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第6题

知识点：动画多媒体的定义、内涵与特点声音视频图形数字信号信号

章/节：媒体与技术

采用数字信号，综合处理文字、声音、图形、动画、图像、视频等多种信息，并将这些不同类型的信息有机地结合在一起，体现多媒体技术的(6)性。

A. 集成

B. 多样

C. 交互

D. 同步

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32%

图像及音频文件在计算机中的表示形式是(64)。

第1题 2018年上半年

18%

多媒体技术改变了传统循序式模式，用户可以借助超文本链接等方式，更自由灵活地访问所需的信息，体现了其(1)的特点。

第3题 2019年下半年

21%

多媒体技术改变了人们传统的循序式的信息模式。这体现了多媒体（3)的特点。


知识点讲解
· 动画 · 多媒体的定义、内涵与特点 · 声音 · 视频 · 图形 · 数字信号 · 信号

动画

动画是指让各种造型能够动起来，常见的三维动画方式有：几何变换动画、角色动画、粒子系统动画、摄影机动画和变形动画。

几何变换动画是通过对场景中的几何对象进行移动、旋转、缩放的几何变换操作，从而产生动画的效果，其特点是几何对象是其自身大小或其在场景中的相对位置发生变化，而本身形状并未改变。

角色动画主要是指人体动画，也包括拟人化的动物、植物以及卡通角色。

粒子系统动画是指系统中的粒子在任一时刻其形状、大小、颜色、透明度、运动方向和运动速度等属性随时间推移发生位置、形态的变化。粒子系统充分体现了不规则模糊物体的动态和随机性，能很好地模拟火、云、水、森林和原野等自然景观。

摄影机动画也称镜头动画，是通过对摄影机的推、拉、摇、移使镜头画面改变，从而产生动画的效果，常用于制作建筑物漫游动画，要求摄影机在运行过程中平稳、节奏自然、镜头切换合理、重点内容突出。虽然摄影机动画是一种简洁的动画手段，但却是人们在现实生活中经常遇到的。

变形动画是一种基于节点的动画技术，是通过物体节点序列的变换矩阵实现的。相对于几何变换动画缺乏生气的不足，变形动画通过赋予每个角色以个性，并通过形状变形渲染某些夸张的效果。

多媒体的定义、内涵与特点

1984年，美国Apple公司推出了Macintosh系列机，引入位映像（bitmap）的概念对图形进行处理，使用窗口（windows）和图标（icon）作为用户界面，将鼠标（mouse）作为交互设备，使人们感到耳目一新，方便了用户的操作。此后，“多媒体”一词在计算机应用领域广泛流传，成为计算机的重要特征之一。

多媒体的定义首次出现于1990年2月，Lippineoott和Robinson在Byte杂志上发表的一篇文章给出了多媒体的定义：多媒体是计算机交互式处理多种媒体信息（文本、图形、图像和声音），使多种信息建立逻辑联系集，成为一个系统并具有交互性。另外，还有一个普遍认可的定义：多媒体是指能够同时获取、处理、编辑、存储和显示两种以上不同类型信息媒体的技术，这些信息媒体包括文字、声音、图形、图像、动画、活动影像等。

“多媒体”一词译自英文multimedia，而该词又是由mutiple和media组成的，可以理解为多种媒体的综合，它是相对于单媒体而形成的概念，是指一种把多种不同但相互关联的媒体（如文字、声音、图形、动画、视频等）综合集成而产生的一种存储、传播和表现信息的全新载体。

可以这样理解多媒体：多媒体的概念主要侧重于媒体的角度，强调多种类型媒体的有机整合。以计算机为中心的多种媒体的有机整合，这些媒体包括文本、图形、图像、动画、静态视频、动态视频和声音等，人们在接收这些媒体信息时具有一定的主动性和交互性。

多媒体具有以下几个特征，这也是多媒体技术的特征。

①集成性。指计算机综合处理多种媒体，一是指多种媒体信息的集成，即对文字、图形、图像、视频、音频等多种信息的集成，就像人的感官系统一样，从眼、耳、口、鼻、脸部表情、手势等多种信息渠道接收信息并送入大脑，然后通过大脑综合分析，从而获得全面准确的信息；二是指多种媒体设备的集成，即通过各种媒体设备进行变换、组合、加工等综合处理，使各种媒体能够协调地集成应用。

②实时性。实时就是指在人的感官系统允许的情况下进行多媒体交互，就好像面对面一样，图像和声音都是连续的。

③交互性。交互就是指通过各种媒体信息使参与的各方（不论是发送方还是接收方）都可以进行编辑、控制和传递，这是让人们在获取和使用信息时变被动为主动的最重要的特征。交互可以增加用户对信息的注意和理解，延长信息的保留时间。

④数字化。只有将各种媒体信息转化成数字信息，计算机才能对其进行相应处理，所以多媒体信息必须是数字化信息。

⑤非线性。多媒体的信息结构一般是网状结构。以往人们的读写方式大都采用章、节、页的框架，循序渐进地获取知识，而多媒体技术将借助超文本链接的方法，把内容以一种更灵活、更具变化的方式呈现给人们。

声音

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，人们靠声音的相位差及强度差确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左、右耳听到在不同位置录制的不同声音实现的，所以会有方向感。现实生活中，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变，但在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

视频

视频是动态的画面序列，这些画面以超过每秒24帧的速度播放，便可以使观察者产生平滑、连续的视觉效果。视频类似于我们熟知的电影和电视，有声有色。电影采用了每秒24幅画面的播放速度，电视采用了每秒25幅或30幅画面的播放速度。视频图像可来自于录像带、影碟、电视、摄像机等，这些模拟视频信号可通过视频采集卡转换成数字视频信号，以便计算机进行处理和存储。

图形

表示与存储

图形是指能在人的视觉系统中产生视觉印象的客观对象，它包括人眼观察到的自然景物、拍摄到的图片、绘图工具得到的工程图、用数学方法描述的图像等。图形是客观对象的一种抽象表示，它带有形状和颜色信息。构成图形的要素有几何要素（刻画对象轮廓形状的点、线、面、体等）和非几何要素（刻画对象表面属性或材质的颜色、灰度等）。图形可用形状参数和属性参数表示，即参数表示法；也可用带有灰度或色彩的点阵图表示，简称像素图、图像（数字图像），即点阵表示法。

图形是计算机图形学（Computer Graphics, CG）研究的对象。ISO给计算机图形学的定义为：研究用计算机进行数据和图形之间相互转换的方法和技术。还有定义为：计算机图形学是运用计算机描述、输入、表示、存储、处理（检索／变换／图形运算）、显示、输出图形的一门学科。计算机图形技术主要研究如何在计算机中表示图形，以及利用计算机进行图形的计算、处理和显示的相关原理和算法，其核心是将客观世界对象以图形的形式在计算机内表示出来，主要包括模型生成和图形显示，如下图所示。模型生成是获取、存储和管理客观世界物体的计算机模型，以在计算机上建立客观世界的模拟环境。图形显示是生成、处理和操纵客观世界物体模型的可视化结果，以在输出设备上呈现客观世界物体的图像。

计算机图形生成模型

计算机图形技术所涉及的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、风格化绘制、科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。

图形的文件格式

① TIF。

TIF格式是平面设计中最常用的一种图形格式，因为其属于跨平台的格式，而且支持CMYK色，所以经常被用于印刷输出的场合。此外还有一个特色就是其支持LZW压缩，即不失真压缩，也就是说不管如何压缩，图档的品质都还能保持原来的水准。

②TGA。

TGA图形格式的最大特点就是可以制作出不规则形状的图档，一般图档都为四方形，若需要圆形、菱形甚至镂空的图档时，TGA格式可能就会派上用场了。TGA格式同样支持压缩，也属于不失真压缩。

③ PSD。

PSD格式是Photoshop专用的图形文件格式，该格式包含图形中的色层、遮罩、色频、选取区等Photoshop可以处理的属性，这样全方位的存储如果运用得当，几乎可以将创作的过程完整地记录，以便日后的修改。

④UFO。

UFO格式是另一个著名制图软件Ulead Photoimapct的专用图形格式，其是致力于追赶Adobe的有力科技，同样也发展出了与PSD格式类似的图档格式，能够完整记录所有处理过的属性，不过在记录原理上却有些不同，UFO以物件代替图层，这一点并无大碍，因为Photoimapct与Photoshop本身就有很多的不同之处。

⑤RIF。

RIF是著名制图软件Painter的专用图形格式，处理方式和前面两种大同小异，都可以存储相当多的属性资料。另外，Painter可以打开PSD文件，而且经过Painter处理的PSD文件可以在Photoshop中通用，这样就可以使同一文件在Photoshop和Painter中交换使用了。

⑥ CDR。

CDR是著名制图软件CorelDRAW的专用图形格式，由于CorelDRAW是向量软件，所以CDR可以记录的资料可以说是千奇百怪，各物件的属性、位置、分页通通可以存储，以便日后修改。在兼容度上，目前基本没有其他软件可以打开CDR文件，这是向量软件的通病。

⑦EPS。

EPS是印刷时经常用到的格式，向量图可以转换成EPS格式，点阵图也可以转成EPS格式。EPS文件可以同时存储点阵以及向量，故专门用于印前操作，如排版等，所以一般在印刷时都使用EPS文件。

图形处理技术

图形处理技术的范围很广，这里以真实感图形绘制和非真实感图形绘制为例简单介绍图形处理技术。

真实感图形绘制是指借助数学、物理、计算机等学科知识使用计算机生成三维场景中真实逼真的图形、图像的过程。真实感图像绘制主要包括两个方面：表面特性的精确表示和场景中光照效果的物理描述。真实感图形绘制的应用非常广泛，例如计算机动画制作、影视特效仿真、计算机游戏、多媒体教育和虚拟现实等。真实感图形绘制所涉及的技术主要有消隐技术、表面细节绘制技术、纹理贴图技术、高级光照与着色技术等。

非真实感图形绘制是指利用计算机生成不具有照片般真实感而具有手绘风格的图形的技术，其目标不在于表现图形的真实性，而是在于表现图形的艺术特质、模拟艺术作品（甚至包括作品中的缺陷）或作为真实感图形的有效补充。非真实感图形绘制的应用领域也非常广泛，其中一个重要的应用领域就是对绘画进行模拟，主要模拟的画种有油画、水彩画、钢笔画、铅笔画、水墨画和卡通动画。非真实感图形绘制所涉及的技术主要有基于像素的绘制，基于线条、曲线和笔画的绘制，模拟绘画绘制等。

如下图所示，树和天空是采用真实感图形绘制技术绘制出来的，国画是采用非真实感图形绘制技术绘制出来的。

真实感图形绘制和非真实感图形绘制

数字信号

在电报通信中，其电报信号是用“点”和“划”组成的电码（叫做莫尔斯电码）来代表文字和数字。如果用有电流代表“1”、无电流代表“0”，那么“点”就是1、0，“划”就是1、1、1、0。莫尔斯电码是用一点一划代表A，用一划三点代表B，所以A就是101110，B就是1110101010……这种离散的、不连续的信号，称为数字信号。

数字信号的优越性主要体现在以下几个方面：

（1）加强了通信的保密性。语音信号经A/D（Analog to Digital，模拟信号转换为数字信号）变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A（Digital to Analog，数字信号转换为模拟信号）变换还原成模拟信号。例如，某图像信号X转换成为01110，可以通过某种加密算法，如向右循环移一位变成Y=00111，对方得到Y后很难反推到X。可见，数字化为加密处理提供了十分有利的条件，且密码的位数越多，破译密码就越困难。

（2）提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。

（3）可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。

数字信号的主要缺点如下：

（1）技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。

（2）占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20～64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM（Pulse Code Modulation，脉码调制）信号占了几个模拟话路。

（3）进行A/D转换时会产生量化误差。

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

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