大學計算機基礎-計算思維視角 課件 ch02計算基礎一一數(shù)據(jù)的表示、存儲與管理

數(shù)據(jù)的表示、存儲與管理新工科建設之路·計算機類專業(yè)精品教材計算基礎第二章計算機中的數(shù)制0101數(shù)的編碼單位計算機中數(shù)據(jù)編碼的最小單位是bit(位，音譯為比特，表示一個二進制位)，位是計算機內部數(shù)據(jù)存儲的最小單位。例如，1010100是一個8位二進制數(shù)。一個二進制位只可以表示0和1兩種狀態(tài)(21=2)，兩個二進制位可以表示00、011011共四種狀態(tài)22=4)。8位二進制數(shù)為1Byte(字節(jié)，音譯為拜特，簡寫為B)，字節(jié)是最基本的數(shù)據(jù)單位。1B-8bit，1024B=1KB，1024KB-1MB，1024MB=1GB。02計算機中的常用計數(shù)制按進位方式進行計數(shù)的數(shù)制稱為進位計數(shù)制。日常生活中大多采用十進位計數(shù)制，簡稱十進制。進位計數(shù)制有三個基本要素:數(shù)位、基數(shù)和位權。數(shù)制的概念數(shù)位指數(shù)碼在各種進位計數(shù)制的一個數(shù)中所處的位置，用±n表示。例如，十進制數(shù)123.4數(shù)碼2的數(shù)位為+1，數(shù)碼4的數(shù)位為-1。02計算機中的常用計數(shù)制基數(shù)指各種進位計數(shù)制的一個數(shù)位上允許使用的數(shù)碼的數(shù)目。例如，十進制的數(shù)碼有0~9共十個，因此十進制的基數(shù)為10，二進制的數(shù)碼有0和1，因此二進制的基數(shù)為2。位權每個數(shù)位上的位權是一個常數(shù)，權值是以基數(shù)為底、數(shù)位為指數(shù)的整數(shù)次冪。例如，十進制數(shù)123.4數(shù)碼2的位權為10+1，數(shù)碼4的位權為10-1。02計算機中的常用計數(shù)制每個數(shù)碼所表示的數(shù)值等于該數(shù)碼乘以它的位權如十進制數(shù)123.4可以表示為1X10+2+2X10+1+3X100+4X10-1，二進制數(shù)1011.01可表示為1x2+3+0x2+2+1x2+1+1x20+0x2-1+1x2-2。02計算機中的常用計數(shù)制常用的進位計數(shù)制常用的進位計數(shù)制有二進制、十進制、八進制、十六進制。不同的進位計數(shù)制以基數(shù)來區(qū)分。若以產代表基數(shù)，則在產進制中，具有產個數(shù)碼，它們分別是0、1、2·····、(r-1)采用的進位規(guī)則為由低位向高位逢r進一。在二進制中，r=2，使用0、1共兩個數(shù)碼，逢二進一。在十進制中，r=10，使用0、1、2、·-···、9共十個數(shù)碼，逢十進一。在八進制中，r=8，使用0、1、2、·.·.·、7共八個數(shù)碼，逢八進一。在十六進制中，r=16，使用0、1、2、·....、9、A、B、C、D、E、F共十六個數(shù)碼,逢十六進一。不同進位計數(shù)制的表示方法有后綴法、前綴法、下標法。02計算機中的常用計數(shù)制后綴法用加后綴的方法來區(qū)分不同的數(shù)制。例如，在數(shù)字后面加上后綴B表示一個二進制數(shù)，后綴為D或不加后綴表示十進制數(shù)，后綴為H表示十六進制數(shù)，后綴為0表示八進制數(shù)。01前綴法用加前綴的方法來區(qū)分不同的數(shù)制。例如，在數(shù)字前面加上前綴0x表示上六進制數(shù)，前綴為0表示八進制數(shù)，前綴為0B表示二進制數(shù)。這種方法常用于編程語言中的數(shù)據(jù)表示。02下標法直接用下標來區(qū)分不同的數(shù)制。例如，二進制數(shù)表示為(110010)2或(110010)B，八進制數(shù)表示為(175)8或(175)0，十進制數(shù)表示為(1234)10或(1234)D，十六進制數(shù)表示為(1C2A0)16或(1C2A0)H。0302計算機中的常用計數(shù)制常用進位計數(shù)制的對應關系如表2-1所示。03各種數(shù)制之間的轉換非十進制數(shù)轉換為十進制數(shù)將任意非十進制數(shù)轉換為十進制數(shù)，轉換方法為按權展開求和，即首先將非十進制數(shù)寫成按位權展開的多項式之和的形式，然后以十進制數(shù)的運算規(guī)則求和。用二進制數(shù)表示數(shù)據(jù)，字符串很長，讀和寫均不方便。因此常用八進制數(shù)或十六進制數(shù)來表示二進制數(shù)。人們熟悉十進制數(shù)，計算機認識二進制數(shù)，二進制數(shù)又常采用十六進制數(shù)來表示，因此需要了解十進制數(shù)與非十進制數(shù)之間的相互轉換。03各種數(shù)制之間的轉換[例2.1]將二進制數(shù)1100101.01B轉換為十進制數(shù)。110010101B=1x2+6+1x2+5+1x2+2+1x20+1x2-2=64+32+4+1+0.25=101.25[例2.2]將十六進制數(shù)2FE.8H轉換為十進制數(shù)。2FE.8H=2x16+2+Fx16+1+Ex160+8x16-1=512+240+14+0.5=766.503各種數(shù)制之間的轉換十進制數(shù)轉換為非十進制數(shù)將十進制數(shù)轉換為非十進制數(shù)，對整數(shù)部分和小數(shù)部分先分別轉換，再拼接起來即可。(1)整數(shù)部分轉換，采用除基數(shù)取余法。將十進制整數(shù)不斷除以產取余數(shù)，直到商為0。將所得余數(shù)按逆序讀取，即首次取得的余數(shù)在個位上。03各種數(shù)制之間的轉換[例2.3]將十進制數(shù)215分別轉換為二進制數(shù)和十六進制數(shù)。將215轉換為二進制數(shù)時采用除2取余法，轉換為十六進制數(shù)時采用除16取余法。進制數(shù)轉換為非十進制數(shù)的過程示例如圖2-1所示。03各種數(shù)制之間的轉換(2)小數(shù)部分轉換，采用乘基數(shù)取整法。將十進制小數(shù)不斷乘以產取整，直到小數(shù)部分為0或達到所求的精度為止(小數(shù)部分可能永遠不會得到0)。將每次所取的整數(shù)按順序讀取，即首次取得的整數(shù)為小數(shù)點后的第1個數(shù)。[例2.4]將十進制數(shù)226.125轉換為二進制數(shù)。對整數(shù)部分的轉換采用除2取余法，對小數(shù)部分的轉換采用乘2取整法。十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)的過程示例如圖2-2所示。03各種數(shù)制之間的轉換非十進制數(shù)之間的相互轉換由于二進制、八進制、十六進制之間存在特殊關系:81=23，161=24，即1位八進制數(shù)相當于3位二進制數(shù)，1位十六進制數(shù)相當于4位進制數(shù)，因此根據(jù)這種對應關系，當將二進制數(shù)轉換為八進制數(shù)時，以小數(shù)點為中心向左右兩邊分組，每3位為一組，兩頭不足3位補0即可。同樣，將二進制數(shù)轉換為十六進制數(shù)時需要每4位為一組。將八(十六)進制數(shù)轉換為二進制數(shù)時只需要一位化三(四)位即可。03各種數(shù)制之間的轉換[例2.5]將二進制數(shù)1101101011011.0011100101B轉換為十六進制數(shù)將給定的二進制數(shù)以小數(shù)點為中心向左右兩邊每4位一組，分組轉換。[例26]將十六進制數(shù)89FCDAB2H轉換為二進制數(shù)。將每一位十六進制數(shù)轉換為4位二進制數(shù):數(shù)值編碼與計算0201二進制數(shù)的運算二進制數(shù)的算術運算二進制數(shù)的算術運算與十進制數(shù)的算術運算一樣，也包括加、減、乘、除四則運算，不同的是逢二進一，借一當二。01二進制數(shù)的運算(1)二進制加法。運算規(guī)則如下:0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=0(進位為1)(2)二進制減法。運算規(guī)則如下:0-0=0，1-0=1，1-1=0，0-1=1(有借位，借一當二)01二進制數(shù)的運算(3)二進制乘法。運算規(guī)則如下:0x0=0，0x1=0，1x0=0，1x1=1(4)二進制除法。運算規(guī)則如下:0=1=0，1-1=1，0-0和1-0均無意義01二進制數(shù)的運算二進制數(shù)的1與0在邏輯上可代表真與假并可利用邏輯代數(shù)的規(guī)則進行各種邏輯判斷。所以計算機不僅可以存儲數(shù)值數(shù)據(jù)進行算術運算，還能夠存儲邏輯數(shù)據(jù)進行邏輯運算。二進制數(shù)的邏輯運算包括邏輯非、邏輯與、邏輯或、邏輯異或等，邏輯運算的基本特點是按位操作，即根據(jù)兩個操作數(shù)對應位的情況確定本位的輸出，而與其他相鄰位無關。01二進制數(shù)的運算(2)邏輯與運算，也稱邏輯乘運算，運算符為“x”或“人”，運算規(guī)則如下:(3)邏輯或運算，也稱邏輯加運算，運算符為“+”或“V”，運算規(guī)則如下：0=1=0，1-1=1，0-0和1-0均無意義(1)邏輯非運算，也稱邏輯反運算，運算符為“-”，運算規(guī)則如下:01二進制數(shù)的運算[例27]求8位二進制數(shù)(10100110)2和(11100011)的邏輯與和邏輯或。邏輯運算只能按位操作，其豎式運算過程如圖2-3所示。01二進制數(shù)的運算(4)邏輯異或運算。運算符為“⊕”，運算規(guī)則如下:02數(shù)值在計算機中的表示機器數(shù)數(shù)據(jù)在計算機中的表示形式稱為機器數(shù)。機器數(shù)所表示的數(shù)值大小稱為這個機器數(shù)的真值。在計算機中，用機器數(shù)的最高位表示數(shù)的符號，稱為數(shù)符，并且規(guī)定數(shù)符位用“0”表示正數(shù)，用“1”表示負數(shù)。02數(shù)值在計算機中的表示[例2.9]以8位二進制數(shù)為例，寫出-5在計算機中的機器數(shù)。-5在計算機中的機器數(shù)如圖2-5所示。其中-0000101為這個機器數(shù)的真值。注意:機器數(shù)所表示的數(shù)，其數(shù)值范圍受計算機字長的限制。若字長為16位(2個字節(jié)),則無符號整數(shù)的最大值是(1111111111111111)2=(5535)10有符號整數(shù)的最大值是(0111111111111111)2=(32767)10，運算時如果數(shù)據(jù)的值超過其所能表示的數(shù)值范圍，運算就會出錯，這種錯誤稱為“溢出”。為了簡單起見，這里僅以8位字長(1個字節(jié))為例。02數(shù)值在計算機中的表示原碼整數(shù)X的原碼表示方法:數(shù)符位用“0”表示正數(shù)，用“1”表示負數(shù)，其余部分是數(shù)值的絕對值的二進制數(shù)形式。通常用[X]原表示X的原碼。02數(shù)值在計算機中的表示反碼整數(shù)X的反碼表示方法:對于正數(shù)，與原碼相同，對于負數(shù)，數(shù)符位為1，其余部分由數(shù)值的絕對值按位取反得到。通常用[X]反表示X的反碼。02數(shù)值在計算機中的表示補碼整數(shù)的補碼表示方法:對于正數(shù)，與原碼相同，對于負數(shù)，數(shù)符位為1，其余部分由數(shù)值的絕對值按位取反，末位加1得到，即反碼加1。通常用[X]補表示X的補碼02數(shù)值在計算機中的表示[例2.10]已知x=38，y=20，計算x-y。[例2.11]已知x=20，y=38，計算x-y。02數(shù)值在計算機中的表示浮點數(shù)在計算機中的表示在計算機中小數(shù)點是不占位置的，因此需要規(guī)定小數(shù)點所在的位置。定點數(shù)定點數(shù)的表示如圖2-6所示，規(guī)定小數(shù)點位置在數(shù)符位、有效數(shù)值部分之間。定點數(shù)表示的小數(shù)是純小數(shù)，即所有數(shù)絕對值均小于1。02數(shù)值在計算機中的表示浮點數(shù)在實際應用中，有時需要表示特大或特小的數(shù)，這時定點數(shù)表示的數(shù)值范圍是不夠用的，解決的方法是采用浮點數(shù)(或稱“指數(shù)形式”)表示。02數(shù)值在計算機中的表示單精度浮點數(shù)(4個字節(jié))共32位，其中符號占1位，指數(shù)占8位，指數(shù)值=階碼的真值+偏移量(127)，尾數(shù)占23位，采用隱含尾數(shù)最高位1的表示方法。01雙精度浮點數(shù)(8個字節(jié))共64位，其中符號占1位，指數(shù)占11位，指數(shù)值=階碼的真值+偏移量(1023)，尾數(shù)占52位，同樣采用隱含尾數(shù)最高位1的表示方法。0202數(shù)值在計算機中的表示[例2.12]寫出十進制數(shù)26.0用單精度浮點數(shù)在計算機中的表示。對26.0進行規(guī)格化處理:26.0=(11010.0)B=(+1.10100)BX2+4，指數(shù)=4+127=131=(10000011)B，則26.0作為單精度浮點數(shù)的存儲示例如圖2-7所示。02數(shù)值在計算機中的表示[例213]寫出浮點數(shù)11000001110010010000000000000000代表的十進制數(shù)。該浮點數(shù)一共32位，按1位、8位、23位分拆出符號、指數(shù)、尾數(shù)，分拆存儲示例如圖2-8所示。字符編碼0301西文字符編碼西文字符常用ASCII碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange，美國信息交換標準代碼)。ASCII碼是美國國家標準委員會制定的一種包括數(shù)字、字母、通用符號、控制符號在內的字符編碼集，7位ASCII代碼表如表2-2所示在ASCII代碼表中包含的字符類型有控制符號34個，數(shù)字0~9共10個大、小寫英文字母52個，通用符號32個。每個字符用7位二進制碼表示，其排列次序為b6b5b4b3b2b1b0，b6為高位，b0為低位。01西文字符編碼01西文字符編碼在這些字符中0~9、A~Z、a~z都是順序排列的，且小寫比大寫字母編碼值大32，這樣有利于大、小寫字母之間的編碼轉換。例如:字符a的編碼值為1100001，對應的十進制數(shù)為97;字符A的編碼值為1000001，對應的十進制數(shù)為65;字符0的編碼值為0110000對應的十進制數(shù)為48。根據(jù)這些規(guī)律，在計算機程序中，大、小寫字母的轉換方式為:小寫字母=大寫字母+32，大寫字母=小寫字母-32:字符數(shù)據(jù)轉換成數(shù)值數(shù)據(jù)的方式為:數(shù)值數(shù)據(jù)=字符數(shù)據(jù)-48。記住這些使用方式在編寫計算機程序時很有用。02漢字字符編碼計算機處理漢字的基本方法01將漢字以輸入碼形式輸入計算機。03當輸出顯示時，將漢字機內碼轉換成字形碼，以點陣或矢量形式輸出。02將外碼轉換成計算機能識別的漢字機內碼進行存儲和處理。漢字的輸入、處理、輸出過程，實際上是漢字的各種代碼之間的轉換過程。02漢字字符編碼漢字輸入碼漢字輸入碼是用來輸入漢字到計算機中的一組鍵盤符號。以漢字拼音為基礎的編碼方案，如全拼、簡拼、微軟拼音、搜狗拼音等。01音碼類以漢字字形為依據(jù)進行的編碼方案，如五筆字形碼、表形碼等。02形碼類同時考慮漢字讀音和字形進行的編碼方案，如自然碼等。03音形碼類02漢字字符編碼漢字機內碼國標碼1980年我國頒布了《信息交換用漢字編碼字符集基本集》，即國家標準GB2312一1980。這個字符集是我國中文信息處理技術的發(fā)展基礎，也是國內所有漢字系統(tǒng)的統(tǒng)一標準。它收集了各類符號和6763個兩級漢字。一級3755個常用漢字，按拼音字母順序排列:二級3008個次常用漢字，按部首順序排列。在這個國標碼中，為每個漢字確定了二進制碼。02漢字字符編碼漢字機內碼區(qū)位碼區(qū)位碼是國標碼的另一種形式，每個國標碼或區(qū)位碼都對應著一個唯一的漢字或符號。國標碼是一個4位十六進制數(shù)，區(qū)位碼是一個4位十進制數(shù)，區(qū)位碼的前2位稱為區(qū)碼，后2位稱為位碼，代表了字庫表中的區(qū)(行)和位(列)。國標碼和區(qū)位碼最大的特點是沒有重碼，缺少規(guī)律很難記憶，常用于一些特殊的地方。02漢字字符編碼漢字機內碼漢字機內碼漢字機內碼(機器內部編碼)是指漢字被計算機系統(tǒng)內部處理和存儲而使用的編碼，由區(qū)位碼或國標碼變換之后得到。漢字機內碼、區(qū)位碼、國標碼三者之間的關系如下。02漢字字符編碼漢字字形碼點陣用點陣表示字形，類似于生活中的十字繡。無論漢字的筆畫多少，每個漢字都寫在同樣大小的方格中。有筆畫的位置用黑點表示，無筆畫的位置用白點表示。在計算機中用一組二進制數(shù)表示點陣，用0表示白點，用1表示黑點。最后形成的漢字字形點陣代碼就是這個漢字的字形碼。漢字“大”的16X16點陣及代碼如圖2-9所示。02漢字字符編碼般的漢字系統(tǒng)中漢字字形點陣有16X16、24X2448X48三種，點陣越大漢字越通真，顯示和打印質量越好。但是這種點陣不適合機內存儲，以16X16點陣為例，每個漢字就要占用32個字節(jié)，兩級漢字大約占用256KB。漢字庫是按國標碼的順序排列，把每個漢字的點陣代碼以二進制文件形式存儲在存儲器中，按照不同的字體(宋體、楷體、黑體等)字模，構成的漢字字模字庫。計算機在顯示器上輸出漢字時，先找到顯示字庫的首地址，再根據(jù)漢字機內碼找到字形碼，接著根據(jù)字形碼通過字符發(fā)生器的控制在屏幕上掃描，0的地方不顯示，1的地方顯示亮點，這樣就顯示出字符。打印的原理相同。02漢字字符編碼矢量表示方式是指根據(jù)幾何特性用數(shù)學矢量來繪制圖形，存儲的是描述漢字字形的輪廓特征。當要輸出漢字時，通過計算機的計算，用漢字字形描述生成所需大小和形狀的漢字。點陣和矢量方式的區(qū)別在于前者的編碼和存儲方式簡單，無須轉換直接輸出，但字形放大后產生的效果差;矢量方式特點正好與前者相反。03其他常用字符編碼Unicode字符集編碼Unicode(UniversalMultiple-OctetCodedCharacterSet，通用多八位編碼字符集)又稱統(tǒng)一碼或萬國碼，是國際組織制定的可以容納世界上所有文字和符號的一種字符編碼方案，它為每種語言中的每個字符設定了統(tǒng)一且唯一的二進制編碼，滿足了互聯(lián)網時代需要跨語言、跨平臺進行文本轉換、處理的要求，還與ASCII碼兼容。03其他常用字符編碼Unicode編碼方式Unicode的編碼方式是使用2個字節(jié)，即每個字符都占用等長的2個字節(jié)，處理方便在使用ASCII字符時，高位字節(jié)的8位始終為“0”如字符“A”的ASCII碼是01000001,而它的Unicode碼是0000000001000001，這在一定程度上造成了空間的浪費。01Unicode實現(xiàn)方式Unicode的實現(xiàn)方式又稱為Unicode轉換格式(UnicodeTransformationFormat，UTF)。一個字符的Unicode碼是確定的，但在實際傳輸過程中，由于不同系統(tǒng)平臺的設計不一定一致，以及出于節(jié)省空間的目的，對Unicode的實現(xiàn)方式有所不同，UTF-8、UTF-16、UTF32都是將數(shù)字轉換到程序數(shù)據(jù)的不同的編碼實現(xiàn)方式。UTF-8使用可變長度字節(jié)來存儲Unicode字符，如ASCII字符用1個字節(jié)，希臘字母等符號用2個字節(jié)，常用漢字用3個字節(jié)，這種方式的最大好處是保留了ASCII字符的編碼，使得原來處理ASCII字符的軟件無須修改或只需要做少部分修改即可繼續(xù)使用。UTF16和UTF-32分別是Unicode的16位和32位編碼方式。0203其他常用字符編碼BIG5字符集編碼BIG5又稱大五碼，是我國臺灣、香港、澳門等地區(qū)普遍使用的一種繁體漢字的編碼標準，共收錄13060個漢字。其實，世界上存在著多種編碼方式，同一個二進制數(shù)字可以被解釋成不同的符號。因此，打開一個文本文件，如果用錯誤的編碼方式解讀，就會出現(xiàn)亂碼;當收到的電子郵件或使用的瀏覽器顯示亂碼時，說明使用的編碼方式不一樣，這時只需要重新選擇所用的字符集編碼即可。多媒體信息編碼0401圖形和圖像編碼圖形與圖像概念它們都是一幅圖，但圖的產生、處理、存儲方式不同。圖形與圖像示例如圖2-10所示。01圖形和圖像編碼圖形是指由外部輪廓線條構成的矢量圖，即由計算機運算而繪制的直線、圓、矩形、曲線、圖表等，也稱為矢量圖形。圖像是指由掃描儀、數(shù)字照相機、攝像機等輸入設備捕捉實際的畫面以數(shù)字形式存儲的信息，是由許多像小方塊一樣的像素點構成的位圖，也稱為位圖圖像。圖形與圖像的比較如表2-3所示。01圖形和圖像編碼采樣圖像的采樣就是對二維空間上連續(xù)的圖像在水平、垂直方向上進行等間距的分割，分割結果為矩形網狀結構，其中的微小方格稱為像素點。采樣的實質就是用多個像素點來描述一幅圖像，稱為圖像的分辨率，用“列數(shù)X行數(shù)”表示，分辨率為640像素X480像素的采樣示意圖如圖2-11所示。分辨率越高，圖像越清晰，但存儲量越大。01圖形和圖像編碼量化圖像的量化是指要使用多大范圍的數(shù)值來表示圖像采樣之后的每一個點。量化的結果是圖像能夠容納的顏色總數(shù)，它反映了采樣的質量。例如，黑白圖以1位存儲一個點，圖像顏色只有黑、白兩種顏色，這個顏色個數(shù)2被稱為量化級數(shù):灰度圖以8位存儲一個點，則有28=256種通過調整黑白兩色程度的灰度顏色;RGB圖(24位真彩色圖)以24位存儲一個點，構成由紅、綠、藍三原色通過不同的強度混合而成的224=16777216種真彩色圖像。01圖形和圖像編碼編碼圖像的編碼是指將圖像采樣和量化后的數(shù)字數(shù)據(jù)轉換成二進制數(shù)碼0和1圖像數(shù)字化過程示例如圖2-12所示。01圖形和圖像編碼圖像的分辨率和像素位的顏色深度決定了圖像文件的大小。計算公式為:圖像大小(字節(jié)數(shù))=列數(shù)X行數(shù)X顏色深度=802聲音信號編碼和視頻信號聲音信號編碼聲音是由物體振動產生的一種波，當振動波傳到人耳時，人便聽到了聲音?，F(xiàn)實世界中的聲音是由許多連續(xù)的具有不同振幅和頻率的正弦波組成的，可用模擬波形表示，如圖2-13所示。其中，振幅A是波形相對基線的最大位移，表示音量的大小:周期T是指波峰或波谷重復出現(xiàn)的時間間隔;頻率是指信號每秒變化的次數(shù)，即1/T，以赫茲(HZ)為單位。02聲音信號編碼和視頻信號聲音信號數(shù)字化處理實際上就是把模擬信號轉換為數(shù)字信號，這涉及聲音的采樣、量化和編碼。聲音信號的數(shù)字化過程如圖2-14所示。02聲音信號編碼和視頻信號采樣聲音的采樣是指每隔一定時間間隔在模擬波形上取一個幅度值。采樣頻率是每秒的采樣次數(shù)。當對同一段聲音進行采樣時，間隔時間越短，采樣的次數(shù)就越多，即采樣頻率越高，這樣獲得的音頻就越接近原始聲音的真實面貌，數(shù)據(jù)化音頻的質量就越高但數(shù)據(jù)量也越大。人耳聽覺的聲音頻率范圍是20Hz~20kHz，奈奎斯特采樣定理指出，采樣頻率不應低于聲音信號最高頻率的2倍。當采樣頻率達到40kHz以上時，人耳聽覺認為數(shù)字音頻已達到保真程度。因此，在實際采樣中，用44.1kHz作為高質量聲音的采樣標準。0102聲音信號編碼和視頻信號量化聲音的量化就是將每個采樣點得到的幅度值以數(shù)字存儲。描述每個采樣點幅度值的二進制位數(shù)稱為量化位數(shù)或采樣精度，常用的量化位數(shù)有8位、16位、32位等如8位量化位數(shù)表示每個采樣值可以用28-256個不同的量化值之一來表示。在相同的采樣頻率下，量化位數(shù)越大，則采樣精度越高，聲音的質量越好，數(shù)據(jù)量相應越大。每次對1個通道聲波進行采樣和量化稱為單聲道，每次對2個通道聲波進行采樣和量化稱為雙聲道，隨著聲道數(shù)的增加，數(shù)據(jù)量成倍增加。每秒存儲聲音容量的公式為:每秒聲音數(shù)據(jù)量(字節(jié)數(shù))=采樣頻率(H2X采樣精度(bit)X聲道數(shù)÷8例如，用44.1kHz的采樣頻率進行采樣，量化位數(shù)選用16位，錄制1秒的立體聲(雙聲道)節(jié)目，其波形文件所需的存儲量為:44100X16X28-176400B172.3KB。0202聲音信號編碼和視頻信號編碼聲音的編碼就是將聲音采樣和量化后的數(shù)字數(shù)據(jù)以一定的格式記錄下來。編碼的方式很多，針對不同的存儲格式，對應多種音頻文件的類型，如WAV波形、MIDIMP3、VOC、VOX、PCM、AIFF、MOD和CD唱片等數(shù)字音頻文件。0302聲音信號編碼和視頻信號視頻信號視頻是連續(xù)的圖像序列，由連續(xù)的幀構成，一幀即一幅圖像。由于人眼的視覺暫留效應，當幀序列以一定的速率播放時，人眼看到的就是動作連續(xù)的視頻。數(shù)字化的視頻信號數(shù)據(jù)量大得驚人。例如，一個可播放60分鐘(按每秒25)分辨率達到1280像素X720像素的24位真彩色的視頻，僅存儲視頻的數(shù)據(jù)量為:1280X720X24X25X3600~232GB。一般情況下視頻都有聲音，加上聲音信息后的視頻數(shù)據(jù)量會更大在應用時，視頻文件分成影像文件和流式視頻文件兩類。02聲音信號編碼和視頻信號影像文件影像文件不僅包含大量圖像信息，還包含大量音頻信息。所以，影像文件一般可達幾兆字節(jié)至幾十兆字節(jié)，甚至更大。常見的影像文件格式有AVI格式、MOV格式等。流式視頻文件流式視頻文件是隨著國際互聯(lián)網的發(fā)展而誕生的，流式視頻采用一種“邊傳邊播”的方法，即先從服務器上下載一部分視頻文件，形成視頻流緩沖區(qū)后實時播放，同時繼續(xù)下載，為接下來的播放做準備。常見的流式視頻格式有RM格式、MOV格式和WMV格式等。03多媒體數(shù)據(jù)的壓縮多媒體信息的編碼和存儲方式圖像、聲音、視頻等多媒體信息的數(shù)據(jù)量大是基本特性，如上述的立體聲聲音信息，1秒的存儲量為172.3KB，一張容量為650MB的CD-ROM只能存儲約1小時的聲音如此巨大的多媒體信息數(shù)據(jù)量對計算機存儲資源和網絡傳輸帶寬有很高的要求，解決的辦法就是要對這些數(shù)據(jù)進行壓縮，使用時再進行解壓縮。03多媒體數(shù)據(jù)的壓縮多媒體數(shù)據(jù)壓縮的可能性多媒體數(shù)據(jù)可以被壓縮的主要原因是數(shù)據(jù)之間存在冗余和相關性。例如，在一幅有規(guī)則背景顏色的圖像中，相同顏色區(qū)域內相鄰區(qū)間各像素點數(shù)據(jù)是相同的，這樣大量的重復像素數(shù)據(jù)形成了空間冗余;在視頻中，前后兩幀圖像之間有較大的相關性，這形成了時間幾余;受人類生理特征限制，人類對圖像和聲音信號的一些細微變化是不敏感的，這形成了視覺冗余和聽覺冗余，等等。基于這些，多媒體數(shù)據(jù)存在壓縮的可能性。壓縮實際上是對信息再一次的編碼過程，即去掉信息中確定的或可推知的冗余信息保留不確定的信息，盡可能減少信息量。0103多媒體數(shù)據(jù)的壓縮無損壓縮和有損壓縮隨著壓縮技術的發(fā)展，逐漸產生了多種壓縮方法并形成了數(shù)據(jù)壓縮標準。按還原(解壓縮)后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)是否完全一致分為無損壓縮和有損壓縮。無損壓縮利用數(shù)據(jù)流中各種數(shù)據(jù)重復出現(xiàn)的次數(shù)進行概率統(tǒng)計編碼，使得數(shù)據(jù)流經壓縮后形成的代碼流總位數(shù)大大減少。常用的無損壓縮編碼有香農-范諾編碼、哈夫曼編碼等典型的無損壓縮工具軟件有WiZipWiRAR等無損壓縮能確保解壓縮后的數(shù)據(jù)不失真但壓縮比為2:1~5:1，一般用于文本數(shù)據(jù)、程序及計算機繪制的色彩不太豐富圖像的壓縮。有損壓縮去除不敏感的數(shù)據(jù)信息，從而換取較高的壓縮比。常用的有損壓縮編碼有預測編碼、模型編碼等。有損壓縮丟失的信息不可恢復，但壓縮比可以達到幾十到幾百，一般用于圖像、視頻、音頻的壓縮。在工業(yè)應用領域還有JPEG靜態(tài)圖像壓縮標準和MPEG運動圖像壓縮標準。02數(shù)據(jù)庫技術基礎0501常用術語數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫(DataBas，DB)是以數(shù)據(jù)形式存儲在計算機系統(tǒng)上的信息集合。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)學模型組織、描述和存儲，具有較小的冗余、較高的數(shù)據(jù)獨立性和易擴展性，并可被各種用戶共享。01常用術語數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DataBaseManagementSystem，DBMS)是指對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理和控制的軟件系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心部分。DBMS是數(shù)據(jù)庫與用戶或程序之間的接口,用戶或程序只需發(fā)出操作指令，對數(shù)據(jù)的增、刪、改、查和各種控制都是由DBMS完成的。目前常用的DBMS有Access、SQLServer、MySQL、Oracle、MongoDB、HBaseRedis等。01常用術語應用程序應用程序是指利用各種開發(fā)工具開發(fā)的、滿足特定應用環(huán)境需求的數(shù)據(jù)庫應用程序。01常用術語數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相關人員數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相關人員是指存儲、維護和檢索數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的人員，可分為以下3類。全面負責DBMS的管理、維護，保證DBMS正常使用的專業(yè)人員，可以直接使用DBMS的所有功能。01數(shù)據(jù)庫管理員(DBA)用某種開發(fā)工具設計和編寫數(shù)據(jù)庫應用程序的專業(yè)人員，可以使用數(shù)據(jù)庫管理員授權的DBMS的所有功能。02應用程序開發(fā)人員一般為通過數(shù)據(jù)庫應用程序使用數(shù)據(jù)庫的人員。03最終用戶01常用術語數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(DataBaseSystem，DBS)是由硬件、軟件、數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相關人員構成的人機系統(tǒng)，如圖2-15所示。其中，硬件是指存儲數(shù)據(jù)庫和運行DBMS的所有硬件資源，軟件是指DBMS、操作系統(tǒng)高級語言處理程序等系統(tǒng)軟件，以及應用開發(fā)工具軟件和特定應用軟件。01常用術語C/S架構與B/S架構C/S架構的全稱為Client/Server架構(客戶機服務器模式)，B/S架構的全稱為Browser/Server架構(瀏覽器/服務器模式)，這是兩種常見的軟件架構。C/S架構與B/S架構的比較如表2-4所示。01常用術語C/S架構如圖2-16所示，常用于局域網，客戶端程序包含一個或多個在用戶的計算機上運行的應用程序，通過網絡向數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)出數(shù)據(jù)操作請求，數(shù)據(jù)庫服務器給出響應。B/S架構如圖2-17所示，這是隨著網絡的發(fā)展和Web術的成熟而出現(xiàn)的，常用于廣域網。用戶在自己的計算機上使用Web瀏覽器向Web服務器提出請求，數(shù)據(jù)庫服務器依然提供數(shù)據(jù)服務，在Web瀏覽器和數(shù)據(jù)庫服務器之間的是Web服務器，由它接收用戶的請求，如果需要訪問數(shù)據(jù)庫再與數(shù)據(jù)庫服務器交互，最后將結果返回用戶。這種架構也稱為三層架構。02關系數(shù)據(jù)庫和非關系數(shù)據(jù)庫按照數(shù)據(jù)的組織結構，目前數(shù)據(jù)庫分為關系數(shù)據(jù)庫和非關系數(shù)據(jù)庫，關系數(shù)據(jù)庫和非關系數(shù)據(jù)庫示例如圖2-18所示。02關系數(shù)據(jù)庫和非