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1、现代数字通信网第十三章 多媒体通信网北京理工大学电子工程系刘家康Email: 网页： 第十三章 多媒体通信网13.1 多媒体通信的特点与原理13.2 数据压缩技术13.3 语音和图像压缩标准13.4 多媒体通信系统主要内容本章参考书：黎洪松，“数字视频技术及其应用”，清华大学出版社，1997年。陈显治，“现代通信技术”，电子工业出版社，2001年本章概要：本章是最后一章，从应用的角度给大家描述一下多媒体技术在通信系统是如何传输的，并介绍其中涉及的标准。13.1 多媒体通信的特点和原理一、多媒体通信二、多媒体通信的特点 三、多媒体技术的应用 一、多媒体通信多媒体包括：声响sound，语音voic

2、e，音乐music，图像image，图形graphics，文本text，数据data，动画animation，视频video等等。二、多媒体通信的特点(1)多媒体通信涉及多媒体的压缩、集成、交互和同步。1 信息类型复杂各种信息的特性不同：速率、延迟、抖动、误码；不同的处理方式：表示、显示、存储和传输，多种接口。2 业务类型多样a) 多媒体会话型业务(会议电视、电视电话)b) 多媒体电子邮件业务(文本邮件、音频邮件、视频邮件)c) 多媒体检索型业务(可视图文、文件检索、视频检索)d) 多媒体分配型业务(视频点播、交互式电视)多媒体通信的特点(2)3 交互性交互控制的能力，分为主题和背景信息。是区

3、别于传统广播式通信的重要特征。例如：在家里看电视，电视的伴音是文本信息，还有节目预告等其它动态信息，随时改变，用户可以选择。4 分布性分布性体现在两个方面：多媒体信息内容丰富，多种素材分布在不同的空间和时间；通信网络的分布性，终端用户分布在不同的地点。多媒体通信的特点(3)5 同步性 实时的音频和视频通信需要“唇同步”； 多媒体信息显示的同步。6 实时性 音视频信息实时处理，如交互式操作，编辑，检索和显示。三、多媒体技术的应用1)广播电视 卫星电视、有线电视、交互式电视、高清晰度电视2) 通信 电视电话、VoD、交互式电视，视频数据库，DVB-C/T/S3) 娱乐业 HDTV，VCD/DVD，

4、电视购物，VoD，视频游戏。4) 计算机业 多媒体计算机，CD-ROM,3D, 动画设计,视频制作,VR13.2 数据压缩技术 一、 为什么要进行数据压缩二、 压缩技术分类三、 无损压缩技术简介四、 有损压缩技术简介一、 为什么要进行数据压缩多媒体通信中涉及大量的媒体信息，特别是数字化之后的数据量巨大。例如电视视频信号为8 MHz，fs=28 MHz，每样点38=24bit，每秒30帧，则数据率为16M2430=11.520 Mbps。这样大的数据量只有光纤才能传送。（另一种计算方法是：亮度fs=13.5 MHz, 两路色差信号6.75 MHz，则总码率为 813.586.752216 Mbp

5、s, 一张光盘能存24秒的图像。）又如HDTV信号的速率1920115225帧/秒16bits/sample884.7 Mbps, 则一张光盘只够存储5.87秒的图像。二、 压缩技术分类1. 无损压缩 Huffman编码 RLC游程长度编码 LZW 概率匹配编码2. 有损压缩 预测编码 变换编码 最佳量化编码二者的区别在于能否不失真地恢复原始信息。三、 无损压缩技术简介1.Huffman编码2.游程长度编码 （Run Length Code, RLC）3.LZW编码 Lempel-Ziv-WelchHuffman编码1952年Huffman提出的一种非等长编码方案。其实很早以前就有人使用了，如

6、Morse电码是不等长的。Huffman编码存在的问题是，只能应用于离散信源，而且必须预先知道各个符号的概率分布。Huffman编码(续)图例，5个信源a,b,c,d,e的概率不等，分别是1/4,1/4,1/4,1/8,1/8。等长编码时至少需要3比特，8中取5的映射，平均码长是3bits/sample。不等长编码时，a-00, b-01, c-10, d-110, e-111。则平均码长为：21/421/421/431/831/82.25bits/sample。如果信源为“aedbbad”，则编码为00 111 110 01 01 00 110，7个字符共17bits，平均码长为17/7=2

7、.428 bits/sample。Assume5 symbol information source: a,b,c,d,esymbol probabilities: 1/4, 1/4,1/4,1/8,1/80100011100aa00b01c10d110e111SymbolCodeword01b10c110111deaedbbad. mapped into 00 111 110 01 01 00 110 .Note: decoding done without commas or spaces17 bitsFigure 12.21.00abcde.0.00

8、1234a0b10c110d1110e1111abcde01000111(a) Building the tree code by Huffman algorithm(b) The final tree codeFigure 12.3游程长度编码 （Run Length Code, RLC） 应用于FAX文档的压缩连0和连1的情况比较多。书中的例子存在的问题是，要根据情况来选择白长或黑长编码。改进的方法是，分别对白长和黑长进行编码。以上讨论的是定长编码。当编码码表为可变长度(VLC)时，还可以进一步压缩。见书中的例子12.7, 12.8。“blank” in strings of alphan

9、umeric information-$5-3-$2-$3-1/7/95“0” (white) and “1” (black) in fax documentsFigure 12.4Run Length Codeword Codeword (m=4)1000. 0000001100. 10001001200.1000100001300.110011000014.0000015.00000016. . .000.012m-211.101110000.00run2m -211.111111Inputs:mFigure 12.5Example: Code 1, m=4000 001000 01000

10、 0100 001 137 bits25573615Symbols 14 10 141414 12 1414 6 14 0 1111 1010 1111 1111 1111 1100 1111 1111 0110 1111 0000 44 bitsRuns 15w 10wb 15w 15w 15w 12wb 15w 15w 6wb 15w bFigure 12.6RunLength Codeword Codeword (m=4)1010. 01000001110. 110001001210.10100100001310.1110011000014.0000015.00000016. . .00

11、0. 012m-111.1111111000. 00run2m-100Inputs:m+1Figure 12.7Example: Code 2, m=4000 001000 01000 0100 001 137 bits25573615Symbols 15 9 151515 9 1515 4 15 0 11001 0 0 0 11001 0 0 10100 11111 26 bits Runs 16w 9wb 16w 16w 16w 9wb 16w 16w 4wb 15wbEncodedStreamDecodedStreamFigure 12.8(a) Huffman code applied

12、 to white runs and black runs(b) Encode differences between consecutive linesFigure 12.10LZW编码 Lempel-Ziv-Welch应用在zip, uucode, v.42bis, MNP压缩等场合。属于自适应压缩法。其基本思想是，收发两端各自在以前出现过的文本中搜索重复的码字。例如：All tall编码为2,3，表示从第二个字母开始，重复三个字母。更进一步的做法是，双方各自在本地建立一个固定大小的字典，新出现的字替换掉字典中出现概率最小的字典项。LZW编码的原理“All tall We all are

13、tall. All small We all are small.”Can be mapped into:“All_ta2,3We_6,4are4,5._1,4sm6,1531,5.”Figure 12.11四、 有损压缩技术简介1.预测编码2.变换编码3.最佳量化和矢量量化VQ预测编码如图，当信号的样点之间存在相关性时，则相邻样点之间的变化不会很大，则样点的差分值小于样点的绝对值。只传送相对变化的差分值，可以降低数据率，但存在误差积累。DPCM, ADPCM, LPC, CELP, Smooth signalSuccessive differencesFigure 12.21Quantize

14、 the difference between prediction and actual signal:LINEARPREDICTORhDecoderLINEARPREDICTORh+QUANTIZER+Encoder+-to channelThe end-to-end error is only the error introduced by the quantizer!y(n)x(n) x (n) d (n)x(n) d (n)d(n)e(n)x(n)d(n)y(n)x(n)d(n)x(n)Figure 12.24变换编码子带编码 SBC, Subband Coding, 变换到频域进行

15、处理DCT, Discrete Cosine TransformWavelet 小波变换最佳量化和矢量量化VQX(f)f 0W-WQ(f)X(f)f 0W-WQ(f)(a)(b)Figure 12.2513.3语音和图像压缩标准 一、语音压缩标准二、图像压缩标准一、 语音压缩标准1. LPC-10eDoD FS-10152.4 kbps1975 保密电话2. CELPDoD FS-10164.8 kbps1989 保密电话3. PCMITU-T G.71164 kbps1972PSTN4. ADPCMITU-T G.72132 kbps1984PSTN5. RPE-LTP-LPCGSM13 k

16、bps1988 移动电话6. VSELPIS-958.2 kbps1989 移动电话7. LD-CELPITU-T G.72816 kbps1992 网络电话8. CS-ACELPITU-T G.7298 kbps1995 网络电话9. MP-MLQ-ACELP ITU-T G.723.16.3/5.3 kbps1995 网络电话压缩方法压缩标准码速率年份用途 二、图像压缩标准 H.261JPEGMPEG-1MPEG-2MPEG-4MPEG-7H.261图像压缩标准ITU-T 1990.12提出， 主要用于电视电话和会议电视。速率为p64 kbps，p=1,2是ISDN的BRI，128 kbp

17、s p=6是384 kbpsCRC errorandFixed-lengthcontrolp x 64I-DCTMotionEstimationQ-1QIntraDCTHuffmanVLCFrameMemory-InterFilterMotion Vector8x8blockFigure 12.32JPEG Joint Photograph Expert Group JPEG 是ITU-T和ISO联合组成的研究专家组，1986年成立。目前已经制定的标准有：JPEG91是基于DCT和VLC压缩方法JPEG2000是基于wavelet变换的压缩方法。压缩的图像分为三个等级：基本系统Baseline

18、, 扩展系统Extended, 以及无失真系统Lossless。JPEG标准还可以用于连续图像的压缩，称为M-JPEG(Motion-JPEG)，应用在数码相机中存储活动图像。 180150115100100100100100250180128100 100100100100190170120100 100100100100160130110100 100100100100110 100 100100100100100100100100 100100100100100100100100 100100100100100100100100 100100100100100100In image an

19、d video coding, the picture array is divided into 8x8 pixel blocks which are coded separately.DCT8x8 block of 8-bit pixel values1112215510001417104 1000 2 2 10 0000-4-4-2-10000-3-3-1 00000-1-1 0 0 0000 0 0 0 00000 0 0 0 00000Quantized DCT CoefficientsFigure 12.28VLC codingDCTQuantization8x8blockQuan

20、tizationMatricesHuffman TabDC: DPCM VLIAC: O-run/VLISymmetricDCT/I-DCTtransferFigure 12.29MPEG-1标准 即中国的VCD标准，达到家用VHS录像机的图像质量(约300线)。总速率是1.5Mbps，其中音频是64、128或192kbps。图像大小采用H.261标准中的CIF(Common Interface Format)格式，即352288(PAL)，或352240(NTSC)。 (frequency)X(f) (time)x(t)80 103 2 08 21 0 .2 00 .0 0.0 .10095

21、85 .1029970.1018070.957765.(u,v)Frequency(n,m)Space1-D DCT2-D DCT(a)(b)Figure 12.26. . . . . . . . . . . . .8m x 8n pixelcolorpicturem x n blockred componentm x n blockgreen componentm x n blockcomponent signalA scanned color picture produces 3 color component signals Figure 12.27Info = M bits/pixel

22、 x (WxH) pixels/frame x F frames/second.2+30 fps1-1+2-Figure 12.30- Motion Vector- Error Block- Intra BlockIntra- /inter-frameprocessorEncoderFrame bufferFnFn-1FnFn-1(+1,+2)(x,y)Hybrid Encoder:MotionVectorFigure 12.31Fn-1Linear predictionInterpolation1-D examples:FnFn+1FnBi-Direct MCFn-1Fn+1- Intra-

23、 Forward- Backward- Bi-directQuantize individualsamplesxxFigure 12.33Bidirectional Motion CompensationB11Pred 12B1B2B4B5B7B8B10Intra 0Pred 3Pred 6Intra 9- Intra- Forward- Reverse- Bi-direct16 x 16 BidirectionalmacroblocksFigure 12.34DecoderDecoderBase streamEnhancement streamLargeimageSmallimageDeco

24、derDecoderBase streamEnhancement streamHighqualityLowqualitySNR scalabilitySpatial ScalabilityFigure 12.35AudioencoderVideoencoderPacketizerPacketizerPSMultiplexerTSMultiplexerProgramstreamTransportstreamPESstreamsMPEG Systems LayerFigure 12.36MPEG-2标准即通常所说的DVD标准，图像质量很高(约800线)。支持的图像格式非常多，包括PAL：35228

25、8(CIF)，720576，14401152，19201152等要注意MPEG-2与HDTV和DVB-C/T/S的关系。 MPEG-4标准 即H.263标准，用于低比特率视频编码方法(小于64kbps)，非常适合于在移动信道中传输。MPEG-4是基于内容的编码方法，应用于多媒体表演和飞行训练等。MPEG-7标准 是基于内容的声像数据库检索的图像压缩标准。13.4 多媒体通信系统一、 N-ISDN系统二、WWW实现多媒体传输的原理三、H.32X多媒体通信协议四、IP电话的实现原理五、软交换技术概述一、 N-ISDN系统2B+D时分复用实现电话、可视电话、传真和数据的综合传输。图？，这是最早实现的多媒体通信系统二、WWW实现多媒体传输的原理Internet中采用分组交换实现图文网页的传输和显示。三、 H.32X多媒体通信协议H.324用于PSTN的传输，H.323用于分组网的传输。IP电话就是基于H.323标准实现的。IP networkPublic telephonenetworkGatekeeperGatewayH.323 termin