书城科普日新月异的信息科学(新编科技大博览·A卷)
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第10章 电子计算机技术(9)

从计算机外部设备的角度来看,多媒体在原有的硬盘、软盘的基础上,增加了CD—ROM驱动器、声音卡、视频卡、解压卡等设备。

从计算机系统的角度来看,多媒体是用计算机把多种信息媒体集成并控制处理的系统。

究竟什么是多媒体呢?由于多媒体这个概念涵盖了太多的领域,目前对多媒体还没有一个统一的权威性定义。下面介绍一个能较好地反映多媒体特征的定义:多媒体是能够同时采集、处理、编辑、存储和展示两个以上不同类型的信息媒体的技术。这些信息媒体包括:文字、图形、图像、音乐、动画、活动影像等。

多媒体计算机包括多媒体化的个人计算机、多媒体工作站和多媒体专用机。我们日常接触的是多媒体个人计算机(MPC)。多媒体个人计算机主要包括两大系列,即IBM/PC系列和Apple/Macintosh系列。目前在我国MPC系列计算机的拥有量占绝对多数。为了推广多媒体个人计算机,“多媒体微机市场协会”制定了MPC标准,现在使用的是MPC Level 2标准。

中国独立研制的电子计算机

早在1956年,我国就制定了《1956—1957年科学技术发展远景规划纲要》,把计算技术作为紧急措施来抓。从1958年第一台电子管计算机103机的诞生到现在,我国曾独立研制了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大型系列计算机和巨型机共几百种电子计算机。目前我国正以东方巨人的步伐追赶世界电子计算机技术的先进水平。

从1958年到1972年的15年时间内,我国自行研制生产了多种计算机。其中有1958年8月1日诞生的103机,内存容量1024字节,运算速度1500次/秒。1959年10月研制成功的大型通用电子管计算机104机,内存容量为2048字节,运算速度为1万次/秒,它曾为我国国民经济和国防部门解决了许多重大问题。1964年我国陆续推出了一批晶体管计算机,机型有109乙,109丙,108乙,320以及411B等共十个品种,这批计算机对我国国防现代化的进程发挥了重大作用。1971年,我国研制成功了150型计算机,这是一种第三代集成电路计算机。至此,我国研制的计算机还没有形成系列产品。

中国自行设计、研制成功的第一台亿次巨型电子计算机1974年召开全国计算机专家会议后,我国提出了计算机要系列化、标准化、通用化的方针和发展微型机及汉字信息处理技术的决策。此后电子工业部同大专院校结合,集中力量开发国产系列机,当年制造了DJS-130计算机,这是我国第一个国产系列机(DJS-100系列)。1979年,我国又研制成功了DJS-140系列计算机。到1982年,我国推出了DJS-150系列计算机,该系列计算机采用了国内元器件研制生产的硬件系统。这时,我国初步形成了自己的民族计算机工业。从1958年至1982年,我国共研制成各种计算机200余种,24年共生产中小型系列机3400余台,微型系列机5000余台。

1983年,我国研制成功757大型向量流水机,每秒向量运算1000万次。同年,银河亿次巨型向量机投入运行,标志着我国开始了巨型计算机的研制生产工作。同年又开发了DJS-1000系列国产机,1989年,我国的第一个分组交换试验网CNPAC正式开通,建立了三个节点交换机和8个集中器。1993年,我国又兴建了规模更大的公共数据交换网CHINAPAC。1994年11月19日,我国自行设计、自生开发的第一台10亿次巨型计算机银河-Ⅱ通过鉴定,标志着我国已经掌握了并行巨型机的技术。紧接着,1995年又研制成功了曙光1000并行机和奔月计算机。曙光1000并行机的峰值运算速度达25亿次/秒,可广泛应用于气象预报、石油勘探与地震预测等数据处理及科研领域。奔月计算机采用了最新的Pentium Pro处理器。由中国科学院半导体所研制成功的数模混合小型神经计算机,即“预言神一号”,是按照人类和动物大脑结构进行运算的一种崭新的计算机。

分子计算机

研究人员正在开发与目前使用的电子计算机截然不同的新计算机,分子计算机就是其中之一。

电子计算机是通过硅芯片上的电子来传送信息,而分子计算机是以生物分子(DNA和蛋白质等)的碱基排来传输信息,通过分子之间的化学反应来进行运算。如果在试管里加入经过适当加工的DNA(脱氧核糖核酸),就可以随意进行碱基排列,进而得出运算结果。

分子计算机有超排列性、节能性和小型的特点,前景非常看好。值得一提的是,分子计算机在电子计算机很难解决的排列问题上可以大显身手。

分子计算机的最初设想并无多大新意,其基本想法认为“计算”不是计算器和计算机独有的东西,而存在于人类所处的自然现象中。例如在往地上撒沙子时,尽管沙粒一颗颗往下落,但却可以形成一座呈放射状的沙山。可以认为,这种现象中包含形成放射状沙山的“计算”。

一般来讲,通常所说的“计算”有一些明确的目的。即使沙山中存在错综复杂的“计算”,也不能帮助我们检索出最短的出差路线。问题在于,我们如何控制这种自然界存在的“计算”能力,使之有目的地运算。

经过特殊培养后制成的生物芯片,可作为新型高速计算机的集成电路南加利福尼亚大学研究人员1994年首次成功地进行了这一试验,即在解决排列问题上加以应用。虽然此次试验规模很小,但充分预示了未来的可能性。以这一试验为契机,世界各国的开发工作变得活跃起来。

2002年1月,由日本奥林巴斯光学工业公司和东京大学组成的天空小组,成功地研制出用于解读基因的DNA计算机。这是一种由DNA计算部分和电子计算部分组成的混合计算机,在试管阶段的研究上迈进了一步,是世界上第一台有实用性的DNA计算机。今后,经过鉴定试验后,DNA计算机可望在基因诊断方面得到应用。

现阶段,分子计算机有望在解读需要进行大量计算的基因序列,以及在人体内进行诊断的医疗计算机等方面加以应用。分子计算机的用途现在还很有限,恐怕今后也不可能完全取代电子计算机。

然而,在研制出电子计算机的初期,其主要用途是进行特殊的科学技术计算,甚至有人预测世界上只有数台的需求量。未来10年、20年,也许还会出现令人耳目一新的台式计算机和掌上计算机。

光计算机和量子计算机

光计算机是由光子元件构成的,利用光信号进行运算、传输、存储和信息处理的计算机。光计算机的运算器件、记忆器件和存储设备的工作都是用光学方法来实现的,也就是利用光子代替电子传递信息的计算机。光计算机具有电子计算机的全部功能。但由于光子以每秒30万公里的速度平行传播,是电子运行速度的300倍,所以,光计算机与电子计算机相比,具有以下几个突出特点:

光计算机具有N×N的并行处理能力。光的平行传播性,可以保证成千上万条光同时穿越一块光子元件的不同通道而不会互相干扰。

光计算机计算精度高,运算速度极快。比现行电子计算机运算速度快一千倍。

光的信息携带能力强。光通道携带的信息比电通道多2×104倍,光子存储器能够快速和并行存取数据。

光计算机按工作原理可分为模拟式和数字式两种。模拟式是利用光学图像的二维性直接进行运算,而数字式完全采用电子计算机的技术结构,只是用光子逻辑元件取代电子逻辑元件。在20世纪80年代欧洲就开始研制光计算机,据悉,1984年5月欧洲八所大学联合研制成了世界上第一台光计算机。90年代初美国也研制出了光计算机的模型机。目前,单元的光学逻辑器件、光开关器件、光存储器件已经问世;作为光计算机的外部存储设备的光盘技术已相当成熟。21世纪光计算机的应用将会成为现实。

如果计算机的体积在将来要进一步变小,计算机元件的尺寸也会相应变得非常之小。不过,当计算机微型化发展到一定程度时,就必须用新技术来补充或取代现有的技术。80年代初,经过美国阿贡国家实验室的研究,证明了一台计算机原则上可以以纯粹量子力学的方式运行。由于微小的粒子(如原子)只能以分立的能态存在,当原子从一个能态变到另一个能态时,要吸收或放出光子,而量子波又具有迭加性,一位量子信息只有两种可能情况中的一种,类似于数学的二进制。研究人员利用粒子的自旋转,成功地进行了简单的两位量子的逻辑运算。实验证明可以建立通用量子逻辑门(NOT、COPY、AND),再通过光纤把这些量子逻辑门连在一起,穿过光纤或单个光子能够把信息位从一个逻辑门运送到另一个逻辑门。这样,在理论上就可以成为一台量子计算机了。

量子计算机是通过使处理数字信息的人们熟知的分立特性与量子力学奇异的分立特性相对应而进行计算的。在量子计算机中半翻转的量子位则开辟了新型计算的途径。量子计算机具有量子并行性和运行速度非常快的特点,它可以用于模拟其他的量子系统,可以用于大数的分解因子。现在量子计算机正在研制实验阶段。

电脑制作影视特技

电脑制作影视特技是电影制作技术与计算机的结合。有人形象地比喻:电脑制作影视特技=好莱坞+硅谷。实际上,它是电脑绘画技术在电影特技动作上的广泛应用。

为什么电脑可以创造影视特技和营造各种场景呢?这要归功于多媒体计算机的问世和电影特技制作软件,二者缺一不可。影视特技包括图像和声音两类。电脑音频视频编辑软件系统Adobe Premiere具有剪辑、插入、画中画、水平移动、重复图像、多音轨混声、声音加回音等几十种功能,利用这些功能,能够创造出淡出淡入、飞入飞出、翻转、伸缩、滤波变形等特技效果。而电影特技制作软件ALIAS具有造型功能、数字光学功能、模显骨骼与皮肤功能、人物性格塑造功能以及纹理库。在电影特技制作软件的支持下,使用多种灵活的造型工具,可以生成任意复杂的形状;可用光线直接生成雷、电、雨、雪、雾等自然景观;可通过调整骨骼运动来塑造人物并控制人体或动物的运动;也可塑造人物性格及表情;还可利用复制技术生成气势宏大的千军万马。

在电脑特技效果中,好莱坞性感女星玛莉莲·梦露竟然挽着美国南北战争时期林肯总统的胳膊下面以“硅图像”公司利用图像计算机为好莱坞制作《侏罗纪公园》为例,介绍用电脑制作栩栩如生的恐龙的情况。

“硅图像”公司用来设计《侏罗纪公园》中恐龙和其他动物图像的计算机装有特殊的芯片和软件程序,使计算机产生的图像具有高清晰度和立体感,再以每秒30次的速度更新图像,从而产生动作。首先,计算机画出电影画面草图,在草图中画出恐龙的三维图像,标出每块骨骼的位置,在骨骼上增加肌肉,这样就在计算机屏幕上制作出了一头巨大的恐龙。然后,使用图像处理技术将恐龙图像加工制作成生动有趣的恐龙,又通过复制技术制作各式各样的恐龙,于是在一张画面上就出现了十几头恐龙。再调整恐龙骨骼运动,使恐龙“活”起来。最后,把恐龙的动作按每秒24幅连续变化的静止画面制作成电影底片,这样就可以在银幕上表现恐龙快速奔跑、凶狠捕食的场景。

影片《侏罗纪公园》中出现了一只长颈恐龙吃树梢的画面。这是拍摄时先用起重机的长臂使树梢摆动起来,然后用电脑技术将起重机从画面中抹去,再用恐龙来代替。

利用电脑制作影视特技,为影视制作提供了全新的手段,使人们在电影、电视中看到了在现实中无法看到的壮观景像和奇特表演。