**自由教辅 信息技术重构 依据-SA许可分发 0.0.1****第二章 数字化****一、 音频数字化****1. PCM编码最常用**a. **定义**:PCM编码就是把我们听到的连续的声音比如说话、音乐,按照固定的时间间隔进行采样,也就是一小段一小段地"截取",然后把每一小段声音的音量振幅用数字的方式表示出来。这样电脑就能用一串数字来记录原来的声音,之后再把这些数字还原回声音,让我们重新听到几乎一样的效果。b. **分步**:---------------------------------------------------------------------------------------------------------------**步骤** **名称** **做了什么?** **举个例子**---------- ---------- -------------------------------------------------------- --------------------------------一 采样 每隔一点时间"听"一次声音,就像不断拍声音的快照 每秒采样 44,100 次CD 音质二 量化 把每次采到的声音大小振幅用数字表示出来 声音大小变成 0~65535之间的数字16位三 编码 把所有的数字一个个排好,组成一串数据存进电脑或音频文件 得到一段数字音频,能还原成声音---------------------------------------------------------------------------------------------------------------c. **文件大小计算未压缩:**-----------------------------------------------------------------------------**参数名称** **含义说明** **示例值**-------------- ----------------------------------------- --------------------采样率 每秒采集多少次声音数据 44,100 HzCD音质位深度 每次采样使用多少位二进制位表示 16 位声道数 声音通道数量单声道或立体声 2立体声时长 音频的总时长单位:秒 10 秒公式 文件大小 = 采样率 × 位深度 × 声道数 × ---时间 ÷ 8计算过程 44100 × 16 × 2 × 10 ÷ 8 1,764,000 字节转换为MB 字节数 ÷ 1024 ÷ 1024 ≈ 1.68 MB-----------------------------------------------------------------------------d. **压缩**:-------------------------------------------------------------------------------------------**项目** **PCM编码原始** **无损压缩音频** **有损压缩音频**-------------- ---------------------- ------------------------ ----------------------------是否压缩 不压缩 压缩不丢失信息 压缩丢失部分信息音质 非常高原始音质 与原始一样 可察觉变化压缩后音质文件大小 最大 中等 最小是否支持还原 是,直接播放或编辑 是,可100%还原原始数据 否,信息永久丢失常见格式 、>应用场景 音乐制作、广播、存档 高音质音乐存储、备份 流媒体、网络传输、手机音乐举个例子 专业录音室录下的声音 无损音乐播放器里的歌曲 音乐软件较低音质的音频-------------------------------------------------------------------------------------------**·PCM编码**是不压缩的原始声音,音质最好但文件大;**·无损压缩**压缩后还原不丢音质;**·有损压缩**更省空间,但会牺牲一点音质。**2. DSD编码**a. **定义**:DSD编码是一种用极高频率的**1位数字信号**来记录声音变化的音频编码方式,声音还原度很高,是一种高保真音频格式。b. **的区别**:**DSD 和 >不一样**,它不是一次记录"声音有多大",而是用**非常快的速度**比如每秒2,822,400 次记录"声音是变大了还是变小了"。·每次采样只用 **1位0 或 1** 来表示声音的趋势。·类似"跟踪声音波动的方向"而不是"测量具体数值"。·虽然每次只有 1 位,但因为采样非常密集,最后还原的声音也非常细腻。-----------------------------------------------------------------------**项目** **PCM编码** **DSD编码**---------- -------------------------- ---------------------------------位深度 多位如 16 位、24 位 1 位采样率 一般为 44.1 超高,比如 2.8224>表示方式 表示"当前声音有多大" 表示"声音是在变大还是变小"应用 普通音频、CD、音乐制作 SACD超级音频CD、高端音响文件大小 相对较小有压缩时 较大虽然是1位,但采样极密音质风格 清晰、细节多 柔和、自然、类模拟味道-----------------------------------------------------------------------c. **文件大小计算未压缩:**---------------------------------------------------------------------------------**项目** **说明** **示例值以 >为例**-------------- ---------------------------------------- -------------------------**采样率** **每秒钟采样次数** **2,822,400 HzDSD64****位深度** **每次采样使用的位数** **1 位****声道数** **声音通道数量单声道=1,立体声=2** **2立体声****音频时长** **声音的总时长** **60 秒****公式** **文件大小字节 = 采样率 × 声道数 × **= 2,822,400 × 2 × 60 ÷时间 ÷ 8** 8****计算结果** **实际字节数** **42,336,000 字节 ≈ 40.38&**---------------------------------------------------------------------------------**常见 DSD 编码格式文件大小对比表立体声、1分钟音频:**---------------------------------------------------------------------------------------**编码格式** **采样率Hz** **每分钟文件大小字节** **约合文件大小MB**-------------- ------------------ ---------------------------- ------------------------**DSD64** **2,822,400** **42,336,000** **≈ 40.38 MB****DSD128** **5,644,800** **84,672,000** **≈ 80.77 MB****DSD256** **11,289,600** **169,344,000** **≈ 161.53 MB****DSD512** **22,579,200** **338,688,000** **≈ 323.06 MB**---------------------------------------------------------------------------------------d. **压缩:**------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**压缩类型** **说明** **示例格式** **特点** **文件大小**-------------- ------------------------------------ ------------------------- ---------------------------------------------- -------------------------------**不压缩** 完全没有任何压缩,保存原始的 DSD **** 或 音质保持原样,但文件非常大,不做任何数据丢失 文件非常大,接近原始大小数据 **DSF无压缩****无损压缩** 压缩后可以100%恢复原始音质 ** 压缩后音质不丢失,适用于高保真音频 文件大小减少约30%-50%&****有损压缩** 压缩后丢失部分音质,牺牲一部分细节 **DSF降低了采样率** 压缩比高,适合流媒体和存储,但音质会有所牺牲 文件大小大幅减少可高达90%------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**二、图像数字化****1. 位图**a. **定义**:位图是一种用于存储图像数据的文件格式或数据结构。在位图中,图像被表示为一个像素网格,每个像素有特定的颜色值。通常,位图是通过以二维矩阵的方式排列像素来表示图像的,每个像素对应一个数据单元。·位图的分辨率由图像的像素数量决定,分辨率越高,图像越清晰。·由于每个像素都需要存储信息,位图文件通常会比较大,特别是在高分辨率或颜色丰富的情况下。当你缩放位图图像时,图像会失去清晰度,可能会出现锯齿状的边缘或模糊现象。·常见的位图格式包括 、GIF 等。b. **文件大小计算未压缩:**-------------------------------------------------------------------------------------------------------------**项目** **含义** **示例值**---------------------- ---------------------------------------------------------- ---------------------------**图像宽度** **图像水平像素的数量** **1000 像素****图像高度** **图像垂直像素的数量** **800 像素****像素总数** **图像的总像素数量宽度 × 高度** **1000 × 800 = 800,000个像素****颜色深度** **每个像素所占用的位数bit,表示颜色信息的丰富程度** **24 位****每像素字节数** **每个像素占用的字节数,计算方式为颜色深度除以 8** **24 / 8 = 3 字节****文件大小字节** **图像的文件大小,计算方式为像素总数乘以每像素的字节数** **800,000 × 3 = 2,400,000字节**-------------------------------------------------------------------------------------------------------------**色彩表达方式:**-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**表达方式** **定义描述** **示例数值** **说明**---------------- -------------------------------------------------------------------- ------------------------ --------------------------------------------------**个种色** **表示图像可显示的颜色数量,即总的颜色个数,用"个"作为单位。** **256 个种色、65,536 **数值通常为 2 的 n 次方,例如 8 位色对应 2?=256个种色、16,777,216 个色。**个种色****位色** **指图像的色深,即每个像素用来表示颜色信息的位数,用"位色"描述。** **8 位色、16 位色、24 **例如 8 位色表示每个像素用 8 位存储颜色,通常对应位色、32 位色** 256 个色。****色位** **同"个种色",也用于描述像素颜色的种数。** **8 色位、16 **注意:这种表示方法没有被广泛使用,说法不一。**色位、256色位**-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------c. **压缩:**----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**属性** **不压缩位图** **无损压缩** **有损压缩** **说明**---------------- -------------------------------------- ---------------------------------------- ------------------------------------------------ --------------------------------------------------------------------------------------------------------------**文件大小** **最大** **较小** **最小** **不压缩存储所有像素数据;无损压缩在不丢失信息的前提下减小体积;有损压缩则通过舍弃部分细节达到更高压缩率。****图像质量** **保持原始质量,无任何损失** **完全保留原始图像质量** **存在不同程度的质量损失** **无损压缩不影响图像质量,有损压缩在高压缩比下可能出现伪影和细节损失。****处理速度** **数据量大,读写速度较慢** **需要解压缩,但通常较快** **解压和压缩处理较复杂,部分场景下较慢** **无损和有损压缩都需要额外的压缩/解压缩过程,但有损压缩算法通常针对传输优化。****编辑灵活性** **直接编辑,无重复编码问题** **编辑时需解压为原始数据,后续可恢复** **多次编辑和重压缩会累计损失图像质量** **不压缩和无损压缩适合频繁编辑,有损压缩不适合反复处理。****存储与传输** **占用大量空间,传输带宽要求高** **存储和传输需求适中** **占用最少存储空间,传输更高效** **在网络应用和移动设备中,有损压缩常用以降低传输延时,无损压缩则用于对质量要求较高的场合。****应用场景** **专业图像处理、医学影像、扫描件等** **数据归档、无损要求的数字摄影和设计** **数字摄影、网页图片、社交媒体、视频流媒体等** **根据应用场景选择合适的存储方式:高质量需求时选用不压缩或无损压缩;对传输和存储要求较高时可采用有损压缩。**----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------******2. 矢量图**a. **定义**:矢量图****是一种利用数学公式描述图形和图像的表现方式,其主要特点是用点、线、曲线和多边形等基本几何元素来构造图形,而不是像位图那样记录每一个像素的信息。这种表示方法的主要优点包括:·**无损缩放**:由于图形由数学表达式定义,放大或缩小时不会失去清晰度或出现锯齿现象。·**较小文件体积**:**在图形内容较为简单的情况下**,矢量图的文件通常比同尺寸的位图要小,因为它只存储形状和颜色的描述信息。**便于编辑**:矢量图中的各个对象可以独立修改、调整形状、颜色、位置等,适合需要频繁修改和调整的设计工作。·矢量图常用于标志设计、图标、插图、技术绘图和排版等场合。常见的矢量图格式有&、AI 和 PDF 等。b. **文件大小计算未压缩:****矢量图没有文件大小的计算公式。**-----------------------------------------------------------------------------------**图形类型** **描述** **典型文件大小**--------------------------- ---------------------------------- --------------------**简单SVG单矩形** **一个矩形,无复杂属性** **约100字节****中等复杂SVG多形状** **包含多个矩形和圆,少量路径** **约1-10 KB****复杂SVG多路径** **包含详细路径和文本,如技术图** **数十KB至数百KB****高度详细矢量图** **复杂插图或动画,包含大量元素** **可能达1 MB以上**-----------------------------------------------------------------------------------****c. **压缩:**------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**属性** **不压缩** **无损压缩矢量图** **有损压缩矢量图** **说明**---------------- -------------------------------------- ------------------------------------------ ---------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------**文件大小** **最大,保存完整的矢量图形数据** **较小,去除冗余数据** **最小,通过丢弃部分信息进一步减小文件大小** **不压缩保存完整图形,无损压缩通过去冗余数据减小体积,有损压缩通过丢弃细节减少体积。****图像质量** **完全保留原始图像质量,无任何损失** **保持原始图像质量** **存在质量损失,特别是在高压缩比时** **不压缩保持最佳质量,无损压缩没有质量损失,有损压缩会导致图形的细节丢失。****处理速度** **读写速度较慢,文件较大** **读写速度快,但需要解压** **读写速度最快,尤其是对于压缩较小的文件** **压缩文件通常处理速度较快,特别是有损压缩,适合高效传输和加载。****存储与传输** **存储空间大,传输带宽需求高** **节省存储空间,传输效率更高** **文件非常小,传输和存储成本最低** **无损压缩适合高质量但空间有限的需求,有损压缩适合大规模传输,节省带宽和存储。****编辑灵活性** **便于直接编辑,无需解压** **需要解压或逐步解压编辑内容** **多次编辑可能影响质量,特别是有损压缩** **不压缩和无损压缩都适合频繁编辑,有损压缩不适合多次编辑,会导致质量损失。****适用场景** **专业设计、高质量存档、印刷等** **网络应用、图形设计、文档归档、出版等** **数字广告、网站图标、移动设备应用等** **不压缩适用于高精度设计,无损压缩适用于需要高质量同时节省空间的场景,有损压缩适用于大规模传输。**------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3. **位图、矢量图的对比**-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**属性** **位图** **矢量图** **说明**---------------- -------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------------------**基本定义** **由像素组成,每个像素存储颜色值** **通过数学公式描述图形,使用点、线、曲线、形状等元素** **位图依赖于像素,矢量图依赖于几何元素。****文件大小** **文件较大,特别是在高分辨率时** **文件较小,特别是在图形内容简单时** **位图需要存储所有像素信息,矢量图只存储几何描述。****图像质量** **放大时会出现像素化、模糊或锯齿现象** **放大或缩小时不会失真,保持清晰度** **位图的质量随分辨率变化,矢量图无论如何缩放都保持高质量。****编辑灵活性** **编辑时修改像素,细节丢失可能较大,特别是放大时** **易于编辑,可以独立修改每个对象,如路径、形状、颜色等** **位图编辑较为复杂,矢量图编辑灵活,且不会损失质量。****存储与传输** **存储空间需求高,尤其是高分辨率图像,传输带宽较高** **存储空间小,传输效率较高** **位图文件较大,传输时需要更多带宽;矢量图文件较小,适合传输。****图像表现** **适合表现复杂的细节,适合照片、艺术图像等** **适合表现图标、标志、插图、简化图形等** **位图表现更细腻,矢量图适合简洁、图形化的表现。****常见格式** **、等** **、AI等** **位图常用于照片和复杂图像,矢量图用于图标、插图和排版设计等。****适用场景** **数码摄影、网页设计、打印输出等高精度图像要求的场景** **标志设计、图标、插图、技术图纸、UI设计等** **位图适合照片和复杂的图像,而矢量图适合需要清晰和缩放的设计。**-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**三、视频数字化****1. 文件大小计算未压缩**--------------------------------------------------------------------------------------------------**项目名称** **含义说明** **示例值以1920×1080,24fps,24位色,10秒为例**-------------------------- ------------------------------ ----------------------------------------**分辨率** **每帧图像的像素宽度 × 高度** **1920 × 1080 = 2,073,600 像素/帧****色深** **每个像素占用的位数,常见为 **24 位 = 3 字节每像素**24 位8 位 RGB 各占 8 位****每帧大小** **每帧所占的总字节数 = 分辨率 **2,073,600 × 3 = 6,220,800 字节 ≈ 5.93× 每像素字节数** MB****帧率** **每秒钟的帧数FPS** **24 帧/秒****每秒大小** **每秒视频数据大小 = 每帧大小 **5.93 MB × 24 = 142.32 MB/秒**× 帧率****视频时长** **视频总时长,以秒计** **10 秒****总文件大小** **视频总大小 = 每秒大小 × **142.32 MB × 10 = 1,423.2 MB ≈ 1.39视频时长** GB**--------------------------------------------------------------------------------------------------**2. 压缩**a. **未压缩 vs 压缩视频文件大小计算方法对比表**------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**项目** **未压缩视频计算方法** **压缩视频估算方法** **说明**------------------------------- ------------------------------------ ---------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------**原理** **逐帧逐像素记录所有颜色信息** **利用视频编码器压缩冗余数据时间冗余、空间冗余、颜色冗余** **压缩算法通过预测和参考帧等技术极大减少数据量****基本公式** **分辨率 × 色深 ÷ 8 × 帧率 × **码率 × 时长 ÷ 8换算成字节** **未压缩精确计算,压缩视频以码率为估算依据**时长秒****分辨率** **必须考虑,影响帧大小** **影响编码器压缩效率,影响最终码率** **高分辨率→高数据量→高码率****色深** **直接影响每像素占用的字节数** **通常已包含在码率中间接体现** **高色深时压缩效率略低,文件略大****帧率FPS** **直接乘以每帧大小** **影响压缩效率,更多帧=更多数据** **高帧率视频需要更高的码率保持同样清晰度****时长** **线性增长** **线性增长** **视频越长,文件越大****关键参数:码率** **N/A未压缩** **是计算核心:如 4 Mbps = 4,000,000 bps = 500,000 B/s** **常见码率:720p1--5 Mbps、1080p3--8&、4K15--50 Mbps等****示例计算** **1920×1080×24bit÷8×24fps×10s ≈ 1.39 **4 Mbps × 10s ÷ 8 = 5 MB** **同样视频未压缩需 1.39GB,压缩后只需 5MB假设 4&** Mbps****压缩率** **无压缩** **可达 100:1 或更高** **依编码器和视频内容而异,运动越复杂压缩率越低****适用场景** **专业制作、无损编辑、母版存档等** **网络发布、移动播放、流媒体、存储优化** **未压缩质量极高但文件大,压缩适合大多数实际应用**------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------b. **压缩视频大小估算公式:****文件大小字节 = 码率bps × 视频时长秒 ÷ 8**示例对比1080p, 10秒:----------------------------------------------------------------------------类型 示例参数 估算文件大小-------------- -------------------------------- ----------------------------未压缩 1920×1080,24位色,24fps,10秒 ≈ 1.39 GB压缩中等 码率 4 Mbps 4,000,000 × 10 ÷ 8 = 5 MB压缩高质 码率 8 Mbps 8,000,000 × 10 ÷ 8 = 10 MB----------------------------------------------------------------------------c. **视频压缩编码格式对比表:**-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**编码格式** **全称** **压缩效率** **文件大小** **解码兼容性** **画质表现** **开源** **适用场景**-------------- ------------ ---------------- ---------------------- -------------------------- ---------------- ---------- ----------------------------------------**H.264 ** **中等** **中等** **极高几乎所有设备** **优秀** **否** **、直播、摄像头、智能手机等**&** >g****H.265 **High **高** **更小** **较低新设备支持** **更好** **否** **4K/8K 视频、高质量流媒体、蓝光**&** >&>g****VP8** **-** **中** **中等偏小** **中等** **尚可** **是** **网络视频、、旧版 WebM****VP9** **-** **高** **更小** **好** **优秀** **是** ** 高清/4 格式****AV1** ** **极高** **最小** **中等新硬件支持** **优秀至极高** **是** **新一代网络流媒体、>& 1** 8、未来网页视频标准****MPEG-2** ** **低** **最大** **高** **普通** **否** **DVD、老式电视广播**&>&>& 2****** **Apple **几乎无压缩** **非常大母版级** **低苹果生态为主** **极高** **否** **专业影视后期、素材存储、非线性编辑**&****eForm** **-** **轻压缩** **较大** **中等** **极高** **是** **专业剪辑、GoPro 制作、后期处理****** **-** **中** **中** **较低** **一般** **是** **自由软件项目、老式开源网页视频**-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------**四、拓展****拓展1. 令人类感到舒适的媒体分辨率**-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------**类型** **常见分辨率/参数** **单位** **感知体验** **适用场景**---------- --------------------------- ------------ -------------------------------- ----------------------------**音频** 44.1 kHz / 16 bit 采样率 / CD音质,适合大多数人 音乐、普通语音、电影量化位数& / 24 bit 高清音频 电影音轨、专业录音≥96 kHz / 24 bit 极高保真,人耳难明显区分 专业音频制作、高保真爱好者**图像** 72--100 PPI显示 像素每英寸 屏幕常用分辨率,正常浏览无压力 网页、显示器查看图像&印刷 点每英寸 印刷品质清晰,适合近距离 照片、杂志、书籍1080×1080社交媒体头像 像素 头像清晰 社交媒体的头像**视频** 720p 1280×720 像素 基础高清,移动设备观看清晰 手机视频、老电视1080p 1920×1080 全高清,大多数场合最舒适 家用电视、流媒体标准4K 3840×2160 超高清,近距离或大屏幕体验更佳 影院、大尺寸电视、游戏8K 7680×4320 超高分辨率,人眼难完全分辨 专业制作、未来应用-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------**拓展2. 注意题目要求的最终单位**各种存储单位的英文全称及其与 **bit** 的转换倍率列表,分为**十进制基于1000**和**二进制基于 1024**,**此表格数据均以十进制表示:**----------------------------------------------------------------------------------------**缩写** **英文全称** **进制类型** **换算为 bit 的倍率**---------- -------------- -------------- -----------------------------------------------& bit - 1& Byte - 8 >& 十进制 1 KB = 1,000 Bytes = 8,000 >& 二进制 1 KiB = 1,024 Bytes = 8,192 >& 十进制 1 MB = 1,000,000 Bytes = 8,000,000 >& 二进制 1 MiB = 1,048,576 Bytes = 8,388,608 >& 十进制 1 GB = 1,000,000,000 Bytes = 8,000,000,000 >& 二进制 1 GiB = 1,073,741,824 Bytes = 8,589,934,592&>& 十进制 1 TB = 1,000,000,000,000 Bytes =8,000,000,000,000 >& 二进制 1 TiB = 1,099,511,627,776 Bytes =8,796,093,022,208 >----------------------------------------------------------------------------------------**注意:****·Byte = 8 bits** 是基本换算。**·**带 **i如 KiB, MiB** 的单位是 **二进制IEC标准**。**·**不带 i 的如 KB, MB是 **十进制SI标准**。**·考试时若无特殊说明,会混用*B和*iB**,此时按1024**二进制标准计算**。**拓展3. 声道个数**----------------------------------------------------------------------------------------------------------------**声道类型** **格式名称** **组成说明** **低频通道 **实际总声道数含LFE**&**------------------ ------------------ --------------------------------- ------------ ---------------------------**Mono** **1.0** **单声道** **0** **1****** **2.0** **左、右声道** **0** **2**** + LFE** **2.1** **左、右 + 低频** **1** **3****** **3.0** **左、右 + 中央** **0** **3****3.1** **左、右 + 中央 + 低频** **1** **4****** **4.0** **左、右 + 左后、右后** **0** **4****4.1** **同上 + 低频** **1** **5****5.0** **5.0** **左、右 + 中央 + **0** **5**左环绕、右环绕****5.1** **, **左、右 + 中央 + 左/右环绕 + **1** **6**& 5.1** LFE****6.1** **, Dolby **5.1 + 后中央声道** **1** **7**&****7.0** **7.0** **左、右 + 中央 + 左/右环绕 + **0** **7**左/右后****7.1** **, **5.1 + 左/右后** **1** **8**& MA****9.1** **扩展环绕音效** **7.1 + 前高左/右或前宽声道** **1** **10****11.1** **, **7.1 + 前宽 + 前高 + **1** **12**& 11.1** 顶部或额外中置****22.2** ** **超高清多声道系统3层布局** **2** **24**&n**----------------------------------------------------------------------------------------------------------------