1.2數(shù)據(jù)編碼學(xué)案20232024學(xué)年粵教版高中信息技術(shù)必修1

1.2數(shù)據(jù)編碼【學(xué)習(xí)目標】：了解模擬信號與數(shù)字信號的優(yōu)劣。掌握不同數(shù)據(jù)類型編碼的方式。會計算文件的大小和聲音存儲空間。【重點和難點】：重點：文字、聲音和圖片的編碼方式難點：文件的大小和聲音存儲空間的計算【學(xué)法提示】：自主探究，小組合作等【課時安排】：2課時第1課時【檢查復(fù)習(xí)】：什么是數(shù)據(jù)？（數(shù)據(jù)是現(xiàn)實世界客觀事物的符號記錄，是信息的載體，是計算機加工的對象。）二進制與十進制的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的基本特征。（二進制、語義性、分散性、多樣性與感知性）【課堂探究】：科學(xué)探究一：模擬信號與數(shù)字信號簡單來說，自然界中各種事物變化，都是模擬信號，比如，隨著時間的流逝，太陽緩緩升起，在這里，時間是連續(xù)變化的，太陽的位置也是連續(xù)變化的，每一個時間點，對應(yīng)于一個太陽的位置?，F(xiàn)在，為了研究太陽位置的變化規(guī)律，要將時間與太陽的位置變化關(guān)系交給計算機研究。問題：時間是連續(xù)的，可以無限分下去的，同樣的，太陽的位置點也可以有無窮多個，該如何把這么多的數(shù)據(jù)存儲起來呢？并且，對于研究來說，真的需要將這么多的數(shù)據(jù)存儲下來嗎？（進行離散化的處理，比如早晨8點到10點，每隔5分鐘，記錄一個太陽的位置，這樣，儲存的數(shù)據(jù)是不是大大減少了？現(xiàn)在，對于這個問題，時間變量，變成了每隔五分鐘一個，太陽位置，也相對應(yīng)的變成了離散化的，也就是說，時間是離散化的，幅值也是離散化的。變成了一個數(shù)字信號，也就可以交給計算機處理了。）【精講點撥】：微課：模擬信號與數(shù)字信號模擬信號模擬信號：指用連續(xù)變化的物理量所表達的信息。其信號的幅度、頻率或相位隨時間作連續(xù)變化。模擬信號是一種不僅在時間上連續(xù)、數(shù)值上也連續(xù)的物理量，具有無窮多的數(shù)值，從自然界感知的大部分物理量都是模擬性質(zhì)的，如速度、壓力、溫度、聲音、重量等都是最常見的模擬信號。我們通常又把模擬信號稱為連續(xù)信號。模擬信號是傳導(dǎo)能量的一種方式，在傳播過程中，能量會不斷被損耗而逐漸減弱。模擬信號傳輸過程中,先把信息信號轉(zhuǎn)換成幾乎“一模一樣”的波動電信號(因此叫“模擬”),再通過有線或無線的方式傳輸出去,電信號被接收下來后,通過接收設(shè)備還原成信息信號。實際生產(chǎn)生活中的各種物理量，如攝相機攝下的圖像、錄音機錄下的聲音、車間控制室所記錄的壓力、流t、轉(zhuǎn)速、濕度等等都是模擬信號。數(shù)字信號數(shù)字信號：是離散時間信號的數(shù)字化表示，數(shù)字信號是不連續(xù)的、離散的，其自變量、因變量都是離散的，是對模擬信號進行采樣得到。數(shù)字信號抵抗電路本身干擾和環(huán)境干擾的能力強，有利于存儲、加密和糾錯，具有較強的保密性和可靠性?？偨Y(jié)：模擬信號與數(shù)字信號的優(yōu)缺點名稱模擬信號數(shù)字信號優(yōu)點1、精確的分辨率，在理想情況下，它具有無窮大的分辨率。與數(shù)字信號相比，模擬信號的信息密度更高，它可以對自然界物理量的真實值進行盡可能逼近的描述。2、模擬信號的處理過程更簡單1、抗干擾能力特別強2、有利于存儲、加密和糾錯，具有較強的保密性和可靠性。缺點1、容易受到噪聲影響；2、長距離傳輸會因能量損耗而衰減。1、算法復(fù)雜，技術(shù)要求高2、數(shù)字信號是不連續(xù)的、離散的模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換我們要用計算機來探索現(xiàn)實世界的客觀事物并表示出來，就要把基于現(xiàn)實世界客觀事物的模擬信號與基于計算機的數(shù)字信號之間進行互相轉(zhuǎn)換?；疽笫牵簲?shù)據(jù)的表示、存放和傳遞要方便、可靠、易處理。顯然，在計算機內(nèi)部，數(shù)據(jù)只有經(jīng)過數(shù)字化編碼后才能表示、存放和傳遞。這就涉及到編碼問題。就如同下棋要有制作的棋子棋盤，打撲克打麻將也要有相應(yīng)的撲克麻將，上下課有相應(yīng)的課表時間表一樣，編碼就是一種人為的設(shè)定。編碼：是用預(yù)先規(guī)定的方法將文字、數(shù)字或其它對象編成數(shù)碼，或?qū)⑿畔?、?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成規(guī)定的電脈沖信號。是信息從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過程。為保證編碼正確性，編碼要規(guī)范化、標準化，即需要編碼格式。常見的編碼格式有：莫爾斯密碼、ASCII碼、GB2312碼、位圖圖像編碼、矢量圖像編碼等，也可以按類型分為:文字編碼、圖像編碼、聲音編碼、視頻編碼等。有了提前設(shè)定的編碼，我們就可以將基于現(xiàn)實世界客觀事物的模擬信號與基于計算機的數(shù)字信號之間進行互相轉(zhuǎn)換?？傊?，編碼是數(shù)據(jù)在計算機中存儲及其表現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是人們利用計算機認識世界的基礎(chǔ)。計算機中的數(shù)制計算機存儲的最小單位——二進制位，也叫比特（bit或b）計算機存儲的基本單位——字節(jié)（Byte或B）1字節(jié)=8位或1B=8b計算機中的單位練習(xí):一、選擇題1．?dāng)?shù)字信號相對于模擬信號而言有許多優(yōu)勢，以下不屬于數(shù)字信號優(yōu)勢的是（）A．傳輸過程中不容易被干擾 B．方便存儲C．處理實時性強 D．方便壓縮傳輸2．比如汽車的速度、空氣的溫度等這些連續(xù)變化的信號稱為（）A．模擬信號 B．?dāng)?shù)字信號 C．?dāng)?shù)據(jù)信號 D．離散信號3．下列有關(guān)信息的描述中正確的是（）A．計算機以數(shù)字化的方式對各種信息進行處理B．信息的數(shù)字化已逐步被模擬化技術(shù)所取代C．?dāng)?shù)字化信息需要轉(zhuǎn)化為模擬信息才能被計算機處理D．所有的聲音、圖形、文字是數(shù)字化信息，都能被計算機直接處理4．模擬信號與數(shù)字信號可以相互轉(zhuǎn)換，以下關(guān)于模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號過程說法正確的是（）A．從模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備是DAC。B．該轉(zhuǎn)換過程中首先要對模擬信號進行采樣。C．采樣間隔越長，采樣頻率越高。D．采樣頻率一定是越高越好。第2課時【課前資料準備】：摩斯密碼摩爾斯電碼由兩種基本信號組成：“滴”：短促的點信號“·”“嗒”：一定時間的長信號“—”間隔時間：滴=1t，嗒=3t，滴嗒間=1t字符間=3t，單詞間=7t例：SOS的摩斯密碼：滴滴滴噠噠噠滴滴滴嘗試：利用摩斯密碼發(fā)送信息吧【檢查復(fù)習(xí)】：什么是模擬信號？什么是數(shù)字信號？模擬信號與數(shù)字信號的優(yōu)缺點？【課堂探究】：視頻：有摩斯密碼的電影視頻片斷利用摩斯密碼發(fā)送【精講點撥】：1、文字編碼文字（字符編碼）是效率相對較低的編碼方式，有單字節(jié)碼和雙字節(jié)碼兩種。其中，ASCII碼、莫爾斯碼屬于單字節(jié)碼，國標碼（GBK）碼、統(tǒng)一碼屬于雙字節(jié)碼。ASCII碼ASCII碼（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是美國信息交換標準代碼，用8位二進制為所有的英文字母（大小寫52個）、阿拉伯?dāng)?shù)字（10個）和常用的不可見控制符（33個）以及標點符號、運算符等（33個）建立了轉(zhuǎn)換碼，將符號轉(zhuǎn)換為“0”和“1”構(gòu)成的編碼。例：A編碼為01000001（65）10a編碼為01100001（97）10國標碼由于ASCII碼只包含英文、數(shù)字、和一些控制符號，并不能表示漢字，因此我國設(shè)計了用于處理漢字的簡體中文的GB碼和用于繁體中文的BIG5碼（大五碼）。1980年發(fā)布的《信息交換用漢字編碼字符集》（GB2312）一共收錄了7445個字符，包括6763個漢字和682個其他符號。GB2312主要分為兩個部分：編號127之前的符號跟ASCII碼所表示的意義相同，屬于單字節(jié)碼；編號127之后的符號統(tǒng)一用兩個字節(jié)表示，包含了幾乎所有的簡體中文字。1995年公布的《漢字內(nèi)碼擴展規(guī)范》（GBK1.0）收錄了21886個符號，分為漢字區(qū)和符號區(qū)，漢字區(qū)包括21003個字符。統(tǒng)一碼統(tǒng)一碼，也叫萬國碼、單一碼（Unicode）是計算機科學(xué)領(lǐng)域里的一項業(yè)界標準，包括字符集、編碼方案等。Unicode是為了解決傳統(tǒng)的字符編碼方案的局限而產(chǎn)生的，它為每種語言中的每個字符設(shè)定了統(tǒng)一并且唯一的二進制編碼，以滿足跨語言、跨平臺進行文本轉(zhuǎn)換、處理的要求?！拘〗Y(jié)】：2、圖像編碼微課視頻：圖像編碼（1）圖像編碼是指在滿足一定保真度的條件下，對圖像數(shù)據(jù)進行變換、編碼和壓縮，以較少比特數(shù)表示圖像或圖像中所包含的信息的技術(shù)。（2）位圖，最小單位為光柵點（或稱像素），也叫作點陣圖（或像素圖）。文件的大小=文件頭+信息頭+顏色表項+圖像分辨率×圖像量化位數(shù)÷8其中，圖像分辨率=圖像x方向的像素數(shù)×圖像y方向的像素數(shù)。因為文件頭14個字節(jié)，位圖信息頭40個字節(jié)，每個顏色表項占4個字節(jié)（每一個表項定義一種顏色），當(dāng)圖像的量化位數(shù)為24時沒有顏色表項，沒占用空間相對較小，很多時候計算的位圖大小僅僅指的是數(shù)據(jù)文件的大小。位圖數(shù)據(jù)文件大小=圖像分辨率×圖像量化位數(shù)÷8000011100111000011100111000000010001100010000001000110001000011000000000011010000000000000011000000000000001X方向的像素數(shù)是16，Y方向的像素數(shù)是6，圖像的分辨率是16×6黑白圖像的量化位數(shù)為1文件的大?。?4+40+4×2+16×6×1÷8【探索實踐】：（1）有一幅24位的位圖圖像，分辨率為1024*800。其數(shù)據(jù)文件的大小是多少？位圖文件大?。?4+40+1024×800×24÷8=2457654B≈1024×800×24÷8≈2457600B若將上圖像另存為256色位圖圖像，則文件的大小為多大？位圖文件大?。?4+40+4×256+1024×800×8÷8=821302B≈1024×800×8÷8≈819200B聲音編碼微課視頻：聲音編碼聲音編碼的三部曲：采樣、量化、編碼。（1）采樣。采樣就是把輸入的模擬信號按適當(dāng)?shù)臅r間間隔得到各個時刻的樣本值，使其轉(zhuǎn)換為時間上離散、幅度上連續(xù)的脈沖信號。常用的采樣頻率有三種：44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz。（2）量化。量化是把樣值信號的無限多個可能的取值，近似地用有限個數(shù)的數(shù)值來表示。國標聲音量化等級分為256個，即28個。（3）編碼。編碼是將量化后的采樣值用二進制數(shù)碼表示，并轉(zhuǎn)換為由二進制編碼0和1組成的數(shù)字信號。模擬信號采樣后可用8位二進制數(shù)表示，最高位表示符號，正數(shù)為0，負數(shù)為1。例如，采樣值48的二進制編碼為00110000，100的二進制編碼為11100100。1、聲音的數(shù)字化過程模擬