计算机科学（二）

一、屏幕与图形

1. 压缩

• 游程编码 Run-Length Encoding：出现连续相同值时，使用额外字节统计次数，并使用统一格式表示不同
• 无损压缩 Lossless compression：没有损失任何数据的压缩
• 霍夫曼树 Huffman Tree
• 字典编码 Dictionary Coders
• 感知编码 Perceptual coding ：删掉人类无法感知的数据的有损压缩方法，叫做“感知编码”，如音频文件，人类听不到超声波，所以可以舍去，MP3就是音频的一种压缩形式
• 有损压缩 ： 如JPEG 损失了部分像素点的信息
• 时间冗余Temperal redundancy：一个视频由很多图片构成，其中很多图片的背景一样，这就构成了时间冗余，很多视频编码格式，只存变化的部分。进阶的视频压缩模式会找到帧与帧的相似性，然后打补丁，MPEG-4 是视频压缩的常见标准。

2. 人机交互 （Human-Computer Interaction）发展史

• 早期输出数据是打印到纸上，而输入是用纸卡/纸带一次性把程序和数据都给进去
• QWERTY 打字机的发展
• 1950年代，电传打字机 Teletype machine：用于发电报，使两人可以远距离沟通
• 1970年代末，屏幕成为标配，使用命令行界面

3. 图形显示发展

• 早期是PDP-1 计算机：键盘和显示器分开，屏幕用于显示临时值
• 阴极射线管Cathode Ray Tube (CRT)进行矢量扫描 Vector Scanning和光栅扫描 Raster Scanning
• 液晶显示器 Liquid Crystal Displays (LCD)，像素 (Pixel)：随着显示技术的发展，出现了LCD，LCD 也用光栅扫描。在屏幕上显示的清晰的点，叫"像素"
• 字符生成器 Character generator：相比于像素，为了减少内存，人们更喜欢使用字符，计算机需要额外硬件，来从内存读取字符，转换成光栅图形，这样才能显示到屏幕上个硬件叫 "字符生成器"，基本算是第一代显卡。它内部有一小块只读存储器，简称 ROM，存着每个字符的图形，叫"点阵图案"
• 屏幕缓冲区 Screen buffer：为了显示，"字符生成器" 会访问内存中一块特殊区域 这块区域专为图形保留，叫 屏幕缓冲区，程序想显示文字时，修改这块区域里的值就行
• 矢量命令画图：所有东西都由线组成,矢量指令可以画出线，把许多矢量指令存在硬盘上，就能画出很多由线组成的复杂图形。
• Sketchpad, 光笔 (Light pen)，位图显示和画矩形
  • Sketchpad ，一个交互式图形界面，用途是计算机辅助设计 (CAD)。
  • 光笔，就是一个有线连着电脑的触控笔，有了它们，用户可以画出很完美的线条并进行缩放等操作
  • 位图显示，内存中的位对应着屏幕上显示的像素。想画更复杂的图形，如画矩形，我们需要四个值，起点的x y坐标，高度和宽度。

4. 冷战和消费主义

• 早期靠政府资金，让技术发展到足够商用，然后消费者购买商用产品继续推动产品发展
• 冷战导致美国往计算机领域投入大量资源，范内瓦·布什 预见了计算机的潜力，提出假想机器 Memex，帮助建立 国家科学基金会，给科学研究提供资金
• 1950 年代消费者开始买晶体管设备，收音机大卖
• 日本取得晶体管授权后，索尼做了晶体管收音机，为日本半导体行业崛起埋下种子
• 苏联 1961 年把宇航员加加林送上太空，导致美国提出登月，NASA 预算大大增加，用集成电路来制作登月计算机
• 美国造超级计算机进一步推进集成电路
• 美国半导体行业一开始靠政府高利润合同活着，忽略消费者市场，1970年代冷战渐消，行业开始衰败，很多公司倒闭，英特尔转型处理器 

5. 个人计算机革命

• 1970年代初成本下降，个人计算机变得可行
  • RAM：random-access memory 随机访问存储器
  • ROM：read-only memory 只读存储器
  •  Altair 8800 第一台取得商业成功的个人计算机
• 比尔·盖茨 和 保罗·艾伦写 BASIC 解释器，解释器和编译器类似，区别是解释器运行时转换，而编译器提前转换
• 乔布斯提议卖组装好的计算机，Apple-I 诞生，贵，没有在市场上流行
• 1977年出现3款开箱即用计算机："Apple-II"，"TRS-80 Model I"，"Commodore PET 2001"
• IBM 意识到个人计算机市场，IBM PC 发布，采用开放架构，兼容的机器都叫 IBM Compatible (IBM 兼容)，因为用户多，软硬件开发人员更愿意花精力在这个平台，因为软硬件多，用户也更乐意买 "IBM 兼容" 的计算机
• 苹果选封闭架构，一切都自己来，只有苹果在非 "IBM 兼容" 下保持了足够市场份额

6. 图形用户界面 (GUI)历史

GUI是“事件驱动编程”，代码可以在任意时间执行以响应事件，而不像传统代码一样自上而下

 

• 图形界面先驱：道格拉斯·恩格尔巴特（Douglas Engelbart）——设想计算机成为未来知识性员工应对问题的工具，并发明了鼠标
• 1970年成立 帕洛阿尔托研究中心（Palo Alto Research Center）
• 1973年完成 Xerox Alto(施乐奥托) 计算机——创立了桌面，窗口等计算机概念
• 1981年的 Xerox Star system(施乐之星系统)创建了文档概念
• 所见即所得 WYSIWYG——施乐打印出来的东西和计算机上一样，并发明了剪切 复制 黏贴等计算机概念
• 史蒂夫·乔布斯去施乐参观，1983年推出 Apple Lisa
• 1984年推出 Macintosh 成功
• 1985年推出 Windows 1.0，之后出到 3.1
• 1995年推出 Windows 95 提供新的图形界面，并有Mac没有的新功能，如多任务和受保护内存
• 1995年微软做失败的 Microsoft Bob——类似于房子的设计

7. 3D 图形

• 线框渲染 Wireframe Rendering：有图形算法 负责把3D坐标"拍平"显示到2D屏幕上，这叫3D投影(包括正交投影和透视投影)，所有的点都从3D转成2D后，就可以用画2D线段的函数来连接这些点，这叫线框渲染
• 网格 Mesh：如果我们需要画比立方体复杂的图形，三角形比线段更好，在3D图形学中我们叫三角形"多边形"(Polygons)，一堆多边形的集合叫 网格，网格越密，表面越光滑，细节越多
• 扫描线渲染 Scanline Rendering——填充图形的经典算法，填充的速度叫做填充速率

• 抗锯齿——边缘羽化，如果像素在多边形内部，就直接涂颜色，如果多边形划过像素，颜色就浅一些
• 遮挡 Occlusion：用排序算法，从远到近排列，然后从远到近渲染，这叫画家算法，按顺序依次填色
• 深度缓冲 Z Buffering：Z-buffering 算法会记录场景中每个像素和摄像机的距离，在内存里存一个数字矩阵，首先，每个像素的距离被初始化为"无限大"，然后 Z-buffering 从列表里第一个多边形开始处理，也就是A，它和扫描线算法逻辑相同，但不是给像素填充颜色，而是把多边形的距离和 Z-Buffer 里的距离进行对比，它总是记录更低的值，因为没对多边形排序，所以后处理的多边形并不总会覆盖前面的。
• 背面剔除 Back Face Culling：由于游戏角色的头部或地面，只能看到朝外的一面，所以为了节省处理时间，会忽略多边形背面，这很好,但有个bug是 如果进入模型内部往外看，头部和地面会消失
• 表面法线 Surface Normal：在3D图形上任取一小个区域，它面对的方向叫“表面法线”
• 平面着色 Flat Shading：基本的照明算法，缺点是使多边形边界明显，看上去不光滑
• 高洛德着色 Gouraud shading, 冯氏着色 Phong Shading等不只用一种颜色上色
• 纹理映射 Texture Mapping：纹理有多种算法来达到花哨效果

　　　　

 

 

• 图形处理单元 GPU, Graphics Processing Unit：方便并行处理多个图形，并把图形分成一个个小块来处理

二、计算机网络

1.计算机网络

• 局域网 Local Area Networks - LAN：计算机近距离构成的小型网络，叫局域网（LAN），以太网是经典的局域网
• 媒体访问控制地址 Media Access Control address - MAC：用于确认局域网和WiFi传输的对象
• 载波侦听多路访问 Carrier Sense Multiple Access - CSMA：多台电脑共享一个传输媒介，叫做载波侦听多路访问，共享媒介又称载体，如WiFi的载体是空气，以太网的载体是电线。载体传输数据的速度叫带宽，
• 指数退避 Exponential Backoff：当多台计算机同时想要传输数据时，就会发生冲突，当计算机检测到冲突 就会在重传之前等待一小段时间，，这一段时间包括固定时间+随机时间，再次堵塞时固定时间将会指数级增加，这叫做指数退避。
• 冲突域 Collision Domain：载体和其中的设备总称为“冲突域”，为了避免冲突，可以用交换器
• 电路交换 Circuit Switching：缺点：不灵活且数量昂贵
• 报文交换 Message Switching：报文的具体格式简称IP，每一个电脑都会有一个IP地址，可以用不同路由，通信更可靠也更能容错。但是当报文比较大的时候，会堵塞线路。解决方法是 将大报文分成很多小块，叫"数据包"，来进行运输，这叫“分组交换”。路由器会平衡与其他路由器之间的负载 以确保传输可以快速可靠，这叫"阻塞控制"
• "跳数"(hop count)：消息沿着路由跳转的次数，看到哪条线路的跳数很高，说明出了故障，这叫跳数限制。

2. 互联网

• 电脑连接互联网的过程：你所用的电脑首先要连接到局域网，家里WiFi路由器连着的所有设备，组成了局域网，局域网再连到广域网（WAN），广域网的路由器一般属于你的互联网服务提供商（ISP），再连更大的WAN，往复几次，最后连到互联网主干
• IP - 互联网协议 - Internet Protocol：IP负责把数据包送到正确的计算机
• UDP - 用户数据报协议 - User Datagram Protocol：UDP负责把数据包传送到正确的程序，有端口号（哪个程序），校验和（数据是否损坏），没有数据修复和重发的机制，也无法预知数据包是否到达

　　

• 校验和 - Checksum：UDP校验和只有16位，超过这个数，弃高位。
• TCP - 传输控制协议 - Transmission Control Protocol：如果要控制所有数据必须到达，就用传输控制协议
  •  控制发送的文件按顺序到达
  • 要求接收方确认无误后发送确认码（ACK），确认码的成功率和来回时间可以用来推测网络的拥堵程度，TCP可以根据这个调整传输率。由于这个特点，TCP对时间要求高的程序不适用
  • 可以批量发送，进行数据修复和重发
• DNS - 域名系统 - Domain Name System：计算机访问网站时需要两样，IP地址和端口号，但记数字很难，所以互联网通过域名系统把域名和IP地址一一对应。域名系统是树状结构

• OSI 模型
  • 物理层：线路里的电信号以及无线网络的无线信号，设备
  • 数据链路层：转换成数字信号，主要有媒体访问控制地址MAC,碰撞检测，指数退避等操作
  • 网络层： 负责报文交换和路由
  • 传输层： 计算机点对点的交流数据，UDP,.TCP， 进行数据检测和修复
  • 会话层：创建计算机点对点的连接
  • 表示层：
  • 应用程序层：

 

 

3. 万维网

• 超链接：Hyperlinks，点超链接可以去到另一个页面，文字超链接又叫超文本
• 状态码： 访问网页的状态
• URL： 网址，统一资源定位器 - Uniform Resource Locator
• HTTP - 超文本传输协议 - HyperText Transfer Protocol

 

• HTML - 超文本标记语言 - HyperText Markup Language

• 万维网发展史
  • 第一个浏览器和服务器是 Tim Berners-Lee 花了 2 个月在 CERN 写的
  • 1991年万维网就此诞生
  • Jerry 和 David 的万维网指南 后来改名成 Yahoo
  • 搜索引擎 JumpStation：（包括爬虫 索引 用法）
  • 搜索引擎 Google：改进排序方法，按照链接指向的多少来排序
  • 网络中立性： 每个数据包优先级相同

4. 网络安全

• 计算机安全：计算机为了安全，要实现三性
  • 保密性：只有有权限的人，才能读取计算机系统和数据
  • 完整性：只有有权限的人，才能使用和修改系统和数据
  • 可用性：有权限的人，可以随时访问计算机系统和数据
• Threat Model 威胁模型：为了实现这三个目标，安全专家会从 \N 抽象层面想象"敌人"可能是谁，这叫"威胁模型分析"，模型会对攻击者有个大致描述：能力如何，目标可能是什么，可能用什么手段，攻击手段又叫"攻击矢量"，"威胁模型分析"让你能为特定情境做准备，不被可能的攻击手段数量所淹没
• 身份验证 (Authentication) 的三种方式：
  • What you know, 你知道什么， 用户名和密码
  • What you have, 你有什么，钥匙凭证
  • What you are, 你是什么，  虹膜识别，人脸识别
• 访问控制 Access Control：Bell LaPadula model 不能向上读取，不能向下写入
• 安全内核：安全内核应该有一组尽可能少的操作系统软件，和尽量少的代码
• 独立安全检查和质量验证是最有效的验证手段
• 隔离 Isolation, 沙盒 Sandbox：优秀的开发人员，应该计划当程序被攻破后，如何限制损害，控制损害的最大程度，并且不让它危害到计算机上其他东西，这叫"隔离"。
• 要实现隔离，我们可以"沙盒"程序，这好比把生气的小孩放在沙箱里，他们只能摧毁自己的沙堡，不会影响到其他孩子，方法是给每个程序独有的内存块，其他程序不能动。一台计算机可以运行多个虚拟机，如果一个程序出错，最糟糕的情况是它自己崩溃，或者搞坏它处于的虚拟机

5. 黑客与攻击

• 社会工程学 Social Engineering：欺骗别人获得信息，或让人安装易于攻击的系统，如钓鱼 Phishing、假托 Pretexting、木马 Trojan Horses、NAND镜像 NAND Mirroring:来避免输错密码后等待
• 漏洞利用 Exploit：如缓冲区溢出 Buffer Overflow，解决方案：边界检查 Bounds Checking和金丝雀，留出一些不用的空间，当空间变少时，说明有攻击者乱来
• 代码注入 Code Injection：把代码注入到程序中，造成混乱
• 零日漏洞 Zero Day Vulnerability：当软件制造者不知道软件有新漏洞被发现了，这个漏洞被称为“零日漏洞”
• 计算机蠕虫 Worms：如果有足够多的电脑有漏洞，让恶意程序可以在电脑间互相传播，这种恶意程序叫做蠕虫
• 僵尸网络 Botnet：如果黑客掌握足够多电脑，那他们可以组成“僵尸网络”

6. 加密

• 加密： 凯撒加密 Caesar cipher，一种替换加密 Substitution cipher，把字母替换成其他字母；移位加密 Permutation cipher，行列倒置的加密如列移位加密 Columnar transposition cipher
• 1977年"数据加密标准" - Data Encryption Standard (DES)
• 2001年"高级加密标准" - Advanced Encryption Standard (AES)
• 迪菲-赫尔曼密钥交换 - Diffie-Hellman Key Exchange，用模幂计算来得到秘钥
• 对称解密：方用一样的秘钥加密和解密信息，叫对称解密。
• 非对称加密 - Asymmetric encryption，人们用公钥加密信息，只有有私钥的人能解密，或者反过来。最有名的非对称加密算法是RSA

三、 人工智能

1. 机器学习

• 让计算机从数据中学习并做出预测和决定
• 监督学习：分类和回归
• 非监督学习：聚类，高维可视化等
• 用于分类的值是特征 Feature， 特征值+种类叫做标记数据 Labeled data
• 决策树，决策边界，混淆边界，最大化正确分类和最小化错误分类
• 支持向量机 Support Vector Machines：本质上是用任意线段来切分决策空间，不一定是直线
• 人工神经网络 Artificial Neural Network：神经元，激活函数，输入，输出，权重，反向传播
• 深度学习 Deep learning：有很多的隐藏层
• 强化学习 Reinforcement Learning：学习什么管用，什么不管用，自己发现成功的策略，这叫强化学习

2.  计算机视觉

• 让计算机理解图像和视频
• 颜色跟踪算法——跟踪一个像素
• 检测垂直边缘的算法，物体的边缘有多个色素，不适合颜色跟踪算法。要识别边缘，可以判断其两边像素的颜色差异程度；
• 核/过滤器 kernel or filter——实现某种检测的算法的数学符号
• 卷积 convolution：把核应用于像素块
• Prewitt 算子 Prewitt Operators：水平和垂直边缘增强的核
• 维奥拉·琼斯 人脸检测 Viola-Jones Face Detection
• 卷积神经网络 Convolutional Neural Networks：用一层层不同的核来识别复杂场景，用脸来举例，先识别边缘，然后形状，器官...直至某一层把所有特征堆积在一起，识别出脸之后，可以进一步用其他算法定位面部标志，如眼睛和眉毛具体位置，从而判断心情等信息

 3. 自然语言处理 NLP

• 过程：通过词性 Parts of speech和短语结构规则 Phrase structure rules构建分析树 Parse tree，并结合语言模型 Language Model来实现语音识别 Speech recognition
• 实现原理：快速傅立叶变换 Fast Fourier Transform，把波形转换成频率 音素 Phonemes，构成单词的声音片段

 4. 机器人控制

• 负反馈回路 negative feedback loop
• 比例-积分-导数控制器 Proportional–Integral–Derivative controller PID 控制器，通过控制三个值，比例值——实际值和理想值差多少，积分值——一段时间误差的总和，前两者用来修正错误：导数值（微分值）——期望值和实际值之间的变化率，用来避免未来的错误，这也叫预期控制，来控制进程。