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数据与信息
第一章
知识体系
学习目标
数据是对客观事物的符号表示。是信息的载体。
数据的定义
文字、图形、图像、音频、视频等。
数据的表现形式
在计算机科学中，数据是指所有能输入到计算机并被计算机程序处理的符号总称。
数字是最简单的数据。
1.1数据
造纸术和印刷术、
摄影术、留声机、
第一台计算机。
这些大小不一、数量不同的绳结是数据。
文字和数字的出现，数据以更加明确的形式被记录下来。
互联网技术的发展，加速了数据的传输与处理
原始人就用石器或骨器在墙壁上刻画图案
1.1数据及其演变
楔形文字
各种发明
结绳记事
远古时代
计算机
数据自古就有，且无处不在。
数据与生活
数据的表现形式越来越多样化，给人们的生活习惯带来了巨大的转变。
人们在利用数据的同时，自身的行为也在产生数据。
数据与科学
科学研究离不开数据
数据的客观性为科学研究提供了可靠依据
1.1数据与生活科学
信息论奠基者香农：信息是用来消除随机不确定性的东西。
信息的定义
（1）载体依附性
（2）时效性
（3）共享性
（4）可加工处理性、真伪性
（5）价值性
信息特征
1.2信息的定义
知识是人们在社会实践中所获得的认识和经验的总和，是人类在实践中认识世界的成果。
知识的定义
知识是可以继承和传递的。
不同人构建的知识不同。
1.2知识的定义
数据
信息
知识
数据可以是数字、文字、图像、符号等，如 3.14，单独写在纸上，其本身没有明确的意义。
信息是数据经过储存、分析及解释后所产生的意义，通常是在某一特定情境脉络下的具体呈现。
人们通过归纳、演绎、比较等手段对信息进行挖掘，将万千信息中有价值的部分沉淀下来，与已存在的人类知识体系相结合，形成知识。
智慧
智慧是一种更高层次的综合能力，它是在知识的基础之上，通过认识的累积，而形成的对事物的认识、远见体现为一种卓越的判断力。
1.2数据、信息、知识、智慧的关系
1.2数据、信息、知识、智慧的关系
1.3数据采集
人工方式为主；通过观察，实验等方式
传统采集方式
机器获取为主；传感器获取自然信源的数据；网络爬虫获取网络数据
现代采集方式
网络爬虫：按照一定规则，按特定关键字，自动抓取网页上数据的程序或脚本。
传感器：能感应被测量（物理量，化学量，生物量等）并按一定的规律转换成可用输出信号（电信号）的器件和装置。
基与权
基又叫基数，是组成该数制的数码个数，一般来说，k 进制的基数就是 k，包含 k 个数字；
权又叫权值，是指每一个数位上的 1 对应的数值，可以表示为基数的若干次幂。
1.3进制
进制是一种记数方式，亦称进位计数法或位值计数法。利用这种记数法，可以使用有限种数字符号来表示所有的数值。
任何一种数制都包含两个基本要素：基和权。
由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9共十个数字符号组成，同一个数字在不同位上表示不同的数值，例如33中的两个1表示不同数值。“逢十进一”
由0、1共两个数字符号组成，同一个数字在不同位上表示不同的数值，例如11中的两个1表示不同数值。“逢二进一”
由0、1、2、3、4、5、6、7共八个数字符号组成，同一个数字在不同位上表示不同的数值，例如22中的两个1表示不同数值。“逢八进一”
由0、1、 2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F共16个数字符号组成，同一个数字在不同位上表示不同的数值，例如AA中的两个1表示不同数值。“逢十六进 一”
1.3计算机中的进制
十（D）
二（B）
八（O）
十六（H）
基础知识
(9)10
1.3二进制与十进制
二进制转十进制：按权展开求和
十进制整数转二进制：除二取余直至商为0，逆序输出
二进制与十进制
23 22 21 20
1 0 1 1
（1011）2
= 1* 20 + 1* 21 + 0 * 22 + 1 * 23
= (11)10
9
2
1
4
2
0
2
2
0
1
2
1
0
= (1001)2
基础知识
1.3二进制与八进制
二进制转八进制：从右向左，每3位二进制数按权展开相加得到1位八进制数，高位不足三位时补0
八进制转二进制：将八进制数的每一位分解成三位二进制数，如果某位没有足够的二进制数，则在最左边补零。最后舍弃最高位的0
二进制与八进制
（11011110）2
2 3 6
0 1 1 0 1 1 1 1 0
高位不足补0
=（236）8
3 7 2
0 1 1 1 1 1 0 1 0
（372）8
=（11111010）2
高位不足补0
高位不足补0
舍弃最高位0
八进制转十进制: 按权展开求和
例：(647) 8 = 6*82 + 4 * 81 +7 * 80 =(423)10
基础知识
1.3二进制与十六进制
二进制转十六进制：从右向左，每4位二进制数按权展开相加得到1位十六进制数，高位不足四位时补0
十六进制转二进制：十六进制数通过除2取余法，得到二进制数，对每个十六进制为四个二进制，不足时在最左边补零。最后舍弃最高位的0
二进制与十六进制
（1011110）2
5 E
0 1 0 1 1 1 1 0
高位不足补0
=（5E）16
A 7
1 0 1 0 0 1 1 1
（A7）8
=（10100111）2
高位不足补0
十六进制转十进制: 按权展开求和
例：(AF4) 16 = 10*162 + 15 * 161 +4 * 160 =(2804)10
1.3数字化
采样是将信号从连续时间（空间）域上的模拟信号转换到离散时间（空间）域上的离散信号的过程。
对于同一模拟信号，采样的时间间隔越小，采集到的信号样本数量越多。
在相同的时间内，采样频率越高，采集的样本数量越多。
在对模拟信号采样时提高采样频率能提高保真度。
采样
1.3数字化
量化是指将信号的连续取值近似为有限个离散值的过程
量化就是将采样到的信号用数字表示出来
量化的过程是先将整个幅度划分成有限个小幅度的集合，把落入某个范围内的样值归为一类，并赋予相同的量化值。
纵坐标划分得越细，量化就越精细，与实际数据也越接近
量化
1.3数字化
编码是信息按照某种规则或格式，从一种形式转换为另一种形式的过程。解码是编码的逆过程。
编码
time
每隔一段时间进行一段采样，一共采11次。例如：对音频信号，每秒钟音频信号采取44100个采样点，则采样频率为44100hz（赫兹)
将采样后的数据进行分段，一共分8段。
采样
量化
Signal
将时间连续的模拟信号进行采样，转化为时间上离散、幅度上连续的模拟信号
将信号幅度划分若干量化等级，将采样后模拟信号与各量化等级比较，向下取最接近的量化等级的数值
1.3音频数字化
time
采样
量化
Signal
模拟音频数字化
001
010
011
100
101
110
111
000
编码
将采样后的数据进行分段，一共分8段。
将量化的8个等级，用二进制数码表示
将信号幅度划分若干量化等级，将采样后模拟信号与各量化等级比较，向下取最接近的量化等级的数值
1.3音频数字化
声音的保真度的影响因素有哪些？
模拟信号数字化的三个步骤是什么？
若某段音频需要表示的声音的幅度等级为248，则声音的量化位数为多少？
10分钟的声音信号数字化时，采样频率为44.1Khz，量化位数为8且是双声道，求该声音文件未压缩时文件的大小？
1.3声音编码
存储容量（B=采样频率（Hz）×量化位数（bit）×声道数×时长（s）
声音文件大小（B）
采样频率、量化位数、声道数
采样、量化、编码
8
44.1*1000*8*2*10*60/8
1.3字符编码
1
ASCII码（单字节码）
1960年，香农创立了数字计算机的基本字符编码系统，即ASCII码，用8位二进制码为所有英文字母（大小写共52个）、阿拉伯数字（10个）和常用的不可见控制符（33个）以及标点符号、运算符号等（33个）建立了转换码，第一次将符号转换为“0”和“1”构成的编码。
48-57：数字0-9
65-90：大写字母A-Z
97-122：小写字母a-z
标准ASCII码右7位二进制编码
最高位为0
形式
先列后行
二进制转十进制
（0100 0001）2
=1×26+1×20
=（65）10
1.3字符编码
1.3字符编码
输入
内部处理
机内码（二进制编码）
输出
如通过键盘进行英文、汉字输入法编码常用拼音码、五笔字形码
如汉字字模码
输入
输出
输入
交换码（国标码）
2
汉字编码（双字节码）
1.3条形码
条形码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和白条，按照一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。
目前国际上有多种条形码编码方式，图 1.3.6 为我国普遍采用的 EAN13 条形码。
这种条形码由 13 位数字组成，前 3 位数字表示国家代码，图中的“690”表示中国大陆地区。最后一位叫校验码，用来检查扫描到的数字是不是有错误，这个数字由前 12 位数字按一定规律计算得到。
条形码
1.3二维码
二维条码 / 二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面上（二维方向）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息，
二维码的信息存储量更大，功能也更加强大。
不随意扫描非官方的二维码或安装未经验证的应用，是信息社会的基本常识。
二维码
1.3图像编码
位图图像（图像）特点
放大后会失真
会有多个像素点，每个像素点的颜色值可以用二进制表示。
矢量图（图形）特点
放大后不会失真，文件大小与图形的大小无关
用点、直线或者多边形等基于数学方程的几何图元表示的图像。
存储容量 = 总像素 × 颜色位深度（单位：位）
① 总像素 →水平像素点的个数×垂直像素点的个数。
5×5
② 颜色位深度→每个像素点所占的位数 → 图像的颜色数
黑白图像：1位 2种颜色
存储容量= 5×5×1位
0 1 0 1 0
1 0 1 0 1
1 0 1 0 0
1 1 0 1 1
1 0 1 0 1
1.3图像编码
3 3 3 3 3 3 3 3
3 2 2 2 2 2 2 3
3 2 1 1 1 1 2 3
3 2 1 0 0 1 2 3
3 2 1 0 0 1 2 3
3 2 1 1 1 1 2 3
3 2 2 2 2 2 2 3
3 3 3 3 3 3 3 3
11 11 11 11 11 11 11 11
11 10 10 10 10 10 10 11
11 10 01 01 01 01 10 11
11 10 01 00 00 01 10 11
11 10 01 00 00 01 10 11
11 10 01 01 01 01 10 11
11 10 10 10 10 10 10 11
11 11 11 11 11 11 11 11
① 总像素 →水平像素点的个数×垂直像素点的个数。
8×8
② 颜色位深度→每个像素点所占的位数 → 图像的颜色数
2位 4种颜色
存储容量 = 8×8×2位
1.3图像编码
存储容量 = 总像素 × 颜色位深度（单位：位）
静态的图像连续播放就形成视频
视频的编码一般是指通过特定的压缩技术对视频进行压缩。
常见的视频编码方式有 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等
1.3视频编码
数据管理是利用计算机硬件和软件技术对数据进行有效收集、存储、处理和应用的过程，其目的在于充分、有效地发挥数据的作用。
数据管理的定义
人工管理、文件管理和数据库管理
数据管理的三个阶段
利用数据库管理计算机中数据的意义：
①解决数据冗余的问题。
②解决维护、更新数据时需要大量的人工干预的问题。
在计算机中，数据一般以文件形式存储。计算机采用树形目录结构来管理文件，在widows系统中，则采用文件夹来管理文件。
1.4数据管理
1.4威胁数据安全因素及解决方案
硬盘损坏
操作失误
黑客入侵
感染病毒
自然灾害
数据本身的安全
磁盘阵列
防火墙/漏洞
杀毒软件
异地容灾
加密/校验
数据备份
威胁数据安全因素
主动防护
MD5\CRC\SHA-1校验方法
校验是为了保证数据完整性
加密是为了保证数据保密性
大数据代表着信息量大、速度快、种类繁多的信息资产，需要特定的技术和分析方法将其转化为价值。
大数据的概念
（1）数据体量巨大：大数据收集和分析的数据量非常大。
（2）速度快：数据产生的速度快，数据处理的速度快。
（3）数据类型多。
（4）价值密度低。
大数据的特征
1.5大数据
（1）大数据要分析的是全体数据，而不是抽样数据。
（2）对于数据不再追求精确性，而是能够接受数据的混杂性。
（3）不一定强调对事物因果关系的探求，而是更加注重它们的相关性。
大数据思维
（1）大数据让生活更便利。
（2）大数据让决策更加精准。
（3）大数据带来新的就业需求。
（4）大数据带来新的社会问题。如信息泄露、数据安全等。
大数据对社会的影响
1.5大数据
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