Chapter 3 Data Representation (การแทนข้อมูล) สาขาเทคโนโลยีสารสนเทศ คณะเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร มหาวิทยาลัยพะเยา

Overview (เนื้อหาโดยรวม) Introduction (การแนะนำ) Data Representation (การแทนรหัสข้อมูล) Number Representation (การแทนรหัสข้อมูลตัวเลข) Text Representation (การแทนรหัสข้อมูลตัวอักษร) Image/Graphic Representation (การแทนรหัสข้อมูลรูปภาพ) Audio Representation (การแทนรหัสข้อมูลเสียง) Video Representation (การแทนรหัสข้อมูลภาพเคลื่อนไหว) Storage Problem (ปัญหาในการจัดเก็บข้อมูล) Run-Length Encoding (RLE) (การเข้ารหัสในการแสดงและเก็บตัวอักขร)

Objective (วัตถุประสงค์) เพื่อให้นิสิตเข้าใจหลักการของเลขฐานสองเบื้องต้น เพื่อให้นิสิตเข้าใจวิธีการแทนค่าข้อมูลรูปแบบต่างๆ ในคอมพิวเตอร์

Introduction การที่เราจะสั่งให้คอมพิวเตอร์ทำงาน ต้องรู้ว่าคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร? การที่เราจะรู้ว่าคอมพิวเตอร์ทำงานอย่างไร ? ต้องรู้ว่าข้อมูลต่างๆ เก็บในคอมพิวเตอร์ได้อย่างไร ? เพลง, หนัง, รูป, ไฟล์เอกสาร ฯลฯ เก็บอย่างไร ? คอมพิวเตอร์รู้จัก และทำงานกับข้อมูลเหล่านี้ได้อย่างไร ?

Introduction [cont.] คอมพิวเตอร์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้า ข้อมูลที่รู้จักคือสัญญาณแบบดิจิตอล คล้ายทีวี, วิทยุที่รู้จักสัญญาณแบบอนาล็อก ใช้การแทนค่ารูปแบบสัญญาณเพื่อแทนข้อมูลชนิดต่างๆ ในโลกความจริง Image(s): FreeDigitalPhotos.net

Introduction [cont.] เครดิตรูปจาก http://computertru.blogspot.com/2010/01/blog-post_06.html

Introduction [cont.] 1 แต่ละตัวจะเรียกว่า บิต (Bit) – Binary Digit สัญญาณ(ข้อมูล)ดิจิตอล – สัญญาณไฟฟ้า มี 2 สถานะ on/off , เปิด/ปิด , มีสัญญาณ/ไม่มีสัญญาณ แทนได้ด้วยเลข 1 และเลข 0 แต่ละตัวจะเรียกว่า บิต (Bit) – Binary Digit สัญญาณเหล่านี้จะแทนข้อมูลต่างๆ ในคอมพิวเตอร์อีกที 1

Data Representation (การแทนรหัสข้อมูล) รหัส (Code) หมายถึง สัญลักษณ์ในการแทนข่าวสาร (Information) ในรูปแบบที่เหมาะสม และมีความจำเป็นอย่างมากเกี่ยวกับการติดต่อระหว่างผู้ใช้งาน (User) กับเครื่องคอมพิวเตอร์ (Computer) โดยการประมวลผล (Processing) ข้อมูลโดยการเขียนคำสั่ง (Programming) ควบคุมให้เครื่องคอมพิวเตอร์ประมวลผลนั้นจะดำเนินการกับข้อมูลนี้ในรูปแบบรหัสแทนข้อมูล การแทนข้อมูลในคอมพิวเตอร์ ข้อมูลมีหลายรูปแบบ เช่น อักขระ สัญญาณเสียง ภาพ ฯลฯ แต่คอมพิวเตอร์รับรู้ได้เพียง 2 สถานะเท่านั้น คือ เปิด/ปิด หรือ 0/1 เราสามารถนำไปแทนในรูปของเลขฐานสองได้ คือ 0 และ 1 และการจัดเก็บข้อมูลในลักษณะดังกล่าวคอมพิวเตอร์จะทำการแปลงข้อมูลเหล่านั้นให้เป็นข้อมูลในระบบเลขฐานสองเพื่อนำไปใช้งาน ส่วนการส่งข้อมูลจากคอมพิวเตอร์สู่ภายนอก จะต้องมีการแปลงข้อมูลกลับคืนก่อนทุกครั้ง

Data Representation (การแทนรหัสข้อมูล) การเข้ารหัสในการสื่อสารต่าง ๆ ของมนุษย์เรามีจุดประสงค์ต่าง ๆ มากมาย ภาษาเขียน ภาษาพูดล้วนแต่เป็นรหัสที่มนุษย์สร้างขึ้นมาเพื่อใช้ในการสื่อสารทั้งสิ้นแต่ภาษาเขียน ภาษาพูดที่ใช้กันจะเป็นรหัสที่คนส่วนใหญ่เข้าใจตรงกันเรียกได้ว่าเป็นรหัสที่เป็นสากล ซึ่งในการใช้รหัสบางครั้ง เราอาจต้องการให้เป็นการสื่อสารกันในเฉพาะงาน เฉพาะกิจเท่านั้นเท่านั้น มีผู้รู้และเข้าใจในรหัสเฉพาะผู้ที่เกี่ยวข้อง สำหรับในงานทาง computer เราจะนำเอาการทำงานในลักษณะสวิทชิ่ง (Switching) ซึ่งอยู่ในระบบเลขฐานสอง คือ ประกอบไปด้วย 0 กับ 1 มาใช้ ในการกำหนดและวิเคราะห์ในการทำงาน ซึ่งค่าเลขฐานสองที่เกิดขึ้นก็มีการกำหนดความหมายในการทำงานที่แตกต่างกันไป เราจึงเกิดรหัสที่นำเอาเลข 0 กับ 1 ที่มาใช้ประกอบกันเป็นรหัสที่มีการนำไปใช้เกิดขึ้นมากมายตามแต่มาตรฐานของแต่ละงาน ดังนั้นเราจึงต้องศึกษารหัสต่าง ๆ ที่มีใช้กันและอาจเป็นที่นิยมใช้ เพื่อจะได้เข้าใจความหมายและสามารถนำไปประกอบการศึกษา

Data Representation (การแทนรหัสข้อมูล) What we see and hear? Inside Computer Standard Text a,b,c 01100001, 01100010, 01100011 ASCII Number 1,2,3 00000001, 00000010, 00000011 Sound 01001100010101000110100… WAV, AU, MP3 Image 10001001010100000100111… JPEG, PCX, TIFF, BMP Video 00110000001001101011001… MPEG-2, MPEG-4

Data Representation (การแทนรหัสข้อมูล) หน่วยข้อมูลในคอมพิวเตอร์ (Unit in Computer) 1 Bit สามารถมีค่าเป็น 0 หรือ 1 1 Byte = 8 Bit = 1 Character (ตัวอักษร) หน่วย จำนวน ค่า byte (B) 8 bit (b) kilobyte (KB) or kibibyte (KiB) 210 byte  103 byte 1,024 byte megabyte (MB) or mebibyte (MiB) 220 byte  106 byte 1,024 KB 1,048,576 byte gigabyte (GB) or gibibyte (GiB) 230 byte  109 byte 1,024 MB 1,073,741,824 byte terabyte (TB) or tebibyte (TiB) 240 byte  1012 byte 1,024 TB 1,099,511,627,776 byte

Data Representation (การแทนรหัสข้อมูล) - Binary-Coded Decimal (BCD) code Excess 3 code Gray code สองชนิดข้างล่างนี้ จะกล่าวถึงในหัวข้อ Text Representation ต่อไป Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (EBCDIC) American Standard Code for Information Interchange (ASCII)

รหัส BCD (Binary Code Decimal) รหัส BCD เป็นรหัสที่นำเอาตัวเลขพื้นฐานของระบบเลขฐานสอง คือ 0 และ 1 มาประกอบกันโดยมีความหมายในการแทนเลขฐานสิบ ซึ่งจะประกอบด้วยเลขฐานสองจำนวน 4 bit เพื่อที่จะแทนเลขฐานสิบคือ 0 ถึง 9 เพียง 1 หลัก รหัส BCD เป็นรหัสที่มีน้ำหนักในการแทนค่า ซึ่งมีมากมายหลายชนิดแต่ที่เป็นที่นิยมและง่ายในการใช้งานที่สุดเห็นจะเป็นรหัส BCD-8421 ซึ่งถ้าเรากล่าวคำว่า รหัส BCD จะเป็นการกล่าวถึงรหัส BCD-8421 ซึ่งตัวเลข 8421 นี้ คือน้ำหนักประจำหลักที่ทำให้เกิดค่า 1 หรือ 0 ขึ้นตาม bitต่าง ๆ เพื่อให้ได้ค่าตามเลขฐานสิบ ซึ่งรหัส BCD แบบอื่น ๆ เช่น BCD-2421 , BCD-7421, BCD-5421, BCD-6311, BCD-8421 ,  BCD-7421

รหัส BCD-8421 เป็นการแทนเลขฐานสิบหนึ่งหลัก ด้วยเลขไบนารี่ขนาด 4 bits ดังนั้นค่าของรหัส BCD จะมีค่าตั้งแต่ 0000 ถึง 1001 เท่านั้น รหัส BCD จะเป็นเพียงรหัสที่แทนตัวเลขฐานสิบไม่สามารถนำไปบวกลบแบบเลขฐานสองได้ ถ้าต้องการบวกจะต้องมีเทคนิคในการบวก คือ จะต้องทำการดัดแปลงวงจรบวกเลขไบนารี่ใหม่ เช่น 𝟖𝟕𝟒 𝟏𝟎 = (𝟏𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟏𝟏𝟏 𝟎𝟏𝟎𝟎) 𝐁𝐂𝐃 𝟗𝟒𝟑 𝟏𝟎 = (𝟏𝟎𝟎𝟏 𝟎𝟏𝟎𝟎 𝟎𝟎𝟏𝟏) 𝐁𝐂𝐃 * รหัส BCD ไม่สามารถบวกลบคูณหารได้ การเปรียบเทียบระหว่างรหัส BCD และเลขฐานสอง (Binary) 𝟏𝟑𝟕𝟏𝟎 𝟏𝟎 = (𝟏𝟎𝟎𝟎𝟏𝟎𝟎𝟏) 𝟐 𝟏𝟑𝟕𝟏𝟎 𝟏𝟎 = (𝟎𝟎𝟎𝟏 𝟎𝟎𝟏𝟏 𝟎𝟏𝟏𝟏) 𝐁𝐂𝐃 ข้อสังเกต - จะเห็นว่าเลขฐานสองมีขนาด 8 bit ส่วนรหัส BCD มีขนาด 12 bit - จำนวนบิตเลขฐานสองจะมีจำนวนน้อยกว่ารหัส BCD ทำให้เลขฐานสองประหยัดหน่วย ความจำกว่ารหัส BCD แต่รหัส BCD สามารถแปลงเป็นเลขฐานสิบได้ง่ายกว่า

รหัสเกิน 3 (Excess-3 code) รหัส Excess-3 นั้นเป็นรหัสที่ไม่มีน้ำหนัก (Nonweighted Code) ชนิดหนึ่งซึ่งปรับปรุงจากรหัส BCD-8421 โดยจะมีค่าที่แปลงมาจากรหัส BCD-8421 บวกเพิ่มอีก 3 ซึ่งรหัสชนิดนี้จะใช้แทนเลขฐานสิบเช่นกัน คือใช้แทนเลข 0 ถึง 9 โดยวิธีการเปลี่ยนจากเลขฐานสิบเป็น Excess-3 นั้นกระทำได้โดยการเปลี่ยนเลขฐานสิบในแต่ละหลักให้เป็น BCD-8421 ก่อนจากนั้นจึงบวกรหัส BCD ที่ได้จากการเปลี่ยนด้วย 0011 ทุกชุด ก็จะได้คำตอบเป็นรหัส Excess-3 เช่น 𝟖𝟕𝟒 𝟏𝟎 = (𝟏𝟎𝟎𝟎 𝟎𝟏𝟏𝟏 𝟎𝟏𝟎𝟎) 𝐁𝐂𝐃 = (𝟏𝟎𝟏𝟏 𝟏𝟎𝟏𝟎 𝟎𝟏𝟏𝟏) 𝐄𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬−𝟑 ประโยชน์ของรหัส Excess-3 นั้นจะนำไปใช้ในการบวกเลข ซึ่งเดิมเราใช้รหัส BCD บวกเลข ที่มีคำตอบมากกว่า 9 ไม่ได้ หากมีการบวกเลขที่ได้ผลลัพธ์มากกว่า 9 เราสามารถนำรหัส Excess-3 ไปช่วยได้

รหัสเกรย์ (Gray code) Gray code ใช้กันมากในระบบการตรวจจับสัญญาณด้วยแสง หรือระบบทำ code ด้วยแกนหมุน Machanics เพื่อบอกตำแหน่งของเพลาหมุน code แบบนี้เป็น แบบ Non weighted ในระหว่าง code group ที่เรียงลำดับกันไปจะ มีการเปลี่ยนแปลงของรหัสครั้งละ 1 bit เท่านั้น ทำให้โอกาสความผิดพลาดในการรับ code จึงเป็นไปได้น้อยมาก การแปลงเลข Binary ให้เป็น Gray code มีวิธีการแปลงตามขั้นตอนต่อไปนี้ 1. หลักที่มีนัยสำคัญสูงสุด ของ Gray code  จะมีค่าเท่ากับ หลักที่มีนัยสำคัญสูงสุด (MSB)   ของ Binary 2. เลข Binary หลัก MSB บวก เลข Binary bit ที่มีนัยสำคัญต่ำกว่าโดยไม่คิดตัวทด จะได้ Gray code หลักที่สอง 3. Gray code บิทถัดไปจะเกิดจากการบวกเลข Binary ณ.ตำแหน่งของหลักมันกับเลข Binary ตำแหน่งที่มีนัยสำคัญสูงกว่า

รหัสเกรย์ (Gray code) MSB LSB เช่น 𝟕 =𝟎 + 𝟏 + 𝟏 + 𝟏 𝟎 𝟏 𝟎 𝟏 MSB LSB การแปลงเลข Gray code  ให้เป็น Binary มีวิธีการแปลงตามขั้นตอนต่อไปนี้ 1. หลักที่มีนัยสำคัญสูงสุด (MSB) ของ Binary จะมีค่าเท่ากับ หลักที่มีนัยสำคัญสูงสุดของ  Gray code 2. เลข Binary บิทที่ต้องการหาจะเกิดจากการนำ เลข Binary bit ที่มีนัยสำคัญสูงกว่าบวกกับ Gray code หลักที่อยู่ตำแหน่งเดียวกับมันโดยไม่คิดตัวทด 𝟎 𝟏 𝟎 𝟏 𝟎 𝟏 𝟏 𝟏 + MSB LSB เช่น = 7

Number Representation การแทนข้อมูลในรูปแบบตัวเลข (ปกติเป็นเลขฐานสิบ) ตัวเลขมีความหมาย สามารถนำตัวเลข 2 ตัวมาคำนวณ(แบบเลขฐานสอง) ได้ โดยใช้การออกแบบวงจรใน CPU ใช้พื้นฐานเดียวกับการเขียนเลขฐานสองแทนเลขฐานสิบ ปัญหาที่ต้องอภิปราย เลขทศนิยมฐานสองแทนเลขทศนิยมฐานสิบได้ยาก ? เลขที่มีค่าเป็นลบ จะแทนอย่างไร ? จำนวนบิตที่ใช้ ส่งผลกระทบอย่างไร ?

Number Representation [cont.] ในการแทนตัวเลข โดยมาตรฐานกำหนดเป็น 2 แบบหลัก การแทนเลขจำนวนเต็ม การแทนเลขทศนิยม แต่ละแบบยังมีประเภทย่อยๆ อีกหลายประเภท สถาปัตยกรรมของเครื่องคอมพิวเตอร์ที่แตกต่างกัน เทคโนโลยีอดีต – ปัจจุบัน

Number Representation [cont Number Representation [cont.] Integer Number Representation (การแทนเลขจำนวนเต็ม) ใช้พื้นฐานเดียวกับการเขียนเลขฐานสองแทนเลขฐานสิบ มีทั้งแบบ signed (บวก,ลบ) และ unsigned (บวกเท่านั้น) การเก็บแบบ signed ใช้ได้หลายวิธี เช่น Sign-Magnitude เพิ่ม 1 บิตแทนเครื่องหมายบวก/ลบ 1’s Complements , 2’s Complements มี 1 บิตแทนเครื่องหมายคล้าน sign-magnitude แต่ข้อมูลส่วนที่เหลือใช้หลักการทางคณิตศาสตร์ในการเก็บข้อมูล เพื่อให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

Number Representation [cont Number Representation [cont.] Integer Number Representation (การแทนเลขจำนวนเต็ม) จำนวนบิตที่ใช้ - 1 ไบต์, 2 ไบต์ , 4 ไบต์ , 8 ไบต์ จำนวนบิตที่ใช้ยิ่งมาก -> แทนตัวเลขที่มีค่ามากๆ ได้ เช่น ถ้าใช้พื้นที่ 1 ไบต์ แบบ unsigned -> 0 ถึง 255 แบบ signed (เครื่องหมาย 1 บิต) -> -128 ถึง 127 ถ้าใช้พื้นที่ 2 ไบต์ แบบ unsigned -> 0 ถึง 65,535 แบบ signed (เครื่องหมาย 1 บิต) -> -32,768 ถึง 32,767

Number Representation [cont Number Representation [cont.] Real Number Representation (การแทนเลขจำนวนจริง) จำนวนบิตที่ใช้ - 2 ไบต์, 4 ไบต์ , 8 ไบต์ , 10 ไบต์ , 16 ไบต์ ยิ่งใช้บิตมาก -> แทนตัวเลขที่มีค่ามากๆ หรือเล็กมากๆ ได้ Type Sign Significand Exponent Total bit Exponent bias Half  1 10 5 16 15 Single 23 8 32 127 Double 52 11 64 1023 Double extended 80 16383 Quad 112 128

Floating point number แบบ 32 และ 64 bit

Text Representation การแทนข้อมูลในรูปแบบตัวอักษร รวมถึงสัญลักษณ์ต่างๆ , ตัวเลขที่ไม่นำมาคำนวณ หลักการคล้ายกับรหัสมอส ใช้ตัวเลข (ฐานสอง) แทนตัวอักษร มี 2 ประเภทที่นิยม EBCDIC และ ASCII Unicode

Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (EBCDIC) เป็นรหัสอักขระ 8 บิตที่พัฒนาโดยบริษัท IBM ซึ่งพัฒนาสำหรับระบบปฏิบัติการขนาดใหญ่ โดยเป็นรหัสสำหรับไฟล์ข้อความที่ใช้กับระบบปฏิบัติการ IBM OS-390 สำหรับเครื่องแม่ข่าย S/390 และบริษัทจำนวนมากใช้กับโปรแกรมประยุกต์ Legacy Application และฐานข้อมูล ในไฟล์เอบซีดิก ตัวอักษรพยัญชนะและตัวเลขได้รับการนำเสนอเป็นเลขฐานสอง 8 บิต (8 ตัวอักษรของ 0 และ 1) ทำให้สามารถสร้างรหัสได้ 256 รหัส ( 𝟐 𝟖 ) ได้แก่ ตัวพยัญชนะ ตัวเลข และเครื่องหมายพิเศษ http://www.lookuptables.com/ebcdic_scancodes.php

American Standard Code for Information Interchange (ASCII) พัฒนาโดย ANSI (American National Standards Institute) สำหรับ PC ใช้พื้นที่ 8 Bits ในการเก็บข้อมูล 1 ตัวอักษร เก็บตัวอักษรที่แตกต่างกันได้ 27 = 128 สัญลัษณ์ 1 บิตเอาไว้เป็นตัวเช็คความถูกต้องของข้อมูล เก็บได้แต่ตัวอักษรภาษาอังกฤษ, ตัวเลข, สัญลักษณ์พิเศษต่างๆ

American Standard Code for Information Interchange (ASCII) รหัส ASCII เป็นรหัสมาตรฐานของอเมริกัน ที่ใช้แทนตัวอักษร ตัวเลข ตัวอักขระต่างๆ ใช้ติดต่อสื่อสารระหว่างเครื่องไมโครคอมพิวเตอร์กับอุปกรณ์อินพุทเอาท์พุทต่างๆ เช่น คีย์บอร์ดจอแสดงผล เครื่องพิมพ์ รหัสแอสกีมีขนาด 7 บิต เราสามารถถอดรหัส ASCII ได้จากตาราง ASCII โดยนำค่าบิตจากตารางมาเขียนเรียงต่อกัน ดังตัวอย่างต่อไปนี้ จากตารางจงหาค่าของรหัสแอสกีของคำว่า DIGITAL D I G I T A L 1000100 1001001 1000111 1001001 1010100 1000001 1001100 http://www.asciitable.com/

American Standard Code for Information Interchange (ASCII) http://www.asciitable.com/

Unicode พัฒนามาเพื่อให้รองรับหลายภาษาทั่วโลก รวมถึงภาษาไทย มีใน WindowsXP เป็นครั้งแรก(สำหรับผู้ใช้ทั่วไป) มีหลายเวอร์ชัน สำหรับการใช้งานที่ต่างกัน เช่น UTF-8, UTF-16, UTF-32 ฯลฯ มีขนาดได้สูงถึง 32 Bits ต่อ 1 ตัวอักษร แทนสัญลักษณ์ได้สูงถึง 232  สี่พันล้านสัญลักษณ์ รวมรหัส ASCII ไว้ในตัว ทำให้แทน ASCII ได้ทันที

Image/Graphic Representation อภิปราย : คอมพิวเตอร์เก็บรูปภาพได้อย่างไร ? หลักการเก็บเช่นเดียวกับกล้องดิจิตอลหรือไม่ ? รูปที่เก็บเกิดจากจุดเล็กๆ (pixels) หลายจุดรวมกัน หรือเก็บอย่างไร ? จุดแต่ละจุดจะมีค่า(สี) เพียงสีเดียว หรือไม่? คอมพิวเตอร์เก็บรหัสแทนสีในแต่ละจุด อย่างไร ? มีหลายชนิด หรือไม่ ?

Image/Graphic Representation : (ลักษณะการแสดงผลแบบ 7 Segment) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประเภท Display เช่นเดียวกับไดโอดแปลงแสง หรือ LED 7 Segment ภายในก็คือ LED 7ตัว (หรือมากกว่า) มาต่อกันเป็นรูปตัวเลข 8 นั้นเอง ดังนั้นการใช้งาน 7 Segment จะเหมือนกับการใช้งาน LED นั้นเอง และการแทนรหัสสำหรับ 7 Segment คือ 1 1 1 1 1 1 1 A B C D E F G http://pippin.gimp.org/image_processing/chap_dir.html

Image/Graphic Representation : (ลักษณะการแสดงผลแบบ Bitmap) - Bitmap เป็นการกำหนดพื้นและสีให้แต่ละพิกเซล (pixel) หรือ bit ในพื้นที่การแสดงภาพ ตัวอย่างเช่น ไฟล์ gif (Graphics Interchange Format) และไฟล์ jpeg - Bitmap ไม่ต้องการเก็บข้อมูลของรหัสสีสำหรับแต่ละพิกเซลในทุกแถว ต้องการเฉพาะข้อมูล ที่ชี้สีใหม่ที่ใช้แสดงของแถว ดังนั้น ภาพที่ใช้สีมากต้องการ Bitmap ขนาดเล็ก - เนื่องจาก Bitmap ใช้วิธีการแบบตายตัวหรือ Raster Image ในการกำหนดภาพ ทำให้ภาพ ไม่สามารถขยายสัดส่วน เพราะทำให้สูญเสียความคมชัด ในขณะที่ภาพแบบ Vector Graph Image ได้รับการออกแบบให้ขยายสัดส่วนได้ทันที ทำให้มีความนิยมในการสร้างภาพแบบ Vector Graph Image ก่อนแล้วจึงแปลงเป็น เป็นภาพแบบ Raster Image หรือ Bitmap Binary image: 1 bit Gray image : 8 bits (0~255) Color image: 24 bits แต่ละพิกเซล (pixel) คือ การรวมค่าสี 3 สีเข้าด้วยกัน คือ แดง (R), เขียว (G) และ น้ำเงิน (B)

Image/Graphic Representation : (ลักษณะการแสดงผลแบบ Bitmap) Binary image: 1 bit (0 or 1)

Image/Graphic Representation : (ลักษณะการแสดงผลแบบ Bitmap) Gray image : 8 bits (0~255)

Image/Graphic Representation : (ลักษณะการแสดงผลแบบ Bitmap) Color image: 24 bits (RGB) Three-dimention color space

Image/Graphic Representation : (ลักษณะการแสดงผลแบบ Vector Graph Image) - เมื่อมีการขยายขนาดของรูปภาพ Bitmap จะมีแสดงปัญหา Zigzag Effect - Vector Graph Image จะยังคงรูปแบบความคมชัดของเส้น (Line) รูปร่าง (Shape) และ สี (Color) ของภาพไว้ Vector graphics is the creation of digital images through a sequence of commands or mathematical statements that place lines and shapes in a given two-dimensional or three-dimensional space. In physics, a vector is a representation of both a quantity and a direction at the same time. In vector graphics, the file that results from a graphic artist's work is created and saved as a sequence of vector statements. For example, instead of containing a bit in the file for each bit of a line drawing, a vector graphic file describes a series of points to be connected. 

Audio Representation - เสียงเป็นที่รับรู้เมื่อชุดของการกดอากาศสั่นสะเทือนเมมเบรนที่อยู่ในหูของเราซึ่งจะส่งสัญญาณไปยังสมองของเรา - ในระบบสเตอริโอส่งสัญญาณไฟฟ้าไปยังลำโพงในการผลิตเสียง ซึ่งสัญญาณนี้จะเป็นตัวแทนของสัญญาณอนาล็อก (Analog Signal) ของคลื่นเสียง นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันของสัญญาณ ในสัดส่วนโดยตรงกับคลื่นเสียง - สัญญาณดิจิทัล (Digital Signal) เป็นระยะที่เราวัดแรงดันของสัญญาณและบันทึกค่าตัวเลขที่เหมาะสม ซึ่งกระบวนการนี้เรียกว่าการสุ่มตัวอย่าง (Sampling) - โดยทั่วไปอัตราการสุ่มตัวอย่าง คือ ประมาณ 40,000 ครั้งต่อวินาทีก็เพียงพอที่จะสร้างคลื่นเสียงที่ดีและมีคุณภาพเสียงที่ดี

Audio Representation

Audio Representation ประเภทของเสียง  เสียงสามารถแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ MIDI และเสียงแบบดิจิตอล 1.MIDI (Musical Instrument Digital Interface) คือ การเชื่อมต่อของเครื่องดนตรีในระบบ ดิจิดอล  MIDI คือระบบการสื่อสารระหว่างเครื่องดนตรีต่างๆ ทั้งชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกัน ทั้งยี่ห้อเดียวกันหรือต่างยี่ห้อกัน และยังรวมมาถึงจากคอมพิวเตอร์ กับเครื่องดนตรีด้วย MIDI เกิดขึ้นโดยบรรดานักดนตรีก็เกิดความต้องการที่จะเล่นเสียงของ เครื่องดนตรีหลายๆ ชิ้นพร้อมๆ กันขึ้นมา ซึ่งพวกเขาได้ทำปรับเสียงของคีย์บอร์ดหลายๆ ตัวเอาไว้      มาตรฐานของ MIDI  จึงได้ถูกตั้งขึ้นมาโดยการร่วมมือกันของบรรดา บริษัทผู้ผลิตเครื่องดนตรี เพื่อต้องการสร้างมาตรฐานในการเชื่อมต่อ เครื่องดนตรีหลายๆ ชนิดเข้าด้วยกันโดยไม่ต้องคำนึงถึงยี่ห้อ  หรือ รุ่น MIDI จึงเป็นข้อมูลที่แสดงถึงลักษณะเสียงที่แทนเครื่องดนตรีชนิดต่างๆ ซึ่งเป็นมาตรฐานในการสื่อสารด้านเสียง ที่ได้รับการพัฒนามาตั้งแต่ปีค.ศ.1980  สำหรับใช้กับเครื่องดนตรีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ 

Audio Representation 2. เสียงแบบดิจิตอล (Digital Audio)          สัญญาณเสียงที่ส่งมาจากไมโครโฟน เครื่องสังเคราะห์เสียง เครื่องเล่นเทป หรือจากแหล่งกำเนิดเสียงต่างๆ ทั้งจากธรรมชาติ และที่สร้างขึ้น แล้วนำข้อมูลที่ได้แปลงเป็นสัญญาณดิจิตอล ซึ่งข้อมูลจะถูกสุ่มให้อยู่ในรูปแบบของบิต และไบต์ โดยเรียกอัตราการสุ่มข้อมูลที่ได้มา เรียกว่า “ Sampling Rate ” และจำนวนของข้อมูลที่ได้เรียกว่า “Sampling Size” ซึ่งจะเป็นตัวกำหนดคุณภาพของเสียงที่ได้จากการเล่นเสียงแบบดิจิตอล          เสียงแบบดิจิตอลจะมีขนาดข้อมูลใหญ่ ทำให้ต้องใช้หน่วยความจำและทรัพยากรบน หน่วยประมวลผลกลางมากกว่า  MIDI  แต่จะแสดงผลได้หลากหลาย และเป็นธรรมชาติกว่า MIDI มาก          เสียงแบบดิจิตอลที่พบบ่อย จะอยู่ช่วงความถี่ 44.1 kHz , 22.05 kHz และ 11.023 kHz ซึ่งมี Sampling Size เป็น 8 บิต และ 16 บิต โดยที่ Sampling Rate และ Sampling Size ที่สูงกว่าจะให้คุณภาพของเสียงที่ดีกว่า และจะต้องมีเนื้อที่บนฮาร์ดดิสก์สำหรับรองรับอย่างเหมาะสม

Audio Representation - เสียงที่เราได้ยินจากคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์ MP3 นั้นจึงไม่ใช่เสียงจริง แต่เป็นเสียงที่เกิดจาก การสุ่มสัญญาณและทำการบันทึกไว้ การสุ่มสัญญาณเสียงจริง คุณภาพของเสียงตัวอย่างจะถูกวัดโดยอัตราการสุ่มตัวอย่างสัญญาณ และวิธีการที่มักจะทำการสุ่มตัวอย่าง คือ Bit Depth : อัตราบิตที่ใช้สำหรับการสุ่มสัญญาณเสียง - แผ่นซีดีเพลงที่มีอัตราการสุ่มตัวอย่าง 44.1kHz และใช้ 16 บิต (สเตอริโอ 32 บิต) สำหรับแต่ละการสุ่มตัวอย่างสัญญาณ - รูปแบบการเก็บข้อมูลเสียง : WAV, AU, AIFF, VQF, OGG, WMA และ MP3

จำนวน Byte ที่ใช้ 1 วินาที Audio Representation Sampling Rate (kHz) Sampling Size (bit) Stereo หรือ Mono จำนวน Byte ที่ใช้ 1 วินาที 44.1 16 Stereo 8.5 MB Mono 5.25 MB 8 2.6 MB 22.05 2.5 MB 1.3 MB 11.025 650 KB

Audio Representation แผ่นซีดีที่เก็บข้อมูลเสียงแบบดิจิตอล บนพื้นผิวของแผ่นซีดีที่มีตัวเลขฐาน สองเป็นตัวแทนของข้อมูล และตัวเลเซอร์ความเข้มต่ำจะชี้ไปที่แผ่นดิสก์เพื่อวัดแสงสะท้อนของเลเซอร์ วิธีการอ่านข้อมูลของเครื่องอ่าน CD

Video Representation - การผลิตกล้องวิดีโอขนาด 640 x 480 พิกเซลภาพสีจริง ที่ขนาด 30 เฟรม/วินาที หรือเทียบเท่า 27.65 MB ของข้อมูล/วินาทีนั้น ต้องใช้ข้อมูลจำนวนมากในการผลิตและวิธีการขึ้นอยู่กับการนำไปใช้ของวิดีโอนั้นๆ - Streaming Video : การนำข้อมูลในรูปแบบของภาพและเสียงส่งผ่านทางอินเตอร์เน็ต มีลักษณะเด่น คือ ใช้ Bandwidth น้อยๆ ก็สามารถรับชมภาพยนตร์ผ่านอินเตอร์เน็ตได้ทั่วโลก - Local data : ไฟล์ DVD หรือไฟล์วิดีโอดาวน์โหลด หรือ สำหรับวิดีโอที่มีคุณภาพสูง ตัวแปลงสัญญาณวิดีโอ (Coder / Decoder) หมายถึง วิธีการที่ใช้ในการบีบอัดขนาดของวิดีโอ ที่จะช่วยให้สามารถเล่นได้บนเครื่องคอมพิวเตอร์หรือผ่านเครือข่าย ทุกตัวแปลงสัญญาณวิดีโอใช้การบีบอัดแบบสูญเสียบางส่วน (lossy) เพื่อลดขนาดข้อมูลซึ่งมีจำนวนมาก การบีบอัดวิดีโอแบ่งออกเป็น 2 ประเภท - Temporal compression : การบีอัดเรื่องราวรอบข้างในแต่ละเฟรมด้วย โดยขะเก็บเฉพาะส่วนที่มีการแตกต่างกัน - Spatial compression : การบีบอัดแต่ละเฟรมด้วยวิธีการบีบอัดรูปภาพทั่วไป

Video Representation ไฟล์วีดีโอ MPEG ย่อมาจาก Moving Picture Experts Group โดยอ่านออกเสียงว่า m-peg (เอ็ม-เปค) เป็นรูปแบบของการบีบอัดไฟล์ภาพวีดีโอซึ่งได้รับการพัฒนาให้เป็นมาตรฐาน ซึ่งรูปแบบไฟล์วีดีโอที่ได้รับการบีบอัดในแบบ MPEG จะมีคุณภาพในการแสดงภาพที่ดีกว่าวีดีโอทั่วไป โดยไฟล์ในรูปแบบ MPEG จะถอดรหัสโดยใช้ความสามารถของฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์ โดยไฟล์วีดีโอในแบบ MPEG ได้รับการบีบอัดโดยใช้หลักการบีบอัดจากอัตราการเล่นภาพเป็นเฟรมๆ แทนที่จะบันทึกภาพในทุกๆเฟรมซึ่งทำให้ต้องใช้เนื้อที่ในการเก็บมาก การบีบอัดไฟล์แบบ MPEG ได้รับการบีบอัดข้อมูลโดยการเข้ารหัสที่เรียกว่า DCT โดยไฟล์ในแบบ MPEG อาจมีการสูญเสียข้อมูลบางส่วนจากการบีบอัด แต่ก็เป็นส่วนน้อยมากโดยที่ตาเรามองไม่เห็นและไม่สามารถสังเกตได้

Video Representation รูปแบบการบีบอัดไฟล์ในมาตรฐาน MPEG มี 3 รูปแบบ คือ MPEG-1 หรือ Video CD • โดยปกติแล้วการรับชมภาพยนตร์จากแผ่นซีดี หรือที่เรียกกันติดปากว่าวีดีโอซีดี ( VCD) นั้น จะเป็นรูปแบบการบีบอัดไฟล์ในมาตรฐาน MPEG- 1 ที่มีความละเอียดของภาพที่ 352 X 240 ที่ 30 เฟรมต่อวินาที ( fps) ซึ่งเปรียบได้กับคุณภาพการแสดงผลวีดีโอแบบ VCR video

Video Representation MPEG-2 หรือ DVD เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของการบีบอัดไฟล์ที่ได้รับการพัฒนาเทคโนโลยีการบีบอัดมากขึ้น MPEG- 2 มีความละเอียดมากขึ้น นั่นหมายถึงภาพที่ออกมามีสัดส่วนที่ใหญ่ขึ้นเท่ากับ 720 x 480 พิเซลและ 1280 x 720 พิกเซลที่ 60 เฟรม/วินาที โดยคุณภาพเสียงเทียบเท่ากับซีดี ซึ่งมาตรฐานนี้เป็นที่ยอมรับและสามารถเล่นบนหน้าจอโทรทัศน์ในรูปแบบมาตรฐาน NTSC หรือแม้แต่ HDTV ได้ ซึ่งถ้าเทียบกันแล้ว รูปแบบ MPEG- 2 เป็นรูปแบบของวีดีโอในแผ่น DVD-ROM โดยรูปแบบ MPEG- 2 สามารถบีบอัดไฟล์วีดีโอความยาว 2 ชั่วโมงได้โดยใช้ขนาดไฟล์ในการบันทึกเพียง 2 – 3 GB เท่านั้น ในขณะเดียวกันการอ่านค่ารหัสไฟล์ MPEG- 2 ต้องการเทคโนโลยีที่รองรับการเล่นไฟล์วีดีโอในรูปแบบนี้ด้วย ซึ่งไฟล์ MPEG- 2 ต้องใช้เทคโนโลยีในการเข้ารหัสที่สูงกว่า

Video Representation MPEG-4 • ส่วนรูปแบบของ MPEG- 4 นับว่าเป็นรูปแบบที่ทันสมัยโดยใช้หลักการบีบอัด การเข้ารหัสกราฟิกและวีดีโอในแบบอัลกอริทึม ที่ได้รับการพัฒนามาจาก MPEG- 1 และ MPEG- 2 และเทคโนโลยีของ Apple QuickTime โดยไฟล์ที่ได้รับการบีบอัดในรูปแบบ Wavelet-based MPEG- 4 จะมีขนาดเล็กกว่า JPEG หรือไฟล์ QuickTime ซึ่งเป็นผลมาจากการลดขนาดช่วงกว้างของแบนด์วิท และรวมเอาไฟล์วีดีโอกับข้อความ กราฟิกเข้าไว้ด้วยกัน นอกจากนี้ยังได้รวมเอาแอนิเมชัน 2D และ 3D ไว้ด้วย

Storage Problem (ปัญหาการจัดเก็บฯ) รูปมีจำนวน pixel มาก ยิ่งมีความละเอียดสูง ยิ่งมีจำนวนสีมาก, มีระดับของแต่ละสีเยอะ ยิ่งมีความสมจริง แต่ก็แลกมาด้วยปริมาณข้อมูลที่มหาศาล รูปขนาด 100 * 100 pixel สีขาวดำ 1 pixel = 1 bit , ใช้พื้นที่ 10000 bit = 1,250 bytes รูปขนาด 800 * 600 pixel ที่ความละเอียด 24 bit 1 pixel = 3 bytes, ใช้พื้นที่ 1,440,000 Bytes

Storage Problem ในการเก็บจริงจึงต้องมี “การบีบอัดข้อมูล” (Data Compression) เพื่อให้ใช้พื้นที่น้อยลง มีหลายวิธี ขึ้นอยู่กับ จำนวนสี, คุณภาพรูปภาพ, ความซับซ้อนของอัลกอริทึม, ฯลฯ มาตรฐานไฟล์ต่างๆ เช่น jpeg, pcx, bmp, png, tiff, gif เป็นต้น

Run-Length Encoding (RLE) (การเข้ารหัสในการแสดงและเก็บตัวอักขร) เป็นรูปแบบที่ง่ายในการแสดงและเก็บตัวอักขร มักใช้กับรูปภาพขาวดำหรือภาพที่มีสีน้อยๆ หลักการ เขียนชุดข้อมูลที่ซ้ำๆ กันทีละบรรทัด (pixel ในแนวนอน) เขียนจำนวน pixel ที่มีสีขาวและจำนวน pixel ที่มีสีดำสลับกันไปเรื่อยๆ ถ้าข้อมูลเริ่มด้วยสีดำ -> เริ่มต้นด้วยเลข 0 ถ้ามีมากกว่า 2 สี เขียน จำนวน, รหัสสี สลับกันไปเรื่อยๆ

Run-Length Encoding (RLE)

Run-Length Encoding (RLE) (ตัวอย่างรหัสรูปต่างๆ) 0, 4, 2 0, 6 0, 4, 1, 1 0, 5, 1 0, 6 0, 1, 4, 1 2, 2, 2 1, 4, 1 1, 4, 1 0, 6 0, 1, 1, 2, 1, 1 1, 1, 2, 1, 1 2, 2, 2 3, 1, 2 3, 2, 1 0, 6

Assignment (งานที่มอบหมาย) ให้นิสิตอธิบายหลักการ, วิธีการ รวมไปถึงมาตรฐานที่ควรรู้จัก(พร้อมรายละเอียดคร่าวๆ) ในการเก็บข้อมูล “เสียง” และ “มัลติมีเดีย” ลงในคอมพิวเตอร์ เขียนด้วยลายมือ ความยาวไม่ต่ำกว่า 2 หน้ากระดาษ A4 ไม่ต้องเข้าเล่มแต่ให้แมกซ์ติดกัน พร้อมทั้งเขียนชื่อ-นามสกุล รหัสนิสิต ที่มุมบนขวาของรายงานหน้าแรก กำหนดส่ง วันจันทร์หน้า

Question/Answer

LAB 3 คำสั่ง จงออกแบบและเขียนรหัส RLE ขนาด 8x8 ด้วยคอมพิวเตอร์ โดยใช้ Ms-Word หรือ บนกระดาษ A4 โดยเขียนเป็นชื่อภาษาอังกฤษของนิสิตเอง ตามลำดับ (ส่งในห้อง) ตัวอย่าง ออกแบบอักษร Q 2,4,2 1,2,2,2,1 0,2,4,2 0,1,6,1 0,1,3,1,2,1 0,2,3,1,1,1 1,2,3,1,1 2,4,1,1

Reference (เอกสารอ้างอิง) สตอล์ลิงค์, วิลเลียม. สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์.—กรุงเทพฯ : เพียร์สัน เอ็ดดูเคชั่น อินโดไชน่า, 2546 http://csunplugged.org/binary-numbers http://csunplugged.org/image-representation http://egret.net/kb__mb.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Kibibyte http://en.wikipedia.org/wiki/Floating_point http://users.nlamerica.com/kevin/Bitsbytes.htm