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第14章 信息高速公路(1)

数字化浪潮

字的数字化

早在使用电报时,我们便已把文字数字化。电报的译码本就是表示文字同数码的一一对应关系的。

在使用计算机时,英文字母和数字使用ASCII码(美国标准信息交换码)进行变换,它用8位二进制数便可表示一个字。至于汉字和日文假名等则要用16位二进制数,也就是用两个字节进行表示。

图像的数字化

图像的数字化是首先要把一幅画面分解为若干个像素,这便相当于“取样”。组成画面的像素越多,相当于所取的样值越多,出来的图像也越清晰。

对每一像素要进化量化。一是对亮度进行量化,一是对色彩进行量化。所有颜色都是由红、绿、蓝三原色调配而成的,所以对色彩的量化还要分解为对三原色的量化,利用三者不同的比例,组成不同的颜色。如果用8位二进制数,也就是用一个字节对亮度进行量化,则每一像素可以有256种不同亮度。如果对每一原色,也各用一个字节量化,便可调配出256×256×256=16777216种颜色。

对量化的值用二进制数表现出来,便是编码。

如果一个画面由1024×768=786432个像素组成,每一像素的亮度和色彩共用4个字节量化,则每帧画面便拥有3145728字节的数据。要获得动作流畅的画面,需要每秒提供30帧画面,也就是需要数据的传输速度达94371840字节/秒。

声音的数字化

声音是一种连续的波动信号,要把这种模拟量变为数字量,通常采用PCM(脉冲编码调制)方式。它同样要经历取样、量化、编码三个步骤。

通常每秒钟进行8000次取样,于是连续的声波便变成每秒8000个脉冲。每一脉冲的幅值便是取样当时的声波幅值。一般用8位二进制数,也就是用一个字节对其进行量化。这样,把声音由模拟量变为数字量传输时,需要的传输速度为64千比特/秒。比特表示二进制数一个位的信息量,8个比特为1个字节。

需要指出,1937年英国人里布斯便发明了PCM方式,由于当时还没有半导体集成电路技术,因此数字化在经济上是不合理的。直到七八十年代,出现了大规模集成电路、超大规模集成电路,PCM方式才得到广泛应用。可见,一种好的想法还需要适当的技术支持,否则也只能束之高阁。

科技领域的数字化

数字化最初便是从科技领域开始的。第一个电子计算机ENIAC的研制,最初是因为1942年盟军在北非登陆,美军发现北非沙漠地面松软造成射击偏差,因此需要有快速计算工具以及时纠正弹道偏差才提出来的。ENIAC的研制者莫库林和埃加托在1946年2月才把它研制成功,这时二次世界大战已经结束,但这时美国正在研制氢弹。于是ENIAC在氢弹试验中派上了大用场,解决了许多需要大量计算的问题。

从此以后,数值计算方法便成为科学技术领域里最常用的方法。它把传统数学领域中各种求解方法,都变为能使用计算机的数值计算方法。尽管这种方法通常只能求出近似解,但由于计算机计算速度极快,通过加大计算工作量便可使误差缩小到允许的范围以内。

在把计算工作数值(数字)化的同时,人们又在计测领域开展数字化。从五六十年代开始,数字化测量仪表被大量应用,不仅比原先的模拟式仪表精确,而且显示也更加直观,现在数字式仪表几乎已完全取代了模拟式仪表。

数字化浪潮同样也涌入设计领域。最初是CAD(计算机辅助设计)得到广泛应用。后来模拟仿真、虚拟现实等技术也相继用于设计领域。使得产品还没有制造出来,人们便可对产品外观表现、功能、性能等了解得一清二楚。例如,核弹头用不着真正爆炸便知道其威力如何,一只玻璃杯还没有制造出来,便知道它掉到地上时将怎样破裂。

数字化浪潮涌入科技领域,使科学技术得到迅速发展,使科学知识得到广泛普及。这不仅有力地纠正了人们的非科学观念,揭穿了各种伪科学骗局,而且还使知识爆炸式地增长。计算机出现半个多世纪来,人类知识的积累,超过在此之前的几千年。

商业领域的数字化

商业领域的数字化使计算机从计算工具变为信息处理工具,使计算机从科学殿堂走向全社会。这是计算机的第一次大普及。现在计算机在信息处理方面的应用超过了在科学计算方面的应用十倍以上。

计算机在商业方面的应用始于60年代,最初用于各种电子订票,以及大型企业的管理,如建立MIS(信息管理系统)等。到了80年代初,个人计算机大量进入市场,使过去只有大企业、重要政府机构才买得起的计算机,变为小企业,甚至每个办公室都用得起的设备;计算机的运行环境也由以前需要专门的机房变为一般办公室便可使用。

这时,不仅企业和下属各个部门的经营、管理、决策等工作离不开计算机,就是各个工作人员的编制报表、编写报告,也离不开计算机。在商业网点的现场大量使用POS(销售点终端),使管理部门能立即了解现场的销售状况。

随着计算机连接于网络上使用的普及,数字化不仅深入到商业的各个领域,而且也越来越重要。电子邮件是它最常见的用途,由于它方便、快捷、安全、便宜,而且是人对人的通信,发信人可以不必知道收信人当前具体在什么地点,只要对方身边拥有连接于网络上的计算机,就能及时收到来自世界各地的电子邮件,因此电子邮件已是现代商业不可缺少的手段。

80年代兴起的EDI(电子数据交换),使传统商业中使用的各种书面单据和贸易文件等全部“退伍”而被采用标准格式的电子文件,利用计算机经由网络进行的数据交换所取代。因为用EDI进行的贸易不用纸面文件,故又称为“无纸贸易”。现在“无纸贸易”已风行全球。

随着因特网的普及,1994年在因特网建立了电子市场,开始了现代意义上的电子商务。电子商务已成为因特网的最重要用途,将从根本上改变人类经济活动的方式。

与此同时,网上开设的虚拟商店犹如雨后春笋不断涌现,最近消费者也逐渐开始从网上商店购物。当然这一切都离不开使用电子现金。电子现金是种由银行进行数字签署的数据。

生活领域的数字化

90年代出现的计算机多媒体化动向,不仅使计算机更容易使用,而且由于计算机能和音像设备、通信设备相结合,使计算机变得更加有用。这就为计算机进入家庭、成为生活必需品扫清了道路。

预计到2000年,全世界计算机的销售量就会超过电视机的销售量,这标志着计算机开始成为人们的生活必需品。

人们不仅利用连接于网络上的计算机进行在家办公,同亲友互通电子邮件,而且还可以利用计算机收看电视节目、欣赏音乐。除此之外,还可以利用计算机进行电子游戏、网上交友、网上购物、网上打电话等等。

这时,计算机已不仅仅是计算工具、信息处理工具,而且已成为信息媒体。也就是和报纸、收音机、电视机一样,成为人们了解各种信息的媒体,因为人们可以从连接于因特网上的计算机了解各种信息。和以往信息媒体不同的是,计算机不是被动地接受别人提供的信息,而是能够主动地搜寻所需要的信息,更重要的是,它不仅收看别人提供的信息,而且还能通过因特网向全世界发布自己的信息。

计算机还可以成为家庭各种电器设备的管理中心和控制中心。例如,可由计算机安排家用机器人何时做饭、何时打扫卫生等等,甚至在主人外出时,还可以进行遥控。

利用计算机管理家中的安全系统,可以监控各处的温度、烟雾情况,遇有火警可启动自动灭火系统或自动报警系统。还可以对人员出入和重要财物存放地点进行监控,遇有盗匪时可自动报警,或提供有力证据。

当然,更可以利用计算机进行家务管理,如进行收支管理、家庭投资选择、日程安排等等。

信息压缩规格MPEG

MPEG是ISO(国际标准化组织)下属的“运动图像专家小组”的英文缩写。MPEG的职责便是制定图像压缩的国际标准,所以由它制定出来的技术规格,便以MPEG为名。

迄今为止,MPEG已有两个重大成果在实际上得到广泛应用。一是1991年公布的MPEG-1规格。它是包括音频、视频(视像)和图像在内的多种信息源的编码(压缩)方案,其输出码率(输出数据的速度)为1.5Mbps,它能够提供相当于VHS(家用视频系统)录像带质量的视频信号。目前,MPEG-1已获得广泛的使用。VCD便采用MPEG-1规格。

二是1994年公布的MPEG-2规格。它是关于广播、视像记录、通信以及其他各种新用途的编码方案。它的分辨率为MPEG-1的4倍,而且其输出码率达到2Mbps至10Mbps。MPEG-2规格被广泛用于SDTV(数字常规电视)、DVD、HDTV(高清晰度电视)中。它用4Mbps至9Mbps便可维持现有电视质量。为了维持高清晰度电视的质量,还可以提高到15Mbps至30Mbps。

继MPEG-2之后的下一代音像信息压缩规格是MPEG-4,它于1999年公布实施。

MPEG-4的最初目标是用于超低速率的移动用途上,当初设想它的输出码率不会超过64kbps。但是现在已把它的用途扩大到经由因特网和移动通信网的音像通信、远地监视、音像数据库检索、播放,甚至视像游戏等众多方面。不仅适用于顺序出现的图像,还适用于交替出现的图像(如电视里的隔行扫描),从5kbps至4Mbps这么宽范围的位速率都是它的适用范围。

MPEG-4的最大特点在于可以把图像预先分为不同的对象然后分别进行数字化,例如可以分成人物和背景分别进行数字化和信息压缩,在还原时再把二者合成就可以恢复画面的本来面目。这样做有利于进行信息压缩。而且也便于把自然视像对象同人工视像对象合成在一起。照相机拍下的人物、背景、汽车等是自然视像对象的例子,而由CG(计算机图形)技术生成的物体,则是人工视像对象的例子。

激光唱片——CD

把音像信息数字化并存放在光盘上,是音像技术的一个飞跃。它可使音像信息高度保真,虽经多次复制、传输,仍能保持其原来面目,提高存储容量,便于利用计算机进行加工处理、存放。

CD是最早得到使用的这类产品,它先把声音的模拟信号转换为数字信号存储起来,放唱时再恢复成模拟的信号输出。光盘记录密度相当于1000万比特/厘米2,比密纹唱片要大好几个数量级,直径120毫米的CD唱片,可记录78分钟的音乐内容,它不仅能存储大量信息,并且几乎可以百分之百地再现音乐演奏的真实情况,其音质的优美远远超过普通密纹唱片,所以它正在迅速取代原有的唱片。

目前的光存储,通常还不能像磁存储那样可以随时擦洗而重新写入。所以在计算机上使用的CD,往往也叫做CD-ROM(只读光盘,ROM指只读存储器),就是说里面的信息只能读出而不能改写。CD-ROM容量可达650MB,盘径为5英寸(约120毫米),不仅可以存放音响信息,也可以用于存放计算机程序及视像信息、文字信息等,是多媒体个人机必不可少的配置。

激光视盘——VCD

VCD俗称小影碟,它是为了取代LD(激光录像盘,港台将其称为镭射影碟,其盘径为12英寸)而出现的。LD和CD一样,也是利用激光技术来存储信息的,不同之处在于它是专门用来存放视像的,存储之前的信号变换以及演放时所用的方法均与CD有所不同。LD由于价格较高、体积较大,所以首先在我国出现了VCD以取代它。VCD的盘片直径和CD一样,都是5英寸,可以播放74分钟全屏幕、全动态的影像和立体声音乐。它遵循MPEG-1规格,画面质量虽然不及LD,但价格远远低于LD,所以在收入较低的我国,迅速被消费者所接受,不到三年时间便在全国普及,成为最畅销的家电产品。

VCD影碟机和录像机虽然在外观上区别不大,在使用功能上也颇为相似,但二者是不同类型的产品。最主要的区别在于录像机有“可录”功能。因为录像机既是视听播放设备,又是音像复制设备,而VCD影碟机仅仅是视听播放设备。录像机可以录取各种信号源的节目,如电视、光盘或其他录像上的内容,VCD影碟机则不能。另外,录像可以演放摄像机拍摄的节目,特别在家庭用的小摄录机开始普及时,演放自己拍摄的节目更给人增添不少乐趣。另外录像机的图像质量也在不断提高,目前VHS录像机图像清晰度已大于240线,有的已高达260线,而一般VCD影碟机的分辨率才不过230线。因此在一段时间内VCD影碟机将和录像机并存,各有各的用途。

不久前,我国又出现了VCD(中国视盘)影碟机,它是为了提高VCD图像质量而开发的新产品。从技术上说,CVD使用与DVD相同的MPEG-Ⅱ规格,分辨率在280-352线之间,图像质量完全能达到现有彩电所能显示的分辨极限,而且画质优良,在普通的彩电上就能欣赏到高清晰度的画面。它的图像质量虽赶不上DVD,但比VCD的好,价格虽比VCD贵,但比DVD低得多,而且不像DVD那样对住房条件和音响电视配置要求苛刻,比较适合我国消费者经济水平。它将是往DVD过渡前的一种现实选择。

数字视盘——DVD

横扫影像音响及计算机存储领域,被誉为集激光、半导体、信息压缩技术之大成的DVD从1996年开始进入市场以来,受到人们的好评,被认为是音像及存储领域具有里程碑的大事。它拥有广泛的用途和巨大的市场,因而受到人们的青睐。

同人们已熟悉的CD一样,DVD也是直径为12厘米的光盘,从外表上很难看出它们之间的区别。何以DVD的出现会引起以往光盘所没有的轰动呢?这是因为DVD拥有三大特点:大容量、通用性和可读写。

DVD的用途大致有三大类:音像领域用的DVD-Video(用以存放影像并可在电视机上演放);音响领域专用的DVD-Audio(不带影像的);以及计算机领域使用的DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM三大类。人们普遍认为,市场前景最大的是计算机领域用的DVD。

在各种DVD中,DVD-RAM将是发展DVD的关键。它不仅可作为个人机大容量的可取下存储媒体,而且再有三年左右时间其价格就能降到用户能接受的水平。

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