解密0101：信息在计算机中的奇妙旅程

如果问起身高的单位是什么，你自然会想到厘米或米；如果问起存储在计算机中的信息的单位是什么，你能脱口而出还是有些犹豫？你会想到什么呢？

在当今这个信息时代，我们使用手机、计算机等设备来记录和存储生活中的点点滴滴，于是有了文字、图片、声音、视频等各种形式的信息。这些信息在手机或计算机中是如何存储的呢？笔者将通过解密一封特殊的信来回答这一问题。

计算机“眼中”的文本

这封“见字如面”的信比较长，内容也比较特殊，只有0和1。它会包含哪些信息呢？这就需要我们一起来解密这些0和1。

在信的第一行，有5段01串（仅由数字0和1组成的字符串），每段有8位0或1。计算机中的存储单位是字节，一个字节等于8个二进制位。什么可以用一个字节来存储呢？ASCII码。对照图3这张表，信的第一行那5段01串，就对应着字符“Dear：”。

标准ASCII码表中定义了大小写英文字母、数字等字符在计算机中的编码，是用一个字节来存储的。表中的每个字符，除了二进制数，还有十进制数、十六进制数。这3种进制数其实表示的是同一个数值，十进制、十六进制可以方便我们阅读和理解。如小写字母a，用十进制表示是97，用十六进制表示是61，用二进制表示则是01100001。这3个进制数，可以使用计算机中自带的计算器（图4）来进行转换。

信的第二行，每段有16位0或1，正好对应两个字节的编码存储，会是汉字吗？汉字会有类似的ASCII码表吗？

计算机“眼中”的汉字是0和1，我们眼中的汉字应该是图5这样的。因为汉字数量众多，所以编码表被分为多个区域，要找一个汉字，得先找到区号，再看它在这个区中的哪个位置。例如“宝”字，它在编码表中的区域编号是B1（区域编号位于表的左上角），在B1区的A行5列，所以“宝”字的编码就是B1A5。这是十六进制数，存储到计算机中，还要转换成对应的二进制数。

对于信的第二行5段16位01串，你可以先用计算器转换成十六进制数，然后对照图5，找出对应的5个汉字——“我是冰墩墩”。图5只是汉字编码表中的一小部分，如果某个字符在编码表中没有，则会出现乱码。因此，就有了涵盖世界上主要文字字符的全球共享编码字符集Unicode。

计算机“眼中”的图像

图6是计算机“眼中”的冰墩墩，将0替换成白色、1替换成黑色，就变成我们眼中的冰墩墩（图7），这里的每个黑点或白点就是一个像素，对应着0或1。图7这张冰墩墩的宽度有100个像素点，高度有50个像素点，总共用了5 000个像素点。和图8中36万个像素点的冰墩墩对比一下可以发现，要让图像更清晰，同样尺寸下，像素点越多越好。现在手机厂商宣传手机的拍照效果时，一个重要的参数就是摄像头的像素。

黑白冰墩墩图中，每个像素点只用一位二进制位记录颜色，所以只有两种颜色可选，如果每个像素点多用些二进制位记录，可选的颜色就多些。例如使用8位二进制位进行记录，就有256种颜色（2⁸=256）。除了黑白色，还有黑白之间的过渡色——灰色，图9中的冰墩墩就是8位灰度图。我们常见的是24位的真彩色，图10就是24位真彩色的冰墩墩。

图像中的每个像素点记录颜色所用二进制的位数，称为“图像量化位数”，又称“图像深度”，图10的量化位数就是24位。

一般情况下，图像的大小跟图像的分辨率以及图像量化位数有关，计算公式：位图图像文件大小=图像分辨率×图像量化位数÷8（单位为字节）。

根据公式可以计算出，一个5 000万像素、24位真彩色的图片大小，大约为143MB（兆字节）。因此，也不能片面追求高像素，它会占用很大的存储空间。实际生活中，我们拍出的5 000万像素照片只有几十兆字节，那是对照片进行了压缩。常见的图片格式jpg，其实就是图像压缩技术标准的名称。

计算机“耳中”的声音

那封特殊的信中有01编码的文字、图像，会有声音的编码吗？

我们知道，声音是一种波。冰墩墩图像后面还有那么多的01数字串，选择其中的一小部分，先转换成熟悉的十进制数，在坐标轴上标记下来，连成线，曲线中添加的点越多，曲线就更细腻，更接近声音的波形图，如图11所示。将全部的点添加好后，利用声音处理软件展示类似的波形，就可播放出声音了，信中的声音内容是“交个朋友吧”。

对照刚才还原声音波形的过程，反过来想，如何把声音存储到计算机中呢？

首先是采样，把声波按适当的时间间隔，得到各个时刻的样本。从图上可以看出，一定时间内，采的点越多，则描出的曲线和波形图越接近。计算机使用采样频率来表示，常见的CD音质的采样频率是44.1kHz（1秒采集44 100个样本点）。样本点有了，接着就用数值来具体衡量这些点，这个过程称为“量化”。量化位数的多少，同样决定了声音的质量（坐标轴纵轴的动态范围）。如果就用1位二进制来进行量化，量化等级只有两个。量化等级越多，表示范围就越广，就越能还原真实声音的波形。最后，把量化后的值转换成对应的二进制数，这就是编码。

总的来说，一个声音存储到计算机中，需要3个步骤：采样、量化和编码。采样频率越大、量化位数越多，越能接近真实的声音，但是也带来一个问题，就是文件也会变得越大，计算公式：声音的大小=采样频率×量化位数×声道数×时间÷8（单位为字节）。真正存储到计算机中时，还需要对声音进行压缩，常见的音频文件MP3就是一种音频压缩技术。

在这封信里，还可以添加视频的编码，可以结合图像和声音的编码来操作。当然，实际的编码要复杂得多。

（特约编辑：孙晓明）