《信息的表示與編碼》課件

信息的表示與編碼信息的表示與編碼是計算機(jī)科學(xué)中的一個重要概念，它涉及將現(xiàn)實世界中的信息轉(zhuǎn)化為計算機(jī)能夠理解和處理的形式。通過編碼，我們可以將文本、數(shù)字、圖像和聲音等各種信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以便計算機(jī)進(jìn)行存儲、傳輸和處理。課程導(dǎo)言課程概述本課程深入探討信息表示與編碼原理，涵蓋數(shù)字信號、編碼分類、二進(jìn)制編碼、字符編碼、圖像編碼、音頻編碼和視頻編碼等主題。通過學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生將掌握信息的數(shù)字化表示方法，了解編碼的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，為后續(xù)計算機(jī)科學(xué)學(xué)習(xí)打下堅實基礎(chǔ)。學(xué)習(xí)目標(biāo)理解信息的本質(zhì)及其表示方式，掌握數(shù)字信號和模擬信號的概念。學(xué)習(xí)不同類型編碼的原理，了解編碼技術(shù)在計算機(jī)科學(xué)中的應(yīng)用。能夠運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實際問題，并具備獨立思考和創(chuàng)新能力。信息的基本概念信息傳遞信息的傳遞是指信息從一個地方到另一個地方的傳輸過程。信息傳輸?shù)拿浇榭梢允锹曇?、文字、圖像等。信息處理信息處理是指對信息進(jìn)行收集、整理、分析、加工、存儲和檢索等操作。信息使用信息使用是指將信息應(yīng)用于實際生活中，以幫助人們做出決策、解決問題或完成任務(wù)。信息價值信息的價值體現(xiàn)在它對人們的決策、行動和認(rèn)知的影響力。數(shù)字信號和模擬信號1模擬信號連續(xù)變化的信號，如聲音、溫度、光線等。2數(shù)字信號離散的信號，用數(shù)字表示，如計算機(jī)數(shù)據(jù)、數(shù)字音頻等。3模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號通過采樣、量化和編碼過程完成，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。編碼的作用和分類信息壓縮編碼可以減少數(shù)據(jù)存儲和傳輸所需的空間，提高效率。例如，壓縮圖像文件。信息保護(hù)編碼可以保護(hù)信息，使其免受干擾或篡改。例如，使用密碼對信息進(jìn)行加密。信息傳輸編碼可以將信息轉(zhuǎn)換為適合特定介質(zhì)傳輸?shù)母袷健＠?，將文本信息轉(zhuǎn)換為摩爾斯電碼。信息處理編碼可以方便計算機(jī)處理信息，例如將字符轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼以進(jìn)行運(yùn)算。二進(jìn)制編碼基本概念二進(jìn)制編碼使用0和1來表示信息。它是一種數(shù)字系統(tǒng)，每個位置上的數(shù)字代表2的冪次方。優(yōu)勢它簡單易于實現(xiàn)，計算機(jī)可以使用電子開關(guān)來表示0或1，從而進(jìn)行高效的信息處理。應(yīng)用二進(jìn)制編碼廣泛應(yīng)用于計算機(jī)科學(xué)，從存儲數(shù)據(jù)到執(zhí)行指令，它都是計算機(jī)工作的基礎(chǔ)。二進(jìn)制編碼的基本規(guī)則1基數(shù)為2二進(jìn)制編碼使用0和1兩個數(shù)字進(jìn)行表示，每個數(shù)字位可以表示兩種狀態(tài)。2位權(quán)每個二進(jìn)制數(shù)位都有一個對應(yīng)的權(quán)值，權(quán)值從右至左依次為2的冪次方。3組合規(guī)則通過將不同位上的0和1進(jìn)行組合，可以表示不同的數(shù)值、字符或其他信息。常見的二進(jìn)制編碼方式1BCD碼用四位二進(jìn)制數(shù)來表示一位十進(jìn)制數(shù)，適合于十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算。2格雷碼相鄰代碼只有一位不同，可以有效防止誤碼的產(chǎn)生。3ASCII碼用于表示英文字符、數(shù)字、控制符號等，是常見的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)。4Unicode編碼支持多種語言的字符，能夠表示更多字符，解決ASCII碼的局限性。數(shù)值的二進(jìn)制表示二進(jìn)制數(shù)使用0和1來表示數(shù)字，每個數(shù)字稱為一個位(bit)。二進(jìn)制數(shù)的位值從右到左依次增加，每個位的權(quán)值是2的冪次方。例如，二進(jìn)制數(shù)1011的十進(jìn)制表示為1*23+0*22+1*21+1*20=8+0+2+1=11。定點二進(jìn)制數(shù)表示方式定點二進(jìn)制數(shù)用固定長度的位數(shù)表示，其中一部分位用于表示整數(shù)部分，另一部分位用于表示小數(shù)部分。分類根據(jù)小數(shù)點的位置，可分為定點整數(shù)和小數(shù)。運(yùn)算定點二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算與十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算類似，例如加減乘除。浮點二進(jìn)制數(shù)表示范圍更廣浮點數(shù)可以表示比定點數(shù)更大或更小的數(shù)值，包括小數(shù)和科學(xué)計數(shù)法表示的數(shù)字。精度受限由于浮點數(shù)用有限的位數(shù)表示，精度會受到限制，可能存在舍入誤差。結(jié)構(gòu)復(fù)雜浮點數(shù)通常由符號位、指數(shù)位和尾數(shù)位組成，結(jié)構(gòu)比定點數(shù)復(fù)雜。應(yīng)用廣泛浮點數(shù)在計算機(jī)科學(xué)中廣泛應(yīng)用，尤其在科學(xué)計算、圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。數(shù)字編碼的性質(zhì)唯一性每個編碼都對應(yīng)唯一的數(shù)字或字符，確保信息傳遞的準(zhǔn)確性?？勺x性數(shù)字編碼可通過特定的解碼器讀取，方便計算機(jī)識別和處理信息。高效性數(shù)字編碼將信息轉(zhuǎn)換為簡潔的數(shù)字形式，提高了信息傳輸和存儲的效率。數(shù)字編碼的轉(zhuǎn)換進(jìn)制轉(zhuǎn)換不同進(jìn)制之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，例如將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。編碼格式轉(zhuǎn)換將一種編碼格式轉(zhuǎn)換為另一種編碼格式，例如將ASCII編碼轉(zhuǎn)換為Unicode編碼。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換將一種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為另一種數(shù)據(jù)類型，例如將整數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)。字符編碼定義字符編碼是將字符映射到數(shù)字的規(guī)則。每個字符在計算機(jī)中都使用唯一的數(shù)字來表示。重要性字符編碼使計算機(jī)能夠處理和存儲各種語言的文本。沒有字符編碼，計算機(jī)只能處理數(shù)字。發(fā)展歷程從早期的ASCII編碼到現(xiàn)在的Unicode編碼，字符編碼技術(shù)不斷發(fā)展，以支持更多字符和語言。ASCII編碼ASCII編碼美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，最早的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)。字符表示使用7位二進(jìn)制數(shù)表示128個字符，包括英文字母、數(shù)字和符號。應(yīng)用范圍廣泛用于計算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信，例如文本文件、電子郵件和網(wǎng)頁。局限性只能表示英文字符，無法表示其他語言的字符，比如漢字。Unicode編碼統(tǒng)一字符集Unicode是一個國際標(biāo)準(zhǔn)，為世界上所有計算機(jī)系統(tǒng)中的字符定義了一個統(tǒng)一的編碼。它包含了幾乎所有語言的字符，例如英文、中文、日文、韓文等。字符映射Unicode編碼將每個字符映射到一個唯一的數(shù)字，稱為代碼點。代碼點使用16進(jìn)制表示，例如，字母A的Unicode代碼點為U+0041。字符編碼格式Unicode編碼有多種格式，例如UTF-8、UTF-16和UTF-32。UTF-8是目前最常用的格式，它使用可變長度的字節(jié)序列來表示Unicode字符。圖像編碼1圖像數(shù)字化將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的過程。2像素化將圖像分解成像素，每個像素代表一個顏色值。3壓縮通過減少數(shù)據(jù)量，降低存儲空間和傳輸帶寬的需求。位圖和矢量圖位圖位圖圖像由像素網(wǎng)格構(gòu)成，每個像素代表一個顏色值。它們通常用于照片、掃描圖像和逼真的圖像。矢量圖矢量圖使用數(shù)學(xué)公式和線條來定義圖像，而不是像素。它們用于線條圖、徽標(biāo)和圖形，因為它們可以無損地縮放和旋轉(zhuǎn)。圖像的顏色編碼RGB顏色模型RGB模型使用紅、綠、藍(lán)三原色混合表示各種顏色。每種顏色使用0-255之間的數(shù)值表示強(qiáng)度。CMYK顏色模型CMYK模型使用青、品紅、黃、黑四色混合表示各種顏色。用于印刷領(lǐng)域，其中黑墨用于提高色彩飽和度和清晰度。HSV顏色模型HSV模型使用色調(diào)、飽和度和明度三個屬性描述顏色。更直觀地反映人類對顏色的感知。無損和有損壓縮無損壓縮保留原始數(shù)據(jù)的所有信息，不會損失任何數(shù)據(jù)。解壓縮后可完全還原原始數(shù)據(jù)。有損壓縮根據(jù)一定的算法去除冗余數(shù)據(jù)，在壓縮過程中會丟失部分信息，解壓縮后無法完全還原原始數(shù)據(jù)。選擇壓縮方式無損壓縮適合需要精確保存數(shù)據(jù)的場景，有損壓縮適合對數(shù)據(jù)質(zhì)量要求不高且需要節(jié)省存儲空間的場景。音頻編碼模擬音頻信號模擬音頻信號是連續(xù)的，隨時間變化而變化，可以表示自然界聲音的豐富細(xì)節(jié)。數(shù)字音頻信號數(shù)字音頻信號將模擬信號數(shù)字化，用離散的數(shù)值表示，便于存儲和傳輸。音頻采樣將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，需要進(jìn)行采樣，即在特定時間點獲取信號值。量化量化將連續(xù)的采樣值映射到有限的離散值，降低了精度，但便于數(shù)字存儲和處理。模擬音頻信號連續(xù)變化的波形模擬音頻信號是聲音波形，可以以連續(xù)方式變化，反映聲波的頻率和振幅。模擬信號特點模擬信號能夠捕捉聲音的細(xì)微變化，產(chǎn)生逼真的音質(zhì)，但易受噪音干擾，且難以存儲和傳輸。模擬音頻設(shè)備傳統(tǒng)音頻設(shè)備，例如黑膠唱片、磁帶、收音機(jī)，使用模擬信號處理聲音。數(shù)字音頻信號數(shù)字化聲音模擬音頻信號經(jīng)過數(shù)字化處理，轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。離散采樣對連續(xù)的模擬音頻信號進(jìn)行定期采樣，并記錄每個樣本的幅度。量化將每個樣本的幅度映射到離散的數(shù)值范圍內(nèi)，以便進(jìn)行數(shù)字存儲和傳輸。編碼將數(shù)字化的音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定的編碼格式，例如PCM或MP3。脈沖編碼調(diào)制1采樣將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為離散的樣本。2量化將采樣值映射到有限個離散級別。3編碼將量化后的值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。脈沖編碼調(diào)制（PCM）是一種將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號的常用技術(shù)。壓縮編碼數(shù)據(jù)冗余數(shù)據(jù)中存在重復(fù)或不必要的成分。壓縮算法通過去除冗余來減少數(shù)據(jù)量。壓縮編碼通過算法減少數(shù)據(jù)大小。保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性，便于存儲和傳輸。視頻編碼視頻編碼定義視頻編碼是將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于存儲、傳輸和播放。視頻編碼算法會將視頻信號壓縮，降低數(shù)據(jù)量，從而提高傳輸效率和存儲空間。壓縮類型視頻編碼主要分為兩大類：無損壓縮和有損壓縮。無損壓縮可以完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，而有損壓縮則會損失部分信息，但可以實現(xiàn)更高的壓縮比。視頻信號的基本特性11.時變性視頻信號是隨時間變化的信號，這反映了視頻內(nèi)容的動態(tài)變化。22.空間相關(guān)性相鄰像素之間存在著強(qiáng)烈的相關(guān)性，這可以用來進(jìn)行壓縮編碼。33.冗余性視頻信號中存在大量的冗余信息，例如幀間冗余和幀內(nèi)冗余。44.視覺感知視頻信號的編碼需要考慮人眼的視覺特性，例如對亮度和顏色敏感度。視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVCH.264/AVC是一種高效的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字視頻應(yīng)用，包括廣播、互聯(lián)網(wǎng)和移動設(shè)備。H.265/HEVCH.265/HEVC是下一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，比H.264更高效，可以在相同比特率下提供更高質(zhì)量的視頻。AV1AV1是一種開源的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，旨在提供高質(zhì)量的視頻壓縮，同時保持開放和免費(fèi)。視頻壓縮技術(shù)壓縮原理去除冗余信息，減少數(shù)據(jù)量。壓縮方法幀間壓縮幀內(nèi)壓縮壓縮率壓縮率越高，文件越小，質(zhì)量可能下降。編碼標(biāo)準(zhǔn)H.264、H.265等標(biāo)準(zhǔn)提高壓縮效率。信息編碼的未來趨勢量子編碼利用量子力學(xué)原理，提高信息傳輸?shù)陌踩?/p>