跳到主要内容

3.1 数据编码

知识点​

1.为什么计算机用二进制​

计算机内部的一切数据(数字、文字、图像、声音、视频)都用二进制表示,原因有三:

原因说明
物理上易实现电子元件只有"通/断""高电平/低电平"两种稳定状态,正好对应 1/0
抗干扰能力强只有两个状态,不容易因电压波动而判错
运算规则简单二进制只有 0、1 两个数字,加法规则仅 4 条,电路实现容易、可靠性高

结论:二进制不是"计算机的偏好",而是"电子元件的物理特性决定的必然选择"。

2.数制的三个基本概念​

概念十进制二进制十六进制
数码0~90、109、**AF**(A=10 … F=15)
基数10216
运算规则逢十进一逢二进一逢十六进一
位权10ⁿ2ⁿ16ⁿ

位权举例:十进制 352 = 3×10² + 5×10¹ + 2×10⁰;二进制 1101 = 1×2³ + 1×2² + 0×2¹ + 1×2⁰。

二进制各位的权值(必背):

位置2⁷2⁶2⁵2⁴2³2²2¹2⁰
权值1286432168421

口诀:1、2、4、8、16、32、64、128——从右往左翻倍。

3.数制转换(必考计算)​

(1)二进制 → 十进制:按权展开相加​

1101(2) = 1×8 + 1×4 + 0×2 + 1×1 = 13
10110(2) = 16 + 0 + 4 + 2 + 0 = 22

快捷法(8-4-2-1 法):把二进制位与权值对齐,哪位是 1 就把对应权值加起来。

(2)十进制 → 二进制:除 2 取余,倒序排列​

以 45 为例:

45 ÷ 2 = 22 …… 余 1 ← 最低位
22 ÷ 2 = 11 …… 余 0
11 ÷ 2 = 5 …… 余 1
5 ÷ 2 = 2 …… 余 1
2 ÷ 2 = 1 …… 余 0
1 ÷ 2 = 0 …… 余 1 ← 最高位

结果:从下往上读 → 101101

验证:32 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 = 45 ✓

口诀:"除 2 取余,倒着读"。

(3)二进制 ↔ 十六进制:四位一组​

十六进制存在的意义:二进制太长,十六进制正好把 4 位二进制压成 1 位,便于书写与阅读。

十六进制01234567
二进制00000001001000110100010101100111
十六进制89ABCDEF
二进制10001001101010111100110111101111

示例:

1011 1100(2) = BC(16)
2F(16) = 0010 1111 = 101111(2)

十六进制写法:2F、0x2F、2FH 都表示同一个数(十六进制)。

十六进制 → 十进制:2F = 2×16 + 15 = 47。

4.存储单位与换算​

单位换算说明
位(bit,比特)—最小单位,只能是 0 或 1
字节(Byte,B)1 B = 8 bit基本存储单位,一个字节可存一个 ASCII 字符
KB1 KB = 1024 B2¹⁰
MB1 MB = 1024 KB2²⁰ B
GB1 GB = 1024 MB2³⁰ B
TB1 TB = 1024 GB2⁴⁰ B

必须记住的两条:

  1. 1 Byte = 8 bit——这是所有容量计算题的起点;
  2. 进率是 1024,不是 1000(进制是 2 的 10 次方)。

易混提示:Mb/s(兆比特每秒,带宽单位)与 MB/s(兆字节每秒,下载速度)差 8 倍。100 Mb/s 的宽带,理论下载速度约 12.5 MB/s。

5.字符编码​

(1)ASCII 码(西文字符)​

项目内容
全称American Standard Code for Information Interchange(美国信息交换标准代码)
位数7 位二进制,共 128 个字符编码
存储实际占 1 个字节(8 位),最高位补 0
内容控制字符(031 与 127)+ 可打印字符(32126)

必背的三个关键码值:

字符ASCII 值
数字 048
大写字母 A65
小写字母 a97

由此可推算:

  • B = 66,Z = 65 + 25 = 90;
  • b = 98,z = 97 + 25 = 122;
  • 大写与小写同一字母相差 32(a - A = 32)——这是大小写转换的原理;
  • 数字 09 连续排列(4857),所以 ord("7") - ord("0") 可得数字值 7。

(2)汉字编码(中国)​

编码说明关键数据
GB 2312—80国标码,6763 个汉字 + 682 个非汉字图形符号,共 7445 个一级汉字 3755 个(按拼音)、二级汉字 3008 个(按部首);区位码 94 区 × 94 位
GBKGB 2312 的扩展,兼容 GB 2312收录 2 万余个汉字(含繁体、生僻字),双字节编码
GB 18030最新国标,覆盖全部 Unicode 字符变长编码(1/2/4 字节)
Unicode(统一码)国际统一字符集,为世界上每个字符分配唯一编号常用 UTF-8 编码,变长 1~4 字节,兼容 ASCII

区位码、国标码、机内码的关系(易考):

区位码 + 2020H = 国标码
国标码 + 8080H = 机内码(计算机内部实际存储的编码)

为什么加 8080H:为了避免与 ASCII 码冲突(让汉字两个字节的最高位都为 1),从而让计算机能区分"这是汉字还是西文"。

重要观念:同一个汉字在不同编码方案下的二进制值不同——这就是"乱码"产生的原因(用 A 编码保存,用 B 编码打开)。

6.图像编码​

(1)位图与矢量图(必考对比)​

对比项位图(点阵图)矢量图
构成像素点组成的矩阵由数学公式描述的线条与图形
常见格式BMP、JPEG、GIF、PNGSVG、AI、WMF、CDR
放大效果放大后模糊、出现锯齿(马赛克)放大不失真
文件大小与分辨率成正比,通常较大通常较小
适合表现照片、色彩丰富的画面标志、图标、工程图、卡通
编辑软件Photoshop、画图Illustrator、CorelDRAW

记忆:位图靠"点",矢量靠"算"——点会糊,算不会糊。

(2)三个关键参数​

参数含义影响
像素图像的最小单位(一个小色块)像素越多越清晰
分辨率图像中水平像素数 × 垂直像素数(如 1024×768)决定清晰度与文件大小
色深(颜色位数)每个像素用多少位二进制表示颜色决定颜色数量与文件大小

色深与颜色数的关系:颜色数 = 2ⁿ(n 为色深)

色深颜色数名称
1 位2黑白二值图
8 位256256 色 / 灰度图
16 位65536高彩色
24 位16777216(约 1677 万)真彩色(R、G、B 各 8 位)
32 位—24 位真彩 + 8 位 Alpha 透明通道

24 位真彩色的原理:红、绿、蓝三个通道各用 8 位(0~255 共 256 级),组合出 256×256×256 = 16777216 种颜色。

(3)图像文件大小计算(必考公式)​

公式:

文件大小(字节)= 水平像素数 × 垂直像素数 × 色深(位) ÷ 8

例题 1:一幅 1024×768 的 24 位真彩色未压缩图像,大小是多少?

1024 × 768 × 24 ÷ 8 = 2 359 296 B
2 359 296 ÷ 1024 = 2304 KB
2304 ÷ 1024 = 2.25 MB

答:约 2.25 MB。

例题 2:一幅 800×600 的 256 色图像,大小是多少?

256 色 → 色深 = 8 位(因为 2⁸ = 256)
800 × 600 × 8 ÷ 8 = 480 000 B ≈ 468.75 KB

解题三步:① 由颜色数求色深(2ⁿ)→ ② 代入公式 → ③ 按 1024 换算单位。

注意:题目若给出"压缩后",需乘以压缩比;JPEG 是有损压缩,实际大小还取决于图像内容,公式只适用于未压缩的位图(如 BMP)。

7.声音编码​

(1)数字化的三步:采样 → 量化 → 编码​

步骤做什么类比
采样按固定时间间隔取声音信号的幅值每隔一会儿量一次"有多响"
量化把取得的幅值转换成有限个等级的数值把刻度归到最近的整数格
编码把量化后的数值用二进制表示并存储写成 0/1

(2)三个关键参数​

参数含义常见值影响
采样频率每秒采样的次数(Hz)44.1 kHz(CD 音质)、22.05 kHz、8 kHz越高,还原越真实,文件越大
量化位数每个采样点用多少位表示16 位(CD)、8 位越高,动态范围越大、噪声越小,文件越大
声道数单声道 1、双声道(立体声)21 或 2越多,文件越大

奈奎斯特采样定理(了解):采样频率应不低于声音最高频率的 2 倍,才能不失真地还原。人耳可听频率约 20 Hz~20 kHz,所以 CD 采用 44.1 kHz。

(3)声音文件大小计算(必考公式)​

公式:

文件大小(字节)= 采样频率(Hz)× 量化位数(位)× 声道数 × 时长(秒) ÷ 8

例题:一段 1 分钟的 44.1 kHz、16 位、双声道未压缩音频,大小是多少?

44100 × 16 × 2 × 60 ÷ 8 = 10 584 000 B
10 584 000 ÷ 1024 ÷ 1024 ≈ 10.09 MB

答:约 10 MB(这也解释了为什么一首 4 分钟的 CD 音质歌曲要 40 MB 左右,所以要用 MP3 压缩)。

解题四步:① 时间统一换成秒 → ② 代入公式 → ③ 除以 8 换成字节 → ④ 按 1024 换算单位。

8.视频编码(了解)​

视频的本质:连续的图像按时间顺序播放,利用人眼的视觉暂留产生"动"的感觉。

参数说明
帧率(fps)每秒播放的画面数,常见 24/25/30 帧/秒;帧率越高越流畅,文件越大
分辨率每帧画面的像素数(如 1920×1080)
码率(bitrate)每秒的数据量,决定画质与文件大小

未压缩视频大小估算:

大小 = 每帧图像大小 × 帧率 × 时长

为什么实际视频文件小得多:因为采用了压缩,且视频压缩会利用帧间相关性(相邻画面变化不大,只存"差异")。

9.压缩:有损与无损​

类型原理常见格式特点
无损压缩去除冗余,解压后完全还原ZIP、RAR、PNG、GIF、FLAC文件缩小有限,不损失任何信息
有损压缩依据人眼/人耳的特性丢弃部分细节JPEG、MP3、MP4、AAC文件大幅缩小,不可完全还原

选择原则:

  • 文档、程序、原始素材 → 无损(一个字节都不能错);
  • 照片、音乐、视频 → 有损(人感知不出差别,但体积小很多)。

考点:JPEG 是有损、PNG 是无损;MP3 是有损、FLAC 是无损——这两组最容易混。

10.速查表​

序号考点结论
1计算机内部数据形式二进制
2采用二进制的原因物理易实现、抗干扰、运算简单
3二进制位权1、2、4、8、16、32、64、128
4十进制转二进制除 2 取余,倒序读
5二进制转十进制按权展开相加
6二↔十六进制4 位一组
71 字节8 位
81 KB1024 B
91 MB1024 KB
10ASCII 位数7 位,共 128 个
11ASCII 存储占 1 字节,最高位补 0
120 的 ASCII48
13A 的 ASCII65
14a 的 ASCII97
15大小写差32
16GB 2312 汉字数6763 个
17区位码→国标码+2020H
18国标码→机内码+8080H
19Unicode 编码 UTF-8变长 1~4 字节,兼容 ASCII
20位图放大模糊、锯齿
21矢量图放大不失真
2224 位真彩色颜色数16777216
23图像大小公式宽×高×色深÷8
24声音大小公式采样频率×量化位数×声道数×时长÷8
25采样三步骤采样→量化→编码
26CD 音质参数44.1 kHz、16 位、双声道
27视频帧率常见 24/25/30 fps
28JPEG/MP3有损压缩
29PNG/FLAC无损压缩
30乱码原因编码与解码方案不一致

11.课堂提示(讲课参考)​

  • "除 2 取余"必须让学生动笔算三遍(45、78、100),算过才记得牢;再用"8-4-2-1"法反向验算一次。
  • 二进制与十进制的"位权表"贴在黑板上,后面讲 IP 地址、子网掩码、图像色深都靠它。
  • 图像与声音的大小计算各讲两道题,重点训练"颜色数 → 色深"这一步(256 色 = 8 位是最容易漏的转换)。
  • 现场演示乱码:把一个 UTF-8 保存的中文 txt 用 GBK 打开,学生立刻理解"编码表不一致"。
  • 压缩对比用一个 20 MB 的 BMP 转成 JPEG,文件大小从 20 MB 变 1 MB,代价是放大后有噪点——有损/无损不用解释就懂了。