нужно ли узнать код чтобы произвести декодирование
Кодирование и декодирование информации – история развития, для чего нужно и где используется
Рассмотрим детальнее, что такое кодирование сообщений, а также декодирование информации.
Для передачи информации люди используют естественные языки.
В повседневной жизни мы общаемся с помощью неформальной речи, а в деловой сфере используем формальный язык.
Сегодня для передачи и отображения информации мы используем вычислительную технику, которая «не понимает» наш язык без специальных операций – кодирования и декодирования.
Рассмотрим эти понятия детальнее, а также все виды и наглядные примеры кодирования/декодирования.
Базовые понятия
Прежде чем разобраться с основами процедуры кодирования, следует ознакомиться с несколькими простейшими понятиями.
К примеру, компьютер, смартфон, ноутбук и любые другие компьютерные устройства работают с двоичным кодом.
В компьютерной технике кодирование происходит, когда пользователь вводит любую информацию в систему – создает файлы, печатает текст и так далее.
Для понимания обычных букв кириллицы или латиницы они превращаются в набор нолей и единиц.
Чтобы отобразиться на экране компьютера, система проводит декодирование числовой последовательности и выводит результат на экран.
Все эти действия выполняются за тысячные доли секунды.
История развития кодирования
Телеграф Шаппа
Первым техническим средством кодирования данных был созданный в 1792 году телеграф Шаппа.
Устройство передавало оптическую информацию в простейшем виде с помощью специальной таблицы кодов, в которой каждой букве латинского алфавита соответствовала одна фигура.
В результате, телеграф мог отобразить и передать набор фигур.
Скорость передачи таких сообщений составляла всего два слова в минуту.
Телеграф Морзе
Созданный в 1837 году телеграф Морзе стал революционном устройством кодирования/декодирования информации.
Принцип кодирования заключался в преобразовании любого сообщения в три символа алфавита:
Подобная связь используется по сей день в мореходной сфере для мгновенной передачи сообщений между суднами.
Радиоприёмник
В 1899 году А. Попов создал первый в мире беспроводной телеграф или радиоприемник.
Принцип его работы заключался в кодировании электрических сигналов азбукой Морзе и её дальнейшей передаче на длительные расстояния.
Позже был изобретен телеграф Бодо, который решал проблему неравномерности кода и сложность декодирования.
Читайте также:
Современные способы кодирования данных
Для перевода информации в код могут быть использованы разные способы и алгоритмы кодирования.
Использование каждого из методов зависит от среды, цели и условий создания кода.
С разными алгоритмами кодирования мы сталкиваемся в повседневной жизни:
Полезная информация:
Обратите внимание на программу Hex Editor. Это утилита, выступающая в качестве шестнадцатеричного редактора. Осуществляет поддержку работы с файлами, которые хранятся на жестком диске и оперативной памяти.
Двоичное кодирование и другие числовые системы
Самый простой и распространенный способ кодирования – это представление информации в двоичном (бинарном) коде.
С его помощью работают все компьютеры и вычислительные системы.
Компьютер может выполнять сверхбыстрые вычисления с помощью только двух условий – наличия тока и его напряжение.
С помощью единиц передается высокое напряжение, а с помощью нолей – низкое.
Для перевода привычных нам слов, цифр и символов в десятичное представление следует использовать специальные таблицы конверсии.
На рисунке ниже изображена таблица для цифровой и символьной раскладки, а также для букв латиницы.
К примеру, в результате перевода фразы «Hello, how are you?» получим последовательность «10010001000101100110010011001001111010110001000001001000100111110101110100001000001101001010001010100000101100110011111010101».
Чтобы выполнить декодирование информации, необходимо разделить бинарный код на части, каждая из которых равна семи ячейкам:
Также, в теории кодирования можно встретить не только двоичную систему, но и троичную, четвертую, пятую, шестую…шестнадцатеричную и другие системы.
Шестнадцатеричная система исчисления используется в языках программирования низкого уровня.
Таким образом, удаётся добиться более быстрого выполнения кода центральным процессором. Примером такого языка является машинный код ассемблер.
Так шестнадцатеричная система декодируется в двоичную.
Рис.3 – пример декодирования зыков программирования разных уровней
Также, шестнадцатеричная система используется в создании программной документации, так намного проще записывать байты.
Для обозначения одного байта требуется только две шестнадцатеричные цифры, а не восемь, как в двоичной системе.
Онлайн-кодировщики
Для быстрого преобразования любого текста в набор символов бинарной или других систем исчисления удобнее использовать автоматические кодировщики.
Также, они могут декодировать текст, самостоятельно определяя, какую систему использовал пользователь для кодировки.
Рис.4 — Сервис DecodeIT
Кодирование символов
Для кодирования символов используются различные стандарты, среди которых Юникод, ASCII, UTF-8 и другие.
Зачем нужна кодировка символов?
Любые символы на экране компьютера или смартфона отображаются за счет двух вещей:
Знаки – это шрифты, которые поддерживаются устройством. В ОС Windows они находятся в окне Панель управления (директория «Шрифты»).
С помощью этой папки вы можете добавлять или удалять существующие представления символов.
Таким образом, на экране появляется буква и текст.
За установку шрифтов отвечает операционная система вашего компьютера, а за кодировку текста – программы, в которых вы набираете или просматриваете текстовые данные.
Разбирая код, приложение обрабатывает кодировку знака и ищет его соответствие в поддерживаемом для этого же документа шрифте.
Если соответствие не найдено, вместо текста вы увидите набор непонятных символов.
Рис.5 – пример ошибки кодирования символов в Блокноте Windows
Чтобы символы кириллицы и латиницы открывались без проблем в большинстве программ, было предложено ввести стандарты кодирования.
Один из наиболее популярных – это Юникод (или Unicode).
Он поддерживается практически всеми существующими шрифтами и программным обеспечением.
Также, широко используются технологии UTF-8, ASCII.
Для этого достаточно зайти в настройки текстового редактора и сохранить файл с кодировкой Юникод или другими популярными форматами кодирования.
Затем откройте файл заново, текст должен отображаться в нормальном режиме.
Рис.6 – декодирование текста в редакторе
Читайте также:
Шифрование
Часто возникает необходимость не только закодировать информацию, но и скрыть её содержимое от посторонних.
Для таких целей используется шифрование.
Простыми словами, шифрование – это кодирование информации, но не с целью её корректного представления на экране компьютера, а с целью сокрытия данных от тех, кому не положено получать доступ к шифрованной информации.
Алфавит шифрования состоит из двух элементов:
Дешифрование – это обратный процесс к защитному кодированию, который подразумевает превращение данных в первоначальный вид с помощью известного ключа.
Криптография – это наука о шифровании данных. Всего различают два раздела криптографии:
Где используется криптография?
Кодирование информации с целью шифрования используется уже более трех тысяч лет.
Истории известны первые попытки шифрованной передачи сообщений между известными полководцами царями и просто высокопоставленными людьми.
Также, шифрованное кодирование используется в обычных социальных сетях, мессенджерах.
К примеру, Telegram – мессенджер, главной особенностью которого является кодирование сообщений пользователей таким образом, чтобы никто посторонний не смог взломать переписку.
Также, алгоритмы шифрования встроены во все операционные системы, облачные хранилища.
Они нужны для защиты ваших личных данных.
Рис.7 – принцип работы защищенного соединения
Стеганография
Он схож с упомянутой выше криптографией, но если основной целью криптографии является защита секретной информации, то стеганография отвечает за сокрытие самого факта о том, что существуют какие-либо защищаемые данные.
Процедура стенографического кодирования подразумевает встраивание сообщения в картинки, музыкальные файлы, видео и так далее.
Каждая буква секретного сообщения кодируется в бинарную форму, затем она заменяет один из пикселей.
Таким образом, можно закодировать даже большие сообщения без какого-либо визуального изменения фотографии, так как на современных гаджетах не видны отдельные пиксели картинки.
Аналогичным образом происходит кодирование звука в музыку, каждой частоте присваивается определенная буква.
Декодировать стенографическую информацию можно только с помощью специальных утилит, которые и зашифровали сообщение или путем взлома.
Достаточно сопоставить картинку до и после встраивания секретного текста, количество пикселей будет отличаться.
Затем используется специальное ПО для перебора и расшифровки каждого пикселя и воссоздания сообщения.
Читайте также:
Кодирование информации используется сотни лет для удобной передачи данных между устройствами.
С развитием технологий и переносом банковской сферы в техническую среду появилась необходимость в использовании алгоритмов кодирования, которые бы шифровали информацию, сохраняя её от несанкционированного доступа.
Сегодня без технологий кодирования данных невозможна работа ни одного компьютера, смартфона, сайта или банковского счета.
Тематические видеоролики:
Богдан Вязовский
«Мы живем в обществе, где технологии являются очень важной частью бизнеса, нашей повседневной жизни. И все технологии начинаются с искр в чьей-то голове. Идея чего-то, чего раньше не существовало, но однажды будет изобретено, может изменить все. И эта деятельность, как правило, не очень хорошо поддерживается»
Содержание урока
§5. Язык и алфавит
§6. Кодирование
Декодирование
§6. Кодирование
Декодирование
Декодирование — это восстановление информационного сообщения из последовательности кодов.
Например, закодированное сообщение 
можно восстановить, используя код Морзе «в обратную сторону»: в этой строке закодирована фамилия «Петров».
В некоторых случаях даже при использовании неравномерного кода не требуется вводить символ-разделитель. Для этого достаточно выполнение условия Фано: ни одно кодовое слово не совпадает с началом другого кодового слова. Такой код называют префиксным.
Пример 1. Пусть для кодирования первых 5 букв русского алфавита используется таблица:
Это неравномерный код, поскольку в нём есть двух- и трёхсимвольные кодовые слова. Построим для этой кодовой таблицы дерево, в котором от каждого узла (кроме листьев) отходят два ребра, помеченные цифрами 0 и 1. Чтобы найти код символа, нужно пройти по стрелкам от корня дерева к нужному листу, выписывая метки стрелок, по которым мы переходим (рис. 2.3).
Заметим, что ни один символ не лежит на пути от корня к другому символу. Это значит, что условие Фано выполняется и любую правильную кодовую последовательность можно однозначно декодировать. Например, рассмотрим цепочку 1100000100110. Букв с кодами 1 и 11 в таблице нет, поэтому сообщение начинается с буквы Г — она имеет код 110:
Следующий (единственно возможный) код — 000, это буква А:
Аналогично декодируем всё сообщение:
Пример 2. Рассмотрим другую кодовую таблицу:
Здесь условие Фано не выполняется, поскольку код буквы Б (01) является началом кода буквы Г (011), а код буквы Д (100) начинается с кода буквы В (10). Дерево для этой кодовой таблицы выглядит так (рис. 2.4).
Тем не менее можно заметить, что выполнено «обратное» условие Фано: ни одно кодовое слово не совпадает с окончанием другого кодового слова (такой код называют постфиксным). Поэтому закодированное сообщение можно однозначно декодировать с конца. Например, рассмотрим цепочку 011000110110. Последней буквой в этом сообщении может быть только В (код 10):
Вторая буква с конца — Б (код 01):
В общем случае (если код не является ни префиксным, ни постфиксным) декодировать сообщение удаётся только перебором вариантов.
Пример 3. Декодируем сообщение 010100111101, закодированное с помощью кодовой таблицы:
Здесь не выполняется ни «прямое», ни «обратное» условие Фано, поэтому декодировать сообщение однозначно, возможно, не удастся. На первом месте может быть буква А или буква Б. Сначала предположим, что это буква А:
А0100111101
Тогда второй буквой также может быть буква А:
АА00111101.
Дальше декодировать не получается, потому что в таблице нет кодов 0, 00 и 001. Поэтому проверяем второй вариант: вторая буква — Б:
АБ0111101.
Третьей буквой может быть А:
АБА11101,
Тогда четвёртая и пятая буквы определяются однозначно — это буквы Г и Д. Таким образом, один из подходящих вариантов — АБАГД.
Посмотрим, есть ли другие варианты. После сочетания АБ может стоять буква В:
АБВ1101,
тогда оставшиеся буквы — это ГА, а полное сообщение — АБВГА. Этот вариант тоже подходит.
Кроме того, на первом месте может стоять буква Б:
Б100111101,
но дальше декодировать не удаётся, потому что в таблице нет кодов 1, 10 и 100. Таким образом, сообщение может быть декодировано двумя способами: АБАГД и АБВГА.
Пример 3 показывает, что неоднозначное декодирование возможно тогда, когда начало кода одной буквы совпадает с концом кода другой и можно переместить границу между кодами букв в сообщении. Например, последовательность 01011 может быть декодирована как АВ (01011) и БГ (01011). Следовательно, нужно обратить внимание на те цепочки, которые встречаются как в начале, так и в конце кодовых слов.
Покажем, как найти сообщения, которые декодируются неоднозначно. Для таблицы из примера 3 построим граф Ал. А. Маркова следующим образом.
1. Определим все последовательности., которые совпадают с началом какого-то кодового слова и одновременно с концом какого-то кодового слова; в данном случае это две последовательности:
0 (начало кода буквы А и конец кода буквы Б)
1 (начало кода буквы Г и конец кода буквы Д)
10 (начало кода буквы Д и конец кода буквы Б).
2. Добавим к этому множеству <0, 1, 10>пустую строку, которую обычно обозначают буквой Λ (прописная греческая буква «лямбда»); элементы полученного множества <Λ, 0, 1>становятся узлами графа (рис. 2.5).
3. Соединим узлы дугами (направленными рёбрами) по такому правилу: два узла X и Y соединяются дугой, если последовательная запись кода узла X, кода некоторой буквы (или нескольких букв) и кода узла Y даёт код ещё одной буквы (рис. 2.6).
Например, последовательная запись пустой строки (Λ), кода буквы А (01) и цепочки 0 даёт цепочку 010, которая совпадает с кодом буквы Б; поэтому рисуем дугу из вершины Λ в вершину 0; у этой дуги пишем А → Б, и т. д. Поскольку код буквы Г можно записать как 11 = 1Λ1, у вершины 1 появляется петля Λ → Г.
Любое сообщение декодируется однозначно тогда и только тогда, когда в полученном таким образом графе нет циклов, включающих вершину «Λ».
В нашем графе есть несколько таких циклов, например:
• цикл «Λ0Λ», соответствующий сообщению ΛА0ГΛ = 01011; это сообщение может быть расшифровано как АВ и как БГ;
• цикл «Λ1Λ», соответствующий сообщению ΛА1АΛ = 01101; это сообщение может быть расшифровано как АД и как ВА;
• цикл «Λ01Λ», соответствующий сообщению ΛА01АΛ = 01010Lj это сообщение может быть расшифровано как АДА и как БД;
• цикл «Λ0101Λ», соответствующий сообщению ΛА0101АΛ = 01010101; это сообщение может быть расшифровано как АБД и как БДА.
Кроме того, из-за петли у вершины 1 неоднозначно декодируется любая последовательность вида 01. 101, где многоточие обозначает любое количество единиц. Например, сообщение 0111101 может быть декодировано как АГД или ВГА (см. пример 3).
Пример 4. Существуют коды, для которых условия Фано не выполняются, но все сообщения однозначно декодируются. В кодовой таблице
код буквы А совпадает как с началом, так и с окончанием кода буквы В, т. е. этот код не является ни префиксным, ни постфиксным.
Проверим, можно ли однозначно декодировать сообщения, построенные с помощью такого кода. Множество последовательностей, которые совпадают с началом и концом кодовых слов, состоит из пустой строки и единицы: <А, 1>. Граф, построенный с помощью приведённого выше алгоритма, содержит два узла и одну петлю (рис. 2.7).
В этом графе нет цикла, содержащего вершину А, поэтому любое сообщение, записанное с помощью такого кода, декодируется однозначно. Это можно показать и простыми рассуждениями:
1) все цепочки 11 в сообщении — это коды букв Б, иначе они не могут образоваться;
2) все цепочки 010 — это коды букв В;
3) остальные символы сообщения могут быть только нулями — это коды букв А.
Иногда при кодировании и декодировании происходит искажение сообщения. Например, известно, что перевод художественных текстов (особенно стихов) на другой язык и затем обратный перевод могут изменить их до неузнаваемости.
Следующая страница 
Вопросы и задания
Cкачать материалы урока
Решение задач на тему «Кодирование и декодирование информации»
Кодирование и декодирование информации
Задание №5
При выполнении данного задания необходимо знать условие Фано, Код Хаффмана
В чем смысл прямого условия Фано?
Условие Фано названо в честь его создателя, итальянско-американского ученого Роберта Фано. Условие является необходимым в теории кодирования при построении самотерминирующегося кода. Учитывая другую терминологию, такой код называется префиксным.
Сформулировать данное условие можно следующим образом: « ни одно кодовое слово не может выступать в качестве начала любого другого кодового слова ».
С математической точки зрения условие можно сформулировать следующим образом: « если код содержит слово B, то для любой непустой строки C слова BC не существует в коде ».
В чем смысл обратного условия Фано?
Существует также и обратное правило Фано, формулировка которого звучит следующим образом: « ни одно кодовое слово не может выступать в качестве окончания любого другого кодового слова ».
С математической точки зрения обратное условие можно сформулировать следующим образом: « если код содержит слово B, то для любой непустой строки C слова CB не существует в коде ».
Условие задачи: дана последовательность, которая состоит из букв «A», «B», «C», «D» и «E». Для кодирования приведенной последовательности применяется неравномерный двоичный код, при помощи которого можно осуществить однозначное декодирование.
Вопрос : есть ли возможность для одного из символов сократить длину кодового слова таким образом, чтобы сохранить возможность однозначного декодирования? При этом коды остальных символов должны остаться неизменными.
Не представляется возможным
Идея, положенная в основу кодирования Хаффмана, основана на частоте появления символа в последовательности. Символ, который встречается в последовательности чаще всего, получает новый очень маленький код, а символ, который встречается реже всего, получает, наоборот, очень длинный код. Это нужно, так как мы хотим, чтобы, когда мы обработали весь ввод, самые частотные символы заняли меньше всего места (и меньше, чем они занимали в оригинале), а самые редкие — побольше (но так как они редкие, это не имеет значения).
№ 1. Для кодирования букв О, В, Д, П, А решили использовать двоичное представление чисел 0, 1, 2, 3 и 4 соответственно (с сохранением одного незначащего нуля в случае одноразрядного представления). Если закодировать последовательность букв ВОДОПАД таким способом и результат записать восьмеричным кодом, то получится
Сначала следует представить данные в условии числа в двоичном коде: