《信息的表示与编码》课件

信息的表示与编码信息的表示与编码是计算机科学中的一个重要概念，它涉及将现实世界中的信息转化为计算机能够理解和处理的形式通过编码，我们可以将文本、数字、图像和声音等各种信息转换成二进制数据，以便计算机进行存储、传输和处理课程导言课程概述学习目标本课程深入探讨信息表示与编码原理，涵理解信息的本质及其表示方式，掌握数字盖数字信号、编码分类、二进制编码、字信号和模拟信号的概念符编码、图像编码、音频编码和视频编码学习不同类型编码的原理，了解编码技术等主题在计算机科学中的应用通过学习本课程，学生将掌握信息的数字能够运用所学知识分析和解决实际问题，化表示方法，了解编码的应用和发展趋势并具备独立思考和创新能力，为后续计算机科学学习打下坚实基础信息的基本概念信息传递信息处理信息的传递是指信息从一个地方到另一个地方信息处理是指对信息进行收集、整理、分析、的传输过程信息传输的媒介可以是声音、文加工、存储和检索等操作字、图像等信息使用信息价值信息使用是指将信息应用于实际生活中，以帮信息的价值体现在它对人们的决策、行动和认助人们做出决策、解决问题或完成任务知的影响力数字信号和模拟信号模拟信号数字信号12连续变化的信号，如声音、温离散的信号，用数字表示，如度、光线等计算机数据、数字音频等模拟信号转换为数字信号3通过采样、量化和编码过程完成，将模拟信号转换成数字信号编码的作用和分类信息压缩信息保护信息传输信息处理编码可以减少数据存储和传输编码可以保护信息，使其免受编码可以将信息转换为适合特编码可以方便计算机处理信息所需的空间，提高效率例如干扰或篡改例如，使用密码定介质传输的格式例如，将，例如将字符转换为二进制代，压缩图像文件对信息进行加密文本信息转换为摩尔斯电码码以进行运算二进制编码基本概念优势应用二进制编码使用0和1来表示信息它它简单易于实现，计算机可以使用电子二进制编码广泛应用于计算机科学，从是一种数字系统，每个位置上的数字代开关来表示0或1，从而进行高效的信存储数据到执行指令，它都是计算机工表2的幂次方息处理作的基础二进制编码的基本规则基数为21二进制编码使用0和1两个数字进行表示，每个数字位可以表示两种状态位权2每个二进制数位都有一个对应的权值，权值从右至左依次为2的幂次方组合规则3通过将不同位上的0和1进行组合，可以表示不同的数值、字符或其他信息常见的二进制编码方式码格雷码BCD12用四位二进制数来表示一位十相邻代码只有一位不同，可以进制数，适合于十进制数的运有效防止误码的产生算码编码ASCII Unicode34用于表示英文字符、数字、控支持多种语言的字符，能够表制符号等，是常见的字符编码示更多字符，解决ASCII码的局标准限性数值的二进制表示二进制数使用0和1来表示数字，每个数字称为一个位bit二进制数的位值从右到左依次增加，每个位的权值是2的幂次方例如，二进制数1011的十进制表示为1*23+0*22+1*21+1*20=8+0+2+1=11定点二进制数表示方式定点二进制数用固定长度的位数表示，其中一部分位用于表示整数部分，另一部分位用于表示小数部分分类根据小数点的位置，可分为定点整数和小数运算定点二进制数的运算与十进制数的运算类似，例如加减乘除浮点二进制数表示范围更广精度受限浮点数可以表示比定点数更大或由于浮点数用有限的位数表示，更小的数值，包括小数和科学计精度会受到限制，可能存在舍入数法表示的数字误差结构复杂应用广泛浮点数通常由符号位、指数位和浮点数在计算机科学中广泛应用尾数位组成，结构比定点数复杂，尤其在科学计算、图像处理和机器学习等领域数字编码的性质唯一性可读性高效性每个编码都对应唯一的数字或字符，确保信数字编码可通过特定的解码器读取，方便计数字编码将信息转换为简洁的数字形式，提息传递的准确性算机识别和处理信息高了信息传输和存储的效率数字编码的转换进制转换不同进制之间进行转换，例如将十进制数转换为二进制数编码格式转换将一种编码格式转换为另一种编码格式，例如将ASCII编码转换为Unicode编码数据类型转换将一种数据类型转换为另一种数据类型，例如将整数转换为浮点数字符编码定义重要性发展历程字符编码是将字符映射到数字字符编码使计算机能够处理和从早期的ASCII编码到现在的的规则每个字符在计算机中存储各种语言的文本没有字Unicode编码，字符编码技术都使用唯一的数字来表示符编码，计算机只能处理数字不断发展，以支持更多字符和语言编码ASCII编码字符表示ASCII美国信息交换标准代码，最早的字符编码标准使用7位二进制数表示128个字符，包括英文字母、数字和符号应用范围局限性广泛用于计算机系统和网络通信，例如文本文只能表示英文字符，无法表示其他语言的字符件、电子邮件和网页，比如汉字编码Unicode统一字符集字符映射字符编码格式Unicode是一个国际标准，为世界上所Unicode编码将每个字符映射到一个唯Unicode编码有多种格式，例如UTF-8有计算机系统中的字符定义了一个统一一的数字，称为代码点代码点使用、UTF-16和UTF-32UTF-8是目前最的编码它包含了几乎所有语言的字符16进制表示，例如，字母A的常用的格式，它使用可变长度的字节序，例如英文、中文、日文、韩文等Unicode代码点为U+0041列来表示Unicode字符图像编码图像数字化像素化12将模拟图像转换为数字形式的将图像分解成像素，每个像素过程代表一个颜色值压缩3通过减少数据量，降低存储空间和传输带宽的需求位图和矢量图位图位图图像由像素网格构成，每个像素代表一个颜色值它们通常用于照片、扫描图像和逼真的图像图像的颜色编码颜色模型颜色模型颜色模型RGB CMYKHSVRGB模型使用红、绿、蓝三原色混合表示各CMYK模型使用青、品红、黄、黑四色混合HSV模型使用色调、饱和度和明度三个属性种颜色每种颜色使用0-255之间的数值表表示各种颜色用于印刷领域，其中黑墨用描述颜色更直观地反映人类对颜色的感知示强度于提高色彩饱和度和清晰度无损和有损压缩无损压缩有损压缩保留原始数据的所有信息，不会根据一定的算法去除冗余数据，损失任何数据解压缩后可完全在压缩过程中会丢失部分信息，还原原始数据解压缩后无法完全还原原始数据选择压缩方式无损压缩适合需要精确保存数据的场景，有损压缩适合对数据质量要求不高且需要节省存储空间的场景音频编码模拟音频信号数字音频信号音频采样量化模拟音频信号是连续的，随时数字音频信号将模拟信号数字将模拟音频信号转换成数字信量化将连续的采样值映射到有间变化而变化，可以表示自然化，用离散的数值表示，便于号，需要进行采样，即在特定限的离散值，降低了精度，但界声音的丰富细节存储和传输时间点获取信号值便于数字存储和处理模拟音频信号连续变化的波形模拟信号特点模拟音频信号是声音波形，可以以连续方模拟信号能够捕捉声音的细微变化，产生式变化，反映声波的频率和振幅逼真的音质，但易受噪音干扰，且难以存储和传输模拟音频设备传统音频设备，例如黑胶唱片、磁带、收音机，使用模拟信号处理声音数字音频信号数字化声音离散采样模拟音频信号经过数字化处理，转换为一系列对连续的模拟音频信号进行定期采样，并记录数字数据每个样本的幅度量化编码将每个样本的幅度映射到离散的数值范围内，将数字化的音频数据转换为特定的编码格式，以便进行数字存储和传输例如PCM或MP3脉冲编码调制采样1将模拟音频信号转换为离散的样本量化2将采样值映射到有限个离散级别编码3将量化后的值转换为二进制代码脉冲编码调制（PCM）是一种将模拟音频信号转换为数字音频信号的常用技术压缩编码数据冗余数据中存在重复或不必要的成分压缩算法通过去除冗余来减少数据量压缩编码通过算法减少数据大小保持数据完整性，便于存储和传输视频编码视频编码定义压缩类型视频编码是将视频信号转换为数字信号，视频编码主要分为两大类无损压缩和有以便于存储、传输和播放损压缩视频编码算法会将视频信号压缩，降低数无损压缩可以完全恢复原始数据，而有损据量，从而提高传输效率和存储空间压缩则会损失部分信息，但可以实现更高的压缩比视频信号的基本特性时变性空间相关性

1.

2.12视频信号是随时间变化的信号相邻像素之间存在着强烈的相，这反映了视频内容的动态变关性，这可以用来进行压缩编化码冗余性视觉感知

3.

4.34视频信号中存在大量的冗余信视频信号的编码需要考虑人眼息，例如帧间冗余和帧内冗余的视觉特性，例如对亮度和颜色敏感度视频编码标准H.264/AVC H.265/HEVC AV1H.264/AVC是一种高效的视频压缩标准，H.265/HEVC是下一代视频压缩标准，比AV1是一种开源的视频压缩标准，旨在提广泛应用于各种数字视频应用，包括广播、H.264更高效，可以在相同比特率下提供更供高质量的视频压缩，同时保持开放和免费互联网和移动设备高质量的视频视频压缩技术压缩原理压缩方法去除冗余信息，减少数据量•帧间压缩•帧内压缩压缩率编码标准压缩率越高，文件越小，质量可能下H.

264、H.265等标准提高压缩效率降信息编码的未来趋势量子编码人工智能编码利用量子力学原理，提高信息传利用人工智能技术，自动优化编输的安全性码效率，提高压缩率多媒体融合编码将不同媒体类型的信息整合编码，实现更丰富的表达课程小结与展望掌握编码方法理解信息编码的重要性，掌握常见的编码方法，如二进制编码、字符编码、图像编码和音频编码拓展学习领域本课程仅触及信息编码的皮毛，未来可深入学习网络编码、安全编码、压缩编码等更高级的内容培养编码思维信息编码不仅是技术，也是一种思维模式，它可以帮助我们更深入地理解信息世界。