加信息學(xué)院青年教師教學(xué)基本功比賽時(shí)所作,當(dāng)時(shí)獲得信息

1、 本課件為教師羅英偉參加信息學(xué)院青年教師教學(xué)基本功比賽時(shí)所作，當(dāng)時(shí)獲得信息學(xué)院一等獎(jiǎng)。其內(nèi)容為北京大學(xué)本科生主干必修課“計(jì)算概論”中的一節(jié)。 第六講第六講 人機(jī)互動(dòng)人機(jī)互動(dòng)與計(jì)算機(jī)的信息交流與計(jì)算機(jī)的信息交流北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院p 數(shù)制及其轉(zhuǎn)換p 二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算p 數(shù)字化原理p 信息的輸入與輸出p 漢字的輸入/輸出過(guò)程p 多媒體技術(shù)主要內(nèi)容主要內(nèi)容q 指令編碼q 數(shù)值表示q 字符編碼q 顏色編碼q 聲音編碼q 圖像編碼q 影像編碼q 基本編碼規(guī)則三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理“馮.偌依曼體系結(jié)構(gòu)” 的基本思路：q 采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令。q 程序與數(shù)據(jù)預(yù)先存入主

2、存，工作時(shí)連續(xù)自動(dòng)高速順序執(zhí)行。即“存儲(chǔ)程序”思想。q 由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、I/O設(shè)備五大部分組成。 在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)內(nèi)部，一律采用二進(jìn)制表示在現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)內(nèi)部，一律采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令。數(shù)據(jù)和指令。三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)q 二進(jìn)制：存儲(chǔ)，基本表示格式。雖然世界上信息的表現(xiàn)形式多種多樣，在計(jì)算機(jī)里它們的形式得到了概括和統(tǒng)一。任何信息在計(jì)算機(jī)中都以二值的數(shù)字形式被存儲(chǔ)、被處理，還通過(guò)各種通訊媒體被傳輸和接收。 q 編碼：賦予意義，基本的共識(shí)性數(shù)據(jù)基本的共識(shí)性數(shù)據(jù)，如字符、數(shù)值、顏色、圖像、聲音、影像等。很多應(yīng)用程序可以解釋它們。q 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：復(fù)雜數(shù)據(jù)復(fù)雜

3、數(shù)據(jù)，各種數(shù)據(jù)的組合，如Word文件、地圖等，其中可以包括字符、數(shù)字、圖像、聲音等，往往只有特定的應(yīng)用軟件才能解釋。三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理 將計(jì)算機(jī)內(nèi)部所能進(jìn)行的各種基本操作用二進(jìn)制數(shù)表示出來(lái)，以便于計(jì)算機(jī)的識(shí)別于運(yùn)行。如：q 加法加法 00000001q 減法減法 00000010q 乘法乘法 00000011q 除法除法 00000100q 跳轉(zhuǎn)跳轉(zhuǎn) 00000101q 則：1 + 3 可以表示為 00000001 00000001 000000112 * 4 可以表示為 00000010 00000011 00000100三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理指令的編碼指令的編碼每條指令，都

4、用固定每條指令，都用固定長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)表示長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)表示三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理數(shù)值的表示數(shù)值的表示 在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，由于要表示符號(hào)等因素，因此并不是直接以原始的二進(jìn)制數(shù)本身來(lái)存儲(chǔ)的，而是要經(jīng)過(guò)一定的編碼，包括：原碼、補(bǔ)碼和反碼。有關(guān)這三種碼的含義及其所表示的數(shù)據(jù)的方式（整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)），有興趣的同學(xué)可以在課后閱讀有關(guān)文獻(xiàn)。 此外，計(jì)算機(jī)內(nèi)用來(lái)表示數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)也不是無(wú)限的，往往用固定位數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)，因此，其表達(dá)的數(shù)據(jù)范圍是有限的（在“程序設(shè)計(jì)”中會(huì)涉及）：p 8位：0255（28 - 1）p 16位：065535（216 - 1）p 32位：040億（232 - 1）p 64位：天文數(shù)

5、字（264）三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理字符編碼：字符編碼：ASCII碼碼字符的編碼字符的編碼 ASCII碼是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)信息交換碼(American national Standard Code for Information Interchange)的簡(jiǎn)稱，是目前國(guó)際上使用最廣泛的字符編碼。ASCII碼的編碼規(guī)則為： 每個(gè)字符用7位二進(jìn)制數(shù)(d6d5d4d3d2d1d0)來(lái)表示，7位二進(jìn)制共有128種狀態(tài)(27 = 128 )，可表示128個(gè)字符，7位編碼的取值范圍為00000001111111。在計(jì)算機(jī)內(nèi)，每個(gè)字符的ASCII碼用1個(gè)字節(jié)( 8位)來(lái)存放，字節(jié)的最高位( d7)為校驗(yàn)位校

6、驗(yàn)位，通常用“ 0”來(lái)填充，后7位 (d6d5d4d3d2d1d0)為編碼值。7位編碼的ASCII碼字符集包括了128個(gè)字符，稱為標(biāo)準(zhǔn)的ASCII碼字符集。三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理字符編碼：字符編碼：ASCII碼碼ASCII碼碼1、常用漢字有30005000個(gè)，無(wú)法用一個(gè)字節(jié)編碼。2、我國(guó)公布的通用漢字字符集(基本集)及其交換碼標(biāo)準(zhǔn)GB2312-80共收集了7445個(gè)字符，用兩個(gè)字節(jié)兩個(gè)字節(jié)編碼一個(gè)字符，每個(gè)字節(jié)最高位為0。GB2312-80編碼簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo)碼國(guó)標(biāo)碼。3、漢字內(nèi)碼內(nèi)碼是漢字在計(jì)算機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)、處理和傳輸用的信息編碼。它必須與ASCII碼兼容但又不能沖突。內(nèi)碼是把國(guó)標(biāo)碼兩個(gè)字節(jié)的最

7、高位置“1”得到的。三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理字符編碼：漢字編碼字符編碼：漢字編碼三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理顏色的編碼顏色的編碼 現(xiàn)實(shí)生活中的顏色是連續(xù)的、無(wú)窮無(wú)盡的，但在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，表達(dá)數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位數(shù)是有限的，因此，不可能像字符那樣對(duì)顏色進(jìn)行窮舉，需要對(duì)顏色的連續(xù)光譜和其他和視覺(jué)有關(guān)的連續(xù)特性進(jìn)行離散化。所謂離散化就是把連續(xù)量劃分為離散的區(qū)段，對(duì)每一種區(qū)段都進(jìn)行編碼。 除受二進(jìn)制位數(shù)限制外，計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)際顏色表示還受到硬件設(shè)備能力的限制。顏色系統(tǒng)：顏色系統(tǒng)：n 單色系統(tǒng)n 彩色系統(tǒng) 聲音是隨時(shí)間變化的聲波波形。與顏色類似，對(duì)聲音波形需要進(jìn)行離散化采樣。聲波的離散化采樣是在兩個(gè)維度上獨(dú)立進(jìn)

8、行的。從時(shí)間維上進(jìn)行時(shí)間的離散化（按一定的均勻時(shí)間間隔采樣），同時(shí)，每一個(gè)采樣點(diǎn)的高度值（聲音波形的振幅）也是經(jīng)過(guò)離散化，紀(jì)錄為n個(gè)bit的整數(shù)編碼。兩者合在一起表示了聲音波形的編碼文件。這種記錄聲音的方式稱為聲音的波形編碼波形編碼。 三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理聲音的編碼聲音的編碼三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理聲音的編碼聲音的編碼 采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔越小，就與原始波形函數(shù)越符合。聲音編碼中的“采樣頻率”，指得就是單位時(shí)間對(duì)聲音波形的采樣次數(shù)。采樣頻率用Hz（赫茲）為單位，每秒鐘采樣500次即為500Hz。顯然，采樣頻率高的聲音記錄質(zhì)量會(huì)更好一些，為此所用的存儲(chǔ)空間也大一些。音樂(lè)CD的采樣頻率為4

9、4KHz。這樣，為了存儲(chǔ)一首4分鐘長(zhǎng)的歌曲，假定它是雙聲道，每聲道2字節(jié)的采樣值，一次采樣需要占用32bit。這樣每1秒鐘的音樂(lè)就需要441004160K字節(jié)，總計(jì)需要460160K36MB。需要的存儲(chǔ)容量是非常大的。 三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理聲音的編碼聲音的編碼另一種聲音的編碼方式另一種聲音的編碼方式 MIDI（Musical Instrument Digital Interface，音樂(lè)設(shè)備數(shù)字接口），音樂(lè)設(shè)備數(shù)字接口）一種電子樂(lè)器與電腦之間的編碼協(xié)議。MIDI編碼并不像波形編碼那樣記錄樂(lè)曲每一時(shí)刻的聲音采樣，而是將樂(lè)曲的演奏信息，譬如使用了何種樂(lè)器，什么音符開(kāi)始，什么音調(diào)結(jié)束，加以什

10、么伴奏等記錄下來(lái)。在播放時(shí)，需要通過(guò)MIDI聲卡根據(jù)MIDI編碼序列進(jìn)行聲音的合成處理，形成波形編碼。這是一項(xiàng)高級(jí)的音響技術(shù)，需要軟硬件的密切配合。一首4分鐘長(zhǎng)度的MIDI音樂(lè)紀(jì)錄，其存儲(chǔ)容量只要百余K字節(jié)。 以顏色碼為基礎(chǔ)，將原始連續(xù)信息離散化為網(wǎng)格點(diǎn)，記錄每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的顏色值。2色色三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理圖像的編碼：點(diǎn)陣表示圖像的編碼：點(diǎn)陣表示分辨率分辨率三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理圖像的編碼：點(diǎn)陣表示圖像的編碼：點(diǎn)陣表示三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理圖像編碼：不同顏色編碼的圖像圖像編碼：不同顏色編碼的圖像不同分辨率、不同顏色編碼的圖像，其存儲(chǔ)量的差別是很大的。三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原

11、理圖像的編碼：矢量表示（圖形）圖像的編碼：矢量表示（圖形） 點(diǎn)陣表示法的一個(gè)重要缺點(diǎn)是，圖片中的對(duì)象（例如，未名湖）和圖片中一個(gè)個(gè)像元之間，兩者的關(guān)系沒(méi)有表示出來(lái)。同時(shí)，要得到高質(zhì)量的圖像，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量需求非常大。 與聲音的MIDI編碼相類似 ，假如要在一張空白圖紙上勾畫幾個(gè)機(jī)器零件，最好是直接記錄勾畫這些零件形狀的邊界線及其相對(duì)位置。日常遇到的工程圖、街區(qū)分布圖、廣告創(chuàng)意圖等都是可以用線條和一些圖形元素，如矩形、圓等基礎(chǔ)元素構(gòu)成的。這種編碼方法稱為矢量表示法，基本思想是用直線來(lái)逼近曲線，用直線段兩端點(diǎn)位置表示直線段，而不是記錄線上各點(diǎn)。這類方法往往只需要很少的存儲(chǔ)量就可以表示一個(gè)圖形對(duì)象。

12、三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理圖像編碼：字符的字體與字型圖像編碼：字符的字體與字型字體：字體： 宋體 楷體 隸書 仿宋 字型（字形碼）：字型（字形碼）： 點(diǎn)陣：不同大小、不同分辨率 矢量每種字體，都要有相應(yīng)的字型每種字體，都要有相應(yīng)的字型三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理影像的編碼影像的編碼 數(shù)字化電影（影像）主要是由時(shí)間上連續(xù)序列的數(shù)字化圖片再加上數(shù)字化聲音的合成體。影像是在時(shí)間和空間上對(duì)活動(dòng)場(chǎng)景的離散采樣。影像中的一張圖片是對(duì)某一時(shí)刻場(chǎng)景的空間離散采樣，稱為影像的一幀。每秒約25幀的連續(xù)幀采樣就形成影像，這是和人眼的視覺(jué)效果有關(guān)。通常一秒鐘需要采樣24幀左右，才能在視覺(jué)上感知為連續(xù)影像。當(dāng)每秒鐘采

13、集的影像幀再減少，視覺(jué)上會(huì)有斷續(xù)感，效果變差。如果多于30幀/秒，視覺(jué)基本上沒(méi)有區(qū)別了，因?yàn)槿搜鄣姆洲q能力有限。 影像所需要的存儲(chǔ)空間非常大。存儲(chǔ)10分鐘的640480的真彩色連續(xù)影像，按照每秒鐘25幀計(jì)算，不包括聲音信息，需要（6404803 byte25幀10分鐘60秒）個(gè)字節(jié)，大約14GB( 13824M) 字節(jié)。 與影像相比，動(dòng)畫通常是將矢量圖形作為每一幀來(lái)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)量比之影像要小很多。目標(biāo)數(shù)據(jù)集合大小目標(biāo)數(shù)據(jù)集合大小 C C 2k則最小則最小K為編碼位數(shù)為編碼位數(shù)（例）大寫字母A, B, C, D, , X, Y, Z共26個(gè)( 32 = 25)大寫字母集合 5 bit的編碼集合(0000011001)映射規(guī)則：不多不少映射規(guī)則：不多不少 , 一一對(duì)應(yīng)一一對(duì)應(yīng)映射的不變量：映射的不變量： 序（大?。┍３植蛔冃颍ù笮。┍３植蛔?nèi)?shù)字化原理三、數(shù)字化原理基本編碼規(guī)則基本編碼規(guī)則三、數(shù)字化原理三、數(shù)字化原理基本編碼規(guī)則基本編碼規(guī)則編碼的關(guān)