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第五章 数字媒体及应用


第五章

数字媒体及应用

?

媒体(medium(单)media(复)):又称媒介/媒质,承
载信息的载体,是信息的各种表示形式(如数值、文字、图
像、声音、视频等)

?

数字媒体:
数值、文字、声音、图像等的二进制数字表示

/>数字媒体是随着计算机功能的不断增强、 计算机应用的不断深入而发展起来的。

第五章
?

数字媒体及应用

5.1

文本与文本表示

?
? ?

5.2
5.3 5.4

图像与图形
数字声音及应用 数字视频及应用

5.1

文本与文本表示

本节重点:

? 字符的编码
? 丰富格式文本 ? 超文本 ? 文本编辑 ? 文本处理

5.1.1

字符的编码

1、西文字符的编码
2、汉字的编码

3、UCS/Unicode与GB18030汉字编码标准

5.1.1

字符的编码

1、西文字符的编码
? 字符集:常用字符的集合。 ? 西文字符集:由拉丁字母、数字、标点符号及一

些特殊符号组成。
? 字符的编码:字符集中每一个字符各有一个代码,

即字符的二进制表示,称为该字符的编码。
? 字符代码表(码表):字符集中不同字符的编码

互相区别,构成该字符集的代码表。

5.1.1

字符的编码
Standard Code for

ASCII字符集和ASCII码
? 美国标准信息交换码(American

Information Interchange):使用7个二进位对字符进行
编码(叫做标准ASCII码),称为ISO-646标准。
? 基本的ASCII字符集共有128个字符
– –

? 特殊字符的ASCII码
– – – –

96个可打印字符(常用字母、数字、标点符号等) b 3b 2 b1b0 32个控制字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F b6b5b4 空格(32) A(65)
0 1 2 3 4 5 6 7 控制字符

a(97)
0(48)

5.1.1
?

字符的编码

标准ASCII码是七位的编码,但字节是 计算机中最基本的处理单位,故以一个 字节来存放一个ASCII字符。每个字节 中多出来的一位一般保持为“0”,在数 据传输时可用作奇偶校验位。

5.1.1

字符的编码

? 扩充ASCII字符集:

标准ASCII字符集只有128个不同的字符,在很多 应用中无法满足要求。按照ISO2022标准(《七位 字符集的代码扩充技术》)的规定,ISO陆续制定 了一批适用于不同地区的扩充ASCII字符集,每个 扩充ASCII字符集分别可以扩充128个字符,这些 扩充字符的编码均是高位为1的8位代码(十进制 数128~255),称为扩展ASCII码。

5.1.1

字符的编码

1、西文字符的编码

2、汉字的编码
3、UCS/Unicode与GB18030汉字编码标准

5.1.1

字符的编码

2、汉字的编码

(1)GB2312汉字编码
(2)GBK汉字内码扩充规范

5.1.1

字符的编码

(1)GB2312汉字编码
《信息交换用汉字编码字符集· 基本集》(1981)
? 组成:

第一部分:字母、数字和各种符号,包括拉丁字母、俄文、 日文平假名与片假名、希腊字母、汉语拼音等共682个 (统称为GB2312图形符号) 第二部分:一级常用汉字,共3755个, 按汉语拼音排列 第三部分:二级常用汉字,共3008个, 按偏旁部首排列
汉字 6763 所有 字符 7445

5.1.1
?

字符的编码

区位码
国标码

?

?

机内码

5.1.1

字符的编码

? 区位码: GB2312国标字符集构成一个二维平面,它分成94

行、94列,行号称为区号,列号称为位号( 图)。每一个汉字
或符号在码表中都有各自的位置,字符的位置用它所在的区 号(行号)及位号(列号)来表示。每个汉字的区号和位号分别

用1个字节来表示,区号和位号的组合就可作为汉字字符编码,
称为文字的区位码。 如:“大”字的区号20,位号83,区位码是20 83

用2个字节表示为:00010100 01010011

5.1.1

字符的编码
GB2312-80汉字编码
GB2312-80字符集 位号: 区 1 号 9
1 2 3 ……………… 94

字母、数字和各种符号 一级汉字 (3755个) 二级汉字 (3008个) (扩充使用)

: 16
55 56 87

94

…… ……

5.1.1
?

字符的编码

区位码

?

国标码
机内码

?

5.1.1
?

字符的编码

国标码:

字国标码 例:“大”字的区位码是20 83 的十六进 制表示 十进制: 区号 20 位号 83

计算方法:区位码区号、位号分别加32(D) (或20H)

? “大”

+32
52 00110100

+32
115 01110011

二进制:

00010100
+00100000 00110100

01010011
+00100000 01110011

5.1.1
?

字符的编码

区位码 国标码

?

?

机内码

5.1.1
?

字符的编码

机内码:
?

问题:文本中的汉字与西文字符经常是混合在
一起使用的,汉字信息如不予以特别的标识, 它与单字节的标准ASCII码就会混淆不清。

?

解决方法:把一个汉字看作两个扩展ASCII码, 使表示GB2312汉字的两个字节的最高位(b7)都 等于“1”。这种高位为l的双字节(16位)汉字 编码就称为GB2312汉字的“机内码”,又称内

码。

5.1.1
机内码:

字符的编码

国标码的最高位变为1(二进制)或加80H
如:“大”字

B: 国标码 是:00110100 01110011
机内码 是:10110100 11110011(B4F3)

H:国标码 是:

34 +80

73 +80 F3

机内码 是:

B4

5.1.1
?

字符的编码

国标码:
计算方法:区位码区号、位号分别加32(D)

例:“大”字的区位码是20 83 十进制: 区号 20 位号 83

+32
52 00110100 二进制: 00010100 +00100000 00110100

+32
115 01110011 01010011 +00100000 01110011

5.1.1

字符的编码

2、汉字的编码 (1)GB2312汉字编码

(2)GBK汉字内码扩充规范

5.1.1

字符的编码

(2)GBK汉字内码扩充规范
? ?

问题:GB2312只有6763个汉字,使用时功能不够。
解决方法:1995年发布GBK,全称为《汉字内码扩展规范》 GBK字符集中一共有21003个汉字和883个图形符号,它与

GB2312国标汉字字符集及其内码保持兼容。


GBK/1:GB2312中的符号; GBK/2:GB2312中的全部汉字;

GBK/4和GBK/3:包括繁体字在内的大量汉字;
GBK/5:符号。 例如“計算機係”等繁体汉字和“冃冄円冇鎔”等生僻的

汉字。

5.1.1
? 应用:


字符的编码

操作系统——Windows 95以上简体中文版,采用GBK代
码,并提供了多种输入法和字体,使得系统能输入、 显示和打印GBK中的所有汉字和符号。



应用软件——Office 95以上简体中文版本提供GBK码 的检索和排序



互联网应用——许多网站的网页使用GBK代码,但目前 还不是所有搜索引擎都支持 GBK 汉字文本的搜索

5.1.1

字符的编码

1、西文字符的编码 2、汉字的编码

3、UCS/Unicode与GB18030汉字编码标准

5.1.1

字符的编码

3、UCS/Unicode与GB18030汉字编码标准
(a)通用编码字符集UCS/Unicode
? UCS/Unicode用4个字节对全世界现代书面文字所使用的所有

字符、符号进行编码(记作 UCS-4)
? 为了实现全球数以千计的不同语言文字的统一编码,国际标

准化组主指定了一个将全世界现代书面文字所使用的所有字 符和符号集中统一编码的标准,称为UCS—2。

5.1.1

字符的编码

(b)GB18030-2000编码
?为了既能与国际标准UCS(Unicode)接轨,又

能保护已有的大量中文信息资源,我国在2000

年发布了GB18030汉字编码国家标准。
?GB18030标准与GB2312和GBK保持向下兼容,并

扩充了UCS/Unicode中的其他字符。

5.1.2

文本准备

文本信息的输入方法
?

人工输入:通过键盘、手写笔或语音输入方式输入字符


特点:速度慢、成本高,不适合需处理大批量文字的应用

?

自动输入:将纸介质上的文本通过识别技术自动转换为文字的编码
– –

特点:速度快,效率高
文字的自动识别分为:印刷体识别和手写体识别
文本信息的输入

人工输入

自动识别输入

键盘输入

联机手写输入

语音输入

印刷体识别

脱机手写体识别

5.1.2

文本准备

1、汉字键盘输入
?

由于汉字字数很多,无法使每个汉字与西文键盘上的键一一对应,

因此必须使用一个或几个键来表示汉字,这就称为汉字的“键盘输入 编码”
?

好的汉字键盘输入编码方案的特点:易学习、易记忆、效率高(平

均击键次数较少)、重码少、容量大(可输入的汉字字数多)等
?

汉字的输入编码与汉字的内码是不同范畴的概念。使用不同的输入

编码方法向计算机输入的同一个汉字,它们的内码是相同的

5.1.2

文本准备

?汉字输入编码方法的分类


数字编码:使用一串数字来表示汉字的编码方法,例如 电报码、区位码等
缺点: 难以记忆,不易推广 字音编码:一种基于汉语拼音的编码方法,简单易学, 适合于非专业人员 缺点:同音字引起的重码多,需增加选择操作 字形编码:将汉字的字形分解归类而给出的编码方法, 重码少、输入速度较快,如五笔字形法和表形码等 缺点:编码规则不易掌握 形音编码:吸取了字音编码和字形编码的优点,使编码 规则适当简化、重码减少 缺点:不易掌握







5.1.2

文本准备

2、非击键方式的汉字输入方法
? 以平常书写的习惯,把要输入的汉字写在一块叫书写板的设备

上,书写板将笔尖的运动(包括抬笔、落笔、笔段轨迹以及各 笔段之间的时间关系等)按时间采样后发送到计算机中,由计 算机软件自动进行识别,然后用该汉字(或符号)对应的代码 进行保存。
? 中科院自动化所,华旗资讯科技发展有限公司(爱国者)汉王

笔:正识率95℅ ~ 90℅,速度12字/秒

5.1.3

文本的分类与表示

1、简单文本(纯文本)
2、丰富格式文本 3、超文本

5.1.3

文本的分类与表示

1、简单文本(纯文本)
? 简单文本(plain

text):是由一连串用于表达正文内

容的字符(包括汉字)的编码所组成,它几乎不包含任何 其他的格式信息和结构信息。这种文本通常称为纯文本或 ASCII文本,在PC机中的文件后缀名是.txt
? 特性:呈现为一种线性结构,以行、字为单位,顺序写作

与阅读是最通用的文本文件格式,文件体积小,阅读不受 限制,几乎所有的文字处理软件都能识别和处理,不能插

入图片、表格等,不能建立超链接

5.1.3

文本的分类与表示

1、简单文本(纯文本) 2、丰富格式文本 3、超文本

5.1.3

文本的分类与表示

2、丰富格式文本
?丰富格式文本: 经过排版处理后,纯文本中就增

加了许多格式控制和机构说明信息,这样的文本就 称为“丰富格式文本”。
?RTF格式:为了便于丰富格式文本能在不同的软件

和系统中互换使用,提出的一种公用中间格式。
?多媒体文档(Multimedia

Document):含有

声音和视频信息的文本。

5.1.3

文本的分类与表示

1、简单文本(纯文本) 2、丰富格式文本 3、超文本

5.1.3
3、超文本

文本的分类与表示

?线性文本:其内容组织是线性的,读者总是按

照顺序阅读的文本结构。
?超文本:采用网状结构来组织信息,文本中的

各个部分按照其内容的关系互相链接。
?超文本(hypertext)的阅读方式 – 传统的顺序式阅读 – 通过链接、跳转、导航、回溯等操作实现跳

跃式阅读

5.1.3

文本的分类与表示

超链(hyperlink)-有向的 链源:超链的起点位置,可以是文本块中一个标题、 句子、图标等 链宿:超链的目的地,可是另一个文本块,也可是 同一文本块中的其他部分。

A

B

C

D

E

F

G
超文本结构

H

5.1.3

文本的分类与表示

?超媒体(Hypermedia):以上所说的文本块可

以是文字,也可是图形、图像甚至声音或视频, 就把超文本推广到了多媒体形式,有时也称为

“超媒体”
?超文本的应用
– Windows等一些软件中的“帮助”文件 – 使用浏览器从Web服务器上下载的网页(html

或htm文件)

5.1.4

文本编辑、排版与处理

1、文本编辑

2、文本处理
3、常用文本处理软件

5.1.4

文本编辑、排版与处理

1、文本编辑
? 文本编辑的主要功能
– –

对字、词、句、段落进行添加、删除、修改等操作 字的处理:设置字体、字号、字的排列方向、间距、颜色、效 果等 段落的处理:设置行距、段间距、段缩进、对称方式等 表格制作和绘图 定义超链 页面布局:设置页边距、每页行列数、分栏、页眉、页脚等

– – – –

? “所见即所得”

:一方面所有的编辑操作效果立即可以在屏幕上

看到,另一方面在屏幕上看到的效果与打印机的输出结果相同。

5.1.4

文本编辑、排版与处理

1、文本编辑

2、文本处理
3、常用文本处理软件

5.1.4

文本编辑、排版与处理

2、文本处理
? 文本处理内容:


字数统计,字频统计,简/繁体相互转换,汉字/ 拼音相互转换

– –

词语排序,词语错误检测,文句语法检查
自动分词,词频统计,词性标注,词义辨识,大 陆/台湾术语转换 文本压缩,文本加密,文本著作权保护 关键词提取,文摘自动生成,文本分类 文本检索(关键词检索、全文检索),文本过滤 文语转换(语音合成),文种转换(机器翻译) 篇章理解,自动问答,自动写作等

– – – – –

5.1.4

文本编辑、排版与处理

1、文本编辑

2、文本处理
3、常用文本处理软件

5.1.4

文本编辑、排版与处理

3、常用文本处理软件
?

典型软件:微软公司的Outlook Express ,
MS-Office
– WPS2000

方正集团公司的“飞腾”排版软件 美国Adobe公司的PageMaker和PDF Writer

5.1.5

文本的展现

? 文本输出:在屏幕上进行阅读、浏览打印输出等操作。

? 文本展现过程: 首先要对文本的格式描述进行解释,

然后生成文字和图、表的映像(bitmap),最后再传送

到显示器或打印机输出。
? 文本阅读器: 承担上述文本输出任务的软件,也称为

浏览器。它们可以嵌入在文本处理软件中,如微软的 Word,也可以是独立的软件 ,如Adobe公司的Acrobat Reader,微软公司的IE等。 字体描述方式:点阵式、轮廓式

第五章
?

数字媒体及应用

5.1

文本与文本处理

?
? ?

5.2
5.3 5.4

图像与图形
数字声音及应用 数字视频及应用

5.2.1 色彩空间
?

?
? ?

RGB模型 CMYK模型 YUV模型 HSB模型

5.2

图像与图形

数字图像按生成方法分类:
? 从现实世界中通过数字化设备获取的图像,称为:

取样图像、也称点阵图像、位图图像——简称图像。
? 计算机合成的图像(synthetic

image),称为:矢

量图形(vector graphics),简称图形 (graphics)

5.2.1

数字图像的获取

1、图像的数字化
? 图像的获取:从现实世界中获得数字图像的过程

? 图像获取的过程实质上是模拟信号的数字化过程,

它的处理步骤:
– 扫描 – 分色 – 取样 – 量化

5.2.1

数字图像的获取

模 拟 图 像

取样

量化

数 字

扫描

分色

取样

量化




取样 图像的数字化过程

量化

注:通过上述方法所获取的数字图像称为取样图像,
它是静止图像的数字化表示形式,通常简称为”图像“。

5.2.1

数字图像的获取

2、数字图像获取设备
?设备:图像获取所使用的设备通称为图像获取设备
?设备的功能:将现实的景物输入到计算机内并以取样图像的形

式表示 例:2D图像获取设备(如扫描仪、数码相机等)只能对图片或 景物的2D投影进行数字化

3D扫描仪能获取包括深度信息在内的3D景物的信息

5.2.2 图像的表示与压缩编码
1、图像的表示方法与主要参数
从取样图像的获取过程可以知道,一幅取样图像由
M(列)* N(行)个取样点组成,每个取样点是组成取样图像

的基本单位,称为像素(picture element, 简写为pel)。
彩色图像的像素是矢量,它由3个彩色分量组成,灰色图 像的像素只有1个亮度分量。

5.2.2 图像的表示与压缩编码
155 150 147 168 225 225 240 233 178 179 174 208 212 211 224 228 180 182 182 219 211 217 222 228 156 154 153 175 225 224 233 231 176 178 175 203 210 212 227 231 177 184 185 215 214 214 225 230 159 159 158 175 219 221 226 229 176 175 178 208 215 212 224 233 187 179 190 218 218 213 226 230 170 166 162 174 217 220 223 226 176 180 184 196 202 210 214 220 190 188 191 198 202 210 214 225 150 156 156 177 216 214 219 220 176 177 181 193 192 198 197 202 190 192 194 198 192 194 197 200 151 158 168 182 218 215 220 220 205 200 189 197 196 194 196 197 220 217 207 205 195 192 200 206 175 177 180 187 223 222 224 227 216 223 217 216 207 207 213 210 225 239 229 220 212 214 216 212 176 178 188 183 227 225 229 230 226 231 224 225 218 210 220 217 231 233 235 237 234 238 230 220

? 彩色图像的表示

红 色 分 量

绿 色 分 量

蓝 色 分 量

5.2.2 图像的表示与压缩编码
? 取样图像在计算机中的表示方法: – 灰色图像用一个矩阵来表示 – 彩色图像用一组(一般是3个)矩阵来表示,

矩阵的行数称为图像的垂直分辨率,列数称为 图像的水平分辨率,矩阵中的元素是像素颜色 分量的亮度值,使用整数表示,一般是8位至 12位

5.2.2 图像的表示与压缩编码
?

图像的属性信息


图像大小,也称图像分辨率(垂直分辨率*水平分辨率)



颜色空间的类型,指彩色图像所使用的颜色描述方法,也
叫颜色模型。 常用颜色模型:RGB(红、绿、蓝)、CMYK(青、品红、黄、 黑)、HSV(色彩、饱和度、亮度)、YUV(亮度、色度)等



像素深度,即像素的所有颜色分量的二进制位数之和,它

决定了不同颜色(亮度)的最大数目。

练习:

某一彩色图像有R、G、B三基色组成,若三 个分量的像素位数分别为2,4,8,则该图像 的像素深度为?最大颜色数目为?

图像文件的大小

图像文件名 图像大小、深度、类型

行驶中的白色小车

白色小车点阵图示

5.2.2 图像的表示与压缩编码
2、图像的压缩编码
? 一幅图像的数据量可按下面的公式进行计算(以字节为单位):

图像数据量=图像水平分辨率×图像垂直分辨率×像素深度/8
? 几种常用图像的数据量

图像大小 640×480 1024×768 1280×1024

8位(256色) 300KB 768KB 1.25MB

16位(65536色) 600KB 1.5MB 2.5MB

24位(真彩色) 900KB 2.25MB 3.75MB

从表中可看出,即使是单幅(静止的)数字图像,其数据量也很大。

5.2.2 图像的表示与压缩编码
? 图像数据压缩的可能性: 由于数字图像中的数据相

关性很强,数据的冗余度很大,因此对数字图像进行
大幅度的数据压缩是完全可能的。而且,人眼的视觉 有一定的局限性,即使压缩前后的图像有一定失真, 只要限制在人眼允许的误差范围之内,也是允许的。

5.2.2 图像的表示与压缩编码
? 数据压缩类型

– 无损压缩:压缩以后的数据进行图像还原(也称

为解压缩)时,重建的图像与原始图像完全相同 例如:行程长度编码(RLE)、哈夫曼(Huffman) 编码
– 有损压缩:使用压缩后的数据进行图像重建时,

重建后的图像与原始图像虽有一定的误差,但
不影响人们对图像含义的正确理解。如变换编 码、矢量编码等

5.2.2 图像的表示与压缩编码
? 图像压缩方法很多,不同方法适用于不同的应用,

在计算机中常常是多种压缩方法的综合使用。为得
到较高的数据压缩比,一般都采用有损压缩。
? 压缩编码方法优劣的评价 – 压缩倍数的大小

– 重建图像的质量(有损压缩时)
– 压缩算法的复杂程度

5.2.2 图像的表示与压缩编码
? 图像压缩编码方法的国际标准和工业标准:

ISO和IEC两个国际机构联合组成了一个专家组,制定了一个 静止图像数据压缩编码的国际标准,称为JPEG标准。
? JPEG标准的特点:适用范围广、能处理各种连续色调的彩色

或灰度图像、算法复杂度适中、既可用硬件实现,也可用软 件实现
? 图像的压缩比可控制

(压缩比越低,图像质量越好;压缩比越高,图像质量越差)

5.2.2 图像的表示与压缩编码
?JPEG图像压缩比例

中等压缩后的图像

高倍压缩后的图像

5.2.2 图像的表示与压缩编码
3、常用图像文件格式
名称 压缩编码方法 RLC 性质 无损 典型应用 Windows应用程序

开发组织/公 司
Microsoft

BMP

TIF GIF
JPEG
JP2

RLC,LZW LZW DCT,Huffman
小波变换,算 术编码

无损 无损
无损/有 损 无损/有 损

Desktop publishing Internet
Internet,数码 相机等 Internet,数码 相机等

Aldus, Microsoft CompuServe ISO/IEC
ISO/IEC

用画图软件可以产生的图形类型

用photoshop可以产生的图形类型

5.2.2 图像的表示与压缩编码
?BMP图像: 微软公司在Windows操作系统下使

用的一种标准图像文件格式,一个文件存放一 幅图像,可以使用行程长度编码(RLE)进行

无损压缩,也可不压缩。不压缩的BMP文件是
一种通用的图像文件格式,几乎所有Windows 应用软件都能支持。

5.2.2 图像的表示与压缩编码
?

TIFF(Tagged Image File Format)图像文 件格式:用于扫描仪和桌面出版,能支持 多种压缩方法和多种不同类型的图像,有

许多应用软件支持这种文件格式。

5.2.2 图像的表示与压缩编码
? GIF:互联网上广泛使用的一种图像文件格式,它的颜色

数目较少(不超过256色),文件特别小,适合网络传输。
由于颜色数目有限,GIF适用于插图、剪贴画等色彩数目 不多的应用场合。GIF格式能够支持透明背景,具有在屏 幕上渐进显示的功能。 尤为突出的是,它可以将许多张图像保存在同一个

文件中,显示时按预先规定的时间间隔逐一进行显示,
从而形成动画的效果,因而在网页制作中大量使用。

5.2.3

数字图像处理与应用

1、数字图像处理
?

数字图像处理:使用计算机对来自照相机、摄像 机、传真机、扫描仪、医用CT机、X光机等的图

像,进行去噪、增强、复原、分割、提取特征、
压缩、存储、检索等操作处理

5.2.3

数字图像处理与应用

? 对图像进行处理的主要目的

– 提高图像的视感质量
– 图像复原与重建 – 图像分析 – 图像数据的变换、编码和数据压缩,用以更有

效地进行图像的存储和传输
– 图像的存储、管理、检索,以及图像内容与知

识产权的保护

5.2.3

数字图像处理与应用

2、图像处理软件
与应用领域密切相关,通常具有很强的专业性,如遥感图
像处理软件、医学图像处理软件等。 使用较多的是面向办公、出版与信息发布的图像处理软件, 也称为图像修饰(image retouching)或图像编辑软件,支持 多种不同的图像文件格式,提供多种图像编辑处理功能,可制

作出生动形象的图像。如美国Adobe公司的PhotoShop,它集图
像扫描、图像编辑、绘图、图像合成及图像输出等多种功能于 一体,是一个流行的图像处理工具。

5.2.3

数字图像处理与应用

PhotoShop的主要功能包括
? 图像的显示控制 ? 图像区域的选择

? 图像的编辑操作
? 图像的滤镜操作 ? 绘图功能 ? 文字编辑功能 ? 图层操作

5.2.3

数字图像处理与应用

背景图 图 层 操 作 前景图 处理前图片上有划痕 处理后划痕被清除

图像的滤镜操作 复合后的图像

5.2.3

数字图像处理与应用

3、数字图像的应用
? 图像通信

? 遥感
? 医疗诊断 ? 工业生产中的应用 ? 机器人视觉 ? 军事、公安、档案管理

5.2.4

计算机图形

1、景物形状的计算机表示
? ? ?

景物的模型(model ):景物在计算机内的描述 景物的建模(modeling):人们进行景物描述的过程 绘制(rendering):也称图像合成(image synthesis),根据景物的模型生成图像的过程,所产生 的数字图像称为计算机合成图像

?

计算机图形学(Computer Graphics):研究如何使用 计算机描述景物并生成其图像的原理、方法与技术

5.2.4

计算机图形

计算机合成图像的过程:

景物形状 建模/造型 建模/造型 景物形状的 的视图 (Modeling) 模型(model) (Modeling)

5.2.4

计算机图形

? 几何模型:景物建模的方法与景物的类型有关。普

通工业产品(如电视机、电话机、汽车、飞机等),
使用基本的几何元素(如点、线、面、体等)及表 面材料的性质等进行描述所建立的模型
? 几何模型应用:工业产品的计算机辅助设计/制造 ? 过程模型/算法模型:根据景物的生成规律,并使

用相应的算法来描述其规律所建立的模型

剪贴画的构造与效果

剪贴画

剪贴画的分解

改变几何点

5.2.4

计算机图形

2、计算机合成图像的绘制
?

使用计算机合成图像的主要优点:
– 能生成实际存在的具体景物的图像,还能生成

假想或抽象景物的图像
– 能生成静止图像,还能生成各种运动、变化的

动态图像

5.2.4

计算机图形

3、计算机合成图像的应用
?

计算机合成图像的应用:
– 计算机辅助设计和辅助制造(CAD/CAM)
– 利用计算机生成各种地形图、交通图、天气

图、海洋图、石油开采图等
– 作战指挥和军事训练 – 计算机动画和计算机艺术 – 其他:电子出版、数据处理、工业监控、辅

助教学(CAI)、软件工程等

5.2.4

计算机图形

4、矢量绘图软件
? ?

矢量图形:计算机合成图像 矢量绘图软件:制作矢量图形的软件 如:AutoCAD、MAPInfo、ARCInfo等

?

2D的矢量绘图软件:


Corel公司的CorelDraw


– – –

Adobe公司的Illustrator
Macromedia公司的FreeHand 微软公司的Microsoft Visio 微软公司Office办公套件中的Word和PowerPoint

5.2.4
?

计算机图形

国际标准的绘图语言(编程语言)
– 二维图形的国际标准是GKS
– 三维图形的国际标准是GKS-3D、PHIGS – 工业标准Open

GL

– 公司标准如微软公司的Direct-3D ?

图形元文件标准(数据形式)
– 国际标准CGM和STEP – Autodesk公司的DXF – Microsoft公司的WMF

第五章
?

数字媒体及应用

5.1

文本与文本处理

?
? ?

5.2
5.3 5.4

图像与图形
数字声音及应用 数字视频及应用

5.3

数字声音及应用

本节重点:

? 声音信号数字化的过程
? 波形声音的获取设备 ? 波形声音的主要参数 ? 第2代全频带声音压缩编码标准 ? 计算机合成声音

5.3

数字声音及应用

数字声音是一种在时间上连续的媒 体,数据量大,对存储和传输的要求比 较高。

5.3.1 波形声音的获取与播放
1、声音信号的数字化
?

声音:由振动而产生,通过空气进行传播。它由 许多不同频率的谐波所组成,谐波的频率范围称

为声音的带宽(bandwidth),带宽是声音的一项
重要参数。

5.3.1 波形声音的获取与播放
?

多媒体技术处理的声音信号主要是人耳可听到的 20~20kHz的音频信号(audio)
– 言语(speech)/语音:人说话的声音,其频率

范围约为300~3400Hz
– 全频带声音:音乐声、风雨声、汽车声等其他

声音,其带宽可达到20~20kHz

5.3.1 波形声音的获取与播放
?声音信号的数字化:将模拟声音信号转换成二进制

数字编码形式以便于计算机进行处理的过程
?声音信号数字化的过程: – 取样

– 量化
– 编码

模拟 声音 信号

取 样

量 化

编 码

数字 声音

011010011101……

5.3.1 波形声音的获取与播放
?

模拟的声音信号转变成数字形式进行处理的优点:

– – – –

以数字形式存储的声音重放性能好,复制时没有失真
数字声音的可编辑性强,易于进行效果处理 数字声音能进行数据压缩,传输时抗干扰能力强 数字声音容易与其他媒体相互结合(集成) 数字声音为自动提取“元数据”和实现基于内容的检索 创造了条件

5.3.1 波形声音的获取与播放
2、波形声音的获取设备
? ?

麦克风:将声波转换为电信号,然后由声卡进行数字化
声卡(sound card):进行数字化,主要功能包括:


波形声音的获取与数字化:把模拟的声音信号转换 为数字形式。



波形声音的重建与播放



MIDI(Musical Instrument Digital Interface) 声
音的输入



MIDI声音的合成与播放

5.3.1 波形声音的获取与播放
声卡组成与工作原理
? 原理:声卡以数字信号处理器(DSP)为核心,DSP在完成数字

声音的编码、解码及声音编辑操作中起着重要的作用。它利 用PCI总线与主机进行数据交换,混音器(mixer)的将不同的 声音信号进行混音,并提供音量控制功能。(图)
? PC机的声卡较多的已经与主板集成在一起,不再做成独立的

插卡。
? 利用声卡可在线(on-line)获取声音;使用数码录音笔可离

线(off-line)获取声音,然后再通过USB接口直接将已经 数字化的声音数据送入计算机中。

5.3.1 波形声音的获取与播放
?

声卡的工作原理
取样、量化 声音输入

数字声音输出
DSP D/A 重建、滤波 声音输出

DMA接口
PCI总线

MIDI合成器
MIDI接口

5.3.1 波形声音的获取与播放
3、声音的播放
?

声音的重建由 什么完成的?

声音播放:计算机输出声音的过程,通常为两步:
由声卡完成。(图)
?

1、声音重建:把声音从数字形式转换成模拟信号形式, 也 解码:把压缩编码的数字声音恢复为压缩编码前的 状态
? ?

数模转换:把声音样本以数字量转换为模拟量。 插值处理:通过插值把时间上离散的一组样本转换 成在时间上连续的模拟声音信号。

2、将模拟声音信号经过处理和放大送到扬声器发出声音

5.3.1 波形声音的获取与播放

数 字 声 音

解 码

数模转换

插 值

重建的 模拟声 音信号

011010011101……

波形声音的重建

5.3.1 波形声音的获取与播放
声卡输出的声音需送到音箱去发音。
?

音箱分类
– 普通音箱:接收的是重建的模拟声音信号 – 数字音箱:可直接接收声卡输出的数字声音信

号,避免信号在传输中发生畸变和受到干扰,
其音响效果更加突出

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
1、波形声音的主要参数
? ? ? ? ?

取样频率
量化位数 声道数目 使用的压缩编码方法 数码率(bit rate):指的是每秒钟的数据量,也称比特 率、码率 数字声音未压缩前,其计算公式为:

?

波形声音的码率 = 取样频率 × 量化位数 × 声道数
?

压缩编码以后的码率 = 压缩前的码率 / 压缩倍数

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
?

几种常见数字声音的主要参数
取样频 量化位 声道 未压缩时 压缩后的码 率 数 数 的码率 率 (kHz) (bits) 8 8 1 64kb/s 176.4kB /s 2~64kb/s

带宽 声音类型 (Hz) 数字语音 300~ 3400 20~ 20000 20~ 20000

CD唱片
MP3音 乐

44.1
44.1

16
16

2
2

176.4kB/s

176.4kB 128~112kb/ /s s

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
2、全频带声音的压缩编码(表)
? 问题:数据量很大。如CD盘片上所存储的立体声高保真的全

频带数字音乐,1小时的数据量大约是635MB
? 目的与办法:降低存储成本和传输通信带宽,对数字波形声

音进行数据压缩
? 波形声音数据压缩的可能性:声音信号中包含有大量的冗余

信息,再加上还可以利用人的听觉感知特性,因此,产生了
许多压缩算法
? 声音数据压缩算法的评价:压缩倍数高,声音失真小,算法

简单,编码器/解码器的成本低

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
?

第2代全频带声音压缩编码标准
名称 压缩后的码率(每个声道) 声道数目 384kbps(压缩4倍) 2 2 2 5.1,7.0 5.1,7.1 主要应用 数字盒式录音带 DAB,VCD,DVD Internet, MP3音乐 同MPEG-1 DVD,DTV, 家庭影院

MPEG-1层1 MPEG-1层2 MPEG-1层3 MPEG-2层 audio Dolby AC-3

256~192kbps (压缩6~8倍)
128~112kbps (压缩10~12倍) 与MPEG-1层1,层2,层3 相同 64kbps

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
? MPEG-1声音压缩编码是国际上第一个高保真声音数据压缩的

国际标准,它分为三个层次:


层1(Layer 1):编码简单,用于数字盒式录音磁带



层2(Layer 2):算法复杂度中等,用于数字音频广播
(DAB)和VCD等 层3(Layer 3):编码复杂,用于互联网上的高质量声音



的传输。
如MP3音乐——一种采用MPEG-1层3编码的高质量数字音 乐,它能以10倍左右的压缩比降低高保真数字声音的存

储量。

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
? 杜比数字AC-3(Dolby

Digital AC-3):美国杜比公司

开发的多声道全频带声音编码系统,它提供的环绕立体
声系统由5个或7个全频带声道加一个超低音声道组成,

所有声道的信息在制作和还原过程中全部数字化,信息
损失很少,细节丰富,具有真正的立体声效果,在数字 电视、DVD和家庭影院中广泛使用。

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
?

流媒体:一方面要求数字声音压缩后数据量要小,另

一方面还要使声音数据的组织适合于流式传输。
?

声音流媒体产品
– –

Real Networks公司的RA(Real Audio)数字音频 微软公司的WMA(Windows Media Audio)数字音 频



苹果公司的 Quick Time

5.3.2 波形声音的表示与压缩编码
3、数字语音的压缩编码
?

?

语音:空气通过声道引起声门振动产生语音 带宽只有300~3400Hz 压缩方法:采用波形编码(基于感觉模型的压缩方法) ? PCM(脉冲编码)和ADPCM(自适应差分脉冲编 码) ? 特点:码率较高(64kb/s、32kb/s)、语音质 量高、算法简单、易实现 ? 应用:固定电话通信系统、多媒体文档

5.3.3 波形声音的编辑
?

声音编辑软件的功能
– 录制声音 – 编辑声音 – 声音的效果处理 – 格式转换 – 播放声音

5.3.3 波形声音的编辑
? 声音编辑软件的界面
时间刻度 左声道 淡出 播放标尺 数字声音 的参数

信号波形
淡入 右声道 信号波形

5.3.4 计算机合成声音

语音合成
计算机合成声音

音乐合成

5.3.4 计算机合成声音
语音合成(Speech synthesis):根据语言学和自然语言理
解的知识,使计算机模仿人把一段文字朗读出来,这个过程 称为文语转换(Text-To-Speech,简称TTS)。
? 计算机合成语音的应用: – –

股票交易、航班动态查询、电话报税等业务 有声E-mail服务




CAI课件或游戏解说词的自动配音
文稿校对、语言学习、语音秘书、自动报警、残疾人服 务等

5.3.4 计算机合成声音
音乐合成
? 音乐是使用乐器演奏而成的
? 音源:也称为音乐合成器(music

synthesizer),它

能模仿许多乐器生成各种不同音色的音符。 PC机的声

卡一般都带有音源
? 乐谱在计算机中采用一种叫MIDI的音乐描述语言来表示 ? MIDI是乐谱的数字表示方法,使用MIDI描述的音乐称为

MIDI音乐
? 一首乐曲对应一个MIDI文件,其文件扩展名为

.MID

5.3.4 计算机合成声音
?

MIDI文件在Windows系统中可以使用媒体播放器进行播放。

?

播放MIDI音乐的过程(图):
– – – –

媒体播放器软件从磁盘上读入MID文件 把其中的一个个MIDI消息发送给声卡上的音乐合成器 由音乐合成器解释并执行MIDI消息所规定的操作 合成出各种音色的音符,通过扬声器播放出乐曲来

5.3.4 计算机合成声音
MIDI音乐的播放:
MIDI 消息

?

MIDI 文件

媒体 播放器

MIDI 合成器

MIDI音 乐

5.3.4 计算机合成声音
?

MIDI音乐与高保真的波形声音相比:

缺点:
– –

音质方面较差 无法合成出所有各种不同的声音(例如语音)

优点:


数据量很少(比CD-DA少3个数量级,比MP3少2个数

量级)
– –

易于编辑修改 可以与波形声音同时播放

第五章
?

数字媒体及应用

5.1

文本与文本处理

?
? ?

5.2
5.3 5.4

图像与图形
数字声音及应用 数字视频及应用

5.4 数字视频及应用
本节重点:
? 视频采集卡 ? 视频压缩编码的标准及其应用

5.4 数字视频及应用
基本概念:
?

视频(video):指的是内容随时间变化的一个图像

序列,也称为活动图像(motion picture)。
? ?

常见的视频有电视和计算机动画。 电视:能传输和再现真实世界的图像与声音,是当代 最有影响力的信息传播工具。

? ?

数字视频:数字化的电视信号称为数字视频。 计算机动画:是计算机制作的图像序列,是一种计算 机合成的视频。

5.4.1

数字视频基础

1、电视基本知识
?

电视画面:一种由光点自左向右、自上向下而 扫描形成的光栅扫描图像,一般采用隔行扫描 方式,即图像由奇数场和偶数场两部分组成, 合起来组成一帧图像

5.4.1
?

数字视频基础

PAL制式(中国采用)
– –

帧频25帧/s, 场频50场/s, 远距离传输时用亮度信号Y和两个色度信号U、V来 表示 优点:
?



能与黑白电视接收机保持兼容,Y分量由黑白电 视机直接显示而无需做进一步处理 可以利用人眼对两个色度信号不太灵敏的视觉 特性来节省电视信号的带宽和发射功率

?

5.4.1
?

数字视频基础

彩色信号的YUV表示与RGB表示的转换:
亮度分量 Y=0.3 × R + 0.59 × G + 0.11 × B 色度分量 U=0.493 × (B - Y) 色度分量 V=0.877 × (R - Y)

5.4.1

数字视频基础

2、视频信号的数字化
?

数字视频与模拟视频相比的优点:
– 复制和传输时不会造成质量下降

– 容易进行编辑修改
– 有利于传输(抗干扰能力强,易于加密) – 可节省频率资源

5.4.1
?

数字视频基础

以一帧帧画面为单位进行

?

由于采用YUV彩色空间,人眼对颜色信号 的敏感度远不如对亮度信号灵敏,所以 色度信号的取样频率可以比亮度信号的 取样频率低,以减少数字视频的数据量

5.4.1
?

数字视频基础

视频采集卡:PC机中用于视频信号数字化的插卡,简称

视频卡
它能将输入的模拟视频信号(及伴音信号)进行数字化后 存储在硬盘中。数字化的同时,视频图像经过彩色空间转 换(从YUV转换为RGB),然后与计算机图形显示卡产生的 图像叠加,用户可在显示器屏幕上指定窗口中监看(听) 其内容。

5.4.1
?

数字视频基础

视频卡、图形卡与主机之间的关系
系统 总线

模拟视频输入
电视/录像机 RGB显示器

视频获取器 电视编码器 叠加/彩色转换

视频缓冲器 DSP CODEC 显示缓冲器

主存储器 CPU

图形控制器

硬 盘

5.4.1
?

数字视频基础

数字摄像头:在线获取数字视频的设备。


通过光学镜头采集图像,然后直接将图像转换成数
字信号并输入到PC机,不再需要视频采集卡进行模 数转换。



最高分辨率:640×480,一般:352×288,速度:
30帧/s左右,镜头视角:45~60度 光传感器:大多采用CCD,部分采用CMOS类型,后 者分辨率不能很高,但功耗低、速度快 接口:USB接口,IEEE1394(火线)接口。





5.4.1
?

数字视频基础

数字摄像机:一种离线的数字视频获取设备。
– 原理:与数码相机类似,功能更多 – 压缩编码:视频图像及伴音使用MPEG – 记录介质:磁带,硬盘 – 接口:USB,IEEE1394

5.4.2 数字视频的压缩编码
数字视频压缩的可行性
? 数字视频的数据量很大 ? 解决上述问题的出路是对数字视频信息进行数据压缩。 ? 由于视频信息中画面内部有很强的信息相关性,相邻画面的

内容又有高度的连贯性,再加上人眼睛的视觉特性,所以数 字视频的数据量可压缩几十倍甚至几百倍。

5.4.2 数字视频的压缩编码
视频压缩编码的标准及其应用
名称 MPEG-1 H.261 源图像格式 360×288 360×288 180×144 720×576 压缩后的码率 大约1.2Mb/s~1.5Mb/s 主要应用 适用于VCD、数码相机、数 字摄像机等

P×64Kb/s(P=1、2时,只 应用于视频通信,如可视电 支持360×288 ,P≥6时,可 话、会议电视等 支持180×144) 5Mb/s~15Mb/s 用途最广,如DVD,数字卫 星电视直播,数字有线电视 等 目标是高清晰度电视 (HDTV)领域

MPEG-2 (MP@ML) MPEG-2 High Profile MPEG-4 (H.324)

1440×1152 1920×1152

80Mb/s~100Mb/s

多种不同的视 与MPEG-1,MPEG-2相当, 适合于交互式多媒体应用, 频格式 但最低可达到64Kb/s 包括虚拟现实、远程教学、 手机、MP4播放器等

5.4.3
?

数字视频的编辑

数字视频的编辑,是在非线性编辑器的软件支持下 使用模式:把电视节目素材存入硬盘中,根据需要

进行的
?

对不同长短、不同顺序的素材进行剪辑,同时配上字 幕、特技和各种动画,再进行配音、配乐,最终制作 成高质量的电视节目
?

核心软件:数字视频编辑器,如Adobe Premiere

5.4.4 合成视频——计算机动画
?

概念:采用计算机制作可供实时演播的一系列 连续画面的一种技术。

? ?

基础:计算机图形学 制作过程:先在计算机中生成场景和形体的模 型→描述它们的运动→生成图像并转换为视频 信号输出

5.4.4 合成视频——计算机动画
? 创作软件:二维动画软件如Animator

Pro

三维动画软件如3D StudioMAX等
? 动画网页类型:


GIF动画:目前WEB网页上最常用的动画表现形式之 一。Adobe的Image Ready工具,在使用时只要先将 图片制作好,保存成 gif、bmp或jpg格式文件,然 后再按序导入gif文件即可。 FLASH动画:广泛使用的WEB网页动画制作软件。制 作的的动画是矢量图形,不管放大缩小都清晰可 见。.swf很小,便于传输且有交互性。



5.4.5 数字视频的应用
1、VCD与DVD
?CD(Compact

Disc):小型光盘, 最早应用于数

字音响领域, 代表产品是CD唱片。每张CD唱片 的存储容量是650MB左右,可存放1小时的立体 声高保真音乐。

5.4.5 数字视频的应用
?

Video CD(简称VCD) :1994年由JVC、Philips
等公司联合定义的一种以数字技术在CD光盘上存 储视频和音频信息的规范。规定了将MPEG-1音频/

视频数据记录在CD光盘上的文件系统的标准,使
一张普通的CD光盘可记录约60分钟的音视频数据, 图像质量达到家用录放像机的水平,可播放立体

声。VCD播放机体积小,价格便宜,音视频质量较好。
VCD的一个派生产品是Karaoke CD光盘,它同VCD保 持兼容。

5.4.5 数字视频的应用
?

DVD(Digital Versatile Disk):数字多

用 途光盘。有多种规格,用途广泛。 其中的DVD-Video(日常简称为DVD)就是一 种类似于LD或Video CD的家用影碟。

5.4.5 数字视频的应用
?

DVD-Video的特点和功能:


提供32种文字或卡拉OK字幕,最多可录放8种语言的
声音



具有多结局、多角度(从9个角度选择观看图像)、变 焦和家长锁定控制等功能



画面的长宽比有三种方式:全景扫描、4:3普通屏幕、 16:9宽屏幕方式



伴音具有5.1声道(左、右、中、左环绕、右环绕和

超重低音),实现三维环绕立体音响效果

5.4.5 数字视频的应用
?

DVD影碟与VCD相比:


存储容量大得多。CD光盘容量650MB,存放74分钟
VHS质量(352×240)的视频图像;单面单层DVD容 量4.7GB,以平均码率4.69Mb/s播放视频图像,能 存放133分钟的接近于广播级图像质量(720×480) 的整部电影

– –

压缩编码:MPEG-2 画面品质比VCD高

5.4.5 数字视频的应用
2、可视电话与视频会议
?

可视电话
在打电话同时还可以互相看见对方的图像。分为静态图像和动 态图像两种。可视电话的终端是集摄像、显示、声音与图像的编/ 解码等功能于一体的,内置高质量的数字变焦镜头及MODEM,可连 接到普通的电话线上。

?

编码标准是H.263,图像格式为360*288或180*144,帧频不小于10 帧每秒,音频码率是5.3kbit/s和6.3kbit/s两种。

5.4.5 数字视频的应用
?

视频会议
通过数字音视频数据实时传送声音、图像,使 得分散在两个或多个地点的用户就地参加会议的一

种多媒体通信应用。
利用计算机网络进行可视电话和视频会议具有

使用方便、成本较低的优点。

5.4.5 数字视频的应用
3、数字电视
? 数字电视:将电视信号进行数字化,

然后以数字形式进行编

辑、制作、传输、接收和播放。
? 数字电视的特点: – –

频道利用率高、图像清晰度好 可以开展交互式数据业务,包括电视购物、电视银行、

电视商务、电视通信、电视游戏、实时点播电视、电视
网上游览、观众参与的电视竞赛等

5.4.5 数字视频的应用
? 数字电视系统的构成:信源编码、业务复用、信道传输与发送

? 美国的DTV、欧洲的DVB和日本的ISDB这几种标准中:


信源编码中,视频都采用MPEG-2标准,音频采用MPEG-2或 Dolby AC-3




业务复用采用的都是MPEG-2系统层规范或其扩展形式
信道及发送部分各不相同

? 数字电视接收机(简称DTV接收机)的三种形式:


– –

数字电视接收机——传统模拟电视接收机的换代产品
传统模拟电视机外加一个数字机顶盒 可以接收数字电视的PC机

5.4.5 数字视频的应用
?

数字电视传播系统
地面无线(DVB-T)

数 字 视 频 节 目 制 作

视频 服务器

卫星(DVB-S) CATV(DVB-C) 解码器 Internet PC机 电视机

光盘 制作

VCD DVD

5.4.5 数字视频的应用
4、点播电视(VOD)
? VOD(Video

On Demand):视频点播(也 称为点播电视)技术的简称, 即用户可以 根据自己的需要收看电视节目。

5.4.5 数字视频的应用
?

视频点播系统分类


TVOD(真视频点播):用户提出要求即可及时从 VOD系统得到服务,为每个用户提供单独连接,每 个连接占用一定的网络带宽
NVOD(准视频点播):准视频点播,系统每隔一 段时间(例如10分钟)在不同的频道上播放同一个 节目,用户可选择收看 ? 特点:播放切换 ? 缺点:不能为用户及时提供点播服务功能 ? 优点:减少用户连接数目 节省网络带宽与费用 降低服务器性能要求



5.4.5 数字视频的应用
?VOD系统的组成(工作过程)
节目制作中心
56~128kb/s

家庭用户

用 户 接入网 宽 带 广域网 交换器

网管 工作站

10~100Mb/s 单位用户

LAN

分配 服务器

视频 服务器

5.4.5 数字视频的应用
点播电视工作过程:
用户在客户端发出播放请求,通过网络传送 给分配服务器,经身份验证后,系统把视频服务 器中可访问的节目单发送给用户浏览,用户选择 某个节目后,视频服务器读出该节目的内容,并 传送到客户端进行播放。


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