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数据编码
第一章 数据与信息
1.2
1、了解模拟信号和数字信号的优劣。
2、掌握不同类型数据编码的基本方式。
3、会计算文件大小和声音存储空间。
4、激发学习兴趣,提升信息技术学科素养。
将现实世界的事物现象符号化、数据化，需要有一个理解、抽象、推理的过程，这个过程由计算机来完成。计算机将它们处理转换成0和1组成的二进制编码，进而采用基于二进制的算术运算和逻辑运算进行处理。
1.2.1模拟信号与数字信号
1.模拟信号
模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息。其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化。例如声音信号、图形信号等。
单一频率波形示意图
多频率组合波形示意图
模拟信号的波形可以是简单的,也可以是复杂的。
例如，由单一钢琴定音器产生的声波，就是简单波形,仅仅包括一个单一频率 ;
人类或管风琴的声音产生的声波,就是复杂波形,包含了许多不同频率的组合。
模拟信号是传导能量的一种方式。传播的过程中．能量会不断被损耗而逐渐衰减.
1.2.1模拟信号与数字信号
数字信号是离散时间信号的数字化表示。其信号的自变量、因变量都是离散的。例如，开关电路中输出电压和电流脉冲就是离散的信号，如下图所示。
离散的脉冲信号
在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。
2．数字信号
1.2.1模拟信号与数字信号
名称 优点 缺点
模拟信号
数字信号
进行远距离传送时用哪 种信号比较好？ 比较模拟信号与数字信号在通信应用中的优劣，完成下表
1.2.1模拟信号与数字信号
探
究
名称 优点 缺点
模拟信号 价格底，简单易实现 传输距离短，抗干扰能力强，保密性差
数字信号 抗干扰性强，保密性、可靠性强 成本高，技术实现复杂
进行远距离传送时用哪 种信号比较好？ 数字信号 1.2.1模拟信号与数字信号
实
验
灯语是一种通信手段，用灯光一明一暗的间歇做出长短不同的信号来传递信息。在古代，灯语对人们之间的交流起到很大的帮助。随着科技的发展，灯语已经通过计算机网络实现了灯光信号的自动发送、获取和识别。
实验名称：用手电筒传递信息。
实验目的：了解灯语的使用场景，理解数据编码的必要性。
1.2.1模拟信号与数字信号
实
验
（2）有没有比灯语更便捷、安全的信息传递方法？
（3）莫尔斯码为众人所熟知，在传递过程中信息很容易被截取并破译，如何设计只有你和同伴才能看懂的“密码”，并用“密码”传递信息(比如眨眼,比如用О表示关，1表示开)？
实验步骤：
1.2.1模拟信号与数字信号
（1）.一人控制手电筒开关，按照莫尔斯码发送一组字母（如：SCHOOL）， 其他人观察手电筒发出的光信号，记录数据，并使用莫尔斯码译出这组字母。
实
验
在现代技术的信号处理中，数据基本上是通过编码将模拟信号转换为数字信号进行存储和传输，文字、图像、声音等类型的数据都可经过编码进行存储和传输。常见的数据编码方式包括文字编码（ASCII码和国标码GBK等）、图像编码、声音编码和视频编码等。
1.2.2编码的基本方式
1.2.2编码的基本方式
1.文字编码文字（字符）编码是效率相对较低的编码方式，有单字节码和双字节码两种。其中，ASCII码、莫尔斯码属于单字节码，国标码（GBK)。统一码(Unicode)属于双字节码。
( 1 ) ASCII码。
ASCII码( American Standard Code for Information lnerchange）是美国信息交换标准代码。
用8位二进制码为所有的英文字母(米小写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，将符号转换为“0”和“1”构成的编码。
1.2.2编码的基本方式
(2）国标码。
由于ASCII码只包含英文、数字和一些控制符号，并不能表示汉字，因此，我国设计了用于处理汉字的简体中文的GB码和用于繁体中文的BIC5码（大五码)。1980年发布的《信息交换用汉字编码字符集》( GB 2312)一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其他符号。
GB 2312主要分为两部分:编号127之前的符号跟ASCII码所表示的意义相同，属于单字节码;编号127之后的符号统一用两个字节表示，包含了几乎所有的简体中文字（中文编码高字节的最高位不为0）。1995年公布的《汉字内码扩展规范》( GBK 1.0)收录了21886个符号，分为汉字区和图形符号区，汉字区包括21003个字符。
1.2.2编码的基本方式
图像编码是指在满足一定保真度的条件下，对图像数据进行变换、编码和压缩，以较少比特数表示图像或图像中所包含的信息的技术。我们以位图（ Bitmap)为例来说明图像的编码原理与方法，以及图像文件的大小计算方法。
1.2.2编码的基本方式
2.图像编码
位图，最小单位为光栅点（或称像素），因而也叫作点阵图（或像素图）。位图采用位映射存储格式，即将每一个像素映射为一个数据，存放在以字节为单位的矩阵中。
例如，在如图1-10所示的黑白图像中，共有32×2个像素，如果将黑、白像素分别映射为1和0，就表示为11111111，00000110，10000110，11111111，10000001,01100011，01111100，10000001，这就是该黑白图像的二进制编码y通常图像编码采用16进制编码，因而图1-10的编码为“FF，06，86，FF,81，63, TC，81”
1.2.2编码的基本方式
(1）位图图像编码。
( 2） 位图文件大小。
1.2.2编码的基本方式
在计算机二进制数系统中，每个0或1就是一个位 ( bit，数据存储的最小单位)，8个位就称为一个字节( Byte )。黑白图像，每一个像素有2种可选颜色(黑、白），称为1位图像。
1B=8b，1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB…
包含文件的类型、大小和位图起始位置等信息，共14个字节。
①文件头:
用于说明位图的尺寸等信息，占40个字节。
②位图信息头:
用于说明位图中的颜色，有若干个表项，每一个表项定义一种颜色。当图像量化位数为1、4、8时，分别有2、16、256种颜色，每个颜色表项占4个字节;当图像量化位数为24时，没有颜色表项。
③颜色信息:
记录位图的每一个像素值，其记录顺序先从左到右，再从下到上。
④图形数据:
1.2.2编码的基本方式
一个位图文件除了包含图形数据，还包括文件头、位图信息头、颜色信息、图形数据等几部分。
位图文件的大小（B）=文件头（14B）+信息头（40B）+颜色表项+图像分辨率
× 图像量化位数÷8
1.2.2编码的基本方式
图像分辨率=图像x方向的像素数×图像y方向的像素数。
图像量化位数，也叫图像深度,是指图像中每个像素点记录颜色所用二进制数的位数。
例：一幅未经压缩的1024*768像素、16位色的BMP图像，其存储空间为（ ）。
A．468KB B．1.5MB C．2.4MB D．3.7MB
【答案】：B【解析】：图像大小＝14+40+4*2*16+1024*768*16÷8＝1835062B=1792.05KB=1.75MB，最接近的值为1.5MB，选B项。
练
习
3.声音编码：对声音进行数据编码,必须经过前期的数据采样和数据量化。
1.2.2编码的基本方式
(1）采样。采样就是把输入的模拟信号按适当的时间间隔得到各个时刻的样本值，使其转换为时间上离散、幅度上连续的脉冲信号。对于音频信号，常用的采样频率有三种:441kHz、22.05 kHz和11.025 kHz。
根据奈奎斯特（ Harry Nyquist，物理学家，1889—1976）采样定理，如果以一定时间间隔对某个信号f(t）进行采样，并且采样频率高于该信号最高频率的两倍，则采样值包含了原信号的全部信息。
1.2.2编码的基本方式
根据奈奎斯特（采样定理示意图）
( 2）量化。
1.2.2编码的基本方式
量化是把样值信号的无限多个可能的取值，近似地用有限个数的数值来表示。
首先是将采样信号幅度划分为若干量化等级（国标声音量化等级分为256个，即2个），然后将采样后的信号幅度与所划分的各个量化等级进行比较，向下取最接近的量化等级的数值。
脉冲幅度调制信号的量化
(3）编码。
1.2.2编码的基本方式
例如，采样值48的二进制编码为00110000，-100的二进制编码为11100100，如表1-4所示。
编码是将量化后的采样值用二进制数码表示，并转换为由二进制编码0和1组成的数字信号。模拟信号采样后可用8位二进制数表示，最高位表示符号，正数为0，负数为1。
声音存储空间=采样频率×量化位数×声道数×时间÷8
数字信号的传送
1.2.2编码的基本方式
例如，采样频率为44.1 kHz、量化位数为16位的立体声，1秒声音所需字节数为44.1 ×1000× 16×2×1÷8=176 400( B) 。编码后的信号可以实现无差错的数据传输,如下图所示。
实际上，不仅文字、图像、声音等类型的数据可以被编码，视频等数据也都可以被编码成数据文件。
程序设计，简称编程，也属于编码，是运用程序设计语言，实现人机交互，提高计算机应用效率，为实现操作程序化要求所进行的编码。有关程序设计的内容将在后续章节中学习。总之，编码是数据存储及其表现的基础，也是人们认识世界的基础。
信息是经过加工处理的、具有意义的数据。
信息是对客观世界中各种事物的运动状态和变化的反映，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征。
人们通过获得、识别自然界和人类社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。
1.3信息及其特征
1.3.1信息
信息必须依附一定的媒体介质表现出来，如：声音在真空中不能传播；玉不琢，不成器。孟浩然的诗词直白易懂，多为反复修改、推敲而成。
①依附性和可处理性：
信息能够满足人们某些方面的需要，如：信息会考时间为6月13日对高一的学生具有价值。
②价值性相对性：
信息会随着客观事物的变化而变化，如：天气预报、市场信息都会随时间的推移而变化
③时效性：
一个信息可以由多分进行分享；如：网络上的信息被人下载和利用
④共享性：
“明修栈道、暗渡陈仓”、诸葛亮“空城计”
⑤真伪性：
信息的传递打破了时间和空间的限制。
⑥传递性：
1.3.2信息的一般特征
A．16
B．2
C．4
D．8
1．一张使用了 16 种颜色的图片，其颜色位深度是（ ）位。
C
A．66
B．95
C．97
D．64
2．已知“A”的十进制 ASCII 值为“65”，请问“a”的十进制 ASCII 值为（ ）。
C
A．441 B．4410 C．44100 D．441000
3．采集频率 441KHz 表示每秒钟采集（ ）个样本。
D
A．传输过程中不容易被干扰
B．方便存储
C．处理实时性强
D．方便压缩传输
4．数字信号相对于模拟信号而言有许多优势，以下不属于数字信号优势的是（ ）
C
A．模拟信号
B．数字信号
C．数据信号
D．离散信号
5．比如汽车的速度、空气的温度等这些连续变化的信号称为（ ）
A
A．计算机以数字化的方式对各种信息进行处理
B．信息的数字化已逐步被模拟化技术所取代
C．数字化信息需要转化为模拟信息才能被计算机处理
D．所有的声音、图形、文字是数字化信息，都能被计算机直接处理
6．下列有关信息的描述中正确的是（ ）
A
A．模拟信号
B．数字信号
C．数据信号
D．离散信号
7．大部分事物都是连续变化的，比如汽车的速度、空气的温度等等。这些连续变化的信号称为（ ）
A
数据编码
模拟信号与数字信号
模拟信号
数字信号
编码的基本方式
文字编码
图形编码
声音编码
1.有一幅24位的位图图像，像素为1024×80M)。试确定其数据文件的大小。
2．若将上述图像另存为256色位图图像，则文件大小为多大
3.试上网查询有关视频编码的知识，了解视频是如何被编码的。
练
习
课
后

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