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摘要: 多媒體通信技術是當今世界科技領域中最有活力、發展最快的高新信息技術,它時時刻刻都在影響著世界經濟的發展和科學技術進步的速度,並不斷改變著人類的生活方式和生活質量。多媒體通信綜合了多種媒體信息間的通信,它是通過現有的各種通訊網來傳輸、轉儲和接收多媒體信息的通信方式,幾乎覆蓋了信息技術領域的所有范疇,包括數據、音頻和視頻的綜合處理和應用技術,其關鍵技術是多媒體信息的高效傳輸和交互處理。
關鍵詞:多媒體 圖象 音頻 功能
The application of multimedia technology
Abstract: Multimedia communications technology is the world's science and technology in the field of the most dynamic and fastest growing high-tech information technology, it always have influence in the world economic development and the pace of scientific and technological progress and changing the human way of life and quality of life . A variety of integrated multimedia communications between the communications media information, it is through the various existing communications network to transmit and receive multimedia information and mp the means of communication, cover nearly the area of information technology in all areas, including data, audio and video The integrated treatment and application technology, its technology is the key to the efficient transmission of multimedia information and interactive processing
Key words: Multimedia audio features images
引 言
隨著技術的迅速發展,圖像、視頻等多媒體數據已逐漸成為信息處理領域中主要的信息媒體形式。多媒體通信是信息高速公路建設中的一項關鍵技術,是多媒體、通信、計算機和網路等相互滲透和發展的產物,它將極大地提高人們的工作效率,改變人們的教育、娛樂等生活方式,是21世紀人們通信的基本方式。
第一章 多媒體通信技術基礎簡介
多媒體通信的基本概念和特徵
1.1 基本概念
媒體是信息表示和傳輸的載體,是一個重要的概念。ITU-T I .374建議將媒體劃分為感覺媒體、表示媒體、顯示媒體、存儲媒體和傳輸媒體5類。
多媒體數據是指多種式樣信息的載體,如文本、圖形、圖像、聲音等數據。其特點主要有以下幾點:
(1)多媒體數據種類繁多(大多是非結構化數據),不同來源的媒體,具有完全不同的形式和格式;
(2)多媒體數據量龐大;
(3)多媒體數據具有時間特性和版本概念,如在視頻點播系統中必須考慮到媒體間以及媒體內部在時間上的同步關系。
由此可知多媒體數據與傳統的數值和字元不同,因而其存儲結構和存取方式也具有特殊性,描述它的數據結構和數據模型也是有差別的。在這種情況下就產生了一種全新的資料庫系統--多媒體資料庫系統。
多媒體資料庫是能夠有效實現多媒體數據的存儲、讀取、檢索等功能的資料庫系統。它的主要特點是:
(1)繼承了傳統資料庫的一些優點,例如數據獨立性、利用資料庫查詢語言進行高層次查詢、開發控制、容錯技術等;
(2)能對具有時空關系的數據進行同步和管理。
但是目前對於多媒體資料庫的功能以及實現方法還沒有達成共識,因而出現了多種形式的媒體資料庫,並且實現方法也各不相同。從其總體發展上看,多媒體資料庫的數據模型可分為關系數據模型、面向對象的數據模型和超媒體數據模型3類。
基於不同數據模型的多媒體資料庫管理系統(DBMS)的功能也有很大差別,通常基於關系數據模型的多媒體DBMS可以實現多媒體數據的存取,對多媒體數據對象之間的語義關系、時態關系、空間關系不加處理,所以這部分工作就留給應用程序去完成了。面向對象的數據模型和超媒體數據類型可以支持多媒體數據對象之間的語義關系、時態關系、空間關系的處理,其抽象程度更高,但DBMS的實現也相對復雜。
在多媒體通信系統中另一個常出現的詞彙是"超媒體"。在出版物中經常會出現表示註解意思的"注"字,由"注"你可以找到與之相關的一段文字或一篇文章。這種由"注"而鏈接到一段文字或一篇文章的鏈即稱為超鏈撥,同理,超級鏈也可以將若干不同媒體鏈接起來,其集合便稱為"超媒體"。
1.2多媒體通信的特徵
多媒體通信技術的發展打破了傳統通信的單一媒體、單一電信業務的通信系統格局,反映了通信向高層次發展的一種趨勢,是人們對未來社會工作和生活方式的嚮往。多媒體通信技術是一種綜合技術,涉及多媒體技術、計算機技術、通信技術等多個領域。多媒體通信系統必須同時兼有集成性、交互性、同步性3個主要特徵。
1.2.1 集成性
多媒體通信系統的集成性指的是能對內容數據信息、多媒體和超媒體信息、腳本信息和特定的應用信息等4類信息進行存儲、傳輸、處則和顯現的能力。
(1) 內容數據信息
(2) 信息是以某一種結構的形式存在的,典型的結構有兩種:一種是對象
構,其中可處理的最小單元為對象(Object);另一種是文件結構,其中
處理的最小單元為文件(File)。
多媒體和超媒體信息
多媒體和超媒體信息與單媒體信息不一樣,它們是結構化的信息,由結構框架和內容數據2部分組成。多媒體和超媒體信息的最小表達形式由兩類,一類稱為對象,另一類稱為文件。
(3) 腳本信息
腳本信息是一組特定的用語意關系聯系起來的、結構化的多媒體和超媒體信息,需要提供表示這一組多媒體信息的運作過程和與外部處理模塊間的關系。
(4) 特定的應用信息
上述3類信息都是低層信息,可以由標准來定義和表示。特定的應用信息是高層信息,是與應用密切相關的,將隨應用場合的不同有很大的不同,它的表示方法是基於上述3類的基礎之上的。
1.2.2 交互性
交互性指的是在通信系統中人與系統之間的相互控制能力。在多媒體通信系統中,交互性有兩個方面的內容。一是人機介面,也就是人在使用系統的終端時用戶終端向用戶提供的操作界面;二是用戶終端與系統之間的應用層通信協議。
多媒體通信終端的用戶對通信的全過程有完備的交互控制能力,這是多媒體通信系統的一個主要特徵,也是區別多媒體通信系統與非多媒體通信系統的一個主要准則。
1.2.3 同步性
同步性指的是在多媒體通信終端上顯現的圖像、聲音和文字均以同步方式工作。如用戶要檢索一個重要的歷史事件的片斷,該事件的活動圖像或靜止圖像存放在圖像資料庫中,其文字敘述和語言說明則是放在其他資料庫中。多媒體通信終端通過不同傳輸途徑將所需要的信息從不同的資料庫中提取出來,並將這些圖像、聲音、文字同步起來,構成一個整體的信息呈現在用戶面前。
多媒體通信系統中的同步性是多媒體通信系統最主要的特徵之一,信息的同步與否決定了系統是多媒體系統還是非多種媒體系統。同步可在鏈路層級、表示層級和應用層級3個層面上實現
第二章 多媒體音頻技術
音頻技術發展較早,幾年前一些技術已經成熟並產品化,甚至進入了家庭,如數字音響。音頻技術主要包括四個方面:音頻數字化、語音處理、語音合成及語音識別。
音頻數字化目前是較為成熟的技術,多媒體音效卡就是採用此技術而設計的,數字音響也是採用了此技術取代傳統的模擬方式而達到了理想的音響效果。音頻采樣包括兩個重要的參數即采樣頻率和采樣數據位數。采樣頻率即對聲音每秒鍾采樣的次數,人耳聽覺上限在20KHz左右,目前常用的采樣頻率為11KHz,22KHz和44KHz幾種。采樣頻率越高音質越好,存貯數據量越大。CD唱片采樣頻率為44.1KHz,達到了目前最好的聽覺效果。采樣數據位數即每個采樣點的數據表示範圍,目前常用的有8位、12位和16位三種。不同的采樣數據位數決定了不同的音質,采樣位數越高,存貯數據量越大,音質也越好。CD唱片採用了雙聲道16位采樣,采樣頻率為44.1KHz,因而達到了專業級水平。
音頻處理包括范圍較廣,但主要方面集中在音頻壓縮上,目前最新的MPEG語音壓縮演算法可將聲音壓縮六倍。語音合成是指將正文合成為語言播放,目前國外幾種主要語音的合成水平均已到實用階段,漢語合成幾年來也有突飛猛進的發展,實驗系統正在運行。在音頻技術中難度最大最吸引人的技術當屬語音識別,雖然目前只是處於實驗研究階段,但是廣闊的應用前景使之一直成為研究關注的熱點之一。
第三章 多媒體圖像視頻技術
3.1視頻技術
雖然視頻技術發展的時間較短,但是產品應用范圍已經很大,與MPEG壓縮技術結合的產品已開始進入家庭。視頻技術包括視頻數字化和視頻編碼技術兩個方面。
視頻數字化是將模擬視頻信號經模數轉換和彩色空間變換轉為計算機可處理的數字信號,使得計算機可以顯示和處理視頻信號。目前采樣格式有兩種:Y:U:V4:1:1和Y:U:V4:2:2,前者是早期產品採用的主要格式,Y:U:V4:2:2格式使得色度信號采樣增加了一倍,視頻數字化後的色彩、清晰度及穩定性有了明顯的改善,是下一代產品的發展方向。
視頻編碼技術是將數字化的視頻信號經過編碼成為電視信號,從而可以錄制到錄像帶中或在電視上播放。對於不同的應用環境有不同的技術可以採用。從低檔的游戲機到電視台廣播級的編碼技術都已成熟。
3.2圖像壓縮技術
圖像壓縮一直是技術熱點之一,它的潛在價值相當大,是計算機處理圖像和視頻以及網路傳輸的重要基礎,目前ISO制訂了兩個壓縮標准即JPEG和MPEG。JPEG是靜態圖像的壓縮標准,適用於連續色調彩色或灰度圖像。它包括兩部分:一是基於DPCM(空間線性預測)技術的無失真編碼,一是基於DCT(離散餘弦變換)和哈夫曼編碼的有失真演算法。前者圖像壓縮無失真,但是壓縮比很小,目前主要應用的是後一種演算法,圖像有損失但壓縮比很大,壓縮20倍左右時基本看不出失真。
MJPEG是指MotionJPEG,即按照25幀/秒速度使用JPEG演算法壓縮視頻信號,完成動態視頻的壓縮。
MPEG演算法是適用於動態視頻的壓縮演算法,它除了對單幅圖像進行編碼以外還利用圖像序列中的相關原則,將幀間的冗餘去掉,這樣大大提高了圖像的壓縮比例。通常保持較高的圖像質量而壓縮比高達100倍。MPEG演算法的缺點是壓縮演算法復雜,實現很困難。
第四章 多媒體通信系統
1、 體系結構
多媒體通信(multimedia communcations)是在位於不同地理位置的參與者之間召開的一種會議或者進行的交流,通過區域網(LAN)、廣域網(WAN)、內聯網(intranet)、網際網路(Internet)或者電話網來傳輸壓縮的數字圖像和聲音信號。像電視那樣的多目標廣播、錄象機那樣的流式播放、電話會議、電視會議、IP電話、可視電話和IP傳真等等都是多媒體通信技術的一些具體的和各有特色的應用。多年來,國際電信聯盟(ITU)為公共和私營電信組織制定了許多多媒體計算和通信系統的推薦標准,以促進各國之間的電信合作。ITU的26個(Series A~Z)系列推薦標准中,與多媒體通信關系最密切的7個系列標准如表4-1所示,三種類型的多媒體通信系統的核心技術標准集如表4-1所示。
表4-1 ITU系列推薦標准
系列名 主要內容
Series G 傳輸系統、媒體數字系統和網路
Series H 視聽和多媒體系統
Series I 綜合業務數字網(ISDN)
Series J 電視、聲音節目和其他多媒體信號的傳輸
Series Q 電話交換和控制信號傳輸法
Series T 遠程信息處理業務的終端設備
2、網關的功能和結構
網關是一台功能強大的計算機或者工作站,它擔負線路交換網路(如電話網路)和信息包交換網路(如網際網路)之間進行實時的雙向通信,提供異種網路之間的連通性,它是傳統線路交換網路和現代IP網路之的橋梁。
IP電話(見"7.4 IP電話")的出現允許電話呼叫在信息包交換網路上進行,從而引發一場電信工業的革命。但IP電話在成為主流電話服務的道路上遇到了許多障礙。其中最大的一個問題是在IP電話網路和公眾交換電話網路之間缺乏連通性。一個重要的原因是早期的網關存在對IP電話進入主流電話服務的限制。例如,通過網關建立呼叫比較困難,而且需要使用非常規的電話號碼;不同的網關之間的兼容性妨礙呼叫的建立;聲音的質量比較差、有迴音以及延遲時間比較長等。這就促進了開發允許IP和PSTN客戶能夠相互通信的網關,其中的一個措施就是提高網關的處理能力。低檔的網關有1~6個埠,典型地使用高檔奔騰處理器的PC機方案,提供媒體處理、呼叫控制和信息包的處理等網關功能。高檔網關把網關功能分散到幾個處理器來實現,這叫做計算機基電話集成(computer-telephony integration,CTI)平台,可提供100多個埠。
網關的基本功能可歸納為三種:
(1) 轉換協議(translating protocols):網關作為一個解釋器,使不同的網路能夠建立聯系,例如,允許PSTN和H.323網路相互對話以建立和清除呼叫。
(2) 轉換信息格式(converting information formats):不同的網路使用不同的編碼方法,網關將對信息進行轉換,使異種網路之間能夠自由地交換信息,例如聲音和電視。
(3) 傳輸信息(transferring information):負責在不同網路之間傳輸信息。
網關的主要部件包括:
(1) 線路交換網路(switched-circuit network,SCN)介面卡,這是一種典型的T1/E1或者叫做PRI ISDN線路介面卡,它們與線路交換網路進行通信。主速率介面(primary rate interface,PRI)由23個B通道和一個64 kb/s的D通道組成,叫做23B+D,相當於T1線的帶寬。
(2) 數字信號處理器(digital signal processors,DSP)卡,它執行的任務包括聲音信號的壓縮和迴音的取消等。
(3) 網路介面(network interfaces)卡,它用來與H.323網路進行通信,典型的網路卡包括10/100BaseT網路介面卡(network interface cards,NIC),或者把它們的功能集成到主機板上。
(4) 控制處理器(control processor),它協調其他網關部件的所有活動,這個部件通常是在系統的主機板上。
網關的主要軟體包括:
(1) 執行所有網關基本功能和選擇功能的網關軟體。例如,H.323網關平台(Gateway Platform)執行轉換協議、轉換消息格式和傳輸信息等基本功能,支持聲音壓縮、協議轉換、實時的傳真解調/再調制以及執行H.323系列協議。
(2) 特定網關的應用軟體,它執行自定義的功能以及管理和控制功能。
3、會務器的功能和結構
會務器(gatekeepers)是用於連接IP網路上的H.323電視會議客戶,是電視會議的關鍵部件之一,許多人把它當作電視會議的"大腦"。它提供授權和驗證、保存和維護呼叫記錄、執行地址轉換而不需要你去記憶IP地址、監視網路、管理帶寬以限制同時呼叫的數目從而保證電視會議的質量、以及提供與現存系統的介面。會務器的功能一般都是用軟體來實現。會務器的功能分成兩個部分:基本功能和選擇功能。
會務器必須要提供的基本功能包括:
"地址轉換(Address Translation):使用一種可由注冊消息(Registration messages)更新的轉換表,把別名地址轉換成傳輸地址(Transport Address)。這個功能在線路交換網路上的電話企圖呼叫IP網路上的PC時顯得尤其重要,在確定網關地址時也很重要。
准入控制(Admissions Control):使用准入請求/准入確認/准入拒絕ARQ/ARC/ARJ(Admission Request, Confirm and Reject)消息,對訪問區域網進行授權。H323標准規定必須要有用來對網路服務進行授權的RAS消息(RAS messages),RAS是一個注冊/准入/狀態(Registration/Admission/Status)協議,但它不定義授權存取網路資源的規則或者政策,因此服務提供者需要會務器來干預現存的授權方法。此外,企業管理人員和服務提供者也許想使用他
自己的標准來授權,例如,根據訂金、信用卡等。
帶寬控制(Bandwidth Control):支持RAS帶寬消息(RAS bandwidth messages),即帶寬請求/帶寬確認/帶寬拒絕BRQ/BCF/BRJ(Request, Confirm and Reject)消息,以強制執行帶寬控制。至於如何管理則要根據服務提供者或者企業管理人員的政策來確定。在許多情況下,如果在網路或者特定的網關不擁擠的
況下,對任何帶寬的請求都應該給予滿足。
區域管理(Zone Management):用於管理所有已經注冊的H.323端點(endpoint),為它們提供上面介紹的功能。至於確定哪個終端可以注冊以及地理或者邏輯區域的組成(單個會務器管理的終端、網關和多點控制單元MCU)則由網路設計人員決定。
會務器提供的選擇功能包括:
呼叫控制信號傳輸方法(Call Control Signalling):在H.323中有兩種呼叫控制信號傳輸模型:會務器安排呼叫信號傳輸模型(Gatekeeper Routed Call Signaling Model)和直接端點呼叫信號傳輸模型(Direct Endpoint Call Signaling Model)。會務器可根據訪問提供者的要求進行選擇。
呼叫授權(Call Authorization):會務器可根據服務提供者指定的條件對一個給定的呼叫進行授權或者拒絕。其條件可包括會議時間、預定的服務類型、對受限網關的訪問許可權或者可用的帶寬等。
帶寬管理(Bandwidth Management):根據服務提供者指定的帶寬分配確定是否有足夠的帶寬用於呼叫。
呼叫管理(Call Management):提供智能呼叫管理。會務器維護一種H.323呼叫表以指示被呼叫終端是否處於忙狀態,並為帶寬管理(Bandwidth Management)功能提供信息。
會務器的結構
會務器通常設計成內外兩層,如圖4-8所示。會務器的內層叫做核心層,它由執行H.323協議堆的軟體和實現多點控制單元MCU(multipoint control unit)功能的軟體組成,有的軟體開發公司把它叫做H.323會務器核心功能部件。MCU的主要功能是連接多條線路並自動或者在會議主持人的指導下手動交換電視號。會務器的外層由許多應用程序的介面組成,用於連接網路上現有的許多服務。外層軟體
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