Курс лекций Информационные технологии в ИТСС

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

Это книги, статьи, патенты, диссертации, научно-исследовательская и опытноконструкторская документация, технические переводы, данные о передовом производственном опыте и др.

Информационные ресурсы (в отличие от всех других видов ресурсов - трудовых,

энергетических, природных и т.д.) тем быстрее растут, чем больше их расходуют (применяют).

Слово «технология» происходит от греческого «techne», что в переводе означает искусство, мастерство, умение. В некотором роде эти перечисленные понятия могут трактоваться как процессы. Под процессом принято понимать совокупность определенных действий, направленных на достижение поставленной цели.

Под технологией материального производства понимается процесс, определяемый совокупностью средств и методов обработки, изготовления, изменения формы материала. Технология изменяет качество или первоначальное состояние материала.

Материальные ресурсы -> технология материального производства -> продукт

Данные -> информационная технология -> информационный продукт

Информация является одним из ценнейших ресурсов общества наряду с такими природными богатствами, как нефть, газ, полезные ископаемые и др. Следовательно, процесс переработки информации по аналогии с процессом переработки материальных ресурсов тоже можно определить как технологию. Тогда справедливо следующее определение:

Информационная технология - это совокупность методов и устройств, используемых людьми для обработки информации.

Человечество занималось обработкой информации тысячи лет. Первые информационные технологии основывались на использовании счётов и письменности. Около пятидесяти лет назад началось исключительно быстрое развитие ИТ, что в первую очередь связано с появлением компьютеров.

В настоящее время термин "информационная технология" употребляется в связи с

использованием компьютеров для обработки информации. Информационные технологии охватывают всю вычислительную технику и технику связи, и, отчасти, - бытовую электронику, телевидение и радиовещание.

Где применяются информационные технологии?

•в промышленности,

•торговле,

•управлении,

•банковской системе,

•образовании,

•здравоохранении,

•медицине и науке,

•транспорте и связи,

•сельском хозяйстве,

31

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

•системе социального обеспечения и т.д.

Внастоящее время создание крупномасштабных информационно-технологических систем является экономически возможным, и это обусловливает появление интернациональных исследовательских программ, например сети распределенных вычислений.

Распределённые вычисления — способ решения трудоёмких вычислительных задач с использованием нескольких компьютеров, объединённых в сеть. Распределённые вычисления являются частным случаем параллельных вычислений, то есть одновременного решения различных частей одной вычислительной задачи несколькими процессорами одного или нескольких компьютеров. Поэтому необходимо, чтобы решаемая задача была сегментирована — разделена на подзадачи, которые могут вычисляться параллельно. При этом для распределенных вычислений приходится также учитывать возможное различие в вычислительных ресурсах, которые будут доступны для расчёта различных подзадач. Существует несколько сетей распределенных вычислений:

проект поиска лекарства от СПИДа; проект по обработке сигналов радиотелескопа, для поиска внеземных цивилизаций; проект по поиску простых чисел; проект по проверке гипотезы Эйнштейна о гравитационных волнах и др.

2.9 История развития информационных технологий

Важнейшими историческими этапами развития ИТ является письменность, изобретение книгопечатания, использование почты, телефона, телеграфа, телевидения. Особое место в развитии ИТ занимают компьютеры, электронная почта и широкое использование компьютерных сетей (локальных и глобальных), которые обеспечивают не только содержательную обработку информации, но и передачу текстовых, мультимедийных (графика, видео и звук) и других материалов практически на любые расстояния в реальном масштабе времени.

ИТ являются наиболее важной составляющей процесса использования информационных ресурсов общества. К настоящему времени они прошли несколько эволюционных этапов, смена которых определялась главным образом развитием научнотехнического прогресса, появлением новых технических средств переработки информации.

Существует несколько точек зрения на развитие информационных технологий с использованием компьютеров, которые определяются различными признаками деления. Общим для всех изложенных ниже подходов является то, что с появлением ПК (персональных компьютеров) начался новый этап развития ИТ. Основной целью становится удовлетворение персональных информационных потребностей человека, как для профессиональной, так и для бытовой сферы. Может быть рассмотрена следующая классификация развития ИТ по признакам:

По применяемому инструментарию ИТ

1-й этап (до второй половины XIX в.) — "ручная" ИТ, инструментарий которой составляли: перо, чернильница, книга. Коммуникации осуществлялись ручным способом путем переправки через почту писем, пакетов, депеш. Основная цель технологии

— представление информации в нужной форме.

32

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

2-й этап (с конца XIX в.) — "механическая" технология, инструментарий которой составляли: пишущая машинка, телефон, диктофон, оснащенная более совершенными средствами доставки почта. Основная цель технологии — представление информации в нужной форме более удобными средствами.

3-й этап (40 — 60-е гг. XX в.) — "электрическая" технология, инструментарий которой составляли: большие ЭВМ и соответствующее программное обеспечение, электрические пишущие машинки, ксероксы, портативные диктофоны. Изменяется цель технологии. Акцент в информационной технологии начинает перемещаться с формы представления информации на формирование ее содержания.

4-й этап (с начала 70-х гг.) — "электронная" технология, основным инструментарием которой становятся большие ЭВМ и создаваемые на их базе ИС, оснащенные широким спектром базовых и специализированных программных комплексов. Центр тяжести технологии еще более смещается на формирование содержательной стороны информации для различных сфер использования, особенно на организацию аналитической работы. Был приобретен опыт формирования содержательной стороны информации и подготовлена профессиональная, психологическая и социальная база для перехода на новый этап развития технологии.

5-й этап (с середины 80-х гг.) — "компьютерная" технология, основным инструментарием которой является персональный компьютер с широким спектром стандартных программных продуктов разного назначения. На этом этапе происходит процесс персонализации ИС, которая проявляется в создании систем поддержки принятия решений. Начинают широко использоваться в различных областях глобальные и локальные компьютерные сети.

По методологии использования ИТ

1-й этап (до конца 80-х гг.) - централизованная обработка информации на ЭВМ вычислительных центров. Создавались крупные вычислительные центры коллективного пользования, оснащенные большими ЭВМ. Применение таких ЭВМ позволяло обрабатывать большие массивы входной информации и получать на этой основе различные виды информационной продукции, которая затем передавалась пользователям.

2-й этап (до конца 90-х гг.) - децентрализованная обработка информации связанная с появлением ПК и развитием средств телекоммуникаций.

3-й этап - рациональная обработка информации. Достоинства и недостатки централизованной и децентрализованной ИТ привели к необходимости разумного сочетания того, и другого подхода.

В наше время большое внимание в области ИТ уделяется электронному моделированию, которое становится неотъемлемой частью интеллектуальной деятельности человечества. Сопоставление «электронного мозга» с человеческим привело к идее создания нейрокомпьютера, как ЭВМ, которые могут обучаться. Нейрокомпьютер поступает так же, как человек, т.е. многократно просматривает информацию, делает множество ошибок, учится на них, исправляет их и, наконец, успешно справляется с задачей. Нейрокомпьютеры применяются для распознавания образов, восприятия человеческой речи, рукописного текста и т.д.

33

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

2.10Что понимают под информатизацией общества?

Информатизация общества - процесс создания условий для удовлетворения информационных потребностей путем создания и использования информационных ресурсов.

Цель информатизации - улучшение качества жизни людей за счет увеличения производительности и облегчения условий их труда.

Информатизация - это сложный социальный процесс, связанный со значительными изменениями в образе жизни населения. Он требует серьёзных усилий на многих направлениях, включая ликвидацию компьютерной неграмотности, формирование культуры использования новых информационных технологий и др.

2.11 Информационные революции

Обычно информация накапливается довольно медленно. Однако в некоторые периоды истории, часто связанные с крупными открытиями и техническими достижениями, объем информации начинает лавинообразно нарастать. При этом информация оказывает на жизнь людей столь большое влияние, что происходит информационная революция - коренное изменение в значимости и технологии использования информации, оказывающих большое влияние на жизнь общества и экономику мира. Считается, что человеческое общество пережило четыре информационные революции:

1.Появление письменности как средства представления и долговременного хранения информации.

2.Появление книгоиздания в середине XIV века, позволившего в массовых мас-

штабах тиражировать информацию и знания.

3.Применение электричества и радиоволн в конце XIX века для передачи ин-

формации на дальние расстояния, что привело к появлению средств телекоммуникаций, таких, как телеграф, телефон, радио и телевидение.

4.Создание микропроцессоров и разработка персональных компьютеров, от-

крывших возможности эффективной работы с информацией, представленной в цифровой форме, в том числе в Интернете.

Были революции и масштабом поменьше, например, связанные с изобретением фотографии и кинематографа. Но они повлияли на нашу жизнь все, же не столь кардинальным образом, как указанные выше информационные революции.

2.12 Вопросы для самоконтроля

1.Что подразумевается под понятием "информация" в бытовом, естественно-научном и техническом смыслах?

2.Приведите примеры знания фактов и знания правил. Назовите новые факты и новые правила, которые Вы узнали за сегодняшний день.

3.От кого (или чего) человек принимает информацию? Кому передает информацию?

4.Где и как человек хранит информацию?

5.Что необходимо добавить в систему "источник информации - приёмник информации", чтобы осуществлять передачу сообщений?

34

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

6.Какие типы действий выполняет человек с информацией?

7.Приведите примеры ситуаций, в которых информация

а) создаётся;	д) копируется;	и) передаётся;
б) обрабатывается;	е) воспринимается;	к) разрушается;
в) запоминается;	ж) измеряется;	л) ищется;
г) делится на части;	з) принимается;	м) упрощается.

8.Приведите примеры обработки информации человеком. Что является результатами этой обработки?

9.Приведите примеры информации:

o а) достоверной и недостоверной; o б) полной и неполной;

o в) ценной и малоценной;

o г) своевременной и несвоевременной; o д) понятной и непонятной;

o е) доступной и недоступной для усвоения;

oж) краткой и пространной.

10.Назовите системы сбора и обработки информации в теле человека.

11.Приведите примеры технических устройств и систем, предназначенных для сбора и обработки информации.

12.От чего зависит информативность сообщения, принимаемого человеком?

13.Как определяется единица измерения количества информации?

14.Что определяет термин "бит" в теории информации и в вычислительной технике?

15.Приведите примеры сообщений, информативность которых можно однозначно определить.

16.Приведите примеры сообщений, содержащих один (два, три) бита информации.

17.Какую роль сыграли информационные революции в жизни общества?

35

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ЛЕКЦИЯ 3

3Мультимедийные технологии обработки и представления информации

3.1Введение в компьютерную графику

В этой главе вы найдете ответы на следующие вопросы:

■Что такое оцифровка сигналов?

■В чем отличие векторной графики от растровой?

■Какие существуют графические файловые форматы?

Термином графика обозначаются программные и аппаратные технологии, которые применяются в компьютерных системах для создания, видоизменения и отображения неподвижных картинок, записанных в цифровом виде. В этом смысле графика имеет фундаментальное значение для мультимедиа не только по тому, что она позволяет создавать и показывать неподвижные изображения, но и потому, что она лежит в основе воспроизведения движущихся изображений и текста. Чтобы понять, каким образом графика играет эту роль, нужно рассмотреть процесс создания и отображения неподвижных картинок.

3.2 Оцифровка

Банальной иллюстрацией разницы между аналоговым и цифровым представлением может служить определение времени по современным часам. На рисунке 3.1 показаны аналоговые и цифровые часы. Минутная стрелка аналоговых часов движется постоянно и может указывать на любую точку циферблата. В отличие от этого цифровые часы показывают только целые числа, обозначающие минуты, а изображение минут на дисплее меняется только через каждые 60 секунд.

В мультимедийных средствах мы встречаемся со значениями, которые изменяются непрерывно. Например, амплитуда звуковой волны непрерывно изменяется во времени, как и амплитуда электрического сигнала, вырабатываемого микрофоном в результате воздействия звуковой волны. Яркость в любой точке черно-белой фотографии, также, может иметь любое значение.

Когда у нас есть непрерывно изменяющийся сигнал, подобный представленному на рис. 3.2, значение, которое мы измеряем, и интервал, на котором мы можем его измерять, могут изменяться на бесконечно малую величину. Если бы нужно было преобразовать его в цифровой сигнал, то пришлось бы ограничиться набором дискретных значений. Иначе говоря, оцифровка состоит из двух этапов:

•дискретизации, когда мы измеряем величину сигнала на Рис. 3.2 определенных дискретных промежутках, и

•квантования, когда эти значения ограничиваются

определеннымнаборомуровней.

Одно из преимуществ, которые имеет цифровое представление перед аналоговым, это то, что корректными являются только определенные значения сигнала — те, которые попадают на уровни квантования. Если сигнал передается по проводам или записыва-

36

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

ется на физический носитель, например на магнитную ленту, на него неизбежно накладываются случайные шумы. Эти шумы приводят к изменению значения сигнала, которое невозможно обнаружить. Но если сигнал квантованный, то любые незначительные изменения, вызванные шумом, переводят допустимые значения в разряд недопустимых, которые находятся между уровнями квантования. После этого очень просто восстановить исходный сигнал, проквантовав его еще раз. Ошибки при передаче могут возникать только тогда, когда шумы достаточно большие и приводят к такому изменению сигнала, что его значение попадает на другой уровень. Следовательно, цифровые сигналы намного устойчивее, чем аналоговые, и не искажаются при копировании или передаче через зашумленную среду.

Рис. 3.2		Рис. 3.3

Однако если посмотреть на рис. 3.3, можно увидеть, что в процессе оцифровки часть информации теряется. Как же тогда можно заявлять о том, что результат оцифровки является точным описанием исходного аналогового сигнала? Мерой точности должно быть то, насколько близко к оригиналу может быть восстановлен сигнал. Для того

чтобы восстановить аналоговый сигнал по набору дискретных значений, все, что нужно сделать, — это решить, чем заполнить промежутки между этими точками.

Один из возможных способов — использование метода выборки-хранения, который заключающегося в следующем: значение в точке выборки остается постоянным на всем интервале между этой точкой и точкой, следующей за ней. Как показано на рис. 3.4, это дает сигнал с резкими переходами, что является не очень хорошей аппроксимацией оригинала. Однако когда сигнал подается на экран электронно-лучевой трубки или громкоговоритель, задержки и изъяны, которые свойственны любым физическим приборам, сглаживают резкие переходы, и в результате получается достаточно хорошая, с теоретической точки зрения, аппроксимация.

Если дискретные значения исходного сигнала находятся слишком далеко одно от другого, любое восстановление будет неадекватным, поскольку аналоговый сигнал может содержать такие детали, которые упускаются в процессе дискретизации из-за больших расстояний между элементами выборки. Один из таких случаев показан на рис. 3.5: значения, взятые в соседних точках, одинаковы, и нельзя сделать вывод о

37

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

присутствии пика между этими двумя точками. Влияние такой дискретизации с недостаточной частотой проявляется в виде искажений и артефактов, которые всегда нежелательны.

Рис. 3.4		Рис. 3.5

Если выполнять дискретизацию сигнала с недостаточной частотой, то в процессе восстановления сигнала возникнут искажения, которые будут проявляться по-разному. При воспроизведении звука, оцифрованного с недостаточной частотой дискретизации, будут слышны искажения. На изображениях

недостаточная частота дискретизации проявится в виде зубчатых краев или в виде муаровых картин. В случае движущихся картин, недостаточная частота дискретизации по времени приводит к прерывистым движениям или к неадекватному представлению вращательного движения, например в старых фильмах, часто видно как будто колеса вращаются в обратном направлении.

Рис. 3.6

Рис. 3.7

Влияние недостаточного количества уровней квантования проиллюстрируем на следующем примере. Если мы можем задавать только ограниченное число различных значений, мы не сможем различать те значения, которые находятся между ними. Этот эффект хорошо виден на черно-белых изображениях (Рис. 3.6), на котором показаны градиенты с уровнями яркости 256, 128, 64, 32, 16, 8, 4 и 2. Первый градиент демонстрирует постепенный переход от чистого белого цвета к чистому черному, а затем

38

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

видно, как при уменьшении количества уровней яркости соседние значения сливаются, поскольку их квантование становится все более и более грубым.

На рис.3.7 показано, как огрубление проявляется на цветном изображении: вверху изображена цифровая фотография с миллионами оттенков, а внизу она сведена до всего лишь четырех цветов, и ясно виден эффект огрубления.

Самой распространенной причиной ограничения количества уровней квантования является уменьшение объема памяти, необходимого для записи цифровой информации, путем ограничения количества битов, которые используются для записи каждого значения. В нашем примере мы использовали от 8 до 1 бит. Как видно, хотя сам эффект заметен уже при 128 уровнях яркости, он становится ощутимым только тогда, когда количество уровней яркости снижается до 32, после чего качество начинает быстро ухудшаться.

3.3 Векторная и растровая графика

На мониторах картинки отображаются как прямоугольные массивы пикселей – небольших, как правило, прямоугольных цветных точек, которые оптически сливаются одна с другой. На рис. 3.8 показаны пиксели, позволяющие увидеть изображение.

Процесс воссоздания узора пикселей по модели называется визуализацией.

Принято считать, что существует два различных подхода к графическому моделированию:

•растровая графика и

•векторная графика.

Вслучае растровой графики изображение моделируется с помощью массива значений пикселей.

Вслучае векторной графики изображение записывается в виде математического описания набора отдельных прямых, кривых и геометрических фигур, составляющих изображение. Для вывода векторного рисунка на экран необходимо выполнить вы-

числительные операции, в ходе которых и создается массив пикселей, которые следует отображать. Например, прямая линия в модели задается через координаты ее концов. Когда модель визуализируется, должны вычисляться координаты всех пикселей, которые лежат на прямой линии, соединяющей эти концы.

Рис. 3.8

Рис. 3.9

Векторная и растровая графика кардинально отличаются одна от другой. Требования, предъявляемые ими к компьютерной системе, будут разными: при создании растрового изображения нужно записывать значение каждого пикселя, тогда как описание векторного изображения может быть намного компактнее. Например, рассмотрим

39

ГОУ СПО «Самарский государственный профессионально-педагогический колледж»

чрезвычайно простой рисунок, состоящий из красного квадрата с широкими синими контурами (Рис. 3.9).

Размер квадрата 1 на 1 см. Если его записывать с помощью 100 логических пикселей на 1 см , то его битовый массив будет состоять из 1002 = 10 000 пикселей. Если предположить, что рисунок предназначен для отображения на мониторе, способном одновременно передавать миллионы цветов, то в таком случае, чтобы различать возможные цвета, понадобится 3 байта памяти на каждый пиксель. Это значит, что все изображение будет занимать около 30 Кбайт. С другой стороны, тот же рисунок можно записать в виде описания размеров квадрата, а также цветов его внутренней части и контуров. Одним из возможных форматов может быть короткий документ на специальном графическом языке и занимающий в общей сложности менее 300 байт.

Для растрового изображения всегда записываются значения каждого логического пикселя, поэтому размер изображения и разрешение — полностью определяют занимаемый объем памяти. При векторном представлении записываются описания всех объектов, составляющих изображение; чем сложнее рисунок, тем больше будет объектов и тем большим будет описание, но, поскольку значения самих пикселей в действительности не записываются, размер рисунка не будет зависеть от его разрешения.

Традиционно различают программы для рисования, работающие с битовыми массивами, и программы для черчения, работающие с векторными представлениями. Программные пакеты, например, Illustrator и Corel Draw, прежде всего, предназначены для создания и редактирования изображений векторной графики и предлагают только ограниченные возможности для работы с битовыми массивами, тогда как, например, PhotoShop и Painter, поддерживающие операции с битовыми массивами, предоставляют либо незначительную поддержку для векторной графики, либо слабенькую встроенную подсистему для черчения.

Рис. 3.10

Рис. 3.11

На рисунках 3.10 и 3.11 показаны два цветка. Первый из них — это векторное изображение, полученное с помощью программы Illustrator, а второй — растровое изображение. Битовый массив передает текстуру и обеспечивает хорошее воспроизведение непрерывных тонов. Векторный рисунок носит совсем другой характер: его эле-

40