信息技术必修1 数据与计算1.2 数据的计算精品课件ppt

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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
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，如声音信号、图形信号等。 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（图1-6）； 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（图1-7）。
图1-6  单一频率波形示意图
图1-7  多频率组合波形示意图
模拟信号是传导能量的一种方式。例如，声波通过空气等介质来向远处传送能量，在 传播的过程中，能量会不断被损耗而逐渐衰减， 如图1-8所示。
图1-8  模拟信号的衰减示意图
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 图1-9所示。
图1-9  离散的脉冲信号
分析、比较模拟信号与数字信号在通信应用中的优劣，用简洁的文字将结论填入表 1-2中。
表1-2  模拟信号与数字信号比较
在航海灯语系统中，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作用。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。 1.  实验名称：用手电筒传递信息。 2.  实验目的：了解灯语的使用场景，理解数据编码的必要性。
3.  实验步骤： （1）两人一组，一人控制手电筒开关，按照莫尔斯码发送一组字母，另一人观察手 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。 （2）双方核对信息，多次重复实验。（3）通过分析实验数据，总结该方法传递信息的利弊，提出改进方法。 （4）设计一套自己的灯语，用“密码”传送信息。
1 . 2 . 2 编码的基本方式
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。
ASCII码（American Standard Cde fr Infrmatin Interchange）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（大小写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。从表1-3可知，英文字母A和a的编码分别为01000001（十进制 数65）和01100001（十进制数97）。
表1-3  ASCII码表
在计算机中，英文字母、数字、符号等都可用ASCII码来表示，如大写字母“C” 的编码为8位二进制数01000011，数字“9”的编码为00111001等。可是，中文却难以用 ASCII码来表示。如果要设计一套汉字的编码系统，可以如何进行？仿照ASCII编码系统的 方法，描述大致的设计思路，并在小组内交流。
（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BIG5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）。
图1-10  每一个像素只有两种可能性的黑白图像
位图图像编码 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。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，81，63，7C，81”。
（2）位图文件大小。 在计算机中，每个0或1就是一个位，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。因此，图1-10中所 包含的图形数据为32×2÷8=8个字节。 16色图像，每一个像素有16种可选颜色，称为4位图像（24 =16）；256色图像称为8位 图像（28 =256）；24位图像的可选颜色更丰富，为224种。 实际上，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。
（2）位图文件大小。 在计算机二进制数系统中，每个0或1就是一个位，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。因此，图1-10中所 包含的图形数据为32×2÷8=8个字节。 16色图像，每一个像素有16种可选颜色，称为4位图像（24 =16）；256色图像称为8位 图像（28 =256）；24位图像的可选颜色更丰富，为224种。 实际上，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。
①文件头：包含文件的类型、大小和位图起始位置等信息，共14个字节。 ②位图信息头：用于说明位图的尺寸等信息，占40个字节。 ③颜色信息：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。 ④图形数据：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。 位图文件所占用的空间可按以下公式计算： 文件的大小=文件头+信息头+颜色表项+图像分辨率×图像量化位数÷8 其中，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。
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）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。 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，如图1-11所示。
图1-11  奈奎斯特采样定理示意图
（2）量化 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28 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，如图1-12所示。
图1-12  脉冲幅度调制信号的量化
（3）编码 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。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。
表1-4  声音信号的数据编码
各小组讨论如何减少声音信号还原时的失真，提高声音的保真度。提出改进方案后， 继续实验探索，直到得出结论。
1．有一幅24位的位图图像，像素为1024×800。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．上网查询有关视频编码的知识，了解视频是如何被编码的。