Кодирование информации

Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс называется квантованием по амплитуде. Говоря более формальным языком, квантование по амплитуде – это процесс замены реальных (измеренных) значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Квантование значений сигнала привносит в спектр сигнала дополнительную помеху, называемую шумом квантования или шумом дробления. Шумом (ошибкой) квантования называют сигнал, составляющий разницу между восстановленным цифровым и исходным аудио сигналами. Эта разница образуется в результате округления измеренных значений сигнала. При этом выполняется следующая закономерность: чем выше разрядность квантования, тем ниже уровень шума квантования (поскольку тем на меньшее значение требуется округлять каждое измеренное значение сигнала). Природа шума квантования такова, что ширина спектральной области, в которой он простирается, пропорциональна значению частоты дискретизации (Федорова Л.П 2002).

Рис. 3 Процесс оцифровки звукового сигнала

Устройство, выполняющее оцифровку называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование (для него служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Рис. 4 Процесс кодирования и декодирования звуковой волны

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами.

В современное время все упирается в вычислительную мощность современной цифровой техники. С возрастанием точности оцифровки одновременно возрастает скорость потока цифровых данных, увеличивается вычислительная нагрузка на процессор и требуется повышенный объем памяти для хранения цифровых отчетов. Имеются и серьезные схемотехнические трудности. Вместе со стремительным ростом компьютерных технологий становится возможным применять более высокие частоты дискретизации и разрядность. Цифровой звук широко применяется в современной звукозаписывающей индустрии благодаря хорошему качеству звучания, высокой помехозащищенности и удобству хранения и архивирования материала.

В настоящее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются частоты 8, 11, 22 и 44 кГц. Так, частота дискретизации 44 килогерца означает, что одна секунда непрерывного звучания заменяется набором из сорока четырех тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованного звука.

Как отмечалось выше, каждый отдельный отсчет можно описать некоторой совокупностью чисел, которые затем можно представить в виде некоторого двоичного кода. Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только частотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования.

 Методов сжатия (форматов), а также программ реализующих эти методы, существует много. Наиболее известными являются MPEG-1 Layer I,II,III (последним является всем известный MP3),MPEG-2 AAC (advanced audio coding), Ogg Vorbis, Windows Media Audio (WMA),TwinVQ (VQF), MPEGPlus, TAC, и прочие.

В настоящее время обычно используется разрядность 8,16 и 24 бит.

На описанных выше принципах основывается формат WAV (от WAVeform-audio – волновая форма аудио) кодирования звука. Получить запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру микрофона, проигрывателя, магнитофона, телевизора и других стандартно используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV требует очень много памяти. Так, при записи стереофонического звука с частотой дискретизации 44 килогерца и разрядностью 16 бит – параметрами, дающими хорошее качество звучания, – на одну минуту записи требуется около десяти миллионов байтов памяти.

Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат с названием MIDI (Musical Instruments Digital Interface – цифровой интерфейс музыкальных инструментов). Фактически этот формат представляет собой набор инструкций, команд так называемого музыкального синтезатора – устройства, которое имитирует звучание реальных музыкальных инструментов. Команды синтезатора фактически являются указаниями на высоту ноты, длительность ее звучания, тип имитируемого музыкального инструмента и т. д. Таким образом, последовательность команд синтезатора представляет собой нечто вроде нотной записи музыкальной мелодии. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструментов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает высокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV.

Наиболее распространенный формат – MPEG-1 Layer III (всем известный MP3). Формат завоевал свою популярность совершенно заслуженно – это был первый распространенный кодек, который достиг столь высокого уровня компрессии при отличном качестве звучания. Сегодня этому кодеку имеется множество альтернатив, но выбор остается за пользователем. Преимущества MP3 – широкая распространенность и достаточно высокое качество кодирования, которое объективно улучшается благодаря разработкам различных кодеров MP3 энтузиастами. Мощная альтернатива MP3 – кодек Microsoft Windows Media Audio (Файлы .WMA и .ASF). По различным тестам этот кодек показывает себя от «как MP3» до «заметно хуже MP3» на средних битрейтах, и, «лучше MP3» на низких битрейтах.

Глава 2. Задания на кодирование информации в ЕГЭ и ГИА

2.1 Структура и содержание ЕГЭ

Единый государственный экзамен (ЕГЭ) - централизованно проводимый в Российской Федерации экзамен в средних учебных заведениях - школах и лицеях. Служит одновременно выпускным экзаменом из школы и вступительным экзаменом в вузы и ссузы. При проведении экзамена на всей территории России применяются однотипные задания и единые методы оценки качества выполнения работ. После сдачи экзамена всем участникам выдаются свидетельства о результатах ЕГЭ (в быту нередко называемые сертификатами), где указаны полученные баллы по предметам. С 2009 года ЕГЭ является единственной формой выпускных экзаменов в школе и основной формой вступительных экзаменов в вузы, при этом есть возможность повторной сдачи ЕГЭ в последующие годы. ЕГЭ проводится по русскому языку, математике, иностранным языкам (английскому, немецкому, французскому, испанскому), физике, химии, биологии, географии, литературе, истории, обществознанию, информатике.

Впервые эксперимент по введению ЕГЭ был проведён в 2001 в республиках Чувашия, Марий Эл, Якутия, а так же в Самарской и Ростовской областях по восьми учебным дисциплинам. В 2002 году эксперимент по введению единого государственного экзамена прошел в 16 регионах страны. В 2003 году эксперимент охватил 47 субъектов РФ, а в 2004 - 65 регионов страны. В 2006 ЕГЭ уже сдавали около 950 тысяч школьников в 79 регионах России. В 2008 его сдавали свыше миллиона учащихся во всех регионах. Конкретный перечень предметов, по которым ЕГЭ проводился в 2001-2008 годах, устанавливался каждым регионом самостоятельно (Чуркина Т.Е. 2010).

Задания ЕГЭ именуются контрольно-измерительными материалами (КИМами), которые разрабатываются Федеральным институтом педагогических измерений. Содержание КИМов регламентируется тремя документами, утверждаемыми Рособрнадзором осенью: кодификатором элементов содержания КИМов, спецификацией экзамена и демоверсией экзамена. Таким образом, примерная структура, форма и содержание КИМов заранее определены и не могут быть изменены произвольным образом.

На выполнение экзаменационной работы по информатике и ИКТ отводится 4 часа (240 минут). Экзаменационная работа состоит из 3 частей (A,B,C), включающих 32 задания. На выполнение блоков А и В работы рекомендуется отводить 1,5 часа (90 минут). На выполнение заданий блока С - 2,5 часа (150 минут).

Задания блока А по теме «Информация. Вычисление количества информации» занимают 7 минут (2,91% от общего времени). Задания блока В - 4 минуты (1,67% от общего времени). Блок С не включает задания по теме «Информация. Вычисление количества информации».

Блок А включает восемнадцать заданий с выбором ответа. К каждому заданию дается четыре варианта ответа, из которых только один правильный.

Блок В состоит из десяти заданий с кратким ответом (к этим заданиям нужно самостоятельно сформулировать и записать ответ).

Блок С состоит из четырех заданий. Для выполнения заданий этой части необходимо написать развернутый ответ в произвольной форме. Ответы на задания этой части оцениваются экспертами региональной экзаменационной комиссии.

За каждый правильный ответ в зависимости от сложности задания дается один или более баллов. Полученные баллы за все выполненные задания, суммируются.

Задания ЕГЭ на тему «Информация. Вычисление количества информации» с каждым годом варьируются. Сравнивая с версией 2010 года они выглядят следующим образом:

Таблица 1

«Информация. Вычисление количества информации»

Структура ЕГЭ по информатике неизменна с 2006 года. Поэтому при подготовке к ЕГЭ 2011 года рекомендуется использовать демонстративную версию не только Единого государственного экзамена по информатике 2010 года, но также экзаменов прошлых лет, а также опубликованные задания открытого сегмента Федерального банка тестовых заданий (Самылкина Н.Н. 2008).

При подготовке следует помнить, что формулировки заданий могут значительно различаться при одном и том же проверяемом содержании. При подготовке ко второй части экзамена очень важно обратить внимание на то, что правильным является только тот ответ, где перечислены все удовлетворяющие условию элементы.

Для разработки дополнительных занятий необходимо было изучить и провести анализ различных пособий для обучения Информатики и ИКТ. У Н.В. Макаровой данная тема описана достаточно подробно и доступно. Что касается Н.Д. Угринович, то тема раскрыта не достаточно полно, как хотелось бы. Кодирование информации он рассматривает поверхностно, хоть и некоторые аспекты раскрывает больше, чем другие авторы. Подходы к определению количества информации даны у него в полном объёме. Что касается других авторов, то нельзя сказать, что данная тема у кого то раскрыта полностью и на доступном языке. Если сравнивать большинство авторов учебников по информатике и ИКТ, то можно отметить, что у одних одни темы наиболее полно раскрыты, а у других - другие.

Эффективным для подготовки к ЕГЭ будет использование учебников всех авторов. Особенно хотелось бы подчеркнуть учебное пособие под редакцией профессора Н,В. Макаровой - Информатика и ИКТ. Подготовка к ЕГЭ [Базовый уровень] 2008 и уникальную методику подготовки, разработанную специалистами ФИПИ под редакцией С.С. Крылова и Д.М. Ушакова - Информатика. Тематическая рабочая тетрадь. ЕГЭ 2010. Так же можно использовать элективный курс - Готовимся к ЕГЭ по информатике под редакцией: Н. Н. Самылкиной, С. В. Русакова, А. П. Шестакова, С. В. Баданиной 2008 года и Информатика. Готовимся к ЕГЭ под редакцией И.К. Сафронова (Абрамян М.Э. 2010).

2.2 Использование текстовых технологий при подготовки к ЕГЭ по теме «Информация. Вычисление количества информации»

Учителям следует активнее вводить тестовые технологии в систему обучения для подготовки ЕГЭ по теме «Информация. Вычисление количества информации». Тестирование по данной теме тоже можно использовать при подготовке ЕГЭ. Особый интерес в этом плане представляют различные сборники тематических тестов. С помощью этих тестов можно оценивать уровень усвоения материала и отработать навыки их выполнения, что значительно облегчит подготовку учеников к централизованному тестированию. Зная типовые конструкции тестовых заданий, ученик практически не будет тратить время на понимание инструкции. Во время таких тренировок формируются соответствующие психотехнические навыки саморегуляции и самоконтроля.