1、 1.2 數(shù)字化與編碼 教學目標了解數(shù)字化的意義與作用，能夠距離說明數(shù)字技術(shù)對生活的影響，并陳述數(shù)字化工具和資源的優(yōu)勢。知道數(shù)據(jù)編碼的基本方式，能夠合理選用數(shù)字化工具對多沒有素材進行加工處理，實現(xiàn)多媒體表達。體驗探究信息技術(shù)的發(fā)展與普及為我們創(chuàng)造了一個全新的數(shù)字化生活環(huán)境。例如，共享單車、在線購物、網(wǎng)絡(luò)通信和遠程醫(yī)療等，它們在給我們帶來生活便利的同時，也在逐漸地改變著我們的生活方式。如P13圖1.2.1所示。思考:1. 從使用方式、應(yīng)用工具、時間效率和操作流程等方面對實體超市購物和在線購物、個人單車和共享單車、書信交流和網(wǎng)絡(luò)交流等進行比較，分別說出它們的異同。2. 舉例說明在日常生活和學習中自

2、已經(jīng)常使用哪些數(shù)字化工具，分析它們?nèi)绾胃淖冏约旱纳钆c學習方式。1.2.1數(shù)字化及其作用在自然環(huán)境中，人們可以感知各種各樣的信息。例如，水流速度快慢、環(huán)境溫度變化、空氣污染狀況等。這些信息可以通過連續(xù)的狀態(tài)表示出來，也可以通過離散的狀態(tài)表示出來。例如，水銀體溫計是通過水銀連續(xù)移動的狀態(tài)來表示體溫信息的；數(shù)字體溫計以離散的狀態(tài)給出體溫信息。1.2.1數(shù)字化及其作用 模擬信號和數(shù)字信號 一般來說,通信系統(tǒng)中有兩種主要的信息傳輸形式：一種是模擬信號，其信號波形可以表示為時間的連續(xù)函數(shù)，如圖(a)所示；另一種是數(shù)字信號,它在取值上是離散的、不連續(xù)的，例如以“0”和“1”來表示二進制數(shù)字信號，如圖(b)

3、所示。模擬信號和數(shù)字信號雖然是兩種不同形式的信號，但它們在傳輸過程中是可以相互轉(zhuǎn)換的。1.2.1數(shù)字化及其作用 思考活動：錄像帶中視頻的數(shù)字化查找資料，指出將錄像帶中的視頻轉(zhuǎn)換為計算機中存儲和處理的視頻文件的工具與方法有哪些。1.2.1數(shù)字化及其作用數(shù)字化數(shù)字化是將復(fù)雜多樣的事物屬性或特征轉(zhuǎn)化為計算機可處理對象的過程。這些信息被數(shù)字化后可以更方便地在數(shù)字設(shè)備中存儲、處理和傳輸。數(shù)字化讓人們的生活、學習和工作變得更加便捷。1.2.1數(shù)字化及其作用 數(shù)字化的應(yīng)用當今，社會中復(fù)雜多樣的信息也可以用數(shù)字化形式表達。例如，網(wǎng)絡(luò)商城的賣家需要通過數(shù)字化方式來呈現(xiàn)商品信息：商品的說明書、商品的外觀圖片、商品

4、的操作視頻等。借助數(shù)字化設(shè)備我們可以方便地獲取身邊事物的相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，借助溫度傳感裝置可以方便地采集空氣溫度的數(shù)據(jù)。通過網(wǎng)絡(luò)還可以實現(xiàn)物物相連，并能把所獲取的數(shù)據(jù)進行及時的處理和應(yīng)用?？梢哉f，信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用已把整個世界變成了一個數(shù)字世界。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換 二進制的規(guī)則二進制在計算機等數(shù)字設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，其基本規(guī)則如下: 二進制的基數(shù)為2，兩個基本數(shù)碼是0和1； 采用逢二進一的進位規(guī)則，例如1+1=10； 不同的數(shù)位對應(yīng)不同的權(quán)值，權(quán)值用基數(shù)的冪表示。由于計算機中的操作需要通過二進制來實現(xiàn)，因此計算機中的數(shù)值計算就需要將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換十進制轉(zhuǎn)

5、二進制十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)可采用除2反向取余法，即將十進制整數(shù)除以2，得到商數(shù)和余數(shù)，用商數(shù)再除以2，依此類推直到商數(shù)為0為止，將每次得到的余數(shù)按照逆序排列，即為換算的二進制數(shù)的結(jié)果。二進制轉(zhuǎn)十進制將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，常用的方法是按權(quán)展開求和。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換例1：將十進制數(shù)19轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)解析：將十進制數(shù)19除以2，記錄商和余數(shù)，再將得到的商繼續(xù)除以2，依此類推，直至商為零(如右圖所示)。將余數(shù)逆序排列便可得到結(jié)果：(19)10=(10011)2，其中下標數(shù)字表示進制，也可記為19D=10011B，字母D表示十進制，字母B表示二進制。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換例2：將二

6、進制數(shù)10011轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)解析： 二進制數(shù)中每位數(shù)字的權(quán)是以2為底的冪，按權(quán)展開求和即: (10011)2=124+023+022+121+120=16+0+0+2+1=(19)101.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換其他進制的規(guī)則在計算機科學中，除了使用二進制外，人們還經(jīng)常使用八進制和十六進制。其基本規(guī)則如下：R進制的基數(shù)就是R，通常在數(shù)的右下角標明，遵循“逢R進一”原則。八進制數(shù)和十六進制數(shù)還可以分別用O和H表示。八進制的基數(shù)為8，逢八進一，1位八進制數(shù)可以用3位二進制數(shù)表示。十六進制的基數(shù)為16，逢十六進一，1位十六進制數(shù)可以用4位二進制數(shù)表示。十進制整數(shù)轉(zhuǎn)換成R進制數(shù)采用“除R反向取余法”。

7、R進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)采用“按權(quán)展開求和法”。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換其他進制的規(guī)則 1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換例3：將八進制數(shù)226轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)解析：八進制數(shù)通過除2取余法，得到二進制數(shù)，對每個八進制為3個二進制，不足時在最左邊補零。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換例4：將二進制數(shù)10010110轉(zhuǎn)換成八進制數(shù)解析：3位二進制數(shù)按權(quán)展開相加得到1位八進制數(shù)。注意事項，3位二進制轉(zhuǎn)成八進制是從右到左開始轉(zhuǎn)換，不足時補零。1.2.2二進制與數(shù)制轉(zhuǎn)換例5：將十六進制數(shù)12C轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)解析：十六進制數(shù)通過除2取余法，得到二進制數(shù)，對每個十六進制為4個二進制，不足時在最左邊補零。1.2.2二進制與數(shù)

8、制轉(zhuǎn)換例6：將二進制數(shù)100101100轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)解析：4位二進制數(shù)按權(quán)展開相加得到1位十六進制數(shù)。注意事項，4位二進制轉(zhuǎn)成十六進制是從右到左開始轉(zhuǎn)換，不足時補零。1.2.3數(shù)據(jù)編碼字符編碼圖像編碼聲音編碼視頻編碼1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 字符編碼字符是人與計算機交互過程中不可或缺的重要內(nèi)容，它是多種文字和符號的總稱。由于計算機只識別0和1，因此在處理各種字符時，就需要將字符轉(zhuǎn)換為計算機可以識別的二進制數(shù)據(jù)。在計算機系統(tǒng)應(yīng)用的早期，計算機只能處理英文字母、數(shù)字和常用的英文標點符號，這時期基礎(chǔ)的編碼標準是美國信息交換標準碼( American Standard Code for Inform

9、ation Interchange，ASCII)。ASCII編碼后來被國際標準化組織( International organization for Standardization，ISO)接受為國際標準ISO 646。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 字符編碼為了擴充ASClI編碼，以用于顯示更多的語言文字，不同的國家和地區(qū)制定了不同的字符集和字符編碼標準。但是，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，這些字符編碼有可能存在沖突，同一個編碼在不同的字符集中可能會代表不同的字符。1991年，國際標準化組織和Unicode組織聯(lián)合制定統(tǒng)一碼，也就是unicode。unicode致力于將世界上所有的文字和符號都納入其中。unic

10、ode作為一個字符集，并沒有規(guī)定字符在計算機中存儲和傳輸?shù)木幋a。為了更好地用計算機處理這些字符，還需要規(guī)定具體的字符編碼格式。在我國，常用的編碼方案有UTF-8、UTF-16、UTF-32及我國的國家標準GB180302005等。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 字符編碼計算機中存儲一個“0”或“1”占用1個二進制位(bit)。8個二進制位組成1字節(jié)(byte)。ASCII編碼用1字節(jié)表示英文字母、數(shù)字和常見字符。在GB18030-2005中,大部分常用漢字采用2字節(jié)編碼。計算機中常見的存儲單位與換算關(guān)系如表1.2.1所示。存儲單位換算關(guān)系B(byte)，字節(jié)1B=8b（bit，位）KB(kilobyt

11、e)，千字節(jié)1KB=1024B=210BMB(megabyte)，兆字節(jié)1MB=1024KB=210KB=220BGB(gigabyte)，吉字節(jié)1GB=1024MB=210MB=230BTB(terabyte)，太字節(jié)1TB=1024GB=210GB=240BPB(petabyte)，拍字節(jié)1PB=1024TB=210TB=250BEB(exabyte)，艾字節(jié)1EB=1024PB=210PB=260B表1.2.1 計算機中常見的存儲單位與換算關(guān)系1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 聲音編碼聲音是人們用來表達和傳遞信息的一種重要方式，從物理學上看，聲音是一種波。聲波的振幅反映了聲音響度的強弱，聲波的頻率

12、反映了聲音音調(diào)的高低。應(yīng)用計算機處理聲音時，需要將聲波的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，也就是聲音的數(shù)字化，編碼是其中重要的一步。通常，聲音數(shù)字化的基本方法是按照一定的時間間隔采集聲波的振幅，并將其轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)序列，即通過采樣、量化和編碼來實現(xiàn)。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 聲音編碼 采樣采樣是以相等的時間間隔來測得聲音模擬信號的模擬量值，對其進行離散化提取，如下圖所示。采樣頻率指每秒聲音被測量的次數(shù)，以Hz(赫茲)為單位。例如，高保真音樂采樣頻率一般為44.1kHz，即44100次/s。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 聲音編碼 量化對于采樣所獲得的量值，要進行分級量化，就是將采樣值變換到最接近的數(shù)字值，即用有限

13、個數(shù)的數(shù)值近似地表示原來連續(xù)變化的值。圖1.2.8中共有16個量化級別(015)，因此每個量化值可以用4位二進制數(shù)表示。量化位數(shù)越多，量化值就會越接近采樣值，音頻的精度就越高。如果對一段音樂用256個量化級別進行量化，則每個量化值可以用8位二進制數(shù)表示。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 聲音編碼編碼通過采樣和量化，將一個連續(xù)的波形轉(zhuǎn)換成由一系列二進制數(shù)表示的數(shù)據(jù)，形成二進制編碼。表1.2.2是對圖1.2.8中的量化值用4位二進制數(shù)表示的記錄。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 聲音編碼通常，音頻所占的存儲容量取決于采樣頻率、量化位數(shù)、聲道數(shù)和時長，其計算公式為：音頻所占的存儲容量 = 采樣頻率 量化位數(shù) 聲道數(shù) 時

14、長/8例7：一首時長為100s的雙聲道音樂，采樣頻率為44.kHz，量化位數(shù)為16，計算該音樂的音頻所占的存儲容量。解析：音頻所占的存儲容量 = 44100162100/8 = 17640000B 17640000/1024/1024 17MB1.2.3數(shù)據(jù)編碼 知識拓展：常見的音頻文件格式WA格式：是聲音經(jīng)過數(shù)字化后的文件格式。這種格式記錄了經(jīng)過離散化的聲音波形數(shù)據(jù)。其優(yōu)點是與原聲基本一致，聲音質(zhì)量較高;缺點是文件相對較大。MP3格式：是一種通過有損壓縮存儲聲音的文件格式。其原理是去除了人耳不敏感的高頻部分聲音，特點是聲音失真較小，文件較小。AMR格式：主要用于移動設(shè)備的音頻壓縮，壓縮比例較

15、大，相對其他的壓縮格式質(zhì)量較差。該格式傳輸量較小，實時性較強，因此多用于語音通話。APE格式：是一種無損壓縮格式，以更精煉的記錄方式來縮減體積，還原后數(shù)據(jù)可與原始數(shù)據(jù)保持一致，但壓縮比例通常較小。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 圖像編碼一幅圖像可以看作由許多彩色或各種級別灰度的點組成的，這些點按橫縱進行排列，被稱為像素，如下圖所示。圖像中每個像素的顏色值都用一個或多個二進制位來存儲。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 圖像編碼通過掃描儀、數(shù)字照相機、智能手機和連接在計算機上的攝像頭等設(shè)備，可以把圖像數(shù)字化，再經(jīng)過相關(guān)軟件處理，就可以把圖像轉(zhuǎn)換成相應(yīng)格式的文件進行保存。BMP格式是圖像文件的一種基本格式，由于未經(jīng)壓

16、縮，BMP文件占用的存儲空間通常會比較大。圖1.2.9的左上角是一幅BMP文件原圖，右側(cè)是放大8倍的效果圖。圖中每個網(wǎng)格對應(yīng)一個點，代表組成圖像的像素。圖像尺寸可用像素個數(shù)來表示，即“水平像素數(shù)x垂直像素數(shù)”。例如，圖像尺寸為9072像素，說明該圖像水平方向有90個像素，垂直方向有72個像素。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 圖像編碼通常，圖像所占的存儲容量可用該圖像所有像素的字節(jié)數(shù)來表示，其計算公式為：圖像所占的存儲容量 = 水平像素數(shù) 垂直像素數(shù) 顏色深度/8公式中，圖像的顏色深度指圖像中每像素的顏色所占的二進制位。例如，圖1.2.9只有黑白兩種顏色，只需要1個二進制位就能表示圖中的顏色?？蓪⒑邳c用

17、編碼1表示，白點用編碼0表示。例8：圖像尺寸為9072像素，顏色深度為1，計算該圖像所占的存儲容量。解析：圖像所占的存儲容量 = 90721/8 = 810B1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 圖像編碼常見的彩色圖像顏色深度有8位、16位、24位和32位等，顏色深度為n，能表示的顏色就有2n種。一般來說，顏色深度越大，圖像的色彩就越豐富，圖像占用的存儲空間也就越大。例9：圖像尺寸為9072像素，顏色深度為24位，計算該圖像所占的存儲容量。解析：圖像所占的存儲容量 = 907224/8 = 19440B 19440/1024 19KB高質(zhì)量的BMP圖像數(shù)據(jù)量很大，占用存儲空間較大，所以常用圖像壓縮技術(shù)來減少

18、圖像的數(shù)據(jù)量，提高圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度和效率。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 實踐活動：常見的圖像文件格式圖像文件有多種存儲格式，常見的有 JPG/JPEG、PNG和BMP等。用戶可根據(jù)自己的需求，選擇合適的圖像文件格式。1. 以體質(zhì)健康為主題，選用一種“圖像編輯軟件”創(chuàng)作一幅圖像，分別保存為 JPG/PEG、PNG和BMP文件格式，試從圖像尺寸、大小和清晰度等方面比較它們的差異。查閱資料，分析這三種圖像文件格式的特點。2. 嘗試下載網(wǎng)頁中的圖像文件，描述它們所采用的文件格式，試說明選用相應(yīng)文件格式的原因。1.2.3數(shù)據(jù)編碼 - 視頻編碼視頻畫面是由以一定的速度連續(xù)播放的一組靜態(tài)圖像形成的，這些靜態(tài)圖像被稱

19、為幀。當連續(xù)的圖像變化超過24幀/s時，根據(jù)視覺暫留原理，就會形成比較流暢的視頻畫面了。當前，通過智能手機、平板計算機和數(shù)字攝像機等設(shè)備可以直接錄制數(shù)字視頻。此外，通過視頻采集卡的輸入端口可以采集模擬視頻信號，對其進行數(shù)字化處理后，就可生成數(shù)字視頻文件。常見的視頻文件格式有A、WMV和MP4等。1.2.4數(shù)據(jù)壓縮很多信息,尤其是圖像、音頻和視頻等類型的信息，經(jīng)過數(shù)字化后生成的數(shù)據(jù)量較大，包含了許多冗余信息。例如，一幅圖像中的建筑背景、藍天和綠地,其中許多像素信息是相同的；一段視頻的相鄰幀之間，除了運動物體有少許變化外，其他靜止的像素信息也都是重復(fù)的。因此，在不損失有用信息的前提下，可以按照一定的編碼規(guī)則對數(shù)據(jù)進行重新組合，以去除數(shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)壓縮的目的，是使文件更少地占用存儲空間和縮短傳輸時間。常用的壓縮方法分為無損壓縮和有損壓縮。1.2.4數(shù)據(jù)壓縮 - 無損壓縮無損壓縮指對壓縮后的數(shù)據(jù)進行還原后得到的數(shù)據(jù)與壓縮前完全相同。例如，AAAAAAAA可以用A0