信息（文字、图像、音频、视频等）在计算机中是如何存储及显示的

如题，这里以图片为例。

图片的存储

计算机桌面上的一张图片，在计算机最底层是以电信号的形式表示的，即高电平和低电平。这些电信号对应二进制的0和1。为了更好地理解这个过程，我们可以从图片的数据格式到硬件表示逐步解析。

图片的文件格式

首先，图片文件以特定的格式存储在计算机的存储设备中（如硬盘、SSD）。常见的图片格式包括JPEG、PNG、BMP等。这些格式将图片的像素数据和其他信息（如颜色深度、分辨率、元数据等）以特定的编码方式存储。

例：BMP文件格式
BMP（位图）文件格式较为简单，它直接存储图片的像素数据，每个像素的颜色值以二进制数据表示。一个简单的24位BMP文件可以分为以下几个部分：

• 文件头：包含文件类型、文件大小等信息。
• 信息头：包含图片的宽度、高度、颜色位数等信息。
• 调色板（可选）：用于8位或以下位图，定义颜色表。
• 像素数据：每个像素的RGB值，按行存储。

像素数据的二进制表示

图片的每个像素都有一个或多个颜色分量（例如，RGB颜色模型中的红、绿、蓝）。每个颜色分量用一个或多个字节表示。以24位RGB颜色模型为例，每个像素用3个字节（24位）表示，每个字节对应红色、绿色和蓝色的强度值（0到255）。

例：像素数据
一个红色像素的RGB值可能是 (255, 0, 0)，其二进制表示为：

红色：11111111
绿色：00000000
蓝色：00000000
所以，这个红色像素在内存中的表示为 11111111 00000000 00000000。

存储和处理

存储
当图片文件存储在硬盘或SSD中时，数据以二进制形式存储。硬盘和SSD将数据转换为低电平（0）和高电平（1）的电信号存储在磁性介质或闪存芯片上。

处理
当需要显示图片时，操作系统和应用程序将图片文件从存储设备加载到内存中，进行解码和处理。处理后的像素数据以二进制形式存储在内存中。

显示

显示器将内存中的像素数据转换为光信号，以人类可见的方式显示图片。

显示过程

1. 帧缓冲区：显卡（GPU）将处理后的像素数据存储在帧缓冲区中，这个缓冲区通常在显存（VRAM）中。
2. 数模转换：显卡将帧缓冲区中的二进制像素数据转换为模拟信号或保持数字信号传输。
3. 显示信号：显卡通过显示接口（如HDMI、DisplayPort、VGA）将信号传输到显示器。
4. 像素点控制：显示器的控制电路根据接收到的信号控制液晶显示器的每个像素点，调整其颜色和亮度。

总结

在计算机最底层，图片文件中的数据最终都表示为高电平和低电平的电信号，这些电信号对应二进制的0和1。计算机通过将高层次的数据格式（如JPEG、PNG、BMP）解码为像素数据，并将这些像素数据转换为电信号，最终实现图片的存储、处理和显示。

图片的显示

接着上面第四点“4. 像素点控制：”的进一步解释。

4. 像素点控制

4.1 显示器信号传输
当显示器接收到来自显卡的信号时，这个信号包含了每个像素的颜色和亮度信息。信号通过显示接口（如HDMI、DisplayPort、VGA）传输到显示器，然后由显示器内部的控制电路进行处理。

4.2 数模转换器（DAC）
如果显卡输出的是模拟信号（如VGA），显示器内部会有一个数模转换器（DAC），将模拟信号转换为数字信号。如果输出的是数字信号（如HDMI、DisplayPort），则直接进入下一步。

4.3 控制电路
显示器内部有一个控制电路（通常是一个集成电路），负责解析信号并控制每个像素点的状态。这些控制电路通常包括：

• 时序控制器（TCON）：协调信号的传输和像素的刷新。
• 行驱动器和列驱动器：控制每行和每列的像素。

4.4 像素阵列
LCD显示器的屏幕由一个二维的像素阵列组成。每个像素点由一个或多个子像素（如红、绿、蓝三种子像素）组成。这些子像素的亮度组合形成我们看到的颜色。

4.5 液晶像素的控制
每个像素点由液晶材料控制，液晶材料在电场的作用下会改变其透光性。具体过程如下：

• 电极控制：每个子像素都有两个透明电极，一个在前面板（靠近用户的一侧），一个在后面板。电极上施加电压，产生电场。
• 液晶扭转：液晶分子在电场的作用下扭转，改变光线通过液晶材料的方式。通过控制电压，可以精确控制液晶分子的扭转角度，从而控制光线通过的数量。
• 背光源：LCD显示器通常有背光源（通常是LED），提供均匀的白光。光线通过液晶材料和颜色滤光片（红、绿、蓝），形成彩色图像。
  4.6 色彩滤光片
  每个子像素前面都有一个颜色滤光片，分别是红色、绿色和蓝色滤光片。通过控制每个子像素的透光量，可以组合出不同的颜色。

4.7 子像素的亮度控制
控制电路通过调节每个子像素的电压，改变液晶分子的排列，从而控制每个子像素的亮度。每个像素点的颜色是由其三个子像素（红、绿、蓝）的亮度组合而成。

4.8 显示刷新
显示器不断刷新，通常是每秒60次或更多（即60Hz或更高的刷新率）。时序控制器（TCON）协调所有这些操作，确保每个像素点在每个刷新周期内显示正确的颜色。

具体的像素控制过程示例

假设我们要在一个1920x1080分辨率的LCD显示器上显示一个图像，显示过程如下：

1. 信号传输：显卡将图像数据通过HDMI接口传输到显示器。
2. 时序控制：TCON将图像数据解析为行和列的数据，并按照行和列的顺序传输到显示面板。
3. 行列驱动：行驱动器依次选择每一行，列驱动器在选中的行上施加适当的电压，控制每个子像素的透光度。
4. 电压控制：电极在每个子像素上施加适当的电压，使液晶分子扭转相应的角度，控制通过的光线量。
5. 色彩显示：光线通过液晶材料和颜色滤光片，形成红、绿、蓝三种颜色的组合，显示出所需的颜色。
6. 背光提供光源：LED背光提供均匀的白光，通过液晶和滤光片，显示完整的图像。

总结

通过上述过程，计算机将存储在内存中的二进制图片数据转换为电信号，然后通过复杂的硬件电路和液晶材料的相互作用，将这些电信号转换为我们在屏幕上看到的彩色图像。