數(shù)據(jù)采集與編碼 課件-高中信息技術(shù)浙教版（2019）必修 1

1.3數(shù)據(jù)采集與編碼數(shù)碼相機(jī)是如何將景物拍攝為圖像文件的？數(shù)據(jù)采集光信號電信號量化編碼存儲數(shù)據(jù)采集計算機(jī)技術(shù)、傳感器的應(yīng)用，使得數(shù)據(jù)的處理方式發(fā)生了巨大的改變，數(shù)據(jù)的處理效率也得到了極大的提高。什么叫數(shù)據(jù)的采集？即收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集有哪些形式？閱讀P12、P13數(shù)據(jù)采集的形式早期：觀察、實驗，人工輸入計算機(jī)從傳感器獲取從互聯(lián)網(wǎng)獲?。壕W(wǎng)絡(luò)爬蟲、API等什么是網(wǎng)絡(luò)爬蟲、API？什么是傳感器？數(shù)據(jù)采集：什么是傳感器？傳感器：獲取來自自然信源的數(shù)據(jù)。一種能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。地感線圈采集交通數(shù)據(jù)生活中有哪些傳感器的應(yīng)用？2020年10月，圖片拍攝于“智慧東昌”展覽館應(yīng)用領(lǐng)域：傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛，電子計算機(jī)、生產(chǎn)自動化、醫(yī)療、軍事、交通、化學(xué)、環(huán)保、能源、海洋開發(fā)、遙感、宇航等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：記錄農(nóng)作物生長的環(huán)境溫度、空氣濕度、風(fēng)力強(qiáng)度、土壤中的營養(yǎng)成分等，跟蹤分析數(shù)據(jù)，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。智能手機(jī)：獲取聲音、圖像、地理位置、海拔高度、運動速度，豐富手機(jī)功能，改善了用戶體驗。運動手表：記錄用戶的運動步數(shù)、心率、睡眠等數(shù)據(jù)，將人們的日常行為量化為數(shù)據(jù)，為用戶提供個性化服務(wù)。數(shù)據(jù)采集:傳感器的應(yīng)用數(shù)據(jù)的采集網(wǎng)絡(luò)爬蟲可在短時間內(nèi)獲取大量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)爬蟲也是通過網(wǎng)頁中的超鏈接在網(wǎng)頁間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，根據(jù)需求按獲取某一方面的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，然后用專門的軟件進(jìn)行處理分析。網(wǎng)絡(luò)爬蟲（網(wǎng)頁蜘蛛）什么是網(wǎng)絡(luò)爬蟲？什么是API？各類設(shè)備又是如何將捕獲到的聲音、影像進(jìn)行編碼的？1、為什么要編碼？——計算機(jī)只能存儲和處理數(shù)字信息。為什么計算機(jī)只只能存儲和處理數(shù)字信息？2、計算機(jī)是如何編碼的？綜上，信息必須轉(zhuǎn)化為數(shù)字的形式才能被計算機(jī)存儲和處理，所以需將日常事物用數(shù)字的形式來表示（廣義：編碼）。且為二進(jìn)制。采樣與量化：以聲音信號的數(shù)字化為例在時間和幅度上都是連續(xù)的信號稱為模擬信號。1、模擬信號數(shù)字信號在時間和幅度上都是離散的信號稱為數(shù)字信號。

2．?dāng)?shù)字音頻聲波是隨時間而連續(xù)變化的物理量，通過能量轉(zhuǎn)換裝置，可用隨聲波變化而改變的電壓或電流信號來模擬。以模擬電壓的幅度來表示聲音的強(qiáng)弱。為使計算機(jī)能處理音頻，必須對聲音信號數(shù)字化。采樣模擬音頻是連續(xù)的；數(shù)字音頻是離散的數(shù)字序列。把模擬音頻轉(zhuǎn)化成數(shù)字音頻，需要進(jìn)行“采樣”。采樣——在一定的采樣周期的模擬音頻波形上取點（幅度值）。采樣周期——采樣時所使用的時間間隔。量化量化位數(shù):量化位數(shù)叫采樣精度或采樣位數(shù),量化位數(shù)是對模擬音頻信號的幅度軸進(jìn)行數(shù)字化所采用的位數(shù)。借助于A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，模擬信號和數(shù)字信號可以互相轉(zhuǎn)換

AnalogueDigital聲音是如何數(shù)字化數(shù)字化音頻的過程如下圖所示。(a)模擬音頻信號(b)音頻信號的采樣(c)采樣信號的量化(1).采樣和量化模擬信號的數(shù)字化過程采樣與量化過程示例

以圖4-1所示的原始模擬波形為例進(jìn)行采樣和量化。假設(shè)采樣頻率為1000次/秒，即每1/1000秒A/D轉(zhuǎn)換器采樣一次，其幅度被劃分成09共10個量化等級，并將其采樣的幅度值取最接近09之間的一個數(shù)來表示，如圖4-2所示。圖中每個長方形表示一次采樣。

當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器從圖4-2得到的數(shù)值中重構(gòu)原來信號時，得到圖4-3中藍(lán)色(直線段)線段所示的波形。從圖中可以看出，藍(lán)色線與原波形(紅色線)相比，其波形的細(xì)節(jié)部分丟失了很多。這意味著重構(gòu)后的信號波形有較大的失真。

左圖為采樣率2000Hz，量化等級為20的采樣量化過程右圖為采樣率4000Hz，量化等級為40的采樣量化過程

當(dāng)采樣率和量化等級提高一倍，從圖中可以看出，當(dāng)用D/A轉(zhuǎn)換器重構(gòu)原來信號時（圖中的輪廓線），信號的失真明顯減少，信號質(zhì)量得到了提高。

(2).影響數(shù)字音頻質(zhì)量的技術(shù)參數(shù)

對模擬音頻信號進(jìn)行采樣量化編碼后，得到數(shù)字音頻。數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于采樣頻率、量化位數(shù)和聲道數(shù)三個因素。1).采樣頻率 采樣頻率是指一秒鐘時間內(nèi)采樣的次數(shù)。在計算機(jī)多媒體音頻處理中，采樣頻率通常采用三種：11.025KHz(語音效果)、22.05KHz(音樂效果)、44.1KHz(高保真效果)。常見的CD唱盤的采樣頻率即為44.1KHz。2).量化位數(shù) 量化位數(shù)也稱“量化精度”，是描述每個采樣點樣值的二進(jìn)制位數(shù)。例如，8位量化位數(shù)表示每個采樣值可以用28即256個不同的量化值之一來表示，而16位量化位數(shù)表示每個采樣值可以用216即65536個不同的量化值之一來表示。常用的量化位數(shù)為8位、12位、16位。3).聲道數(shù) 聲音通道的個數(shù)稱為聲道數(shù)，是指一次采樣所記錄產(chǎn)生的聲音波形個數(shù)。記錄聲音時，如果每次生成一個聲波數(shù)據(jù)，稱為單聲道；每次生成兩個聲波數(shù)據(jù)，稱為雙聲道（立體聲）。隨著聲道數(shù)的增加，所占用的存儲容量也成倍增加。(3).數(shù)字音頻文件的存儲量

以字節(jié)為單位，模擬波形聲音被數(shù)字化后音頻文件的存儲量(假定未經(jīng)壓縮)為：存儲量=采樣頻率×量化位數(shù)×聲道數(shù)×?xí)r間

例如，用44.1KHz的采樣頻率進(jìn)行采樣，量化位數(shù)選用16位，則錄制1秒的立體聲節(jié)目，其波形文件所需的存儲量為：

44100×16／8×2×1=176400(字節(jié))練習(xí)：1、在數(shù)字音頻信息獲取過程中，哪種順序是正確的？A、采樣、量化、壓縮、存儲B、采樣、壓縮、量化、存儲C、采樣、量化、存儲、壓縮D、量化、采樣、壓縮、存儲5分鐘立體聲32位采樣位數(shù)、44.1KZ采樣頻率的聲音,不壓縮的數(shù)據(jù)容量為多少MB?5*60*32*44.1*1000*2/8/1024/1024=0.4M數(shù)制1、什么是二進(jìn)制、十六進(jìn)制？2、十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制間如何轉(zhuǎn)換？數(shù)的進(jìn)制進(jìn)制是一種記數(shù)方式，亦稱進(jìn)位計數(shù)法或位值計數(shù)法。什么是二進(jìn)制？

1.2.1二進(jìn)制代碼有哪些特征？1.只有兩個基本數(shù)碼：0，1；2.采用“逢二進(jìn)一”的進(jìn)位規(guī)則（滿2就向前面一位進(jìn)1）；3.每個數(shù)碼在不同的數(shù)位上，對于不同的位權(quán)。十進(jìn)制：（157）10=1×102+5×101+7×100二進(jìn)制：（10010）2=1×24+0×23+0×22+1×21+0×20

其中每一位數(shù)字1代表的值：102、101、100、

23、

22、

21、

20為該位的權(quán)。通式：（111）a=1×a2+1×a1+1×a0某一位上的”1”所表示的數(shù)值的大小，稱為該位的位權(quán)第n位的位權(quán)等于進(jìn)制的(n-1)次方進(jìn)位制的轉(zhuǎn)換

二進(jìn)制數(shù)不便于書寫和記憶，人們經(jīng)常采用十六進(jìn)制數(shù)來表示他們，因為兩種之間的轉(zhuǎn)換非常方便。(……為什么？)十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制0001112102311341004510156110671117810008910019101010A111011B121100C131101D141110E151111F討論：二進(jìn)制在表示和記憶等應(yīng)用中有什么缺點？每4位二進(jìn)制數(shù)可以用1位十六進(jìn)制數(shù)字代替。什么是十六進(jìn)制？逢16進(jìn)1.2、十六進(jìn)制數(shù)該怎樣表示？（有哪些數(shù)字？）3、為什么要用到字符ABCDEF而不使用10、11、12……？十進(jìn)制0123456789101112131415十六進(jìn)制0123456789ABCDEF

多進(jìn)制數(shù)表示方法小結(jié)：一、括號加下標(biāo)：二、數(shù)的末位用字母標(biāo)識

二進(jìn)制：B十進(jìn)制：D十六進(jìn)制：H八進(jìn)制：O 110B110D110H110O

進(jìn)位制的標(biāo)識：二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制間是如何互轉(zhuǎn)的？人類習(xí)慣于十進(jìn)制計數(shù)、計算機(jī)易于采用二進(jìn)制、十六進(jìn)制處理數(shù)據(jù)，二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制間是如何互轉(zhuǎn)的？一、任何進(jìn)制如何轉(zhuǎn)十進(jìn)制？

位權(quán)展開法：101101B=

D?二、十進(jìn)制如何轉(zhuǎn)其它進(jìn)制？除n取余法十進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制（除二取余法）

125D=

B?十進(jìn)制多進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制方法一：根據(jù)它們在數(shù)位上的對應(yīng)關(guān)系，將二進(jìn)制數(shù)分別轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，每四位一組構(gòu)成一位十六進(jìn)制數(shù)。從最右邊開始，每四位二進(jìn)制一組，當(dāng)最后一位不夠四位時，應(yīng)在左側(cè)添加“0”，湊足四位。例如：將二進(jìn)制數(shù)11110000110111轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制111100001101110011110000110111C733(111100001100111)2

═(3C37)16

思考：二進(jìn)制十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換學(xué)案2方法二：數(shù)碼對應(yīng)表（8421法）十進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制0001112102311341004510156110671117810008910019101010A111011B121100C131101D141110E151111F二進(jìn)制十六進(jìn)制十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制16進(jìn)制轉(zhuǎn)二進(jìn)制 A2H=

B?算一算：+學(xué)案3A5H=

D？1111111B=

D？64D

=

B？F5BH=B?10010100001B=H?作業(yè)

學(xué)案：二、鞏固練習(xí)作業(yè)本P64、5、6相機(jī)又是如何將捕獲到的影像進(jìn)行編碼的？1、為什么要編碼？——計算機(jī)只能存儲和處理數(shù)字信息。為什么計算機(jī)只只能存儲和處理數(shù)字信息？2、計算機(jī)是如何給圖像編碼的？2、計算機(jī)是如何給圖像編碼的？圖像模擬圖像：在二維坐標(biāo)系中連續(xù)變化的圖像，即圖像的像點是無限稠密，且具有灰度值。如通過光學(xué)透鏡系統(tǒng)獲取的圖像。數(shù)字圖像矢量圖形用點、直線或者多邊形等基于數(shù)學(xué)方程的幾何圖元表示的圖像位圖圖像又稱柵格圖像或點陣圖圖像：人對視覺感知的物質(zhì)再現(xiàn)課堂任務(wù)：對比觀察矢量圖與位圖的特征，完成下表：色彩、結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)豐富程度放大是否會失真文件大小比較位圖矢量圖矢量圖矢量圖特點：1、任意放大不會丟失細(xì)節(jié)或影響清晰度；2、色彩、結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)一般不如位圖豐富；3、文件大小一般小于位圖。位圖可由相機(jī)拍攝獲取圖像由不同顏色的像素點構(gòu)成點陣圖。特點：1、放大會失真；2、色彩、結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)豐富；3、存儲容量一般較矢量圖大。圖像文件常用格式：BMP、JPEG、GIF、PNG什么是像素？圖像的采樣：把一張圖像分解成一個一個大小相同的點，這些點稱作像素，是組成位圖的基本單位。假如我是計算機(jī)專家，如何給下圖編碼？

（如何用數(shù)字表示該圖？）一、思考：需要使用多大范圍的數(shù)值來表示圖像采樣之后所有像素的顏色信息？圖像的量化一般用二進(jìn)制數(shù)來表示，其長度也稱為顏色的位深度。位深度為n可以表示2n種色。比如2種顏色的圖像，位深度為1位。位深度：圖像每個像素需占用的存儲空間假如我是計算機(jī)專家，如何給下圖編碼？思考：該方陣圖像占用多大的存儲空間？二、進(jìn)行編碼：黑色：0白色：1討論：如何給彩色的圖像編碼？討論：如何給彩色的圖像編碼？一、量化：思考：若每個像素都具有表現(xiàn)4種顏色的能力，則每像素需占用多少存儲空間？二、記錄每一像素的顏色對應(yīng)的編碼3333333