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知识路径： > 计算机系统知识 > 计算机应用基础知识 > 多媒体应用基础知识 > 多媒体基础知识 >
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知识难度系数： 
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考试要求：了解
相关知识点：17个
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在多媒体技术中，对静止图像（例如图画、照片等）和活动图像（例如动画、电影等）的处理是很重要的内容。图像是人类视觉器官所感受到的形象化的媒体信息。处理图像首先要将客观世界中存在的视觉信息变成数字化图像，然后在计算机上用数学方法进行处理，从而产生了多种图像存储格式、压缩编码方法和图像处理方法。
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数字图像的优点是：①精确度高；②数字图像不会被电源的波动、电磁场辐射等环境干扰所影响，并且不会因为存储、传输、复制等操作产生信息失真；③不论来自哪种信息源（例如光学系统照片、电影、动画等），数字化后的图像都可以由计算机处理。
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多媒体计算机系统在处理图像和视频信号时，首先要把连续的图像函数转化为离散的数据，即将模拟图像转化为用一系列离散数值表示的数字图像。一般来说，图像的数字化过程包括采样（又称抽样）和量化两个步骤。
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常见的数字图像类型有四种：①二值图像，例如文字、图形、指纹等；②黑白灰度图像，例如黑白相片；③彩色图像，例如彩色图片；④活动图像，例如动画。
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.像素，指的是组成屏幕图像的基本点，也就是显示画面的最小元素。像素间的距离越小，分辨率越高。
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.屏幕分辨率，指的是在某一种显示方式下，计算机屏幕上最大的显示区域，用水平的和竖直的像素数来表示。
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.图像分辨率，指的是数字化图像的大小，用水平的和竖直的像素数来表示。
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.色彩数和图形灰度，色彩数和图形灰度用位（bit）表示，一般写成2的n次方，n代表位数。当图像达到24位时，可表现1677万种颜色（即真彩）。灰度的表示法与此类似。
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目前，在多媒体技术中，对彩色图像的处理已经达到很高的水平。
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彩色可以用亮度、色调和饱和度来描述（通常把色调和饱和度通称为色度），人眼中看到的任何彩色光都是这三个特征的综合效果。亮度是用来表示某彩色光的明亮程度，而色度则表示颜色的类别与深浅程度。
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在彩色图像的数字化过程中要表示离散化的彩色信息，必须选择合适的彩色表示空间，因为，彩色也是一个物理量，也可以进行计算和度量，选用不同的坐标，可以得到不同的表示的颜色值。常用的几种彩色表示空间是：①RGB彩色空间：用R（红）、G（绿）、B（蓝）三基色的分量来表示数字图像像素的颜色值；②HIS彩色空间：用H（色调）、S（饱和度）、I（光的强度）三个参数描述颜色特性；③CMYK彩色空间：基于印刷处理的颜色模式，通过C（青）、M（紫红）、Y（黄）、K（黑）四种颜色来组合出彩色图像；④YUV彩色空间：彩色电视视频信号在PAL彩色电视制式中采用的彩色空间。
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一般来说，目前的图像格式大致可以分为两大类：一类为位图；另一类称为矢量图形。前者是以点阵形式描述图像的，后者是以数学方法描述的一种由几何元素组成的图像。一般来说，后者对图像的表达细致、真实，缩放后图像的分辨率不变，在专业级的图像处理中运用较多。
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图像与图形文件格式是有区别的。在计算机科学中，图形一般指的是用计算机绘制的画面，如直线、圆、圆弧、任意曲线和图表等；图像则是指由输入设备捕捉的实际场景画面或以数字化形式存储的任意画面。
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图形文件中只记录生成图的算法和图上的某些特征点，即矢量图。在计算机还原输出时，相邻的特征点之间用特定的很多段小直线连接就形成曲线，若曲线是一条封闭的图形，则可以用着色算法来填充颜色。它的最大优点是容易进行移动、缩放、旋转和扭曲等变换，主要用于表示线框型的图画、工程制图、美术字等。常用的矢量图形文件有3DS（用于3D造型）、DXF（用于CAD）、WMF（用于桌面出版）等。
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图像都是由一些排成行列的像素组成的，一般数据量都较大。它除了可以表达真实的照片，也可以表现复杂绘画的某些细节，并具有灵活和富于创造力等特点。图形文件与图像文件相比，由于图形只保存算法和特征点，所以相对于位图的大数据量来说，它占用的存储空间也较小。但由于每次屏幕显示时都需重新计算，故显示速度没有图像快。在打印输出和放大时，图形的质量较高而点阵图常会发生失真。图像文件格式分两大类：一类是静态图像文件格式，一类是动态图像文件格式。
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静态图像文件格式有：GIF，TIF，BMP, PCX, JPG, PCD等。
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①BMP，PC机上最常用的位图格式，有压缩和不压缩两种形式，该格式可表现从2位到24位的色彩，分辨率也可从480×320至1024×768。该格式在Windows环境下相当稳定，在文件大小没有限制的场合中运用极为广泛。
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②GIF，经过压缩的图形格式，并且在各种平台的各种图形处理软件上均可处理。其缺点是存储色彩最高只能达到256种。
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③TIF，文件体积庞大，但存储信息量也很巨大，并且细微层次的信息较多，可以存储高质量的图像。该格式有压缩和非压缩两种形式，支持的色彩数最高可达16M。
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④JPG，一种可以大幅度压缩图像文件的图形格式。对于同一幅画面，JPG格式存储的文件是其他类型图像文件的1/10到1/20，并且色彩数最高可达到24位，所以它被广泛地应用于Internet上的homepage或者Internet上的图片库。
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⑤AVI，AVI是将语音和影像同步组合在一起的文件格式。它对视频文件采用一种有损压缩方式，且压缩比高，因此画面质量不是很好，但其应用范围仍然非常广泛。AVI支持256色和RLE压缩。AVI信息主要应用在多媒体光盘上，用来保存电视、电影等各种影像信息。
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⑥MPG，MPG文件格式是按MPEG标准进行压缩的全运动的视频文件，它需要专门的播放软件和硬件，目前许多视频处理软件都支持MPG格式的视频文件。MPG的压缩率比AVI高，画面质量却比AVI好。
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在多媒体系统中，利用计算机可以对数字图形、图像进行各种处理，例如将图像进行放大、缩小、旋转、改变颜色、为图像加入特殊效果或者合成照片等。从实现这些操作的算法来说，图像处理的工作实际上是对像素进行各种方法的数字化处理。
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有时原始图像并不令人满意，而图像处理可以改善图像的质量，使图像更加清晰。具体的改善措施有：
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①锐化，通过突出图像上的灰度突变的各种边缘信息来增加像素间的对比度，这样就可以使图像更加清晰。
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②增强，对图像进行对比度处理、亮度修正、噪音滤除等操作。
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④校正，图像采集时可能会由于某些原因而导致图像产生几何失真，在图像采集后可以通过校正来修改。
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当图像质量下降时，采取该措施可以改善图像的质量，例如复原老照片，对不满意的修改进行恢复等。复原图像时，首先要根据失真的情况来建立一个图像变质的数学模型，然后按其逆过程来恢复图像。
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图像的识别是对图像进行特征抽取，并进行图像分析，从而达到识别图像的目的。其中，图像分析技术包括高频增强、检测边缘与线条、抽取轮廓、分割图像区域、测量形状特征、纹理分析、图像匹配等。图像识别技术是在提取出图像的几何和纹理特征的基础上，利用模式匹配、函数判别等理论，对图像进行分类和结构分析。
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图像重建是根据数据来构造图像，包括二维图像重建和三维图像重建。二维图像重建是指用一系列延直线投影的数据集合来重新构造二维图像。三维图像重建是指用一系列二维图像数据（即物体的横截面投影数据）的集合来重新构成物体的三维图像。典型的图像重建应用包括测绘、工业检测、医学CT投影图像重建等。
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图像的编辑是指将现有的图像转化成为可供表现用的最终图像产品，例如彩色广告的印刷、美术照片的加工等。图像编辑包括图像的剪裁、缩放、旋转、修改、插入文字或图片等操作。
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从本质上来说，图像编码与压缩就是对要处理的图像源数据用一定的规则进行变换和组合，从而达到用尽可能少的代码（符号）来表示尽可能多的数据信息的目的。压缩通过编码来实现，或者说编码带来压缩的效果。所以，一般把此项处理称为压缩编码。
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彩色视频信号是动态的图像信息。当需要将电视信号转换成计算机视频信号时，多媒体计算机系统可以将彩色电视信号数字化，即将传统的模拟信号数字化并输入计算机。
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目前世界上流行的彩色电视制式（彩色电视的视频信号标准）有：PAL制、NTSC制和SECAM制。而高清晰度数字彩色电视HDTV的出现，使计算机对视频信号的获取和处理变得更加简单。
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对彩色电视视频信号的数字化常用的方法有两种：①将模拟视频信号输入计算机系统，对彩色视频信号的各个分量（例如YUV）进行数字化，根据需要进行压缩编码，从而成为了数字化视频信号；②直接用数字摄像机采集视频信号，此时的视频信号是无失真的数字视频信号。彩色视频信号的编码是指多媒体计算机系统对模拟视频信号进行数字化和映射变换（压缩处理）得到二进制数字信号的处理。数字化的视频信号在信道传输后，需要进行解码（解码是编码的逆过程），然后将视频信号还原（数模转换）并经过坐标变换（将视频的YUV信号转换为RGB信号）送往显示器上显示。
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视频的显示和动画一样，也是由一幅幅的帧序列按一定的速率播放，使观察者得到连续运动的感觉。影响数字视频质量的因素有帧速、分辨率、颜色数、压缩比和关键帧。此外，视频信号的播放过程中要做到图像和声音同步。
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视频图像文件的解压缩有硬件解压缩和软件解压缩两种方法。用硬件实现对数字视频信号的压缩和解压缩是通过采用专门的硬件芯片来实现的。例如MPEG解压缩卡就是常用的一种，卡上的MPEG编码算法的解码芯片可以直接从CD-ROM上读取按照MPEG压缩标准存放在VCD光盘上的数据，对其进行实时的解压缩，并回放图像。使用硬件解压缩具有速度快、实时性强的特点，但成本也很高，并且随着微型计算机性能的不断提高，使用软件解压缩已经成为主要的方法。目前流行的解压缩软件有“超级解霸”、“金山影霸”等。
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视频卡是多媒体计算机中处理活动图像的适配器，可以实现对视频进行处理。它首先获取各种视频和音频信号源信息，然后通过编辑或各种特技处理来产生视觉效果好的画面。视频卡大致有如下几类：①视频叠加卡：作用是将计算机的VGA信号与视频信号叠加，把叠加后的信号在显示器上显示，用于对连续图像进行处理从而产生特技效果；②视频捕获卡：作用是从视频信号中捕获并存储一幅画面，用于从电视节目或录相带中提取一幅静止画面存储起来供编辑或演示使用；③电视编码卡：作用是将计算机VGA信号转换成视频信号，一般用于把计算机的屏幕内容送至电视机或录相设备；④电视选台卡：它相当于电视机的高频头，起到选台的作用，将电视选台卡和视频叠加卡配合使用就可以在计算机上收看电视节目，现在又将这两种卡合二为一，称为电视卡；⑤压缩／解压卡：用于将连续图像的数据压缩和解压。
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声音是一种模拟振动波，主要有三种类型：波形声音、语音和音乐。音调、音强和音色是声音的三要素，也是声音的质量特性。声音处理是多媒体的重要特征之一，为多媒体计算机配备上光盘驱动器CD-ROM、声卡、话筒和扬声器等硬件，并加上相应的软件，就可以进行声音处理了，例如录音、播放、合成等。
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多媒体涉及到多方面的音频处理技术，如音频采集、语音编码／解码、文语转换、音乐合成、语音识别与理解、音频数据传输、音频视频同步、音频效果与编辑等。而多媒体计算机要解决的第一个关键技术是视频音频信号获取问题，只有将视频音频信号获取到计算机中，才能谈到综合处理。声音信息的计算机获取过程就是声音信号的数字化处理的过程。
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复杂的声波由许多具有不同振幅和频率的正弦波组成，代表声音的模拟信息是个连续的量，不能由计算机直接处理，必须将其数字化。
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音频信息的数字化指的是：把模拟音频信号转换成有限个数字表示的离散序列，即数字音频。转换过程是：选择采样频率，进行采样（即每隔一个时间间隔在模拟声音波形上取一个幅度值），选择合适的量化精度进行量化（将样本值从模拟量转换为二进制的数字量），编码（即把声音数据写成计算机的数据格式），从而形成声音文件。数字音频信息的质量受三个因素的影响，即采样频率、量化精度和声道数。经过数字化处理之后的数字声音信息能够像文字和图形信息一样进行存储、检索、编辑和其他处理。计算机数字CD、数字磁带（DAT）中存储的都是数字声音。
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音频文件大小的计算公式为：文件的字节数／每秒=采样频率（Hz）×分辨率（位）×声道数/8，对音频的数字化来说，在相同条件下，立体声比单声道占的空间大、分辨率越高则占的空间越大、采样频率越高则占的空间越大。
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音频数据是随时间变化的一维函数。因此，与图像信号的播放（由一幅幅的帧序列按一定的速率播放）不同，声音信号的处理过程是不可以停止的。数字音频的播放要经过解码器（即数／模转换器）将二进制信息恢复成模拟声音信号，并由扬声器来播放。
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音频信号可分为语音信号和非语音信号。语音是人类交流的工具，而非语音包括音乐和其他声音，不具有复杂的语意和语法，识别起来较简单。一般来说，实现计算机语音输出有两种方法：①录音／重放：是最简单的音乐合成方法，曾相继产生了应用调频（FM）音乐合成技术和波形表音乐合成技术；②文语转换：是基于声音合成技术的一种声音产生技术，它可用于语音合成和音乐合成。
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由于模拟音响技术已经比较成熟，并且数字声音（例如CD、数字电话等）也比较普及，所以音频数据的处理和压缩编码比图像数据的处理容易。
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数字音频信号数据量大，所以需要进行压缩。并且，由于音频数据中存在着冗余，所以可以进行压缩编码。音频冗余主要表现为：时域冗余度和频域冗余度。音频信号的编码方式主要分成如下几大类。
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（1）波形编码法：波形编码是对声音波形进行采样、量化和编码。在信号采样和量化过程中，考虑人的听觉特性，使编码后的音频信号与原始信号的波形尽可能相匹配，采样频率如果在9.6～64kb/s得到的声音信号的质量较高。但波形编码法容易受到量化噪声的影响，进一步降低编码率也较困难。常用的波形编码方法是PCM（脉冲编码调制）、DPCM（差值脉冲编码调制）和ADPCM（自适应差值编码调制）。
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（2）参数编码法。参数编码法是以声音信号产生的模型为基础，提取声音信号的特征参数（基音周期、共振峰、语音谱、声强等）进行编码。利用特征参数，就不必对声音的波形进行编码，只要记录和传输这些参数就可以实现声音数据的压缩。声音的特征参数可以由声音生成机构模型通过实验得到。这类编码技术一般称为声码器，典型的有通道声码器、同态声码器和线性预测声码器。参数编码法的压缩率大，但计算量大，保真度不高，适合于语音信号的编码。
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（3）混合编码法。将上述两种编码方法结合起来，就是混合编码法。此方法可以在较低的数据率上得到较高的音质。典型的有码本激励线性预测编码和多脉冲激励线性预测编码。
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目前几种流行的多媒体声音文件效果是：WAVE（扩展名为WAV）、MOD（扩展名MOD、ST3、XT、S3M、FAR等）、MPEG-3（扩展名MP3）、Real Audio（扩展名RA）、CD Audio音乐CD（扩展名CDA）、MIDI（扩展名MID）。下面就介绍其中的几种：
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WAV文件又称为波形文件格式，它来源于对声音模拟波形的采样，用不同的采样频率对声音的模拟波形进行采样，得到一系列离散的采样点，以不同的量化位数把这些采样点的值转换成二进制数并存盘，从而产生了WAV文件。在WAV文件中，声音是由采样数据组成的，所以需要很大的存储容量。
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MP3文件是现在最流行的声音文件格式，压缩率大，在网络可视电话通信方面应用广泛，但和CD唱片相比，音质不能令人非常满意。
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RA文件，这种格式的压缩量很大，并且失真极小。和MP3相同，它也是为了解决网络传输带宽资源而设计的，因此主要目标是压缩比和容错性，其次才是音质。
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电子乐器数字接口（Musical Instrument Digital Interface, MIDI）是乐器和计算机使用的标准语言，它不是声音信号，而是一套指令，指示乐器（即MIDI设备）要做什么、怎么做，例如演奏音符、加大音量、生成音响效果等。标准的多媒体PC平台能够通过内部合成器或连接到计算机MIDI端口的外部合成器播放MIDI文件，播放时，合成器对MIDI信息进行解释，然后产生出相应的一段音乐或声音。MIDI是用于在音乐合成器、乐器和计算机之间交换音乐信息的一种标准协议，可以解决不同电子乐器之间不兼容的问题。
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MIDI文件是指存放MIDI信息的标准格式文件。MIDI文件中包含音符、定时和多达16个通道的演奏定义，还包括每个通道的演奏音符信息（键通道号、音长、音量和击键力度）。由于MDDI文件是一系列指令而不是波形数据的集合，所以它需要的磁盘空间非常少；并且现装载MIDI文件比波形文件容易得多。这样，在设计多媒体节目时，可以指定什么时候播放音乐，将有很大的灵活性。在以下几种情况下，使用MIDI文件比使用波形音频更合适：①长时间播放高质量音乐，如想在硬盘上存储的音乐大于4分钟，而硬盘又没有足够的存储容量；②需要以音乐作背景音响效果，同时从CD-ROM中装载其他数据，例如图像、文字的显示；③需要以音乐作背景音响效果，同时播放波形音频，以实现音乐和语音的同时输出。
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其中，多媒体数据的准备是多媒体系统创作的基础。不同类型数据文件的制作方法及所需软硬件环境各不相同。文本文件可以通过字处理软件（例如Microsoft Word）录入并编辑；声音文件可以通过声卡录制后用相应的工具进行编辑；图形图像文件可以用绘图工具绘制、用摄像机捕捉、用数码相机拍摄或者用扫描仪扫入；视频文件可以用视频卡捕捉或者用视频编辑软件从VCD上截取视频片断；动画文件可以用动画制作软件（例如3D Studio MAX）制作。
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多媒体产品的开发涉及音频、视频、压缩等各个领域，因此不可能将多媒体系统的开发工作建立在传统的程序设计方法上，此时需要有一种适合于大多数人方便使用的强有力的工具来支持。
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多媒体创作工具是指在创作应用程序时可完成一项到多项任务的计算机程序。多媒体创作工具的功能主要有：①优异的面向对象的编程环境；②具有较强的多媒体数据I/O能力；③动画处理能力；④超级连接能力；⑤应用程序的连接能力；⑥模块化和面向对象；⑦友好的界面、易学易用。常用的多媒体创作工具有：字处理软件Microsoft Word、简报处理软件Microsoft PowerPoint、图像处理软件Adobe Photoshop和动画制作软件3D Studio MAX。
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多媒体创作系统是用于创作多媒体应用程序的软件工具，它提供一种把内容和功能结合在一起的集成环境。多媒体创作系统大致可分为素材库、编辑、播放三个部分。它的主要功能包括：①视频图像的制作；②动画制作；③交互式演示系统；④展示系统；⑤交互式查询系统；⑥交互式的训练；⑦仿真、原型和技术的可视化。根据多媒体创作工具的创作方法和结构特点的不同，可将多媒体创作系统划分为如下几类：①基于时间的创作工具；②基于图标或流线的创作工具；③基于卡片或页面的工具；④以传统程序语言为基础的多媒体创作工具。
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多媒体开发工具是跨平台的工具，其特征是：编辑特性、组织特性、编程特性、交互式特性、性能精确特性、播放特性、提交特性。比较常用的多媒体开发工具有Visual Basic和Authorware。借助这些工具软件，制作者可以简单直观地编制程序、调度各种媒体信息、设计用户界面等，从而摆脱繁琐的底层设计工作，将注意力集中于创意和设计。
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Authorware是多媒体开发工具的佼佼者，采用面向对象的设计思想，使开发者可以使用文字、图形、动画、声音以及数字电影等信息来创造多媒体程序。其特点是：①基于流程的图标创作方式；②具有文字、图形、动画、声音的直接创作处理能力；③外部接口形式多样；④具有多种交互方式；⑤多媒体集成能力高效；⑥多平台支持；⑦网络支持。
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