1.2数字化与编码 课件 2022—2023学年人教中图版高中信息技术必修1（47张PPT）

人教中图版普通高中教科书
第一章 认识数据与大数据
1.1数据、信息与知识
1.2数据化与编码
1.3数据科学与大数据
了解数字化的意义与作用，感受数字技术对生活的影响
理解数据编码的基本方式，合理选用数字化工具解决问题，感受数字化工具的优势
学习目标
体验探索
信息技术的发展与普及为我们创造了一个全新的数字化生活环境。例如，共享单车、在线购物、网络通信和远程医疗等，它们在给我们带来生活便利的同时，也在逐渐地改变着我们的生活方式。
体验探索
思考活动:
从使用方式、应用工具、时间效率和操作流程等方面对实体超市购物和在线购物、个人单车和共享单车、书信交流和网络交流等进行比较，分别说出它们的异同。
举例说明在日常生活和学习中自已经常使用哪些数字化工具，分析它们如何改变自己的生活与学习方式。
数字化及其作用
信息技术现已应用到了社会的方方面面
数字图书馆让我们可以足不出户就获取所需学习资料
公共场所的数数字摄像设别可及时捕捉安保信息，有力地保障社会的安全
数字医疗设施的广泛使用，提高了病例筛选的精确度
数字化正悄然改变着我们的学习、生活与工作方式，推动着社会的变革与发展
数字化及其作用
数字化是将复杂多样的事物属性或特征转化为计算机可处理对象的过程。这些信息被数字化后可以更方便地在数字设备中存储、处理和传输。数字化让人们的生活、学习和工作变得更加便捷。
数字化及其作用
数字化及其作用
数字化及其作用
思考活动：录像带中视频的数字化
查找资料，指出将录像带中的视频转换为计算机中存储和处理的视频文件的工具与方法有哪些。
数字化及其作用
数字化及其作用
模拟信号与数字信号
模拟信号：用传感器直接获得的信号，如声音、温度、压强等，值随时间连续变化，波形光滑。
数字信号：随时间的变化是非连续的，可以由模拟信号转换而来，用二进制表示
模拟信号与数字信号的转换：
1、采样：在横轴上按一定间隔取时刻，得到的瞬时值
2、量化：将采样获得的瞬时值往最接近的整数取整
3、编码：将第二步获得的整数值转换成二进制
数字化及其作用
数字化及其作用
数字化及其作用
模拟信号与数字信号在通信中的优劣
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}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？
数字化及其作用
模拟信号与数字信号在通信中的优劣
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}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
二进制与数制转换
二进制只有1与0两个数字符号
计数特点：逢二进一，即1+1=10
计算机存储数据最小单位是二进制位，用比特（bit）表示，n比特表示2n种状态
计算机存储数据的基本单位是字节，用B表示，8比特构成1字节
二进制中，每个数字在不同位置上具有不同的权值，是基数2的若干次幂
例：10010（2），从右往左权值依次为20、21、22、23、24
思考：10101110（2）从右往左权值依次为？
二进制与数制转换
10010（2）
从右往左权值分别为： 20、21、22、23、24
0*20+1*21+0*22+0*23+1*24
每位上的数字与其对应位置的权值相乘
0+2+0+0+16
求和
二进制转十进制
思考，10101110（2）转换为十进制为？
二进制与数制转换
十进制（非负整数）转二进制（短除法“除二取余法”）
二进制与数制转换
常用进制：二进制、八进制、十进制、十六进制
两种表示方法：
脚标： (100)2 (11)8 (56)10 (4F)16
字母： 100B 11O 34D 4FH
不同进制数的基本特点：
组成：0 1 (2 3 4 5 6 7 (8 9 (A B C D E F)))
基数：N（是几进制就是几）
加减运算规则：逢N进一，借一当N
二进制与数制转换
二进制与数制转换
二进制与数制转换
数据编码
通过数据编码，人们可以方便地存储、检索和使用数据。生活中有许多数据编码的实例，例如居民身份证号码、车辆的车牌号、电影院的座位号等。计算机作为数据处理的一种工具，无论处理的是字符、图像、声音，还是其他形式的内容，都需要转换成二进制形式的编码，这样才能够处理。
数据编码
生活中的编码
数据编码
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字符编码（ASCII码和国标码GBK等）、图像编码、声音编码和视频编码等。
编码的基本方式
数据编码---字符编码
字符是人与计算机交互过程中不可或缺的重要内容，它是多种文字和符号的总称，由于计算机只识别0和1，因此在处理各种字符时，就需要将字符转换为计算机可以识别的二进制数据。
数据编码
数据编码---字符编码
计算机中存储一个“0”或“1”占用1个二进制位(bit)。8个二进制位组成1字节(byte)。ASCII编码用1字节表示英文字母、数字和常见字符。在GB18030-2005中,大部分常用汉字采用2字节编码。
计算机中常见的存储单位与换算关系如下表所示：
数据编码---字符编码
怎么把汉字输入计算机？
怎么把汉字交换成简单的数字信息？
在计算机内部怎么存储和处理汉字的？
计算机怎么实现汉字信息的输出的？
外码（也称输入码）：用来将汉字输入到计算机，常用有拼音码，五笔字型码
交换码（也称区位码）：我国目前使用的是1981年制定的GB2312-80
处理码（也称机内码）：计算机内部汉字都用机内码
字形码：用于汉字的输出显示和打印
汉字编码
数据编码---声音编码
应用计算机处理声音时，需要将声波的模拟信号转换为数字信号，也就是声音的数字化，编码是其中重要的一步。通常，声音数字化的基本方法是按照一定的时间间隔采集声波的振幅，并将其转换为二进制数序列，即通过采样、量化和编码来实现。
3
存储
模拟信号 数字信号
2
量化
1
采样
用到的工具：音频卡
数据编码---声音编码
数据编码---声音编码
通常，音频所占的存储容量取决于采样频率、量化位数、声道数和时长，其计算公式为：
音频所占的存储容量 = 采样频率 × 量化位数 × 声道数 × 时长/8
例7：一首时长为100s的双声道音乐，采样频率为44.kHz，量化位数为16，计算该音乐的音频所占的存储容量。
解析：音频所占的存储容量 = 44100×16×2×100/8 = 17640000B
17640000/1024/1024 ≈ 17MB
数据编码---声音编码
知识拓展：常见的音频文件格式
WAⅤ格式：是声音经过数字化后的文件格式。这种格式记录了经过离散化的声音波形数据。其优点是与原声基本一致，声音质量较高;缺点是文件相对较大。
MP3格式：是一种通过有损压缩存储声音的文件格式。其原理是去除了人耳不敏感的高频部分声音，特点是声音失真较小，文件较小。
AMR格式：主要用于移动设备的音频压缩，压缩比例较大，相对其他的压缩格式质量较差。该格式传输量较小，实时性较强，因此多用于语音通话。
APE格式：是一种无损压缩格式，以更精炼的记录方式来缩减体积，还原后数据可与原始数据保持一致，但压缩比例通常较小。
数据编码---图像与视频编码
数据编码---图像与视频编码
数据编码---图像与视频编码
一幅图像可以看作由许多彩色或各种级别灰度的点组成的，这些点按横纵进行排列，被称为像素，如下图所示。图像中每个像素的颜色值都用一个或多个二进制位来存储。
数据编码---图像与视频编码
如果让你来当图像的编码指挥官，完成下面图像的存储，至少要用多少位二进制编码一个像素？
000:白
001:黄
010:橙黄
011:粉
100:红
111:黑
图像的数字化过程：
000 000 000 000?000 000?000?
000 000 000 000 000?000 000
000 000 000?111?001?111?000
000 000……
数据编码---图像与视频编码
图1.2.9的左上角是一幅BMP文件原图，右侧是放大8倍的效果图。图中每个网格对应一个点，代表组成图像的像素。图像尺寸可用像素个数来表示，即“水平像素数x垂直像素数”。例如，图像尺寸为90×72像素，说明该图像水平方向有90个像素，垂直方向有72个像素。
通常，图像所占的存储容量可用该图像所有像素的字节数来表示，其计算公式为：
图像所占的存储容量 = 水平像素数 × 垂直像素数 × 颜色深度/8
数据编码---图像与视频编码
常见的彩色图像颜色深度有8位、16位、24位和32位等，颜色深度为n，能表示的颜色就有2n种。一般来说，颜色深度越大，图像的色彩就越丰富，图像占用的存储空间也就越大。
例如：图像尺寸为90×72像素，颜色深度为24位，计算该图像所占的存储容量。
解析：图像所占的存储容量 = 90×72×24/8 = 19440B
19440/1024 ≈ 19KB
高质量的BMP图像数据量很大，占用存储空间较大，所以常用图像压缩技术来减少图像的数据量，提高图像的网络传输速度和效率。
数据编码---图像与视频编码
实践活动：常见的图像文件格式
图像文件有多种存储格式，常见的有 JPG/JPEG、PNG和BMP等。用户可根据自己的需求，选择合适的图像文件格式。
以体质健康为主题，选用一种“图像编辑软件”创作一幅图像，分别保存为 JPG/PEG、PNG和BMP文件格式，试从图像尺寸、大小和清晰度等方面比较它们的差异。查阅资料，分析这三种图像文件格式的特点。
2. 尝试下载网页中的图像文件，描述它们所采用的文件格式，试说明选用相应文件格式的原因。
数据编码---图像与视频编码
视频画面是由以一定的速度连续播放的一组静态图像形成的，这些静态图像被称为帧。当连续的图像变化超过24帧/s时，根据视觉暂留原理，就会形成比较流畅的视频画面了。
当前，通过智能手机、平板计算机和数字摄像机等设备可以直接录制数字视频。此外，通过视频采集卡的输入端口可以采集模拟视频信号，对其进行数字化处理后，就可生成数字视频文件。常见的视频文件格式有AⅥ、WMV和MP4等。
数据编码---图像与视频编码
数据编码---图像与视频编码
视频画面是由以一定的速度连续播放的一组静态图像形成的，这些静态图像被称为帧。当连续的图像变化超过24帧/s时，根据视觉暂留原理，就会形成比较流畅的视频画面了。
当前，通过智能手机、平板计算机和数字摄像机等设备可以直接录制数字视频。此外，通过视频采集卡的输入端口可以采集模拟视频信号，对其进行数字化处理后，就可生成数字视频文件。常见的视频文件格式有AⅥ、WMV和MP4等。
数据编码---数据压缩
很多信息,尤其是图像、音频和视频等类型的信息，经过数字化后生成的数据量较大，包含了许多冗余信息。例如：一幅图像中的建筑背景、蓝天和绿地,其中许多像素信息是相同的；一段视频的相邻帧之间，除了运动物体有少许变化外，其他静止的像素信息也都是重复的。
在不损失有用信息的前提下，可以按照一定的编码规则对数据进行重新组合，以去除数据冗余。
数据压缩的目的，是使文件更少地占用存储空间和缩短传输时间
常用的压缩方法分为无损压缩和有损压缩
数据编码---数据压缩
无损压缩指对压缩后的数据进行还原后得到的数据与压缩前完全相同。例如，AAAAAAAA可以用A08来代替。下图显示了这种简单压缩方法的一个示例。从图中可以看出，压缩后的编码在解压后，可以完全复原至压缩前的状态，因此这种压缩方法属于无损压缩。
常用的无损压缩算法有zip压缩算法和7z压缩算法等。压缩后所生成的文件称为压缩包，可能只有原来文件的几分之一，甚至更小。压缩包中的数据可以用压缩软件还原，即恢复到原始状态，这个过程称为解压缩。
数据编码---数据压缩
相对于无损压缩，有损压缩指在压缩过程中会损失一定的信息，压缩后的数据无法还原成压缩前的样子。
例如，音频、图像和视频数字化后存在很多冗余信息，而损失些冗余信息并不影响视听效果，因此有损压缩被广泛应用于音频、图像和视频文件。常见的有损压缩格式有MP3(音频数据压缩格式)、JPEG(图像数据压缩格式)和MPEG(视频数据压缩格式)等。
数据编码---练习提升
1. 文件夹中存放了三个文件。一个文件是存放了3万个汉字的纯文本文件(编码方案为GB18030-2005)；另一个文件是尺寸为1024×768像素、颜色深度为24位的BMP格式的社团徽章图像；还有一个文件是一首时长2min的WAV格式的校歌，采样频率是44.1kHz，量化位数为16位，双声道。如果想把这三个文件通过电子邮件一并发送(假设邮件附件总容量不能超出20MB)，分别计算这三个文件的大小，并且判断它们能否一次性发送成功。
2. 学校档常室里有很多相纸照片资料，有些照片已泛黄。如何将这些资料存储到计算机中？试说出具体的方法。保存后，若要对图像文件中泛黄的部分进行修复，有什么好的方法?