多媒体信息传输技术及应用.docx

第 22 卷第3 期 2 0 0 4 年 5 月西安航空技术高等专科学校学报Journal of Xian Aerotechnical CollegeVol 1 2 2 No 1 3May , 2 0 0 4多媒体信息传输技术及应用赵勇1张晓云2(1. 西安海星现代科技股份有限公司 ,陕西 西安 710004 ; 2. 西安航空技术高等专科学校 教务处 ,陕西 西安 710077)摘 要 :本文概述了多媒体信息传输技术的基本特征及其应用 。按国际电信联盟 ( ITU) 的标准对媒体进行了 分类 ,阐述了图像 、音频 、视频传输对带宽的要求 ,以及多媒体传输技术的特点以及相关的应用 。关键词 :多媒体 ;媒体信息传输 ;带宽 ; H. 323 协议中图分类号 : TP37 文献标识码 :A 文章编号 :1008 - 9233 (2004) 03 - 0056 - 041引言多媒体通信是信息高速公路建设中的一项关键技术 。 它是近年来出现的一种新兴的信息技术 ,是多媒体 、通信 、计 算机和网络等相互渗透和发展的产物 。多媒体通信的广泛 应用将会极大地提高人们的工作效率 ,减轻社会的交通运输 负担 ,改变人们的教育和娱乐方式 。多媒体通信将成为 21 世纪人们通信的基本方式 ,是目前各国在通信 、计算机 、教 育 、广播娱乐等各个研究领域研究的前沿课题 。2多媒体及分类在计算机领域中 ,媒体 (Media) 主要有两个含义 :一个是 存储信息的实体 ,如磁带 、磁盘 、光盘 、半导体存储器等 ;另一 个是指信息的载体 ,如文本 、声音 、图形 、图像 、动画及动态影 像等 。多媒体 (Multimedia) 技术中的媒体指的是后者 。国际电信联盟 ( ITU) 对媒体进行了如下分类 :(1) 感觉媒体 ( Perception Medium) : 直接作用于人的感 观 ,产生感觉 (视 、听 、嗅 、味 、触觉) 的媒体称为感觉媒体 。例 如语言 、音乐 、音响 、图形 、动画 、数据 、文字 、文件等都是感觉 媒体 ,也是本章中讨论的媒体 。(2) 表示媒体 ( Presentation Medium) :为了对感觉媒体进 行有效的传输 ,以便于进行加工和处理 ,而人为地构造出的 媒体称为表示媒体 。例如语音编码 、静止和活动图像编码以 及文本编码等都是表示媒体 。(3) 显示媒体 (Display Medium) :显示媒体是显示感觉媒 体的设备 。显示媒体又分为两类 ,一类是输入显示媒体 ,如 话筒 、摄像机 、光笔以及键盘等 ,另一类为输出显示媒体 ,如扬声器 、显示器以及打印机等 。(4) 传输媒体 ( Transmission Medium) : 传输媒体是指传 输信号的物理载体 ,例如同轴电缆 、光纤 、双绞线以及电磁波 等都是传输媒体 。(5) 存储媒体 ( Storage Medium) : 用于存储表示媒体 ,即 存放感觉媒体数字化后的代码的媒体称为存储媒体 。例如 磁盘 、光盘 、磁带 、纸张等 。通常所指的多媒体就是上述感觉媒体如声音 、图像 、图 形 、动画 、文字 、数据 、文件等各种媒体的组合 。3多媒体信息传输随着科学技术的迅速发展和社会需求的日益增长 ,人们 已不满足于单一媒体提供的传统的单一服务 ,如电话 、电视 、 传真等 ,而是需要诸如数据 、文本 、图形 、图像 、音频和视频等 多种媒体信息以超越时空限制的集中方式 ,作为一个整体呈 现在人们的眼前 ,从最简单的家用个人电脑到窄带 ISDN 网 上的 128kbit/ s、DDN 网上的 N 64kbit/ s(N = 130) 的会议 电视 ,乃至于最前端的视频点播 ( VOD) 系统 ,都是多媒体通 信发展的结果 。在这种时代背景下 ,伴随着多媒体计算机技 术与电话 、广播 、电视 、微波 、卫星通信 、广域网和局域网等各 种通信技术相结合 , 产生了一种边缘性技术 多媒体通 信 。多媒体通信的发展首先是由于多媒体计算机技术的崛 起 ,是多媒体技术和通信技术的有机结合 ,突破了计算机 、通 信 、电视等传统产业间相对独立发展的界限 。它在计算机的 控制中 ,对独立的信息进行集成的产生 、处理 、表现 、存储和 传输 。这些信息中至少包含一个时间相关媒体 (如连续的视 频信号) 或一个时间无关媒体 (如离散的数据信号) 。多媒体 收稿日期 :2003 - 11 - 10作者简介 :赵 勇 (1984 - ) ,男 ,毕业于西安航空技术高等专科学校计算机工程系 ,现供职于西安海星现代科技股份有限公司 。赵 勇等 :多媒体信息传输技术及应用57通信系统将计算机的交互性 、通信的分布性和电视的真实性 完美地结合在一起 ,向人们提供全新的信息服务 。多媒体要通过通信网传送文本 、图形 、图像 、声音 、视频 和音频等不同媒体信息 。这些经过数字化的媒体信息对通 信网也提出了不同的要求 。文本 、图形和图像属于不连续媒 体 ,要求的平均速率不高 ,可是有很强的突发性和短时的高 速率 。声音 、音频和视频属于连续媒体 ;其中声音和音频信 号传输速率较低 ,但实时要求较高 ,视频信号则需要极高的 传输速率 。多媒体通信的发展要求有适合于传输多媒体信 息的通信网 。目前的电话网基本上是模拟网或者是数模混 合网 ,其用户线是模拟的 ,只能传送模拟信号 ,传数字信息必 须加调制解调器 ,不适合用作多媒体通信 。计算机局域网采 用分组交换技术 ,很适合数据传输 ,例如多媒体通信中的文 本 、图形和图像信息 。但是分组交换对于连续媒体如视频和 音频信号会带来很大的延时而影响传输质量 。典型的多媒 体通信网应具备容量大 、时延小和可变比特率 。目前国内外 通信发展方向为宽带化 、智能化 、个人化及综合化 。为满足 多媒体通信的高速性 、实时性 、交互性 ,传统的以语音信息和 文字数据为服务对象的窄带通信网逐渐向高速的宽带网过 渡 。作为多媒体通信的热门领域 , VOD 系统对网络带宽资 源的要求更加巨大 。对于采用 MPEG - 1 编码技术的 VOD 系统 ,每个数字视像流的传输速率要求 1. 5Mbit/ s。对于 MPEG- 2 系统则要求 48Mbit/ s。可见 ,宽带网络技术是 多媒体服务包括开展 VOD 业务在内的重要网络传输和交换 的物理基础 。通信网络技术是信息技术的核心 ,而宽带化 、IP 化 、无线 化则是当前通信网络技术中的发展方向和热点 。视频通信 技术于上述 3 个热点紧密相关 ;视频通信与移动通信的结合 则是当前通信领域的热点 。例如第三代移动通信就是要解 决多媒体信息的无线传递问题 。以下我们将讨论 3 种类型的信息 (音频 、视频和图像) 对 网络的要求 。所有的媒体模型 (包括音频和视频) 都可以通 过下述两种模式来传输 :用于异步显示的实时传输和下载模 式 。下载是一个异步过程 。在网络上下载的是多媒体信息 还是其它数据 ,对网络的要求都相同 ,差别在于数据集的大 小 。另一方面 ,依赖时间的媒体的实时传输对网络提出了一 些新的要求 。3. 1 视频对网络带宽的要求视频质量是分层次按质量的好坏来排列的 。(a) 高分辨率/ 高帧速率 HDTV :要达到的位率高度依赖 于压缩是脱机发生以产生被压缩数字流的存储版本还是实 时执行 。压缩率通常希望达到 100 : 1 ; 高分辨率/ 高帧频 HDTV 应当被压缩到位率在 20 34Mbit/ s 之间 ; 高分辨率 常规帧频 HDTV 则要求在 1525Mbit/ s 之间 。(b) 广播质量电视 :现存的 MPEG - 2 压缩标准的实现是 在约 6Mbit/ s 的位率下操作的 。对于类 N TSC 的质量 ,希望 达到 23Mbit/ s。而对于类 PAL/ SECAM 的质量 ,期望达到 4Mbit/ s。(c) VCR 质量 :像 MPEG - 1 或 DV I 这样的压缩算法提 供了 1. 2Mbit/ s 位率的脱机压缩 ,200kbit/ s 可以被用于传输 音频 ,以形成 1. 4Mbit/ s 的流 。(d) 视频会议质量 :常规的基于线路视频会议系统按视 频会议质量操作 ,即以 98 或 112kbit/ s 的速率产生数据流 。 在这个模式里 , 剩余的带宽即 16bit/ s 被 分 配 给 音 频 流 。 MPEG专家组已制定出能够压缩视频会议质量低到 32kbit/ s 的相应标准 。HDTV 质量需要的位率比那些传统共享 LAN 可用的位 率要高 。广播电视质量与大多数局域网技术兼容 ,它们能携 带一个或多个同时发生的数据流 。VRC 质量与 T - 1 租赁 线和传播频率兼容 ,视频会议质量适合于一个双倍窄带 IS2 DN 连接 。3. 2 音频对网络带宽的要求音频质量主要分为两级 ,即电话语音质量 (常规电话网 络的质量 ,带宽限制在 3. 4k Hz) 和 CD 质量 (带宽在 10k Hz 附 近) 。当使用 ITU - TSG. 711 标准时 ,电话质量要求 64kbit/ s ,而 CD 质量是立体声 ,需 1411. 2kbit/ s。这些流是未压缩 的 。使用现代的语音编码和压缩算法允许 32kbit/ s 的电话 质量压低到 4. 8kbit/ s 的准电话质量 ,立体声模式的 CD 可被 压缩到 192 或 256kbit/ s。3. 3 图像传输对网络带宽的要求一般所指的图像是静止图像 ,可将其视为数据文件 。在 网络上传输图像如同传输文件一样的传输信息序列 ,但也有 一些特别之处 :(a) 像文件可能很大 。(b) 图像不必放在磁盘上传输 ,它们可以由模数转换系 统捕获后从发送计算机的中心内存发出 ,在接收端直接被送 到显示器的帧缓存 。(c) 图像通常被用于在多媒体应用中作为在线咨询 ,因 此显示时间很关键 。(d) 图像不包含时间依赖性 。然而 ,在多媒体应用中 ,图 像的展现必须与其它媒介的展现同步 (媒介同步) ,因此 ,传 输和表示图像的总延时可以是一个重要的参数 。(e) 在一些应用中 ,接收图像的一点点失真可以忍受 ,而 通常文件的传输必须绝对精确 。目前全球最大的通信网络仍是电话网 ,但其业务量已呈 饱和状态 ,而数据网络尤其是 Internet 的通信量呈指数上升 趋势 ,1996 年美国数据网络的通信量已超过电话网的通信量 。自 1993 年 9 月美国宣布信息高速公路计划后 ,全球掀 起了信息高速公路热潮 ,纷纷投入巨款建设国家信息基础设 施(N II) 。中国也在积极 、慎重地开展 CN II 计划 ,为建立中 国信息基础设施做技术和物质的准备 ,铺设“八纵八横”干线 光缆计划正在实施 。上海和北京建成了各自的 A TM 试验 网 ,在其 A TM 试点工程主干线上提供 155/ 622Mbit/ s 的传 输速率 。这标志着我国的通信技术正在由窄带向宽带 B - ISDN 迈进 。B - ISDN 的建立 ,为实时交互多媒体通信提供 了理想的交换和传输通道 ,可为用户提供高速数据互联 ,高 清晰度会议电视 ,多媒体工作站通信 ,VOD 等先进的多媒体 服务业务 。同时 , xDSL 技术的出现也使传统的电话网进行 多媒体通信成为可能 。所有这些预示着一场新的信息革命 将在中国蓬勃兴起 。4多媒体系统多媒 体 技 术 的 涵 义 和 范 围 极 其 广 泛 , Lippincott 和58西安航空技术高等专科学校学报Robinson 于 1990 年给出的定义为 : 多媒体计算机技术是指 用计算机综合处理多种多媒体信息 文本 、图形 、图像和 声音等 ,使多种信息建立逻辑连接 ,集成为一个系统并具有 交互性 。多媒体技术就是对多种媒体上的信息和多种存储媒体 上的信息进行处理和加工的技术 。而多媒体系统是利用计 算机网络和数字通信网络技术对多媒体信息进行处理和控 制的系统 。多媒体应用分为单机多媒体应用系统和分布式多媒体 应用系统两大类 。多媒体通信系统是能够完成多媒体通信 业务的系统 。在物理结构上 , 若干个多媒体通信终端 ( 用 户) 、交换设备 、多媒体服务器 (数据库) ,经过通信网络连接 在一起就构成了多媒体通信系统 ,通常这样的系统被称为分 布式多媒体系统 。像多媒体邮件 、协同工作系统 、分布式虚 拟现实应用系统等都需要具有高传输速率的网络 。有些网 络具有较高的带宽和较低的误码率 ,它们对多媒体信息的传 输具有较强的支撑功能 ,例如 FDDI、宽带以太网 、优先级令 牌环路网 ( Priority Token Ring , PTR) 和 A TM 等 。一般多媒体通信系统应该同时具备如下特征 :(1) 能够完成在内容上相互关联的多种媒体信息的处理 和传送 ,如声音 、活动图像 、文本 、图形 、动画等 。(2) 交换式工作 ,而不是简单的信号的单向或双向的传 输或广播 。(3) 网络连接 。多媒体通信终端核心部分是 Modem 主机 ,它可以是一 台 PC 机或工作站 ,具有处理 、存储 、控制和复用等功能 ,具有 集成性 、交互性 、同步性和实时性等特点 ,一般由三部分构 成 :(1) 交互式检索和解码输出 。交互式检索包括输入方 法 、菜单选取等输入方式 。多媒体信息经过解码 、A/ D 变换 送出人们需要的表示信息 。(2) 同步 。通过这一部分完成各种媒体同步的功能 ,用 户可以得到一个完整的声 、文 、图一体化的信息 ,同步是多媒 体通信终端中的核心部分 。(3) 编辑和执行 。编辑功能指剪辑 、编辑和创作 ,执行部 分则由网络和各种接口组成 ,多媒体终端要用到接口 (1) 协 议 ,同步 (B) 协议以及应用 (A) 协议 。多媒体通信终端包括必要的外设 , 例如多媒体信息输 入 、输出与显示单元 ,有时还需要各种专门的处理/ 控制的海 量存储单元 。多媒体通信终端将电话 、电视 、传真和通信的 功能合为一体 。随着网络多媒体技术的迅速发展 , 形成了多种网络多 媒体技术的应用 ,如 :可视电话 、视频会议系统 、视频监控系 统 、多媒体电子邮件 、视频点播 ( VOD) 、远程多媒体数据库 、 远程计算机辅助教学 、虚拟现实等 。5 应用实例 ( H. 323 协议)H. 323 协议标准是属于在不保证 QoS 的局域网上的会由于 H. 323 是基于计算机的 ,因而它的功能多 ,控制灵 活 ,可以更好地和其它媒体在计算机中进行融合 。H. 323 协 议所适应的 IP 网络包含 Intemet 、Intranet 和 LAN ,LAN 包括 以太网 、IEEE802. 3 的以太网 ( Ethernet) 、IEEE802. 5 的令牌 网 、IEEE802. 12 的高速以太网 、IEEE802. 8 的分布式光纤数 据接口 ( FDDl) 、交换型以太网等 。图 1 H. 323 系统标准分层结构图 2 H. 323 终端结构ITU - T 于 96 年 11 月颁布的 H. 323 协议的名称为“基 于非 QoS 局域网的可视电话系统和设备”,而在 1997 年颁布 的 H. 323 的第二版 ,即 H. 323v2 ,将名称直接改为“基于分组 的多媒体通信系统”,进一步表明了 H. 323 系统在多媒体通 信所起的重要作用 。H. 323v2 终端工作时 ,在发送端对所发 的每个分组加上时间标记 。在接收端 ,根据时间标记重新建 立定时关系 。在 H. 323v2 中增加资源预留协议 ( RSVP) 就是 为防止网络拥塞 ,保证多媒体会议能够使用一定数量的带 宽 ,从而保证传输质量 。在 H. 323 中还可以通过网守 ( GK: gatekeeper) 机制来控制带宽 ,以防止视频业务量占用所有的 有效带宽 。6小结在多媒体技术迅猛发展的同时 ,网络传输速度的滞后给 我们带来了诸多的不便 ,因为即使是压缩后的电视信号的数 据率也是数字电话的几十倍 。故常常需要传输的数据与现 在的电话相比将要成数量级地增长 。因此 ,发展信息高速公 路势在必行 ,通信网干线的信道容量将从 Mb/ s、Gb/ s 向着 Tb/ s 的量级过渡 。参 考 文 献议电视终端 。典型的 LAN 以分组的形式发送信息 ,它们既 不保证包的传输延迟时间 ,也不保证包按发送顺序接收 ,包 1 G. R. Wichman , Software without border , Sun World , 1991 ,Vol. 4 ,No. 12.在传输其间可能丢失 ,属于不保证质量的网络 。 2 A. C. Luther , Digital Video in the PC Environment ,赵 勇等 :多媒体信息传输技术及应用59New York : Mc Graw - Hill ,1991. 3 F. Fluckiger , Understanding Network Multimedia , Ap2 plications and Technology , London : Prentice Hall ,1995. 4 蔡安妮. 多媒体通信技术基础 M . 北京 : 电子工业出 版社 ,2000.Transmitting Technology and Applications of Multimedia Inf ormationZHA O Yong1 , ZHA N G Xiao2y un2(1. Xian Sea - star Modern Science and Technology Co Ltd , 710004 ;2. Division of Teaching Administration ,Xian Aerotechnical College ,Xian ,Shaanxi ,China 710077)Abstract :Based on a brief introduction of the characters and application for multimedia information t ransmitting technique the essay , classified media according to the standard via ITU. Description involving t ransmission of graphic , voice and video on request of band.Key words : Multimedia ; Multimedia information t ransmitting ; Broad band ; Protocol of H. 323(上接第 42 页)来表示 。而后将要发送的第二个字节的最后一位移 到要发送的第一字节的第一位 ,将要发送的第三个字节的最后一位移到要发送的第二字节的第一位 ,依次类推 。如图