Informatik 11 Lehrplaneinheit 1: Information und Daten.

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1 Informatik 11 Lehrplaneinheit 1: Information und Daten

2 Was sind Informationen?  Zahlen  Texte  Bilder  Eindrücke  Gefühle  Akustische Informationen ...

3 Was sind Daten? Daten sind Informationen, die sich digital kodieren und damit sehr effektiv verarbeiten lassen. Früher war das auf Zahlen und Texte beschränkt, heute lässt sich fast alles digital kodieren (Ausnahme: Eindrücke, Stimmungen, Emotionen,...)

4 Wie werden Daten gespeichert? Ein Rechner kann nur digitale Informationen verarbeiten. Digital heißt: Es fließt Strom oder es fließt keiner. Über Transistorbausteine können so verschiedene Daten verrechnet werden. Deswegen speichert man auch sämtliche Informationen digital Beim Transport müssen digitale Signale oft analog moduliert und nach dem Transport wieder demoduliert werden (MoDem), damit sie wieder digital vorliegen.

5 Wie werden die analogen Infor- mationen (mit stufenlosen Wertig- keiten) in digitale Daten kodiert? a)Zahlen b)Texte c)Bilder d)Töne e)Videos

6 Zahlen 2 2 =4er-Stelle 01110110 8 Bit nennt man ein Byte 2 1 =2er-Stelle 2 0 =1er-Stelle Eine Informationseinheit heißt ein Bit Integer-Zahlen (also ganze Zahlen) werden ins Binärsystem übersetzt. Diese Zahl (01110110) 2 im Binärsystem ist also (von rechts nach links gerechnet): 0·1+1·2+1·4+0·8+1·16+1·32+1·64+0·128=2+4+16+32+64=118

7 Anders herum Beispiel: 55 Zuerst sucht man die größte 2er-Potenz, die noch in 55 drin ist, also 32=2 5 55=32+23. Jetzt schaut man bei allen folgenden 2er- Potenzen, ob sie jeweils im Rest drin sind. 55=32+16+7, also 55=1·32+1·16+0·8+1·4+1·2+1·1, also ist 55=(110111) 2

8 Problematik Speicherreservierung 1 Byte = 8 Bit: 2 8 =256 verschiedene Zahlen (0..255) 4Byte = 32Bit: 2 32 Möglichkeiten, 0..4 294 967 295. (üblich als Standard in den meisten Programmiersprachen) oder ein Bit für Vorzeichen: von –2 147 483 648 bis + 2 147 483 648 Weitere Integer-Variablengrößen: Byte (8Bit), Word (16Bit), Int64 (64Bit)

9 Reele Zahlen Beispiele: 3,14578 oder 518,46 oder 0,00024. Speicherung in wissenschaftlicher Normdarstellung: 518,46 = 5,1846 E02 = 5,1846 ·10 2 0,00024=2,4 ·10 -4 =2,4 E-04. mit einem Byte wird die 10er-Potenz gespeichert mit dem übrigen Speicherplatz die Ziffernfolge wie bei Integervariablen.

10 Hexadezimalzahlen So wie das 10er-System mit den Ziffern 0..9 arbeitet, gibt es im 16er-System die Ziffern 0..15. Für die 10 steht dabei der Buchstaben A, für 11 -> B, 12 -> C,..., 15 ->F. Die Zahlen 0..15, also die Ziffern des Hexadezimalsystems kann man immer genau mit 4 Bit darstellen. 01111011 Beispiel: 1+2+4=71+2+8=11=B Binär: (01111011) 2 Dezimal:1+2+8+16+32+64=123 Hexadezimal: 7B

11 Wie rechnet dann der Computer mit Binärzahlen 1) Addieren Wie bei jedem Stellenwertsystem kann man beim Addieren die Einzelziffern von rechts nach links einzeln addieren, wobei man eventuell einen Übertrag auf die nächste Stelle machen muss. 0+0=0; 1+0=1; 0+1=1, 1+1=2=(10) 2. Dies ist auf einer Maschine mit den einfachsten logischen Bausteinen umzusetzen: 0111101100110010 1111 10101101 Übertrag Ergebnis 1+2+8+16+32+64=123 2+16+32=50 1+4+8+32+128=173 + 1. Summand 2. Summand Beispiel:

12 2) Subtrahieren 01111010 0101 11 10000100 11111111 Um a-b zu rechnen, rechnet man einfach a+(-b). Bleibt die Frage wie man –b aus b erhält. Dazu muss einfach jedes Bit invertieren – also aus 0 wird 1 und aus 1 wird 0 – und anschließend 1 addieren. Denn addiert man eine beliebige Zahl mit ihrer Umgedrehten, so steht ja in jedem Bit eine 1. Addiert man zu dieser Zahl, die nur aus 1er besteht noch die 1, so „läuft“ praktisch jede Stelle über, und als Ergebnis kommt 0 heraus. Also b+(-b)=0. 111110101 11 00000001 00000000 10000100 10000101 00000001 b invertiert +1 -b Beispiel: b=(01111011) 2

13 3) Multiplizieren 1001100100 1001 100100 1001000 1110101 2 3 ·9 2 2 ·9 2 0 ·9 (64+32+16+0+4+0+1=117) Besonders einfach ist das Multiplizieren mit 2er-Potenzen. Bei Multiplikation mit 2 n müssen einfach alle Ziffern um n Stellen nach links verschoben und mit Nullen aufgefüllt werden. Beispiel: 4·9=2 2 ·(2 3 +2 0 )= 2 2 ·2 3 +2 2 ·2 0 = 2 2+3 +2 2+0 = 2 5 +2 2 =32+4=36 Mit „normalen“ Zahlen multipliziert man einfach mit dem Distributivgesetz aus: Beispiel: 13·9=(2 3 +2 2 +2 0 )·9=(2 3 ·9+2 2 ·9+2 0 ·9), man berechnet also wie oben durch einfaches Verschieben, erst 2 3 ·9, dann 2 2 ·9 und 2 0 ·9=9 und addiert dann die drei Zahlen.

14 Aufgaben: A1)Schreibe folgende Zahlen in Binärschreibweise und in Hexadezimalschreibweise 17, 66, 203, 2100, 343, 777 A2)Schreibe folgende Zahlen in Dezimal- und Hexadezimalschreibweise (10.0110) 2, (1.0110.1101) 2, (10.0000.0110) 2, (1.0101.1011) 2, (101.1110.0110) 2, (1.0101.1001) 2, A3)Schreibe folgende Zahlen in Dezimal- und Binärschreibweise 5F, 79 CC, 08 15 22, AB 33 CD, FF, 58 DD 5B A4)Berechne folgende Aufgaben im Binärsytem 3+11, 41+18, 50-10, 24-7, 5*10, 11*13

15 A4) Schreibe ein php-script, bei dem man Zahlen jeweils in einem der drei Formate eingeben kann, und dann die Daten in den anderen Formaten ausgibt, also praktisch ein Lösungs-programm für die ersten 3 Aufgaben. Tipp: In PHP gibt es bereits fertige Funktionen hierfür z.B. decbin ( int $number ) – siehe self-php. A5) Schreibe ein php-script, bei dem zufällig Zahlen jeweils in einem der drei Formate auf dem Bildschirm anzeigt werden, und der User dann die Daten in den anderen Formaten eingeben muss. Das Script sollt dann eine Rückmeldung geben, ob es gestimmt hat. Also praktisch ein Trainingsprogramm für die ersten 3 Aufgaben.

16 Zu b) Texte Speicherung von Zahlenwerten macht nur Sinn, wenn auch deren Bedeutung mitgespeichert wird Morsealphabet, Fernschreiber-Code ASCII (American Standard Code for Information Interchange) als erster erfolgreicher Standard für Computer (Mitte der 60er-Jahre) - eigentlich sind 8 Bit sinnvoll, weil nur ganze Bytes im Arbeitsspeicher adressiert werden - ASCII hat aber nur 7 Bit (erstes Bit ist für Steuerzwecke reserviert) - damit 2 7 =128 verschiedene Bit-Muster von 0..127

17 1. Zeile: dezimale Nummer 2. Zeile: hexadezimale Nummer 3. Zeile: Buchstabenzeichen an dieser Stelle ASCII-CODE

18 ASCII-Code Beispiel: (0100 0001) 2 =2 6 +2 0 =65 = (41) 16 (0010 0000) 2 =2 5 =32 = (20) 16 Entspricht „A“ „Leerzeichen“ Ersten 32 Zeichen sind nichtdruckbare Steuerzeichen. Heute größtenteils ohne Bedeutung, außer chr(9): Tabulator chr(10): Zeilenvorschub chr(13): Wagenrücklauf In Linux: Nur chr(10) für Zeilenumbruch In Windows: chr(10) + chr(13) für Zeilenumbruch

19 Interessant zu Wissen Windows bietet die Möglichkeit, bei Tastaturproblemen (z.B. bei anderer Ländereinstellung) alle Zeichen mit gedrückter ALT-Taste und der ASCII-Zahl auf dem Nummernblock einzugeben. z.B. ALT+65 -> A

20 ASCII-Erweiterungen Das 8-te Bit für Steuerzwecke brauchen heutige Drucker und Bildschirme nicht mehr. Europäische Sonderzeichen (Ä,Ö,Ü,ß,^,´,...) brauchen auch Kodierung Die zweiten 128 Bit (von 128..255) werden auch belegt Allerdings in verschiedenen Regionen/Länder unter- schiedlich (aber alle abwärtskompatibel zu ASCII). In deutschsprachigen Betriebssystemen: ISO 8859-1 (auch Western, Latin-1 genannt) z.B.: chr(196)=Ä. chr(228)=ä, chr(223)=ß, chr(128)=€

21 Probleme Immer mehr Zeichen wollen codiert werden Manche werden unwichtig, manche neue (z.B. €) kommen hinzu Dadurch Kompatibilitätsprobleme mit alten Daten Tausende von japanischen und chinesischen Wort- Schriftzeichen Kompatibilitätsprobleme zwischen Dokumenten unterschiedlicher Regionen Trotzdem ökonomische Speicherbelegung

22 Mehrbyte-Kodierung UTF-8 Als Lösung dieser Probleme kann man einzelne Zeichen mit mehr als einem Byte belegen Dabei scheint sich der Unicode UTF-8 durchzusetzen Jedes Zeichen wird dabei mit 1-4 Byte kodiert Ist das erste Bit eines Bytes 0, so ist das Zeichen ein normales 1-Byte-Zeichen aus dem ASCII-Bereich Sind die ersten 2 Bit 11, so sind die weiteren 6 Bit der erste Teil eines mehrbyte-kodierten Zeichens Sind die ersten 2 Bit 10, so sind die weiteren 6 Bit weiterer Teil eines mehrbyte-kodierten Zeichens

23 Beispiel Das Wort Säge in UTF-8 11 -> erstes Byte von Mehrbyte- Codierung 01010011 11000010 10000100 01100111 01100101 (53) 16 =S(67) 16 =g(65) 16 =e ä in UTF-8 0 -> 1Byte (ASCII) 10 -> weiteres Byte von Mehrbyte- Codierung

24 Vorteile Gigantischer Kodierraum von ca. 10 Millionen Zeichen, (davon ca. 10% vergeben) ASCII abwärtskompatibel Berücksichtigung aller Zeichen, die für Menschen Bedeutung haben, und garantierte Beibehaltung aller Kodierungen Dadurch keine Kompatibilitätsprobleme Ökonomischer Speicherbedarf, da für die hauptsächlich verwendeten ASCII-Zeichen weiterhin nur 1Byte benutzt wird

25 Übungsaufgaben Lies die folgenden Textdateien im Bitcode. Überprüfe anschließend mit dem Tool Hexview deine Ergebnisse. 31

26 Programmieraufgaben In Delphi und PHP gibt es die Funktionen ord() z.B. ord('A')=65 und chr() z.B. chr(65)=A) Schreibe ein kleines Progrämmchen / Script, dass die obige Ascii-Tabelle darstellt. Versuche das Tool Hexview selber nachzu- programmieren. (Textdatei laden, jede Zeile als Stringvariable auslesen und jeden Buchstaben als Hexcode ausgeben) Schreibe ein Tool, das genau das Gegenteil von Hexview macht und die obigen Übungsaufgaben lösen kann.

27 Formatierte Texte 52 Buchstaben in 3 Zeilen in einer Textdatei: 52 Byts +2·2Byte für die Zeilenumbrüche, also 56 Byte mit Word als *.doc: 20kB, also 20 000Byte (400-fache). Für mit einem Textverarbeitungsprogramm erstellte Dokumente reicht reiner Text ohne Formatierungen nicht aus Neben Schriftgröße, Schriftart, Farbe, Einzüge und ähnlichem werden auch so genannte Meta-Daten wie z.B. der Autor des Dokuments gespeichert Der Speicherplatz geht dabei rapide hoch

28 Wie wird formatiert? Früher: in programmspezifischen Binärdaten Problem: Wenn ein Bit irgendwie mal verloren geht, wird der ganze Text evtl. unlesbar. Bei Textdateien bedeutet ein Bitverlust, dass eben nur ein Buchstabe unlesbar wird Trend (Seit 2003 auch im MS Word und OPEN OFFICE): XML (Extensible Markup Language)

29 XML Dokument ist reine Textdatei Inhalte werden von so genanten TAGs eingeklammert Was in den TAGs steht (alles in den spitzen Klammern) sieht man nicht, es bewirkt nur die Formatierung Verbreitetstes Beispiel von XML ist HTML (Hypertext Markup Language)

30 Beispiel: In der Textdatei: im Browser: ich bin fett Öffnende TAG- Klammer für „bold“ (fett gedruckt) Schließende TAG- Klammer für „bold“ Alles dazwischen wird fett gedruckt

31 Aufbau von HTML Meine tolle Internetseite....... (hier kommt jetzt der eigentliche Inhalt)

32 Formatierungen... -> Absatz... -> Überschrift 3... -> kursiv... -> tiefgestellt... -> hochgestellt.... -> Aufzählung Zeichenformatierungen:...

33 Verknüpfungen Verweistext absolute Verknüpfungen: Funktionen relative Verknüpfungen: Funktionen Anker (Verknüpfungspunkt innerhalb eines HTML-Dokuments) Text Kapitel 1 Verweis auf eine e-mail-Adresse Mail an Hans Graphiken

34 Tabellen {Tabelle wir geöfnet} {neue Zeile (TableRow)} {neue Zelle (TableData)} inhalt 1. Zeile 1.Spalte {ende Zelle (TableData)} {neue Zelle (TableData)} inhalt 1. Zeile 2.Spalte {ende Zelle (TableData)} {neue Zelle (TableData)} inhalt 1. Zeile 3.Spalte {ende Zelle (TableData)} { Zeile ende } {neue 2. Zeile (TableRow)} {neue Zelle (TableData)} inhalt 2. Zeile 1.Spalte {ende Zelle (TableData)} {neue Zelle (TableData)} inhalt 2. Zeile 2.Spalte {ende Zelle (TableData)} {neue Zelle (TableData)} inhalt 2. Zeile 3.Spalte {ende Zelle (TableData)} { 2 Zeile ende } {Ende Tabelle } Auch Tabellen können noch formatiert werden, z.b.:

35 Aufgaben: Erstelle einen Steckbrief über dich mit Bild, Hobbys,... in möglichst attraktivem Layout als HTML-Seite. Schreibe dazu alles in einen reinen Texteditor (Windows-Editor oder Notepad++) und überprüfe dein Ergebnis in einem Browser (IP: 192.168.10.1). Erstelle eine HTML-Seite mit einer Kursliste mit Namen, Jgst, Tutor, Emailadresse und ICQ-Nummer in einer Tabelle. Verlinke die beiden HTML-Seiten mit sinnvollen Link- Namen, so dass man durch einfaches Mausklicken zwischen den beiden Seiten hin- und her surfen kann.

36 Für die Profis: Alte Aufgaben von den vorigen Stunden fertig machen Erstellen ein MySQL- Datenbank-Tabelle von den Kursteilnehmern mit phpMyAdmin Erstelle eine Darstellungsseite mit einer Tabelle, in der die Kursteilnehmern der MySQL-Tabelle aufgelistet sind Erstelle mit einem Editor ein Eingabeformular für die Kursteilnehmer Erstelle ein php-Script, dass die Daten des Eingabeformulars gesendet bekommt und in die MySQL- Datenbank-Tabelle schreibt, Weiterleitung auf die Darstellungsseite

37 Codierung von Bilddateien Digitale Bilder bestehen immer aus vielen kleinen Einzelpunkten (Pixel), die immer genau eine Farbe tragen. Beispiel VGA-Auflösung: 800*600=480 000 Pixel (halbes Megapixel) Weitere typische Bildmaße 720*576 (PAL DVD), 1024*768 (17’), 1280*1024 (19’TFTs), 1600*1200 (großen TFTs, 2 MegaPixel) Mit zunehmender Bedeutung von Filmen im PC-Bereich, haben sich auch breitformatigere Auflösungen v.a. bei Notebooks (1280*800) durchgesetzt.

38 Farbtiefe Maßgeblich für Speicherplatz ist die Größe des Codierraumes eines einzelnen Pixels, d.h. aus wie viel möglichen Farbwerten kann ich meine Pixelfarbe wählen. Gebräuchlichsten Belegung eines Pixel: 1 Bit (monochrom – nur schwarz oder weiß), 8 Bit = 1 Byte (Auswahl aus 256 Grundfarben) 3 Byte, also 24 Bit. Die drei Spektralfarben Rot, Grün und Blau, aus denen sich weißes Licht zusammensetzt werden mit je 8 Bit abgespeichert. Jede Komponente hat also einen Rot-Anteil, einen Grün-Anteil und einen Blau-Anteil zwischen 0 und 255. (Rot: rgb(255,0,0)= #ff0000, Blau: rgb(0,0, 255) =#0000ff) 4 Byte=24, gleich wie 3 Byte. (4. Byte entweder leer oder für Transparenzinformationen)

39 CMYK RGB-Modus: elektro-optisch (Monitor, Beamer,...) Für Druck sind Spektralfarben (rot, grün und blau) absolut unbrauchbar. Stattdessen Aufteilung des Farbraumes in die drei Grundfarben Blau, Gelb und Rot Aus ökonomischen + Kontrast-Gründen nimmt man noch schwarz dazu Cyan (bläulich), Magenta (Rosa), Yellow (Gelb) und Key (Schwarz), also CMYK. Bildbearbeitungsprogrammekönnen kann zwar RGB-Bilder ausdrucken Umrechnung von RGB auf CMYK ist aber nicht immer überall identisch Deswegen für hochwertigen Ausdruck (z.B. in einer Druckerei) immer in CMYK

40 Wie wird ein Foto tatsächlich auf der Festplatte abgespeichert? meist verwendete Format: JPEG. eigentliche Farbinformation wird auf geniale Weise umgewandelt und auf ca. 8-20% des ursprünglichen Speicherbedarfs komprimiert. Die Kompressions-Idee, erfordert mathematische Kenntnisse, die weit über den ABI-Stoff hinausgehen. Deswegen beschränken wir uns hier auf unkomprimierte (Windows) Bitmaps.

41 AB: (52) 16 = 82 Byte Dateigröße CD: nach (3E) 16 = 62 Byte geht’s los mit den Bilddaten E: (28) 16 = 40 Byte Infoblock E F :(05) 16 = 5 Pixel Breite G :(05) 16 = 5 Pixel Höhe (bottum up) H:1H:1 I: Farbraum tiefe: 1 Bit pro Pixel J: 0: BI_RGB: Bilder sind unkomprimiert J K :(14) 16 = 20 Byte Bilddaten L,M : horizontale und vertikale Druckauflösung (bei BMP oft=0) N : 0, sonst Anzahl der Einträge in der Farbtabelle O : Anzahl der verwendeten Farben (0=alle) Alle Farben der Farbtabelle: #000000: Schwarz - FFFFFF: Weiß (4. Byte bleibt jeweils frei) Unterste Zeile (wwsww) also (11011000)... (Rest der 4 Byte werden immer mit Nullen aufgefüllt. (1101 1000) ist aber 8+4+1=13=D8=82-letzte Zeile (alles schwarz, also nur Nullen) 3-letzte Zeile (wssss) also (1000 000)=8 4-letzte Zeile (wwwww) also (1111 1000)=F8 oberste Zeile (sssww) also (0001 1000)=18

42 Aufgaben Erstelle mit dem Delphi-Hilfs-Programm „Bildeditor“ (unter Tools) eine kleine einfach Bitmap mit 8 Bit Farbtiefe und versuche die Datei mit Hilfe des Hexeditors und der ausgeteilten Bitmap-Codierung nachzuvollziehen Die ganzen Aufgaben von den letzten Stunden

43 Codierung: Musik und Film Schall- Quelle Schallwellen in der Luft Mikro Speicher- medium (Kassette, CD, mp3,..) Wechselstrom im Kabel Laut- sprecher Mensch- liches Ohr Schallwellen in der Luft Wechselstrom im Kabel

44 Das elektrische Signals Oben: der Ausschnitt ent- spricht 1 Sekunde Musik. Man kann durch die Ampli- tude wage Lautstärken- verläufe erkennen Unten: der Ausschnitt entspricht 1/20 Sekunde (50 ms) Musik. Durch Überlagerung sehr vieler Schwingungen unterschiedlicher Wellenlänge sieht das Gesamtsignal recht unregelmäßig aus.

45 Digitale Speicherung 16 Bit Abtasttiefe bedeutet, dass auf einer 2 16 -gliedrigen Skala Signals- ausschlagswerte gespeichert werden können, also zwischen +32768 und -32768 44,1 kHz Abtastrate bedeutet, dass auf 44 100 mal pro Sekunde solch ein 16-Bit- Sample abgetastet wird. Audio-CD: 16 Bit, 44,1 Khz 16*2*44100=1.411.200 bit/s. Bitrate Stereokanäle Warum gerade 44,1 kHz 1.411.200 bit/s war zur Zeit der CD- Entwicklung die gängige Bitrate für digitale Video-Aufnahmen auf Bändern

46 Codierung Audio-CD: die eigentlichen Audio-Daten machen weniger als die Hälfte der Datenmenge aus. Rest: Fehlerkontrolle und –Korrektur, Metadaten CD verliert immer mehr an Bedeutung zu Gunsten von komprimierten Audiocodierungen: mp3, ogg-vorbis, aac (advanced audio coding)

47 MP3 (MPEG-1 Audio Layer 3) Entwickelt am Fraunhofer-Institut Erlangen Wie bei JPEG verschiedene Kompressionsraten möglich Bei 128 kb/s kaum hörbarer Unterschied zur unkomprimierten CD-Qualität (1 411 kb/s) Kompression mit Hilfe des psychoakustischen Modells: Sample-Werte werden mit Fourier-Transformationen in Frequenzen mit verschiedenen Amplituden umgerechnet. Die fürs menschliche Ohr kaum hörbaren ausgefiltert. (In Wirklichkeit viel viel viel komplizierter)

48 Video-Codierung Beispiel PAL-DV: 25 Bilder pro s (eigentlich 50 Halbbilder pro s) Jedes Bild:720x576 Pixel mit 24 Bit Farbtiefe => Bitrate unkomprimiert: 24*720*576*25=248 Mb/s=31 Mbyte/s=1,8 Gbyte pro min Deswegen: bereits bei der Digitalisierung in der Kamera: Komprimierung mit JPEG-ähnlichem Verfahren auf ca. 10% (ca. 180 MB/min – nur Bild)

49 Videodateien im Rechner Containerformate: Flash-Video (.flv), Quicktime (.mov), DivX (.divx), Audio Video Interleave (.avi), Microsoft (.asf,.wmv,.wma), MPEG (.mpg) Codecs (Co dieren Dec odieren ): Verfahren zum Comprimieren von Bild und Ton (MPEG 1, MPEG 2, MPEG 4, DivX in noch unzähligen Untervarianten von verschiedenen Herstellern) – größtenteils Lizenzgebunden – komprimieren leicht verlustbehaftet durch Speicherung der Änderungen zwischen nachfolgenden Bildern, statt Speicherung der Einzelbilder. (z.B. MPEG 2 noch mal auf ca. 15% gegenüber DV)