2.2.3 信息编码方法

传感器感知的信息主要有：数字、字符、图形、语音、图像与视频等。根据各种类型信息的特点不同，信息编码方法也不相同。

1.数字与字符编码方法

传感器感知的信息（如温度、重量、压力和湿度等）包括数值与单位。有些传感器为了使设备简化，可能会规定一些最简单的数值与单位。但是目前应用最广泛的仍然是ASCII码，对应国际标准ISO 646，又称为国际5号码。表2-1给出了ASCII码的部分字符编码。

二进制编码按从高位到低位（b ₆ b ₅ b ₄ b ₃ b ₂ b ₁ b ₀ ）的顺序排列，而b ₇ 一般用于字符的校验。假设传感器感知的温度数值为“120”摄氏度如果采用奇校验，则该数值的ASCII码编码的二进制比特序列为“011000100110010001100001”。传感器将这个比特序列准确地传输到计算机，计算机会根据ASCII码的编码规则，将接收的比特序列正确解释成温度数值为“120”摄氏度。

2.语音的编码方法

人的语音信号属于模拟信号。传统的电话线路是用来传输模拟信号的。如果传感器感知的是人的语音信号，而接入网不能传输模拟信号，只能传输数字信号，那该怎么办？脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）是解决这个问题最有效的方法。

语音信号是一种频率在300～3000Hz范围内的模拟信号。要将语音信号与计算机产生的文字、图像、视频信号同时传输，就必须首先将语音信号数字化。发送端使用PCM编码器将语音信号转换为数字信号并通过数字通信信道传输到接收端，接收端使用PCM解码器将它还原成语音信号。图2-14描述了PCM编码器的工作原理示意图。

PCM工作过程分为三步。

第一步：采样。模拟信号是电平连续变化的信号。采样是隔一定的时间，就将模拟信号的电平取出作为样本。采样频率 f 应满足 f ≥2 B 或 f =1/ T ≥2· f _max 。其中， B 为通信信道带宽， T 为采样周期， f _max 为信道允许通过的信号最高频率。研究结果表明：如果以大于或等于通信信道带宽2倍的速率对信号采样，那么采集的样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息。图2-15给出了PCM的采样与量化过程示意图。

第二步：量化。量化是将样本电平值按量化级取值的过程。量化后的样本电平值为离散的量级值，已不是连续值。量化前要规定将信号分为若干量化级，例如可以分为8级或16级，这要根据精度要求决定。同时，要规定每级对应的电平范围，然后比较样本电平值与上述量化级电平值。定级时需取整，例如，1.28取值为1.3，1.52取值为1.5。

第三步：编码。编码是用相应位的二进制数表示量化后的样本电平值。 k 个量化级对应log ₂ k 位二进制数。例如，量化级 k 为16，就需要用4位二进制数编码。在目前常用的语音数字化系统中，通常 k 取128，需要用7位二进制数编码。编码后的样本都用相应的二进制数表示。例如D ₅ 的取样幅度为1.52，取整后为1.5，量化级为15，样本编码为1111。将二进制数1111发送到接收端，接收端可以将它还原成量化级15，对应的电平值为1.5。

当把PCM用于语音数字化系统时，它将声音分为128个量化级，每个量化级采用7位二进制数编码。由于采样速率为8000样本/秒，因此，数据传输速率应达到7×8000=56kbps。

由于数字信号传输失真小、误码率低、速率高，因此在网络中除了计算机直接产生的数字信号以外，将语音、图像等模拟信号数字化已成为发展的必然趋势。PCM是模拟信号数字化的主要方法。

传统电话交换网中，采用了PCM编码与数据压缩之后，数字语音信号可以用64kbps的数据传输速率传输，移动通信网可以进一步将数字语音信号的数据传输速率控制在16kbps以下。

理解PCM技术特点时，需要注意两个问题。

● PCM技术可以用于计算机中的图形、图像数字化与传输处理。PCM的缺点是采用二进制编码位数较多，编码效率相对较低。

● 用ASCII码表示的字符与数字属于结构化数据；使用PCM技术转换而得的数字语音数据或图像数据属于非结构化数据。

3.图像的编码方法

（1）图像的数字化

用图像传感器（数码相机或数字摄像机）拍摄选定的景物，然后将照片中的图像进行数字化。图像数字化分为如图2-16所示的四步。

第一步：扫描。将画面划分为 M （列）× N （行）个网格，每个网格称为一个取样点。这样，一幅模拟图像就转换为 M × N 个取样点所组成的一个阵列。

第二步：分色。将每个取样点的颜色分解成红、绿、蓝（R、G、B）三种基色。如果不是彩色图像则不必进行分色。

第三步：取样。测量每个取样点的每个分量（基色）的亮度值。

第四步：量化。对取样点每个分量的亮度值进行A/D转换，即将模拟量用数字量（一般是8～12位二进制数表示的正整数）表示，这点与PCM方法类似。

（2）图像的表示与压缩编码

从取样图像的获取过程可以知道，一幅取样图像由 M × N 个取样点组成，取样点是组成取样图像的基本单位，称为像素（pixel）。彩色图像的像素通常由红、绿、蓝3个分量组成，灰度图像的像素只有一个亮度分量。

一幅静态图像的数据量计算公式：

图像数据量=图像水平分辨率×图像垂直分辨率×像素深度

如果一幅图像分辨率为640×480，那么这幅图像约有30万像素；每一个像素都用8位二进制数（256种颜色）表示，那么这幅图像的数据量为2.46Mb；传感器按照接入网的传输速率56kbps发送数据，那么传感器发送一幅图像大约需要43s。很显然，像素越高、照片越清晰的图像所需要的传输时间越长。对于分辨率为3840×2160的4K图像，分辨率为7680×4320的8K超高清图像的发送时延必然更长，这对很多物联网实时性应用是不可取的。减小发送时延的方法基本有两种，一是提高传输速率，二是对图像进行数据压缩。

由于图像中的数据相关性很强，数据的冗余度很高，因此对图像进行大幅度数据压缩是完全可能的。再加上人的视觉有一定的局限性，即使压缩后的图像有一些失真，只要限制在人眼无法察觉的误差范围之内，也是允许的。数据压缩可以减小一幅图像的数据量，既可以减少专用的信道带宽，还可以减小发送时延、传输时延与处理时延，提高数据传输的实时性。

4.视频的编码方法

物联网中的视频传感器（如数字摄像头）获取的数据由连续变化的静态图像与伴音组成。数字摄像头通过光学镜头和CMOS（或CCD）器件采集图像，并直接将图像转换成数字图像数据。根据视觉暂留原理，当图像的变化速度超过24帧/秒时，会达到平滑连续的视觉效果。数字视频的数据量非常惊人。一分钟具有标准清晰度（分辨率为720×576）的数据量约为1GB。对这样的大数据无论是存储、传输还是处理都有很大困难，因此必须进行数据压缩。由于视频内部画面有很强的相关性，因此视频数据可以压缩几十倍到几百倍。目前，ISO制定了有关数字视频与伴音压缩编码的常用标准（如表2-2所示）。