信息數(shù)字化表示

信息數(shù)字化表示3/13/20231第一頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.1計算機中的數(shù)據(jù)計算機通過電子開關(guān)的狀態(tài)表示數(shù)據(jù)開關(guān)的“通”狀態(tài)表示1，開關(guān)的“斷”狀態(tài)表示03/13/20232第二頁，共五十九頁，2022年，8月28日一個開關(guān)有兩個狀態(tài)n個開關(guān)能描述2n個不同的狀態(tài)只要有足夠的開關(guān)，就可以表示任意的數(shù)據(jù)形式3/13/20233第三頁，共五十九頁，2022年，8月28日計算機中的數(shù)據(jù)分類文本(text)圖像(image)音頻(audio)視頻(video)數(shù)字(number)數(shù)據(jù)(data)3/13/20234第四頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.2二進制、八進制和十六進制一、數(shù)制數(shù)制：用一組固定的數(shù)碼和一套統(tǒng)一的規(guī)則來表示數(shù)目的方法進位計數(shù)制：數(shù)碼表示的值與位置有關(guān)基數(shù)：進位計數(shù)制中允許使用的基本數(shù)碼的個數(shù)位權(quán)：數(shù)碼在不同位置上的權(quán)值，其大小是以基數(shù)為底、數(shù)碼所在位置的序號為指數(shù)的整數(shù)次冪3/13/20235第五頁，共五十九頁，2022年，8月28日進制基數(shù)運算原則實例十進制0－9共十個數(shù)逢十進一56＝5×101＋6×100二進制0－1共兩個數(shù)逢二進一10＝1×21＋0×20進位計數(shù)制3/13/20236第六頁，共五十九頁，2022年，8月28日進位計數(shù)制一般而言，對于任意的R進制數(shù)An-1An-2......A1A0A-1A-2A-3.......A-m(其中n為整數(shù)位數(shù)，m為小數(shù)位數(shù))其值可以表示為：An-1×Rn-1＋An-2×Rn-2......A1×R1+A0×R0＋A-1×R-1+A-2×R-2+A-3×R-3.......A-m×R-m

3/13/20237第七頁，共五十九頁，2022年，8月28日二、二進制計算機內(nèi)部只能以二進制形式處理數(shù)值數(shù)據(jù)二進制允許使用的數(shù)碼為0、1，基數(shù)為2并按“逢二進一”的原則進行計數(shù)例如：(110010.11)2＝1×25＋1×24＋0×23＋0×22＋1×21+0×20＋1×2-1＋1×2-23/13/20238第八頁，共五十九頁，2022年，8月28日例

：將（35.6875）10轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。①

用除2取余法將整數(shù)部分(35)10轉(zhuǎn)換為二進制整數(shù)：235…………余數(shù)為1低位217…………余數(shù)為128…………余數(shù)為024…………余數(shù)為022…………余數(shù)為021…………余數(shù)為1高位0故：(35)10=(100011)2

驗證：1×25+0×24+0×23+0×22+1×21+1×20=32+2+1=35十進制轉(zhuǎn)換成二進制3/13/20239第九頁，共五十九頁，2022年，8月28日②

用乘2取整法將小數(shù)部分(0.6875)10轉(zhuǎn)換為二進制形式：0.6875×2

1.3750……整數(shù)部分為1高位0.3750×2

0.7500……整數(shù)部分為00.7500×2

1.5000……整數(shù)部分為10.5000×2

1.0000……整數(shù)部分為1低位即：(0.6875)10=(0.1011)2

3/13/202310第十頁，共五十九頁，2022年，8月28日③整數(shù)部分與小數(shù)部分合并，可得：(35.6875)10=(100011.1011)2注意：在上例中，將十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成為二進制小數(shù)的過程中，乘積小數(shù)部分變成“0”，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。實際上將十進制小數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制、八進制、十六進制小數(shù)過程中小數(shù)部分可能始終不為零，因此只能限定取若干位為止。將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制、十六進制數(shù)的規(guī)則和方法與之相同，只是R（基數(shù)）的取值不同。3/13/202311第十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日三、八進制和十六進制八進制具有八個不同的數(shù)碼符號0、1、2、3、4、5、6、7其基數(shù)為8,并按“逢八進一”的原則進行計數(shù)例如：(6734)8＝6×83＋7×82＋3×81＋4×803/13/202312第十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日十六進制具有十六個不同的數(shù)碼符號0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，其基數(shù)為16十六進制數(shù)的計數(shù)規(guī)則:逢十六進一。在十六個數(shù)碼中，A代表十進制10，B代表11，C代表12，D代表13，E代表14，F(xiàn)代表15。例如：(9FC5)16＝9×163＋15×162＋12×161＋5×160

3/13/202313第十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日十六進制轉(zhuǎn)換成十進制（26A）16=2×162+6×161+10×160=512+96+10=618八進制轉(zhuǎn)換成十進制（423.2）8=4×82+2×81+3×80+2×8-1總結(jié)：十進制、八進制、十六進制之間的轉(zhuǎn)換，比較難計算，而且一般用得很少，最常用的方法是將其轉(zhuǎn)換成二進制，然后再轉(zhuǎn)換一次。3/13/202314第十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日八進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為八進制數(shù)三位并一位：以小數(shù)點為基準，整數(shù)部分從右到左，小數(shù)部分從左到右，每三位一組，不足三位添0補足,然后把每組的三位二進制數(shù)按權(quán)展開后相加，得到相應(yīng)的一位八進制數(shù)碼，再按權(quán)的順序連接即得相應(yīng)的八進制數(shù)。例如：(1011100.00101011)2=(?)8(001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8

134.1263/13/202315第十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日八進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換八進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)一位拆三位：將每一位八進制數(shù)寫成對應(yīng)的三位二進制數(shù)，然后按權(quán)連接即可例如：(123.67)8=(?)2123.67(八進制)001,010,011.110,111(二進制)(123.67)8=(1010011.110111)23/13/202316第十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日十六進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)四位并一位：以小數(shù)點為基準，整數(shù)部分從右到左，小數(shù)部分從左到右，每四位一組，不足四位添0補足,然后把每組的四位二進制數(shù)按權(quán)展開后相加，得到相應(yīng)的一位十六進制數(shù)碼，再按權(quán)的順序連接即得相應(yīng)的十六進制數(shù)例如：(1011110.00011)2=(?)16(0101,1110.0001,1000)2=(5E.18)16

5E.183/13/202317第十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日十六進制與二進制之間的轉(zhuǎn)換十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)一位拆四位：把一位十六進制數(shù)寫成對應(yīng)的四位二進制數(shù)，然后按權(quán)連接即可。例如：(123.EF)16=(?)2123.EF(十六進制)0001,0010,0011.1110,1111(二進制)(123.EF)16=(100100011.11101111)23/13/202318第十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日常用數(shù)制的對照表十進制二進制八進制十六進制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F3/13/202319第十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.3文本數(shù)字化表示一、數(shù)據(jù)單位位（比特/bit）：1個電子開關(guān)的狀態(tài)字節(jié)（byte）：8位二進制數(shù)串字（word）：計算機一次處理的數(shù)據(jù)寬度，通常是字節(jié)的倍數(shù)32-bitmachines64-bitmachinesetc.3/13/202320第二十頁，共五十九頁，2022年，8月28日二、文本數(shù)據(jù)編碼要以數(shù)字化的形式表示文本，必須表示在文本中可能出現(xiàn)的每個字符要表示的字符數(shù)是有限的，最常用的方法就是給每一個字符分配一個二進制串字符集就是字符和表示它們的代碼的清單計算機制造商就關(guān)于使用哪種字符集達成一致后，文本數(shù)據(jù)的處理就容易了3/13/202321第二十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日三、ASCII編碼ASCIIstandsforAmericanStandardCodeforInformationInterchange.美國信息交換標準代碼，7位二進制位，1位校驗位經(jīng)過發(fā)展，采用8位表示數(shù)據(jù)3/13/202322第二十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日標準ASCII碼可表示128個字符，95個可見，33個控制碼3/13/202323第二十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日B7b6b5b4b3b2b10000010100111001011101110000NULDLESP0@P‘p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB`7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N^n~1111SIUS/?O_oDELASCII碼表3/13/202324第二十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日ASCII表使用3/13/202325第二十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日四、UNICODE編碼UNICODE字符集Unicode采用16位二進制串表示字符，216，6萬5千多個字符Unicode是ASCII的超集，前256個字符與ASCII一致3/13/202326第二十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日2.4多媒體信息的數(shù)字化表示一、圖形圖像的表示位圖：將一幅彩色圖分成許多像素，每個像素用若干二進制位來表示該像素的顏色矢量圖：用一系列計算機指令來表示一幅圖3/13/202327第二十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日靜止的圖像是一個矩陣，陣列中的各項數(shù)字用來描述構(gòu)成圖像的各個點的強度與顏色等信息圖像00011000001111000011110000011000矩陣表示圖像二、位圖（Bit-MapImage）3/13/202328第二十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日顏色是我們對到達視網(wǎng)膜的各種頻率的光的感覺視網(wǎng)膜的三種顏色感光視錐細胞，負責(zé)接收不同頻率的光。這些感光器分別對應(yīng)于紅（R）、綠（G）和藍（B）三種顏色顏色在計算機中常用RGB值表示例如，RGB值（255，255，0）表示在red和green值上取最大，blue值取最小，這樣的顏色就是我們所說的明黃色顏色3/13/202329第二十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日用于表示顏色的數(shù)據(jù)量稱為顏色深度，實際就是表示顏色的位數(shù)的多少

增強色用16bit來表示顏色，每個分量用5bit，多出的一位表示透明度真彩色用24bit表示，每個分量用8bit顏色深度3/13/202330第三十頁，共五十九頁，2022年，8月28日24位真彩色提供的顏色比人眼能夠分辨的顏色多，為了減少文件的大小，嘗試用一種叫做索引顏色的技術(shù)，也就是說一個特定的程序只支持某些特定的顏色，它將創(chuàng)建一個調(diào)色板，顯示最接近真實的調(diào)色板顏色。顏色深度3/13/202331第三十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日顯示分辨率：指計算機顯示器屏幕顯示圖象的最大顯示區(qū)，以水平和垂直像素點表示圖像分辨率：指數(shù)字化的圖象的大小，以水平和垂直像素點個數(shù)表示例如：在640×480屏幕上顯示320×240個像素點圖像分辨率3/13/202332第三十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日圖像數(shù)據(jù)量=圖像的總像素×色彩深度（色彩數(shù)）/8（單位：byte）基于點陣圖的圖像是由固定像素所組成的，點陣圖的缺點在于它限制了分辨率，同樣一張圖片，打印尺寸較小時，顏色很均勻，邊緣過渡也較平滑，而放大打印就可以看到單個像素，鋸齒狀的邊緣和塊狀結(jié)構(gòu)的過渡明顯。Bitmap點陣圖3/13/202333第三十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日計算機繪制的畫面用一個指令集合來描述的。這些指令用來描述圖中線條的形狀、位置、顏色等各種屬性和參數(shù)矢量圖形格式不像光柵圖形那樣把顏色賦予像素，而是用線段和幾何形狀描述圖像由于不需要記錄所有的像素，所以采用這種格式的文件一般比較小三、矢量圖（Vector-BasedImage）3/13/202334第三十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日矢量圖可以自動適應(yīng)輸出設(shè)備（激光打印機，激光照排機等）的最大分辨率，因此無論被放大或縮小，矢量圖都是均勻和清晰的

3/13/202335第三十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日3/13/202336第三十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日BMP格式(WindowsBitmap)格式是微軟公司為Windows環(huán)境設(shè)置的標準圖像格式，在Windows環(huán)境下運行的所有圖像處理軟件都支持這種格式。BMP格式采用無損壓縮方式，文件量比較大，不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，聯(lián)合圖形專家組）是我們平時最常用的圖像格式。最有效、最基本的有損壓縮格式，被極大多數(shù)圖形處理軟件所支持。JPEG格式的圖像還廣泛用于網(wǎng)頁的制作。四、圖形圖像的存儲形式3/13/202337第三十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日PSD格式是平面設(shè)計軟件Photoshop中使用的一種標準圖形文件格式，PSD格式可以很好地保存層、通道、路徑、蒙版以及壓縮方案而不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。但是，很少有應(yīng)用程序能夠支持這種格式。PDF（PortableDocumentFormat，可移植文件格式）是由Adobe公司創(chuàng)建的一種文件格式，在Windows、Unix、MacOS等操作系統(tǒng)中都是通用的，這一特點使它成為在Internet上進行電子文檔發(fā)行和數(shù)字化信息傳播的理想文檔格式。PDF格式文件目前已成為數(shù)字化信息事實上的一個工業(yè)標準。3/13/202338第三十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日GIF格式（GraphicsInterchangeFormat）格式是輸出圖像到網(wǎng)頁最常采用的格式。只支持256色以內(nèi)的圖像，無損壓縮存儲，文件量?。?/p>

支持透明色，可以使圖像浮現(xiàn)在背景之上；GIF文件可以制作動畫。TGA格式（TaggedGraphics）是由美國Truevision公司為其顯示卡開發(fā)的一種圖像文件格式，已被國際上的圖形、圖像工業(yè)所接受。結(jié)構(gòu)簡單，圖形、圖像數(shù)據(jù)的通用格式；

可以做出不規(guī)則形狀的圖形、圖像文件；TGA格式支持壓縮，使用了不失真的壓縮算法。3/13/202339第三十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日TIFF格式（TagImageFileFormat，有標簽的圖像文件格式）的目的是使掃描圖像標準化。它是跨越Mac與PC平臺最廣泛的圖像打印格式。PNG(PortableNetworkGraphics)格式是一種可以存儲32位信息的圖像文件格式，采用無損壓縮方式來減少文件的大小。目前越來越多的軟件開始支持這一格式，而且在網(wǎng)絡(luò)上也開始流行。它不支持動畫。3/13/202340第四十頁，共五十九頁，2022年，8月28日WMF(WindowsMetafileFormat)格式是Windows中常見的一種圖元文件格式，是矢量文件格式。它具有文件短小、圖案造型化的特點，整個圖形常由各個獨立的組成部分拼接而成，但其圖形往往較粗糙。WMF文件的擴展名為.wmfDXF(AutodeskDrawingeXchangeFormat)文件是AutoCAD中的矢量文件格式，它以ASCII碼方式存儲文件，在表現(xiàn)圖形的大小方面十分精確。DXF文件可以被許多軟件調(diào)用或輸出。DXF文件的擴展名為.dxf。SWF(ShockwaveFormat)文件是二維動畫軟件Flash中的矢量動畫格式，主要用于Web頁面上的動畫發(fā)布。目前，已成為網(wǎng)上動畫的事實標準。SWF文件的擴展名為.swf3/13/202341第四十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日聲音用電表示時，聲音信號在時間和幅度上都是連續(xù)的模擬信號模擬音頻：用模擬元部件對模擬信號進行處理模擬音頻易受干擾，模擬信號不適于計算機的加工處理五、數(shù)字音頻3/13/202342第四十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日音頻數(shù)字化為了將連續(xù)的音頻轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字化表示，需經(jīng)過采樣、量化、編碼等步驟采樣量化464……編碼00000100……數(shù)字音頻3/13/202343第四十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日采樣：每隔一定時間間隔對模擬波形上取一個幅度值，把時間上的連續(xù)信號變成時間上的離散信號。采樣周期（T）：采樣的時間間隔采樣頻率（f）常用的采樣頻率： 11.025KHz(語音效果) 22.05KHz(音樂效果) 44.1KHz(高保真效果),常見CD唱盤的采樣頻率即為44.1KHz等。采樣3/13/202344第四十四頁，共五十九頁，2022年，8月28日量化：將采樣值映射到一個有限個幅度值的集合中量化位數(shù)（也即采樣精度SamplingPrecision）表示存放采樣點振幅值的二進制位數(shù)，它決定了模擬信號數(shù)字化以后的動態(tài)范圍常用的有8位、12位、16位量化3/13/202345第四十五頁，共五十九頁，2022年，8月28日編碼：將采樣和量化后的數(shù)字數(shù)據(jù)以一定的格式記錄下來編碼的方式很多，常用的編碼方式是脈沖編碼調(diào)制（PulseCodeModulation,PCM)，其主要優(yōu)點是抗干擾能力強，失真小，傳輸特性穩(wěn)定通道數(shù)：一次采樣的聲音波形數(shù)單聲道：一次采樣一個波形雙聲道（立體聲）：一次采樣兩個聲音波形編碼3/13/202346第四十六頁，共五十九頁，2022年，8月28日數(shù)字音頻的存儲量計算方法：存儲量=(采樣頻率×量化位數(shù)×聲道數(shù)×?xí)r間)÷8例如，一個單聲道數(shù)字激光唱盤的標準采樣頻率位44.1KHZ,量化位數(shù)為16位，則1分鐘所需的存儲量為：44.1K×16×1×60=42336kb=5292kB3/13/202347第四十七頁，共五十九頁，2022年，8月28日常用的音頻文件格式CD格式是音質(zhì)最好的音頻格式。標準CD格式也就是44.1K的采樣頻率，速率88K/秒，16位量化位數(shù)，CD音軌可以說是近似無損的。WAV格式是微軟公司開發(fā)的一種聲音文件格式用于保存WINDOWS平臺的音頻信息資源。

支持多種壓縮算法，支持多種音頻位數(shù)、采樣頻率和聲道。標準格式的WAV文件：44.1K的采樣頻率，速率88K/秒，16位量化位數(shù)。3/13/202348第四十八頁，共五十九頁，2022年，8月28日MP3格式(MPEG-1

Audio

Layer

3)誕生于八十年代的德國，指的是MPEG標準中的音頻部分，也就是MPEG音頻層。MPEG音頻文件是一種有損壓縮，在12：1的高壓縮率的同時基本保持低音頻部分不失真，但是犧牲了聲音文件中12KHz到16KHz高音頻這部分的質(zhì)量來換取文件的尺寸，音質(zhì)要次于CD格式或WAV格式的聲音文件。3/13/202349第四十九頁，共五十九頁，2022年，8月28日MIDI格式（MusicalInstrumentDigitalInterface）允許數(shù)字合成器和其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。MIDI文件存儲的是指令，由聲卡按指令合成聲音。WMA格式

(Windows

Media

Audio)是微軟在互聯(lián)網(wǎng)音頻、視頻領(lǐng)域的力作。WMA格式是以減少數(shù)據(jù)流量但保持音質(zhì)的方法來達到更高的壓縮率目的，其壓縮率一般可以達到1:18。WMA還可以通過DRM(Digital

Rights

Management)方案加入防止拷貝。3/13/202350第五十頁，共五十九頁，2022年，8月28日六、動畫和視頻動畫和視頻信息是連續(xù)漸變的靜態(tài)圖像或圖形序列，沿時間軸順次更換顯示，從而構(gòu)成運動視覺的媒體當序列中每幀圖像是由人工或計算機產(chǎn)生的圖像時，稱為動畫

當序列中每幀圖像是通過實時攝取自然景象或活動對象時，稱為視頻。3/13/202351第五十一頁，共五十九頁，2022年，8月28日計算機設(shè)計動畫有兩種：一是幀動畫；一種是造型（矢量）動畫。幀動畫由一幅幅位圖組成的連續(xù)的畫面，就象電影膠片或視頻畫面一樣，制作時要分別設(shè)計每幀顯示的畫面，工作量大。造型動畫是對每一個運動的物體（稱為動元）分別進行設(shè)計，賦予每一個動元一些特征，如大小、形狀、顏色等，然后用這些動元構(gòu)成完整的幀畫面。若按照動畫應(yīng)用表現(xiàn)方式分：二維、三維動畫。動畫3/13/202352第五十二頁，共五十九頁，2022年，8月28日視頻是由一幅幅單獨的畫面序列（Frame）組成，這些畫面以一定的速率連續(xù)地投射在屏幕上，使觀察者具有圖象連續(xù)運動的感覺。主要的視頻標準NTSC制：NTSC標準為30fps、每幀525行PAL制：PAL標準為25fps、每幀625行視頻3/13/202353第五十三頁，共五十九頁，2022年，8月28日每秒鐘非壓縮視頻大?。簡螏瑘D像大小×每秒幀數(shù)圖像大小=水平像素×垂直像素×顏色深度÷8(字節(jié))

電視畫面