数据编码

课题：数据编码
主备人：马桂莲审核人：张海杰时间: 2019年9月
【学习目标】
1、了解各类数据（声音、图像、视频、文本等）采集的基本方法
2、能够解释文本、音频等数据的编码原理。

3、一切信息若要用计算机处理，必须数字化，理解数据编码的意义和作用。

【知识梳理】
一、模拟信号与数字信号
按照取值特征，可以将电子设备中处理的信号分为模拟信号和数字信号。

模拟信号的值称为模拟数据。

数字信号的值称为数字数据。

模拟信号是随时间连续变化的物理量所表达的数据，其信号的幅度、频率或相位随时间作连续变化，波形是光滑的。

如声音、温度、压强、压力、电压、时间等。

数字信号是离散时间信号的数字化表示。

数字信号是随时间非连续变化的物理量，以离散值表示的数据。

其信号的自变量、因变量都是离散的。

其波形不是光滑的。

如开关输出的电压和电流脉冲就是离散的信号。

在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。

二、数据编码的基本方式
（一）数字化
在计算机领域，数字化是指把文本、声音、图像和视频等转化为数字设备可处理的数据的过程。

在计算机中用0和1的序列表示，便于数字设备存储、处理和传输。

在计算机中存储一个“0”或“1”占用一个二进制位（bit）。

8个二进制位组成一个字节（Byte）。

（二）常用数据的编码方式
1、字符编码
文本数据（文字）是用来表示一定意思的一系列字符，包括字母、数字、标点符号、汉字等。

（1）英文字符编码：ASCII码（美国信息交换标准码），是1960年香农创立的数字计算机的基本字符编码系统。

用一个字节来存储，占用8个二进制位。

ASCII码定义了大小定英文字母、标点符号、数字等字符和符号，共128个。

（2）汉字编码：常用的输入方式包括声码（如搜狗拼音）输入和形码（如五笔）输入等。

输出字形通常有两种表示方式：点阵和矢量表示方式。

在计算机中，字形通常
以字库文件的形式存储。

汉字编码GB18030-2005，是我国目前使用的强制国家标准，共收录汉字70244个。

它也1980年我国公布的国家标准GB2312-1980编码兼容。

GB2313-1980编码包含6763个汉字和682个其他符号。

在计算机中，常用汉字采用两个字节编码。

（3）Unicode码：用两个字节来表示一个符号，是为了解决传统字符编码方案的局限性而产生的，是全球可以共享的编码字符集，涵盖了世界上很多国家的常用字，其中包括共计74686个简繁体汉字。

2、图像编码
（1）像素（pixel）：一幅图像中纵横排列的许多彩色或灰度的点。

（2）位图：又称为点阵图（像素图），是用像素来表示图像的。

像素的数量越多，图像的信息量就越大；像素的色彩越丰富，图像就越逼真。

图像文件的大小取决于图像尺寸和色彩数量。

通常用扫描仪、数码相机、智能手机、摄像头等设备获取到位图图像。

常见的位图图像文件格式有JPG、PNG、BMP等。

BMP位图格式是图像文件的一种基本格式，由于未经压缩，BMP文件占用的存储空间会比较大。

（3）图像量化位数（又称为图像的色彩深度或位深度）：是图像中每个像素点记录颜色所用二进制数的位数。

例如：黑白两种颜色的图像，只需要1个二进制位就能表示图中的颜色。

黑点用1表示，白点用0表示。

常见的图像色彩深度有8位、16位、24位和32位等。

色彩深度为n位，能表示2n 种颜色。

色彩深度越大，图像文件的色彩就越丰富，图像文件占用的空间也就越大。

（4）图像文件大小的计算公式
图像文件大小=图像宽度（x方向的像素数）×图像高度（y方向的像素数）×色彩深度÷8（字节）
（5）视频图像：是由以一定的速度连续播放的一组静态图像形成的，这些静态图像称为帧。

当连续的图像变化每秒超过24帧时，根据视觉暂留原理，就会形成比较流畅的视频画面了。

常见的视频文件格式有AVI、WMV、MP4等。

3、声音编码
声音是一种波，是模拟信号。

通过采样、量化和编码来实现声音的数字化编码。

（1）采样。

以相等的时间间隔测得各个时刻的模拟量值，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44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz三种。

（2）量化。

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。

就是将采样值变换到最接近的数字值。

（3）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。

例如：如果对一段音乐采用256个量化级别采样，则每个量化值可以用8位二进制数表示。

最高位表示符号，正数为0，负数为1。

量化位数越大，量化值就越接近采样值，音频的精度就越高。

编码采用的二进制位数越多，数据量越大，占用的存储空间也越大。

音频文件大小=采样频率×量化位数×声道数×时间÷8（字节）
常见的音频文件格式有WAV、MP3、AMR、APE等。

三、数据压缩
1、概念：很多信息，尤其是声音、图像和视频等多媒体信息，经过数字化后生成的数据量较大，包含了许多冗余信息。

在不损失有用信息的前提下，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，这就是数据压缩的思想。

2、数据压缩的目的：使文件更少地占用存储空间和缩短传输时间。

3、常用的压缩方法：无损压缩和有损压缩。

无损压缩是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。

常用的压缩软件有WinZip和WinRAR等。

压缩后生成的文件称为压缩包。

压缩包中的数据可以用压缩软件还原，即恢复到原始的状态后才能使用，这个过程称为解压缩。

有损压缩是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数据。

有损压缩被广泛应用于音频、图像和视频文件，损失的冗余信息并不影响视听。

常见的压缩格式有MP3（音频数据压缩格式）、JPG（图像数据压缩格式）和MPG（视频数据压缩格式）等。

【课内探究】
一、两种常见的体温计，帮助理解模拟信号与数字信号。

二、常用的数制：十进制、二进制、八进制、十六进制
（一）二进制在计算机等数字设备中被广泛应用，其基本规则如下：
1、二进制的基数为2，两个基本数码是：0 和1。

2、采用逢二进一的进位规则，例如，1+1=10。

3、不同的数位对应不同的权值，权值用基数的幂表示。

由于计算机中所有数据的操作都需要通过二进制来实现。

需要将十进制整数转换成二进制数，采用除2 逆取余数法。

例1 ：一名同学今年19 岁，将19 转换成二进制是多少呢？
(19)
10=(10011)
2
也可记为19D=10011B，字母D 表示十进制，字母B表示二进制。

当计算机需要将处理完成的数据输出呈现时，要将二进制数转换成十进制
数，常用的方法是按权展开求和。

例2 ：将二进制数10011 转换成十进制。

二进制数中每位数字的权是以2 为底的幂，按权展开求和即：
(10011)2=1×24+0×23+0×22+1×21+1×20=16+0+0+2+1=(19)
10
（二）八进制的基数为8，逢八进一，一位八进制数可以用三位二进制数表示。

（三）十六进制的基数为16，逢十六进一，一位十六进制数可以用四位二进制数表示。

【当堂检测】
1、请将十进制26转换成二进制数。

2、请将二进制数00110000转换成十进制数。

3、一首时长为100秒的双声道音乐，采样频率为44.1k H z，量化位数为16，该音乐文件的大小为多少？
4、图像尺寸为90×72 像素，色彩深度为24 位，计算其文件大小。

5、以体质健康为主题，用“图像编辑软件”创作一幅图像，分别保存为JPG、PNG 和BMP 文件格式，试从图像尺寸、文件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。

【拓展知识】
多媒体素材的采集与加工
1. 文本：可以通过键盘、手写、语音和文字识别软件等方式输入计算机。

常用的文本加工有设置字体、字号、调整段落的行距、缩进和段间距等。

2. 图像：可以通过数码相机、平板电脑等拍摄获取，也可以借助扫描仪扫描纸质图片获取数字图像。

常见的图像加工有修改图像尺寸、变换格式、调整亮度和对比度、裁剪、修饰与合成等。

3. 音视频：音视频一般可以通过计算机、智能手机、平板电脑中的录音机、摄像头和数码摄像机等录制。

音视频的编辑一般有降噪、剪辑、合成和格式转换等。

多媒体素材还可以通过互联网检索下载获得。

更多的支持可访问教学资源平台。

计算机中常见的存储单位与换算关系
常见文件的类型及扩展名。