数字化原理——影像的编码-北京大学计算机教学中心

多媒体技术
三、数字化原理
指令编码 数值表示 字符编码 颜色编码 声音编码 图像编码 影像编码 基本编码规则
三、数字化原理
“冯.偌依曼体系结构” 的基本思路：
采用二进制形式表示数据和指令。 程序与数据预先存入主存，工作时连续自动 高速顺序执行。即“存储程序”思想。 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 数据和指令。
为了存储一首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44100×4≈160K字节，总计需要4×60×160K≈36MB。需要
的存储容量是非常大的。
三、数字化原理
——声音的编码
另一种声音的编码方式—— MIDI（Musical Instrument Digital Interface，音乐设备数字接口）
三、数字化原理
——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，
三、数字化原理
计算机内的数据
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。 编码：赋予意义，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。 数据结构：复杂数据，各种数据的组合，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。
8位：0～255（28 - 1） 16位：0～65535（216 - 1） 32位：0～40亿（232 - 1） 64位：天文数字（264）
三、数字化原理
——字符编码：ASCII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
颜色系统：
单色系统 彩色系统
三、数字化原理
Leabharlann Baidu
——声音的编码
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。
三、数字化原理
——指令的编码
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： 加法 00000001 减法 00000010 每条指令，都用固定 乘法 00000011 长度的二进制数表示 除法 00000100 跳转 00000101 …… 则： 1 + 3 可以表示为 00000001 00000001 00000011 2 * 4 可以表示为 00000010 00000011 00000100
三、数字化原理
——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。
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，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。
三、数字化原理
——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）：
——字符编码：ASCII码
ASCII 码
三、数字化原理
——字符编码：汉字编码
1、常用汉字有3000～5000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，用两个字节编码一个字符， 每个字节最高位为0。GB2312-80编码简称国标码。 3、汉字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”得到的。
范围为0000000～1111111。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，通常用 “ 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
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 人机互动
——与计算机的信息交流
北京大学信息科学技术学院
主要内容
数制及其转换
二进制数的运算
数字化原理
信息的输入与输出
汉字的输入/输出过程