信息媒体的表示及数字化

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1、第3章 信息媒体的表示及数字化教学目标 计算机中的信息表示 了解音频媒体的表示与数字化 了解图像媒体的表示与数字化 了解视频媒体的表示与数字化3.1.1为什么要用二进制3.1 计算机中的信息表示容易实现 开关的“断开”与“接通”；晶体管的“导通”与“断 开”；脉冲电位的“高”与“低”等等，均可用来表 示二进制的0和1 4条运算规则 十进制 55条运算规则 运算规则简单3.1.1为什么要用二进制3.1 计算机中的信息表示可靠性高 系统在进行设计时，使用的元件状态和规则越 少，运行时出错的概率就越小。传送数据时， 两种状态也比十种状态容易分辨，因此可以提 高系统运行的可靠性。 采用二进制，不仅能适

2、用于数值信息编码，也 适用于非数值信息的数字化编码。特别是，二 进制数码0和1恰好对应逻辑代数的取值“假”和“ 真”，从而是计算机能实现逻辑运算和各种逻辑 判断功能。通用性强 3.1.2计算机机中的数据及编码 (1)计算机中存储信息的最小单元是一个 字节即 8 个 bit，所以能表示的字符范围 是 0255 个 (2)人类要表示的符号太多，无法用一个 字节来完全表示3.1 计算机中的信息表示1、为什么要编码3.1.2计算机机中的数据及编码 （1）数值型数据通过数制转换得到二进 制数（或二进制代码）。这种转换能保 证数量的大小关系不变。例如：有300元 人民币，不会因为数制的转换而使这300 元

3、人民币增加或减少。 （2）非数值型数据是通过编码的方式得 到二进制代码。3.1 计算机中的信息表示2、信息是怎样变成二进制代码的 3.1.2计算机机中的数据及编码 ASCII码是美国标准信息交换编码(American Standard Code for Information Interchange )的字 头缩码。它是用1个字节的低7位(最高位为0)表 示128个不同的字符，包括大写和小写的26个 英文字母，09的10个数字，33个通用运算符 和标点符号，以及33个控制码。（参看附录B ） ASCII虽然是一个美国国家标准，但是目前已 经成为了一种事实上的国际通用标准。 英文字符“a”对应的

4、ASCII码为“0110 0001”转换 为十进制数为“97”。3.1 计算机中的信息表示3、ASCII码3.1.2计算机机中的数据及编码 GB2312-80：我国早期规定了GB2312-80 信息交换用汉字编码字符集基本集 国家标准。GB2312-80共收录6763个简体 汉字、682个符号 GBK：全称叫汉字内码扩展规范为 了扩展 GB2312，能表示 21003 个汉字 GB180303.1 计算机中的信息表示4 汉字编码 3.1.2计算机机中的数据及编码 Unicode 是为了解决传统的字符编码方式 的局限而产生的 Unicode 的功用是为每一个字符（包含了 世界上的大部分语言）提供

5、一个唯一的 代码（即一组数字） 编码方式 UTF-32 UTF-16 UTF-83.1 计算机中的信息表示6 Unicode编码 多媒体（Multimedia），在计算机系统中 ，组合两种或两种以上媒体的一种人机 交互式信息交流和传播媒体。使用的媒 体包括文字、图片、照片、声音 (包含音 乐、语音旁白、特殊音效)、动画和影片 。3.2媒体与多媒体信息3.3.1音频信号的特征 频率与音调 谐波与音色 幅度与音强 音宽与频带3.3音频媒体的表示与数字化3.3.2音频信号的数字化 采样是将一个信号（即时间或空间上的 连续函数）转换成一个数值序列（即时 间或空间上的离散函数）。 采样定理：如果信号是带

6、限的，采样频 率高于信号带宽的一倍，那么，原来的 连续信号可以从采样样本中完全重建出 来。3.3音频媒体的表示与数字化1、采样 3.3.2音频信号的数字化 声音采样：声波通常使用 44.1k 次/秒 (CD) 或 48k 次/秒 (professional audio)的 采样频率。这已经足够用在大部分实际 用途，因为人类的听觉系统所能听到最 高频的声音大概在15-20kHz。3.3音频媒体的表示与数字化1、采样 3.3.2音频信号的数字化 量化指将信号的连续取值（或者大量可 能的离散取值）近似为有限多个（或较 少的）离散值的过程。量化主要应用于 从连续信号到数字信号的转换中。连续 信号经过采

7、样成为离散信号，离散信号 经过量化即成为数字信号。 例如CD音频信号就是按照44110Hz的频 率采样，按16位元量化为有着65536（ =216）个可能取值的数字信号。3.3音频媒体的表示与数字化2、量化3.3.2音频信号的数字化 数据率为每秒bit数，它与信息在计算机 中的实时传输有直接关系 数据率=采样频率（Hz）量化位数（bit ）声道数（bit/s） 一张CD的容量大约为650MB，也就只能 存储61.4分钟音乐。3.3音频媒体的表示与数字化3 数据率 3.3.2音频信号的数字化 无损压缩：信号经过压缩和解压缩以后 ，必须和原来的信号完全一样，不能有 一个比特的错误 因为人的耳朵对某

8、些失真并不灵敏，对 音频信号可以采用有损压缩3.3音频媒体的表示与数字化4、数字音频信号的压缩3.3.2音频信号的数字化 音频采集 语音编码/解码 音乐合成 语音识别与理解 音频数据传输 AM FM3.3音频媒体的表示与数字化5、音频处理技术3.3.2音频信号的数字化WAVE， MPEG-1 layer 3，扩展名MP3：现在最流行的声音文件格式，因 其压缩率大，在网络可视电话通信方面应用广泛，但和CD唱片相 比，音质不能令人非常满意。 Real Audio，扩展名RA：这种格式真可谓是网络的灵魂，强大的 压缩量和极小的失真使其在众多格式中脱颖而出。和MP3相同， 它也是为了解决网络传输带宽资

9、源而设计的，因此主要目标是压 缩比和容错性，其次才是音质。 CD Audio音乐CD，扩展名CDA：唱片采用的格式，又叫“红皮书 ”格式，记录的是波形流，绝对的纯正、HIFI。但缺点是无法编辑 ，文件长度太大。 MIDI，扩展名MID：目前最成熟的音乐格式，实际上已经成为一 种产业标准，其科学性、兼容性、复杂程度等各方面当然远远超 过本文前面介绍的所有标准（除交响乐CD、Unplug CD外，其它 CD往往都是利用MIDI制作出来的），。3.3音频媒体的表示与数字化6 常见声音文件格式 3.3.2音频信号的数字化WAVE， MPEG-1 layer 3，扩展名MP3：现在最流行的声音文件格式，

10、因 其压缩率大，在网络可视电话通信方面应用广泛，但和CD唱片相 比，音质不能令人非常满意。 Real Audio，扩展名RA：这种格式真可谓是网络的灵魂，强大的 压缩量和极小的失真使其在众多格式中脱颖而出。和MP3相同， 它也是为了解决网络传输带宽资源而设计的，因此主要目标是压 缩比和容错性，其次才是音质。 CD Audio音乐CD，扩展名CDA：唱片采用的格式，又叫“红皮书 ”格式，记录的是波形流，绝对的纯正、HIFI。但缺点是无法编辑 ，文件长度太大。 MIDI，扩展名MID：目前最成熟的音乐格式，实际上已经成为一 种产业标准，其科学性、兼容性、复杂程度等各方面当然远远超 过本文前面介绍的

11、所有标准（除交响乐CD、Unplug CD外，其它 CD往往都是利用MIDI制作出来的），。3.3音频媒体的表示与数字化6 常见声音文件格式 3.3.2音频信号的数字化 同一首曲子的HIFI程度依次是： 原声乐器演奏 MIDI CD唱片 MOD 所谓声卡上的MIDI CMF，而 MP3及RA要看它的节目源是采用MIDI、 CD还是MOD了。3.3音频媒体的表示与数字化6 常见声音文件格式 3.4.1图像的数字化过程 采样 量化 图像在计算机内部被表示为一个数字矩 阵，矩阵中每一元素称为像素。3.4图像媒体的表示与数字化3.4.2图像的压缩与编码 1、无损压缩 对于如绘制的技术图、图表或者漫画，

12、优先使 用无损压缩，这是因为有损压缩方法，尤其是 在低的位速条件下，将会带来压缩有损，如医 疗图像或者用于存档的扫描图像等，这些 有价值的内容的压缩也尽量选择无损压缩方法 。 2、有损压缩 有损方法非常适合于自然的图像，例如一些应 用中图像的微小损失是可以接受的（有时是无 法感知的），这样就可以大幅度地减小位速。3.4图像媒体的表示与数字化3.4.3图像处理 对图像进行分析、加工、和处理，使其 满足视觉、心理以及其他要求的技术3.4图像媒体的表示与数字化3.4.3图像处理 1、Adobe Photoshop 2、Adobe Illustrator 3、CorelDRAW3.4图像媒体的表示与数

13、字化常见的图像处理软件：3.4.4图像分析 图像中抽取某些有用的度量、数据或信 息。目的是得到某种数值结果 车牌识别 人脸识别 三维重构3.4图像媒体的表示与数字化视频特性： 画面更新率 交错扫描（隔行扫描）与循序扫描（逐 行扫描） 视频分辨率 长宽比例3.5视频媒体的表示与数字化3.5.1视频压缩技术 MPEG-1是MPEG组织制定的第一个视频 和音频有损压缩标准，也是最早推出及 应用在市场上的MPEG技术，其原来的主 要目标是在CD光盘上记录图像，后来被 广泛应用在VCD光盘。视频压缩算法于 1990年定义完成。1992年底，MPEG-1正 式被批准成为国际标准。3.5视频媒体的表示与数字

14、化3.5.1视频压缩技术 MPEG-2是MPEG工作组于1994年发布的 视频和音频压缩国际标准。MPEG-2通常 用来为广播信号提供视频和音频编码， 包括卫星电视、有线电视等。MPEG-2经 过少量修改后，也成为DVD产品的核心 技术。3.5视频媒体的表示与数字化3.5.1视频压缩技术 MPEG-4是一套用于音频、视频信息的压 缩编码标准，由国际标准化组织（ISO） 和国际电工委员会（IEC）下属的“动态 图像专家组”（Moving Picture Experts Group，即MPEG）制定，第一版在1998 年10月通过，第二版在1999年12月通过 。MPEG-4格式的主要用途在于网上

15、流、 光盘、语音传送（视频电话），以及电 视广播。3.5视频媒体的表示与数字化3.5.1视频压缩技术 ITU-T的H.264标准和ISO/IEC MPEG-4第 10部分（正式名称是ISO/IEC 14496-10） 在编解码技术上是相同的，这种编解码 技术也被称为AVC，即高级视频编码（ Advanced Video Coding）。该标准第一 版的最终草案已于2003年5月完成。3.5视频媒体的表示与数字化 1、 什么是二进制，为什么计算机中要使用二进制？ 2、 简述中文有几种的编码。 3、 简述Unicode编码。 4、 什么是多媒体？ 5、 音频信号的特征是什么？ 6、 简述采样定理。 7、 简述常见的声音文件格式。 8、 简述图像压缩算法。 9、 简述图像的分析过程和方法。 10、简述常见的视频压缩技术。思考题