解密0101：信息在計(jì)算機(jī)中的奇妙旅程

如果問起身高的單位是什么，你自然會(huì)想到厘米或米；如果問起存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的信息的單位是什么，你能脫口而出還是有些猶豫？你會(huì)想到什么呢？

在當(dāng)今這個(gè)信息時(shí)代，我們使用手機(jī)、計(jì)算機(jī)等設(shè)備來記錄和存儲(chǔ)生活中的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，于是有了文字、圖片、聲音、視頻等各種形式的信息。這些信息在手機(jī)或計(jì)算機(jī)中是如何存儲(chǔ)的呢？筆者將通過解密一封特殊的信來回答這一問題。

計(jì)算機(jī)“眼中”的文本

這封“見字如面”的信比較長(zhǎng)，內(nèi)容也比較特殊，只有0和1。它會(huì)包含哪些信息呢？這就需要我們一起來解密這些0和1。

在信的第一行，有5段01串（僅由數(shù)字0和1組成的字符串），每段有8位0或1。計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)單位是字節(jié)，一個(gè)字節(jié)等于8個(gè)二進(jìn)制位。什么可以用一個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)呢？ASCII碼。對(duì)照?qǐng)D3這張表，信的第一行那5段01串，就對(duì)應(yīng)著字符“Dear：”。

標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼表中定義了大小寫英文字母、數(shù)字等字符在計(jì)算機(jī)中的編碼，是用一個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)的。表中的每個(gè)字符，除了二進(jìn)制數(shù)，還有十進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)。這3種進(jìn)制數(shù)其實(shí)表示的是同一個(gè)數(shù)值，十進(jìn)制、十六進(jìn)制可以方便我們閱讀和理解。如小寫字母a，用十進(jìn)制表示是97，用十六進(jìn)制表示是61，用二進(jìn)制表示則是01100001。這3個(gè)進(jìn)制數(shù)，可以使用計(jì)算機(jī)中自帶的計(jì)算器（圖4）來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

信的第二行，每段有16位0或1，正好對(duì)應(yīng)兩個(gè)字節(jié)的編碼存儲(chǔ)，會(huì)是漢字嗎？漢字會(huì)有類似的ASCII碼表嗎？

計(jì)算機(jī)“眼中”的漢字是0和1，我們眼中的漢字應(yīng)該是圖5這樣的。因?yàn)闈h字?jǐn)?shù)量眾多，所以編碼表被分為多個(gè)區(qū)域，要找一個(gè)漢字，得先找到區(qū)號(hào)，再看它在這個(gè)區(qū)中的哪個(gè)位置。例如“寶”字，它在編碼表中的區(qū)域編號(hào)是B1（區(qū)域編號(hào)位于表的左上角），在B1區(qū)的A行5列，所以“寶”字的編碼就是B1A5。這是十六進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，還要轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。

對(duì)于信的第二行5段16位01串，你可以先用計(jì)算器轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，然后對(duì)照?qǐng)D5，找出對(duì)應(yīng)的5個(gè)漢字——“我是冰墩墩”。圖5只是漢字編碼表中的一小部分，如果某個(gè)字符在編碼表中沒有，則會(huì)出現(xiàn)亂碼。因此，就有了涵蓋世界上主要文字字符的全球共享編碼字符集Unicode。

計(jì)算機(jī)“眼中”的圖像

圖6是計(jì)算機(jī)“眼中”的冰墩墩，將0替換成白色、1替換成黑色，就變成我們眼中的冰墩墩（圖7），這里的每個(gè)黑點(diǎn)或白點(diǎn)就是一個(gè)像素，對(duì)應(yīng)著0或1。圖7這張冰墩墩的寬度有100個(gè)像素點(diǎn)，高度有50個(gè)像素點(diǎn)，總共用了5 000個(gè)像素點(diǎn)。和圖8中36萬個(gè)像素點(diǎn)的冰墩墩對(duì)比一下可以發(fā)現(xiàn)，要讓圖像更清晰，同樣尺寸下，像素點(diǎn)越多越好。現(xiàn)在手機(jī)廠商宣傳手機(jī)的拍照效果時(shí)，一個(gè)重要的參數(shù)就是攝像頭的像素。

黑白冰墩墩?qǐng)D中，每個(gè)像素點(diǎn)只用一位二進(jìn)制位記錄顏色，所以只有兩種顏色可選，如果每個(gè)像素點(diǎn)多用些二進(jìn)制位記錄，可選的顏色就多些。例如使用8位二進(jìn)制位進(jìn)行記錄，就有256種顏色（2⁸=256）。除了黑白色，還有黑白之間的過渡色——灰色，圖9中的冰墩墩就是8位灰度圖。我們常見的是24位的真彩色，圖10就是24位真彩色的冰墩墩。

圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)記錄顏色所用二進(jìn)制的位數(shù)，稱為“圖像量化位數(shù)”，又稱“圖像深度”，圖10的量化位數(shù)就是24位。

一般情況下，圖像的大小跟圖像的分辨率以及圖像量化位數(shù)有關(guān)，計(jì)算公式：位圖圖像文件大小=圖像分辨率×圖像量化位數(shù)÷8（單位為字節(jié)）。

根據(jù)公式可以計(jì)算出，一個(gè)5 000萬像素、24位真彩色的圖片大小，大約為143MB（兆字節(jié)）。因此，也不能片面追求高像素，它會(huì)占用很大的存儲(chǔ)空間。實(shí)際生活中，我們拍出的5 000萬像素照片只有幾十兆字節(jié)，那是對(duì)照片進(jìn)行了壓縮。常見的圖片格式j(luò)pg，其實(shí)就是圖像壓縮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的名稱。

計(jì)算機(jī)“耳中”的聲音

那封特殊的信中有01編碼的文字、圖像，會(huì)有聲音的編碼嗎？

我們知道，聲音是一種波。冰墩墩?qǐng)D像后面還有那么多的01數(shù)字串，選擇其中的一小部分，先轉(zhuǎn)換成熟悉的十進(jìn)制數(shù)，在坐標(biāo)軸上標(biāo)記下來，連成線，曲線中添加的點(diǎn)越多，曲線就更細(xì)膩，更接近聲音的波形圖，如圖11所示。將全部的點(diǎn)添加好后，利用聲音處理軟件展示類似的波形，就可播放出聲音了，信中的聲音內(nèi)容是“交個(gè)朋友吧”。

對(duì)照剛才還原聲音波形的過程，反過來想，如何把聲音存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中呢？

首先是采樣，把聲波按適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔，得到各個(gè)時(shí)刻的樣本。從圖上可以看出，一定時(shí)間內(nèi)，采的點(diǎn)越多，則描出的曲線和波形圖越接近。計(jì)算機(jī)使用采樣頻率來表示，常見的CD音質(zhì)的采樣頻率是44.1kHz（1秒采集44 100個(gè)樣本點(diǎn)）。樣本點(diǎn)有了，接著就用數(shù)值來具體衡量這些點(diǎn)，這個(gè)過程稱為“量化”。量化位數(shù)的多少，同樣決定了聲音的質(zhì)量（坐標(biāo)軸縱軸的動(dòng)態(tài)范圍）。如果就用1位二進(jìn)制來進(jìn)行量化，量化等級(jí)只有兩個(gè)。量化等級(jí)越多，表示范圍就越廣，就越能還原真實(shí)聲音的波形。最后，把量化后的值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，這就是編碼。

總的來說，一個(gè)聲音存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，需要3個(gè)步驟：采樣、量化和編碼。采樣頻率越大、量化位數(shù)越多，越能接近真實(shí)的聲音，但是也帶來一個(gè)問題，就是文件也會(huì)變得越大，計(jì)算公式：聲音的大小=采樣頻率×量化位數(shù)×聲道數(shù)×?xí)r間÷8（單位為字節(jié)）。真正存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中時(shí)，還需要對(duì)聲音進(jìn)行壓縮，常見的音頻文件MP3就是一種音頻壓縮技術(shù)。

在這封信里，還可以添加視頻的編碼，可以結(jié)合圖像和聲音的編碼來操作。當(dāng)然，實(shí)際的編碼要復(fù)雜得多。

（特約編輯：孫曉明）