信息数字化表示(与“图像”有关的文档共61张)

第2讲信息数字化表示2022/11/231第一页，共61页。2.1计算机中的数据计算机通过电子开关的状态表示数据开关的“通”状态表示1，开关的“断”状态表示02022/11/232第二页，共61页。一个开关有两个状态n个开关能描述2n个不同的状态只要有足够的开关，就可以表示任意的数据形式2022/11/233第三页，共61页。计算机中的数据分类文本(text)图像(image)音频(audio)视频(video)数字(number)数据(data)2022/11/234第四页，共61页。2.2二进制、八进制和十六进制一、数制数制：用一组固定的数码和一套统一的规则来表示数目的方法进位计数制：数码表示的值与位置有关基数：进位计数制中允许使用的基本数码的个数位权：数码在不同位置上的权值，其大小是以基数为底、数码所在位置的序号为指数的整数次幂2022/11/235第五页，共61页。进制基数运算原则实例十进制0－9共十个数逢十进一56＝5×101＋6×100二进制0－1共两个数逢二进一10＝1×21＋0×20进位计数制2022/11/236第六页，共61页。进位计数制一般而言，对于任意的R进制数An-1An-2......A1A0A-1A-2A-3.......A-m(其中n为整数位数，m为小数位数)其值可以表示为：An-1×Rn-1＋An-2×Rn-2......A1×R1+A0×R0＋A-1×R-1+A-2×R-2+A-3×R-3.......A-m×R-m

2022/11/237第七页，共61页。二、二进制计算机内部只能以二进制形式处理数值数据二进制允许使用的数码为0、1，基数为2并按“逢二进一”的原则进行计数例如：(110010.11)2＝1×25＋1×24＋0×23＋0×22＋1×21+0×20＋1×2-1＋1×2-22022/11/238第八页，共61页。例

：将（35.6875）10转换为二进制数。①

用除2取余法将整数部分(35)10转换为二进制整数：235…………余数为1低位217…………余数为128…………余数为024…………余数为022…………余数为021…………余数为1高位0故：(35)10=(100011)2

验证：1×25+0×24+0×23+0×22+1×21+1×20=32+2+1=35十进制转换成二进制2022/11/239第九页，共61页。②

用乘2取整法将小数部分(0.6875)10转换为二进制形式：0.6875×2……整数部分为1高位0.3750×2

0.7500……整数部分为00.7500×2

1.5000……整数部分为10.5000×2

1.0000……整数部分为1低位即：(0.6875)10=(0.1011)2

2022/11/2310第十页，共61页。③整数部分与小数部分合并，可得：(35.6875)10=(100011.1011)2注意：在上例中，将十进制小数转换成为二进制小数的过程中，乘积小数部分变成“0”，表明转换结束。实际上将十进制小数转换成二进制、八进制、十六进制小数过程中小数部分可能始终不为零，因此只能限定取若干位为止。将十进制数转换为八进制、十六进制数的规则和方法与之相同，只是R（基数）的取值不同。2022/11/2311第十一页，共61页。三、八进制和十六进制八进制具有八个不同的数码符号0、1、2、3、4、5、6、7其基数为8,并按“逢八进一”的原则进行计数例如：(6734)8＝6×83＋7×82＋3×81＋4×802022/11/2312第十二页，共61页。十六进制具有十六个不同的数码符号0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F，其基数为16十六进制数的计数规则:逢十六进一。在十六个数码中，A代表十进制10，B代表11，C代表12，D代表13，E代表14，F代表15。例如：(9FC5)16＝9×163＋15×162＋12×161＋5×160

2022/11/2313第十三页，共61页。十六进制转换成十进制（26A）16=2×162+6×161+10×160=512+96+10=618八进制转换成十进制（423.2）8=4×82+2×81+3×80+2×8-1总结：十进制、八进制、十六进制之间的转换，比较难计算，而且一般用得很少，最常用的方法是将其转换成二进制，然后再转换一次。2022/11/2314第十四页，共61页。八进制与二进制之间的转换二进制数转换为八进制数三位并一位：以小数点为基准，整数部分从右到左，小数部分从左到右，每三位一组，不足三位添0补足,然后把每组的三位二进制数按权展开后相加，得到相应的一位八进制数码，再按权的顺序连接即得相应的八进制数。例如：(1011100.00101011)2=(?)8(001,011,100.001,010,110)2=(134.126)8

134.1262022/11/2315第十五页，共61页。八进制与二进制之间的转换八进制数转换为二进制数一位拆三位：将每一位八进制数写成对应的三位二进制数，然后按权连接即可例如：(123.67)8=(?)2123.67(八进制)001,010,011.110,111(二进制)(123.67)8=(1010011.110111)22022/11/2316第十六页，共61页。十六进制与二进制之间的转换二进制数转换为十六进制数四位并一位：以小数点为基准，整数部分从右到左，小数部分从左到右，每四位一组，不足四位添0补足,然后把每组的四位二进制数按权展开后相加，得到相应的一位十六进制数码，再按权的顺序连接即得相应的十六进制数例如：(1011110.00011)2=(?)16(0101,1110.0001,1000)2=(5E.18)16

5E.182022/11/2317第十七页，共61页。十六进制与二进制之间的转换十六进制数转换为二进制数一位拆四位：把一位十六进制数写成对应的四位二进制数，然后按权连接即可。例如：(123.EF)16=(?)2123.EF(十六进制)0001,0010,0011.1110,1111(二进制)(123.EF)16=(100100011.11101111)22022/11/2318第十八页，共61页。常用数制的对照表十进制二进制八进制十六进制00000001000111200102230011334010044501015560110667011177810001089100111910101012A11101113B12110014C13110115D14111016E15111117F2022/11/2319第十九页，共61页。2.3文本数字化表示一、数据单位位（比特/bit）：1个电子开关的状态字节（byte）：8位二进制数串字（word）：计算机一次处理的数据宽度，通常是字节的倍数32-bitmachines64-bitmachinesetc.2022/11/2320第二十页，共61页。二、文本数据编码要以数字化的形式表示文本，必须表示在文本中可能出现的每个字符要表示的字符数是有限的，最常用的方法就是给每一个字符分配一个二进制串字符集就是字符和表示它们的代码的清单计算机制造商就关于使用哪种字符集达成一致后，文本数据的处理就容易了2022/11/2321第二十一页，共61页。三、ASCII编码ASCIIstandsforAmericanStandardCodeforInformationInterchange.信息交换标准代码，7位二进制位，1位校验位经过发展，采用8位表示数据2022/11/2322第二十二页，共61页。标准ASCII码可表示128个字符，95个可见，33个控制码2022/11/2323第二十三页，共61页。B7b6b5b4b3b2b10000010100111001011101110000NULDLESP0@P‘p0001SOHDC1!1AQaq0010STXDC2“2BRbr0011ETXDC3#3CScs0100EOTDC4$4DTdt0101ENQNAK%5EUeu0110ACKSYN&6FVfv0111BELETB`7GWgw1000BSCAN(8HXhx1001HTEM)9IYiy1010LFSUB*:JZjz1011VTESC+;K[k{1100FFFS,<L\l|1101CRGS-=M]m}1110SORS.>N^n~1111SIUS/?O_oDELASCII码表2022/11/2324第二十四页，共61页。ASCII表使用2022/11/2325第二十五页，共61页。四、UNICODE编码UNICODE字符集Unicode采用16位二进制串表示字符，216，6万5千多个字符Unicode是ASCII的超集，前256个字符与ASCII一致2022/11/2326第二十六页，共61页。2.4多媒体信息的数字化表示一、图形图像的表示位图：将一幅彩色图分成许多像素，每个像素用若干二进制位来表示该像素的颜色矢量图：用一系列计算机指令来表示一幅图2022/11/2327第二十七页，共61页。静止的图像是一个矩阵，阵列中的各项数字用来描述构成图像的各个点的强度与颜色等信息图像00011000001111000011110000011000矩阵表示图像二、位图（Bit-MapImage）2022/11/2328第二十八页，共61页。颜色是我们对到达视网膜的各种频率的光的感觉视网膜的三种颜色感光视锥细胞，负责接收不同频率的光。这些感光器分别对应于红（R）、绿（G）和蓝（B）三种颜色颜色在计算机中常用RGB值表示例如，RGB值（255，255，0）表示在red和green值上取最大，blue值取最小，这样的颜色就是我们所说的明黄色颜色2022/11/2329第二十九页，共61页。用于表示颜色的数据量称为颜色深度，实际就是表示颜色的位数的多少

增强色用16bit来表示颜色，每个分量用5bit，多出的一位表示透明度真彩色用24bit表示，每个分量用8bit颜色深度2022/11/2330第三十页，共61页。24位真彩色提供的颜色比人眼能够分辨的颜色多，为了减少文件的大小，尝试用一种叫做索引颜色的技术，也就是说一个特定的程序只支持某些特定的颜色，它将创建一个调色板，显示最接近真实的调色板颜色。颜色深度2022/11/2331第三十一页，共61页。显示分辨率：指计算机显示器屏幕显示图象的最大显示区，以水平和垂直像素点表示图像分辨率：指数字化的图象的大小，以水平和垂直像素点个数表示例如：在640×480屏幕上显示320×240个像素点图像分辨率2022/11/2332第三十二页，共61页。图像数据量=图像的总像素×色彩深度（色彩数）/8（单位：byte）基于点阵图的图像是由固定像素所组成的，点阵图的缺点在于它限制了分辨率，同样一张图片，打印尺寸较小时，颜色很均匀，边缘过渡也较平滑，而放大打印就可以看到单个像素，锯齿状的边缘和块状结构的过渡明显。Bitmap点阵图2022/11/2333第三十三页，共61页。计算机绘制的画面用一个指令集合来描述的。这些指令用来描述图中线条的形状、位置、颜色等各种属性和参数矢量图形格式不像光栅图形那样把颜色赋予像素，而是用线段和几何形状描述图像由于不需要记录所有的像素，所以采用这种格式的文件一般比较小三、矢量图（Vector-BasedImage）2022/11/2334第三十四页，共61页。矢量图可以自动适应输出设备（激光打印机，激光照排机等）的最大分辨率，因此无论被放大或缩小，矢量图都是均匀和清晰的

2022/11/2335第三十五页，共61页。2022/11/2336第三十六页，共61页。BMP格式(WindowsBitmap)格式是微软公司为Windows环境设置的标准图像格式，在Windows环境下运行的所有图像处理软件都支持这种格式。BMP格式采用无损压缩方式，文件量比较大，不利于网络传输。JPEG（JointPhotographicExpertsGroup，联合图形专家组）是我们平时最常用的图像格式。最有效、最基本的有损压缩格式，被极大多数图形处理软件所支持。JPEG格式的图像还广泛用于网页的制作。四、图形图像的存储形式2022/11/2337第三十七页，共61页。PSD格式是平面设计软件Photoshop中使用的一种标准图形文件格式，PSD格式可以很好地保存层、通道、路径、蒙版以及压缩方案而不会导致数据丢失。但是，很少有应用程序能够支持这种格式。PDF（PortableDocumentFormat，可移植文件格式）是由Adobe公司创建的一种文件格式，在Windows、Unix、MacOS等操作系统中都是通用的，这一特点使它成为在Internet上进行电子文档发行和数字化信息传播的理想文档格式。PDF格式文件目前已成为数字化信息事实上的一个工业标准。2022/11/2338第三十八页，共61页。GIF格式（GraphicsInterchangeFormat）格式是输出图像到网页最常采用的格式。只支持256色以内的图像，无损压缩存储，文件量小；支持透明色，可以使图像浮现在背景之上；GIF文件可以制作动画。TGA格式（TaggedGraphics）是由Truevision公司为其显示卡开发的一种图像文件格式，已被国际上的图形、图像工业所接受。结构简单，图形、图像数据的通用格式；可以做出不规则形状的图形、图像文件；TGA格式支持压缩，使用了不失真的压缩算法。2022/11/2339第三十九页，共61页。TIFF格式（TagImageFileFormat，有标签的图像文件格式）的目的是使扫描图像标准化。它是跨越Mac与PC平台最广泛的图像打印格式。PNG(PortableNetworkGraphics)格式是一种可以存储32位信息的图像文件格式，采用无损压缩方式来减少文件的大小。目前越来越多的软件开始支持这一格式，而且在网络上也开始流行。它不支持动画。2022/11/2340第四十页，共61页。WMF(WindowsMetafileFormat)格式DXF(AutodeskDrawingeXchangeFormat)文件是AutoCAD中的矢量文件格式，它以ASCII码方式存储文件，在表现图形的大小方面十分精确。DXF文件可以被许多软件调用或输出。DXF文件的扩展名为.dxf。SWF(ShockwaveFormat)文件2022/11/2341第四十一页，共61页。声音用电表示时，声音信号在时间和幅度上都是连续的模拟信号模拟音频：用模拟元部件对模拟信号进行处理模拟音频易受干扰，模拟信号不适于计算机的加工处理五、数字音频2022/11/2342第四十二页，共61页。音频数字化为了将连续的音频转换为离散的数字化表示，需经过采样、量化、编码等步骤采样量化464……编码00000100……数字音频2022/11/2343第四十三页，共61页。采样：每隔一定时间间隔对模拟波形上取一个幅度值，把时间上的连续信号变成时间上的离散信号。采样周期（T）：采样的时间间隔采样频率（f）常用的采样频率： 11.025KHz(语音效果) 22.05KHz(音乐效果) 44.1KHz(高保真效果),常见CD唱盘的采样频率即为44.1KHz等。采样2022/11/2344第四十四页，共61页。量化：将采样值映射到一个有限个幅度值的集合中量化位数（也即采样精度SamplingPrecision）表示存放采样点振幅值的二进制位数，它决定了模拟信号数字化以后的动态范围常用的有8位、12位、16位量化2022/11/2345第四十五页，共61页。编码：将采样和量化后的数字数据以一定的格式记录下来编码的方式很多，常用的编码方式是脉冲编码调制（PulseCodeModulation,PCM)，其主要优点是抗干扰能力强，失真小，传输特性稳定通道数：一次采样的声音波形数单声道：一次采样一个波形双声道（立体声）：一次采样两个声音波形编码2022/11/2346第四十六页，共61页。数字音频的存储量计算方法：存储量=(采样频率×量化位数×声道数×时间)÷8例如，一个单声道数字激光唱盘的标准采样频率位44.1KHZ,量化位数为16位，则1分钟所需的存储量为：44.1K×16×1×60=42336kb=5292kB2022/11/2347第四十七页，共61页。常用的音频文件格式CD格式是音质最好的音频格式。标准CD格式也就是44.1K的采样频率，速率88K/秒，16位量化位数，CD音轨可以说是近似无损的。WAV格式是微软公司开发的一种声音文件格式用于保存WINDOWS平台的音频信息资源。

支持多种压缩算法，支持多种音频位数、采样频率和声道。标准格式的WAV文件：44.1K的采样频率，速率88K/秒，16位量化位数。2022/11/2348第四十八页，共61页。MP3格式(MPEG-1

Audio

Layer

3)诞生于八十年代的德国，指的是MPEG标准中的音频部分，也就是MPEG音频层。MPEG音频文件是一种有损压缩，在12：1的高压缩率的同时基本保持低音频部分不失真，但是牺牲了声音文件中12KHz到16KHz高音频这部分的质量来换取文件的尺寸，音质要次于CD格式或WAV格式的声音文件。2022/11/2349第四十九页，共61页。MIDI格式（MusicalInstrumentDigitalInterface）允许数字合成器和其他设备交换数据。MIDI文件存储的是指令，由声卡按指令合成声音。WMA格式

(Windows

Media

Audio)是微软在互联网音频、视频领域的力作。WMA格式是以减少数据流量但保持音质的方法来达到更高的压缩率目的，其压缩率一般可以达到1:18。WMA还可以通过DRM(Digital

Rights

Management)方案加入防止拷贝。2022/11/2350第五十页，共61页。六、动画和视频动画和视频信息是连续渐变的静态图像或图形序列，沿时间轴顺次更换显示，从而构成运动视觉的媒体当序列中每帧图像是由人工或计算机产生的图像时，称为动画

当序列中每帧图像是通过实时摄取自然景象或活动对象时，称为视频。2022/11/2351第五十一页，共61页。计算机设计动画有两种：一是帧动画；一种是造型（矢量）动画。帧动画由一幅幅位图组成的连续的画面，就象电影胶片或视频画面一样，制作时要分别设计每帧显示的画面，工作量大。造型动画是对每一个运动的物体（称为动元）分别进行设计，赋予每一个动元一些特征，如大小、形状、颜色等，然后用这些动元构成完整的帧画面。若按照动画应用表现方式分：二维、三维动画。动画2022/11/2352第五十二页，共61页。视频是由一幅幅单独的画面序列（Frame）组成，这些画面以一定的速率连续地投射在屏幕上，使观察者具有图象连续运动的感觉。主要的视频标准NTSC制：NTSC标准为30fps、每帧525行PAL制：PAL标准为25fps、每帧625行视频2022/11/2353第五十三页，共61页。每秒钟非压缩视频大小：单帧图像大小×每秒帧数图像大小=水平像素×垂直像素×颜色深度÷8(字节)

电视画面大小720x480（N制），720x576（P制）N制：720x480x24x30÷8÷1024=303