第5章-数字媒体及应用-资料课件

第第5章章 数字媒体及应用数字媒体及应用5.1 文本与文本处理文本与文本处理 5.2 图像与图形图像与图形 5.3 数字声音及应用数字声音及应用5.4 数字视频及应用数字视频及应用25.1 文本与文本处理文本与文本处理 5.1.1 字符的编码字符的编码5.1.2 文本准备文本准备5.1.3 文本的展现文本的展现 3文字处理是计算机应用的基础文字处理是计算机应用的基础n计算机应用使用计算机进行信息处理计算机应用使用计算机进行信息处理n其中，其中，文字信息处理是涉及面最广的一种计算机文字信息处理是涉及面最广的一种计算机应用，几乎与任何领域任何人都有关。应用，几乎与任何领域任何人都有关。文字文字数值数值语言语言音乐音乐图像图像信息的形态有多种信息的形态有多种4计算机文字处理过程计算机文字处理过程n文字信息在计算机中称为文字信息在计算机中称为“文本文本”（text），文本是计算机中最常），文本是计算机中最常用的一种数字媒体用的一种数字媒体n文本由一系列文本由一系列“字符字符”（character）组成，每个字符均使用二进）组成，每个字符均使用二进制编码表示制编码表示n文本在计算机中的处理过程是：文本在计算机中的处理过程是：（文本编辑器文本编辑器）文本编辑文本编辑与排版与排版格式化的格式化的电子文本电子文本（2）文本文本展现展现（文本阅读器文本阅读器）（5）文本处理文本处理（文本处理软件文本处理软件）（3）文本准备文本准备电子文电子文本本（1）（文字与图表文字与图表 的输入的输入）文本存储文本存储与传输与传输（4）(存档存档/通信软件通信软件)55.1.1.字符在计算机中的表示字符在计算机中的表示 6字符、字符集及其码表字符、字符集及其码表 n文字的基本元素是字母和符号，统称为文字的基本元素是字母和符号，统称为“字符字符”(character)，它包括：字母、数字、标点、符号等，它包括：字母、数字、标点、符号等n字符集：一组特定字符的集合字符集：一组特定字符的集合n不同的字符集包含的字符数目与内容不同，如：不同的字符集包含的字符数目与内容不同，如：中文字符集、西文字符集、日文字符集等中文字符集、西文字符集、日文字符集等n字符的编码：字符的编码：n字符集中每个字符都使用二进位字符集中每个字符都使用二进位(code)表示，称为该字符的表示，称为该字符的编码编码n不同的字符其编码各不相同不同的字符其编码各不相同n字符集中所有字符的编码的一览表，称为该字符集的码表字符集中所有字符的编码的一览表，称为该字符集的码表7西文字符的编码西文字符的编码ASCII码码n西文是表音文字西文是表音文字(拼音文字拼音文字)，它由拉丁字母、数字、标点符号，它由拉丁字母、数字、标点符号以及一些特殊符号所组成以及一些特殊符号所组成n美国标准信息交换码美国标准信息交换码(American Standard Code for Information Interchange,简称简称ASCII码码)：nASCII字符集包含字符集包含96个可打印字符和个可打印字符和32个控制字符个控制字符n采用采用7个二进位进行编码个二进位进行编码n计算机中使用计算机中使用1个字节存储个字节存储1个个ASCII 字符字符n存在问题：存在问题：n7位代码空间太小（只能对位代码空间太小（只能对128个字符编码）个字符编码）n不同国家和地区使用不同的字符集及其编码，互不兼容不同国家和地区使用不同的字符集及其编码，互不兼容n东亚地区使用的大字符集无法编码东亚地区使用的大字符集无法编码8标准标准ASCII字符集及其码表字符集及其码表 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 012345670 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E Fb6b5b4b3b2b1b00 1 1 01 0 01 1 0 1 0 1 19常用的汉字编码字符集常用的汉字编码字符集n国家标准国家标准GB2312n汉字扩充规范汉字扩充规范 GBKn国家标准国家标准GB18030n台湾地区的标准汉字字符集台湾地区的标准汉字字符集CNS 11643(BIG 5，俗称俗称“大五码大五码”)n日本工业标准汉字字符集日本工业标准汉字字符集JIS X 0208-90n韩国国家标准汉字字符集韩国国家标准汉字字符集KSC 5601-8710一级汉字一级汉字（3755个）个）二级汉字二级汉字（3008个）个）（扩充使用）（扩充使用）字母、数字和各种符号字母、数字和各种符号 19423位号位号 191655568794区区 号号(按汉语拼音排列按汉语拼音排列)(按偏旁部首排列按偏旁部首排列)GB2312汉字编码字符集汉字编码字符集n1980年颁布信息交换用汉字编码字符集年颁布信息交换用汉字编码字符集基本集基本集GB2312-1980nGB2312字符集由三个部分构成：字符集由三个部分构成：拉丁字母、俄文、拉丁字母、俄文、日文平假名与片日文平假名与片假名、希腊字母、假名、希腊字母、汉语拼音等共汉语拼音等共682个个共共6763个汉字和个汉字和682个符号，个符号，每个每个汉字或符号都有一汉字或符号都有一个确定位置，该位个确定位置，该位置的区号和位号就置的区号和位号就是这个汉字的是这个汉字的“区区位码位码”（注：区位码仅用于在键盘上输入汉字）（注：区位码仅用于在键盘上输入汉字）11背景材料：背景材料：UCS/Unicoden解决多文种信息处理方法的发展：解决多文种信息处理方法的发展：n传统方法（传统方法（ISO）：扩展）：扩展ASCII码码n微软的方法：代码页切换微软的方法：代码页切换nUCS/Unicode：所有文字字母和符号集中在同一字符集进行统一编码：所有文字字母和符号集中在同一字符集进行统一编码(目目前收集了前收集了17x2161,114,112 个个)nUCS/Unicode的编码方案：的编码方案：n尽量与已有编码标准兼容尽量与已有编码标准兼容n先实现部分字符的编码（先实现部分字符的编码（101,000个）个）n允许有若干不同的编码方案允许有若干不同的编码方案,例如：例如：单字节：单字节：ASCII字符字符双字节：拉丁、希腊、阿拉伯，双字节：拉丁、希腊、阿拉伯，三字节：三字节：CJK汉字汉字四字节：其他四字节：其他Unicode:UTF-8 单字节可变长编码单字节可变长编码应用：应用：Linux，Web网页，电子邮件网页，电子邮件双字节：双字节：ASCII字符、拉丁、希腊、阿字符、拉丁、希腊、阿拉伯，常用拉伯，常用CJK汉字，汉字，四字节：四字节：CJK汉字汉字Unicode:UTF-16双字节可变长编码双字节可变长编码应用：应用：Windows，Mac，Java，12例例:IE浏览网页时文字编码的选择浏览网页时文字编码的选择135.1.2.文本准备文本准备 文稿如何输入计算机文稿如何输入计算机 14文字符号输入计算机的方法文字符号输入计算机的方法键盘输入键盘输入自动识别输入自动识别输入字符信息的输入字符信息的输入人工输入人工输入(1)数字编码数字编码,如电报码、区位码等如电报码、区位码等,(2)字音编码字音编码,如智能如智能ABC等等(3)字形编码，如五笔字形和表形码等字形编码，如五笔字形和表形码等,(4)形音编码形音编码发发展展趋趋势势：基基于于统统计计和和学学习习功功能能的的以以词词语语(短短语语)或或句句子子作作为为输输入入单单位的输入方法位的输入方法15文字符号输入计算机的方法文字符号输入计算机的方法键盘输入键盘输入联机手写输入联机手写输入自动识别输入自动识别输入字符信息的输入字符信息的输入人工输入人工输入优点：优点：自然，流畅自然，流畅小型化，适合移动计算小型化，适合移动计算不足：不足：识别速度和正确性还需提高识别速度和正确性还需提高书写要求还要降低书写要求还要降低16文字符号输入计算机的方法文字符号输入计算机的方法键盘输入键盘输入联机手写输入联机手写输入语音输入语音输入自动识别输入自动识别输入字符信息的输入字符信息的输入人工输入人工输入优点：优点：自然，方便，适合移动计算自然，方便，适合移动计算不足：不足：对说话人、说话方式、说话内容的对说话人、说话方式、说话内容的适应能力要大适应能力要大大增强大增强识别速度和正确性还需大大提高识别速度和正确性还需大大提高17文字符号输入计算机的方法文字符号输入计算机的方法印刷体识别印刷体识别键盘输入键盘输入联机手写输入联机手写输入语音输入语音输入自动识别输入自动识别输入字符信息的输入字符信息的输入人工输入人工输入扫描仪扫描仪OCR数字数字文本文本纸介质纸介质文本文本文本的文本的映象映象(image)识别识别率已达到率已达到98%功能功能:简简、繁体字、繁体字混合识别混合识别中文、西文混合识别中文、西文混合识别文字、表格混合识别文字、表格混合识别智能校对功能智能校对功能18文字符号输入计算机的方法文字符号输入计算机的方法印刷体识别印刷体识别手写体识别手写体识别键盘输入键盘输入联机手写输入联机手写输入语音输入语音输入自动识别输入自动识别输入字符信息的输入字符信息的输入人工输入人工输入 技术上非常困难，还无法实用技术上非常困难，还无法实用目前准备先突破工整的楷书手写体的识别目前准备先突破工整的楷书手写体的识别!19汉字的键盘输入汉字的键盘输入n 汉字与键盘上的键无法一一对应，因此必须使用汉字与键盘上的键无法一一对应，因此必须使用几个键来表示一个汉字，这就称为汉字的几个键来表示一个汉字，这就称为汉字的“键盘输入键盘输入编码编码”n 优秀的汉字键盘输入编码应具有的特点：优秀的汉字键盘输入编码应具有的特点：n易学习、易记忆易学习、易记忆n效率高效率高(平均击键次数较少平均击键次数较少)n重码少重码少n容量大容量大(可输入的汉字字数多可输入的汉字字数多)205.1.3 文本的展现文本的展现(输出输出)21文本的展现文本的展现(输出输出)n目的：阅读、浏览或打印文本目的：阅读、浏览或打印文本n使用的软件：文本阅读器使用的软件：文本阅读器/文本浏览器文本浏览器n嵌入在文本编辑嵌入在文本编辑(处理处理)软件中，如微软的软件中，如微软的Word，n独立的软件：如独立的软件：如Adobe公司的公司的Acrobat Reader，微软公司的微软公司的IE等等 n文本展现的过程：文本展现的过程：1.1.对文本的格式描述进行解释对文本的格式描述进行解释2.2.生成文字和图表的映像（生成文字和图表的映像（bitmap）3.3.传送到显示器或打印机输出传送到显示器或打印机输出22附：输出过程中字形的生成附：输出过程中字形的生成 n过程：过程：n先根据字符的字体确定相应的字库（先根据字符的字体确定相应的字库（font），），n再按照该字符的代码从字库中取出该字符的形状描述信息再按照该字符的代码从字库中取出该字符的形状描述信息n然后按形状描述信息生成字形，并按照字号大小及有关属性然后按形状描述信息生成字形，并按照字号大小及有关属性（粗体、斜体、下横线）将字形作必要的变换（粗体、斜体、下横线）将字形作必要的变换n最后将变换得到的字形放置在页面的指定位置处最后将变换得到的字形放置在页面的指定位置处n2种不同的字库：种不同的字库：点阵点阵描述描述轮廓轮廓描述描述轮廓点轮廓点直线直线二次曲线二次曲线5.2 图像与图形图像与图形5.2.1 数字图像的获取数字图像的获取5.2.2 图像的表示与压缩编码图像的表示与压缩编码5.2.3 数字图像处理与应用数字图像处理与应用5.2.4 计算机图形计算机图形245.2.1 数字图像的获取数字图像的获取25图像的获取过程图像的获取过程扫扫 描描模模拟拟图图像像取取 样样取取 样样取取 样样数数字字图图像像分分 色色量量 化化量量 化化量量 化化n从现实世界中获得数字图像的过程称为图像的从现实世界中获得数字图像的过程称为图像的“获取获取”n常用的图像获取设备：扫描仪、数码相机、摄像头、摄像机等常用的图像获取设备：扫描仪、数码相机、摄像头、摄像机等n图像获取过程：图像获取过程：将画面划分为将画面划分为 M N个网格，每个网格，每个网格称为个网格称为 一一个取样点个取样点 将彩色图像取样将彩色图像取样点的颜色分解成点的颜色分解成R，G，B三个三个基色基色测量每个取样点测量每个取样点的每个分量（基的每个分量（基色）的亮度值色）的亮度值对取样点每个分对取样点每个分量的亮度值进行量的亮度值进行A/D转换，使用转换，使用数字整型量表示数字整型量表示 265.2.2 图像的表示与压缩编码图像的表示与压缩编码27数字数字(取样取样)图像的组成图像的组成n数字取样图像由数字取样图像由M(列列)N(行行)个取样点组成个取样点组成n取样点是组成数字取样图像的基本单位，称为取样点是组成数字取样图像的基本单位，称为“像素像素”n彩色图像的像素通常由彩色图像的像素通常由3个彩色分量组成个彩色分量组成n灰度图像和黑白图像的像素只包含灰度图像和黑白图像的像素只包含1个亮度分量个亮度分量 Red分量分量Green分量分量Blue分量分量像素像素28例例1：黑白图象的表示：黑白图象的表示黑白图像黑白图像n黑白图像的每个像素只有一个分量，且只用黑白图像的每个像素只有一个分量，且只用1个二进位表个二进位表示，其取值仅示，其取值仅“0”(黑黑)和和“1”(白白)两种两种29例例2：灰度图象的表示：灰度图象的表示灰度图像灰度图像n灰度图像的每个像素也只有一个分量，一般用灰度图像的每个像素也只有一个分量，一般用812个二个二进位表示，其取值范围是：进位表示，其取值范围是：02n-1，可表示，可表示2n个不同的个不同的亮度亮度30例例3：彩色图象的表示：彩色图象的表示蓝蓝色色分分量量绿绿色色分分量量红红色色分分量量n彩色图像的每个像素有三个分量，分别表示三个基色的亮度，假设彩色图像的每个像素有三个分量，分别表示三个基色的亮度，假设3个分量分别用个分量分别用n,m,k个二进位表示，则可表示个二进位表示，则可表示2n+m+k种不同的颜色种不同的颜色31数字数字(取样取样)图像的主要参数图像的主要参数n图像大小（图像分辨率）：图像大小（图像分辨率）：n用来表示组成该图像的行列数目，亦即图像所包含的像素数目用来表示组成该图像的行列数目，亦即图像所包含的像素数目n使用使用 水平分辨率水平分辨率x垂直分辨率垂直分辨率 表示表示n对在屏幕上显示出来的大小有影响对在屏幕上显示出来的大小有影响n颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方法，如：颜色空间的类型，指彩色图像所使用的颜色描述方法，如：nRGB(红、绿、蓝红、绿、蓝)模型，显示器使用模型，显示器使用nCMYK(青、品红、黄、黑青、品红、黄、黑)模型，彩色打印机使用模型，彩色打印机使用nHSB(色彩、饱和度、亮度色彩、饱和度、亮度)模型，用户界面中使用模型，用户界面中使用nYUV(亮度、色度亮度、色度)模型，彩色电视信号传输时使用模型，彩色电视信号传输时使用n像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数目之和像素深度，即像素的所有颜色分量的二进位数目之和图像像类型型像素的像素的组成成像素深度像素深度(位数位数)颜色空色空间单色色图像像黑白黑白图像像仅1个分量个分量1位位不使用不使用灰度灰度图像像仅1个分量个分量212位位不使用不使用彩色彩色图像像彩色彩色图像像3个分量以上个分量以上836位位RGB，CMY，YUV等等32数字图像的数据量数字图像的数据量n数字图像数据量的计算公式（以字节为单位）：数字图像数据量的计算公式（以字节为单位）：数据量数据量=水平分辨率水平分辨率垂直分辨率垂直分辨率像素深度像素深度8 n几种常用格式的图像的数据量：几种常用格式的图像的数据量：图像大小像大小8位位(256色色)16位位(65536色色)24位位(真彩色真彩色)640480300 KB600 KB900 KB1024768768 KB1.5 MB2.25 MB128010241.25 MB2.5 MB3.75 MBn例：数字图像传输时间的计算例：数字图像传输时间的计算假设数据传输速率为假设数据传输速率为56 kb/s（电话上网），则传输一幅分辨（电话上网），则传输一幅分辨率为率为640480的的6.5万种颜色的未压缩图像的时间为：万种颜色的未压缩图像的时间为：(640 x480 x16)/56000=87.8秒秒33数字图像的数据压缩数字图像的数据压缩n图像数据压缩的必要性：图像数据压缩的必要性：n节省存储数字图像所需要的存储器容量节省存储数字图像所需要的存储器容量n提高图像的传输速度，减少通信费用提高图像的传输速度，减少通信费用 n图像数据压缩的可能性：图像数据压缩的可能性：n数字图像中有大量的数据冗余数字图像中有大量的数据冗余n人眼视觉有局限性，允许图像有一些失真人眼视觉有局限性，允许图像有一些失真n图像数据压缩的两种类型：图像数据压缩的两种类型：n无损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像没有任何误差无损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像没有任何误差n有损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像有一定的误差有损压缩：用压缩后的数据还原出来的图像有一定的误差n压缩编码方法的评价压缩编码方法的评价压缩倍数的高低（压缩比）压缩倍数的高低（压缩比）重建图像的质量（有损压缩时）重建图像的质量（有损压缩时）压缩算法的复杂程度压缩算法的复杂程度34图像文件格式例图像文件格式例1：BMP格式格式nBMP图图像像格格式式是是Windows操操作作系系统统下下使使用用的的一一种种标准图像格式标准图像格式n支持单色、支持单色、16色、色、256色、真彩色图像色、真彩色图像n一一个个文文件件一一幅幅图图像像，可可以以进进行行无无损损压压缩缩，也也可可不不压压缩缩n非非压压缩缩的的BMP文文件件是是一一种种通通用用的的图图像像文文件件格格式式，几乎所有几乎所有Windows 应用软件都能支持应用软件都能支持35图像文件格式例图像文件格式例2：GIF 图像图像n颜色数目不超过颜色数目不超过256色色，适合用作插图、剪贴画等色彩数，适合用作插图、剪贴画等色彩数要求不高的场合，要求不高的场合，文件特别小文件特别小，适合网络传输，适合网络传输nGIF图像格式具有图像格式具有累进显示累进显示功能，适合网络浏览器观看功能，适合网络浏览器观看 nGIF图像格式能支持图像格式能支持透明背景透明背景（JPEG不支持）不支持）nGIF图像格式能支持图像格式能支持动画动画透透明明背背景景36图像文件格式例图像文件格式例3：JPEG图像图像nJPEG是静止图像数据压缩编码的国际标准，采用是静止图像数据压缩编码的国际标准，采用JPEG标准的图像文件扩展名是标准的图像文件扩展名是.jpgnJPEG特别适合各种连续色调的彩色或灰度图像，特别适合各种连续色调的彩色或灰度图像，在计算机和数码相机中已得到广泛应用在计算机和数码相机中已得到广泛应用 nJPEG的最新标准是的最新标准是JPEG2000（图像文件扩展名（图像文件扩展名是是.jp2），它采用更先进的技术，可取得更好的），它采用更先进的技术，可取得更好的效果效果375.2.3 数字图像处理与应用数字图像处理与应用38数字图象处理：目的与内容数字图象处理：目的与内容n目的目的：(1)(1)提高图像的视觉质量提高图像的视觉质量(2)(2)恢复恢复与重建有失真和畸变的图像与重建有失真和畸变的图像(3)(3)图像分析，包括：图像的分类、识别和理解等图像分析，包括：图像的分类、识别和理解等(4)(4)图像数据的变换、编码和数据压缩图像数据的变换、编码和数据压缩(5)(5)图像的存储、管理与检索图像的存储、管理与检索(6)(6)图像内容与知识产权的保护图像内容与知识产权的保护 n内容内容：n去噪、增强、复原、分割、提取特征、压缩、存储、检索等去噪、增强、复原、分割、提取特征、压缩、存储、检索等39数字图像处理的应用数字图像处理的应用(1)图图像像通通信信，包包括括图图像像传传输输、电电视电话、电视会议等。视电话、电视会议等。(2)遥感遥感(3)医疗诊断医疗诊断(4)工工业业生生产产中中的的应应用用，如如产产品品质质量检测，生产过程自动控制等量检测，生产过程自动控制等(5)机器人视觉机器人视觉(6)军军事事、公公安安、档档案案管管理理等等其其他他方面的应用方面的应用X光图像光图像CT图像图像核磁共振核磁共振图像图像指纹图像指纹图像405.2.4 计算机图形计算机图形41什么是计算机图形什么是计算机图形(graphics)n通过计算机和软件对景物的结构、形状与外貌进行描述通过计算机和软件对景物的结构、形状与外貌进行描述(称称为为“建模建模”)，然后根据该描述和选定的观察位置及光线状况，然后根据该描述和选定的观察位置及光线状况，生成该景物的图形生成该景物的图形(称为称为“绘制绘制”或或“图像合成图像合成”)n计算机图形也称为计算机合成图像计算机图形也称为计算机合成图像n计算机制作图形的步骤如下：计算机制作图形的步骤如下：建模建模/造型造型(Modeling)景物的景物的模型模型(model)景物景物的视图的视图 绘绘 制制(Rendering)(Image Synthesis)42景物的景物的2种描述种描述(建模建模)方法方法几何造型几何造型技术技术规则形体规则形体(如工业产品如工业产品)用基本的几何元素用基本的几何元素(如点、如点、线、面、体等线、面、体等)及材料的表及材料的表面性质等进行描述面性质等进行描述 过程模型过程模型技术技术不规则形体不规则形体(如自然现象如自然现象)找出其生成规律，并使用找出其生成规律，并使用相应的算法来描述相应的算法来描述 43计算机图形的绘制过程计算机图形的绘制过程n从景物模型绘制出图形的过程，实际上也是把景物的描述从景物模型绘制出图形的过程，实际上也是把景物的描述(模型模型)转换成为点阵转换成为点阵(像素阵列像素阵列)的过程，它包括下列步骤：的过程，它包括下列步骤：将各个物体的将各个物体的所有表面用小所有表面用小的多边形（三的多边形（三角形或四边形）角形或四边形）进行近似表示进行近似表示 用户选择一个观测位置，并设用户选择一个观测位置，并设定一个取景范围，将景物向成定一个取景范围，将景物向成像平面作透视投影；然后将景像平面作透视投影；然后将景物中不在取景范围内的部分裁物中不在取景范围内的部分裁剪掉，同时还把景物中所有被剪掉，同时还把景物中所有被遮挡而看不见的部分隐去遮挡而看不见的部分隐去根据景物表面材料根据景物表面材料的性质和环境光源的性质和环境光源的设定，计算出物的设定，计算出物体可见面上每一点体可见面上每一点(像素像素)的颜色及其的颜色及其亮度亮度计算出物计算出物体所产生体所产生的本影和的本影和半影；根半影；根据景物表据景物表面和背景面和背景使用的材使用的材料，选择料，选择合适的纹合适的纹理映射到理映射到物体的表物体的表面面44n美国康乃尔大学美国康乃尔大学Suzanne Smits 和和Priamos Georgiades建模建模并绘制的俄罗斯并绘制的俄罗斯茶壶茶壶 例例1:俄罗斯茶壶俄罗斯茶壶45例例2：计算机绘制的钢笔画和铅笔画：计算机绘制的钢笔画和铅笔画z 木 桶z 玻璃瓶引用自：引用自：Georges Winkenbach,D.Salesin(Univ.of Washington)pp.469-476,SIGGRAPH9646计算机图形与显卡计算机图形与显卡(图形卡图形卡)n图形绘制过程中，每一个像素的颜色及其亮度都要经过大图形绘制过程中，每一个像素的颜色及其亮度都要经过大量的计算才能得到，因此绘制过程的计算量很大，特别是量的计算才能得到，因此绘制过程的计算量很大，特别是三维图形和动画三维图形和动画n目前目前PC机所配置的图形卡（显卡）上安装了功能很强的专机所配置的图形卡（显卡）上安装了功能很强的专用绘图处理器，它能承担绘制过程中的大部分计算任务用绘图处理器，它能承担绘制过程中的大部分计算任务S-Video接口接口DVI接口接口VGA接口接口绘图处理器绘图处理器显示卡显示卡47计算机图形的应用计算机图形的应用(1)计算机辅助设计和辅助制造计算机辅助设计和辅助制造(CADCAM)。(2)利利用用计计算算机机生生成成各各种种地地形形图图、交交通通图图、天天气气图图、海海洋洋图图、石油开采图等。石油开采图等。(3)作战指挥和军事训练。作战指挥和军事训练。(4)计算机动画和计算机艺术。计算机动画和计算机艺术。(5)其其它它：电电子子出出版版、数数据据处处理理、工工业业监监控控、辅辅助助教教学学、软软件件工程等。工程等。48矢量绘图软件矢量绘图软件n专业绘图软件：专业绘图软件：nAutoCAD、PROTEL和和CAXA电子图板（机械、建筑等）电子图板（机械、建筑等）nMAPInfo、ARCInfo、SuperMap GIS（地图、地理信息系统）（地图、地理信息系统）n办公与事务处理、平面设计、电子出版等使用的绘图软件：办公与事务处理、平面设计、电子出版等使用的绘图软件：nCorel公司的公司的CorelDraw，nAdobe 公司的公司的Illustrator，nMacromedia公司的公司的FreeHand，n微软公司的微软公司的Microsoft Visio等等n内嵌的绘图软件：内嵌的绘图软件：nWord 和和 PowerPoint中的绘图功能（简单的二维图形中的绘图功能（简单的二维图形）49小结：图像与图形的对比小结：图像与图形的对比图像像图形形生成途径生成途径通通过图像像获取取设备获得景得景物的物的图像像使用矢量使用矢量绘图软件以交互方式件以交互方式制作而成制作而成表示方法表示方法将景物的映像将景物的映像(投影投影)离散化，离散化，然后使用像素表示然后使用像素表示使用使用计算机描述景物的算机描述景物的结构、构、形状与外貌形状与外貌表表现能力能力能准确地表示出能准确地表示出实际存在存在的任何景物与形体的外貌，的任何景物与形体的外貌，但但丢失了部分三失了部分三维信息信息规则的形体的形体(实际的或假想的的或假想的)能准确表示，自然景物只能近能准确表示，自然景物只能近似表示似表示相相应的的编辑处理理软件件典型的典型的图像像处理理软件件,如如PhotoShop典型的矢量典型的矢量绘图软件，如件，如AutoCAD文件的文件的扩展展名名.bmp .gif .tif .jpg .jp2 等等.dwg .dxf .wmf 等等数据量数据量大大小小5.3 数字声音及应用数字声音及应用5.3.1 波形声音的获取与播放波形声音的获取与播放5.3.2 波形声音的表示与压缩编码波形声音的表示与压缩编码5.3.3 计算机合成声音计算机合成声音515.3.1 波形声音的获取与播放波形声音的获取与播放52声音的特性和类型声音的特性和类型n声音由振动产生，通过空气进行传播声音由振动产生，通过空气进行传播n声音是一种波，它由许多不同频率的声音是一种波，它由许多不同频率的谐波组成谐波组成n谐波的频率范围称为声音的谐波的频率范围称为声音的“带宽带宽”n计算机处理的声音类型：计算机处理的声音类型：n话音或语音话音或语音(speech)，专指人的说话声音，带宽仅为，专指人的说话声音，带宽仅为3003400Hzn全频带声音全频带声音(如音乐声、风雨声、汽车声等如音乐声、风雨声、汽车声等)，其带宽可达到，其带宽可达到20Hz20kHz n人耳可听到的声音统称人耳可听到的声音统称“可听声可听声”(audio)，20Hz20kHz53数字波形声音的获取数字波形声音的获取步骤：步骤：2.量化（量化（quantization，模数转换，模数转换)3.编码（编码（encoding）1.取样（取样（sampling）取取 样样模模拟拟声声音音信信号号取样的目的是把时间上连取样的目的是把时间上连续的信号转换成时间上离续的信号转换成时间上离散的信号散的信号量量 化化量化是把每个样本从模拟量量化是把每个样本从模拟量转换成为数字量转换成为数字量(8位或位或16位位整数表示整数表示)数字数字声音声音01100011001编编 码码将所有样本的二进制将所有样本的二进制代码组织在一起，并代码组织在一起，并进行数据压缩进行数据压缩54数字波形声音的获取设备数字波形声音的获取设备n声音的联机获取设备声音的联机获取设备(声卡声卡)声波转换声波转换为电信号为电信号n声音的脱机获取设备：数码录音笔声音的脱机获取设备：数码录音笔麦克风麦克风（microphone）声音卡声音卡（sound card）模模拟拟声声音音数数字字声声音音取样、量取样、量化和编码化和编码55声卡的功能与逻辑组成声卡的功能与逻辑组成波形声音的获取与编码波形声音的获取与编码波形声音的重建与播放波形声音的重建与播放MIDI消息的输入消息的输入MIDI音乐的合成音乐的合成DSPDMA接口接口PC总线总线取样，量化取样，量化D/A重建，滤波重建，滤波声音输出声音输出声音输入声音输入音乐合成器音乐合成器mixerMIDI接口接口声卡的主要功能声卡的主要功能565.3.2 波形声音的表示波形声音的表示 与压缩编码与压缩编码57数字波形声音的表示及其参数数字波形声音的表示及其参数n数字波形声音是使用二进位表示的一种串行比特流，其数数字波形声音是使用二进位表示的一种串行比特流，其数据按时间顺序进行组织，文件扩展名为据按时间顺序进行组织，文件扩展名为“.wav”n数字波形声音的主要参数有：数字波形声音的主要参数有：n取样频率：取样频率：n语音的取样频率低，一般为语音的取样频率低，一般为8kHzn全频带声音（如音乐）的取样频率高，一般为全频带声音（如音乐）的取样频率高，一般为44.1kHzn量化位数：通常为量化位数：通常为8位、位、12位或位或16位位n声道数目：单声道为声道数目：单声道为1，双声道为，双声道为2n码率码率(比特率比特率)，每秒钟的数据量，每秒钟的数据量58数字波形声音码率的计算数字波形声音码率的计算n未压缩时数字波形声音的码率计算公式未压缩时数字波形声音的码率计算公式 码率码率=取样频率取样频率 量化位数量化位数 声道数声道数 n例：例：声音声音类型型声音信号声音信号带宽(Hz)取取样频率率(kHz)量化位数量化位数(bits)声道声道数数未未压缩时的的码率率数字数字语音音3003 40088164 kb/sCD立体声立体声2020 00044.11621411.2(kb/s)n压缩编码之后数字波形声音的码率为：压缩编码之后数字波形声音的码率为：压缩后的码率压缩后的码率=未压缩时的码率未压缩时的码率/压缩倍数压缩倍数 n例：上面例：上面CD唱片的立体声音乐压缩为唱片的立体声音乐压缩为MP3后，若压缩倍数后，若压缩倍数是是12倍，则该倍，则该MP3音乐的码率是：音乐的码率是：118 kb/s左右左右59数字波形声音的数据压缩数字波形声音的数据压缩n数字波形声音的数据量很大，例如：数字波形声音的数据量很大，例如：n数字语音数字语音1小时的数据量大约是小时的数据量大约是30MBnCD立体声高保真的数字音乐立体声高保真的数字音乐1小时的数据量大约是小时的数据量大约是635MBn数据压缩的必要性：数据压缩的必要性：n为了降低存储成本和提高在网络上的传输效率为了降低存储成本和提高在网络上的传输效率n数据压缩的可能性：数据压缩的可能性：n声音中包含了大量冗余信息；人耳的灵敏度有限，允许有一声音中包含了大量冗余信息；人耳的灵敏度有限，允许有一定失真定失真n数字波形声音压缩编码的方法：数字波形声音压缩编码的方法：n全频带声音：国际标准全频带声音：国际标准MPEG；工业标准；工业标准Dolby AC-3 n数字语音：固定电话使用数字语音：固定电话使用ADPCM编码编码 移动电话使用高效率的混合编码技术移动电话使用高效率的混合编码技术60全频带数字音频编码的标准全频带数字音频编码的标准n所谓所谓“MP3音乐音乐”就是一种采用就是一种采用MPEG-1层层3编码的高质量数字声音编码的高质量数字声音,它能以它能以10倍左右的压缩比降低高保真数字声音的倍左右的压缩比降低高保真数字声音的存储量，使一张普通存储量，使一张普通CD光盘上可以存光盘上可以存储大约储大约100首首MP3歌曲歌曲 标准名称准名称压缩后的后的码率率(每个声道每个声道)声道数目声道数目主要主要应用用MPEG-1 audio层1192 kbps（压缩4倍）倍）2数字盒式数字盒式录音音带MPEG-1 audio层2128 kbps（压缩6倍）倍）2DAB,VCD,MPEG-1 audio层364kbps（压缩1112倍）倍）2Internet，MP3音音乐MPEG-2 audio与与MPEG-1层1,层2,层3相同相同5.1,7.1同同MPEG-1Dolby AC-364 kbp5.1,7.1DVD,DTV，家庭影院，家庭影院61什么是流媒体？什么是流媒体？n在因特网上收听在因特网上收听(看看)音音(视视)频节目的频节目的2种方式：种方式：i下载存储方式：先下载存储在计算机中，下载完毕后再播放（缺点：下载存储方式：先下载存储在计算机中，下载完毕后再播放（缺点：需要等待很长时间，并需要较大的存储容量）需要等待很长时间，并需要较大的存储容量）i流式传输方式：边下载、边播放（优点：只需要下载一部分数据之流式传输方式：边下载、边播放（优点：只需要下载一部分数据之后后,就可以开始一边播放一边下载，等待时间短、存储需求小）就可以开始一边播放一边下载，等待时间短、存储需求小）n流媒体技术就是允许在网络上让用户一边下载一边收看流媒体技术就是允许在网络上让用户一边下载一边收看(听听)音视频媒体的一种技术音视频媒体的一种技术n目前主要有目前主要有3个公司的流媒体产品：个公司的流媒体产品：1.Real Networks公司的公司的 Real Media2.微软公司的微软公司的 Windows Media 3.苹果公司的苹果公司的 Quick Time625.3.3 计算机合成声音计算机合成声音63什么是计算机合成声音？什么是计算机合成声音？n计算机合成声音就是计算机模仿人说话或演奏音乐计算机合成声音就是计算机模仿人说话或演奏音乐n计算机合成声音有两类：计算机合成声音有两类：n计算机合成语音：计算机合成语音：n计算机模仿人把一段文字朗读出来，即把文字转换为语音计算机模仿人把一段文字朗读出来，即把文字转换为语音（简称为（简称为 TTS）n应用：有声查询、文稿校对、语言学习、语音秘书、自动报应用：有声查询、文稿校对、语言学习、语音秘书、自动报警、残疾人服务等警、残疾人服务等n计算机合成音乐：计算机合成音乐：n计算机模拟各种乐器发声并按照乐谱演奏音乐计算机模拟各种乐器发声并按照乐谱演奏音乐n应用：计算机作曲、配器等应用：计算机作曲、配器等64计算机合成音乐（计算机合成音乐（MIDI）音乐音乐合成器合成器音乐音乐MIDI文件文件媒体媒体播放器播放器MIDI消息消息n计算机合成音乐需要三个要素：乐器、乐谱和计算机合成音乐需要三个要素：乐器、乐谱和“演奏员演奏员”声卡上的音乐合成声卡上的音乐合成器能像电子琴一样器能像电子琴一样模仿几十种不同的模仿几十种不同的乐器发出声音，它乐器发出声音，它按照按照MIDI消息合成消息合成出不同音色和音调出不同音色和音调的音符，通过扬声的音符，通过扬声器播放出音乐来器播放出音乐来 乐谱在计算机中使用乐谱在计算机中使用一种叫做一种叫做MIDI的音乐的音乐描述语言来表示。使描述语言来表示。使用用MIDI描述的音乐称描述的音乐称为为MIDI音乐。一首乐音乐。一首乐曲对应一个曲对应一个MIDI文件，文件，其文件扩展名为其文件扩展名为.MID或或.MIDI媒体播放器软件相当媒体播放器软件相当于于“演奏员演奏员”。播放。播放MIDI音乐时，它先从音乐时，它先从磁盘上读入磁盘上读入.MID文件，文件，解释其内容，然后以解释其内容，然后以MIDI消息的形式向声消息的形式向声卡上的音乐合成器发卡上的音乐合成器发出各种指令出各种指令65背景材料：音乐合成器背景材料：音乐合成器nPC机声卡一般都带有机声卡一般都带有MIDI音源（音乐合成器）音源（音乐合成器）nMIDI音源有两种：音源有两种：n调频合成器调频合成器（一种受控的电子振荡器）。音色单调，效果较（一种受控的电子振荡器）。音色单调，效果较差，已很少使用差，已很少使用n波表合成器波表合成器。音色丰富，效果很好，可扩展，现广泛使用。音色丰富，效果很好，可扩展，现广泛使用 n波表合成器的原理波表合成器的原理n预先将真实乐器演奏的各个音符的波形数字化，把它们组织预先将真实乐器演奏的各个音符的波形数字化，把它们组织成一个个波表文件存放在存储器中成一个个波表文件存放在存储器中n播放时合成器软件根据乐器类型和音符参数等将相应的波形播放时合成器软件根据乐器类型和音符参数等将相应的波形数据修饰成所要求的音强和时长，然后合成、加工后播放数据修饰成所要求的音强和时长，然后合成、加工后播放低通滤波低通滤波采样、量化采样、量化加工处理加工处理乐器乐器演奏演奏波表波表文件文件录音录音5.4 数字视频及应用数字视频及应用5.4.1 数字视频基础数字视频基础5.4.2 数字视频的压缩编码数字视频的压缩编码5.4.3 合成视频合成视频计算机动画计算机动画5.4.4 数字视频的应用数字视频的应用 675.4.1 数字视频基础数字视频基础68数字视频信号的获取数字视频信号的获取 视频信号的数字化过程视频信号的数字化过程:与图像、声音的数字化过程相仿，但更复杂一些与图像、声音的数字化过程相仿，但更复杂一些(8-10 bits)滤波取样量化编码数字数字视频视频信息信息模拟模拟视频视频信号信号VUYUVY 数字视频的获取设备：数字视频的获取设备：视频采集卡视频采集卡（简称视频卡简称视频卡）数字摄像头，通过光学镜头和数字摄像头，通过光学镜头和CCD或或CMOS采集动态图像，采集动态图像，转换成数字信号并输入转换成数字信号并输入PC机机 脱机获取设备：数码摄像机脱机获取设备：数码摄像机69数字摄像头数字摄像头n分辨率为分辨率为352288 640480n速度一般在速度一般在30fps（每秒（每秒30帧）帧）左右左右n镜头的视角可达到镜头的视角可达到45-60度度 n支持支持USB接口接口 或或IEEE1394（火（火线）接口线）接口n成像器件采用成像器件采用CMOS或或CCD70数码摄像机数码摄像机 n提供提供480线以上的分辨率，清线以上的分辨率，清晰度高晰度高n自动对焦，自动曝光自动对焦，自动曝光 n使用使用MPEG-2进行压缩编码，进行压缩编码，然后记录在硬盘上然后记录在硬盘上n具有录音功能具有录音功能n数据量很大，采用数据量很大，采用USB接口接口或或IEEE1394接口接口 715.4.2 数字视频的压缩编码数字视频的压缩编码72数字视频的压缩编码数字视频的压缩编码n视频数据压缩的可能性：视频数据压缩的可能性：n数字视频的数据量大得惊人，数字视频的数据量大得惊人，1分钟的数字电视图像未压缩分钟的数字电视图像未压缩时其数据量可超过时其数据量可超过1GB，对存储、传输和处理都有很大的困，对存储、传输和处理都有很大的困难难n视频数据压缩的可能性：视频数据压缩的可能性：n视频信息的每个画面内部有很多信息冗余视频信息的每个画面内部有很多信息冗余n相邻画面的内容有高度的连贯性相邻画面的内容有高度的连贯性n人眼的视觉灵敏度有限，允许画面有一定失真人眼的视觉灵敏度有限，允许画面有一定失真n结论：结论：n数字视频的数据量可压缩几十倍甚至几百倍数字视频的数据量可压缩几十倍甚至几百倍 73数字视频的三类编码标准数字视频的三类编码标准nITU-T国际标准：国际标准：H.261(Px64)标准、标准、H.263标准等标准等nISO/IEC 国际标准：国际标准：nMPEG-1标准，标准，nMPEG-2标准（等同于标准（等同于ITU-T H.262），），n用于低分辨率、低码率视频应用的用于低分辨率、低码率视频应用的MPEG-4 ASP，n代表当前技术水准的代表当前技术水准的MPEG-4 AVC视频编码标准（等同于视频编码标准（等同于ITU-T H.264）,在在HDTV、蓝光盘、蓝光盘、XBOX、iPod、iPhone等众多领域得等众多领域得到推广应用。到推广应用。n公司标准：公司标准：Intel公司的公司的IndeoVideo，苹果公司在，苹果公司在QuickTime中使用过中使用过的的Cinepak，Real Network公司的公司的RealVideo，微软公司的，微软公司的 WMV，Adobe公司公司Flash播放器中使用的播放器中使用的VP6等等74目前流行的数字视频编码标准目前流行的数字视频编码标准名名 称称图像格式像格式压缩后的后的码率率主要主要应用用MPEG-1360288大大约1.2 Mb/s 1.5Mb/s适适用用于于VCD、数数码相相机机、数数字字摄像像机机等等H.261360288 或或180144Px64 kb/s (P=1、2时，只只支支持持180144格格式式，P6时，可支持可支持360288格式格式)应用用于于视频通通信信，如如可可视电话、会会议电视等等MPEG-2(MPML)7205765 Mb/s 15Mb/s用用途途最最广广,如如DVD、卫星星电视直直播播、数字有数字有线电视等等MPEG-2高清格式高清格式144011521920115280 Mb/s 100Mb/s高清晰度高清晰度电视（HDTV）领域域MPEG-4ASP分分辨辨率率较低低的的视频格式格式与与MPEG-1，MPEG-2相相当当，但最低可达到但最低可达到64kb/s在在低低分分辨辨率率低低码率率领域域应用用，如如监控控、IPTV、手机、手机、MP4播放器等播放器等MPEG-4 AVC多多种种不不同同的的视频格式格式采采用用多多种种新新技技术，编码效效率比率比MPEG-4ASP显著减少著减少已已在在多多种种领域域应用用，如如HDTV、蓝光光盘、IPTV、XBOX、iPod、iPhone等等75影视文件与播放器影视文件与播放器n播放器播放器(Plaper)实际上就是一种解码器，但通常既可以解码多种类型的信息实际上就是一种解码器，但通常既可以解码多种类型的信息（音频、视频、图片、（音频、视频、图片、），还能解码多种不同类型的文件格式。），还能解码多种不同类型的文件格式。nPC上使用的是软件播放器，一台计算机可以安装多个不同的播放器：上使用的是软件播放器，一台计算机可以安装多个不同的播放器：n微软公司的微软公司的“Microsoft Media Player”，n苹果公司的苹果公司的QuickTime Player和和iTunes，nReal公司的公司的RealPlayer(简称简称RealOne 播放器播放器)n“全能全能”播放器：播放器：Storm Player（暴风影音）、（暴风影音）、The KMPlayer、绚彩魅影、变、绚彩魅影、变色龙万能播放器（色龙万能播放器（PPStream）、豪杰超级解霸，等等）、豪杰超级解霸，等等n硬件播放器（便携式）：硬件播放器（便携式）：nMP3播放器：以播放播放器：以播放MP3格式的音频信息为主，也能收听广播、观看文本和图格式的音频信息为主，也能收听广播、观看文本和图片，功能更强一些的还能播放视频信息片，功能更强一些的还能播放视频信息nMP4播放器：以播放视频为主，国外叫做播放器：以播放视频为主，国外叫做PVP（个人视频播放器）或（个人视频播放器）或PMP（便（便携式媒体播放器），携式媒体播放器），LCD屏幕较大，价格较高屏幕较大，价格较高76附：什么是附：什么是MP4？nMP4播放器是一种能够播放视频的便播放器是一种能够播放视频的便携式设备，也叫做携式设备，也叫做PVP（个人视频播（个人视频播放器）或放器）或PMP（便携式媒体播放器）（便携式媒体播放器）n功能：功能：n看录像（电影）看录像（电影）n播放音乐播放音乐n浏览文本和图片浏览文本和图片n甚至还可以上网甚至还可以上网n技术特点：技术特点：n自带自带25英寸的英寸的LCD屏屏n存储容量达几十存储容量达几十GB775.4.3 合成视频合成视频计算机动画计算机动画78什么是计算机动画？什么是计算机动画？n计算机动画计算机动画使用计算机生成一系列内容连续的画面供使用计算机生成一系列内容连续的画面供实时演播的一种技术，它是一种计算机合成的数字视频，实时演播的一种技术，它是一种计算机合成的数字视频，而不是用摄像机拍摄的而不是用摄像机拍摄的“自然视频自然视频”n上世纪九十年代开始，计算机动画技术应用于电影特技，上世纪九十年代开始，计算机动画技术应用于电影特技，如电影如电影“侏罗纪公园侏罗纪公园”、玩具总动员、泰坦尼克等，玩具总动员、泰坦尼克等，取得轰动效应取得轰动效应n应用领域：应用领域：n影视和广告领域：电影特技、动画片、电视广告制作等影视和广告领域：电影特技、动画片、电视广告制作等n教育和培训领域：辅助教学、驾驶员训练等教育和培训领域：辅助教学、驾驶员训练等n科技领域：科学计算可视化，复杂系统的动态模拟科技领域：科学计算可视化，复杂系统的动态模拟n军事领域：军事训练、作战模拟等军事领域：军事训练、作战模拟等n游戏游戏79计算机动画的制作过程计算机动画的制作过程n计计算算机机动动画画制制作作包包括括：在在计计算算机机中中建建立立景景物物的的模模型型、描描述述它们的运动、生成一系列逼真的图像它们的运动、生成一系列逼真的图像n三维计算机动画制作过程分以下几个阶段：三维计算机动画制作过程分以下几个阶段：（1）描述景物的形状与结构（建模）描述景物的形状与结构（建模）（2）确定景物的颜色和材质（纹理）确定景物的颜色和材质（纹理）（3）设置灯光和确定虚拟摄像机的位置）设置灯光和确定虚拟摄像机的位置（4）描述场景中物体的运动和摄像机的移动）描述场景中物体的运动和摄像机的移动（5）绘制一系列的图像）绘制一系列的图像（6）输出动画结果）输出动画结果805.4.4 数字视频的应用数字视频的应用1VCD与与DVD2可视电话与视频会议可视电话与视频会议3数字电视数字电视4点播电视点播电视81什么是什么是VCD,什么是什么是DVD?nVideoCD（简称（简称VCD）：按）：按MPEG-1标准将标准将60分钟的分钟的音频音频/视频节目记录在一张视频节目记录在一张CD光盘上，图像质量为光盘上，图像质量为VHS(352240)，即家用录放像机的水平，可播放立，即家用录放像机的水平，可播放立体声体声 nDVD-Video（简称为（简称为DVD影碟）：按影碟）：按MPEG-2标准将标准将音频音频/视频节目记录在视频节目记录在DVD光盘上，图像质量为广播级光盘上，图像质量为广播级(720576)，可播放，可播放5.1声道的环绕立体声，单面单层声道的环绕立体声，单面单层DVD（容量为（容量为4.7GB）光盘可记录）光盘可记录120分钟以上的影分钟以上的影视节目视节目82VCD与与DVD的比较的比较VCDDVD视频压缩编码标准准MPEG-1 video，图像分像分辨率辨率为352240（家用（家用电视质量）量）MPEG-2 video，图像分辨率像分辨率为720480（广播（广播级电视图像像质量）量）音音频压缩编码标准准MPEG-1 audio，层2，支持双声道立体声支持双声道立体声MPEG-2audio或杜比或杜比AC-3,支持支持5.1声声道的三道的三维环绕立体声立体声光光盘存存储容容量量650MB左右左右有多种不同有多种不同规格。格。单面面单层DVD容量容量为4.7GB，单面双面双层为8.5GB播放播放时间1小小时左右左右单面面单层DVD光光盘可播放可播放2小小时左右左右其他功能其他功能较少少支持多种支持多种辅助功能，如多种文字字幕，助功能，如多种文字字幕，多种多种语言声音，多种言声音，多种视角，多种角，多种宽高高比等比等83可视电话和视频会议可视电话和视频会议n可视电话：通话双方能互相看见的一种电话系统可视电话：通话双方能互相看见的一种电话系统n电