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第1章 数据与信息
浙教版（2019版） 信息技术（高中）
1.3 数据采集与编码
必修1 数据与计算
【1.3.1】△什么是数据采集？
阅读以下内容&列出你觉得是知识点的内容：
·数据采集，是一种利用装置从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。
·数据采集技术广泛应用在各个领域。比如摄像头、麦克风、扫描仪等，都是数据采集工具。
·被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。
（传感器将物理量转换为电信号，电信号分为模拟和数字两类，后续可通过 AD/DA 转换处理）
·早期的数据采集方式一般是通过观察、实验等人工方式得到数据；现在数据获取方式已逐渐以机器获取为主。
——传感器是机器获取数据的一种方式，通常由敏感元件和转换元件组成。
·传感器能随时获取来自自然信源/自然环境的数据；
·传感器可以持续不断地采集数据。
【1.3.2】使用机器获取数据之【传感器】
光电传感器
——
将光信号转化为电信号，实现对物体特性的非接触式检测与测量
你还知道哪些传感器？
·传感器已广泛应用于各行各业；可以将人们的日常行为量化为数据，获取诸如地理位置、海拔高度、睡眠质量等数据；实现感知拓展、运动娱乐、健康检测等功能；以提供个性化服务，改善人们的行为方式。
地感线圈实时记录道路上车辆的通行数据
扬尘在线检测仪
GPS追踪设备可以实时记录野生动物的活动轨迹
自动控制系统
智慧农业：传感器在现代农业中的应用
随着数据采集技术不断精进，天气预报会不会有一天准确率达到100%？
·互联网成了数据采集的主要来源。用户也可以通过应用程序接口（API）采集数据。
·网络爬虫可在短时间内获取大量网络数据。
△网络爬虫又称为网络蜘蛛，是一种按照一定的规则，自动地抓取网页上数据的程序或脚本，网络爬虫通过网页中的超链接在网页间跳转，是搜索引擎的重要组成。
网络爬虫
【1.3.3】从互联网采集数据之【网络爬虫】
【1.3.4】观看视频后回答：什么是数字化？
·模拟信号
·用连续变化的物理量（即模拟量）表示的信息，如电压、电流、温度、压力。
△连续变化：是指在时间和数值上都没有间断、跳跃或无限逼近的振荡，并具有平滑变动的特性，它的图像为一个单一的不破的曲线。
【1.3.4】数字化
正切函数曲线局部连续，整体不连续
可以用正弦函数描述模拟信号
·数字信号
·在取值上是离散的、不连续的信号。
·在计算机中，数字信号的大小常用二进制数表示。
·二进制数：可被计算机存储、处理的数据。
【1.3.4】数字化
上升沿、下降沿是数字信号的典型特征；
模拟信号侧重测量连续变化的物理量。
课后习题
连续变化的物理量和模拟量和模拟信号；
数字量和数字信号，它们是一个概念吗？
·提示：狭义范围的量指量值，信号指波形信号
·数字化是指将模拟信号转换成数字信号的过程。
·在一定条件下，模拟信号和数字信号可相互转换
·数字化设备：模数转换器（ADC）。
△模拟信号转换成数字信号，才能用计算机进行处理。从某种意义上说，数字化是信息社会的技术基础。
△拍照的时候，先通过传感器把光信息这样的模拟信号变成电信号，再通过模数转换把电信号变成二进制数字信号，然后数字信号就存在硬盘等数字设备里。
模拟
信号
数字
信号
数字化
两者在一定条件下可以相互转换
【1.3.4】数字化
·数字化的理论依据是采样定理
即：在一定条件下，用离散的序列可以完全代表一个连续函数。
·模拟信号的数字化过程一般需要经过采样、量化与编码。
·编码是将量化后得到的离散数值，转换为二进制数（ 0 和 1 ）的过程。
将模拟信号转换成数字信号
【1.3.4】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域信号的过程，通过采样器实现。
采样频率 = 总样本数/总采样时间（秒）
·采样频率——每秒的采样样本数。
·单位：赫兹(Hz）
·规律：采样频率越高，模拟信号的保真度越高。
1
采样
·假如某录音设备1秒内采样44100次，则该设备的采样频率是___________ 单位是__________
·换句话说，如果有一台录音设备的采样频率是44.1kHz，那么它每秒采样_________次？
·如果要提高保真度，那应该_______（增大/减小/不变）采样频率？
·理论上说，声音编码中，采样频率越高，声音就越真实。但是现实中，采样频率能不能无限提高？
·常用的CD音质的采样频率就是44.1kHz。
采样频率
·量化指将采样信号用数字表示出来，使用模数转换器（ADC）实现。
·注：连续信号经过采样成为离散信号，离散信号经过量化后可用数值表示。
2
量化
·在音频信号数字化过程中，声音的保真度不仅受到采样频率的影响，也依赖于量化值。
·★量化值一般用二进制数表示，其二进制位数决定了量化的精度，也称作量化位数。
·如量化值的取值范围是0~7，则至少需要用3位（23=8）二进制数表示，即量化位数为3位（bit）。
·量化位数越大，量化精度越高，量化误差越小。
量化位数
·将模拟声音数字化需要经过 、 、 三个过程。
·重放时，这些数字信号送到声卡上的数模转换器（DAC）还原为模拟信号，放大后送到扬声器发声。
【1.3.4】声音信号数字化的过程
“语音信号的数字化”
采样
量化
编码
问题与讨论
既然计算机只能处理数字信号，那么是不是意味着不再需要模拟信号了？
请结合生活实例予以说明（如音频的录制与回放、答题纸的扫描与阅卷等）。
第二课时
进位制 二进制 八进制 十进制 十六进制
标识 B O D H
△任何一种数制都包含两个基本要素：基和权。
△基：基数——是组成该数制的数码个数。K进制的基数为K，包含K个数字。
△权：权值——是指每一个数位上的1对应的值，可表示为基数的若干次幂。
△例如：十进制数的基数就是10，包含10个数字，十进制数 234 中 2 的权是102, 3 的权值是101， 4 的权值是100，所以十进制数 234 还可以表示为 2*102+3*101+4*100
【1.3.5】数的进制
二进制数的特点：
·只存在两种状态，也只能表示两种状态。
·有两个基本数码：0，1。
·采用逢二进一的进位规则。
例如：
1101.01B=1x23+1x22+0x21+1x20+0x2-1+1x2-2
【1.3.5】二进制
十六进制数的特点是：
①由十六个基本数码组成，即0, 1, 2, ···, 9, A, B, C, D, E, F.
②采用逢十六进一的进位规则。
例如：B574H=11x163+5x162+7x161+4x160。
与二进制相类似，H表示十六进制，163，162, 161, 160是不同位置上的权值。
【1.3.5】十六进制
十六进制 十进制 二进制
0 0 0000 0000
1 1 0000 0001
2 2 0000 0010
3 3 0000 0011
4 4 0000 0100
5 5 0000 0101
9 9 0000 1001
A 10 0000 1010
B 11 0000 1011
C 12 0000 1100
F 15 0000 1111
请将下表补充完整（课后作业） 二进制(B) 八进制(O) 十进制(D) 十六进制(H)
101B
15O
42D
72H
（10011011）2
（62）8
（A9）16
答案 二进制 八进制 十进制（默认不标注） 十六进制
101B 5O 5D 5H
001101B 15O 13D DH
101010B 52O 42D 2AH
01110010B 162O 114D 72H
(10011011)2 233O 155D 9BH
(110010)2 (62)8 50 （32）16
(10101001)2 (251)8 169 (A9)16
（101）2 (5)8 5 （5）16
·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。
·生活中的编码——暗号、身份证号码、邮政编码、汽车车牌、......
【1.3.6】编码&解码
暗号“肯德基疯狂星期四v我50”
【1.3.6】生活中的编码
身份证编码
不管是哪种形式的数据，最终存储在计算机中的都是经过一定规则编码后的二进制数字。
计算机对信息进行处理；
实际上是对信息的载体——数据进行处理。
(信息的特性、数据的呈现形式）
【1.3.6】计算机处理信息的本质
04
03
02
01
图像编码
计算机领域中用于存储和传输图像的编码技术。
视频编码
计算机领域中用于压缩和传输视频数据的编码标准。
声音编码
计算机领域中用于处理和传输声音数据的编码方法。
字符编码
计算机领域中用于表示字符的编码方式。
【1.3.6】★计算机领域的编码
【1.3.6】字符编码之ASCII码
·ASCII码是一套基于拉丁字母的计算机编码系统。
·基本的ASCII码一共有128个。
·1个ASCII码存储时占用1个字节。
·该编码使用1个字节(即8位2进制数）中的低7位编码。二进制范围从 0000 0000 ~ 0111 1111 即十六进制的 00 ~ 7F 。
·ASCII码值及对应的字符见附表。
【1.3.6】字符编码之汉字编码
·汉字在计算机内采用二进制编码，我国最早颁布的汉字编码是GB2312标准。汉字编码分为外码、交换码、机内码和字形码。
·1个汉字/1个全角字符用2个字节表示,如“中国！”。
·英文字符如“China!”是ASCII字符，1个字符用1个字节表示。
·b：bit（比特/位），存放一位二进制数，即0或1，是最小的存储容量单位。
·B：Byte（字节），8bit为1字节，为一个基本单位。
1B = 8b 1KB = 1024 B 1MB = 1024 KB 1GB = 1024 MB
1TB = 1024 GB 1PB = 1024 TB 1EB = 1024 PB 1ZB = 1024 EB
【1.3.6】数据存储容量单位
巩固与提升
在16*16点阵字库中每个汉字的字模信息用（ ）个字节存储。
A.16*16 B.32 C.2*2 D.16
B
解析：
一个点需要1位二进制码，即1bit，16个点需要16bit（即2Byte），共16行；
因此，16行 * 2 字节/行 = 32 字节，即16*16点阵表示一个汉字，字形码为32个字节。
·条形码是将信息通过不同宽度的黑白条纹在水平方向线性排列，用以表达一组信息的图形标识符。
△条形码可以标出物品的生产国、制造厂商、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因而在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等领域广泛应用。
我国普遍采用的EAN13条形码
这种条形码由13位数字组成
【1.3.6】一维编码之条形码
·二维码是指信息通过几何图形（一般为黑白方块）在水平和垂直方向（二维方向）组成的图形。
△相对于一维的条形码，二维码的信息存储量更大，功能也更加强大。
△二维码在为人们的生活提供便利的同时，也带来了一定的安全隐患。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。
二维码的安全隐患
【1.3.6】二维编码之二维码
△声音是一种机械波，由物体振动产生，通过介质传播并能被人或动物的听觉器官所感知。
·声音的频率一般以赫兹表示，记为Hz，指每秒周期性振动的次数。
·分贝是用来表示声音强度的单位，记为dB。
·采样频率≠声音频率
·人耳可以感知到的声音，其频率范围在20~20000Hz。
·将模拟声音数字化需要经过____、____、____三个过程。
【1.3.6】声音编码-什么是声音
·声音素材编辑常用的软件： Cool Edit 、 Wave Edit 、 GoldWave 等。
·常见声音文件类型有： .Wave .MP3 .WMA
·声音文件存储量的计算（单位：位）：
★声音存储容量 = 采样频率（Hz） * 量化位数（bit） * 声道数 * 时长（s）
【1.3.6】声音编码的计算
△图像可以由光学设备获取，如照相机、镜子、望远镜及显微镜等；也可以人为创作，如手工绘画。
△随着数字采集技术和信号处理理论的发展，越来越多的图像以数字形式存储。
·数字图像包括矢量图形与位图图像。
【1.3.6】图像编码
·位图图像以像素点的形式存储，图像质量与分辨率有关。像素点越多，图像越真实，越能体现细节，文件也越大。
·对位图进行缩放、扭曲等操作后易失真。
【1.3.6】位图
·矢量图是指用点、直线或者多边形等基于数学方程的几何图元表示的图像。
·矢量图形大小与分辨率无关。
·矢量图存储容量相对较小。缩放、扭曲等操作后不会丢失细节或影响清晰度。
【1.3.6】矢量图
·矢量图文件一般比位图要小，其文件大小与分辨率大小无关。
·矢量图放大不会影响清晰度（不失真）；位图放大会影响清晰度。
【1.3.6】矢量图与位图的区别
·影响位图图像存储容量的因素： 像素数 和 颜色数 。
·位深度：用来表示每个像素颜色的二进制数的长度。
例如：256种颜色的图像，它的位深度为8位。28=256
·常见图像文件格式：按不同的编码方式，可分为BMP、JPEG、GIF、PNG等。
存储容量 = 总像素 * 颜色位深度
单位：（位/bit）
【1.3.6】图像的量化
△单色图像：一个像素点只需要一个二进制位（1 bit）来记录，可以表现出两种颜色，黑像素用“0”表示，白像素用“1”表示。
△灰度图像：每个像素用一个字节（1 Byte）来表示，一个字节可以表示256种不同的灰度。
△彩色图像：RGB模式，真彩色模式，以红绿蓝为基本颜色，每个分量由8位二进制数表示。
【1.3.6】不同图像的位深度
以800 * 600分辨率的位图图像为例，不同的位图图像的容量
图像类别 一个像素所占的位数 总的位数
黑白 1位 800 * 600 * 1
256级灰度 8位 800 * 600 * 8
16色彩色 4位 800 * 600 * 4
256色彩色 8位 800 * 600 * 8
24位真彩色 24位 800 * 600 * 24
·静态的图像连续播放就形成视频。
·视频根据帧速率不同，分为 PAL(25fps) 制式和 NTSC(30fps) 制式。
·常见的视频编码方式有 MPEG1 、 MPEG2 、 MPEG4等。
·常见的视频数据格式主要有：AVI 、 WMV 、 MKV 、MPEG 、MOV等。
逐帧动画
【1.3.6】视频编码-什么是视频
未经压缩的视频文件的存储容量计算公式：
存储容量 = 帧图像存储容量 * 帧频 * 播放时间（s）/8
单位：字节/Byte
一个时长为 10 秒， 320*240 像素， 24 位真彩色， 30 帧/秒的未经压缩的AVI格式无声视频文件，压缩为MP4格式后的文件大小为626KB,其压缩比为（ ）
A. 4:1 B. 11:1 C. 108:1 D. 863:1
C
320*240*24*30*10/8/1024 = 67500(KB)
算一算
1、将1000个苹果放入10个箱子。要取走1~1000中任意个数的苹果，要求不拆开箱子。应如何装箱？结合二进制思想，说明其原理。
2、为了提高声音的保真度，是否可以无限制地提高采样频率与量化位数？
课后练习

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