《信息科学与技术导论》课件 - 副本 (6).ppt

1、第六章第六章 信息执行信息执行 1.信息控制2.信息显示6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.1 控制的基本概念控制的基本概念v在当今信息社会，自动化技术应用广泛，已渗透到人类社会生活的方方面面，例如自动化生产线、工业机器人、办公自动化系统等等。一般来说，自动化技术是指使机器、设备、过程或系统无需人的控制而自动操作、并使其表现出人们所期望的预定行为的技术。v自动化技术有着悠久的历史，其起源最早可追述到公元前，经历了一个漫长而缓慢的早期发展过程。在我国东汉时期出现了记里鼓车（图6.1），每行驶一里路，木人自动击鼓一次，它是我国自动化技术的先驱。在我国魏晋时期，马钧研制出用齿轮传动的自动指示

2、方向的指南车。他利用差动齿轮机械构造原理，制造了一辆双轮单辕车，不论车行的方向怎样改变，车上木人始终手指南方（图6.2）。东汉末年的记里鼓车 公元235年马钧研制的指南车 6.1 6.1 信息控制信息控制v6.1.1 控制的基本概念控制的基本概念v到了近代，随着工业革命的出现，人们对自动控制技术的需求不断增大，自动控制技术得到快速发展。1788年，蒸汽机的发明人瓦特发明了用于控制蒸汽机速度的离心式调速器（图6.3）。当蒸汽机负载或蒸汽供给量发生变化时，离心式调速器能够自动调节进汽阀门的开度，从而使蒸汽机的转速恒定。1868年,以离心式调速器为背景,物理学家麦克斯韦尔(Maxwell)研究了反馈

3、系统的稳定性问题,发表了控制理论最早成果的论文“论调速器(On Governors)”。随后,源自物理学与数学的自动控制理论(在当时称为自动调节原理,简称调节原理)开始逐步形成。1788年瓦特发明的控制蒸汽机速度的离心式调速器6.1 6.1 信息控制信息控制v6.1.1 控制的基本概念控制的基本概念v自动化技术的核心是控制，而控制是以预期目标为引导，研究如何将对象所呈现的信息加工成为控制策略作用于对象，实现其自动化行为。由此可见，控制将信息转换成为控制行为。v那么控制是如何将信息转换为控制行为的呢？我们首先看看人是如何利用信息来控制其操纵的设备的。我们在洗澡时会产生一个预期的水温（控制目标），

4、然后调节给水阀门的方向和大小来控制水温。人脑要不断检测身体感受到的实际水温和预期水温的温差，并据此不断用手调节阀门来控制冷热水流量，经过若干次这种闭环调节过程，最终把水温调节到期望温度，如图6.4所示。由图可见，人调节水温的关键因素是实际水温信息能被反馈回来，并与期望水温比较。如人不能感受实际水温，则无法调节水温。因此，反馈是人实施控制的关键因素。6.1 6.1 信息控制信息控制v6.1.1 控制的基本概念控制的基本概念v我们再举一个鹰捉兔子的例子。当天空中的鹰发现地面上奔跑的兔子时，它俯冲下来，准确地袭击兔子。在这里，控制目标是使鹰和兔子的位置重合。鹰眼可判断鹰与兔子之间的距离，鹰脑根据这一

5、判断来控制翅膀驱动鹰的身体接近兔子，直至最后逮住兔子，如图6.5所示。从控制角度看，鹰眼是测量机构，鹰脑是控制机构、鹰的翅膀是驱功机构(执行机构)，鹰的身体是被控对象，控制目标是鹰与兔子的位置一致。鹰眼得到兔子的位置信息，鹰脑将这一位置信息与自己位置比较，获得位置偏差，再根据这个偏差信号向鹰翅膀发出指令，控制自己的身体向兔子接近来减少位置偏差，经过多次这样的闭环调节过程，最终捉住兔子。6.1 6.1 信息控制信息控制v6.1.1 控制的基本概念控制的基本概念v典型控制系统结构如图6.6所示，其基本组成包括控制器、执行器、传感器、被控对象等。图6.5中也标明了典型控制系统各部分与鹰捉兔子过程的对

6、应关系。下面简要介绍在给定控制目标的前提下控制系统的各基本组成部分。v（1）被控对象（Plants）：是控制系统所控制和操纵的对象。v（2）执行机构（Actuator）：根据控制器输出信号的大小和方向对被控对象直接操作，使被控对象的状态（被控量）按要求发生变化。v（3）传感器（Sensor）：用来检测被控对象的输出（被控量），将被控量转换为与输入信号相同形式的信号，以便与输入信号相比较。v（4）控制器（Controller）：将传感器获得的反馈信号和输入信号的偏差作为输入信号，采用一定的控制规律对输入信号进行加工处理，来产生控制信号作为输出。输出的控制信号被放大幅度和功率后来驱动执行机构。6.

7、1 6.1 信息控制信息控制v6.1.1 控制的基本概念控制的基本概念v下面通过仿模铣床控制原理来说明以上概念。仿模铣床根据给定模具来加工工件，使工件与模具形状一致。图6.7是一个仿模铣床原理图。触指用来获得控制（给定）信号。铣刀可获得反馈信号，反馈信号反映工件实际加工情况。控制目的是消除控制信号和反馈信号的偏差，使得工件与模型形状完全一致。差动轮来检测控制信号和反馈信号的偏差，这一偏差信号被转换为电信号，经放大处理后，驱动电机来控制刀架以消除偏差信号。6.1 6.1 信息控制信息控制v6.1.2 由信息到行为的转换机制由信息到行为的转换机制v控制的研究对象不是物质、也不是能量、而是信息。在给

8、定控制目标情况下，控制是研究如何利用被控对象所呈现的信息来对其进行有效控制，使其出现人们预期的状态或行为。因此，自动控制系统是一个使被控对象按照人的意志来自动运行的系统，它按照某种控制规律将被控对象呈现的信息转换为施加于被控对象的控制行为，是人们积极改造、利用自然，使其按照人的意志行动的手段。v控制器将误差信息转换为控制行为的指令，执行机构再根据这一指令产生控制行为作用于被控对象，使被控对象出现人们预期的行为。自动控制系统将信息转换为控制行为机制如图6.8所示，其中的控制装置包括控制器、执行机构和传感器等装置。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（1）

9、比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PID控制）控制）v图6.7所示的仿模控制系统中如果存在较大惯性元件或滞后元件，自动控制系统在克服误差调节过程中可能出现振荡。原因很简单：由于惯性或滞后元件的存在，在消除误差过程中控制作用变化在时间上总是落后于误差变化，由此引起系统输出信号震荡。一个很自然的考虑是：使控制作用的变化超前，即在误差接近零时，控制作用就应该为零。为了达到这个目的，控制器仅仅将误差进行简单的“比例”放大是不够的，还应加入能够预测误差变化趋势的“微分”作用。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（1）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PI

10、D控制）控制）v 一般来说，当控制系统的误差信号趋于很小的正值，误差的导数是负的，也就是说误差变化的速度在减小，此时控制作用应该为0，让控制系统在惯性的作用下使误差自动减小，以加强系统的稳定性。控制器中加入“微分”项后，误差信号的正值和误差导数的负值相互抵消，使控制作用在误差为零前就等于零，甚至为负值，从而达到了超前变化的目的。所以，对有较大惯性和（或）滞后元件的被控对象，比例微分控制器能改善控制系统的动态特性。v 自动控制系统面临的另一个问题是：被控量（系统输出）能否较精确地稳定在所要求的给定值？如果不能，这个控制系统就称为有稳态误差或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中要引入“积分”

11、项，它对误差取关于时间的积分。如果控制系统存在一个很小的稳态误差，那么随着时间的增加，误差的积分项会不断增大，从而推动控制器输出增大来使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例积分控制器，可以使系统在稳态时无稳态误差。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（1）比例积分微分控制（）比例积分微分控制（PID控制）控制）v 工业中常用的控制器一般都有比例微分积分的三项作用，称为比例微分积分控制器（PID控制器），其原理如图6.9所示。各项有相应系数可分别加以设置和调整，以保证能调节到使控制系统有好的动态品质。设控制器的输入信号是误差e,控制器输出信号是u,

12、则它们之间的函数关系表示为v 由于PID控制器的控制效果好，实现简单，调整方便，在工业过程控制中应用非常广泛。在实际生产中，往往采用电阻、电容和电子放大器组成比例积分微分电路，实现PID控制器功能。dteTdtdeTeKuid16.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（2）最优控制）最优控制v 要设计一个控制系统，总要提出一些性能要求，例如，系统是稳定的，稳态误差要小，调节过程的时间不能太长等等。如果选用PID控制器，通过调节比例、积分和微分项的三个系数，可达到这样的性能指标要求。但对于非常复杂的被控对象，例如电动机拖动控制，航天飞行器的控制等，这类控制系

13、统对性能指标要求较高，PID控制器就很难达到技术要求。v 电机拖动控制希望大型电机的启动、反转或制动所需时间越短越好；对于航天飞行器则希望飞行所消耗的燃料越少越好。这类控制系统都有一定的技术指标，但与PID控制不同的是：控制器要使某个技术指标达到极值（极大或极小），这样的控制称为最优控制。最优控制研究的中心问题是：在给定限定条件和性能指标下（评价函数或目标函数），去寻求适当的控制规律，使得系统性能或品质的某个“指标”在一定意义下达到最优值。v 最优控制有开环和闭环两种结构形式。在开环最优控制中，控制信号被设计成与被控制系统的状态无关的时间函数。在闭环最优控制系统中，控制信号则设计成被控系统状态

14、的函数。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（3）自适应控制）自适应控制v 设计最优控制器时，首先要用数学方程描述被控对象，即建立被控对象的数学模型，然后根据这个模型来设计控制器使控制系统的某一性能指标最优。然而，在工程实际中，由于受到无法测量的外来扰动的影响，很难获得被控对象的准确数学模型，因此常常采用被控对象的近似模型。当实际被控对象面临较大扰动时，这样设计的控制器的控制效果将变差，甚至不稳定。v 自适应控制可以根据实际被控对象的变化，自动调整控制器，以使得控制系统的性能维持在最优状态。其基本思想是：实时、在线地获得被控对象数学模型变化，再根据模型

15、变化来改变控制器的参数，达到保持控制系统性能的目的。自适应控制系统能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次最优的效果，具有一定适应能力。v 目前成熟的自适应控制方法主要有两种：v（1）模型参考自适应控制）模型参考自适应控制：由参考模型、被控对象、反馈控制器和调整控制器参数的自适应机构等部分组成。v（2）自校正控制）自校正控制：由被控对象、参数估计器、控制器和控制器设计计算等部分组成。参数估计和控制器设计必须在线、实时实现。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（3）自适应控制）自适应控制v 自校正控制的原理如图6.10所示。参数估计

16、器实时、在线估计被控对象参数变化，然后根据被控对象参数来进行控制器设计、调整控制器参数。这样，当被控对象参数变化时，控制系统能够检测这一变化并据此调节控制器，以保持控制系统的性能品质 6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（4）智能控制）智能控制v 最优控制器和自适应控制器都是基于被控对象的数学模型来设计的。实际被控对象往往很复杂，并且存在外界不确定扰动，这样的被控对象难以建立数学模型，很难用常规控制器的设计，并且控制效果也不一定理想。然而，对于某些复杂被控对象，例如，将汽车停在指定的车位，人却可以轻而易举的做到，而要设计这样的自动控制系统则非常复杂。v

17、 人在控制过程中，无需建立被控对象的数学模型，而是凭着经验对复杂被控对象进行控制，控制效果却很好。智能控制就是借助人工智能方法来模拟人的控制方式进行控制的。根据所采用的人工智能方法，智能控制可分为模糊控制、神经控制、专家系统控制等等。本节将介绍两种主要的、常见的智能控制方法模糊控制和神经控制。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（4）智能控制）智能控制v模糊控制模糊控制v1965年L.A.Zadeh教授创立了模糊集合理论，提出用模糊集合和模糊逻辑来模拟人脑思维的不确定性。70年代中期以E.H.Mamdani为代表的一批学者提出了模糊控制的概念，标致着模

18、糊控制的正式诞生。模糊控制的基本思想是把人类对特定对象或过程的控制策略总结成一系列“IF(如果)，THEN(那么)”形式的控制规则，通过模糊推理得到控制策略，作用于被控对象。与常规控制方法不同，模糊控制无需建立被控对象的数学模型，是完全在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制。v那么模糊控制器如何利用模糊规则进行具体的控制呢？上例中，当人感受到水温时，人利用头脑中的知识和当前水温进行推理判断，产生控制策略来调节阀门方向和开度。模糊控制器利用模糊规则产生决策行为的情况与此类似。对于给定温度偏差的实际值，首先将其模糊化，转换为温度偏差的模糊值；然后，利用这一模糊值和模糊控制规则进行模糊推理，产生一

19、个阀门开度的模糊值；最后，将阀门开度的模糊值进行清晰化处理，获得阀门开度的实际值作为控制决策。模糊控制的结构如图6.11所示。6.1 6.1 信息控制信息控制v 6.1.3 基本的控制方法基本的控制方法v（4）智能控制）智能控制v神经控制神经控制 v一种常用的神经网络模型见第五章图5.9，神经网络控制器如图6.12。v神经网络具有学习的能力，可通过反向传播学习算法调节神经网络的联结权值，使其逼近任意非线性函数。利用神经网络的这一特点，可用神经网络作为被控对象的前馈控制器。这种控制方法的思想为：如果神经网络充分逼近被控对象的逆动力学特性，则输入值与输出值的偏差为0，从而达到控制的目的。6.26.

20、2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v 前面的章节已经阐明：信息是事物运动的状态以及状态变化的方式。这些信息可能直接作用于我们的感觉器官，也可能是通过一些机器或设备(比如，雷达、望远镜)间接地作用于我们。随着生产技术的发展，生产自动化的发展，信息的来源越来越多地是间接的呈现形式。v 研究表明，人的各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占60%，听觉占20%，触觉占15%，味觉占嗅觉占2%，由此可见，视、听二者占据了人接收信息总量的80%，这也就是人们常说的“耳闻目睹”的重要性。俗话说，“百闻不如一见”，又进一步强调了视觉的重要性。因此，人们收集的信息经过处理后

21、往往要转换为文字、图形、图像、语言等形式，以便人们相互之间的交流。计算机收集的信息经过处理后要经过显示、打印、绘图、语音等手段输出，供给人们观看或收听。人们不仅要把各种非电量信息(如声、光、热、力等)用传感器转换成电信号，而且还要进一步把各种电信号以文字、图形、图像的方式显示出来，这是人们感知信息的方式。下面我们从视、听、触、嗅四个方面说明信息显示的基本原理。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v 1、信息的视觉显示、信息的视觉显示v 信息的视觉显示是通过显示器如仪表、信号灯、荧光屏来呈现的，这些显示器的设计需要适合人眼的特点以及人的操作特点。视觉

22、活动始于光，眼睛接收光线，转化为电信号。光能够被物体反射，并在眼睛的后部成像。眼睛的神经末梢将它转化为电信号，传递给大脑。眼睛的结构如图6.13所示。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v 1、信息的视觉显示、信息的视觉显示v 在视觉显示中，仪表是出现最早而且应用最广泛的一种显示器它不仅应用在日常生活中如钟表、电表等，在工厂、军舰、飞机上更是不可缺少。随着飞机系统的复杂化，仪表的应用也就越来越广泛，越来越重要。仪表的职能就是显示信息，显示的信息越清晰，就越有利于人的正确判读，提高工作效率，否则不仅会降低工作效率而且因读错仪表而引起事故。v 信号灯是

23、传递信息的重要手段，在交通运输，生产活动以及日常生活中应用极其广泛。在飞机、车辆、轮船、交通上用它来控制各种车辆的行驶，提供引导的信息，在仪器仪表上，用它来表示仪器仪表的运动情况荧光屏为多种类型的信息形象化显示提供了一种方便手段。随着电子技术的发展，用荧光屏显示信息越来越广泛了，最常用的荧光屏有雷达、电视、示波器。人们用雷达显示器来指挥射击、进行空中文通管制、导航和投弹瞄族；用电视屏幕作为“综合显示”、“形象化显示”的手段，把许多仪表显示的信息综合在一个电视屏幕上，用示波器进行电子学试验和监控仪器等。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v 2、信息

24、的听觉显示、信息的听觉显示v 现代社会中，听觉信号给人很多帮助。听觉传导系统可分成两大类，声音警觉系统(电铃、汽笛、警铃)和言语通信系统。听觉是由空气的振动或声波引起的，耳朵接收并传播这些振动到听觉神经。它的主要结构如图6.14所示。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v 3、信息的触觉显示、信息的触觉显示v 皮肤感觉分为触压觉、温度觉(冷觉和热觉)和痛觉。各种感受器在皮肤上呈点状分布，外界物体接触及皮肤表面引起触觉。触点在身体不同部位的分布是不同的。触觉的感受性亦因身体部位的不同而不同。一般说来，指尖、舌尖触觉感受性最高、腰部感受性则较低。借助触

25、觉，手能反映物体的形状和空间位置，亦能反映物体表面特性。v 大部分触觉显示器是用手和手指作为信息的特定接收器，但并不是手部所有部分都有相等的触感受性。触感受性的测量是两点阈，即能感觉皮肤上面的刺激间最小距离称为两点阈测定结果表明，从手掌到指尖，触感受性增加(两点阈减少)。因此，很好辨认的显示器最好设计成由手指尖接受刺激。触感受性亦由于低温而降低。所以在低温中用触觉显示器要格外慎重。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v 4、信息的嗅觉显示、信息的嗅觉显示v 嗅觉显示器尚没有普遍应用。由于人们在对各种气味的感受性上有很大差异，不通气的鼻子的感受性下降

26、，嗅觉具有适应麻木性等原因，所以人们不能依赖气味作为可靠的信息。尽管如此，嗅觉显示器仍有一些应用。主要是作为警报装置，比如，煤气公司在天然煤气中加进一种气味，这样我们可以觉察家里的煤汽渗漏。另一个例子是嗅觉显示器用气味作为危急信号，在美国几个地下铁矿里采用一种恶臭系统在危急情况下给矿工发出信号撤离矿井，气味释放进矿井的通风设备很快就通进矿井。这是嗅觉显示器的优点，它可以渗入视觉和听觉显示器不能达到的广大区域。v 嗅觉显示器将来也可能不会被广泛应用，但它们代表了一种独特的信息显示器的机能，它可以与非常特殊的情况相联系去增补传统的显示器形式。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的

27、基本原理信息显示的基本原理v 此外，还有多种其他的信息显示形式，总结为表6.1。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v信息的显示包含上述的不同模态，同时，信息显示也可以采用多种表达方式，如下：v1、显示方式的静态和动态方式、显示方式的静态和动态方式v动态显示器是连续变化比或是随时间变化的以下类型：v（1）以单片机（微控制器）为核心的初级嵌入式系统v（2）描述一些变量的状态或状况的如温度和压力量表，测速器、测高器。v（3）阴极射线管显示器(CRT)如雷达、声纳器、电视、无线电放射机。v（4）呈现有意识转换的信息的显示器，加电唱机，电影。v（5）用于帮

28、助使用者去控制或安排一些变量的显示器。如，烘箱的温度控制(有一些仪器既是显示器又是控制器，特别是用这种仪器去调整时更是如此，比如，烘箱控制器)。v静态显示器是保持固定的，比如信号、图表、线条、标记和各种印刷书写材料。显示器与所呈现的信息之间没有绝对的一对一的关系，有些特殊的显示器可以呈现两种或更多种信息。1990年，Young，Howes和Whittington指出，著名的GMOS模型（目标（Goals）、操作（Operation）、方法（Methods）和选择规则（Selection Rules）中的控制很大程度上是通过用户内部的知识结构完成的，显示不作为一种控制信息的来源。而Mayes的研

29、究中，显示可能在控制图形用户界面交互过程中占据更加中心的地位。这种观察的结果激发了基于显示的交互模型的尝试。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.1 信息显示的基本原理信息显示的基本原理v信息的显示包含上述的不同模态，同时，信息显示也可以采用多种表达方式，如下：v 2、显示呈现的主要信息类型、显示呈现的主要信息类型v（5）表象信息）表象信息：某些显示器可以呈现动态图象(比如，电视或电影)，也可呈现动态表象(比如，示波器显示的心率)另外也可以表现静态信息(比如照片、地图、图表)。v（6）识别信息）识别信息：显示器通常去确认某种状况条件和物体比如，确认危险，交通通路。识别通常是一种编码形式。v

30、（7）文字数字式和符号式的信息）文字数字式和符号式的信息：显示器呈现词、数字和有关的各种形式的编码信息比如，信号、标记、标语、音符、印刷材料，包括盲文印刷材料及计算机打印。这类信息通常是静态的，但在某些情况下它可能是动态的，比如在建筑物上由移动的光所呈现的标语。v（8）时相信息）时相信息：显示器呈现博动或时相信号，也就是按信号的持续时间、信号内的间隔来控制这些信号。比如摩尔斯电码和闪光通讯。6.26.2信息显示信息显示 v 6.2.2 信息显示的作用信息显示的作用v信息显示的作用大体可以分为主动执行和被动执行两个方面。主动执行是指信息显示后，要求信息的接受者（可以是高等智能体，也可以是智能机器

31、人等）必须给出恰当的回应。这里，以Web邮件系统给出显示的信息，要求用户必须提供用户名和密码等信息才能登陆个人邮件系统。这种情况下，Web邮件系统所显示的计算机界面信息，包括用户名、密码等输入信息就可以认为是信息的主动执行作用。v另一方面，信息系统完成信息的控制和执行作用，通常需要显示必要的信息，以驱动信息接受者的执行。但是，这种情况下，信息的接受者可以进行选择，考虑是否按照信息系统的本身目的和要求采取措施，或者采取进行其他的行为。比如，交通信号灯的控制，常识上，我们知道灯的不同颜色表达的不同含义。但是，很多时候，在红灯的时候，如果此时没有车辆行驶，我们当然可以选择按照红灯的指示含义，停下来；

32、也有人在虽然有红灯的情况下走过去，这显然是基于人们自身的判断（当然，从公共道德和交通安全规则来说，“看见红灯就应当停止前进”）。也就是说，无论红灯、绿灯并没有强制人们必须执行，而只是一种选择（当然要受到约束）。v将第二种情况推广，我们还可以提出一种更为广泛的形式，称为开放式信息的显示。这种情形下，信息的显示与接受信息的高等智能体之间是一种隐式的关系。可能是相关也可能无关，是一种复杂的、潜在的联系形式。仁者见仁，智者见智，就是对这种情况的概括。比如，众所周知，物理学家牛顿在苹果树下被苹果砸到头部，这个事件触发了他发明“万有引力”定律的灵感。而其他绝大部分的人，如果有同样的情形发生，也许是用袖子把

33、苹果擦干净，啃上两口。当然，想和做是开放的，没有人完全知道会发生什么作用。这是信息显示的开放式作用的表现。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v近年来，人们认识到最重要的是如何使用我们所有的感觉和信息沟通能力与计算机发生交互作用。在计算机系统中使用音频、视频、图形和动画等不只是常规计算机的扩充，而且是试图将计算机开发成一台“通用机器”，使它能完整地理解人的需要，并和人沟通信息，因此，一个易于使用的、形象直观的多媒体、多通道的信息显示系统将极大地改善系统的可用性。v(1)多媒体多媒体v媒体是信息的载体，分为感觉、表示、显示、存储和传输媒体。多媒体的定义多

34、种多样、人们从各自的角度出发对多媒体给出了不同的描述。如对于表示媒体，“多媒体”常常是指信息表示的多样化，常见的形式有文字、图形、图像、声音、动画、视频等形式，那些可以承载信息的程序、过程或活动的也是媒体。v多媒体的关键特性主要表现为信息载体的多样化、集成性和交互性三个方面。信息载体的多样化是相对于计算机而言的。把计算机所能处理的信息空间范围扩展和放大，不再局限于数值、文本或是被特别对待的图形或图像，这是使计算机变得更加人类化所必须的条件。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(1)多媒体多媒体v多媒体的第二个关键特性是交互性。它将向用户提供更加有效的

35、控制和使用信息的手段，同时也为应用开辟更加广阔的领域。交互可以增加对信息的注意力和理解，延长信息保留的时间。在单一的文本空间中，交互的效果和作用是很差的很难做到自由地控制和干预信息的处理。当多媒体交互性引入时，“活动”本身作为一种媒体介入了信息转变为知识的过程。借助于活动，我们可以获得更多的信息。例如，在计算机辅助教学中，可以人为地改变信息的组织过程，研究感兴趣的某些方面，从而获得新的感受。交互性一旦被赋予了多媒体信息空间，可以带来很多的好处。v多媒体的第三个关键特性是集成性，它是在系统级的一次飞跃。早期的各项技术是单一、零散的，但当各项技术发展到了相当成熟的程度，并且独立发展不再能满足应用的

36、需求时，就需要集成在一起。它包括多媒体信息媒体的集成和处理这些媒体的技术的集成。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(2)屏幕显示屏幕显示v屏幕是信息显示的主要手段之一，随着计算机的广泛使用，用户对其支持多任务的要求越来越强烈。因为在应用中各种用户经常会在多个任务间切换。例如程序员必须从程序代码转移到数据说明、或从过程调用转移到过程定义；科技论文的作者从撰写文本中转移到插入参考文献引文的出处，再复核实验数据再生成插图，再阅读以前的论文；航空公司订票员从在旅客预定的行程的工作转移到核对航班时刻表再选择安排座位；办工室工作人员则从写文档转移到电子报表再检

37、查电子邮件等等。所有这些情况都要求设计者要考虑各种各样的策略来管理和访问的相关信息的多窗口。图6.15为航班信息显示视图。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(3)字符的显示字符的显示v国家标准汉字字符集GB2312-80共收集了共7445个汉字和图形符号，其中汉字6763个，分为二级，一级汉字3755个，二级汉字3008个。汉字图形符号根据其位置划分为94个“区”，每个区包含94个汉字字符，每个汉字字符又称为一个“位”。区的序号和位的序号都是从01到94，UCDOS软件中的文件HZK16和文件ASC16分别为1616的国标汉字点阵文件和816的AS

38、CII码点阵文件，以二进制格式存储。在文件HZK16中，按汉字区位码从小到大依次存有国标区位码表中的所有汉字，每个汉字占用32个字节，每个区为94个汉字。在文件ASC16中按ASCII码从小到大依次存有816的ASCII码点阵，每个ASCII码占用16个字节。v在PC机的文本文件中，汉字是以机内码的形式存储的，每个汉字占用两个字节：第一个字节为区码，为了与ASCII码区别，范围从十六进制的0A1H开始（小于80H的为ASCII码字符），对应区位码中区码的第一区；第二个字节为位码，范围也是从0A1H开始，对应某区中的第一个位码。这样，将汉字机内码减去0A0AH就得到该汉字的区位码。6.26.2信

39、息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(4)字段的布局字段的布局v在设计中考察不同的布局会是一种有用的手段。这些设计选择方案应在显示屏幕上直接开发，通过对比，选取更好的布局。例如一个含有配偶以及孩子的信息的雇员记录可能粗糙的显示如下：v李孝国034787331王娟v李良102974v李莉 082177v李强090872v这个记录或许包含了某一任务的必要信息，但是从中摘取信息会很慢且易于出错。使用数据标题，这对大多数用户理解数据含义十分有用，并把有关孩子们的信息缩进几格对表示这些重复的字段的归类有帮助：v雇员姓名：李孝国 身份证号码：034-78-7331v配偶姓名：

40、王娟v子女姓名 生日v李强 090872v李良 102974v李莉 082177 6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(5)图形与图像图形与图像v计算机屏幕上显示出来的画面与文字，通常有两种描述方法：一种方法称为矢量图形或几何图形方法，简称图形(graphics)。另一种描述画面的方法叫做点阵图像或位图图像方法，简称图像(image)。v矢量图形是用一个指令集合来描述的。这些指令描述构成一幅图的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等的位置、维数和大小、形状、颜色。显示时需要相应的软件读取这些指令，并将其转变为屏幕上所显示的形状和颜色。产生矢量图形的程序通常

41、称为绘图(draw)程序，它可以分别产生和操作矢量图形和各个片断，并可任意移动、缩小、放大、旋转和扭曲各个部分，即使相互覆盖或重叠也依然保持各自的特性。生成位图图像的软件工具通常称为绘图(paint)程序，可以制定颜色画出每个像素点来生成一幅画。它所需空间比矢量图形大很多，因为位图必须指明屏幕上显示的每个像素点的信息。但显示一幅图像所需的CPU计算量要远小于显示一幅图形的CPU计算机，这是因为显示图像一般只需把图像写入到显示缓冲区中，而显示一幅图形则需要CPU计算组成每个图元(如点、线等)的像素点的位置与颜色，这需要很强的CPU计算能力。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本

42、方法信息显示的基本方法v(5)图形与图像图形与图像v图像在存储媒体中的存储格式称为文件格式，此格式因软硬件制造商的不同而不同。常见的文件格式有以下几种：vPCX格式格式v最初由Z-SOFT公司为其图像处理软件PC Paintbrush设计的文件格式。它是目前使用最广泛的文件格式之一。该格式比较简单，使用游程长度编码(RLE)方法进行压缩，压缩比适中，适合于一般软件的使用，压缩和解压缩的速度都比较快。另外，由各种扫描仪扫描得到的图像几乎都能存成PCX格式。vBMP和和DIB格式格式vDIB是windows所使用的与设备无关的点位图文件存储格式。vBMP是标准的windows和OS/2的图像格式的

43、基本位图格式。该文件格式比较简单，并且为了图像处理的方便，用BMP文件格式存储的图像数据都不能压缩，因此图像文件较大。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(5)图形与图像图形与图像vGIF格式格式vGIF(graphics interchange format)格式，译为图形交换格式，由Compuserve公司设计开发，便于在不同的平台上进行图像交流和传输。目前，Internet网的web浏览器(如Netscape，IE)一般都采用GIF格式处理图形数据。GIF是使用LZW压缩方法的主要图形文件格式。因此，文件压缩比较高，长度较小。vTIF格式格式v

44、TIF(tag image file format)格式由Aldus和Microsoft合作开发，最初用于扫描仪和桌面出版业，是工业标准格式，支持所有的图形类型，同时被许多图形应用软件(如CorelDraw，Photoshop等)所支持。TIF格式文件分为压缩和非压缩两类。非压缩的TIF文件独立于软硬件，但压缩文件要复杂多了，图形文件压缩后，格式改为TIEF格式。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v(5)图形与图像图形与图像vJPG和和PIC格式格式vJPG和PIC原是Apple Mac机器上使用的一种图形格式，都是用JPEG压缩标准进行图像数据压缩

45、，在PC机上十分流行。其持点是文件非常小，而且可以调整压缩比。vJPG文件的显示比较慢，仔细观察图像的边缘可以看出不太明显的失真，因为JPG的压缩较高，非常适用于要处理大量图像的场合。vPCD格式格式vPCD格式是Kodak公司开发的电子照片文件存储格式，是PhotoCD的专用格式，一般部存储在CDROM上，读取PCD文件要用Kodak公司出品的专门软件。由于PhotoCD的应用格式非常广，现在许多文件如Photoshop和Corel Draw都可以将PCD文件转换成其他标准的图像文件。6.26.2信息显示信息显示 v6.2.3信息显示的基本方法信息显示的基本方法v（6）自然语言对话）自然语言

46、对话v人们希望有朝一日计算机能很容易地响应用户以自然语言键入或口述发出的命令，人们用一种熟悉的自然语言(如汉语、英语)给出指令并接收相应的计算机操作方式。计算机通过自然语言文本的生成技术自动形成报告。（7）语音识别与生成）语音识别与生成v语音识别与生成是人机语音通信的一个重要组成部分。语音合成可以分为两类，一类是语音的参量编码，即压缩语音的存储和回放。例如线性预测编码(LPC速率为2.4Kb/s)，码激励线性预测(CELP速率4.8Kb/s)，多脉冲激励线性预测(MPLP速率9.6Kb/s)。v另一类是语音的规则合成，或者称文语转换(Text to Speech)。最有名的系统是美国麻省理工学院(MIT)的Dectalk系统和瑞典皇家理工学院传输实验室的KTH系统。MIT是以共振峰合成，而KTH是用共振峰对声道的对应关系再转换为零、极点位置和滤波器系数来实现的，这类机器都对发音规则进行了比较充分的研究，是电子学专家和语音学家共同努力的结果。