Информация и информационные процессы § 1.

1
Информация и
информационные
процессы
§ 1. Количество информации
§ 2. Передача данных
§ 3. Сжатие данных
§ 4. Информация и управление
§ 5. Информационное общество
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
2
Информация и
информационные
процессы
§ 1. Количество информации
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
3
Формула Хартли (1928)
N 2
I
N
I
I  log 2 N
– количество информации в битах
– количество вариантов
Ральф Хартли
Пример:
В аэропорту стоит 10 самолетов, из них один
летит в Санкт-Петербург. Оценить количество
информации в сообщении «В Санкт-Петербург летит
второй самолет»?
ln 10 lg 10

 3,322 бита
I  log 2 10 
ln 2
lg 2
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
4
Алфавитный подход
N – мощность алфавита
Информационный объём
символа:
i  log 2 N
вверх до целого
числа
сообщения длиной L:
I  L  log 2 N
Пример: сообщение длиной 100 символов закодировано
с помощью алфавита из 50 знаков.
i  log 2 50  5,644
бита
I  100  log 2 50  564,4
6 битов
бита
600 битов
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
5
Количество различных сообщений
алфавит: А, Б, В, Г
А, Б, В, Г
А, Б, В, Г
всего: 4
всего: 44 = 42 = 16
А, Б, В, Г для каждого варианта
N – мощность алфавита
L – длина сообщения
Q – количество различных сообщений
Q  NL
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
6
Информация и вероятность
Доля символов в русских текстах:
из 1000
символов
около 175
пробелов
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
О
Е
А
И
Т
Н
С
р
В
Л
К
М
Д
П
У
0,175
0,090
0,072
0,063
0,062
0,053
0,052
0,045
0,040
0,038
0,035
0,028
0,026
0,025
0,023
0,021
Я
Ы
З
Ь
Б
Г
Ч
Й
Х
Ж
Ю
Ш
Ц
Щ
Э
Ф
вероятность p
появления символа
0,018
0,017
0,016
0,015
0,014
0,013
0,012
0,010
0,009
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
7
Вероятность
Вероятность события – число от 0 до 1,
показывающее, как часто случается это событие в
большой серии одинаковых опытов.
0  p 1
x2 < 0
p0
событие никогда не происходит
(нет неопределенности)
p  0,5
событие происходит в половине
случаев (есть неопределенность)
событие происходит всегда
(нет неопределенности)
p 1
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
x2  0
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
8
Вероятность
N – количество испытаний
m – сколько раз произошло событие
m
p
N
1
p
ровно 2:
6
3 1
чётное: p  
6 2
2 1
меньше 3: p  
6 3
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
1
p
2 и 2:
36
33 1

2 чётных: p 
36 4
4 1

оба меньше 3: p 
36 9
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
9
Вероятность и информация
Чем более неожиданно событие, тем больше получено
информации.
p 1
…АААААААААААААААААА
получили букву «А»:
p0
I 0
…BАААААААААААААААААА
получили букву «В»:
I 
В 10 опытах будет получено в 10 раз больше
информации, чем в одном (аддитивность).
!
Определили свойства количества
информации!
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
10
Вероятность и информация
f ( p)  K  log 2 p
при K = 1  информация в битах
Если событие имеет вероятность p, то количество
информации в битах, полученное в сообщении об этом
событии, равно
1
I   log 2 p  log 2
p
p  1  I  log 2 1  0
p  0  I  log 2   
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
11
Вероятность и информация
Аддитивность:
по 8 шариков разного цвета
всего 88 = 64 варианта
1
p
8
1
I1  I 2  log 2  log 2 8  3 бита
p
I  I1  I 2  6 битов
!
1
p
64
I  log 2 64  6 битов
Аддитивность выполняется!
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
12
Связь с формулой Хартли
1
N равновероятных событий  p 
N
1
I  log 2  log 2 N
совпадает с
p
формулой Хартли
Если вероятности разные:
«Васе достался зелёный шарик».
6 3
p 
8 4
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
4
I  log 2  0,415  0,5
3
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
13
Формула Шеннона
Количество полученной информации равно уменьшению
неопределенности.
I = H = Hнач – Hкон
?
Как вычислить H?
Неопределённость знаний об источнике
данных (N событий, вероятности pi):
Клод Шеннон
N
1
1
1
H   pi  log 2
 p1  log 2  ...  pN  log 2
pi
p1
pN
i 1
информационная энтропия
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
14
Формула Шеннона
«Идёт ли сейчас снег?» (1 – да, 2 – нет)
1
зимой: p1 
Как вычислить p2?
?
2
1
p2  1  p1 
2
! Сумма вероятностей всех событий,
составляющих полную систему, равна 1!
1
1
H   log 2 2   log 2 2  log 2 2  1 бит
2
2
летом: p1  0,0001, p2  0,9999
1
1
H  0,0001 log 2
 0,9999  log 2
 0,0015 бит
0,0001
0,9999
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
15
Когда неопределённость наибольшая?
Система двух событий:
p2  1  p1
H
1
Неопределенность
максимальна, когда все
события равновероятны.
0,5
p1
0
0,5
1
1
p1  p2    p N 
N
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
совпадает с
формулой Хартли!
N
1
H   log 2 N  log 2 N
i 1 N
http://kpolyakov.spb.ru
16
Информация и
информационные
процессы
§ 2. Передача данных
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
17
Скорость передачи данных
Скорость передачи данных – это количество битов
(байтов, Кбайт и т.д.), которое передается по каналу
связи за единицу времени (например, за 1 с).
бит/с = 1 bps (bits per second)
1 кбит/с = 1000 бит/с
1 Мбит/с = 106 бит/с
скорость
передачи
1 Гбит/с = 109 бит/с
Объём переданных данных:
I  v t
время
v = 512000 бит/с, t = 1 мин
I = v  t = 512000 бит/с  60 с = 30 720 000 битов
= 3 840 000 байтов = 3075 Кбайт.
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
18
Обнаружение ошибок
10010
?
Верно ли переданы данные?
Бит чётности:
00 01 10 11  000 011 101 110
теперь число единиц в
каждом блоке чётное
Если в принятом блоке нечётное число «1» – ошибка!
принято: 010 110 000 111 000
?
Можно ли исправить?
Для файлов – контрольные суммы (хэш):
CRC = Cyclic Redundancy Code
MD5, SHA-1
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
19
Помехоустойчивые коды
10010
111 000 000 111 000 – утроение каждого бита
принято: 010111000101000
исправлено: 000111000111000
!
Обнаруживает 1 или 2 ошибки, исправляет
1 ошибку!
Помехоустойчивый код – это код, который позволяет
исправлять ошибки, если их количество не превышает
некоторого уровня.
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
20
Расстояние Хэмминга
Расстояние Хэмминга – это количество позиций, в
которых отличаются два закодированных сообщения
одинаковой длины.
d(001, 100) = 2
d(000, 111) = 3
?
!
Обнаруживает 1 или 2
ошибки, исправляет
1 ошибку!
Исправление r ошибок:
d  2r + 1
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
21
Передача 3-битных блоков
000000
001111
010011
011100
100101
101010
110110
111001
d(000000, x) = ?
0011114 0100113 1001013 1101104
0111003 1010103 1110014
dmin= 3  r = 1
Исправление ошибки
принято: 101110
!
Недопустимый код!
ближайший допустимый код:
101010
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
22
Помехоустойчивые коды Хэмминга
4 полезных бита, 3 контрольных
избыточность 3/4 =75%
1
2
3
4
5
6
7
3=1+2
0 1 1 1 1 0 0 5=1 +4
6=
2+4
7=1+2+4
бит 1: (1 + 1 + 0) mod 2 = 0
бит 2: (1 + 0 + 0) mod 2 = 1
бит 4: (1 + 0 + 0) mod 2 = 1
dmin= 3  r = 1
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
23
Код Хэмминга: исправление ошибки
1
2
3
4
5
6
7
0 1 1 1 1 1 0
Контрольные биты:
бит 1: (1 + 1 + 0) mod 2 = 0
бит 2: (1 + 1 + 0) mod 2 = 0
бит 4: (1 + 1 + 0) mod 2 = 0
Номер ошибочного бита: 2 + 4 = 6
0 1 1 1 1 0 0
1 1 0 0
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
24
Длинные коды Хэмминга
Контрольные биты:
1, 2, 4, 8, 16, … , 2k
Длина кодовых
слов, бит
Число
контрольных битов
Избыточность
4
3
75%
11
4
36%
27
5
19%
58
6
10%
248
8
3%
1014
10
1%
!
Исправляется только 1 ошибка в блоке!
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
25
Информация и
информационные
процессы
§ 3. Сжатие данных
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
26
Что такое сжатие?
Алфавит: A, B, C,
Сообщение: АBА CАBАBА
A  00 C  10
B  01
 11
!
80 битов в 8-битной
кодировке!
АBА CАBАBА  00 01 00 11 10 00 01 00 01 00
?
20 битов
Как раскодировать?
Словарь:
00
000001002
4 символа
01
10
010000012 010000102 010000112
A (код 65)
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
B (код 66)
C (код 67)
11
001000002
пробел (код 32)
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
27
Коэффициент сжатия
Сообщение: 10240 символов
Алфавит: A, B, C,
Словарь: 5 байтов
Длина кода:
10240×2 = 20480 битов = 2560 байтов
Длина сжатого сообщения:
5 + 2560 = 2565 байтов
Коэффициент сжатия – это отношение
размеров исходного и сжатого файлов.
10240
k
4
2565
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
28
Сжатие без потерь
Сжатие без потерь – это такое уменьшение объема
закодированных данных, при котором можно
восстановить их исходный вид из кода без искажений.
?
За счёт чего сжимается сообщение?
!
В данных должна быть избыточность!
используются только
4 символа из 256
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
29
Алгоритм RLE
RLE (англ. Run Length Encoding, кодирование цепочек
одинаковых символов)
Файл qq.txt
A
…
A
A
B
100
Файл qq.rle (сжатый)
100
?
A
100
B
B
…
B
200 байтов
100
сжатие в 50 раз!
4 байта
В чем состоит избыточность?
?
Сжатие с потерями или без?
?
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Что в худшем случае?
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
30
Алгоритм RLE
управляющие байты
100011112 110000002 000000102 110000012 110000102
повтор 15 A (код 192)
2
Б (код 193) В (код 194)
Распаковка:
15
2
АААААААААААААААБВ
Применение:
• сжатие рисунков *.bmp (с палитрой)
• один из этапов сжатия рисунков *.jpg
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
31
Неравномерные коды
Идея: кодировать часто встречающиеся символы более
короткими кодовыми словами.
Азбука Морзе:
Е •
Т –
И
А
Н
М
корень
••
• –
–•
––
•
••
Т
Е
•
И
!
–
–
А
•
Н
–
М
Проблема: разделить последовательность на
кодовые слова!
И
ЕЕ
?
Можно ли обойтись без разделителя?
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
32
Префиксные коды
Префиксный код – это код, в котором ни одно кодовое
слово не является началом другого кодового слова
(условие Фано).
Е •
Т –
И
А
Н
М
корень
••
• –
–•
––
•
–
Т
Е
•
И
не все символы
в листьях!
–
А
•
Н
–
М
!
Это не префиксный код!
!
Проблема: как построить префиксный код?
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
33
Код Шеннона-Фано
Алфавит: О, Е, Н, Т,
Количество символов в сообщении:
179 О 89
Е 72
Н 53
Т 50
На 2 группы с примерно равным числом символов:
179
Т 50
О 89
229
начинаются с 0
00
Т 01
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Е 72
Н 53
214
начинаются с 1
О 10
Е 72
Н 53
начинаются с 11
Е 110
Н 111
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
34
Код Шеннона-Фано
корень
0
0
!
1
1
1
0
Т
Это префиксный код (все
символы в листьях дерева)!
О
0
Е
1
Н
Декодирование:
01100110001101111001
Т O Т O
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Е
Н О Т
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
35
Код Шеннона-Фано
 учитывается частота символов
 не нужен символ-разделитель
 код префиксный – можно декодировать по мере
поступления данных
 нужно заранее знать частоты символов
 код неоптимален
 при ошибке в передаче сложно восстановить
«хвост»
 не учитывает повторяющиеся последовательности
символов
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
36
Алгоритм Хаффмана
По увеличению частоты:
Т 50 Н 53 Е 72 О 89
Е 72
О 89
103
Т
103
Т
179
Е
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Дэвид Хаффман
Н
161
Н
179
179
О
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
37
Алгоритм Хаффмана
179
264
1
0
Т
Н
Е
Код Хаффмана:
Т 100
Е 110
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
1
1
0
О
0
0
0
Т
Н
Е
1
О
Н 101
О 111
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
38
Сравнение алгоритмов
Количество символов в сообщении:
179 О 89
Е 72
Н 53
Т 50
Равномерное кодирование (8-битный код):
(179 + 89 + 72 + 53 + 50)  8 = 3544 бита
Равномерное кодирование (3-битный код):
(179 + 89 + 72 + 53 + 50)  3 = 1329 битов
+ словарь!
?
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
В чём избыточность?
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
39
Сравнение алгоритмов
Количество символов в сообщении:
179 О 89
Е 72
Н 53
Т 50
Код Шеннона-Фано:
00
Е 110
О 10
Т 01
Н 111
(179 + 89 + 50)  2 + (72 + 53)  3 = 1011 битов
1329
k
 1,31
1011
Код Хаффмана:
0
Е 110
Т 100
О 111
Н 101
179 + (89 + 72 + 53 + 50)  3 = 971 бит
1329
k
 1,37
971
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
!
Оптимален!
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
40
Алгоритм Хаффмана
 код оптимальный среди алфавитных кодов
 нужно заранее знать частоты символов
 при ошибке в передаче сложно восстановить
«хвост»
 не учитывает повторяющиеся последовательности
символов
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
41
Алгоритм LZW
1977: А. Лемпел и Я. Зив, 1984: Т. Велч
Идеи:
• кодировать не отдельные символы, а блоки
• последовательностям символов присваиваются
числовые коды
• новая цепочка  занесение в словарь с новым кодом
 словарь строится по мере получения данных
 не нужны частоты символов  за один проход!
Применение:
• сжатие рисунков *.gif, *.tif
• сжатие документов *.pdf
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
42
Сжатие с потерями
Сжатие с потерями – это такое уменьшение объема
закодированных данных, при которых распакованный
файл может отличаться от оригинала.
Идея: «отбросить» часть данных, которые не влияют на
восприятие информации человеком (доп. размытие
фотографий, частоты выше 20 кГц, …)
Применение:
• сжатие рисунков *.jpg, *.jpeg
• сжатие звука *.mp3, *.aac, *.ogg, …
• сжатие видео *.mpg, *.wmv, *.mov, …
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
43
Снижение глубины цвета
8 битов на пиксель 4 бита на пиксель
(256 цветов)
(16 цветов)
2 бита на пиксель
(4 цвета)
размер 
качество 
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
44
Сжатие JPEG
яркость
«синева»
RGB  Y Cb Cr
«краснота»
глаз чувствительнее к зелёному!
Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B
Cb = 128 – 0,1687R – 0,3313G + 0,5B
Cr = 128 + 0,5R – 0,4187G – 0,0813B
?
Что для чёрно-белого (серого)?
Cb = Cr = 128
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
45
Сжатие JPEG
Идея: глаз наиболее чувствителен к яркости
6 чисел
Y1, Cb1, Cr1 Y2, Cb2, Cr2
 Y1, Y2, Y3, Y4, Cb, Cr
например:
Cb1 + Cb2 +Cb3 + Cb4
Cb =
4
Y3, Cb3, Cr3 Y4, Cb4, Cr4
12 чисел
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Cr =
Cr1 + Cr2 +Cr3 + Cr4
4
потери!
+ дискретное косинусное
преобразование, алгоритмы
RLE и Хаффмана
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
46
Сжатие JPEG
Артефакты – заметные искажения
из-за сжатия с потерями
качество 100
(8400 байтов)
качество 50
(3165 байтов)
качество 0
(1757 байтов)
V, Кбайт
!
40
30
качество 0
(фрагмент)
Плавные переходы!
20
10
0
BMP
BMP(RLE)
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
GIF
PNG
JPEG(100) JPEG(50)
JPEG(0)
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
47
Сжатие рисунков с потерями и без
?
!
V, Кбайт
120
100
80
60
40
20
0
BMP BMP(RLE)
Что особенного?
Большие области одного цвета!
Чёткие границы!
GIF
без потерь!
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
PNG JPEG(100) JPEG(50) JPEG(0)
с потерями!
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
48
Сжатие звука (MP3)
MP3 = MPEG-1 Layer 3, кодирование восприятия
Битрейт – это число бит, используемых для кодирования
1 секунды звука.
MP3: от 8 до 320 кбит/c
Без сжатия на CD (1 сек, 44 кГц, 16 бит, стерео):
288000 = 176 000 байт = 1 408000 бит = 1408 кбит
Cжатие MP3 (256 кбит/с):
1408
k
 5,5
256
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
49
Сжатие видео
видео = изображения + звук
Кодек (кодировщик/декодировщик) – это программа для
сжатия данных и восстановления сжатых данных.
MJPEG, MPEG-4, DivX, Xvid, H.264, …
Артефакты – заметные
искажения из-за сжатия с
потерями
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
50
Сжатие: итоги
!
Сжатие уменьшает избыточность данных!
?
Хорошо сжимаются:
Нужно ли стремиться к
• тексты (*.txt)
полному удалению
• документы (*.doc)
избыточности?
• несжатые рисунки (*.bmp)
• несжатый звук (*.wav)
• несжатое видео (*.avi)
Плохо сжимаются:
• случайные данные
• сжатые данные в архивах (*.zip, *.rar, *.7z)
• сжатые рисунки (*.jpg, *.gif, *.png)
• сжатый звук (*.mp3, *.aac)
• сжатое видео (*.mpg, *.mp4, *.mov)
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
51
Информация и
информационные
процессы
§ 4. Информация и управление
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
52
Кибернетика
Кибернетика – это наука, изучающая
общие закономерности процессов
управления и передачи информации в
машинах, живых организмах и обществе.
Идеи:
• управление в любых системах
подчиняется одним и тем же законам
• управление связано с обменом
информацией
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
Норберт Винер
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
53
Что такое система?
Система – это группа объектов и связей между ними,
выделенных из среды и рассматриваемых как одно
целое.
среда
А
Б
В
Г
Примеры:
• общество
• семья
• экологическая система
• компьютер
• файловая система
• операционная система
Системный эффект: свойства системы нельзя свести к
«сумме» свойств ее компонентов.
самолёт летает!
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
54
Что такое система?
Свойства системы: компоненты + связи (алмаз, графит)
Подсистема: компонент-система.
элемент
Б
Г
А
Ж
Е
S1
В
подсистема
S2
Д
S
Надсистема: система более высокого уровня.
!
Цель работы системы определяется надсистемой!
Системный анализ: изучение сложных систем на
основе теории управления и теории информации.
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
55
Системы управления
среда
цель
управление
регулятор
объект
Разомкнутая система – регулятор не получает информации о
состоянии объекта (программное управление).
Примеры:
• водитель с завязанными глазами
• начальник, не проверяющий рабочих
• информационное табло на вокзале
• светофор
простота – не нужно датчиков
• нужна точная модель объекта
• нельзя учесть влияние среды
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
!
Неизвестно,
достигнута ли цель!
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
56
Системы с обратной связью
Замкнутая система – регулятор получает информации о
состоянии объекта по каналу обратной связи.
среда
цель
сравнение
регулятор
с целью!
управление
объект
датчики
обратная
связь (ОС)
• модель объекта может быть неточной
• можно учесть влияние среды
усложнение системы (датчики)
Отрицательная ОС – регулятор уменьшает разницу между
целью и состоянием объекта.
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
57
Типы систем управления
Автоматические – работают без участия человека.
Автоматизированные – собирают и обрабатывают
информацию, а решения принимает человек.
Адаптивные – «подстраиваются» под изменение внешних
условия или свойств объекта.
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
58
Информация и
информационные
процессы
§ 5. Информационное общество
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
59
Что такое информационное общество?
Прогресс в обработке информации:
• письменность (около 3000 лет до н.э., Египет)
• книгопечатание (X век – Китай, XV век – Европа)
• средства связи (телеграф, телефон, радио,
телевидение; конец XIX – начало XX века);
• компьютеры (вторая половина XX века).
Информационное общество – это такая ступень
развития цивилизации, на которой главными
продуктами производства становятся информация и
знания.
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
60
Информатизация
Информатизация – переход к информационному
обществу:
• внедрение информационных технологий во все
сферы жизни
• развитие компьютерных сетей, сотовой связи и т.п.
• необходимость компьютерной грамотности для всех
• свобода доступа к информации;
• доступность образования, в том числе
дистанционного (через Интернет)
• изменение структуры экономики
• изменение уклада жизни людей
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
61
Информатизация
Негативные последствия:
• усиление влияния СМИ
• разрушается частная жизнь людей
• сложно выбрать качественные и достоверные данные
• личное общение людей заменяется общением в
Интернете
• людям старшего поколения очень сложно
приспособиться
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
62
Информационные ресурсы
Ресурсы – условия, позволяющие после некоторой
«обработки» получить желаемый результат.
Информационные ресурсы – документы
товар!
в библиотеках, архивах, банках данных,
информационных системах.
Информационные услуги:
• поиск и подбор информации
• подбор персонала (кадровые агентства)
• обучение (учебные центры)
• рекламные агентства
• консультации, услуги по оптимизации бизнеса
• разработка программ и веб-сайтов
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
63
Информационные технологии
Технология – это способ сделать «продукт» из исходных
материалов (с гарантированным результатом!).
Новые информационные технологии – это технологии,
связанные с использованием компьютеров для
хранения, защиты, обработки и передачи информации.
• подготовка документов в электронном виде
• поиск информации
• телекоммуникации (сети, Интернет, e-mail)
• автоматизированные системы управления (АСУ)
• системы автоматизированного проектирования (САПР)
• геоинформационные системы
• обучение (электронные учебники, компьютерные
тренажеры, дистанционное обучение).
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
64
Автоматизированные системы управления
сервер, база данных
Ресторан+
администратор
рабочие места
официантов, барменов, кассиров
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
менеджер
производство
(кухня)
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
65
Автоматизированные системы управления
… технологическими процессами (АСУ ТП)
локальная сеть
датчики
блок сбора
информации
блок
управления
GSM
модем
рабочее место
оператора
датчики
блок сбора
информации
блок
управления
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
GSM
модем
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
66
САПР
САПР – системы автоматизированного проектирования
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
67
Геоинформационные системы (ГИС)
Измерение расстояния
Панорамы
улиц
Проложить
маршрут
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
68
Дистанционное обучение





видеолекции
самостоятельная работа
письменные задания
работа с тьютором (наставником)
консультации по Интернету
Интернет
тьютор
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
69
Дистанционное обучение
www.intuit.ru
www.edx.org Гарвардский университет
Массачусетский технологический институт
www.coursera.org 33 университета
www.udacity.com Стэнфорский университет
Университет Виргиния
www.khanacademy.org Академия Хана
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
70
Компьютерные тренажёры
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
71
Информационная культура
Для общества – способность общества
• эффективно использовать информационные ресурсы
и средства обмена информацией
• применять передовые достижения в области
информационных технологий
Для человека – умение
• формулировать потребность в информации
• находить нужную информацию
• отбирать и анализировать информацию
• представлять информацию в разных видах;
• обрабатывать информацию
• использовать информацию для принятия решений
!
Нормы права и морали действуют по-прежнему!
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
72
Конец фильма
ПОЛЯКОВ Константин Юрьевич
д.т.н., учитель информатики
ГБОУ СОШ № 163, г. Санкт-Петербург
kpolyakov@mail.ru
ЕРЕМИН Евгений Александрович
к.ф.-м.н., доцент кафедры мультимедийной
дидактики и ИТО ПГГПУ, г. Пермь
eremin@pspu.ac.ru
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru
Информация и информационные процессы, 11 класс
73
Источники иллюстраций
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
www.newbeanbag.ru
compression.ru
maps.yandex.ru
ixbt.com
www.dinamika-avia.ru
www.transas.ru
crazypiter.ru
www.fotosearch.com
www.notebookcheck.net
www.energy2.ru
www.wlangdesign.com
www.1himplast.ru
www.applecad.com
gprs-modem.ru
en.wikipedia.org
nivo.co.za
иллюстрации художников издательства «Бином»
авторские материалы
 К.Ю. Поляков, Е.А. Ерёмин, 2013
http://kpolyakov.spb.ru