第三章 資料標記法

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1 資料和電腦資料和電腦的聯絡

電腦存在的意義是管理資料。

資料和資訊的區別

資料：基本值。

資訊：經過組織或處理後有含義的資料。

電腦可以儲存、表示的資料包括

1. 數字
2. 文本
3. 音頻
4. 映像和圖形
5. 視頻

上述這些資料最終都被儲存為位元字，簡單說即是由0和1表示。

資料壓縮2 類比資料和數字資料

自然辦的大部分都是連續和無限的。而電腦則是有限的。電腦記憶體和其他硬體裝置用來儲存和操作一定量的資料空間只有那麼多。

表示資料的方法有兩種：類比法和數字法。

類比資料是一種連續標記法，類比它表示的真實資訊。

數字資料是一種離散標記法，把資訊分割成了獨立的元素。

二進位單位轉換

bit：位，byte：位元組，M：兆，1G：1G。

1byte=8bit

1KB=1024byte

1MB=1024KB

1G=1024MB

1T=1024GB

為什麼使用二進位，而不使用十進位或其他數字系統來表示？

1. 位元在物理上最容易實現。例如，可以只用高、低兩個電平表示"1"和"0"，也可以用脈衝的有無或者脈衝的正負極性表示它們。
2. 位元用來表示的位元的編碼、計數、加減運算規則簡單。
3. 位元的兩個符號"1"和"0"正好與邏輯命題的兩個值"是"和"否"或稱"真"和"假"相對應，為電腦實現邏輯運算和程式中的邏輯判斷提供了便利的條件。

3 數字資料的標記法整數標記法負數標記法進進位補碼

資料溢出

實數標記法

4 文本標記法

字元數是有限的，所以只要給所有字元都賦予一個二進位字串來表示，我們可以稱這些字元的集合稱為字元集。

不同語言所使用的字元數是不相同的，所以當今的電腦系統出現了多種字元集。

ASCII字元集

美國資訊互換標準代碼（American Standard Code for Information Interchange）。以前的ASCII字元集用7位表示每個字元，可以表示128個不同的字元。現在的ASCII字元集使用8位表示每個字元，可以表示256個字元。

 

Unicode字元集

Unicode字元集稱為統一碼，使用16位（雙位元組）表示每個字元，能夠表示多達6萬5千多個字元。

文本壓縮

為了減少文本佔用的儲存空間以及有效地在兩台電腦之間傳遞文本，所以通常會使用文本壓縮功能。

關鍵字編碼

簡單的說，將經常使用的多個字元的組合使用某個字元代替。例如：將 The 與‘!‘對應，將 You與"@"對應。這種方法有局限點，關鍵字編碼的字元不能出現在原始文本中。

行程長度編碼

簡單的說，將連續出現的字元用數值和字元表示。例如：將AAAAAAA用*A7表示，*為特殊標誌，A為重複出現的字元，7為字元出現的次數。

赫夫曼編碼

簡單的說，是用變長的二進位串表示字元，使常用的字元具有較短的編碼。

例如：

赫夫曼編碼	字元	赫夫曼編碼	字元
00	A	111	R
01	E	1010	B
100	L	1011	D
110	O

那麼單詞DOORBELL的二進位編碼如下：

1011 110 110 111 1010 01 100 100

而根據ASCII字元集時的二進位編碼如下：

01000100 01001111 01001111 01010010 01000010 01000101 01001100 01001100

5 音頻資訊標記法

電腦可以記錄、儲存和播放聲音（如發音、音樂等）。聲音或音頻資料是以兩種不同的方法進行表示的：波形或M I D I音樂。兩者之間的區別類似於磁帶錄音與鋼琴表演。

波形音頻

波形音頻是聲音的數字形式表示。對於聲音的數字記錄來說，會周期性地對聲音波形進行採樣並以數字資料的形式進行儲存。音樂、發音和聲音都可以以波形形式進行儲存。

 

採樣速率指的是在記錄過程中，每秒鐘對聲音測量的次數。採樣速率以H z為單位。每秒鐘採樣1 0 0 0次即為1 0 0 0 H z或1 K H z。聲音每秒鐘需要88 200個位元組。而立體聲需要兩倍的儲存空間，因為需要記錄兩個記錄來達到立體聲的效果。但採樣速率為 4 4 . 1 K H z時，在1 . 4 4 M B的磁碟片上，僅僅能儲存8秒鐘的音樂。而典型的一輯搖滾樂（4 5分鐘）需要4 7 5 M B。

計算波形檔案的例子

音效卡對聲音的處理品質可以用三個基本參數來衡量，即採樣頻率、採樣位元和聲道數。採樣頻率是指單位時間內的採樣次數。採樣頻率越大，採樣點之間的間隔就越小，數字化後得到的聲音就越逼真，但相應的資料量就越大。音效卡一般提供11.025kHz、22.05kHz和44.1kHz等不同的採樣頻率。

採樣位元是記錄每次採樣值數值大小的位元。採樣位元通常有8bits或16bits兩種，採樣位元越大，所能記錄聲音的變化度就越細膩，相應的資料量就越大。

採樣的聲道數是指處理的聲音是單聲道還是立體聲。單聲道在聲音處理過程中只有單資料流，而立體聲則需要左、右聲道的兩個資料流。顯然，立體聲的效果要好，但相應的資料量要比單聲道的資料量加倍。

不經過壓縮聲音資料量的計算公式為：

資料量（位元組/秒）= (採樣頻率（Hz）*採樣位元（bit）*?聲道數)/ 8，其中，單聲道的聲道數為1，立體聲的聲道數為2。

應用舉例

【例1】請計算對於5分鐘雙聲道、16位採樣位元、44.1kHz採樣頻率聲音的不壓縮資料量是多少？

解：

根據公式：

資料量=（採樣頻率×採樣位元×聲道數×時間）/8

得，資料量=[44.1×1000×16×2×（5×60）] /（8×1024×1024）

=50.47MB

因此，聲音的不壓縮資料量約為50.47MB。

計算時要注意幾個單位的換算細節：

時間單位換算：1分=60秒

採樣頻率單位換算：1kHz=1000Hz

資料量單位換算：1MB=1024×1024=1048576B

 

6 映像和圖形的標記法

位元影像映像和向量映像這兩種編碼方法的不同，影響到映像的品質、儲存映像的空間大小、映像傳送的時間和修改映像的難易程度。

顏色標記法

顏色是我們對到達視網膜的各種頻率的光的感覺。我們的視網膜有有三種顏色感光視錐細胞，負責接收不同頻率的光。這些感光器分別對應於紅、綠和藍三種顏色。人眼可以覺察的其他顏色都由這三種顏色混合而已。

在電腦中，顏色通常用RGB(red-green-blue)值表示，這其實是三個數字，說明了每種原色的相對比例。

數字化標記法位元影像映像

電腦通過指定每個獨立的點（或像素）在螢幕上的位置來儲存位元影像映像。

像素

顯示螢幕是由一行行或一列列的像素（點）組成的，打個比方，顯示器的解析度為1024*768像素，即表示每一行有1024個像素，每一列有768個像素。

用二進位表示位元影像映像

最簡單的位元影像映像是單色映像。單色映像包含的顏色僅僅有黑色和白色兩種，即是指每一個像素點只有黑色和白色兩種。一個像素點有兩種顏色的情況，因此可以用1 bit表示一個像素點，假設有一幅1024*768的單色映像，那它的檔案大小是：1024*768*1=786432bit，即是約98KB。繼續推算，假設有一幅256色映像，由此我們知道一個像素點有256種顏色的情況，需要用8bit來表示一個像素點，那它的檔案大小是：1024*768*8=6291456bit，即是約786KB。

關於位元影像影像檔格式

位元影像映像通常用於現實中的映像，如掃描的映像。檔案的副檔名為： . b m p，. p c x，. t i f，. j p g和. g i f。需要注意的是，除了BMP影像檔是未經過壓縮等處理外，其它檔案格式都是經過某些壓縮處理的，主要是為了節省空間的。所以在做測試時，應該對影像檔使用bmp檔案格式進行儲存。

位元影像映像的修改

因為位元影像檔案用一系列的位元來表示像素，因此可以修改或編輯單個的像素，也可以同時修改一個地區的像素。

圖形向量標記法

向量映像由一串可重構映像的指令構成。在建立向量圖片的時候，可以用不同的顏色來畫線和圖形。然後電腦將這一串線條和圖形轉換為能重構映像的指令。電腦只儲存這些指令，而不是真正的映像。向量映像看起來沒有位元影像映像真實。

簡單地說，儲存的是畫映像的命令，而不是映像本身。

向量映像的優點

儲存空間小、方便修改（可以把向量映像的一部分當作一個單獨的對象進行修改）。

關於向量影像檔格式

包含向量映像的檔案的副檔名為：. w m f，. d x f，. m g x和. c g m。

7 視頻視頻與圖片的關係

視頻由一系列的幀組成，每個幀是一幅靜止的圖片，並且映像也使用位元影像檔案形式表示的。然而，視頻每秒鐘需要顯示3 0幀（一般來說，視頻至少要24幀才不會覺得卡），這意味著視頻需要巨大的儲存空間。

一個例子

一幅全屏的、解析度為6 4 0×4 8 0的2 5 6色映像有307 200個像素。因此，一秒鐘視頻需要的空間是3 0乘上這個數，即9 216 000個位元組，大約9兆（1 0 - 1 7） 。兩小時的電影需要66 355200 000個位元組，超過6 6 G位元組！居然還是一個低品質的視頻--！算一算，每秒要處理近10M的視頻資料，我台破電腦肯定要掛掉。

視頻壓縮

不過，現在一部兩小時的高畫質 DVD大概就4G到6G，究竟是什麼原因導致檔案大幅度縮水呢？

這是因為視頻經過視頻編碼器壓縮過，主要使用時間壓縮和空間壓縮兩種方式。時間壓縮將尋找連續幀之間的差別。如果兩個幀中的映像大部分都沒有改變，那麼相同的部分就不需要再儲存，資訊量自然就減少了很多。空間壓縮將刪除一個幀中的冗餘資訊，把顏色相同的像素（如湛藍的天空）聚集在塊（矩形地區）中，儲存的不是每個像素的資訊，而是塊的顏色和座標。空間壓縮的方式實際上是壓縮每一張圖片，所以也是圖片壓縮的方式之一。

第三章 資料標記法