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1、本课件为教师罗英伟参加信息学院青年教师教学基本功比赛时所作，当时获得信息学院一等奖。其内容为北京大学本科生主干必修课“计算概论”中的一节。第六讲第六讲 人机互动人机互动与计算机的信息交流与计算机的信息交流北京大学信息科学技术学院北京大学信息科学技术学院p 数制及其转换p 二进制数的运算p 数字化原理p 信息的输入与输出p 汉字的输入/输出过程p 多媒体技术主要内容主要内容q 指令编码q 数值表示q 字符编码q 颜色编码q 声音编码q 图像编码q 影像编码q 基本编码规则三、数字化原理三、数字化原理“冯.偌依曼体系结构” 的基本思路：q采用二进制形式表示数据和指令。q程序与数据预先存入主存，工作
2、时连续自动高速顺序执行。即“存储程序”思想。q由运算器、存储器、控制器、I/O设备五大部分组成。 在现在的计算机内部，一律采用二进制表示在现在的计算机内部，一律采用二进制表示数据和指令。数据和指令。三、数字化原理三、数字化原理计算机内的数据计算机内的数据q 二进制：存储，基本表示格式。虽然世界上信息的表现形式多种多样，在计算机里它们的形式得到了概括和统一。任何信息在计算机中都以二值的数字形式被存储、被处理，还通过各种通讯媒体被传输和接收。q 编码：赋予意义，基本的共识性数据基本的共识性数据，如字符、数值、颜色、图像、声音、影像等。很多应用程序可以解释它们。q 数据结构：复杂数据复杂数据，各种数
3、据的组合，如Word文件、地图等，其中可以包括字符、数字、图像、声音等，往往只有特定的应用软件才能解释。三、数字化原理三、数字化原理 将计算机内部所能进行的各种基本操作用二进制数表示出来，以便于计算机的识别于运行。如：q 加法加法 00000001q 减法减法 00000010q 乘法乘法 00000011q 除法除法 00000100q 跳转跳转 00000101q 则：1 + 3 可以表示为 00000001 00000001 000000112 * 4 可以表示为 00000010 00000011 00000100三、数字化原理三、数字化原理指令的编码指令的编码每条指令，都用固定每条指
4、令，都用固定长度的二进制数表示长度的二进制数表示三、数字化原理三、数字化原理数值的表示数值的表示在计算机内部，由于要表示符号等因素，因此并不是直接以原始的二进制数本身来存储的，而是要经过一定的编码，包括：原码、补码和反码。有关这三种码的含义及其所表示的数据的方式（整数和浮点数），有兴趣的同学可以在课后阅读有关文献。此外，计算机内用来表示数据的二进制位数也不是无限的，往往用固定位数来表示数据，因此，其表达的数据范围是有限的（在“程序设计”中会涉及）：p 8位：0255（28 - 1）p 16位：065535（216 - 1）p 32位：040亿（232 - 1）p 64位：天文数字（264）三、
5、数字化原理三、数字化原理字符编码：字符编码：ASCII码码字符的编码字符的编码 ASCII码是美国国家标准信息交换码(American national Standard Code for Information Interchange)的简称，是目前国际上使用最广泛的字符编码。ASCII码的编码规则为： 每个字符用7位二进制数(d6d5d4d3d2d1d0)来表示，7位二进制共有128种状态(27 = 128 )，可表示128个字符，7位编码的取值范围为00000001111111。在计算机内，每个字符的ASCII码用1个字节( 8位)来存放，字节的最高位( d7)为校验位校验位，通常用“
6、0”来填充，后7位 (d6d5d4d3d2d1d0)为编码值。7位编码的ASCII码字符集包括了128个字符，称为标准的ASCII码字符集。三、数字化原理三、数字化原理字符编码：字符编码：ASCII码码ASCII码码1、常用汉字有30005000个，无法用一个字节编码。2、我国公布的通用汉字字符集(基本集)及其交换码标准GB2312-80共收集了7445个字符，用两个字节两个字节编码一个字符，每个字节最高位为0。GB2312-80编码简称国标码国标码。3、汉字内码内码是汉字在计算机内部存储、处理和传输用的信息编码。它必须与ASCII码兼容但又不能冲突。内码是把国标码两个字节的最高位置“1”得到
7、的。三、数字化原理三、数字化原理字符编码：汉字编码字符编码：汉字编码三、数字化原理三、数字化原理颜色的编码颜色的编码现实生活中的颜色是连续的、无穷无尽的，但在计算机内部，表达数据的二进制位数是有限的，因此，不可能像字符那样对颜色进行穷举，需要对颜色的连续光谱和其他和视觉有关的连续特性进行离散化。所谓离散化就是把连续量划分为离散的区段，对每一种区段都进行编码。除受二进制位数限制外，计算机内实际颜色表示还受到硬件设备能力的限制。颜色系统：颜色系统：n单色系统n彩色系统 声音是随时间变化的声波波形。与颜色类似，对声音波形需要进行离散化采样。声波的离散化采样是在两个维度上独立进行的。从时间维上进行时间
8、的离散化（按一定的均匀时间间隔采样），同时，每一个采样点的高度值（声音波形的振幅）也是经过离散化，纪录为n个bit的整数编码。两者合在一起表示了声音波形的编码文件。这种记录声音的方式称为声音的波形编码波形编码。 三、数字化原理三、数字化原理声音的编码声音的编码三、数字化原理三、数字化原理声音的编码声音的编码 采样点的时间间隔越小，就与原始波形函数越符合。声音编码中的“采样频率”，指得就是单位时间对声音波形的采样次数。采样频率用Hz（赫兹）为单位，每秒钟采样500次即为500Hz。显然，采样频率高的声音记录质量会更好一些，为此所用的存储空间也大一些。音乐CD的采样频率为44KHz。这样，为了存储
9、一首4分钟长的歌曲，假定它是双声道，每声道2字节的采样值，一次采样需要占用32bit。这样每1秒钟的音乐就需要441004160K字节，总计需要460160K36MB。需要的存储容量是非常大的。 三、数字化原理三、数字化原理声音的编码声音的编码另一种声音的编码方式另一种声音的编码方式 MIDI（Musical Instrument Digital Interface，音乐设备数字接口）音乐设备数字接口）一种电子乐器与电脑之间的编码协议。MIDI编码并不像波形编码那样记录乐曲每一时刻的声音采样，而是将乐曲的演奏信息，譬如使用了何种乐器，什么音符开始，什么音调结束，加以什么伴奏等记录下来。在播放时
10、，需要通过MIDI声卡根据MIDI编码序列进行声音的合成处理，形成波形编码。这是一项高级的音响技术，需要软硬件的密切配合。一首4分钟长度的MIDI音乐纪录，其存储容量只要百余K字节。 以颜色码为基础，将原始连续信息离散化为网格点，记录每个网格点的颜色值。2色色三、数字化原理三、数字化原理图像的编码：点阵表示图像的编码：点阵表示分辨率分辨率三、数字化原理三、数字化原理图像的编码：点阵表示图像的编码：点阵表示三、数字化原理三、数字化原理图像编码：不同颜色编码的图像图像编码：不同颜色编码的图像不同分辨率、不同颜色编码的图像，其存储量的差别是很大的。三、数字化原理三、数字化原理图像的编码：矢量表示（图
11、形）图像的编码：矢量表示（图形） 点阵表示法的一个重要缺点是，图片中的对象（例如，未名湖）和图片中一个个像元之间，两者的关系没有表示出来。同时，要得到高质量的图像，数据的存储量需求非常大。 与声音的MIDI编码相类似 ，假如要在一张空白图纸上勾画几个机器零件，最好是直接记录勾画这些零件形状的边界线及其相对位置。日常遇到的工程图、街区分布图、广告创意图等都是可以用线条和一些图形元素，如矩形、圆等基础元素构成的。这种编码方法称为矢量表示法，基本思想是用直线来逼近曲线，用直线段两端点位置表示直线段，而不是记录线上各点。这类方法往往只需要很少的存储量就可以表示一个图形对象。 三、数字化原理三、数字化原
12、理图像编码：字符的字体与字型图像编码：字符的字体与字型字体：字体：宋体楷体隶书仿宋字型（字形码）：字型（字形码）：点阵：不同大小、不同分辨率矢量每种字体，都要有相应的字型每种字体，都要有相应的字型三、数字化原理三、数字化原理影像的编码影像的编码 数字化电影（影像）主要是由时间上连续序列的数字化图片再加上数字化声音的合成体。影像是在时间和空间上对活动场景的离散采样。影像中的一张图片是对某一时刻场景的空间离散采样，称为影像的一帧。每秒约25帧的连续帧采样就形成影像，这是和人眼的视觉效果有关。通常一秒钟需要采样24帧左右，才能在视觉上感知为连续影像。当每秒钟采集的影像帧再减少，视觉上会有断续感，效果
13、变差。如果多于30帧/秒，视觉基本上没有区别了，因为人眼的分辩能力有限。 影像所需要的存储空间非常大。存储10分钟的640480的真彩色连续影像，按照每秒钟25帧计算，不包括声音信息，需要（6404803 byte25帧10分钟60秒）个字节，大约14GB( 13824M) 字节。 与影像相比，动画通常是将矢量图形作为每一帧来存储，数据量比之影像要小很多。目标数据集合大小目标数据集合大小 C C 2k则最小则最小K为编码位数为编码位数（例）大写字母A, B, C, D, , X, Y, Z共26个( 32 = 25)大写字母集合 5 bit的编码集合(0000011001)映射规则：不多不少映
14、射规则：不多不少 , 一一对应一一对应映射的不变量：映射的不变量： 序（大小）保持不变序（大小）保持不变三、数字化原理三、数字化原理基本编码规则基本编码规则三、数字化原理三、数字化原理基本编码规则基本编码规则编码的关键是：编码的关键是： 离散对象类离散对象类 的集合分析的集合分析键盘编码 ：分析 构成文字 的基本元素集1.大小写字母 集合大小 522.数字和标点符号（ 可打印标点符号）集合 42A B C D E X Y Z a b c d e x y z , ! “ # $ % & ( ) * + - . / 0 .9 : ; ? _ | 一共包括了 94 （ 128 27）种不同的可打印 符号，二进制编码需要 7位。
