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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
2、能适用于数值信息编码，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元人民币增加或
3、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ASCII码为“0110 00
4、01”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GB18030,3.1 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）提供一个唯一的代码（即一组数字）编码方式UT
5、F-32UTF-16UTF-8,3.1 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
6、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4411
7、0Hz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
8、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AMFM,3.3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
9、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，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
10、：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
11、,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，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
12、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 Photoshop2、Adobe Illustrator3、CorelDRAW,3.4图像媒体的表示与数字化,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
13、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。
14、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,
