第二章信息表示和數(shù)字化

1、第二章信息表示和數(shù)字化 2.1 現(xiàn)代信息技術基礎知識現(xiàn)代信息技術基礎知識2.1.1 信息技術基本概念2.1.2 信息技術的產生與發(fā)展2.1.3 信息技術的主要領域2.1.1 信息技術基本概念（1）信息學是關于信息的本質和傳輸規(guī)律的學科，是研究信息的收集、識別、提取、變換、存儲、傳遞、處理、檢索、分析和利用的一門科學信息技術（英文：Information Technology，簡稱IT），是主要用于管理和處理信息所采用的各種技術的總稱信息技術可以理解為與信息處理有關的一切技術，或者說是依據信息科學的原理和方法來實現(xiàn)信息的收集、識別、提取、變換、存儲、傳遞、處理、檢索、分析和利用等的技術，利用信息

2、技術可以使人們更方便地獲取信息、存儲信息、再生信息、利用信息 2.1.1 信息技術基本概念（2）信息技術可分為以下幾方面技術 傳感技術信息的采集技術，對應于人的感覺器官。 通信技術信息的傳遞技術，對應于人的神經系統(tǒng)的功能。 計算機技術信息的處理和存儲技術，對應于人的思維器官。 控制技術信息的使用技術，對應于人的效應器官。 2.1.2 信息技術的產生與發(fā)展（1） 信息是人類生存的基本條件，我們也可以說自從有了人類就有了信息技術 在人類社會發(fā)展歷史上發(fā)生了五次信息技術革命： 第一次信息技術革命是語言的使用，是從猿進化到人的重要標志； 第二次信息技術革命是文字的創(chuàng)造，使信息的存儲和傳遞首次超越了時間

3、和地域的局限； 第三次信息技術革命是印刷術的發(fā)明，為知識的積累和傳播提供了更為可靠的保證； 第四次信息技術革命是電報、 、廣播、電視的發(fā)明和普及，進一步突破了時間和空間的限制； 第五次信息技術革命是計算機技術與現(xiàn)代通信技術的普及應用，將人類社會推進到了數(shù)字化的信息時代。2.1.2 信息技術的產生與發(fā)展（2）人類處理信息的歷史被大致分為4個階段 原始階段手工階段機電階段 現(xiàn)代階段 2.1.2 信息技術的產生與發(fā)展（3）現(xiàn)代信息技術是以微電子技術為基礎，計算機技術為核心，通信技術為三大支柱，以信息應用技術為目標的科學技術群，具體實現(xiàn)對信息的獲取、通信、存儲、處理和控制?，F(xiàn)代信息技術的結構分類：基礎

4、技術：新材料和新能源支撐技術：電子技術，微電子技術，激光技術和生物技術等主體技術：通信技術(Communication ) 、計算機技術(Computer)和控制技術(Control)被稱為信息技術的主體技術(3C技術)應用技術：信息技術在人類生產和生活中的應用現(xiàn)代信息技術的內容信息的獲取感測技術信息的傳輸通信技術，如ISDN，ADSL信息的處理計算機技術信息的控制和存儲（分直接連接存儲、移動存儲和網絡存儲）2.1.2 信息技術的產生與發(fā)展（4）信息技術的發(fā)展趨勢超級計算機網絡技術數(shù)字化技術軟件技術半導體、集成電路等技術信息安全技術2.1.3 信息技術的主要領域現(xiàn)代信息技術主要的技術是感測、通

5、信、計算機、控制等技術，在這些技術的實現(xiàn)過程中，又離不開微電子技術的應用 信息技術的主要領域為：微電子與光電子技術 新型電子元器件和電子信息材料技術 現(xiàn)代通信技術 計算機網絡技術 智能檢測與控制技術IT領域的三大定律領域的三大定律 第一定律：摩爾定律美國人高登摩爾提出摩爾定律。集成電路上可容納的晶體管數(shù)，每隔一年半左右就會增加一倍，性能也提高一倍。即微處理器的速度每18個月翻一翻。l第二定律：吉爾德定律在未來25年，主干網的帶寬每6個月增長一倍，其增長速度是摩爾定律預測的CPU增長速度的3倍。吉爾德定律的提出者是被稱為“數(shù)字時代三大思想家”之一的喬治吉爾德。l 第三定律：麥特卡爾夫定律網絡的價

6、值同網絡用戶數(shù)量的平方成正比，也就是說，N個聯(lián)結創(chuàng)造出N*N的效益。該定律的提出者為以太網的發(fā)明人鮑勃麥特卡爾夫。2.2.1 二進制及其運算 計算機采用二進制數(shù)據的原因 容易實現(xiàn) 僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理元件在技術上很容易實現(xiàn)，如電位的高和低，0和1這兩個數(shù)字就表示這兩種狀態(tài)。 。運算簡單 二進制的運算規(guī)則是“逢二進一，借一當二”，算術運算特別簡單。便于表示邏輯量 二進制的0和1與邏輯量“假”和“真”相對應，便于計算機進行邏輯判別和邏輯運算。 2.2.1 二進制及其運算 計數(shù)制的基本概念計數(shù)制：利用符號來計數(shù)的方法。按進位的方法計數(shù)就稱為進位計數(shù)制。進位計數(shù)制的三個基本概念 數(shù)碼：某種進位計數(shù)制

7、中用來計數(shù)的符號。如十進制的數(shù)碼有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9；二進制的數(shù)碼有0、1?；耗撤N進位計數(shù)制的數(shù)碼個數(shù)。如十進制基為10，二進制基為2。權：在進位計數(shù)制中，數(shù)碼在不同的位置上有不同的值，確定數(shù)位上實際值所乘因子稱為權。 2.2.1 二進制及其運算 十進制 數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9。運算規(guī)則：“逢十進一，借一當十”?；?0，各相鄰位權的比值為10，權的一般形式10n（整數(shù)部分n取值0，1，2，；小數(shù)部分n取值-1，-2，）。任何十進制數(shù)都可以按權展開表達。 例如： 12345.678=1104+2103+3102+4101+5100+610-1+710

8、-2+810-3為了明確表示是十進制數(shù)，也可以在數(shù)后加D，或將數(shù)用小括號括起，在右下角標上基10，例如： 或(12345.678)10。二進制數(shù)碼有0、1。運算規(guī)則“逢二進一，借一當二”?；?，各相鄰位權的比值為2，權的一般形式2n（整數(shù)部分n取值0，1，2，；小數(shù)部分n取值-1，-2，）。任何二進制數(shù)都可以按權展開表達。例如：(11001.011)2 =124+123+120+12-2+12-3二進制數(shù)表示時，可在數(shù)后加B，或將數(shù)用小括號括起，在右下角標上基2，例如： 或(11001.011)2。 2.2.1 二進制及其運算 八進制數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7。運算規(guī)則：“逢八進一

9、，借一當八”?；?，各相鄰位權的比值為8，權的一般形式8n （整數(shù)部分n取值0，1，2，；小數(shù)部分n取值-1，-2，） 。 例如： (12345.671)8 = 184 + 283+382+481+580+ 68-1+78-2+18-3八進制數(shù)表示時，可在數(shù)后加字母O，或將數(shù)用小括號括起，在右下角標上基8，例如： 或(12345.671)8。 2.2.1 二進制及其運算 十六進制數(shù)碼：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，其中A，B，C，D，E，F(xiàn)（也可以是小寫字母）分別表示十進制值10，11，12，13，14，15。運算規(guī)則：“逢十六進一，借一當十六”?；?6，

10、各相鄰位權的比值為16，權的一般形式16n。 例如： (FE12A.6BD)16=15164+14163+1162+2161+10160+616-1+1116-2+1316-3十六進制數(shù)表示時，可在數(shù)后加H，或將數(shù)用小括號括起，在右下角標上基16，例如： 或(FE12A.6BD)16 2.2.1 二進制及其運算 數(shù)制之間的轉換二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)轉換為十進制數(shù) 將一個二、八、十六進制數(shù)轉換成十進制數(shù)，只要將它寫成按權展開表達式，然后求出該表達式的值 例2.1 將二進制數(shù)(11001.011)2轉換成等值的十進制數(shù)。(11001.011)2=124+123+120+12-2+12-32

11、.2.1 二進制及其運算 數(shù)制之間的轉換例2.2 將八進制數(shù)(123.4)8轉換成等值的十進制數(shù)。(123.4)8=182+281+380+48-1例2.3 將十六進制數(shù)(12A.6)16轉換成等值的十進制數(shù)。(12A.6)16=1162+2161+10160+616-12.2.1 二進制及其運算 十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù) 整數(shù)部分和小數(shù)部分轉換方法不同，將這兩部分分別轉換，用小數(shù)點連接起來。整數(shù)部分的轉換方法：除以基數(shù)（2、8、16）取余法一直到商為0止小數(shù)部分的轉換方法：采用乘以基數(shù)取整法，一直到小數(shù)部分為0或者達到所要求的精度為止。 2.2.1 二進制及其運算 例2.

12、4 將十進制數(shù)(37.375)10轉換成等值的二進制數(shù)。2.2.1 二進制及其運算 例2.5 將十進制數(shù)(75.375)10轉換成等值的十六進制數(shù)。2.2.1 二進制及其運算 例2.6 將十進制數(shù)(123.345)10轉換成等值的八進制數(shù)。 2.2.1 二進制及其運算 二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)間的相互轉換 3位二進制數(shù)可以用1位八進制數(shù)表示，4位二進制數(shù)可以用1位十六進制數(shù)表示。2.2.1 二進制及其運算 二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)間的相互轉換 2.2.1 二進制及其運算 二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)間的相互轉換 例2.7 將二進制數(shù)2轉換成等值的十六進制數(shù)。 2.2.1 二進制及

13、其運算 二進制數(shù)、八進制數(shù)、十六進制數(shù)間的相互轉換 例2.8 將八進制數(shù)(1346.752) 8轉換成等值的二進制數(shù)。2.2.1 二進制及其運算 在計算機中，可對二進制數(shù)作兩種基本運算：算術運算和邏輯運算，其中算術運算包括加、減、乘、除，邏輯運算包括與、或、非。二進制數(shù)據的算術運算 加法運算 二進制數(shù)的加法運算規(guī)則如下：0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0 （向高位進位1） 2.2.1 二進制及其運算 例2.9 計算(11010)2+(1011) 2的值。 得到：(11010)2+(1011) 2 =(100101)2 2.2.1 二進制及其運算 減法運算 二進制數(shù)的減法運算規(guī)則如下

14、：0-0=0 1-1=0 1-0=1 0-1=1 （向高位借位1）例2.10 計算(11010)2 - (1011) 2的值 。 得到：(11010)2-(1011) 2 =(1111)2 2.2.1 二進制及其運算 乘法運算 二進制數(shù)的乘法運算規(guī)則如下：00=0 01=0 10=0 11=1例2.11 計算(11010)2(1011) 2的值。 2.2.1 二進制及其運算 2.2.1 二進制及其運算除法運算 二進制數(shù)的除法運算規(guī)則如下：除法：01=0 11=1例2.12 計算(1100101)2(1011) 2的值 。 二進制信息的邏輯運算邏輯信息的表示方法可以表示“真”與“假”、“對”與“

15、錯”、“是”與“非”等具有邏輯性質的信息稱為邏輯量，二進制的1和0在邏輯上可以表示這種信息。 基本邏輯運算基本邏輯運算包括與（常用符號、表示）、或（常用符號+、表示）、非（常用符號表示）。 2.2.1 二進制及其運算 二進制信息的邏輯運算邏輯與運算邏輯與運算表示這樣的邏輯關系，當一個事件的條件同時具備（為真）時，這一事件才會發(fā)生（為真）。邏輯與運算規(guī)則：00=0 01=0 10=0 11=12.2.1 二進制及其運算 二進制信息的邏輯運算邏輯或運算 邏輯或運算表示這樣的邏輯關系，決定一個事件的條件中，有一個或一個以上條件具備（為真）時，這一事件就會發(fā)生（為真）。 邏輯或運算規(guī)則：00=0 01

16、=1 10=1 11=1 2.2.1 二進制及其運算 二進制信息的邏輯運算邏輯非運算 邏輯非運算表示邏輯的否定。 邏輯運非算規(guī)則：0=1 1=0 2.2.1 二進制及其運算 二進制信息的邏輯運算邏輯運算是計算機中最基本的運算，三種基本邏輯運算可以混合使用。邏輯運算的優(yōu)先級依次為“非”、“與”和“或”；改變優(yōu)先級的方法是使用括號“（ ）”，括號內的邏輯式優(yōu)先執(zhí)行。若A、B、C、D分別表示本科、碩士、博士學歷和女性，則符合“學歷為本科以上女性”條件的邏輯表達式為（ABC）D。 2.2.1 二進制及其運算 二進制信息的邏輯運算邏輯異或運算邏輯異或運算表示這樣的邏輯關系，決定一個事件的兩個條件相同時，

17、這一事件就不會發(fā)生，當決定一個事件的兩個條件不相同時，這一事件會發(fā)生。邏輯異或常用符號表示。 邏輯異或運算規(guī)則：0 0=0 0 1=1 1 0=1 1 1=0 2.2.1 二進制及其運算 例2.5 邏輯運算舉例。2.2.1 二進制及其運算 信息的計量單位各種信息在計算機內部都以二進制形式存儲。 基本存儲單位 位(bit)：比特，計算機存儲信息的最小單位，能夠存儲二進制數(shù)據中的一位數(shù)據0或1。 字節(jié)(Byte)：計算機信息處理和存儲分配的基本單位，由8位二進制位組成，簡記為B，1B=8bit。 擴展存儲單位 KB：千字節(jié)。1KB=210B=1024B MB：兆字節(jié)。1MB=210KB=1024K

18、B GB：吉字節(jié)。1GB=210MB=1024MB TB：太字節(jié)。1TB=210GB=1024GB 2.2.1 二進制及其運算 數(shù)值在計算機中是以二進制形式表示的，除了要表示一個數(shù)的值外，還要考慮符號、小數(shù)點的表示。正、負號只能用0、1表示。整數(shù)的表示用存放整數(shù)的最高數(shù)位表示數(shù)的符號，正數(shù)為0，負數(shù)為1，整數(shù)表示有：原碼、反碼、補碼三種。計算機系統(tǒng)中大多用補碼表示整數(shù)。 2.2.2 數(shù)值在計算機中的表示 正整數(shù)的原碼、反碼、補碼相同，最高位為符號位，值為0，其它位是數(shù)值位，存放整數(shù)的二進制形式。負整數(shù)三種編碼表示方式不相同。原碼 最高位為符號位，值為1，其它位是數(shù)值位，存放負整數(shù)絕對值的二進制

19、形式。 如 -39原=10100111，-1原=10000001在原碼表示中，0有兩種表示形式，即：+0原=00000000，-0原=10000000 8位帶符號數(shù)原碼表示的范圍為-127+127。2.2.2 數(shù)值在計算機中的表示 反碼最高位為符號位，值為1，數(shù)值位是原碼的數(shù)值位按位求反。如 -39反=11011000，-1反=11111110 補碼 最高位為符號位，值為1，數(shù)值位是原碼的數(shù)值位按位求反再加1，即反碼加1。如 -39補=11011001，-1補=11111111 2.2.2 數(shù)值在計算機中的表示 定點數(shù)和浮點數(shù)定點數(shù)小數(shù)點位置固定的數(shù)，在計算機中沒有設專門表示小數(shù)點的數(shù)位，小數(shù)

20、點的位置是約定默認的。 定點數(shù)表示法簡單直觀，但是表示的數(shù)值范圍受表示數(shù)據的字長限制，運算時容易產生溢出。 2.2.2 數(shù)值在計算機中的表示 定點數(shù)和浮點數(shù)浮點數(shù)小數(shù)點的位置可以變動的數(shù)，類似于十進制中的科學計數(shù)法。 例如：1100101.011=0.11001010112111 -0.0000101101=-0.1011012-100 一般浮點數(shù)在機器中的格式為： 2.2.2 數(shù)值在計算機中的表示 ASCII碼ASCII碼(American Standard Code for Information Interchange，美國標準信息交換碼)，是由美國國家標準局提出的一種信息交換標準代碼，

21、是目前計算機中使用最廣泛的西文字符編碼。采用7位二進制編碼，有0127即128個編碼，可表示128個字符。2.2.2 文本信息在計算機中的表示 漢字編碼方案在輸入、內部的存儲與處理、輸出時，為了確切的表示漢字及方便處理，要采用不同的編碼，計算機漢字處理系統(tǒng)在處理漢字時，不同環(huán)節(jié)采用不同的編碼，這些不同編碼根據使用要求要相互轉換。漢字信息處理過程如下圖所示。 2.2.2 文本信息在計算機中的表示 1 1 國標碼國標碼 國標碼規(guī)定：一個漢字用兩個字節(jié)來表國標碼規(guī)定：一個漢字用兩個字節(jié)來表示，每個字節(jié)只用前示，每個字節(jié)只用前7位，最高位均未作位，最高位均未作定義，如圖所示。定義，如圖所示。2 2 內

22、碼與外碼內碼與外碼 國標碼是一種機器內部編碼，也稱內碼，國標碼是一種機器內部編碼，也稱內碼，其主要作用是統(tǒng)一不同的系統(tǒng)之間所用的其主要作用是統(tǒng)一不同的系統(tǒng)之間所用的不同編碼。通過將不同系統(tǒng)使用的不同編不同編碼。通過將不同系統(tǒng)使用的不同編碼統(tǒng)一轉換成國標碼，不同系統(tǒng)之間的漢碼統(tǒng)一轉換成國標碼，不同系統(tǒng)之間的漢字信息就可以相互交換。字信息就可以相互交換。與內碼相對應，輸入法編碼稱為外碼。與內碼相對應，輸入法編碼稱為外碼。 3 3 漢字字形碼漢字字形碼 漢字的內碼代表的是漢字惟一性的交漢字的內碼代表的是漢字惟一性的交換碼，即給出漢字一個名，而這個漢字的換碼，即給出漢字一個名，而這個漢字的外形如何卻不

23、在內碼之內。漢字筆畫多、外形如何卻不在內碼之內。漢字筆畫多、外形千差萬別，這就需要為每個漢字給出外形千差萬別，這就需要為每個漢字給出一個外形，一般用點陣表示，這就是漢字一個外形，一般用點陣表示，這就是漢字字模。字模。 如圖所示是如圖所示是“啊啊”字的點陣外形。圖字的點陣外形。圖中有中有1616個方格，稱個方格，稱1616點陣，每點陣，每一個方格用一個二進制代碼表示，用一個方格用一個二進制代碼表示，用1表表示黑點，用示黑點，用0表示白點。存儲在計算機中表示白點。存儲在計算機中的漢字和符號的外形集合稱為漢字庫。常的漢字和符號的外形集合稱為漢字庫。常用的漢字字庫除用的漢字字庫除1616點陣漢字庫之外

24、，點陣漢字庫之外，還有還有2424點陣漢字庫、點陣漢字庫、3232點陣漢點陣漢字庫等。字庫等。 漢字輸入碼 輸入碼就是用鍵盤輸入漢字的編碼，是用戶向計算機輸入漢字的手段。 大體可分為順序碼、音碼、形碼、音形碼四類，各種輸入法對同一漢字的編碼不相同，輸入碼也稱為“外碼”。 在有的輸入法中，一個“外碼”與多個漢字對應，稱為“重碼”， 為了提高漢字錄入速度，目前提供了很多智能化的輸入方法，如語音輸入、筆輸入、掃描輸入。 2.2.2 文本信息在計算機中的表示 2.2.3 多媒體數(shù)據信息在計算機中的表示2.2.3.1 信息的數(shù)字化過程2.2.3.2 聲音信息的采集與數(shù)字化2.2.3.3 圖像信息的采集與

25、數(shù)字化2.2.3.4 視頻信息的采集與數(shù)字化2.2.3.1 信息的數(shù)字化過程信息的數(shù)字化，一般包含三個階段：采樣、量化和編碼。 1、采樣（sampling）指通過周期性地以某一規(guī)定間隔截取模擬信號，從而將模擬信號變換為數(shù)字信號的過程。這種把模擬信號轉成數(shù)字信號的過程，所用到的主要器件便是模擬/數(shù)字轉換器。采樣定理，又稱香農采樣定理、奈奎斯特采樣定理采樣將一個信號（即時間或空間上的連續(xù)函數(shù)）轉換成一個數(shù)值序列（即時間或空間上的離散函數(shù)）。采樣定理指出，如果信號是帶限的，并且采樣頻率高于信號帶寬的一倍，那么，原來的連續(xù)信號可以從采樣樣本中完全重建出來。2、量化 指將信號的連續(xù)取值近似為有限多個離散

26、值的過程。量化的作用，是把采樣后的樣本值的范圍分為有限多個段，把落入某段中的所有樣本值用同一值表示，是用有限的離散數(shù)值量來代替無限的連續(xù)模擬量的一種映射操作。量化位數(shù)越高，樣本值量的確定越精細。3、編碼 就是將經過采樣、量化的到的離散數(shù)據記錄下來，按一定的規(guī)則進行組織，形成計算機內部運行的數(shù)據，以利于計算機處理。編碼的作用，是把離散的數(shù)值量按照一定的規(guī)則，轉換為二進制碼，也就是數(shù)字信號。 2.2.3.2 聲音信息的采集與數(shù)字聲音信息的采集與數(shù)字化化1、聲音信息的采集錄制聲音的硬件設備主要有麥克風或錄音機等電聲設備和聲卡等 聲卡實現(xiàn)了聲波 / 數(shù)字信號相互轉換的硬件設備2、聲音信息的數(shù)字化為了把

27、模擬信號數(shù)字化，首先要對模擬信號進行采樣。根據Nyquest采樣定律，通常其采樣頻率至少是信號中的最高頻率分量的兩倍。 在每個固定時間間隔內對模擬音頻信號截取一個振幅值，并用給定字長的二進制數(shù)表示，可將連續(xù)的模擬音頻信號轉換成離散的數(shù)字音頻信號 3、音頻文件的格式音頻文件可分為波形文件（如WAV、MP3音樂）和音樂文件（如手機MIDI音樂）兩大類 目前較流行的音頻文件有WAV、MP3、WMA、RM 、MID 等2.2.3.3 圖像信息的采集與數(shù)字化 1、圖像的采集與數(shù)字化數(shù)字圖像（Image）可以由數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機、掃描儀、手寫筆等多媒體設備獲取多媒體設備按照計算機能夠接受的格式，對自然

28、圖像進行數(shù)字化處理，然后通過多媒體設備與計算機之間的接口傳輸?shù)接嬎銠C，并且以文件的形式存儲在計算機中 2、 圖像的色彩深度圖像由像素點陣構成，也稱為位圖。位圖實際上是一個像素值陣列，像素陣列存儲在一個字節(jié)數(shù)組中，每一個像素的位數(shù)可以是1、4、8或24 單色位圖的字節(jié)數(shù)組中的每一位代表一個像素16色位圖的字節(jié)數(shù)組中每一個字節(jié)存儲兩個像素256色的位圖每一個字節(jié)存儲一個像素真彩色位圖中每個像素用三個字節(jié)來表示如果是為黑白圖像（如文字），圖像中的每個像素點用1位二進制數(shù)表示（0為白，1為黑色），這種圖像稱為二值圖像 如果圖像是為灰度圖，圖像中每個像素點的亮度值用8位二進制數(shù)表示，亮度表示范圍有0255個灰度等級 如果是彩色圖像，則R（紅）、G（綠）、B（藍）三基色每種顏色用8位二進制數(shù)表示，這時色彩深度為24位，它可以表達1670萬種色彩 3、 圖像的分辨率分辨率是數(shù)字化圖像的重要性能指標，圖像分辨率越大，圖片文件的尺寸越大，也能表現(xiàn)更豐富的圖像細節(jié) 圖像分辨率：數(shù)字化圖像水平與垂直方向像素的總和。例如，800萬像素的數(shù)碼相機，圖像最高分辨率為32642448等。屏幕分辨率：一般用顯示器屏幕水平像素垂直像素表示，如1