнатура «ВМ», а также размер файла в байтах, число битов на пиксель, наличие или отсутствие сжатия и прочие весьма полезные вещи. Размер минимальной постоянной части заголовка файла равен 54 байтам (как в последней строке таблицы), но к этому объему может добавляться некоторая переменная часть, зависящая от цветовых свойств рисунка. |