《信息的表示》課件

信息的表示信息是人類社會不可或缺的一部分。它可以是文字、圖像、聲音、視頻等等。但是，信息本身是抽象的，為了方便人類理解和處理，我們需要將其表示為具體的形式。信息的定義數(shù)據(jù)是指原始的、未經(jīng)加工的符號、信號或文字，例如數(shù)字、字母、圖像等。信息是指對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后得到的具有意義的結(jié)果，它能夠減少不確定性、增加知識和改變?nèi)藗兊恼J(rèn)知。知識是指對信息進(jìn)行整理、分析和歸納后形成的結(jié)構(gòu)化的、有組織的體系，它能幫助人們理解世界、解決問題和進(jìn)行決策。信息的度量1比特最小的信息單位，表示一個二進(jìn)制位。8字節(jié)由8個比特組成，是計算機中常用的信息單位。1024千字節(jié)表示1024個字節(jié)，簡稱KB。1024兆字節(jié)表示1024個KB，簡稱MB。信息與不確定性1減少不確定性信息的作用是減少不確定性2不確定性對事件結(jié)果的未知3信息消除不確定性二進(jìn)制編碼計算機使用二進(jìn)制系統(tǒng)表示信息，這是一種用0和1兩種數(shù)字來表示信息的系統(tǒng)。二進(jìn)制編碼是將信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制形式的過程。每個二進(jìn)制位稱為一個比特（bit），它可以是0或1，用來表示信息的最小單位。文本信息的編碼ASCII編碼ASCII（AmericanStandardCodeforInformationInterchange）是美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼，是基于拉丁字母的一套字符編碼標(biāo)準(zhǔn)，它為每個字符分配一個唯一的數(shù)字代碼，可以有效地存儲和傳輸文本信息。Unicode編碼Unicode編碼是一種更通用的字符編碼標(biāo)準(zhǔn)，它支持全球范圍內(nèi)多種語言的字符，能夠表示更多種類的字符，包括漢字、日文、韓文等。圖像信息的編碼圖像信息通常由像素矩陣構(gòu)成，每個像素代表一個顏色值。常用的圖像編碼格式包括：位圖(BMP):每個像素用多個比特表示，支持各種顏色深度，適合用于存儲高精度的圖像。JPEG(JointPhotographicExpertsGroup):采用有損壓縮，壓縮比高，適合用于壓縮照片和圖像，但在壓縮時會損失一些細(xì)節(jié)。PNG(PortableNetworkGraphics):采用無損壓縮，壓縮比不如JPEG高，但可以保存圖像的細(xì)節(jié)和顏色信息，適合用于存儲網(wǎng)頁圖像和圖形。聲音信息的編碼模擬信號數(shù)字化將模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程，以便計算機能夠存儲和處理。采樣與量化通過采樣將連續(xù)的聲音信號分解為離散的樣本，并通過量化將每個樣本轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。編碼壓縮使用壓縮算法減小數(shù)字音頻文件的大小，提高存儲效率和傳輸速度。視頻信息的編碼視頻信息由圖像序列和聲音信息組成，需要將圖像和聲音分別編碼，再進(jìn)行合成。常用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)有MPEG、H.264、AV1等，它們利用圖像壓縮技術(shù)和音頻壓縮技術(shù)來減少數(shù)據(jù)量，并進(jìn)行同步處理。模擬信號與數(shù)字信號1模擬信號模擬信號是連續(xù)的，可以取任意值。例如，聲音信號、溫度信號。2數(shù)字信號數(shù)字信號是離散的，只能取有限個值。例如，計算機內(nèi)部的信號。采樣與量化采樣將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，以一定的頻率采集信號。量化將采樣得到的離散信號轉(zhuǎn)換成有限個離散的數(shù)值，用數(shù)字表示信號的幅度。采樣定理定義要準(zhǔn)確地恢復(fù)模擬信號，采樣頻率必須大于信號最高頻率的兩倍。公式fs>2fm應(yīng)用數(shù)字音頻、視頻和圖像處理等補碼表示正數(shù)補碼與原碼相同負(fù)數(shù)補碼符號位不變，其余位取反加1優(yōu)點簡化加減運算，便于硬件實現(xiàn)定點數(shù)表示整數(shù)部分表示整數(shù)部分的位數(shù)小數(shù)部分表示小數(shù)部分的位數(shù)定點表示在計算機中，定點數(shù)表示是指小數(shù)點位置固定不變的表示方式。浮點數(shù)表示1符號位表示數(shù)字的正負(fù)號。2階碼表示數(shù)字的指數(shù)部分，決定數(shù)值的大小。3尾數(shù)表示數(shù)字的有效數(shù)字部分，決定數(shù)值的精度。數(shù)值的精度與取舍精度數(shù)值的精度是指表示數(shù)值的位數(shù)，也就是有效數(shù)字的位數(shù)。精度越高，表示的數(shù)值越精確。取舍在計算機中，由于存儲空間有限，無法精確地表示所有實數(shù)。因此，需要進(jìn)行取舍，將精確的實數(shù)近似地表示為有限位數(shù)的數(shù)值。計算機中的字長字長決定了計算機一次能夠處理的位數(shù)，它影響著計算機的運算速度、存儲容量和尋址能力。信息的壓縮1存儲空間壓縮可以減少文件大小，節(jié)省存儲空間。2傳輸效率壓縮可以提高數(shù)據(jù)傳輸速度，節(jié)省帶寬成本。3數(shù)據(jù)冗余壓縮可以去除數(shù)據(jù)中的冗余部分，提高數(shù)據(jù)效率。無損壓縮算法數(shù)據(jù)完整性保證壓縮后的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全一致。壓縮效率通過模式識別和數(shù)據(jù)冗余去除，減少數(shù)據(jù)大小。算法示例Run-LengthEncoding(RLE),HuffmanCoding,Lempel-Ziv(LZ)有損壓縮算法不可逆壓縮算法，壓縮時會丟失部分信息。常用于圖像、音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)。壓縮比率高，但會降低數(shù)據(jù)質(zhì)量。信息加密1數(shù)據(jù)安全保護(hù)信息不被未經(jīng)授權(quán)訪問或修改2保密性確保只有授權(quán)用戶才能訪問信息3完整性確保信息在傳輸或存儲過程中不被篡改密碼學(xué)基本概念保密性確保信息只能被授權(quán)者訪問，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問或泄露。完整性確保信息在傳輸或存儲過程中不被篡改，保證信息的真實性和可靠性。身份驗證驗證用戶的身份，確保只有合法用戶才能訪問系統(tǒng)或資源。不可否認(rèn)性防止發(fā)送者否認(rèn)發(fā)送信息，確保信息來源的真實性。對稱密碼算法加密與解密使用同一個密鑰例如：DES、AES、3DES速度快，效率高適用于數(shù)據(jù)量大、實時性強的場景。密鑰管理是關(guān)鍵密鑰的安全性直接影響算法的安全性。非對稱密碼算法公鑰加密使用公鑰加密數(shù)據(jù)，只有對應(yīng)的私鑰才能解密。私鑰簽名使用私鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名，任何人可以使用對應(yīng)的公鑰驗證簽名。密鑰管理公鑰可以公開，私鑰必須保密。數(shù)字簽名1驗證身份數(shù)字簽名用于驗證發(fā)送者的身份，確保信息來源的真實性。2保證完整性數(shù)字簽名能夠檢測到信息是否被篡改，確保信息的完整性。3不可否認(rèn)發(fā)送者無法否認(rèn)發(fā)送過信息，確保信息的不可否認(rèn)性。哈希函數(shù)不可逆性無法從哈希值反推出原始數(shù)據(jù)。唯一性不同的數(shù)據(jù)經(jīng)過哈希函數(shù)運算后，生成的哈希值幾乎不可能相同?？焖傩怨：瘮?shù)的計算效率很高，能夠快速地生成哈希值。密鑰管理1密鑰生成隨機生成安全且唯一的密鑰，并確保密鑰的機密性。2密鑰存儲安全存儲密鑰，防止未授權(quán)訪問，并提供密鑰備份和恢復(fù)機制。3密鑰分發(fā)安全地分發(fā)密鑰給授權(quán)用戶，并確保密鑰在傳輸過程中的安全性。4密鑰撤銷及時撤銷失效或泄露的密鑰，防止惡意使用，并確保密鑰的完整性。安全協(xié)議定義通信雙方行為規(guī)范，確保信息安全傳輸和交互。包含身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密、完整性驗證等機制，防止信息泄露、篡改或偽造。常見的安全協(xié)議包括SSL/TLS、SSH、IPSec等，用于網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程訪問。密碼學(xué)應(yīng)用實例密碼學(xué)在現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)揮著重要作用，應(yīng)用于各種場景，例如：網(wǎng)絡(luò)安全：保障網(wǎng)絡(luò)通信的安全，防止數(shù)據(jù)泄露和攻擊。電子商務(wù)：保護(hù)交易安全，確保用戶身份驗證和支付信息的保密性。數(shù)字版權(quán)保護(hù)：防止盜版和非法復(fù)制，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)。數(shù)據(jù)加密：保護(hù)敏感數(shù)據(jù)，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。信息安全的發(fā)展趨勢云計算安全隨著云計算的普及，云安全成為關(guān)鍵，需要加強數(shù)據(jù)加密、訪問控制和安全審計。人工智能安全人工智能技術(shù)的應(yīng)用也帶來新的安全挑戰(zhàn)，需要研究對抗