La relación entre píxeles y bytes
Capítulo 2 Almacenamiento y procesamiento de información empresarial
El núcleo de la era de la información es, sin duda, la tecnología de la información, y el núcleo de la tecnología de la información radica en el procesamiento y almacenamiento de la información.
2.1 Representación de datos
2.1.1 Representación de información, números y caracteres
1. Representación de información
El componente lógico que almacena datos tiene dos estados, a saber, alto potencial y bajo potencial, correspondientes a "1" y "0" respectivamente. En las computadoras, si un estado potencial representa una unidad de información, entonces un número binario puede representar dos unidades de información. Si se utiliza un número binario de 2 dígitos, se pueden representar 4 unidades de información; si se utiliza un número binario de 3 dígitos, se pueden representar 8 unidades de información. Existe una relación de potencia entre el número de bits de un número binario y las unidades de información que se pueden representar. En otras palabras, cuando se utilizan números binarios de n bits, el número de unidades de información diferentes que se pueden representar es 2.
Por el contrario, si hay 18 unidades de información a representar, ¿cuántos números binarios se deben utilizar? Si se utiliza un número binario de 4 dígitos se pueden representar 16 unidades de información; si se utiliza un número binario de 5 dígitos se pueden representar 32 unidades de información. Por tanto, para representar los datos de 18 unidades de información se necesitan al menos 5 dígitos binarios.
Cuando las computadoras almacenan datos, a menudo consideran un número binario de 8 bits como una unidad de almacenamiento o un byte. Utilice 2 para calcular la capacidad de almacenamiento, llame a (es decir, 1024) unidades de almacenamiento de 1 K bytes; llame a K (es decir, 1024 K) unidades de almacenamiento de 1 M bytes; llame a M (es decir, 1024 M) unidades de almacenamiento de 1 G de palabras.
2． Representación numérica
Los números decimales se almacenan en formato binario, es decir, se almacenan datos numéricos. Para representar datos numéricos es necesario resolver tres problemas.
Primero, determina la longitud del número. En matemáticas, la longitud de un número generalmente se refiere a la cantidad de dígitos cuando se expresa en decimal, por ejemplo, 258 es un número de 3 dígitos, 124578 es un número de 6 dígitos, etc. En las computadoras, la longitud de un número se mide en dígitos binarios. Sin embargo, dado que la capacidad de almacenamiento de las computadoras suele medirse en bytes, la longitud de los datos suele calcularse en bytes. Cabe señalar que en matemáticas la longitud de los números varía y se escriben tantos dígitos como haya. En una computadora, si la longitud de los datos también varía con el número, será inconveniente almacenarlos o procesarlos. Por lo tanto, en la misma computadora, la longitud de los datos suele ser uniforme y la parte insuficiente se completa con "0".
En segundo lugar, hay números positivos y negativos. En las computadoras, el número binario de mayor orden siempre se usa para representar el signo de un número, y se acuerda que "0" representa un número positivo y "1" representa un número negativo, lo que se denomina símbolo numérico el resto; todavía representan valores numéricos. Por lo general, los números digitalizados con signos positivos y negativos almacenados en la máquina se denominan números de máquina, y los números representados por signos positivos y negativos fuera de la máquina se denominan números de verdad. Si un número ocupa 8 bits, el valor verdadero es (-0101100)B y su número de máquina es 10101100. El número almacenado en la máquina se muestra en la Figura 2.1.1
Figura 2.1.1 El número almacenado en la máquina
El rango de representación del número de máquina está limitado por la longitud de la palabra y el tipo de datos. Se determinan la longitud de la palabra y el tipo de datos, y también se determina el rango que puede representar el número de máquina. Por ejemplo, si representa un número entero, la longitud de la palabra es de 8 bits, el valor máximo es 01111111 y el bit más alto es el bit de signo, por lo que el valor máximo de este número es 127. Si el valor excede 127, se "desbordará".
Además, es la representación del punto decimal. Al representar datos numéricos en computadoras, la posición del punto decimal siempre está implícita para ahorrar espacio de almacenamiento. La posición del punto decimal implícita puede ser fija o variable. Los primeros se denominan números de punto fijo y los segundos, números de punto flotante.
1) Método de representación de números de coma fija:
Entero de coma fija, es decir, se acuerda que la posición del punto decimal está detrás del dígito numérico más bajo, utilizado para representar números enteros.
Los números enteros se dividen en dos categorías: con y sin signo. Para enteros con signo, el bit de signo se coloca en el bit más alto. El número representado por un número entero es preciso, pero el rango del número es limitado. Según la longitud de la palabra almacenada, se pueden representar con 8, 16, 32 bits, etc. El rango de los respectivos números representados se muestra en la Tabla 2.1.1.
Tabla 2.1.1 El rango de representación de diferentes dígitos y números
El rango de representación de enteros sin signo en dígitos binarios El rango de representación de enteros con signo
8
16
32
Si la longitud del entero con signo se extiende a 4 bytes, el rango de representación del entero se puede expandir de ±32767 a ±2147483647≈0.21 × 1010, que son más de 2,1 mil millones. Pero el espacio de almacenamiento que ocupa cada número también se ha duplicado.
Decimal de coma fija, es decir, se acuerda que la posición del punto decimal está delante del dígito numérico más alto, y se utiliza para representar decimales puros menores que 1.
Si se utiliza un número de coma fija para representar un decimal puro -0,6876, es -0,101100000000011…. El número binario del número -0.6876 es un decimal infinito, por lo que solo se pueden interceptar los primeros 15 dígitos al almacenar, y el dígito 16 se omite a partir de ahí.
Si se usa la longitud de 2 bytes para representar un decimal de punto fijo, el peso del bit más bajo es 2-15 (entre 10-4 ~ 10-5), es decir, es exacto al tercer punto decimal después del punto decimal Dígitos 4 a 5 (calculados en decimal). Tal alcance y precisión son difíciles de alcanzar incluso en aplicaciones generales. Para representar números mayores o menores, se utilizan flotadores.
2) Método de representación de números de coma flotante:
En los cálculos científicos, para representar números extremadamente grandes o extremadamente pequeños, se utilizan "números de coma flotante" o "notación científica". representan números reales. El "número de coma flotante" consta de dos partes, a saber, la mantisa y el exponente. Por ejemplo, entonces 0,23456 es la mantisa y 5 es el exponente.
En el método de representación de punto flotante, la posición del punto decimal es flotante y el código del exponente puede tomar diferentes valores. Para facilitar la representación de puntos decimales en las computadoras, se estipula que los números de punto flotante se escriban en forma estandarizada, es decir, el valor absoluto de la mantisa es mayor o igual a 0,1 y menor que 1, especificando así de forma única el posición del punto decimal. La longitud de la mantisa afectará la precisión del número y su signo determinará el signo del número. El exponente de un número de coma flotante es equivalente a un exponente en matemáticas, y su tamaño determinará el rango de representación del número.
De manera similar, la representación de cualquier número binario normalizado de punto flotante es:
donde está la mantisa, el " " anterior representa el símbolo numérico es el código del exponente; " " representa el exponente . Su forma de almacenamiento en la computadora se muestra en la Figura 2.1.2.
Código de exponente código de exponente número signo mantisa
Figura 2.1.2 Formato de almacenamiento de números de punto flotante
Por ejemplo, supongamos que la mantisa es de 8 bits y la el código exponente es de 6 bits. Entonces, la forma de almacenamiento de números binarios y números de punto flotante se muestra en la Figura 2.1.3.
Almacenamiento de la Figura 2.1.3
3) Código original, código inverso y representación del complemento
Método de codificación del "código original"
Las representaciones de punto fijo y punto flotante introducidas anteriormente utilizan el primer bit de los datos para representar el símbolo del número y utilizan los siguientes bits para representar el valor absoluto del número (incluida la mantisa y el código de exponente). Este método es simple y fácil de entender, pero debido a que la unidad aritmética debe poder realizar tanto sumas como restas, y los operandos incluyen números positivos y negativos, las operaciones del código original suelen ir acompañadas de muchos juicios. Por ejemplo, al sumar dos números, si los signos son diferentes, en realidad se requiere la resta; al restar dos números, si los signos son diferentes, en realidad se requiere la suma, y así sucesivamente. Como resultado, aumenta la complejidad del operador y el tiempo de cálculo.
Métodos de codificación "complementario" e "inverso"
¿Cómo lidiar con números negativos? A partir de esto, se proponen métodos de codificación como el "código complementario" y el "código inverso". La principal ventaja de la operación del código complementario es convertir la resta en suma mediante el procesamiento adecuado de números negativos. Independientemente de la suma o diferencia, o de si los operandos son positivos o negativos, solo se realiza la suma durante la operación, lo que simplifica enormemente las operaciones de suma y resta. Las operaciones en complemento a dos generalmente se implementan utilizando operaciones en complemento a uno. Por lo tanto, una discusión completa de las operaciones aritméticas debe incluir no solo valores numéricos, sino también sistemas de código (original, inverso, complemento, etc.).
3. Representación de caracteres:
La codificación de caracteres se refiere a un método que utiliza una serie de números binarios para representar datos no numéricos (como caracteres, signos de puntuación, etc.), lo que se denomina codificación. Representa 26 letras inglesas y 5 bits binarios son suficientes para representar 26 caracteres.
Sin embargo, cada letra en inglés distingue entre mayúsculas y minúsculas y hay una gran cantidad de signos de puntuación y otros símbolos especiales (como $, #, @, amp;, etc.). Contando todos los símbolos juntos, hay un total de 95 caracteres diferentes que deben representarse. Los tres métodos de codificación más utilizados son los códigos ASCII, ANSI y EBCDIC, y el cuarto método de codificación, el código Unicode, está en desarrollo.
1) ASCII (American Standard Code for Information Interchange, Código Estándar Americano para el Intercambio de Información) es el más utilizado. Los archivos codificados con código ASCII se denominan archivos ASCII. La codificación ASCII estándar utiliza 7 números binarios para representar 128 símbolos, incluidas letras mayúsculas y minúsculas en inglés, signos de puntuación, números y caracteres de control especiales.
2) La codificación ANSI (American National Institute, American National Standards Institute) utiliza números binarios de 8 bits para representar cada carácter. 8 números binarios pueden representar 256 unidades de información. Por lo tanto, esta codificación puede codificar 256 caracteres, símbolos, etc. La codificación de los primeros 128 caracteres de ANSI es la misma que la definida por ASCII, excepto que se agrega un 0 al bit más alto. Por ejemplo, en la codificación ASCII, el carácter "A" se representa como 1000001, mientras que en la codificación ANSI se representa como 01000001. Además de representar los 128 caracteres en la codificación ASCII, la codificación ANSI también tiene 128 símbolos que se pueden representar, como caracteres de copyright, caracteres de almohadilla, caracteres de idiomas extranjeros, etc.
3) EBCDIC (Código de intercambio decimal codificado en binario extendido) es una codificación de caracteres de 8 bits desarrollada por IBM para sus mainframes. Vale la pena señalar que en los primeros 128 caracteres de la codificación EBCDIC, la codificación EBCDIC no es lo mismo que la codificación ASCII o ANSI.
Por lo general, los 128 caracteres definidos por la codificación estándar ASCII son suficientes para representar números, caracteres, signos de puntuación y caracteres especiales. La codificación ANSI representa los 128 caracteres representados por la codificación ASCII y también representa caracteres en idiomas europeos. La codificación EBCDIC representa códigos de control y caracteres estándar. Sin embargo, ningún esquema de codificación admite conjuntos de caracteres opcionales ni idiomas no alfabéticos, como chino, japonés, etc.
4) La codificación Unicode es un conjunto de codificaciones de 16 bits que pueden representar más de 65.000 unidades de información diferentes. En principio, Unicode puede representar caracteres en cualquier idioma que esté actualmente en uso o que ya no esté en uso. Este método de codificación es muy útil para los negocios y las comunicaciones internacionales, porque es posible que sea necesario incluir diferentes idiomas, como chino, japonés e inglés, en un solo archivo. Además, la codificación Unicode también es adecuada para la localización de software, es decir, el software se puede modificar para un país específico. Además, al utilizar la codificación Unicode, los desarrolladores de software pueden modificar las indicaciones en pantalla, los menús y los mensajes de error para adaptarlos a los idiomas de diferentes países.
2.1.2 Representación de datos de imagen y datos de vídeo
Dos métodos de codificación de gráficos muy diferentes, a saber, codificación de mapa de bits y codificación vectorial. La diferencia entre los dos métodos de codificación afecta la calidad de la imagen, la cantidad de espacio para almacenar la imagen, el tiempo de transmisión de la imagen y la facilidad para modificar la imagen. El vídeo es un tipo de datos de imagen, que se forma mediante la reproducción continua de varios datos de imágenes relacionados. La gente generalmente se refiere a las señales de video como señales de televisión, que son cantidades analógicas, mientras que las señales de video de computadora son cantidades digitales.
1． Imágenes de mapa de bits:
Las imágenes de mapa de bits almacenan imágenes según las posiciones de los píxeles en la pantalla. La imagen de mapa de bits más simple es una imagen monocromática.
Las imágenes monocromáticas solo tienen dos colores: blanco y negro. Si la unidad de imagen correspondiente a un determinado píxel es negra, se representa con 0 en la computadora; si la unidad de imagen correspondiente es blanca, se representa con 1.
Para imágenes monocromáticas, el número de unidades de imagen utilizadas para representar una imagen en pantalla completa es exactamente igual al número de píxeles de la pantalla. Si la resolución horizontal es 640 y la resolución vertical es 480, multiplique la resolución horizontal y la resolución vertical de la pantalla: 640×480=307200, entonces el número de píxeles de la pantalla es 307200, porque las imágenes monocromáticas usan un número binario para representa un píxel, por lo que se puede calcular la cantidad de bytes para almacenar una imagen de mapa de bits de pantalla completa: 307200÷8 = 38400, por lo que una imagen monocromática de pantalla completa con una resolución de 640 × 480 requiere 38400 bytes de almacenamiento, este espacio de almacenamiento. no es grande. Pero las imágenes monocromáticas no parecen realistas y rara vez se utilizan.
Las imágenes en escala de grises parecen más realistas que las imágenes monocromáticas. Las imágenes en escala de grises muestran imágenes proporcionalmente al gris y cuantos más niveles de gris se utilicen, más realista se verá la imagen. Normalmente las computadoras utilizan 256 niveles de escala de grises para mostrar imágenes. En una imagen en escala de grises de 256 niveles, cada píxel puede ser blanco, negro o cualquiera de los 256 niveles de escala de grises, es decir, cada píxel tiene 256 posibilidades de representación de información. Por lo tanto, en una imagen en escala de grises, se requieren 256 unidades de información para almacenar un píxel de la imagen, lo que significa que se requiere un byte de espacio de almacenamiento. Por lo tanto, una imagen en escala de grises a pantalla completa con una resolución de 640×480 requiere 307.200 bytes de espacio de almacenamiento.
Las computadoras pueden usar 16, 256 o 16,7 millones de colores para mostrar imágenes en color, y los usuarios obtendrán imágenes más realistas.
En una imagen de 16 colores, cada píxel puede tener 16 colores. Entonces, para representar 16 unidades diferentes de información, cada píxel requiere 4 bits binarios para almacenar información. Por lo tanto, una imagen de mapa de bits de 16 colores en pantalla completa requiere una capacidad de almacenamiento de 153.600 bytes.
Una imagen de mapa de bits de 256 colores, cada píxel puede tener 256 colores. Para representar 256 unidades diferentes de información, cada píxel requiere 8 bits binarios para almacenar la información, que es un byte. Por lo tanto, una imagen de mapa de bits de 256 colores en pantalla completa requiere 307.200 bytes de capacidad de almacenamiento, que es el doble que una imagen de 16 colores y lo mismo que una imagen en escala de grises de 256 niveles.
1. Una imagen de mapa de bits con 6,7 millones de colores se denomina imagen de 24 bits o imagen en color verdadero. Cada píxel puede tener 16.700 colores. Para representar estos 16,7 millones de unidades diferentes de información, cada píxel requiere 24 bits binarios para almacenar la información, o 3 bytes. Evidentemente, una imagen en color real que llena la pantalla requiere más capacidad de almacenamiento.
Los archivos que contienen imágenes son grandes, requieren una gran cantidad de memoria para almacenarse y tardan mucho en transferirse y descargarse. Por ejemplo, descargar una imagen de 256 colores con una resolución de 640×480 de Internet lleva al menos 1 minuto; una imagen de 16 colores lleva la mitad de ese tiempo y una imagen en color verdadero lleva más tiempo;
Existen dos tecnologías que se pueden utilizar para reducir el espacio de almacenamiento y el tiempo de transmisión de imágenes: la tecnología de compresión de datos y la tecnología de tramado de imágenes. La tecnología de compresión de datos se introduce más adelante y la tecnología de tramado de imágenes utiliza principalmente la reducción de la cantidad de colores en la imagen para reducir la capacidad de almacenamiento de archivos. El tramado funciona produciendo colores y sombras adicionales a partir de un patrón de dos o más colores según la resolución de colores y sombras del ojo humano. Por ejemplo, un área ámbar en una imagen de 256 colores se puede convertir en un patrón de puntos amarillos y rojos en una imagen de 16 colores mediante tecnología de tramado. En las páginas web de Internet, el tramado es una técnica común que se utiliza para reducir la capacidad de almacenamiento de imágenes.
Las imágenes de mapa de bits se utilizan a menudo para representar imágenes realistas. Son adecuadas para imágenes más detalladas, con niveles y colores más ricos y que contienen muchos detalles. Por ejemplo, imágenes escaneadas, imágenes capturadas por cámaras de vídeo, cámaras digitales o fotogramas digitalizados obtenidos mediante dispositivos de captura de fotogramas. Las extensiones de archivos de imágenes de mapa de bits más utilizadas incluyen: .bmp, .pcx, .tif, .jpg y .gif, etc.
Las imágenes de mapas de bits compuestas por matrices de píxeles se pueden modificar o se pueden modificar píxeles individuales, es decir, los archivos de mapas de bits se pueden modificar utilizando un software de mapas de bits (también conocido como software de edición de fotografías o software de pintura). Software que se puede utilizar para modificar o editar imágenes de mapa de bits como: Microsoft Paint, PC Paintbrush, Adobe Photoshop, Micrografx Picture Publisher, etc. Este software puede ampliar áreas locales de la imagen y luego modificarlas.
2． Imágenes vectoriales
Las imágenes vectoriales se componen de un conjunto de instrucciones almacenadas en el ordenador que describen el tamaño, forma, posición y dimensión de puntos, líneas, superficies, etc., en lugar de imágenes reales. Muestra imágenes leyendo estas instrucciones y convirtiéndolas en formas y colores que se muestran en la pantalla. Las imágenes vectoriales parecen menos realistas que las imágenes de mapa de bits. El software utilizado para generar imágenes vectoriales suele denominarse software de dibujo, como Micrographx Designer y CorelDRAW.
Ventajas y desventajas de las imágenes vectoriales
Ventajas:
El espacio de almacenamiento es menor que el de las imágenes de mapa de bits. El espacio de almacenamiento de imágenes vectoriales depende de la complejidad de la imagen. Cada instrucción requiere espacio de almacenamiento. Por lo tanto, cuantas más líneas, gráficos y patrones de relleno haya en la imagen, mayor será el espacio de almacenamiento requerido. Pero en general, debido a que las imágenes vectoriales almacenan instrucciones, son mucho más pequeñas que los archivos de imágenes de mapa de bits.
Las imágenes vectoriales pueden controlar y procesar cada parte de la imagen por separado, es decir, una parte de la imagen se trata como un objeto separado y se puede estirar, reducir, deformar, mover y eliminar de forma independiente sin distorsión de la imagen general. Diferentes objetos también pueden superponerse en la pantalla y conservar sus características individuales, y aún pueden separarse cuando sea necesario. Por lo tanto, las imágenes vectoriales se utilizan principalmente para dibujos lineales, dibujos de ingeniería y caligrafía artística. Las extensiones de archivos de imágenes vectoriales más utilizadas incluyen: .wmf, .dxf, .mgx y .cgm, etc.
Desventajas:
Es más complejo de procesar. Los programadores y las computadoras necesitan mucho tiempo para representar un gráfico complejo en formato de gráficos vectoriales, lo que requiere relativamente tiempo. Por lo tanto, los gráficos vectoriales se suelen utilizar primero para crear imágenes gráficas complejas y luego convertirlas en una imagen de mapa de bits para su procesamiento.
Comparación de imágenes de mapa de bits e imágenes vectoriales:
Mostrar imágenes de mapa de bits es más rápido que mostrar imágenes vectoriales, pero las imágenes de mapa de bits requieren más espacio de almacenamiento porque necesitan especificar la información de la pantalla en cada píxel . En resumen, la tecnología clave de las imágenes vectoriales es la producción y reproducción de gráficos, mientras que las tecnologías clave de las imágenes de mapas de bits son el escaneo, la edición, la compresión sin distorsiones, la descompresión rápida y la reproducción coherente del color, etc.
3. Vídeo digital:
La información del vídeo en realidad se compone de muchas imágenes individuales. Las películas y la televisión reproducen cada cuadro rápidamente, junto con el efecto de retención visual del ojo humano, para producir el efecto de movimiento continuo. La digitalización de señales de vídeo se refiere al proceso de capturar y procesar señales de vídeo de un solo cuadro a una determinada velocidad dentro de un determinado período de tiempo para generar información digital.
En comparación con el vídeo analógico, las ventajas del vídeo digital son:
1) El vídeo digital se puede copiar ilimitadamente sin distorsión, mientras que la información del vídeo analógico se copiará cada vez que se transcriba. Una vez que se acumulan los errores, se produce una distorsión de la información.
2) Los vídeos digitales se pueden editar creativamente de muchas formas nuevas, como subtítulos, escenas de televisión, etc.
3) El uso de video digital puede crear programas interactivos para capacitación y educación con menos tiempo y costo, y puede realmente integrar video en sistemas informáticos y usar computadoras para reproducir programas de películas, etc.
Las desventajas del vídeo digital son:
Debido a que el vídeo digital se compone de una serie de fotogramas, cada fotograma es una imagen fija y la imagen también se representa en forma de archivo de mapa de bits. Normalmente, el vídeo debe visualizarse a 30 fotogramas por segundo, por lo que el vídeo digital requiere una enorme capacidad de almacenamiento.
Por ejemplo: una imagen a pantalla completa, 256 colores y una resolución de 640×480 requiere una capacidad de almacenamiento de 307.200 bytes.
Entonces, el espacio de almacenamiento requerido para un segundo de video digital es 30 multiplicado por este número, que es 9.216.000 bytes, que son aproximadamente 9 megabytes. Una película de dos horas requiere 66.355.200.000 bytes, lo que supone más de 66 GB. Probablemente esto sólo se pueda jugar usando una supercomputadora. Por lo tanto, se debe utilizar codificación de compresión durante el almacenamiento y transmisión de vídeo digital.
2.1.3 Representación de datos de sonido
Los ordenadores pueden grabar, almacenar y reproducir sonidos. En las computadoras, los sonidos se pueden dividir en archivos de audio digitales y archivos MIDI.
1． Audio digital
Las ondas sonoras complejas se componen de muchas ondas sinusoidales con diferentes amplitudes y frecuencias. Estas cantidades analógicas continuas no pueden ser procesadas directamente por computadoras y deben digitalizarse antes de que puedan ser almacenadas y procesadas por computadoras.
El proceso de obtención de información sonora por computadora es el proceso de procesamiento digital de señales sonoras. La información de sonido digital después de la digitalización puede almacenarse y procesarse mediante computadoras, como información de texto e imágenes. El proceso general de convertir señales de sonido analógicas en señales de audio digitales:
Para grabar sonido digitalmente, primero debes muestrear las ondas sonoras. Las formas de onda antes y después del muestreo de ondas sonoras se muestran en la Figura 2.1.4 (donde el eje horizontal representa el tiempo y el eje vertical representa la amplitud):
Figura 2.1.4 Formas de onda antes y después del muestreo de ondas sonoras
Frecuencia de muestreo se refiere a la cantidad de mediciones de sonido por segundo durante el proceso de muestreo de sonido. La frecuencia de muestreo está en Hz. Si se aumenta la frecuencia de muestreo, se obtendrán más valores de amplitud por unidad de tiempo. Es decir, cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, más precisa será la simulación de la curva de sonido original. Luego, se convierten suficientes valores de amplitud en valores de voltaje a la misma frecuencia de muestreo para activar el altavoz, y se puede escuchar el mismo sonido que la forma de onda original. Esta técnica se llama modulación de código de pulso (PCM).
Archivos de sonido
Los archivos de sonido almacenados en tu ordenador tienen las siguientes extensiones: .wav, .mod, .au y .voc. Para grabar y reproducir archivos de sonido, es necesario utilizar un software de sonido, que normalmente utiliza una tarjeta de sonido.
2． Archivo MIDI
MIDI (Musical Instrument Digital Interface) es la interfaz de conexión y el método de intercambio de información entre instrumentos musicales electrónicos y computadoras. La extensión de archivo del formato MIDI es .mid, y los archivos en formato MIDI generalmente se denominan "archivos MIDI" para abreviar.
MIDI es el estándar internacional para la música digital. La aparición de instrumentos musicales electrónicos digitales ha creado condiciones extremadamente favorables para que las computadoras procesen música. El sonido MIDI es completamente diferente del sonido de forma de onda digital. No muestrea, cuantifica ni codifica ondas sonoras. En realidad, es una serie de comandos de sincronización que se utilizan para registrar la información de la ejecución del teclado de un instrumento musical electrónico, incluida la clave, la velocidad, la duración, etc. Estos mensajes se denominan mensajes MIDI y son una descripción digital de la partitura musical. Cuando se requiere reproducción, simplemente lea el mensaje MIDI del archivo MIDI correspondiente para generar la forma de onda de sonido del instrumento musical requerida, que es amplificada y emitida por el altavoz.
La capacidad de almacenamiento de los archivos MIDI es mucho menor que la de los archivos de audio digitales. Por ejemplo, 3 minutos de música MIDI solo requieren 10 KB de espacio de almacenamiento, mientras que 3 minutos de música con señal de audio digital requieren 15 MB de capacidad de almacenamiento.
2.2 Compresión de Datos
Recodificar los datos para reducir el espacio de almacenamiento requerido. La compresión de datos debe ser reversible, es decir, los datos comprimidos deben restaurarse a su estado original. El proceso inverso se denomina descompresión.
Cuando se comprimen los datos, el tamaño del archivo se vuelve más pequeño y la relación de compresión se puede utilizar para medir la cantidad de compresión. Por ejemplo, una relación de compresión de 20:1 significa que el tamaño del archivo comprimido es 1/20 del archivo original. Los métodos de codificación de compresión incluyen el método de compresión sin pérdidas (método de compresión redundante) y el método de compresión con pérdida. Este último permite cierto grado de distorsión y puede usarse para comprimir datos como imágenes, sonidos y videos digitales. Cuando se utiliza este método para comprimir datos, la relación de compresión de imágenes de vídeo digitales puede alcanzar 100:1~200:1.
La compresión de datos se puede implementar mediante hardware informático especial o completamente mediante software, o se puede lograr mediante una combinación de software y hardware. El software de compresión más utilizado es Winzip, etc.
2.2.1 Compresión de archivos de texto
Tecnología de compresión de reemplazo adaptativa
Escanea todo el texto y busca patrones de dos o más bytes. Una vez que se encuentra un nuevo patrón, el patrón se reemplaza con bytes que no se usan en ninguna otra parte del archivo y se agrega una entrada al diccionario. Por ejemplo: Hay un texto como este
"La lluvia en España se queda principalmente en la llanura, pero la lluvia en Maine cae una y otra vez"
Entre ellos: "el" es un patrón, aparece 3 veces en el texto, si se reemplaza con "#", se pueden comprimir 6 bytes "ain" aparece 8 veces, si se reemplaza con "@", se pueden comprimir 16 bytes "in"; , si se reemplaza con "$", se pueden comprimir 2 bytes, etc. Se puede observar que cuanto más largo sea el archivo, mayor será la posibilidad de contener información repetida y mayor será el índice de compresión.
Escanea todo el documento y busca palabras repetidas. Cuando una palabra aparece más de una vez, la segunda aparición de la palabra y las siguientes se reemplazan con un número. Este número se llama puntero a la palabra original. Por ejemplo: el texto del ejemplo anterior se puede comprimir como: "la lluvia en España se queda principalmente en la llanura #1, pero #1 #2 #3 vuelve a caer Maine y #16" Se puede observar que solo están comprimidos 6 bytes , cuanto más grande sea el archivo, mayor será la frecuencia de repetición de palabras y mejor será el efecto de compresión.
2.2.2 Compresión de datos de imagen
La codificación de longitud de ejecución es una tecnología de compresión para archivos gráficos. Es un método para encontrar patrones de bytes y reemplazarlos con un mensaje que pueda describirlos. patrón de compresión.
Por ejemplo: supongamos que hay un área blanca de 191 píxeles en la imagen y cada píxel está representado por un byte. Después de la compresión de codificación de longitud de ejecución, esta cadena de 191 bytes de datos se comprime en 2 bytes.
Los archivos de mapa de bits con extensión .bmp son archivos sin comprimir. Los archivos de mapa de bits con extensiones .tif, .pcx y .jpg son archivos comprimidos. Los archivos con la extensión de archivo .tif utilizan el formato TIFF (formato de archivo de imagen etiquetado). Los archivos con la extensión de archivo .pcx utilizan el formato PCX. Los archivos con la extensión de archivo .jpg utilizan el formato JPEG (Joint Photographic Experts Group) con pérdida. La gente suele realizar una compresión con pérdida de imágenes.
2.2.3 Compresión de datos de vídeo
El vídeo se compone de una serie de fotogramas y cada fotograma es una imagen de mapa de bits, por lo que los archivos de vídeo requieren una gran capacidad de almacenamiento.
Las personas reducen la capacidad de almacenamiento de las señales de vídeo reduciendo el número de fotogramas de reproducción por segundo, reduciendo el tamaño de la ventana de vídeo o codificando sólo el contenido que cambia entre fotogramas.
Los formatos comúnmente utilizados en vídeos digitales son: Vídeo para Windows, QuickTime y formatos MPEG. Las extensiones de archivo son: .avi, .mov, .mpg es un archivo comprimido. El formato MPEG puede comprimir dos horas de información de vídeo en varios gigabytes.
La tecnología de compensación de movimiento también se puede utilizar en la compresión de vídeo para reducir la capacidad de almacenamiento. Esta tecnología solo almacena los datos que cambian entre cada cuadro, sin almacenar todos los datos en cada cuadro. La compensación de movimiento es muy eficaz cuando un clip de vídeo no cambia mucho de un cuadro a otro. Por ejemplo: en la cabeza de un hablante, sólo cambian la boca y los ojos, mientras que el fondo permanece bastante estable.
En este momento, la computadora solo necesita calcular la diferencia entre los dos cuadros y solo almacenar el contenido modificado. Dependiendo de los datos, la relación de compresión de la compensación de movimiento puede alcanzar 200:1. Además, la cantidad de cuadros de reproducción por segundo afecta directamente la calidad de reproducción del video. Reducir el tamaño de las imágenes también es una forma eficaz de reducir la capacidad de almacenamiento. Generalmente, las tecnologías de compresión anteriores se pueden combinar para lograr el propósito de reducir la capacidad de almacenamiento de archivos de video.
2.2.4 Compresión de datos de audio
El problema más destacado de los datos de audio es la gran cantidad de información. La fórmula de cálculo para el espacio de almacenamiento requerido para los archivos de información de audio es:
Capacidad de almacenamiento (bytes) = frecuencia de muestreo × precisión de muestreo/8 × número de canales × tiempo
Por ejemplo: un período de duración Para 1 minuto de música de dos canales, si la frecuencia de muestreo es de 44,1 KHz y la precisión de muestreo es de 16 bits, la capacidad de almacenamiento requerida después de la digitalización es: 44,1 × 103 × 16/8 × 2 × 60 = 10,584 MB .
La codificación de audio digital debe tener la capacidad de comprimir información de sonido. El método más utilizado es la modulación de código de pulso adaptativo, o codificación de compresión ADPCM.
El esquema de codificación de compresión ADPCM tiene una alta relación señal-ruido y una relación de compresión de datos de 2 a 5 veces sin distorsión evidente. Por lo tanto, la mayoría de la información de sonido digitalizada utiliza esta tecnología de compresión.
2.3 Procesamiento de la Información
La unidad central de procesamiento suele referirse a la suma de componentes que completan el ciclo básico de procesamiento de la información. La unidad central de procesamiento es el núcleo del hardware del sistema informático. Incluye principalmente la unidad central de procesamiento (CPU), la memoria interna (Memoria), el bus del sistema (System Bus) y los componentes de control. A través de la acción coordinada de estos componentes, la información. el procesamiento está completo.
2.3.1 CPU
La CPU es el componente central del sistema informático. Su trabajo es procesar información y completar cálculos. Hay muchos tipos de CPU. La CPU de una microcomputadora también se llama "microprocesador" y es un chip de circuito integrado a muy gran escala producido con la tecnología más avanzada. En un chip de este tipo suelen estar integrados millones de componentes electrónicos de transistores que tienen funciones muy complejas. Varias computadoras que son más poderosas que las microcomputadoras, como las computadoras utilizadas para servidores de red de alto rendimiento, etc., sus CPU a menudo están compuestas por un conjunto de chips de alto rendimiento y tienen capacidades informáticas más potentes. Además, los llamados chips de CPU "integrados" se instalan dentro de diversos equipos modernos, como diversas máquinas, instrumentos, vehículos, etc., y casi todos los aparatos eléctricos de alta gama están equipados con uno o incluso varios chips de CPU.
2.3.2 Memoria interna
La memoria interna también se denomina memoria principal (Main Memory), denominada memoria o memoria principal. La memoria es el componente principal utilizado para almacenar información en el trabajo informático. Desempeña un papel extremadamente importante en un sistema informático. Su velocidad de trabajo y capacidad de almacenamiento tienen un gran impacto en el rendimiento general del sistema, la escala y la eficacia del sistema. resolviendo problemas. Para la memoria interna, además de la capacidad, otro indicador de rendimiento importante es su velocidad de acceso. La velocidad de la memoria se mide por el "tiempo de acceso" que se necesita para realizar una operación de lectura o escritura.
La unidad de almacenamiento básica de la memoria interna se llama unidad de almacenamiento. La memoria de la computadora actual tiene un patrón estructural de pequeñas unidades de memoria. Cada unidad almacena exactamente un byte de información (código binario de 8 bits). Cada unidad corresponde a un número único y el número de unidad resultante se denomina dirección de la unidad de almacenamiento. Los distintos componentes de la unidad central de procesamiento de la computadora están conectados a través de una ruta de información pública, que se denomina bus del sistema. El intercambio de información entre la CPU y la memoria se realiza a través del bus de datos y el bus de direcciones. Se accede a la memoria según la dirección y se puede obtener la información almacenada en la unidad de memoria con esta dirección. La CPU puede acceder instantáneamente a información desde cualquier unidad de memoria. Y la duración del tiempo de acceso no depende de la dirección visitada.
2.3.3 Instrucciones y Programas
Las funciones básicas de la CPU están determinadas por las instrucciones que proporciona.
Cuando la CPU recibe una instrucción, la unidad de control la interpreta e indica a otros componentes que la completen. Aunque existen muchas CPU diferentes, sus instrucciones básicas son las mismas. Las instrucciones básicas de la CPU incluyen principalmente las siguientes categorías:
1) Instrucciones de acceso a memoria
2) Instrucciones de operación aritmética y lógica
3) Juicio de condiciones y instrucciones de operación lógica
4) Instrucciones de entrada y salida
5) Instrucciones de control y sistema
Las instrucciones también existen en la computadora y deben transmitirse en la computadora Un tipo de información, por lo que las instrucciones también deben codificarse en formato binario y almacenarse y transmitirse en la computadora en forma binaria. Cuando la CPU recibe una instrucción, la unidad de control la interpreta e indica a otros componentes que la completen.
El llamado "programa" es una secuencia compuesta por una serie de instrucciones informáticas implementadas para completar una tarea específica. En pocas palabras, un programa es una secuencia de instrucciones. Un programa informático específico es una secuencia de elementos básicos que consta de instrucciones que la CPU de la computadora puede ejecutar. Un programa también puede considerarse como un tipo de información procesada por la CPU de la computadora. En realidad, es procesada por la unidad de control de la CPU, en lugar de ser procesada y utilizada por la unidad informática de la CPU como datos generales. El ciclo de trabajo básico de una computadora consta de dos pasos básicos: uno es buscar instrucciones y el otro es ejecutar instrucciones. El controlador del programa es el cuerpo principal que implementa este ciclo básico.
Después de analizar las necesidades de varios procesos de cálculo que deben implementarse en el programa, las personas propusieron tres estructuras lógicas básicas del programa, que se denominan las tres "estructuras de control básicas" del programa, a saber " Estructura de secuencia", "estructura de rama" y "estructura de bucle", se ha demostrado teóricamente que las capacidades de estas tres estructuras son suficientes y cualquier programa se puede construir utilizando solo estas tres estructuras. ¿Tres controles básicos?