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第4章数字媒体基础 1 目录 2 现代信息技术 3大特征 采用电子技术 包括激光技术 以数字技术 计算机 为基础以软件为核心内容 计算机 微电子 通信 广播 遥感遥测 自动控制 机器人等其中微电子 通信和数字技术是三项最核心的技术 3 4 1数制转换及其运算 数字技术就是用0和1两个数字来表示 处理 存储和传输一切信息的技术 4 一 信息的基本单位 比特 1 什么是比特 数字技术的处理对象是 比特 bit二进位数字 二进位 位两种状态 0或1 比特是计算机和其他数字系统处理 存储和传输信息的最小单位 一般用小写的字母 b 表示 5 西文字母 8个比特表示汉字 16个比特表示稍大些的计量单位是字节 一般用大写的字母 B 表示 一个字节包含8个比特 它们习惯上采用下面的顺序排列 b7是字节的最高位 b0是其最低位 比特这个单位太小了 6 1 计量单位bit 位 Byte 字节 8bit 1Byte 2 比特的存储 2 存储二进制信息时的度量单位 B KB MB GB TB1KB 210B 1024B1MB 220B 1024KB1GB 230B 1024MB1TB 240B 1024GB与千进位的区别 例2 1GByte bit1GByte 1024 1024 1024 8 8Gbit 例1 1Mbit Byte1Mbit 1024 1024 8 128KByte 8 千比特 秒 Kb s 1Kb s 103b s 1000b s兆比特 秒 Mb s 1Mb s 106b s 1000Kb s千兆 吉 比特 秒 Gb s 1Gb s 109b s 1000Mb s太比特 秒 Tb s 3 比特的传输 传输速率b s也称bps 9 任何形式的信息都需要转化为二进制编码 1 各种进制及其转换十进制十种状态 逢十进一 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制两种状态 逢二进一 0 1 八进制八种状态 逢八进一 0 1 2 3 4 5 6 7 十六进制十六种状态 逢十六进一 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 二 比特与二进制数 10 例如 135 67 10 1 10 3 10 5 100 6 10 7 10 135 67 8 1 8 3 8 5 80 6 8 7 8 93 86 10 101 01 2 1 2 0 2 1 20 0 2 1 2 5 25 10 每个符号处在不同的位子 表示不同的意义 11 各进制之间转换 二 八 十六 进制十进制 按权展开 例1 1101 101 2 10 1101 101 2 1 2 1 22 0 21 1 20 1 2 1 0 2 2 1 2 3 13 625 10例2 345 7 8 3 82 4 81 5 80 7 8 1 229 875 10例3 2AB C 16 10 2AB C 16 2 162 10 161 11 160 12 16 1 427 75 10 12 十进制二 八 十六 进制 整数部分 除2 8 16 取余 小数部分 乘2 8 16 取整 2107 1 低位 253 1226 0213 126 023 121 1 高位 0 例4 例 107 675 10 2 0 675高位 21 1 3500 350 20 0 7000 700 21 1 400低位 1101011 2 0 101 2 107 675 10 1101011 101 2 以此类推 13 八进制二进制十六进制二进制 例4 357 6 8 011101111 110 2例5 3C6 E 16 001111000110 1110 2例6 11101 01 2 011101 010 2 35 2 8例7 11101 01 2 00011101 0100 1D 4 16 3位二进制 1位八进制4位二进制 1位十六进制首尾补零 凑足三位 四位 二十八十六 八进制十六进制 14 三 比特的运算 1 算术运算 规则 0 0 00 1 11 0 11 1 10 B 减法 规则 0 0 01 0 10 1 11 1 0 C 乘法D 除法 A 加法 15 例1 10010100 0011001010010100 0011001011000110例2 11000101 100100111000101 1001001000110011 例题 16 2 逻辑运算 规则 0 0 00 1 11 0 11 1 1 规则 0 1 01 0 00 0 01 1 1 C 取反 非 0变成1 1变成0 B 逻辑乘 与 A 逻辑加 或 17 例1 10010100 0011001010010100 0011001010110110例2 10010100 0011001010010100 0011001000010000 18 例3 10010100 反 10010100 反 01101011注意 算术运算按位运算 有进位 借位运算种类 加 减逻辑运算按位独立运算 无进位 借位运算种类 逻辑加 逻辑乘和取反 19 练习 1 1 110101101 2 8 162 11011011 10101010 3 10111010 10011001 4 10001100 10101011 5 10110101 10110011 20 练习 1 6 85 10 2 167 147 10 28 70 8 2 169 7B 16 1010 9C 16 2 8 21 练习 2 1 64Kb s B s2 传输速率为9600b s 则每分钟能传送多少字节 22 答案 1 1 655 8 1AD 162 1100001013 001000014 101011115 101100016 1010101 2 55 167 10010011 28 111000 2 38 169 123 1010 10011100 2 234 8 23 答案 2 1 8192B s2 72000B 24 练习 有一个数值311 它与十六进制数C9相等 则该数值是用表示的 A 二进制B 八进制C 十进制D 五进制 解 设此数为X进制 则3 X2 X 1 12 16 9解此方程得X 8 B 25 练习 如果PC机用56K的Modem拨号上网 那么下载一个大小为5 6MB的文件 理论上最快需要略多于秒的时间 A 10B 100C 800D 6000 解 5 6 1024 1024 8 56 1024 800 C 26 计算机可以处理各种各样的信息如 数值 文字 图形 声音 命令 程序等 这些信息在计算机内部都是用比特 二进位 来表示的 4 2常用数据在计算机中的表示 27 4 2 1数值型数据 28 数值信息的表示 数据分为 数值 非数值计算机中的数据全是二进制用八位二进制数表示一个字节数值分为整数和实数两大类整数不使用小数点 或者说小数点始终隐含在个位数的右边 所以整数也叫 定点数 29 整数分为 正整数 不带符号的整数即正整数 整数 带符号的整数 它们可以用8位 16位 32位甚至64位来表示 正整数取值范围 8位 0 255 28 1 16位 0 65535 216 1 32位 0 232 1带符号的整数取值范围 正数最高位用0表示 负数最高位用1表示8位 127 27 1 127 27 1 16位 215 1 215 1 整数中负数的表示原码 反码 补码原码的形式 0 正 1 负例如 43 00101011 43 原 10101011负数采用补码表示补码的作用 统一加减法的运算规则 精简机构反码的形式 符号位仍为1 绝对值部分取反例如 43 反 11010100补码的形式 符号位也是1 反码的最低位加1例如 43 补 11010101再例如 56 原 10111000 56 反 11000111 56 补 11001000 正整数无原码 反码与补码之分 是相同的 31 实数 浮点数 的表示实数是既有整数又有小数的数 纯小数是特例 一个实数可以表示成一个纯小数和一个乘幂之积56 725 102 0 56725 1894 0475 104 0 18940456 0 0034756 10 2 0 34756 二进制完全雷同 1001 011 2100 0 1001011 即一个实数可用指数和尾数唯一表示 这种表示方法叫做 浮点表示法 尾数 由纯小数组成指数 由整数组成尾数指数表示法可表示的数的范围大 精度也高 32 4 2 2文本型数据 分为西文字符汉字 33 一 西文字符集 目前计算机中使用最广泛的西文字符集是美国标准信息交换码 AmericanStandardCodeforInformationInterchange 也叫做标准ASCII码 使用7个二进位对字符进行编码 用字节表示 最高位为 0 基本的ASCII字符集共有128个字符 取值范围 0 127 96个可打印字符 常用字母 数字 标点符号等 32个控制字符特殊字符的ASCII码空格 32 A 65 a 97 0 48 34 ASCII字符集 二 汉字的编码 6万多 1 GB2312 80汉字编码1981年颁布第一个国家标准 信息交换用汉字编码字符集 基本集 GB2312 80 由下面几部分组成 第一部分 字母 数字和各种符号 包括拉丁字母 俄文 日文平假名与片假名 希腊字母 汉语拼音等共682个 统称为GB2312图形符号 第二部分 一级常用汉字 共3755个 按汉语拼音排列第三部分 二级常用字 共3008个 按偏旁部首排列 汉字6763 所有字符7445 36 区位码 区位码 GB2312的所有字符分布在一个94行 94列的二维平面内 行号称为区号 列号称为位号 每一个汉字或符号在码表中都有各自的位置 字符的位置用它所在的区号 行号 及位号 列号 来表示 每个汉字的区号和位号分别用1个字节来表示 如 大 字的区号20 位号83 区位码是2083用2个字节表示为 0001010001010011 37 国标交换码 国标交换码 问题 信息通信中 汉字的区位码与通信使用的控制码 00H 1FH 发生冲突 解决方案 为了避免汉字区位码与通信控制码的冲突 ISO2022规定 每个汉字的区号和位号必须分别加上32 即二进制00100000 经过这样处理得到的代码称为汉字的 国标交换码 简称交换码 因此 大 字的交换码是 0011010001110011 38 机内码 机内码 问题 文本中的汉字与西文字符经常是混合在一起使用的 汉字信息如不予以特别的标识 它与单字节的标准ASCII码就会混淆不清 解决方法 把一个汉字看作两个扩展ASCII码 使表示GB2312汉字的两个字节的最高位 b7 都等于 1 这种高位为l的双字节 16位 汉字编码就称为GB2312汉字的 机内码 又称内码 如 大 字的内码是 1011010011110011 B4F3 39 各种码制之间的转换 区位码 2020H 国标码国标码 8080H 机内码区位码 A0A0H 机内码 注意 公式中的所有编码采用十六进制形式 2 GBK汉字内码扩充规范问题 GB2312 80只有6763个汉字 在信息处理时经常不够使用 解决方法 1995年发布GBK 全称为 汉字内码扩展规范 GBK字符集中一共有21003个汉字和883个图形符号 它与GB2312国标汉字字符集及其内码保持兼容 GBK 1 GB2312中的符号 GBK 2 GB2312中的全部汉字 GBK 4和GBK 3 包括繁体字在内的大量汉字 GBK 5 符号 例如計算機係等繁体汉字和冃冄円冇鎔等生僻的汉字 GBK汉字规范目前已经得到了较好的应用 微软公司的Windows简体中文版操作系统均采用GBK代码 41 汉字字符集 GB2312 80区位码 国标码 机内码GBKGB18030Unicode 42 3 文本的获取 43 键盘输入 1 数字编码 如电报码 区位码等 2 字音编码 如智能ABC等 3 字形编码 如五笔字形和表形码等 4 形音编码发展趋势 基于统计和学习功能的以词语 短语 或句子作为输入单位的输入方法 44 优点 自然 流畅小型化 适合移动计算不足 识别速度和正确性还需提高书写要求还要降低 45 优点 自然 方便 适合移动计算不足 对说话人 说话方式 说话内容的适应能力要大大增强识别速度和正确性还需大大提高 46 识别率已达到98 功能 简 繁体字混合识别中文 西文混合识别文字 表格混合识别智能校对功能 47 技术上非常困难 还无法实用目前准备先突破工整的楷书手写体的识别 48 汉字的键盘输入 汉字与键盘上的键无法一一对应 因此必须使用几个键来表示一个汉字 这就称为汉字的 键盘输入编码 优秀的汉字键盘输入编码应具有的特点 易学习 易记忆效率高 平均击键次数较少 重码少容量大 可输入的汉字字数多 49 汉字键盘输入方法的比较 50 文本的分类 51 简单文本 纯文本 简单文本 plaintext 这种文本通常称为纯文本 在PC机中的文件后缀名是 txt 记事本 特性 是最通用的文本文件格式 文件体积小 阅读不受限制 几乎所有的文字处理软件都能识别和处理 但它没有字体 字号的变化 不能插入图片 表格等 不能建立超链接 52 丰富格式文本 文本的格式化 字体 字型 字号 颜色 文字走向 页面布局等 丰富格式文本RTF格式 53 超文本 超文本的应用Windows等一些软件中的 帮助 文件使用浏览器从Web服务器上下载的网页 html或htm文件 超媒体 Hypermedia 超文本中的节点不单是文本节点 还包含图形 图像 声音或动画节点 这种基于多媒体信息结点的超文本 有时也称为 超媒体 54 小结 文本的分类 55 常用文本处理软件 1 面向通信的文本处理软件计算机网络上最普及的应用是用电子邮件进行通信 大多数情况下电子邮件正文的内容一般都是简单文本 因此电子邮件内嵌的文本编辑器功能比较简单 操作使用方便 典型软件 微软公司的OutlookExpress 具有文字的增 删 改以及字体 字号的设置功能 也可以设定一些简单的格式和插入一些图片 当然邮件所带的附件并不受此限制 在互联网上进行聊天所使用的文本处理软件更加简单 56 2 面向办公的文本处理软件功能要求 文本制作的高效率 高质量软件面向非专业用户 易学好用文本处理能力 既功能丰富 又操作简单排版功能典型软件 MS OfficeWPS2000永中Office中的文本处理软件 57 3 面向出版的文本处理软件排版软件的主要功能 将文字 图形和图像等合理地安排在页面内 典型排版软件 方正集团公司的 飞腾 排版软件 PageMaker和PDFWriter 58 文本的输出 当显示某个汉字时 通过汉字的国标码找到该汉字在字库中的位置 将字模取出并显示出来 点阵字库轮廓字库 数字图像按生成方法分类 一类是从现实世界中通过扫描仪 数码相机等设备获取的图像 称为点阵图像 dotmatriximage 或位图图像 bitmapimage 简称图像 image 另一类是使用计算机合成 制作 的图像 syntheticimage 称为矢量图形 vectorgraphics 简称图形 graphics 4 3图像与图形 60 数字图像获取的过程实质上是模拟信号的数字化过程 它的处理步骤 扫描分色取样量化 A D转换 一 数字图像的获取 4 3 1图像 61 二 数字图像获取设备 设备 从现实世界获得数字图像过程中所使用的设备通称为数字图像获取设备设备的功能 将现实的景物输入到计算机内并以取样图像的形式表示2D图像获取设备 如扫描仪 数码相机等 只能对图片或景物的2D投影进行数字化3D扫描仪能获取包括深度信息在内的3D景物的信息 62 分辨率800 600 1024 768等颜色模型RGB CMYK HSV YUV等位平面数目34像素深度24 三 图像的基本参数 RGB 红 绿 蓝 CMYK 青 品红 黄 黑 HSV 色彩 饱和度 亮度 YUV 亮度 色度 等 都可以相互转换 63 四 图像的保存格式 常用的图像文件的数据格式有BMP TIFF GIF JPEG PCX以及TGA格式等 64 BMP BitMaP file 图像 微软公司在Windows操作系统下使用的一种标准图像文件格式 几乎所有Windows应用软件都能支持 TIFF TaggedImageFileFormat 图像文件格式 用于扫描仪和桌面出版 能支持多种压缩方法和多种不同类型的图像 有许多图像图形应用软件支持这种文件格式 65 GIF GraphicsInterchangeFormat 互联网上广泛使用的一种图像文件格式 它的颜色数目较少 文件特别小 适合网络传输 尤为突出的是 它可以将许多张图像保存在同一个文件中 显示时按预先规定的时间间隔逐一进行显示 从而形成动画的效果 因而在网页制作中大量使用 66 五 图像的压缩 不进行压缩 一幅图像的数据量非常巨大 计算公式是 图像数据量 水平分辨率 垂直分辨率 像素深度 8几种常用图像的数据量 图像数据压缩的可能性 由于数字图像中的数据相关性很强 数据的冗余度很大 因此对数字图像进行大幅度的数据压缩是完全可能的 而且 人眼的视觉有一定的局限性 即使压缩前后的图像有一定失真 只要限制在人眼允许的误差范围之内 也是允许的 图像的压缩 图像的压缩 无损压缩基于统计概率的方法哈夫曼编码 算术编码等基于字典的技术游程编码 LZW编码等有损压缩快速傅里叶变换 FFT 或离散余弦变换 DCT 等 图像处理软件与应用领域密切相关 通常具有很强的专业性 如遥感图像处理软件 医学图像处理软件等 图像处理软件 PhotoShop Paint ACDSee PhotoEditorPhotoShop 集图像扫描 图像编辑 绘图 图像合成及图像输出等多种功能于一体 是一个流行的图像处理工具 六 图像处理软件 图像的显示控制图像区域的选择图像的编辑操作图像的滤镜操作绘图功能文字编辑功能图层操作 PhotoShop的主要功能包括 图像处理软件 处理前图片上有划痕 处理后划痕被清除 图像的滤镜操作 背景图 前景图 复合后的图像 图层操作 图像通信 传真 可视电话 视频会议遥感 航空遥感 卫星遥感医疗诊断 X射线 超声 计算机断层摄影 即CT 核磁共振等工业生产中的应用 质量检测 自动控制机器人视觉 军事侦察 危险环境作业等军事 公安 档案管理 七 数字图像的应用 X光图像 CT图像 核磁共振图像 指纹图像 4 3 2图形 图形通常是由计算机模拟产生的 一般以数学函数来描述其位置 大小 形状 色彩等属性常见的图形编辑器有AutoCAD CorelDraw AdobeIllustrator Freehand等 74 图形的应用 科学研究 直方图 百分比图等 绘制勘测图形 地质图 天气图 海洋图 石油开发图 人口密度图等 计算机辅助设计 CAD 和计算机辅助制造 CAM 模拟及动画 飞行或驾驶的仿真系统 计算机辅助教学 CAI 艺术和商业 绘制生产 销售 库存图表 制作广告等 小结 图像与图形的比较 计算机中的 图 按其生成方法可以分为两大类 通过数字化设备获取的 图 它们称为取样图像 点阵图像 或位图图像等 通常简称图像 image 通过计算机建模并绘制而成的 图 称为矢量图形 通常简称图形 graphics 两者在外观上很难区分 但它们有许多不同的属性 一般需要使用不同的软件进行处理 图形 76 4 4音频与视频 77 声音 由振动而产生 通过空气进行传播 它由许多不同频率的谐波所组成 谐波的频率范围称为声音的带宽 bandwidth 带宽是声音的一项重要参数 多媒体技术处理的声音信号主要是人耳可听到的20 20kHz的音频信号 audio 语音 人说话的声音 其频率范围约为300 3400Hz全频带声音 音乐声 风雨声 汽车声等其他声音 其带宽可达到20 20kHz 4 4 1音频 78 声音信号的数字化 声音信号的数字化 将模拟声音信号转换成数字编码形式以便于计算机进行处理的过程声音信号数字化的过程 取样量化编码 模拟声音信号 取样 量化 编码 数字声音 011010011101 79 常用声音文件格式 WAVMIDIMP3MPEG 1标准的音频部分 根据压缩质量和编码处理的不同分为3层 Layer1 Layer2和Layer3 分别对应 mp1 mp2 和 mp3 文件WMARealAudio主要适用于在网络上在线音乐欣赏 80 录音机和媒体播放器 录音机WindowsMediaPlayer Windows附件 录音机 基本编辑操作 录制声音编辑声音声音的效果处理格式转换播放声音 81 计算机合成声音 82 语音合成 计算机合成语音的应用 股票交易 航班动态查询 电话报税等业务有声E mail服务CAI课件或游戏解说词的自动配音文稿校对 语言学习 语音秘书 自动报警 残疾人服务等 83 音乐合成 音乐是使用乐器演奏而成的音乐的基本单元是一些音符音符的属性 音调 声波的基频音色 由声音的频谱决定 不同乐器有不同的音色音强 声音的强度旋律 乐曲中音符持续时间的变化音源 也称为音乐合成器 musicsynthesizer 它能模仿许多乐器生成各种不同音色的音符 PC机的声卡一般都带有音源 84 4 4 2视频 视频 Video 由许多幅按时间序列构成的连续图像 每一幅图像称为一个帧 Frame 当每秒播放24帧以上的图像时 由于人眼的视觉效应就产生了连续运动的效果 通常视频图像还配有同步的声音 85 视频基础 视频信号有模拟视频信号和数字视频信号模拟电视存在三种电视制式 视频信息的获取 获取视频信号的最主要的工具是数字视频摄像机 DV 摄像头作为一种视频输入设备被广泛运用于视频会议 远程医疗及实时监控 视频压缩编码 1 MPEG 1MPEG 1主要适用于VCD 数码相机 数字摄像机等也可用于数字电话网络上的视频传输 如视频点播 VOD 等MPEG 2适用于高清晰度电视 HDTV 还可用于有线电视网 电缆网络以及卫星直播提供的数字视频MPEG 4更注重多媒体系统的交互性和灵活性 对数据传输速率的要求较低 主要应用于可视电话 可视电子邮件以及远程监视和控制等 88 视频压缩编码 2 MPEG 7不是一种压缩编码方法 而是一种多媒体内容描述接口 不针对某个具体的应用可应用于数字图书馆 多媒体查询服务 广播媒体选择 多媒体编辑等MPEG 21正式名称是 多媒体框架 或 数字视听框架 其目的是为所有使用多媒体信息的用户提供透明而有效的电子交易和使用环境 使得用户能以各种方式使用分布在全球不同设备上各种各样的多媒体信息 89 数字视频的编辑 90 数字视频的编辑处理 通常是在称之为非线性编辑器的软件支持下进行的 编辑时把电视节目素材存入硬盘中 根据需要对不同长短 不同顺序的素材进行剪辑 同时配上字幕 特技和各种动画 再进行配音 配乐 最终制作成高质量的电视节目 核心软件 数字视频编辑器 如AdobePremiere 91 数字视频的应用 92 可视电话和视频会议 可视电话 通话双方能互相看见的一种电话系统电话机具有摄像 显示 声音等功能 内置高质量CCD镜头及MODEM视频会议 多人同时参与的一种音 视频通信系统类似于