与 维 计 思 算 算 文 计 化 第 2章 数字革命—神奇的数字化 Email:

知识点 1 计算机中的数制 2 信息的数字化 3 媒体信息的处理 4 数据安全 5 数据加密 6 数据压缩

1　常用数制 数制是人们利用符号进行计数的方法。数制有很多种，我们最熟悉的数制是十进制。计算机中最常用的数制是二进制，任何信息必须转换成二进制形式数据后才能由计算机进行处理、存储和传输。 十进制数 由0，1，2….9十个基本数字符号组成。十进制数进位是按“逢十进一”的规则进行的。 二进制数 由两个基本数字符号0，1组成，二进制数的进位规律是逢二进一。

1　常用数制 二进制数转换为十进制数 二进制数转换为十进制数的方法是，把二进制数按位权形式展开为多项式和的形式，求其最后的和，就得到其对应的十进制数。 例如：把(1011.01)2转换为十进制数。 (1011.01)2 =1×23+0×22+1×21+1×20+0×(1/2)+1×(1/4) =11.25

1　常用数制 十进制数转换为二进制数 十进制整数转换为二进制整数采用除二取余法，逆序排列所有余数即可得到需要的二进制数。而小数部分采用乘二取整，整数正序排列。 例如：将十进制数62.24转换为二进制数。 (62.24)10=(111110.00111)2

2 信息的数字化 文字、声音、图片、动画和影像等信息，在计算机中都是用二进制来存储和处理的。 2 信息的数字化 文字、声音、图片、动画和影像等信息，在计算机中都是用二进制来存储和处理的。 不同类型的信息在计算机中如何被转换为数字呢？在下面的内容中，我们逐渐揭开答案。

2．1 数值数据的表示 数值数据有大小和正负之分。无论多大的数，正数还是负数，在计算机中只能用0和 1来表示。显然，一个 bit所能表示范围是有限的，最大只能表示 1，要想表示更大的数，就得把多个bit作为一个整体按照进位规则来描述一个数。例如，用两个字节表示一个整数，可以表示的最大数是216-1。至于数的正负号，通常在二进制数的最前面规定一个符号位，若是 l就代表是正数，若是0就代表负数。 例：用八位二进制表示十进制数+76与-76。 (+76)10=(01001100 )2 (-76)10=(11001100 )2 符号位 符号位

2．2 字符数据的表示 英文字母和常用的数学符号以及标点符号等字符通常采用ASCII码来表示。ASCII码由七位二进制数组成，每个字符对应一个ASCII码。 我们知道每个字节为八位二进制数，用一个字节表示一个ASCII码，其中最高位（最左边一位）空着不用。七位二进制数，从0000000到1111111 对应十进制数是0至127，可以表示128个ASCII码，即128个字符。其中包括：数码0～9，26个大写英文字母，26个小写英文字母以及各种运算符号、标点符号及控制字符等。使用这些符号时，只要在ASCII码表中找到符号对应的二进制编码，就实现了符号的数字化。例如： A → 1000001 + → 0101011

2．3 汉字的表示 汉字因为符号比较多，在计算机中用两个字节表示。汉字编码采用国家标准码（代号为GB2312-80）分两级，一级3755个字，二级3008个字，共6763个字。这种汉字标准交换码是计算机的内部码，可以为各种输入输出设备的设计提供统一的标准，使各种系统之间的信息交换有共同一致性。同样任意一个汉字，都可以转换为对应的16为二进制编码，例如： 水 → 01001011 00101110

2．3 汉字的表示 汉字字形码是一种用点阵记录汉字字形的编码，是汉字的输出形式。它把汉字按字形排列成点阵，常用的点阵有16×16、24×24、32×32或更高，如图所示为用24×24点阵表示的“春”字。不同的字库显示相同符号的形式不同。例如：常用的汉字字库有宋体、黑体、仿宋体、楷体等等。

2．4 声音的数字化 要记录声音的信息，就要记录声波的波形。计算机记录声音波形的过程叫做采样，采样是指每隔一个时间间隔在模拟声音波形上取一个幅度值，这样可以得到一组离散的数据点，用这些数据点可以近似代替连续的声波，如下图所示。

2．5 图形图像的数字化 （1）位图图像 位图图像，亦称为点阵图像，是由称作像素（图片元素）的单个点组成的。 如图所示为一个包含256种颜色的调色板，可以用一个字节即8位二进制来记录这些颜色信息。 当放大位图时，可以看见赖以构成 整个图像的无数单个颜色方块。

2．5 图形图像的数字化 （2）矢量图像 矢量图像是根据几何特性来绘制图形，矢量可以是一个点或一条线，矢量图只能靠软件生成。 矢量图与位图最大的区别是，它不受分辨率的影响。因此在印刷时，可以任意放大或缩小图形而不会影响出图的清晰度。

2．6 视频数据的表示 视频信息可以看成连续变换的多幅位图图像构成，播放视频信息，每秒需传输和处理24幅以上的图像。视频信息数字化后的存储量相当大，所以需要进行压缩处理。

3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 （1）音频文件格式 3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 （1）音频文件格式 数字音频文件格式用来在计算机上存储和播放数字音频。音频文件有多种存储格式，原则上不同的声音格式需要不同的播放器，实际上现在的播放器大都可以支持多种格式。

3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 常用音频文件格式 ①MID和RMI文件 ②WAV文件 ③MP3文件 ④RA、RAM文件 ⑤WMA文件 3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 常用音频文件格式 ①MID和RMI文件 ②WAV文件 ③MP3文件 ④RA、RAM文件 ⑤WMA文件 ⑥CDA格式

3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 （2）音频技术 音频技术主要包括音频数字化、语音合成和语音识别等几个方面。 3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 （2）音频技术 音频技术主要包括音频数字化、语音合成和语音识别等几个方面。 音频采样包括两个重要的参数即采样频率和采样数据位数。 采样频率即对声音每秒钟采样的次数，人耳听觉上限在20KHz左右，目前常用的采样频率有11KHz，22KHz和44KHz几种。 采样数据位数即每个采样点的数据表示范围，目前常用的有8位、12位和16位三种。不同的采样数据位数决定了不同的音质，采样位数越高，存贮数据量越大，音质也越好。

3 媒体信息的处理 1.音频信息处理 （3）音频信息处理常用软件

3 媒体信息的处理 2.图像信息处理 （1）图像文件格式 3 媒体信息的处理 2.图像信息处理 （1）图像文件格式 图像文件格式就是把图像的像素按照一定的方式进行组织、存储图像信息的格式。图像文件格式决定了应该在文件中存放何种类型的信息，文件如何与各种应用软件兼容，文件如何与其它文件交换数据。

3 媒体信息的处理 2.图像信息处理 常用图像文件格式 ①BMP文件 ②JPEG文件 ③GIF文件 ④PNG文件 ⑤PSD文件

3 媒体信息的处理 2.图像信息处理 （2）图像技术 数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。数字图像处理的信息大多是二维信息，处理信息量很大。因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。

3 媒体信息的处理 2.图像信息处理 （3）图像信息处理常用软件

3 媒体信息的处理 3.视频信息处理 （1）视频文件格式 3 媒体信息的处理 3.视频信息处理 （1）视频文件格式 视频文件格式可以分为适合本地播放的本地视频和适合在网络中播放的网络流媒体视频两大类。 支持平台 视频文件扩展名 微软视频 avi、wmv、asf、asx Real Player rm、rmvb MPEG视频 mpg、mpeg、mpe 手机视频 3gp Apple视频 mov Sony视频 mp4、m4v 其他常见视频 dat、mkv、flv、vob

3 媒体信息的处理 3.视频信息处理 （2）视频技术 视频技术包括视频数字化和视频编码技术两个方面。 3 媒体信息的处理 3.视频信息处理 （2）视频技术 视频技术包括视频数字化和视频编码技术两个方面。 视频数字化是将模拟视频信号经模数转换和彩色空间变换转为计算机可处理的数字信号，使得计算机可以显示和处理视频信号。 视频编码技术将数字化的视频信号经过编码成为电视信号，从而可以录制到录像带中或在电视上播放。

3 媒体信息的处理 3.视频信息处理 （3）视频信息处理常用软件

4 数据安全 数据不安全因素 （1）硬盘驱动器损坏 一个硬盘驱动器的物理损坏意味着数据丢失。 （2）人为错误 4 数据安全 数据不安全因素 （1）硬盘驱动器损坏 　　 一个硬盘驱动器的物理损坏意味着数据丢失。 （2）人为错误 　　 由于操作失误，使用者可能会误删除系统的重要文件，或者修改影响系统运行的参数，以及没有按照规定要求或操作不当导致的系统崩溃。 （3）病毒 计算机病毒的复制能力强，感染性强，特别是网络环境下，传播性更快，是对数据安全的最大威胁。 （4）黑客 “黑客”一词是由英语Hacker音译出来的，是指专门研究、发现计算机和网络漏洞的计算机爱好者。

4 数据安全 计算机病毒的概念 计算机病毒就是能够侵入计算机系统并给计算机系统带来故障的一种程序。 病毒的主要来源 4 数据安全 计算机病毒的概念 计算机病毒就是能够侵入计算机系统并给计算机系统带来故障的一种程序。 病毒的主要来源 恶作剧、保护软件、攻击和摧毁系统、意想不到的结果 特性：具有程序特性 破坏性 寄生性 潜伏性 传染性 可激活性

4 数据安全 计算机病毒的分类 计算机病毒的传播途径 计算机病毒的防范 （1）引导区型病毒 （2）文件型病毒 （3）混合型病毒 （4）宏病毒 4 数据安全 计算机病毒的分类 （1）引导区型病毒 （2）文件型病毒 （3）混合型病毒 （4）宏病毒 （5）脚本病毒 （6）网络蠕虫程序 （7）特洛伊木马程序 计算机病毒的传播途径 （1）可移动光、磁介质 （2）网络 计算机病毒的防范 瑞星杀毒、金山毒霸

5 数据加密 1．数据加密技术 数据加密技术是信息安全领域的核心技术，它的基本原理是通过改变数据原来的内容和形式，将信息进行伪装 。 （1）密码算法 （明文----密文：加密、密文----明文：解密） （2）密钥 加密算法中的可变参数称为密钥。 密钥包括加密密钥和解密密钥 ，两者可相同，也可不同。 （3）对称加密和非对称加密 在对称加密中，通信双方共同约定一个相同的密钥 。 在非对称加密中，每个用户都有一对密钥，公共密钥和私有密钥。

5 数据加密 凯撒密码：公元前50年 例：明文：System models 密文：Vbvwhp prghov 加密方法：简单代替 明文：ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 密文：DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC

5 数据加密 2．鉴别技术 在网络通信过程中，除了保证信息的保密性外，还需要保证信息的完整性和用户身份的真实性。这方面信息安全的保证也有相关的技术进行支持。 （1）数字签名 数字签名是一种以对整个文件进行加密为基础，确保信息的有效性，并可以实现身份鉴别的技术。 它具有以下几个特点： 签字是可以被确认的； 签字是不可否认的； 签字是无法伪造的； 签字是无法复制的； 签字是无法篡改的。

5 数据加密 2．鉴别技术 （2）报文摘要 生成报文摘要时，一般采用单道散列函数（One Way Hash Function）。它利用公式，能够将信息转化成简短的字符串，这就是报文摘要，用户再用私有密钥对其进行加密，则生成用户的数字签名。

5 数据加密 3．数字水印技术 数字水印是指把特定的信息嵌入数字作品中，数字作品可能是音频、图片或是影片等。 数字水印可分为浮现式和隐藏式两种。 （1）浮现式水印是可以被看见的水印，其所包含的信息可在观看图片或影片时同时被看见。 （2）隐藏式水印是以隐藏数字数据的方式加入音频、图片或影片中的，在一般的状况下无法被看见。

5 数据加密 4．认证技术 认证技术指的是数字证书技术，数字证书是由认证中心（Certification Authority）颁发、管理和确认的。 数字证书就是一系列数据，记录了用户的公开密钥和身份信息。其主要内容有： 用户的身份信息（姓名、身份证号、地址等）； 证书的序列号； 证书的类别； 证书的有效期； 证书所有人的公开密钥； 证书发布机构的数据签名和身份等。 认证中心CA是一个受到普遍信任的第三方专门机构。通常由树形结构的多个相关机构组成。

5 数据加密 5．访问控制技术 访问控制技术可以通过登录访问控制、网络权限控制、目录级控制和属性控制等方式，保证网络资源不受到非法或越权的访问，实现对信息的保护。 （1）登录控制 登录控制是用户访问网络资源的第一道防线，它控制哪些用户具有登录到服务器并获取网络资源，控制授权访问用户的入网时间及入网访问方式等。 （2）权限控制 权限控制是指给用户和用户组赋予一定的权限，指定用户和用户组可以访问哪些目录、文件和其他资源，也可以指定用户和用户组对可访问资源能够进行哪些操作。

5 数据加密 6．防火墙技术 （1）防火墙的概念 防火墙是设置在被保护内部网络和外部网络之间的一道屏障，以防止发生不可预测的、潜在破坏性的侵入。 （2）防火墙的运行机制 ①一切未被允许的就是禁止的。（安全但不方便,效率低） ②一切未被禁止的就是允许的。（提供更多的服务但不安全） 在确保防火墙安全的前提下提高访问效率是当前研究的热点。

5 数据压缩 在计算机科学中，数据压缩是按照特定的编码机制，用编码少的数据位表示原有信息的过程。 解压缩是数据压缩的逆过程，将一个通过软件压缩的文档、文件等恢复到压缩之前的样子。 使用最普遍的是WinRAR压缩软件。

5 数据压缩 无损压缩 有损压缩 不会产生失真，压缩数据解压后与原始数据一模一样，常用于文档的压缩。 压缩比例低，通常在2:1----5:1。 有损压缩 允许一定程度的失真，压缩数据解压后与原始数据不完全一样，常用于图像、视频的音频等文件的压缩。 压缩比例高，通常在100:1----200:1。

5 数据压缩 数据压缩的方式 1.文本数据压缩 自适应式替换压缩技术常用于文本文件的压缩。它扫描整个文本并且寻找两个或多个字节组成的模式。一旦发现一个新的模式，会用文件中其他地方没有用过的字节来代替这个模式。

5 数据压缩 数据压缩的方式 2. 图像数据压缩 　　 行程编码的基本原理是，用一个符号值或串长代替具有相同值的连续符号，连续符号构成了一段连续的“行程”。行程编码后的符号长度少于原始数据的长度。 　　例如，5555557777733322221111111 　　行程编码为：（5，6）（7，5）（3，3）（2，4）（1，7）。可见，行程编码的位数远远少于原始字符串的位数。

5 数据压缩 数据压缩的方式 3. 视频数据压缩 视频数据的冗余很大，在每一帧图像内存在大量的冗余信息，在相邻的两帧图像之间具有很大的相关性。 例如，一个说话人的头部，只有嘴和眼睛在变化，而背景却保持相当的稳定。此时计算机只需计算出两帧之间的差别，只存储改变的内容即可。根据数据的不同，运动补偿的压缩比可以达到200:1。

5 数据压缩 数据压缩的方式 4. 音频数据压缩 音频数据最突出的问题是信息量大。音频信息文件所需存储空间的计算公式为： 存储容量(字节)= 采样频率×采样精度/8×声道数×时间 例如，一段持续1分钟的双声道音乐，若采样频率为44.1KHz，采样精度为16位，数字化后需要的存储容量为：44.1k×16/8×2×60=10.584MB 。

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