資源簡介

(共35張PPT)
第二課時
了解聲音和圖像的數字化
信息技術滬教版
必修1
第一單元
數據與信息
項目二
探究計算機中的數據表示——認識數據編碼
新課導入
一
圖片數字化
三
聲音數字化
二
目
錄
課后作業
四
一、新課導入
二、聲音數字化
現實世界的聲音是一種連續的波，稱為聲波。聲音有兩個參數：幅度和頻率。要用計算機處理聲音數據，必須把連續變化的波形信轉換成為離散的數字信號，將幅度和頻率以0和1編碼的形式表示出來，這一過程稱為聲音數字化。
聲音數字化
采樣
量化
編碼
模擬聲音信號
數字聲音信號
聲音數字化的過程
采樣
1
2
3
4
聲音的采樣
聲音的采樣是指每隔一段時間在模擬聲音信號的形上取一個幅度值。
均勻采樣
相隔時間相等的采樣為均勻采樣(又稱為線性采樣)，
不均勻采樣
相隔時間不相等的采樣為不均勻采樣(又稱為非線性采樣)。
采樣頻率
計算機每秒鐘在模擬聲音信號的波形上采樣的次數稱為采樣頻率。
幅度
時間
一段鳥鳴聲的模擬聲音信號
幅度
時間
等距離地選取若干個離散的點
0
1
2
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8
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幅度
時間
采樣得到的幅度值被記錄下來
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量化
聲音的量化是用二進制數表示采樣所得到的幅度值的過程。
首先將幅度值范圍劃分為2個級數，每個級數對應一個幅度值，
然后將采樣得到的各個幅度值按一定的規則近似到某個級數值，并用二進制數表示，從而形成一組二進制數序列。
這里的n稱為量化位數。量化位數越大，劃分的級數越多，采樣結果近似到某個級數值時產生的誤差就越小。
量化位數越多，數字化精度越高，聲音就越保真。
幅度
時間
采樣點量化（1）
0
1
2
3
4
5
6
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幅度
時間
采樣點量化（2）
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編碼
聲音的編碼就是按照一定格式把經過采樣和量化得到的離散數據記錄下來，并在其基礎上加入用于糾錯、同步和控制的數據，最終轉換成數字音頻信號。
聲音數字化的三要素
采樣頻率
量化位數
聲道數
例如，一張CD-ROM中存放了1小時的數字音樂(未經壓縮)，則其數據量可按以下方法計算。
標準CD格式的采樣頻率為44.1kHz,量化位數為16位，聲道數為2(雙聲道)數據量計算公式中的“÷8”是將位數轉換成字節，一個字節由8個二進制位組成1MB=1024KB,1KB=1024B。
數據量(單位：字節)=數據率×持續時間
=(采樣頻率×量化位數×聲道數)÷8×持續時間
數據量=(44100×16×2)÷8×60×60B
=635040000B
=620156.25KB
≈606MB
三、圖片數字化
從小小的商標到大型宣傳海報，從各式各樣的照片到風格迥異的圖畫，從茶杯上的圖案到教材中的插圖…凡此種種，從信息技術的角度看，都屬于模擬圖像，運用掃描技術或數字攝像技術可以將空間上連續的模擬圖像轉換成用0、1表示的數字圖像，這一過程稱為圖像數字化。
模擬圖像
數字圖像
采樣
量化
編碼
采樣
圖像的采樣是按一定的空間間隔自左到右、自而下提取畫面信息，將一幅連續的模擬圖像在空間上轉換成若干個離散的像素點，每個像素點呈現不同的顏色(彩色圖像)或亮度(灰度圖像)。
采樣
一幅圖像所包含的橫向和縱向的像素點的數目稱為圖像分辨率。例如，一幅圖像的分辨率為640×480，表示該圖像由橫向640個像素點、縱向480個像素點，共640×480=307200個像素點組成。
量化
圖像的量化是將采樣得到的每個像素點的顏色或亮度用若干位二進制數表示出來，其方法與聲音數據量化的方法類似。
量化
記錄每個像素點的顏色或亮度所需的二進制位數，稱為顏色深度（也稱色彩位數）。對于彩色圖像來說，顏色深度決定了該圖像可以用的最多顏色數目，顏色深度越大，顯示的圖像色彩越豐富，畫面越自然、逼真。
但要注意，在圖像分辨率相同的情況下，顏色深度越大，圖像所占的存儲空間也越大。
量化
這種由縱橫排列的像素點組成的圖像稱為位圖（又稱點陣圖）。位圖的質量主要由圖像分辨率和顏色深度決定。上圖呈現的是采用不同分辨率和顏色深度數字化后的位圖。未經壓縮的位圖圖像的數據量(單位：字節)=圖像分辨率×顏色深度÷8。
圖像的編碼就是按照一定的格式將位圖上各個像點的量化數據記錄下來的過程。由于位圖的數據量大，并且含有大量的重復數據，編碼時一般采用數據壓縮技術進行壓縮和還原處理。不同的編碼方法形成了不同格式的圖像文件，如BMP格式、JPEG格式等。
編碼
二、課后作業
1.探究聲音數字化參數對音頻文件的影響。
（１）探究采樣頻率對音頻文件大小與音質的影響。
①
選擇一種音頻編輯軟件，新建一個ＷＡＶ
文件，設置采樣頻率為
４４．１
ＫＨｚ，量化位數為
３２
位，聲道數為
２（立體聲），錄制一段聲音，并將其保存為“錄音
１．ＷＡＶ”。
②
保持其他參數不變，修改采樣頻率為
１１．０２５
ＫＨｚ，并將文件另存為“錄音
２．ＷＡＶ”，比較兩個文件的大小及音質，分析原因。
（2）模仿上述做法，分別探究量化位數和聲道數對音頻文件大小及音質影響。
2.
探究圖像數字化。
（１）開展數字化學習，了解圖像數字化的知識，對比聲音數字化與圖像數字化的過程。
（２）利用手機、數碼相機等工具采集鳥類活動圖片，選擇一種圖像處理工具，將鳥類活動的圖像文件統一處理為相同分辨率和顏色深度的
ＢＭＰ
文件。
（３）參考活動
２．３
設計實驗方案，探究圖像分辨率和顏色深度對圖像呈現效果和文件大小的影響，并設計表格記錄實驗數據及結論。
（４）選擇一種圖像處理工具，探究不同文件格式對圖像文件大小及質量的影響，并設計表格記錄實驗數據及結論。
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探究計算機中的數據表示———認識數據編碼
了解聲音和圖像的數字化
■教材分析
本項目旨在落實課標中“知道數據編碼的基本方式”這一內容要求，讓學生在體驗數值、文本、聲音、圖像的基本編碼方法的過程中，了解在數字化工具中存儲數據的一般原理
與方法。這部分內容理論性強，且對于高中生有一定難度。
教材繼續延用“鳥類研究”這一項目情境，從“將鳥類研究過程中采集的數據數字化后存入計算機”這一需求出發，以生活中的編碼為切入點，按照各類數據編碼的原理及特點設計了三個活動———從樹牌號認識編碼、了解數值數據和文本數據的編碼、了解聲音和圖像的數字化，引導學生探究各類數據在計算機中的表示方法，學習數值、文本、聲音、圖像等類型數據的基本編碼方法，增強信息意識、發展計算思維、提升數字化學習能力。
■學習目標
（1）經歷聲音數據數字化的過程，掌握聲音數據數字化的基本方法，了解聲音數字化的基本原理，知道采樣頻率、量化位數和聲道數對數字化音頻文件大小及效果的影響。
（2）經歷圖像數字化的過程，掌握圖像數字化的基本方法，了解圖像數字化的基本原
理，知道分辨率和量化位數對位圖的影響。
（3）親歷方案設計、對比分析、探究實驗等學習活動，體會運用信息技術開展學習、解決問題的思想與方法。
（4）在數字化學習過程中掌握數字化學習的策略和方法，能夠根據需要選用恰當的方
法及合適的數字化工具和資源開展有效學習。
■教學準備
（１）軟硬件環境：機房，音頻編輯軟件，圖像處理軟件。
（２）教學素材：各類數據編碼實例和編碼表，用于體驗活動的聲音文件和圖像文件。
■教學重點
數字化過程的三個步驟：采樣、量化、編碼。
■教學難點
聲音和圖像的數字化
■教學過程
一、新課導入
播放鳥鳴聲的音頻，引入：自然界的鳥鳴聲被錄音設備錄制下來并存入計算機中，經歷了怎樣的轉換過程？
學生傾聽，思考。
布置任務：
（１）借助教材，自主學習聲音數字化的過程。
（２）任選一段聲音信號，模擬聲音信號的采樣和量化。
學生活動時巡視、指導，并建議學生按以下流程模擬聲音信號的采樣和量化：
（１）選擇合適的軟件，采集聲音信號的波形圖。
（２）模擬采樣的過程，每隔一段時間采集一個聲音信號的樣本，畫出采樣示意圖。
（３）模擬量化的過程，確定量化位數、劃分量化級數，確定各采樣點的量化值，畫出量化示意圖，并設計表格，將各采樣點的量化值填入表格。
二、聲音數字化
現實世界的聲音是一種連續的波，稱為聲波。聲音有兩個參數：幅度和頻率。要用計算機處理聲音數據，必須把連續變化的波形信轉換成為離散的數字信號，將幅度和頻率以0和1編碼的形式表示出來，這一過程稱為聲音數字化。聲音數字化的過程包含采樣量化、編碼三個步驟，如下圖所示。
1.采樣
聲音的采樣是指每隔一段時間在模擬聲音信號的形上取一個幅度值。相隔時間相等的采樣為均勻采樣(又稱為線性采樣)，相隔時間不相等的采樣為不均勻采樣(又稱為非線性采樣)。
計算機每秒鐘在模擬聲音信號的波形上采樣的次數稱為采樣頻率。常見的采樣頻率有44.1k22.05kHZ、11.025kHz等。采樣頻率越高，即采樣的時間間隔越短，則在單位時間內得到的聲音樣本數據越多，對聲音信號波形的表示越精確，聲音的保真度越高。
例如下圖是一段鳥鳴聲的模擬聲音信號。
對其采樣時，在波形信號上按時間維度等距離地選取若干個離散的點，如下圖所示。
這些采樣得到的幅度值被記錄下來，如下圖所示。
2.量化
聲音的量化是用二進制數表示采樣所得到的幅度值的過程。首先將幅度值范圍劃分為2個級數，每個級數對應一個幅度值，然后將采樣得到的各個幅度值按一定的規則近似到某個級數值，并用二進制數表示，從而形成一組二進制數序列。這里的n稱為量化位數。量化位數越大，劃分的級數越多，采樣結果近似到某個級數值時產生的誤差就越小。因此，量化位數越多，數字化精度越高，聲音就越保真。
例如：如下圖中，第四個采樣點的真實幅度值約為2.7，將其四舍五入近似到級數值3；
第6個采樣點的真實幅度值約為8.2，將其四舍五入近似到級數值8。同理可將其它采樣點的真實幅度值近似到相應的級數值。量化結果如下圖所示。
3.編碼
聲音的編碼就是按照一定格式把經過采樣和量化得到的離散數據記錄下來，并在其基礎上加入用于糾錯、同步和控制的數據，最終轉換成數字音頻信號。不同的編碼方法形成了不同格式的音頻文件，如WAV格式、MP3格式等。
采樣頻率、量化位數和聲道數是數字化音頻的技術指標，被稱為聲音數字化的三要素它們直接影響數字化后音頻的質量及其數據量的大小。一般情況下，未經壓縮的音頻文件的數據量可以按如下方法計算
數據量(單位：字節)=數據率×持續時間
=(采樣頻率×量化位數×聲道數)÷8×持續時間
例如，一張CD-ROM中存放了1小時的數字音樂(未經壓縮)，則其數據量可按以下方法計算
數據量=(44100×16×2)÷8×60×60B
635040000B
=620156.25KB
≈606MB
標準CD格式的采樣頻率為44.1kHz,量化位數為16位，聲道數為2(雙聲道數據量計算公式中的“÷8”是將位數轉換成字節，一個字節由8個二進制位組成1MB=1024KB,1KB=1024B。
三、圖像數字化
從小小的商標到大型宣傳海報，從各式各樣的照片到風格迥異的圖畫，從茶杯上的圖案到教材中的插圖…凡此種種，從信息技術的角度看，都屬于模擬圖像，運用掃描技術或數字攝像技術可以將空間上連續的模擬圖像轉換成用0、1表示的數字圖像，這一過程稱為圖像數字化。圖像數字化的過程包含采樣、量化、編碼三個步驟。
1.采樣
圖像的采樣是按一定的空間間隔自左到右、自而下提取畫面信息，將一幅連續的模擬圖像在空間上轉換成若干個離散的像素點，每個像素點呈現不同的顏色(彩色圖像)或亮度(灰度圖像)。
一幅圖像所包含的橫向和縱向的像素點的數目稱為圖像分辨率。例如，一幅圖像的分辨率為640×480,表示該圖像由橫向640個像素點、縱向480個像素點，共640×480=307200個像素點組成。如果不考慮其他因素的影響圖像分辨率越高，采樣的精度就越高，數字化后的圖像越清晰，同時圖像所占的存儲空間也越大。
2.量化
圖像的量化是將采樣得到的每個像素點的顏色或亮度用若干位二進制數表示出來，其方法與聲音數據量化的方法類似。首先確定顏色或亮度的取值范圍，然后將近似的顏色劃分成同一種顏色，每種顏色用一個二進制數來表示例如，一幅黑白圖像只有兩種顏色，則每個像素點只需1個二進制位即可表示：表示黑色，0表示白色。一幅256級灰度圖像，每個像素點需要用8個二進制位來表示，表示2=256個亮度層次；一幅24位真彩色的RGB圖像，其三原色紅、綠、藍的每種光的強度被分成256個級別(0~255)，需要用8個二進制位來表示，每個像素點有三種顏色，所共需要用24個二進制位來表示，表示216777216種顏色
記錄每個像素點的顏色或亮度所需的二進制位數，稱為顏色深度(也稱色彩位數)。對于彩色圖像來說，顏色深度決定了該圖像可以用的最多顏色數目，顏色深度越大，顯示的圖像色彩越豐富，畫面越自然、逼真。但要注意，在圖像分辨率相同的情況下，顏色深度越大，圖像所占的存儲空間也越大。
這種由縱橫排列的像素點組成的圖像稱為位圖(又稱點陣圖)。位圖的質量主要由圖像分辨率和顏色深度決定。圖1-25呈現的是采用不同分辨率和顏色深度數字化后的位圖。未經壓縮的位圖圖像的數據量(單位：字節)=圖像分辨率×顏色深度÷8。
3.編碼
圖像的編碼就是按照一定的格式將位圖上各個像點的量化數據記錄下來的過程。由于位圖的數據量大，并且含有大量的重復數據，編碼時一般采用數據壓縮技術進行壓縮和還原處理。不同的編碼方法形成了不同格式的圖像文件，如BMP格式、JPEG格式等。
四、課后作業
1.探究聲音數字化參數對音頻文件的影響。
（１）探究采樣頻率對音頻文件大小與音質的影響。
①
選擇一種音頻編輯軟件，新建一個ＷＡＶ
文件，設置采樣頻率為
４４．１
ＫＨｚ，量化位數為
３２
位，聲道數為
２（立體聲），錄制一段聲音，并將其保存為“錄音
１．ＷＡＶ”。
②
保持其他參數不變，修改采樣頻率為
１１．０２５
ＫＨｚ，并將文件另存為“錄音
２．ＷＡＶ”，比較兩個文件的大小及音質，分析原因。
（2）模仿上述做法，分別探究量化位數和聲道數對音頻文件大小及音質影響。
2.
探究圖像數字化。
（１）開展數字化學習，了解圖像數字化的知識，對比聲音數字化與圖像數字化的過程。
（２）利用手機、數碼相機等工具采集鳥類活動圖片，選擇一種圖像處理工具，將鳥類活動的圖像文件統一處理為相同分辨率和顏色深度的
ＢＭＰ
文件。
（３）參考活動
２．３
設計實驗方案，探究圖像分辨率和顏色深度對圖像呈現效果和文件大小的影響，并設計表格記錄實驗數據及結論。
（４）選擇一種圖像處理工具，探究不同文件格式對圖像文件大小及質量的影響，并設計表格記錄實驗數據及結論。

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