数字化原理-影像的编码-北京大学计算机教学中心课件

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。

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1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第六讲人机互动北京大学信息科学技术学院2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/输出过程多媒体技术主要内容主要内容3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、数字化原理指令编码三、数字化原理4“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。三、数字化原理“冯.偌依曼体系结构”的基本思路：三、数字化原理5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。三、数字化原理计算机内的数据三、数字化原理6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乘法00000011除法00000100跳转00000101……则：1+3可以表示为0000000100000001000000112*4可以表示为000000100000001100000100三、数字化原理 ——指令的编码每条指令，都用固定长度的二进制数表示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7三、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）：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、数字化原理在计算机内部，由于要表示符号等因素8三、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(AmericannationalStandardCodeforInformationInterchange)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、数字化原理字符的编码ASCII码是美国国家标准信息交9三、数字化原理 ——字符编码：ASCII码ASCII码三、数字化原理ASCII码101、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。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。三、11三、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。颜色系统：单色系统彩色系统三、数字化原理现实生活中的颜色是连续的、无穷无尽12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 ——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13三、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，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、数字化原理采样点的时间间隔越小，就与原始波形14三、数字化原理 ——声音的编码另一种声音的编码方式——MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface，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，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、数字化原理另一种声音的编码方式——MIDI（Music15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色三、数字化原理 ——图像的编码：点阵表示分辨率以颜色码为基础，将原始连续信息离散化为网格点，记录每个网格点16三、数字化原理 ——图像的编码：点阵表示三、数字化原理17三、数字化原理

——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、数字化原理不同分辨率、不同颜色编码的图像，其存储量的差别18三、数字化原理

——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、数字化原理点阵表示法的一个重要缺点是，图片中的对19三、数字化原理

——图像编码：字符的字体与字型字体：宋体楷体隶书仿宋…字型（字形码）：点阵：不同大小、不同分辨率矢量每种字体，都要有相应的字型三、数字化原理字体：字型（字形码）：每种字体，都要有相应的字20三、数字化原理 ——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640×480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（640×480×3byte×25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。三、数字化原理数字化电影（影像）主要是由时间上连续21目标数据集合大小CC≤2k则最小K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5bit的编码集合(00000—11001)映射规则：不多不少,一一对应映射的不变量：序（大小）保持不变三、数字化原理 ——基本编码规则目标数据集合大小C三、数字化原理22三、数字化原理 ——基本编码规则编码的关键是：离散对象类的集合分析键盘编码：分析构成文字的基本元素集大小写字母集合大小52数字和标点符号（可打印标点符号）集合42ABCDE…XYZabcde…xyz,!“#$%&‘()*+-./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。三、数字化原理编码的关键是：离散对象类的集合分析23

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。

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24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第六讲人机互动北京大学信息科学技术学院25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/输出过程多媒体技术主要内容主要内容26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、数字化原理指令编码三、数字化原理27“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。三、数字化原理“冯.偌依曼体系结构”的基本思路：三、数字化原理28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。三、数字化原理计算机内的数据三、数字化原理29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乘法00000011除法00000100跳转00000101……则：1+3可以表示为0000000100000001000000112*4可以表示为000000100000001100000100三、数字化原理 ——指令的编码每条指令，都用固定长度的二进制数表示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30三、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）：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、数字化原理在计算机内部，由于要表示符号等因素31三、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(AmericannationalStandardCodeforInformationInterchange)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、数字化原理字符的编码ASCII码是美国国家标准信息交32三、数字化原理 ——字符编码：ASCII码ASCII码三、数字化原理ASCII码331、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。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。三、34三、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。颜色系统：单色系统彩色系统三、数字化原理现实生活中的颜色是连续的、无穷无尽35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 ——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36三、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，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、数字化原理采样点的时间间隔越小，就与原始波形37三、数字化原理 ——声音的编码另一种声音的编码方式——MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface，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，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、数字化原理另一种声音的编码方式——MIDI（Music38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色三、数字化原理 ——图像的编码：点阵表示分辨率以颜色码为基础，将原始连续信息离散化为网格点，记录每个网格点39三、数字化原理 ——图像的编码：点阵表示三、数字化原理40三、数字化原理

——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、数字化原理不同分辨率、不同颜色编码的图像，其存储量的差别41三、数字化原理

——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、数字化原理点阵表示法的一个重要缺点是，图片中的对42三、数字化原理

——图像编码：字符的字体与字型字体：宋体楷体隶书仿宋…字型（字形码）：点阵：不同大小、不同分辨率矢量每种字体，都要有相应的字型三、数字化原理字体：字型（字形码）：每种字体，都要有相应的字43三、数字化原理 ——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