多媒体技术课件：第8章分布式多媒体系统

1、第8章 分布式多媒体系统8.1 概述一、多媒体通信简介 多媒体通信是指在一次呼叫过程中能同时提供多种媒体信息如声音、图像、图形、数据、文本等的新型通信方式。它是通信技术和计 算机技术相结合的产物。 与电话、电报、传真、计算机通信等传统的单一媒体通信方式比较，利用多媒体通信，相隔万里的用户不仅能利用声像图文并茂地交流信息，使分布在不同地点的多媒体信息，能步调一致地作为一个完整的信息呈现在用户面前，而且用户对通信全过程具有完备的交互控制能力。1、多媒体通信的特点：多媒体通信具有集成性 多媒体通信系统能够传输多种媒体信息，包括声、图、文等，还能对这些媒体信息进行处理和存取。多媒体通信具有分布性 各种

2、媒体在使用时在地理上处于分布状态，通过互联网可将不同地域的人利用多媒体的方式联系起来，通过语音、图像或者文字交流的方式组成一个虚拟环境，在这个环境中硬件具有分布式的特点。多媒体通信的工作方式具有交互性 多媒体通信系统以交互方式工作，必须能够实现多点之间，多种媒体信息之间的自由传输和交换，这种交互要做到实时进行，多媒体终端用户对整个通信的过程能够控制。多媒体通信系统之间具有同步性 通过网络传输实现多媒体信息的交互，这种交互必须保证具有实时性，在时间上是同步的。 2、 多媒体通信的应用范围十分广泛。它的业务类型主要有以下几种： 会话型。即在家中与远方的朋友通电话，可以看到他的形象；与远在国外的合作

3、伙伴进行贸易谈判，可以逼真地看到对方提供的样品，还可以把已签字的合同立即传送给对方；甚至可以坐在办公室或家中，利用自己的计算机和分散在世界各地的同行一起“开会”商讨问题等。 电子信函型。可以在任何时间向远方的朋友发出（或接收）集声像图文于一体的“电子函件”。 检索型。可随时从不同地点的多媒体数据库中检索到需要的多媒体信息。 分配型。可以在家中随意点播电视节目。 3、要实现应用广泛的多媒体通信，需要解决许多重大技术问题。 首先是通信网问题。最适合多媒体通信的通信网，是宽带综合业务数字网，它能灵活地传输交换具有不同传输速率、不同性能要求的多媒体信息。世界各国正在着手建设的“信息高速公路”，为容纳多

4、种媒体信息的“车辆”通行无阻创造了条件。 其次，要解决多媒体信息的“压缩”问题。把音频、视频信号的频带压缩到一定范围，否则“信息高速公路”上不但容不下那么多的多媒体信息的“车辆”。 还要研制可以存储、显示处理多媒体信息的多媒体终端设备等。 总之，多媒体通信成为当今通信领域的一个热点，因为它适应了信息时代人们对信息交流的要求。 二、分布式多媒体系统简介 多媒体技术与高速通信网络技术相结合产生了分布式多媒体技术这个新型边缘研究领域，分布式多媒体系统是指将多个分布在不同地点的多媒体终端、交换设备和多媒体服务器通过高速通信网络互连在一起并能够完成多媒体通信业务的系统，分布式多媒体系统也称为多媒体通信系

5、统。多媒体信息处理技术、分布式数据处理技术和多媒体计算机网络技术的迅速发展为分布式多媒体应用系统的实现奠定了良好的基础。1、分布式多媒体系统的概念 多个计算机自治处理单元通过网络互连在一起协作完成一个总体任务的系统称为分布式系统，分布式系统中各个自治计算机通过网络交换信息才能共同完成同一项工作。 分布式多媒体系统是把多媒体信息的获取、表示、传输、存储、加工和处理集成为一体，运行在一个分布式计算机环境中，简单说是指能够实现多媒体功能的分布式系统。 分布式多媒体系统集计算机的交互性、网络通信的分布性、多媒体信息表示的综合性于一体，能够提供诸如多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒

6、体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种服务。2、分布式多媒体对网络性能的要求 多媒体通信对网络的一些性能参数要求比较高，它们是网络的传输率、吞吐量、延迟、可靠性等。这些参数对评价多媒体通信的质量非常重要。 （1）网络的吞吐量。 吞吐量是指通信网络单位时间内传输的二进制位数，吞吐量也称为带宽、比特率或数据传输速率。实时传输动态图像对网络的吞吐量要求最高。高清晰度电视（HDTV）：分辨率为19201080，帧率为60帧/秒，当每个像素以24比特量化时，总数据率在2Gbps的数量级。如果采用MPEG-2压缩，其数据率大约在2040Mbps。 演播室质量的电视：其

7、分辨率采用CCIR 601格式。对于PAL制，像素为720 x576，帧率为每秒25帧（隔行扫描），每个像素以16比特量化，则总数据率为166Mbps。经过MPEG-2压缩之后，数据率可达68Mbps。 广播质量的电视：比演播室质量的电视稍差一些，经MPEG-2压缩之后数据率为36Mbps。录像质量的电视：它的分辨率是广播质量电视的1/2，经MPEG-1压缩之后数据率约为1.4Mbps（其中伴音为200Kbps左右）。 会议质量的电视：会议电视可以采用不同的分辨率。采用GIF格式，即352x288的分辨率，帧率为10帧/秒以上，经H.261标准的压缩后，数据率为128Kbps（其中包括声音）。

8、 （2）网络的传输延迟。 网络的传输延迟定义为信源发出第一位比特到信宿接收到该比特之间的时间差，传输延迟包括信号在物理介质中的传播时间和信号在网络中的处理时间。对于实时会话应用，网络的传输延迟时间应小于250ms，对于多媒体信息检索与查询应用，系统对用户的响应时间不应超过12s。（3）网络的延时抖动。 网络传输延迟时间的变化称为网络的延时抖动（Delay jitter），延时抖动通常采用在一次会话过程中最长和最短传输延迟时间差来表示。延时抖动会破坏多媒体的同步。在网络终端采用大容量缓冲器能够对延时抖动进行适当补偿。 （4）数据传输误码率。 常用的数据传输误码率主要有比特出错率、包出错率和包丢失

9、率。 比特出错率BER（Bit Error Rate）是指数据在传输过程中出错的位数与数据的总位数之比。 包出错率PER（Packet Error Rate）是指数据包在传输过程中由于包丢失、包次序颠倒或同一个包接收了两次以上等现象而导致的数据包错误。 包丢失率PLR（Packet Loss Rate）也称为信元丢失率CLR（Cell Loss Rate），包丢失率只关心数据包在传输过程中的丢失概率，而不关心数据包在传输过程中的其他错误。 在多媒体应用中，人们在接收声音和图像信号时，由于活动图像和声音是在不断更新的，错误很快被覆盖，因而人可以在一定程度上容忍错误的发生。此外，误码对人的主观接收

10、质量的影响程度还与压缩算法和压缩倍数有关。 数据传输与声音和活动图像不一样，对误码率的要求很高，不容许有任何差错。例如：银行转帐、股市行情、科学数据和控制指令等。虽然物理信道不可能绝对不出差错，但是可以通过检错、纠错机制，以及利用自动重发请求（ARQ，Automatic Repeat Request）协议在检测到差错、包次序颠倒、或超过规定的时间限制仍未收到数据时，向发端请求进行数据的重传等，使误码率降为零。 8.2分布式多媒体典型应用系统 分布式多媒体技术的真正意义就在于通过网络向用户提供综合信息服务，随着高速网络与多媒体信息处理技术的不断成熟，建立集数据、音频和视频等多种媒体信息处理于一体

11、的分布式多媒体应用系统已经成为可能。到目前为止，已出现了计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体信件及远程教学等多种分布式多媒体典型应用系统。 一、多媒体视频会议系统 将分布式多媒体系统应用于传统的电视电话会议中，就形成了多媒体视频会议系统。 多媒体视频会议系统是一种让身处异地的人通过某种传输介质实现“实时、可视、交互”的多媒体通讯技术。 简单理解，所谓视频会议系统是指两个或两个以上不同地方的个人或群体，通过传输线路及多媒体设备，将声音、影像及文件资料互传，达到即时且互动的沟通，以完成会议目的之系统设备，能达到让身处异地的人有一种身临其境的参加同一会场

12、会议的效果。会议系统的应用1、远程军事会议与远程指挥2、远程商务3、远程医疗5、残疾人交流4、安全与监控 6、远程教育军事会议系统会议终端军事多媒体会议系统是一个具有安全保密性能的远程多媒体协同工作环境，它能够支持相距千里之外的多个作战室或指挥所之间举行异地军事会议和进行“面对面”指挥。远程医疗会诊系统远程教学系统1、多媒体视频会议系统的分类 根据通信节点的数量，视频会议系统可分为点对点视频会议系统和多点视频会议系统。（1）点对点视频会议系统支持两个通信节点间视频会议通讯功能，它的主要业务是： 可视电话 桌面视频会议系统 会议室型视频会议系统（2）多点视频会议系统允许三个或三个以上不同地点的参

13、加者同时参与会议。多点视频会议系统一个关键技术是多点控制问题，多点控制单元（MCU）在通讯网络上控制各个点的视频、音频、通用数据和控制信号的流向，使与会者可以接收到相应的视频、音频等信息，维持会议正常进行。2、视频会议系统工作原理及其结构 视频会议终端、多点控制器、信道（网络）、控制管理软件（1)视频会议终端的主要功能 完成视频音频信号的采集、编辑处理及输出、视频音频数字信号的压缩编码和解码，最后将符合国际标准的压缩码流经线路接口送到信道，或从信道上将标准压缩码流经线路接口送到终端。 此外，终端还要生成各种控制信号：同步控制和指示信号、远端摄象机的控制协议、定义帧结构、呼叫规程及多个终端的呼叫

14、规程、加密标准、传送密钥及密钥的管理标准。(2)多点控制单元的功能（MCU-Multipoint Control Unit） MCU是多点视频会议系统的关键设备。它的主要功能是对视频、语音及数据信号进行切换，例如它会把传送到MCU某会场发言者的图象信号切换到所有会场。对于语音信号，若同时有几个发言，可以对它们进行混合处理，选出最高的音频信号，切换到其它会场。(3)信道的功能 信道（网络）的主要功能是：保证视频音频数据压缩码流安全在信道上传输到视频会议系统的终端。(4)控制管理软件服务质量QoS 是满足视频会议系统需求的核心问题，视频会议系统要把用户的服务请求映射成预先规定的QoS参数，进而与系

15、统和网络资源对应起来，通过资源的分配和调度满足用户的应用需要。安全保密 安全保密系统的主要组成部分是加密模块和解密模块，加密模块是将会议终端用户数据加密形成加密后的数据在网络上传输，解密模块接收加密数据进行解密得到用户数据。加密和解密模块的核心是密钥的生成和管理，密钥生成的核心是加密算法，加密算法不包含在国际标准的建议中，它由视频会议系统设计者研制或选用。3、视频会议系统的标准 目前广泛使用的标准包括：H.320标准、H.323标准以及SIP（Session Initiation Protocol）视频会议标准。（1）H.320标准。 H.320是同步电路交换网（如ISDN）上视频会议的标准。

16、这些网络适用于实时应用，如长时间和具有确定延迟的音频和视频信号传递。H.320系列标准是会议系统中应用最早,最为成熟的协议,支持ISDN,E1,T1,带宽从64Kbps到2Mpbs，几乎所有会议系统厂家都支持。 H.320系列标准包括了视频，音频的压缩和解压缩，静止图像，多点会议，加密及一些改进的特性。 27H.320标准系列框图H.261是视频编码解码器的标准，采用中间格式来兼容不同电视制式间的差异，它按照图像内容进行帧内/帧间的处理。G711 64KbpsPCM电话质量语音压缩标准。G722 48/56/ 64Kbps ADPCM高保真质量语音压缩标准。G.728 16kbps LD-CE

17、LP 语音压缩标准H221定义了视听服务中64K1920K信道的帧结构，后又增加了多点会议及加密的内容，它可将不同的媒体信息进行集成、复接。T.120是由国际电信联盟通信标准部（ITU-T）开发的系列国际标准，此标准是为支持多点和多媒体会议系统中发送数据而制定的。T.120标准也为连接白板和非视频会议应用及文件传输提供应用规程。H.230传递帧同步控制和指示信号。H.242描述在高达2M的数字信道上，会议电视终端之间建立通信和设置呼叫的规程，H.243主要处理多个终端之间建立通信的过程。（2）H.323标准 H.323是专为在已有的局域网上运行多媒体系统而设计的。 它描述了将实时的语音、图像数

18、据传输到PC机和视频电话中所需要提供的设备和服务。 H.323与现有的局域网网卡、集线器交换以及路由器具有良好的兼容性。（3）H.324 H.324是电话网上的会议系统标准。（4）SIP协议（Session Initiation Protocol，会话初始协议） SIP是由IETF（互联网工程任务组）于1999年提出的一个在基于IP网络中，实现实时通信应用的一种信令协议。在基于SIP协议的应用中，每一个会话可以是各种不同类型的内容，可以是普通的文本数据，也可以是经过数字化处理的音频、视频数据，还可以是诸如游戏等应用的数据，应用具有巨大的灵活性。 SIP协议在很大程度上借鉴了其他广泛存在的Int

19、ernet协议，如HTTP，SMTP等，采用基于文本的编码方式，这是SIP协议同视频通信领域其他现有标准相比最大的特点之一。4. 视频会议系统的关键技术（1）音频和视频编解码技术。（2）视频会议的QoS（服务质量）保证技术。 视频会议系统中的传输网络应充分考虑应用所需的网络带宽、数据流的传输延时和丢失率等质量指标，满足音频和视频等实时应用。如何提供具有一定QoS的保证也是视频系统的关键技术。（3）媒体同步技术。 媒体同步是指保持一个数据流或者不同媒体流之间的时间关系。通常有流内同步、流间同步和对象间同步等三种类型的同步控制。（4）组播技术。 视频会议业务需要点到多点的通信。组播技术可以避免数据

20、的重复发送，不会造成网络带宽的浪费，非常适合视频会议业务，是视频会议系统的关键技术之一。（5）信息安全技术。 用于视频会议系统的信息安全技术主要有加解扰技术和数字签名技术两大类。加解扰技术的目的是防止信息被非法盗用。数字签名技术的目的是解决信息的否认、伪造、篡改及冒充等问题。 二、 IP电话 IP电话（VoIP， Voice over Internet Protocol），是利用互联网实现语音通信的一种先进通信手段，是基于IP网络的语音传输技术。它利用电话网关之类的设备将电话语音数字化，将数据压缩后打包成数据包，通过IP网络传输到目的地；目的地收到这一串数据包后，将数据重组，解压缩后再还原成声

21、音。这样，网络两端的人就可以通话。与传统电话相比，IP电话费用相当低廉。1IP电话工作原理 IP电话在宽带网连接上提供语音通信。这种语音通信可以转接到公共互联网上，也可以转接到专用的IP干线网络。由专门设备或软件将呼叫方的话音/传真信号采样并数字化，压缩，打包，经过IP网络传输到对方，对方的专门设备或软件接收到话音包后，解压缩，还原成模拟信号送给电话听筒或传真机。 在企业网中，一般都使用IP电话网关实现普通电话网络与IP网络的转换。IP电话网关具有路由管理功能，它把电话区号映射为相应的地区网关IP地址，这些信息存放在数据库中。在用户拨打IP电话时，IP电话网关根据电话区号数据库资料，确定相应网

22、关的IP地址，并将此IP地址加人IP数据包中，同时选择最佳路由，把IP数据包经因特网送达目的IP电话网关。2IP电话系统结构 IP电话系统由终端设备、网关（Gateway）、多点控制单元（MCU）和网守（ Gatekeeper）四个基本组件组成，其系统结构如下图所示。是对网络终端（如电话）网关等呼叫和管理功能，它是Voip网络系统的重要组成部分。在IP电话中，网守处于高层，是用来管理IP电话网关的。3 IP电话的相关技术标准 为了能够使得不同厂家的IP电话产品之间有良好的互连性，最关键的问题是要制定相应的国际标准。当前应用比较广泛的两个标准是ITU-T(国际电信联盟远程通信标准化组织)制定的H

23、.323系列标准和IETF（互联网工程任务组）制定的SIP标准。这两个标准给出了分布式多媒体系统中信号的传输和控制这一问题的两种不同的解决方法。三、视频点播系统 随着多媒体技术、通信技术以及硬件存储技术的发展，人们已不再满足以往单一、被动的信息获取方式，而是希望主动参与节目之中。视频点播（video on demand， VOD）正是这样一种交互式业务，引起有线电视界和通信界的高度重视。 视频点播系统改变了传统的单向传输、用户对视频节目无权选择的状况，使用户不仅能够观看固定节目，而且还可以随时点播自己想看的节目。从长远来看，视频点播具有巨大的潜在市场和深远的发展前景，代表未来全功能网络化和数字

24、交互式信息的应用发展趋势，是一种从内容、形式上更深层次的互动，也是数字影院、交互视频新闻广告等新应用的基础，具有广阔的发展潜力。 1、视频点播系统的分类 构成视频点播系统的方案主要有两种： 一是以计算机局域网为传输主干线，以PC为点播终端的VOD系统； 一是以有线电视网为传输主干线，以机顶盒与电视机为点播终端的VOD系统。 目录浏览电影点播交互电视购物交互视频游戏交互电视遥控器电视机机顶盒2、 视频点播系统的点播过程 在点播过程中，用户通过自己的VOD终端，向就近的VOD业务接入点发起第一次通信呼叫，要求使用VOD业务，经VOD业务上行通路（如计算机网、电信网、有线电视网等）向视频服务器发出请

25、求；系统迅速做出反应，在用户的电视屏幕上显示点播单，并对用户信息进行审核，判定用户身份；用户根据点播单作出选择，要求播放某个节目，系统则根据审核结果，决定是否提供相应的服务。在较短的时间间隔内向指定的设备播放所要求的节目，并随时准备响应新的请求。3、 VOD系统的组成 视频点播系统由视频信息源、传送网络和用户终端三大部分组成。 视频服务提供商提供视频信息源，将节目存储在视频服务器中。视频服务器随时根据用户的需求，将各种信息资源向用户提供丰富的视频服务。 传送网络是连接视频服务提供商与远地用户住宅的通信系统，通过传输网络传送视频信号和回送用户的选择和命令。 用户通过简便易用的用户终端（机顶盒）将

26、压缩的视音频信号解码后输出至显示设备，即可欣赏自己需要的节目。（1） 视频信息源 视频信息源由视频服务器、节目选择计算机和记账计算机等设备组成。 用于存储视频资源并提供检索能力的设备称为视频服务器，它是VOD系统的中央控制和服务部分，是最关键的设备。视频服务器的高速数据传输能力保证了用户对大量的影片、视频节目、游戏、商务信息以及其他服务的近乎即时的访问。 VOD视频服务器保存着大量经压缩的图像节目并能通过网络为用户提供所需的节目拷贝，也可以包含实时的MPEG编码器来接入实况转播。VOD视频服务器通过与用户之间直接的、实时双向交互来控制节目的播放，包括节目的选择、播放过程的开始与终止、播放速度的控制以及不同节目之间的动态切换等。（2）传输网络 传输网络用于传送用户的节目选择信息和分配视、音频服务媒体流。VOD系统对网络的吞吐量、延迟和延迟变化等性能指标均有较高的要求。由于