网络多媒体技术章-课件6

第6章多媒体系统关键技术6.1多媒体信息存储技术6.2多媒体信息输入输出技术6.3多媒体通信同步技术6.4多媒体终端技术6.5本章小结思考练习题第6章多媒体系统关键技术6.1多媒体信息存储技术多媒体技术的发展离不开相关技术的支持。数据压缩技术、多媒体网络技术在前面章节已经作了介绍，除此之外，多媒体信息存储与输入输出技术、网络同步技术、多媒体终端技术等也在多媒体技术的发展过程中发挥着重要作用，下面将逐一介绍这些关键技术。多媒体技术的发展离不开相关技术的支持。数据压缩技术、多媒

6.1.1磁存储技术

1. 硬盘的基本工作原理

硬盘是计算机系统中极为重要的设备，存储着大量的用户资料和信息。硬盘由固定面板、控制电路板、磁头、盘片、主轴、电机、接口及其他附件组成。其中，磁头、盘片组件是构成硬盘的核心，它封装在硬盘的净化腔体内，包括浮动磁头组件、磁头驱动机构、盘片、主轴驱动装置及前置读写控制电路这几个部分。6.1多媒体信息存储技术

6.1.1磁存储技术

1. 硬盘的基本工作原硬盘的基本工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在读取数据时，将磁粒子的不同极性转换成不同的电脉冲信号，再利用数据转换器将这些原始信号变成电脑可以使用的数据；写的操作则正好相反。硬盘还有一个存储缓冲区，这是为了协调硬盘与主机在数据处理速度上的差异而设的。硬盘驱动器加电正常工作后，利用控制电路的初始化模块进行初始化工作，此时磁头置于盘片中心位置。初始化完成后主轴电机启动并高速旋转，装载磁头的小车机构移动，将浮动磁头置于盘片的着陆区，处于等待指令的启动状态。当接口电路接收到微机系统传来的指令信号时，通过前置放大控制电路驱动音圈电机发出磁信号，利用感应阻值变化的磁头对盘片数据信息进行正确定位，并将接收后的数据信息解码，硬盘的基本工作原理是利用特定的磁粒子的极性来记录数据。磁头在通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统，以完成指令操作。结束任务后，硬盘处于断电状态，在反力矩弹簧的作用下浮动磁头驻留到盘面中心。通过放大控制电路传输到接口电路，反馈给主机系统，以完成指令操

2. 硬盘的性能指标

(1)转速。转速是硬盘所有指标中除了容量以外最引人注目的性能参数，以r/min为单位。转速对于硬盘传输速度至关重要，转速越快，硬盘取得及传送数据的速度也就越快。目前，硬盘转速主要为5400r/min、7200r/min和10000r/min。2. 硬盘的性能指标

(1)转速。转速是硬盘所有指标

(2)容量。硬盘上信息的存储是以圈的形式存在的，每一个圈就是一个磁道。半径方向单位长度内的磁道数目称为道密度Dt，而沿圆周单位长度上的信息比特数称为位密度Db，面密度Dn为道密度与位密度的乘积，即Dn＝Dt×Db。Dn越大，表明一个盘片上能存储的信息量就越大。面密度的增加会使相邻磁道间的干扰加大，磁头在磁道上进行数据读写时容易发生偏离，增加出错几率。硬盘容量与盘片数、面密度关系密切，这两项数值越大，则容量越大。(2)容量。硬盘上信息的存储是以圈的形式存在的，每一个圈盘片数的增加会使硬盘体积增厚。单盘片容量的大小直接关系到整个硬盘容量的大小，因为目前的硬盘里一般只能放进4~5张盘片，只有提高每张盘片的容量才可以不断地增加硬盘的容量。随着盘片面密度的提高，磁头就必须随之越来越灵敏。传统的磁阻磁头所能承受的最大单盘片容量是4.5GB左右，目前单盘片容量超过5GB的硬盘已经全部使用了巨磁阻磁头。

除了对容量大小产生影响之外，单盘片容量还和硬盘的数据传输速度有着密切的关系。磁道数的增加对于减少磁头的寻道时间大有好处，因为盘片的半径是固定的，磁道数的增加意味着磁道间距离的缩短，而磁头从一个磁道转移到另一个磁道所需的时间就会缩短，这将有助于随机数据传输速度的提高。盘片数的增加会使硬盘体积增厚。单盘片容量的大小直接关系到而磁道内线性磁密度的增长则和硬盘的持续数据传输速度有着直接的联系，新一代GMR磁头技术确保了这个增长不会因为磁头的灵敏度的限制而放慢速度。所以在很多时候，更高单盘容量的5400r/min硬盘会比单盘容量较低的7200r/min硬盘的速度更快。而磁道内线性磁密度的增长则和硬盘的持续数据传输速度有着直接的(3)平均寻道时间。平均寻道时间指的是磁头到达目标数据所在磁道的平均时间，它直接影响着硬盘的随机数据传输速度。磁头平均寻道时间除了和单盘容量有关外，最主要的决定因素是磁头动力臂的运行速度。目前硬盘的平均寻道时间大约为7~9ms。(3)平均寻道时间。平均寻道时间指的是磁头到达目标数据所(4)缓存。缓存也是硬盘相当重要的一个参数，其大小也会直接影响到硬盘的整体性能。在数据的读取过程中，硬盘里的控制芯片发出指令，将系统指令正在读取的簇相邻的下一个或几个簇的数据读入硬盘高速缓存。当系统指令开始要读取下一个簇的数据时，硬盘便不需要重新开始一个读取动作，只需要将缓存中的数据传送到系统主存中就行了。因此，缓存容量的加大可以使得更多的预读数据被容纳，系统等待的时间被大大缩短。(4)缓存。缓存也是硬盘相当重要的一个参数，其大小也会直(5)传输速度(TransferRate)。传输速度分为内传输速度与外传输速度。内传输速度是从硬盘到缓存的传输速度，外传输速度是从缓存到通信接口的传输速度。内传输速度更能反应硬盘的实际表现。目前，最快的传输速度已达1.28Gb/s。(5)传输速度(TransferRate)。传输速度分(6)接口类型。硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，其作用是在硬盘缓存和主机内存之间传输数据。每种接口协议拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度，其存取效能的差异较大。不同的硬盘接口决定着硬盘与计算机之间的连接速度，在整个系统中硬盘接口的性能高低直接影响着程序运行的快慢和系统性能的好坏。

从整体的角度上看，硬盘接口分为IDE、SATA、SCSI和光纤通道四种，在IDE、SATA、SCSI的大类别下，又可以分出多种具体的接口类型，即它们各自又拥有不同的技术规范，具备不同的传输速度。而光纤通道只在高端服务器上才用到。(6)接口类型。硬盘接口是硬盘与主机系统间的连接部件，其

3. 硬盘技术的发展趋势

(1)更高的主轴电动机转速。硬盘的主轴电动机转速一般都为4500r/min或者7200r/min。从理论上说，转速越快，硬盘的速度也越快，但提高转速受到散热、稳定性等多方面的制约，因此硬盘转速的提高是有限度的。随着硬盘转速的提高，平均等待时间和平均寻道时间随之下降。目前硬盘转速已高达10000r/min以上，平均寻道时间为5ms，分别工作在Ultra2SCSI和FibreChannel两种传输模式下。3. 硬盘技术的发展趋势

(1)更高的主轴电动机转速(2)ULTRADSP(超级数字信号处理器)的应用。DSP每秒可以处理数千万条指令，处理数学运算时较一般CPU快10~50倍。DSP用于缩短硬盘的平均寻道时间时，采用ULTRADSP技术，其单一的DSP芯片可同时提供处理器及驱动接口的双重功能，减少了其他电子零件的使用，可大幅度提高硬盘的速度和可靠性。(2)ULTRADSP(超级数字信号处理器)的应用。DS(3)高速缓存技术。目前在硬盘上广泛采用了多段先行读出式超高速缓存器，它可在读出和先行读出作业中，将数据存入超高速缓存器中，主机不必通过磁盘驱动器便可以直接使用这些数据。由于每一段都可以用做一个独立的缓冲器，可以在多任务环境中大大提高系统的吞吐性能，因此即使是E-IDE接口的硬盘，为了提高性能，也增加了256KB的高速缓存。目前一些硬盘上已经采用了高达2MB的高速缓存。(3)高速缓存技术。目前在硬盘上广泛采用了多段先行读出式(4)使用MR及GMR技术提高单盘容量。利用MR(Magneto-Resitivehead，磁阻磁头)技术可以以更高的实际记录密度记录数据，从而增加硬盘容量，提高数据吞吐率。MR技术可使硬盘容量提高40%以上。GMR(GiantMagnetoResistive，巨磁阻磁头)与MR磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据的，但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR磁头更为敏感，从而可以实现更高的存储密度。现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3~5Gb/in2，而GMR磁头可以达到10~40Gb/in2以上。目前GMR磁头已经处于成熟推广期，在今后的数年中，它将会逐步取代MR磁头，成为最流行的磁头技术。(4)使用MR及GMR技术提高单盘容量。利用MR(Mag(5)硬盘内多盘片封装技术。当平均存取时间和记录密度一定时，盘片数加倍则意味着单位区域内的容量加倍，移动磁头寻道的时间将减小，性能将提高。一般E-IDE接口的硬盘最多为4片盘。目前单张盘片(3.5in)容量可达到2.88GB，如使用4片盘，则可使容量达到11.5GB。(5)硬盘内多盘片封装技术。当平均存取时间和记录密度一定(6)OAW技术。在传统磁盘技术的发展过程中存在一个“超顺磁极限”。传统磁记录驱动器的面记录密度越来越大，当它达到20~40Gb/in2时，磁盘上的磁介质就无法保持稳定的磁畴，这就是传统磁盘技术发展的理论极限。但信息技术的发展对信息存储的要求却没有极限。下一代的存储解决方案名曰光学辅助温式(OAW)技术。OAW系统由先进的光输送系统、独特的磁头设计、全新的伺服系统等新一代记录介质子系统组成，可以在1in内写入105000个以上的磁道，单盘容量有望突破36GB。单盘容量的提高不仅可以提高硬盘总容量，降低平均寻道时间，还可以降低成本，提高性能。OAW是未来磁头技术发展的方向。(6)OAW技术。在传统磁盘技术的发展过程中存在一个“超OAW技术达到的面记录密度远高于今天的硬盘驱动器，最终将突破超顺磁极限，即传统磁技术的面记录密度的理论极限。OAW技术在驱动器领域首次把光技术、磁技术和通信技术集成在一起，构成了新一类的高容量驱动器产品。OAW技术达到的面记录密度远高于今天的硬盘驱动器，最终将6.1.2光存储技术

光存储技术发展得很快，特别是近10年来，近代光学、微电子技术、光电子技术及材料科学的发展为光学存储技术的成熟及工业化生产创造了条件。光存储以其存储容量大、工作稳定、密度高、寿命长、介质可换、便于携带、价格低廉等优点，已成为多媒体系统普遍使用的设备。

1980年，日本的KDD公司推出了世界上第一台光存储系统。从那时起，世界各先进工业国就致力于光存储系统的开发和研究工作。光存储系统由光盘驱动器和光盘盘片组成。光存储的基本特点是用激光引导测距系统的精密光学结构取代硬盘驱动器的精密机械结构。6.1.2光存储技术

光存储技术发展得很快，特别是近1光盘驱动器的读写头是用半导体激光器和光路系统组成的光学头，记录介质采用磁光材料。驱动器采用一系列透镜和反射镜，将微细的激光束引导至一个旋转光盘上的微小区域。由于激光的对准精度高，因此写入数据的密度要比硬磁盘高得多。

光存储系统工作时，光学读/写头与介质的距离比起硬盘磁头与盘片的距离要远得多。光学头与介质无接触，所以读/写头很少因撞击而损坏。虽然长时间使用后透镜会变脏，但灰尘不容易直接损坏机件，而且可以清洗。与磁盘或磁带相比，光学存储介质更安全耐用，不会受环境影响而退磁。硬盘驱动器使用5年以后失效是常见的事情，而磁光型介质估计至少可使用30年、读/写1000万次。只读光盘的寿命更长，预计为100年。光盘驱动器的读写头是用半导体激光器和光路系统组成的光学头，记

1. 光存储的类型

常用的光存储系统有只读型、一次写型和可重写型这三大类。

(1)只读型光存储系统。只读型(ReadOnly)光盘上的数据是在生产制作时生成的，用户可以根据需要选读光盘上的信息，但是不能擦除、更改或者再写入新的数据。它主要作为电子出版物、素材库和大型软件的载体，常见的有CD-ROM、激光唱片(CD-DA)、激光视盘(LD)以及存储视频图像和电影的VCD、DVD等。1. 光存储的类型

常用的光存储系统有只读型、一次写(2)一次写型光存储系统。一次写多次读型(WriteOnceReadMany,WORM)光存储系统的存储单元的状态只能改变一次，而且一旦改变就不能回到原来状态，即写是不可逆的，但是可重复多次读，即可一次写入，任意多次读出。其使用寿命为10~50年，主要用于档案存储。常用的WORM光盘有CD-R光盘，它使用CD-R刻录机写入数据，支持逐次写入光盘内容，但对于已写入空间不允许重新写入。

(3)可重写型光存储系统。可重写光盘(ErasableRead/Write,E-R/W)像硬盘一样，可以任意读/写数据，即允许在擦除了盘片上原有的数据以后重新写入新的数据，主要用于多媒体应用开发系统和多媒体信息系统中。(2)一次写型光存储系统。一次写多次读型(WriteO

2. 光存储系统的技术指标

光存储系统的主要技术指标包括尺寸、容量、数据传输率、缓存和平均存取时间。

(1)尺寸。光盘的尺寸多种多样。LV(LaserVision)的直径为12in,CD激光唱盘和CD-ROM的直径为4.72in。光盘正在向小尺寸方向发展。

2. 光存储系统的技术指标

光存储系统的主要技术指标(2)容量。容量指按照某种光盘标准进行格式化后的容量。采用不同的光盘标准就有不同的存储格式，容量也不一样。如果改变每个扇区的字节数或采用不同的驱动程序，则会影响格式化容量。例如，SONY公司的SMO-D501光盘，如果格式化使每个扇区为1024B，则格式化容量是325MB；如果使每扇区为512B，则格式化容量只有297MB。目前，光盘正朝着高密度、大容量和小尺寸方向发展。(2)容量。容量指按照某种光盘标准进行格式化后的容量。采(3)数据传输率。数据传输率是指从光盘驱动器上读取数据到系统存储器中的速度，或单位时间内从光道上传送的数据位数(kb/s)，也可以表示为数据字节数(kb/s)。最初颁布的MPC-1标准规定光驱的数据传输率为150kb/s。随后以此速率作为衡量光盘数据传速率的单位，出现了2倍速、4倍速、8倍速。例如8倍速光驱的数据传输率是1.2MB/s。目前有的光驱的数据传输率已经达到64倍速，即9.6MB/s。(3)数据传输率。数据传输率是指从光盘驱动器上读取数据到(4)高速缓存。由于光盘驱动器读数的速度远比硬盘驱动器慢，因而在光盘驱动器中需要设置读出数据的高速缓存器。从光盘读数据时，将读出的数据存入高速缓存，存满后可以立即输出到计算机的RAM中，接着继续读出数据并存入高速缓存，这样可以提高光盘的读取速度。64KB的缓存可将CD-ROM的读取速度提高2~30倍。原则上讲，缓冲区的容量越大越好，一般为64KB、128KB、256KB，也有1MB或更大的缓冲区。(4)高速缓存。由于光盘驱动器读数的速度远比硬盘驱动器慢(5)平均存取时间。平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器发出命令开始，到光盘驱动器在光盘上找到读/写信息的位置，并接收读/写命令为止的一段时间。它包括光学头寻道时间、稳定时间和旋转延时。早期的单速150kb/s光盘驱动器平均存取信息所需要的时间为350ms，甚至更长。而2倍速光驱的平均存取时间在200ms左右，4倍速光驱的平均存取时间大约为100~160ms。平均存取时间的减少意味着通过光驱从光盘上查找资料的速度加快了。(5)平均存取时间。平均存取时间是指从计算机向光盘驱动器

3. 光盘库

光盘库系统是一种带有自动换盘装置(机械手)的光盘存储共享设备，一般由放置光盘的光盘架、自动换盘机构(机械手)和驱动器三部分组成。

光盘库系统包含一个或多个光驱动器，由精确伺服控制的机电机械手自动升降机构在盘片堆栈上的槽和驱动器之间来回移动光盘。当用户访问光盘库时，自动换盘机构首先将驱动器中的光盘取出并放置在指定的盘架位置上，然后将光盘送入驱动器。在盘播放完毕后机械手机构从驱动器上将盘卸下并放回堆栈上它的槽内。在程序控制下，机械手设备可操作和管理多个驱动器。3. 光盘库

光盘库系统是一种带有自动换盘装置(机械一套光盘库一般由2～12个盘仓组成，每个盘仓可容纳50片光盘，最多可以容纳多达600张光盘，总容量可以达到几百吉字节甚至太字节。光盘库通过高速SCSI接口与网络服务器连接，光盘驱动器通过自身接口与主机交换数据。当用户需要对光盘中的数据进行访问时，自动换盘装置先将驱动器中的光盘取出并按照要求放置在光盘架指定位置，然后再从光盘架中取出所需要的光盘并送入驱动器中。自动换盘装置的换盘速度迅速，一般在秒级。光盘库所用的盘片一般以VCD或DVD为主。一套光盘库一般由2～12个盘仓组成，每个盘仓可容纳50片

DVD光盘库的主要特点如下：

高容量，每张DVD盘片容量达到5.2GB，总容量达到TB级；

检索速度快，换盘时间在秒级，支持跨盘存取；

高可靠性，光盘的寿命为100年；

与各系统无缝连接，可应用于WindowsNT、NetWare、UNIX、IBM等系统；

安装简便，易于管理。DVD光盘库的主要特点如下：

高容量，每张DVD6.1.3网络存储技术

随着互联网络的发展和计算机技术的广泛应用，存储技术受到业界及专家们的高度重视。数据的有效使用和管理越来越成为多媒体系统发展的重要支撑。

由于近年来客户机和服务器计算模型的广泛采用，诸多服务器每个都带有自己的存储系统，信息分散到各个服务器上，形成所谓的“信息孤岛”，不利于进行信息整合。单一的存储技术，如磁盘、光盘、RAID技术等已经很难满足需求。这就需要一个全新的存储体系架构。网络存储将网络技术与新兴的存储技术有机地结合起来，能够彻底解决传统存储的缺陷，其主要特征体现为超大存储容量、大数据传输率以及高的系统可用性。6.1.3网络存储技术

随着互联网络的发展和计算机技术网络数据和信息的急剧增加自然也带来了网络存储的迅速增长。越来越多的证据表明，网络存储将成为继个人计算机和互联网络后第三次IT浪潮的引导者。网络数据和信息的急剧增加自然也带来了网络存储的迅速增长。越来

1. 传统存储技术

在传统的存储结构中，主机与存储系统通过SCSI总线连接起来，同时又通过网络接口连接到网络中，这种结构称为直接附加存储(DirectAttachedStorage,DAS)。在这种结构下，数据的流动路径为：当写入数据时，数据经过网络接口通过DMA操作到达主机内存，然后从内存又通过DMA操作送到存储系统；当读取数据时，数据从存储系统到主机内存，再从内存通过网络接口送到网络上。这种结构具有两个缺点：1. 传统存储技术

在传统的存储结构中，主机与存储系(1)可扩展性差。可扩展性是指当系统结构进行扩展时，系统的主要性能指标是否受限。当客户机数和服务器的磁盘数同时增加时，由于主机的内存限制，整个系统的吞吐量不能同步增加。(1)可扩展性差。可扩展性是指当系统结构进行扩展时，系统(2)系统的持续带宽较低。系统不能满足高持续带宽传输的应用，如多媒体数据传输等应用的要求。主要有三个原因限制了用户所得到的带宽和系统可扩展性：

①主机的带宽限制。由于主机是用户与存储子系统之间数据交换的必经路径，因此主机的带宽是整个系统带宽的一个重要因素。虽然计算机技术的发展使主机总线带宽大为增加，但是仍赶不上多媒体等数据服务对带宽的要求，主机带宽成为存储系统与用户之间的瓶颈。主机内存的两次DMA操作进一步降低了持续带宽。(2)系统的持续带宽较低。系统不能满足高持续带宽传输的应②主机的内存容量限制。由于主机的内存容量有限，当有连续的大量数据访问请求时，主机的内存容量将很快达到饱和，而不能处理剩下的数据传输请求。

③文件管理系统的开销也会增加数据访问时间。②主机的内存容量限制。由于主机的内存容量有限，当有连续的

2. 网络存储技术

网络存储将网络技术与新兴的存储技术结合起来，充分利用网络技术的特点，如远距离和安全性等，可以确保数据的一致性、安全性和可靠性，实现不同数据的集中管理，实现网络上数据的集中访问，解决不同主机类型的数据访问和保护等复杂存储问题。

目前网络存储的主流技术主要有两种：一是网络附加存储(NetworkAttachedStorage,NAS)；二是存储区域网络(StorageAreaNetwork，SAN)。这两种技术适用于不同的应用领域，同时也呈现出融合的趋势。2. 网络存储技术

网络存储将网络技术与新兴的存储技1) 网络附加存储

NAS通过集线器或交换虚拟机直接连在网络上，通过TCP/IP进行通信，面向消息传递，以文件的I/O方式进行数据传输，主机和存储子系统同时接入网络。存储子系统由网络存储控制器和存储介质(磁盘)组成。网络存储控制器负责管理与主机间的通信及磁盘的存储操作。主机与存储子系统成为网络上的对等实体。但是，在逻辑上，网络存储控制器所带的磁盘驱动器被定义为附属于主机的磁盘驱动器。主机向网络存储控制器发出数据读/写或其他命令，网络存储控制器则对这些命令进行解释和执行。当客户机从文件服务器上下载数据时，1) 网络附加存储

NAS通过集线器或交换虚拟机直接它首先要从文件服务器主机得到授权，然后根据所得到的文件地址信息，找到相应的网络存储控制器，直接向控制器发出I/O请求，最后直接从网络存储控制器获得文件数据。

NAS建立了存储子系统到客户机的直接连接，减少了数据传输中主机的干预，能够实现高持续带宽和好的可扩展性。NAS为那些访问和共享大量文件系统数据的部门提供了一个高效、性价比优异的解决方案。数据的整合减少了管理需求和开销，而集中化的网络文件服务器和存储环境——包括硬件和软件，确保了可靠的数据访问和数据的高可用性。可以说，NAS提供了一个强有力的综合机制。它首先要从文件服务器主机得到授权，然后根据所得到的文件地址信NAS技术能够满足特定的用户需求。NAS适用于那些需要通过网络将文件数据传送到多台客户机上的用户。NAS设备在数据必须长距离传送的环境中可以很好地发挥作用。此外，NAS设备非常易于部署。正确地进行配置之后，NAS可以提供可靠的文件级数据整合，因为文件锁定是由设备自身来处理的。尽管其部署非常简单，但是，人们仍然要确保在NAS设备的配置过程中提供适当的文件安全级别。NAS设备可以进行优化，以文件级保护向多台客户机发送文件信息。NAS技术能够满足特定的用户需求。NAS适用于那些需要通过网2) 存储区域网络

存储区域网络(SAN)是通过专用高速网将一个或多个网络存储设备和服务器连接起来的专用存储系统。SAN在最基本的层次上定义为互连存储设备和服务器的专用光纤通道网络，它在这些设备之间提供端到端的通信，并允许多台服务器独立地访问同一个存储设备。

SAN通过单独的高速光纤网络将存储设备和局域网上的服务器群连接起来，数据通过存储区域网络在服务器和海量存储设备间进行高速传输。存储区域网络是一种可满足海量(TB～PB数量级)数据存储、大量的I/O吞吐量和高端应用需求的网络式存储技术。应用计算机通过标准的网络(如以太网)连接到SAN的存储设备上。2) 存储区域网络

存储区域网络(SAN)是通过专用存储区域网络以光纤通道(FiberChannel，FC)为基础，实现了存储设备的共享，突破了现有传输距离的限制和存储容量的限制。服务器通过存储网络直接与存储设备交换数据，释放了宝贵的局域网资源。SAN采用光纤通道技术彻底改变了服务器和存储设备之间的连接关系，实现了以前无法实现的应用模式。

SAN的出现使服务器和存储设备之间的连接方式产生了根本的变化。SAN是一种可以使服务器与大型存储设备(磁盘阵列或磁带库)之间进行任意连接通信的存储网络系统，它通过一个单独专用的网络将存储设备和服务器连接在一起。由于在SAN中服务器可以和网络中的任何存储设备连接，因此无论数据存放在何处，服务器都可以直接存取所需要的数据。存储区域网络以光纤通道(FiberChannel，FC)为光纤通道技术可以支持多种网络拓扑结构，使用全双工串行通信原理传输数据，速度快且延时小。现在，采用光纤通道(FC)技术的硬盘存取速度实际上可达到200MB/s。光纤通道采用同轴线时的传输距离达到30m，采用单模光纤时的传输距离可以达到10km。

从具体实现的角度来说，存储区域网络(SAN)由四部分组成：用户终端、服务器群、存储系统和光纤通道，其结构如图6-1所示。

光纤通道技术可以支持多种网络拓扑结构，使用全双工串行通信图6-1存储区域网络结构用户终端通过局域网和广域网与单独的服务器或服务器群连接，在某些特殊情况下也可以直接通过光纤通道连接存储设备。在小型和大型网络应用中，服务器以单机或群的方式接入存储区域网络。光纤通道是由光纤集线器、光纤交换机等设备组成的。存储设备通过光纤通道与服务器群连接。图6-1存储区域网络结构用户终端通过局域网和广域网与单存储区域网络(SAN)的特点如下：

实现大容量存储设备的共享和高速的数据传输。SAN所提供的大容量存储设备共享方式可以形成共享数据存储池，满足当前计算机所要求的海量数据存储要求。由于SAN采用光纤网，提供了主机与存储设备之间的高速连接，因而提升了主机系统的存储带宽。

连接方便，传输距离远。光纤通道(FC)技术的采用使SAN设备的连接距离可以达到10km(SCSI只有25m)。存储区域网络(SAN)的特点如下：

实现大容量存实现主机与存储设备的分离。主机与存储设备的分离是当今计算机技术发展的一大趋势。由于多台服务器共享SAN上的存储设备，大大改进了向服务器分配磁盘空间的方式。存储设备与服务器的分离，使得SAN中的主机、存储设备不但在物理位置的安排上可以十分灵活，而且还可以方便地将各种设备进行逻辑上的划分，还允许用户随时添加应用所需要的存储空间。实现主机与存储设备的分离。主机与存储设备的分离是当今提高了数据的可用性和安全性。在SAN中可以采用双环方式建立存储设备和计算机之间的多条通路，从而提高数据的可用性。还可以通过建立双机容错、多机群集等来实现RAID检验等方式，进一步保证数据的安全性。提高了数据的可用性和安全性。在SAN中可以采用双环方

6.2.1音频信息输入输出技术

音频信息的输入输出主要是由声卡来完成的。声卡又叫音频卡(AudioCard)，是负责录音、播音和声音合成的计算机硬件插卡，是计算机进行所有与声音相关处理的硬件设备。

声卡的结构如图6-2所示。总线接口芯片为声卡的各个部分与计算机系统总线间的连接提供握手信号，同时总线接口芯片还起到对指令和数据的缓冲作用，可完成声卡与计算机系统总线之间指令和数据的传送。6.2多媒体信息输入输出技术

6.2.1音频信息输入输出技术

音频信息的输数字音频处理芯片完成各种音频信号的记录和播放任务，处理工作还包括ADPCM音频信号的压缩和解压缩、采样频率改变、MIDI指令解释等。音乐合成器负责MIDI的合成音效，可以即时创造声音，将数字音频的波形数据和MIDI信息合成为声音。一般声音的变化是用一些电压、电流这样的模拟信号的变化来反映的，而计算机只能处理数字信号，因此声卡中的AD转换器负责将接收的模拟信号转换成数字信号供计算机处理或将数字化的音频信号转换为模拟信号送出去，驱动音箱或耳机发音。混音器将从话筒输入、线性输入、CD输入的不同声音信号进行混合，还提供用软件控制音量的功能。数字音频处理芯片完成各种音频信号的记录和播放任务，处理工作还图6-2声卡的结构图6-2声卡的结构声卡的主要功能有：

音频的录制与播放。声卡能将来自麦克风、收录机、激光唱盘等的声源采样，在软件的帮助下以数字声音文件的形式存放。在需要的时候，只要调出相应的声音文件播放即可。此外，声卡与CD-ROM驱动器相连，可以实现对CD唱盘的播放。

声音效果合成。利用声卡可以给声音添加诸如淡入淡出、回声、音调变化等特效，这些对音乐爱好者都是非常有用的。声卡的主要功能有：

音频的录制与播放。声卡能将来对声音文件的压缩和解压缩。直接通过采样得到的波形声音文件都很大，这样会占据太多有用的磁盘空间，需要用压缩编码的方法对这些文件进行压缩。有的声卡上有固化的压缩算法，有的是向用户提供压缩软件。

语音合成。通过语音合成技术将计算机中存储的文本文件转换成可以听到的语音，即让计算机来朗读文本。

语音识别。语音合成使人能够听到计算机的声音，而语音识别能使计算机识别出人的声音，主要应用于需要用语音作为人机交互的场合。对声音文件的压缩和解压缩。直接通过采样得到的波形声音MIDI音乐的录制和合成。MIDI接口是乐器接口的国际标准。MIDI规定了电子乐器与计算机之间进行数据通信的协议，以保证双方有效地进行数据通信。通过相应的软件可以直接利用计算机完成对外部电子乐器的操作和控制。MIDI音乐的录制和合成。MIDI接口是乐器接口的国6.2.2视频信息输入输出技术

在多媒体应用系统中，视频以其直观生动等特点得到了广泛的应用。

1.视频卡

视频采集、显示播放是通过视频卡、播放软件、显示设备来实现的。视频卡是基于PC机的一种多媒体视频信号处理平台，它可以汇集视频源、录像机(VCR)、摄像机(Camera)等的信息，经过编辑或特技处理而产生非常漂亮的画面。这些画面还可以被捕捉、数字化、冻结、存储、输出及进行其他的操作。对画面的修整、像素显示调整、缩放等都是视频卡支持的标准功能。多媒体视频卡除了可以实现视频信号数字化、捕捉特定镜头外，还可以在VGA上开窗口并与VGA信号叠加显示。6.2.2视频信息输入输出技术

在多媒体应用系统中，视1) 视频卡的基本工作原理

视频卡的基本工作原理如图6-3所示。

为了适应多种视频源的应用，视频卡一般都具有多个不同视频接口，分别对应录像机、影碟机和摄像机等视频源，可以通过相应的视频软件来选择所需视频源。图6-3中的选择视频源可完成对相应视频源的选择。ADC完成视频解码，主要是模拟图像信号至数字图像信号的转换和解码。视频处理芯片是用于视频信号的捕获、播放和显示的专用控制芯片，可以完成视频输入信号的剪裁、比例变化、VGA同步、色键控制、PC总线接口和对帧存储器的操作。1) 视频卡的基本工作原理

视频卡的基本工作原理如图图6-3视频卡的工作原理图6-3视频卡的工作原理视频处理芯片输出的是经过处理的RGB信号，与VGA显示卡输出的RGB信号是完全同步的，再通过某种方法可完成两路信号的叠加。视频随机访问存储器(VRAM)是专门为视频显示设计的存储器，可提供两个端口的同步读写能力，比一般的DRAM方式快得多。DAC主要完成数/模转换，将叠加的信号转换成模拟信号，最后在显示器中进行显示。视频处理芯片输出的是经过处理的RGB信号，与VGA显示卡输出2) 视频卡的分类

目前市场上常见的视频卡有如下三类：

(1)视频采集卡。将连续视频信号转换成计算机存储的数字视频信号(离散)并保存在计算机中或在VGA显示器上显示，完成这种功能的视频卡称为视频采集卡或视频转换卡。如果能够实时完成压缩，则称之为实时压缩卡。通常可将外部视频输入信号叠加在显示器上，并将视频输入信号变换成计算机可存储的信息保存在硬盘中。只能单帧捕获的视频卡称为图像卡。

(2)视频播放卡。能将压缩保存在计算机中的视频信号数据在计算机的显示器上播放出来的视频卡称为视频播放卡或解压缩卡。2) 视频卡的分类

目前市场上常见的视频卡有如下三类(3)电视转换卡。电视转换卡分为两类：电视卡和TV编码器。电视卡将标准的NTSC、PAL、SECAM等电视信号转换成VGA信号在计算机屏幕上显示。这类卡也称为TV-VGA卡或电视调谐卡(TVTurner)等，它带一个高频头，可将计算机变成一台电视机，收看不同频道的电视节目。TV编码器将计算机的VGA信号转换为NTSC、PAL、SECAM等标准的信号在电视上播放或进行录像。这类卡也叫做PC-TV卡、VGA-TV卡等。(3)电视转换卡。电视转换卡分为两类：电视卡和TV编码器

2. 摄像头

随着宽带网络逐渐深入到人们的工作和生活中，利用网络进行视频对话和可视电话的应用也越来越多。数字摄像头作为数字摄像机的一个特殊分支，在网络视频应用中正发挥着越来越重要的作用。

摄像头分为模拟摄像头和数字摄像头两类。模拟摄像头获得的模拟视频信号必须经过计算机的视频卡进行数字化转换，并经过压缩后才可以送入计算机进行处理。数字摄像头也称为网络摄像头，可以直接捕捉视频图像，然后通过USB或IEEE1394高速接口输入到计算机，而不再需要视频卡。2. 摄像头

随着宽带网络逐渐深入到人们的工作和生活摄像头的基本工作原理是：外界景物通过摄像头的镜头(透镜)生成光学图像，再投射到图像传感器表面转换为模拟电信号，经过A/D变换转换为数字图像信号，送到数字处理芯片(DSP)进行加工处理，再通过与计算机的接口传输到计算机中进行处理，最后通过显示器就可以看到图像了。摄像头的基本工作原理是：外界景物通过摄像头的镜头(透镜)摄像头的主要性能指标有：

(1)摄像器件。按照感光元件的不同，摄像器件可以分为CCD(电磁耦合组件)和CMOS(金属氧化物半导体组件)两类。这两类摄像器件在技术上有很大的差异，但性能的差别不是很大。一般来说，CCD的成像质量较高，用于对影像要求较高的场合，而CMOS用于对影像要求较低的应用场合。摄像头的主要性能指标有：

(1)摄像器件。按照感光元(2)像素分辨率。像素是影响数字摄像头成像质量的重要指标，像素的大小关系着图像的分辨率。在早期的摄像头中所使用的像素一般只有10万左右，成像后的分辨率是352×288(CIF)。因其分辨率太低且性能不佳而遭市场淘汰。目前市场上的主流产品的像素有30万像素(VGA，640×480)和130万像素(SXGA，1280×1024)，成像质量也有了很大提高。

(3)颜色深度。大多数数字摄像头的颜色深度采用24位真彩色，质量更好的甚至会采用30位的真彩色。采用的颜色深度越大，所得到的图像色彩越丰富，细节也更加清晰。(2)像素分辨率。像素是影响数字摄像头成像质量的重要指标(4)视频捕获速度。捕获速度也叫帧率，表示单位时间内图像帧的显示速度，单位是帧/s。视频捕获速度是摄像头对视频图像捕获、处理和传输的能力，直接关系到动态图像的流畅度。由于摄像头捕获的是运动图像，因此帧率对图像主观感受影响较大。捕获速度一般是指摄像头采用最大分辨率时的流畅度。通常所采用的摄像头的帧率为20帧/s，高档摄像头的帧率为30帧/s。帧率太低会出现跳帧的现象。一般数字摄像头视频捕获的最大分辨率为640×480，若帧率要达到30帧/s，则宽带网的传输速率要达到10MB/s；(4)视频捕获速度。捕获速度也叫帧率，表示单位时间内图像(5)接口方式。早期的数字摄像头接在计算机的并口上，速率达到1MB/s，现在流行的数字摄像头都接在计算机的USB口上。USB口传输速度快，连接简单，即插即用并提供外接电源。现在的数字摄像头功耗都很低，依靠USB提供的电源即可工作。(5)接口方式。早期的数字摄像头接在计算机的并口上，速率6.2.3其他输入输出技术

1.扫描仪

扫描仪(Scanner)是一种图像输入设备，利用光电转换原理，通过扫描仪的光电移动或原稿的移动，把黑白或彩色的原稿信息数字化后输入到计算机中。

扫描仪一般由电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，CCD)阵列、光源及聚焦透镜组成。CCD排成一行或一个阵列，阵列中的每个器件都能把光信号变为电信号，光敏器件所产生的电量与所接收的光量成正比。6.2.3其他输入输出技术

1.扫描仪

扫描仪(S扫描仪的图像数字处理过程(以平面式扫描仪为例)是：把原件面朝下放在扫描仪的玻璃台上，扫描仪内发出光照射原件，反射光线经一组平面镜和透镜导向后，照射到CCD的光敏器件上，由CCD将光信号转换成相应的电信号。来自CCD的电信号被送到模/数转换器中，电压被转换成代表每个像素色调或颜色的数字值。步进电机驱动扫描头沿平台作微增量运动，每移动一步，即获得一行像素值。扫描彩色图像时分别用红、绿、蓝滤色镜捕捉各自的灰度图像，然后把它们组合成为RGB图像。有些扫描仪为了获得彩色图像，扫描头要分三遍扫描。另一些扫描仪中，通过旋转光源前的各种滤色镜使得扫描头只需扫描一遍。扫描仪的图像数字处理过程(以平面式扫描仪为例)是：把原件扫描仪的主要性能指标有：

(1)光学精度。这是最重要的技术指标之一，它直接影响到扫描效果。光学精度分横向精度和纵向精度，其中横向精度由扫描仪内的CCD点数来决定，而纵向精度通过步进电机来控制。所以通常是用横向精度来判定扫描仪的精度，用分辨率作为其定量描述。分辨率表示了扫描仪对图像细节的表现能力，定义为每英寸长度上扫描图像所含的像素点的个数，单位是dpi，其数值越大，精度越高。扫描仪的主要性能指标有：

(1)光学精度。这是最重要(2)色彩位数(单位为bit)。它是扫描仪所能捕获色彩层次信息的指标，由模/数转换电路来决定。色彩位数是由一次扫描过程中R、G、B三原色分别曝光(共三次)来定义的，例如三原色分别为28＝256种色彩，则它们的组合色彩为28×28×28＝224＝16M种颜色，即色彩位数为24bit，灰度定义为256阶。在目前流行的扫描仪产品中，36bit的扫描仪性能最好，在高性能显卡、高处理速度的计算机和先进图像处理软件的配合下，可以达到完美的效果。(2)色彩位数(单位为bit)。它是扫描仪所能捕获色彩(3)硬件接口标准。扫描仪主要有SCSI、EPP和USB三种接口方式与计算机相连。EPP(增打印并口)接口方式简单，可以使扫描仪和打印机串联使用同一计算机并口，但传输速率较低。USB(通用串行总线)是最新的连接方式，目前流行的计算机主板都有USB接口，这种方式真正支持即插即用，而且支持热插拔功能。

(4)动态密度(单位为D)。动态密度表示扫描仪从白色到黑色的色调值宽度范围。大范围的扫描仪可以分辨出图像的暗部层次和亮部区域细节，因此反映了色彩的真实性。通常大于2.8D的扫描仪就可以满足工作需要了。高动态密度的扫描仪应用于专业领域。(3)硬件接口标准。扫描仪主要有SCSI、EPP和USB

2.数码相机

数码相机是一种高新技术数字图像捕捉设备。作为多媒体外设的一个新的扩充，拥有几百万级像素和操作日趋简单的数码相机使图像的保存和处理更加方便，越来越受到人们的喜爱。它使用CCD阵列，把来自CCD阵列的电压信号送到模/数转换器后，变换成图像的像素值。2.数码相机

数码相机是一种高新技术数字图像捕捉设备(1)数码相机的主要部件有：

①CCD矩形网格阵列。数码相机的关键部件是CCD。与扫描仪不同，数码相机的CCD阵列不是排成一条线，而是排成一个矩形网格分布在芯片上，形成一个对光线极其敏感的单元阵列，使照相机可以一次拍摄一整幅图像，而不像扫描仪那样逐行地慢慢扫描图像。CCD表面的光敏单元就像计算机屏幕上的像素一样按行、列编排。每个单元将根据照射到其上的光量，按比例聚集一定强度的电荷。(1)数码相机的主要部件有：

①CCD矩形网格阵列。②存储介质。数码相机都有内部的存储介质。典型的存储介质由普通的动态随机存取存储器、闪速存储器或小型硬盘组成。它们都像硬盘一样，无需电池供电也可以把信息存储很长一段时间。图像数据被传送到照相机内部的存储介质上，存储介质可存放图像，并把数据成组传送到计算机中。②存储介质。数码相机都有内部的存储介质。典型的存储介质由③接口。图像数据通过一个串行口、SCSI接口或USB接口从照相机传送到计算机。

数码相机的成像原理是：被摄物体的光信号通过数码相机的光学透镜成像，由快门对光通量进行控制，在相机内专用的感光成像的CCD阵列上成像，再由电子部件扫描成像信息，将这些信息的细节转变成相应的模拟电信号，而后由模/数转换器完成模拟信号到数字信号的转换，最后将这些数字影像信号进行数据压缩处理后保存在相机内部专用或通用的存储器中。可以根据需要将图像数据传输至计算机，或打印输出，或显示输出。现在的数码相机一般都配有小尺寸彩色LCD，可随时查看图像效果。③接口。图像数据通过一个串行口、SCSI接口或USB接口(2)数码相机的主要技术指标有：

①分辨率。数码相机的图像质量由CCD的像素数来决定，像素数越多，相机的分辨率越高，画质就越好。同时像素数还可决定打印输出照片的大小。像素数越多，相同画质条件下打印照片的尺寸就越大。但分辨率越高，图像文件的数据量就越大，在数码相机的有限内存空间内存储的照片就越少。

②色彩浓度。色彩浓度即色彩位数，一般数码相机都能达到24bit，可生成真彩色图像。若色彩位数要达到36bit或48bit，那么其像素数必须在200万级或500万级以上。(2)数码相机的主要技术指标有：

①分辨率。数码相机③存储介质。除相机内部的内存卡之外，还有像PC卡、硬盘这样的存储媒体，它们的存储量、方便性、存储速度各不相同。

④变焦镜头。变焦方式分为自动对焦和辅助手动对焦两种。高档数码相机一般都能实现光学变焦和数码变焦功能且变焦倍数高。

⑤图像存储格式。图像存储格式主要有BMP格式、JPEG格式和TIFF格式。BMP格式数据量大但画质较好；JPEG格式可调整图像压缩比例，但画质较BMP格式有所下降；TIFF格式是无损压缩(可逆压缩)格式。③存储介质。除相机内部的内存卡之外，还有像PC卡、硬盘这⑥接口标准。普通数码相机采用USB(通用串行总线)数据接口；而专业数码相机采用IEEE1394数据接口，这种接口传输速度很高。

⑦LCD。这一功能使数码相机使用起来非常方便，因此也作为数码相机的一个指标，特别是显示屏尺寸这个指标比较重要。⑥接口标准。普通数码相机采用USB(通用串行总线)数据接

3.触摸屏

触摸屏(TouchScreen)是一种定位设备。当用户用手指或其他设备触摸安装在计算机显示器前面的触摸屏时，所摸到的位置(以坐标形式)被触摸屏控制器检测到，并通过串行口或者其他接口送到CPU，从而确定用户所输入的信息。触摸屏可以附在CRT显示器、LCD上。触摸屏的引入主要是为了改善人机交互方式，特别对于非计算机专业人员，使用计算机时可以将注意力集中在屏幕上，免除了人们对键盘不熟悉的苦恼。在有的情况下(例如在公共场所的计算机上)，不希望使用者用鼠标或键盘操作它，只提供触摸应用程序下的操作。3.触摸屏

触摸屏(TouchScreen)是一种触摸屏系统一般包括触摸控制卡、触摸检测装置和驱动程序三部分。安装在触摸屏表面前端的触摸检测装置用来检测用户手指的触摸位置，并将相应信息传送给触摸控制卡。触摸控制卡接收从触摸检测装置送来的信息并转换成触点信息再传送给主机，同时还接收主机发送来的命令。

按工作原理，可把触摸屏分为红外线式、电阻式、电容式、声表面波式等类型。触摸屏系统一般包括触摸控制卡、触摸检测装置和驱动程序三部

(1)红外线式触摸屏。红外线式触摸屏在普通显示器的前面安装一个外框，通过外框中的电路板在屏幕四边排布红外线发射管和红外线接收管，对应形成横竖交叉的红外线矩阵。当用户触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，从而利用X、Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸位置，并将此信号通过串口或键盘端口传送给计算机，完成一个指令过程。(1)红外线式触摸屏。红外线式触摸屏在普通显示器的前面安(2)电阻式触摸屏。这种屏的传感器是一块覆盖电阻性栅格的玻璃，再蒙上一层涂有导电涂层并有特殊摸压凸缘的聚酯薄膜。凸缘避免其表面的涂层与玻璃的涂层接触。当屏幕被触摸时，压力使聚酯薄膜凹陷而与玻璃上的导电层接触。控制器向玻璃的两个邻角加5V电压，并把对面两角接地，于是电阻栅格使玻璃上形成从矩形的一边到另一边线性变化的电压阶梯。控制器从两个方向测出触摸点的电压值，从而计算出坐标位置。(2)电阻式触摸屏。这种屏的传感器是一块覆盖电阻性栅格的(3)电容式触摸屏。这种触摸屏由一个模拟感应器和一个智能双向控制器组成。感应器是一块表面涂有导电层的透明玻璃，上面覆盖一层保护性外层，通电工作时产生分布电场。当手指或其他导体接触导电涂层时，电容改变，电场则随之变化。控制器检测到变化的电场，确定触点的坐标位置。感应器安装在监视器内部，工作可靠性高。(3)电容式触摸屏。这种触摸屏由一个模拟感应器和一个智能(4)声表面波触摸屏。声表面波是应变能沿物体表面传播的弹性波。触摸屏在一片玻璃的四个角上各安装两个发射器和接收器，反射声波的反射器被嵌进玻璃中。声波沿两面从顶端至底端穿过玻璃反射器朝一个方向发射5MHz的高频脉冲。当脉冲离开一角后，就会被反射器反射回来一部分声波。当触摸某点位置时，阻碍了脉冲在该点的反射，接收器接收的脉冲信号出现一个缺口。脉冲的起始点至下落点间的时间长度就确定了触摸点的坐标(声波的传播速度乘以时间就得到了距离)。(4)声表面波触摸屏。声表面波是应变能沿物体表面传播的弹

4.手写笔

手写笔(又称为电子笔)在文字输入领域的研究与发展是前所未有的，目前市场上功能各异的“笔”产品不断出现。出现这种现象的主要原因就是手写笔有着键盘和鼠标无法与之相比的优点：

使用手写笔不需要专门培训，节省了大量时间；

自由作图功能强；

作为指针功能，其点击、拖动等操作方便，比鼠标更加直观；

在某些较复杂的数据输入场合(如表格数据输入)，手写笔已成为人们操作方便快捷的工具。4.手写笔

手写笔(又称为电子笔)在文字输入领域的研目前流行的通用型手写笔系统包括笔、图形输入板、接口(一般利用计算机串口，与串口鼠标的接法相似)、笔驱动程序和识别管理程序等相关软件。

当用笔在图形输入板(又称为数字化仪)上写字或作简单图形时，输入板对笔画的坐标点进行扫描和编码，编码不但要反映笔画的形状，而且还要兼顾笔画的力度、角度等状态，因此输入板实际上就是一个光栅向量转化器。图形输入板将笔画数据综合量化后传输给计算机，在相关软件的帮助下进行识别处理。图形输入板的分辨率(单位是dpi，这点类似于扫描仪的分辨率)是极为重要的一个指标；同时，对笔画的采样速率也决定了笔画是否流畅，速率越高，对笔画的跟踪就越精细。目前流行的通用型手写笔系统包括笔、图形输入板、接口(一般图形输入板基本上分为电磁型和静电型两种。电磁型板面上有坐标格状导线，当笔靠近坐标格时，导线感应出电压，从而产生信号。而静电型图形输入板采用绝缘透明写字板面，当笔靠近板面时，通过板面的电容耦合产生电压信号，以确定坐标位置。当然还有一种不用笔的输入板，也是靠人的手指来触摸表面，感应生成所需要信号的，但这种类型只适合于比较简单的指令操作，分辨率很低。在众多手写笔的技术中，激光跟踪技术是较新的一种精确定位技术，相应产品的性能很好，但是结构相对复杂，成本也较高。图形输入板基本上分为电磁型和静电型两种。电磁型板面上有坐

在多媒体通信中，多媒体数据在传输、分组、交换等过程中不可避免地会引入信号的延时、抖动，导致媒体间应有的相对关系发生变化。对于那些经过压缩编/解码的多媒体数据，或者经过不同渠道汇聚到同一点的多媒体数据而言，这种情况更严重。6.3多媒体通信同步技术

在多媒体通信中，多媒体数据在传输、分组、交换由此，多媒体通信的一个很重要的问题就是如何保持各种媒体之间的同步，即如何采取有效的措施来消除延时、抖动，恢复这些媒体流之间的时间同步关系。本节在对同步的基本概念进行介绍的基础上，还介绍了多媒体数据的组成、多媒体数据的时域特征表示、多媒体同步参考模型以及多媒体同步控制机制。由此，多媒体通信的一个很重要的问题就是如何保持各种媒体之间的6.3.1多媒体同步的基本概念

1.同步的基本概念

多媒体系统中集成了具有各种不同时态特性的媒体，这些媒体有依赖于时间的媒体(例如视频、音频、动画等)和独立于时间的媒体(例如文本、静止图像、表格等)。多媒体同步就是保持和维护各个媒体对象之间和各个媒体对象内部存在的时态关系，维持各种媒体序列以实现某种特定的表现任务。

多媒体同步可以从多媒体同步规范和多媒体同步控制两个层次来讨论。多媒体同步规范描述媒体对象之间和各个媒体对象内部存在的时态关系，确定多媒体的时态说明是多媒体系统的重要组成部分。6.3.1多媒体同步的基本概念

1.同步的基本概念

多媒体同步规范通常包括媒体对象内的同步、媒体对象之间的同步以及业务品质QoS描述。多媒体同步控制机制是开发各种同步控制策略以及同步控制协议，解决由于网络延时、抖动、进程调度等各种不确定因素带来的负面影响，实现多媒体同步规范描述的多媒体时态说明。多媒体同步规范通常包括媒体对象内的同步、媒体对象之间的同步以

2.同步的类型

多媒体的同步类型分为上层同步、中层同步和底层同步。

上层同步也称为表现级同步或交互同步，即用户级同步。在这一级，用户可以对各个媒体进行编排，由此决定何种媒体何时以何种时空关系表现出来。上层同步的同步机制是由多媒体信息中的脚本信息提供的。在实际的多媒体应用中，上层同步是一种事件驱动同步，发生在系统中某一节点需要起始动作的情况下。此动作的发生即同步点，如文献中的特定点、用户鼠标的动作点、系统设备到达某特定状态等。2.同步的类型

多媒体的同步类型分为上层同步、中层同例如，在一个多媒体幻灯片的演示过程中，使用者要对某组图像进行口头解释，图像就要出现在上一段语音完成之后；此时，同步点就处于图像段的改变点或者口头讲解段的起始点上。

中层同步是信息合成同步，即不同媒体类型的数据之间的合成，所以，合成同步又称为“媒体之间的同步”。这层同步涉及不同类型的媒体数据，侧重于它们在合成表现时的时间关系的描述。如在可视电话中，音频和视频必须始终同步地表现在接收端上，以确保口形与声音的同步。这时，媒体之间的同步除了数据的开始点和结束点必须保证以外，从开始点到结束点的整个过程中均要求保持同步。例如，在一个多媒体幻灯片的演示过程中，使用者要对某组图像进行底层同步即系统同步，也称为媒体内部同步。该层同步要完成合成同步所描述的各媒体对象内数据流间的时序关系，这要根据具体的多媒体系统的性能参数来进行。在单机多媒体情况下，同步技术要考虑计算机的读盘时间、图像的显示速度和处理速度，这与磁盘的存取速度、视频适配器和中央处理器的处理能力有关。在网络传输的情况下，要考虑网络的延时、无法预料的网络阻塞等因素。这些因素可能影响媒体内部的同步，造成单一连续媒体(音频或视频信息)在传输和播放时的稳定性较差，也可能影响媒体间的同步，造成各个媒体间的配合出现障碍。为解决这些问题，引出了同步协议的设计和各种相应的同步技术。底层同步即系统同步，也称为媒体内部同步。该层同步要完成合

3.影响媒体同步的因素

从媒体关系的角度出发，媒体对象的同步包括两个方面：媒体内同步和媒体间同步。媒体内同步主要维持一个媒体流内部各信息单元的连续性；媒体间同步主要维持多个相关媒体流中媒体单元间的时间关系。媒体同步关系主要受以下因素的影响：3.影响媒体同步的因素

从媒体关系的角度出发，媒体对(1)媒体间延时偏移。由于各个相关媒体流可能来自不同的信源，每个信源所处的地理位置可能不同，每个媒体流选择的信道也不同，因此各个媒体流的延时也不同，这就是媒体间的延时偏移，这些偏移使媒体间的时间关系发生变化。解决办法是：可以通过在信宿端设置缓存加以补偿，也可使各个媒体流在不同时刻发送，但须保证在经历了不同延时后能够同时到达接收端。后者特别适合存储数据，能够充分利用存储数据的灵活性，大大节省信宿端缓存。此外还可以将这两种方法配合使用。(1)媒体间延时偏移。由于各个相关媒体流可能来自不同的信(2)延时抖动。抖动定义为最大延时与最小延时的差，也即延时的变化。系统的很多部分都可能产生延时抖动。网络抖动是指数据包从发送方到接收方网络I/O设备的传输过程中所经历的延时变化，这是由中间节点的缓存引入的。端系统抖动是指端系统中引起的延时变化，这些变化主要是由系统负荷的改变以及媒体单元在各个协议层的打包、拆包引入的。抖动通常是在信宿端通过采用弹性缓冲区来补偿的。(2)延时抖动。抖动定义为最大延时与最小延时的差，也即延(3)时钟漂移。连续媒体的捕获、重新生成和播映都是由端系统时钟来驱动的。一般来说，不能假定所有时钟同步。由于温度的变化或晶体振荡器本身的缺陷，在经过了较长一段时间后，端系统的时钟频率会发生变化，其结果是与真实时间或其他时钟产生偏移。时钟漂移的问题可以通过在网络中使用时间同步协议来解决。例如，网络时间协议(NTP)为它的用户提供一个全网(虚拟)时钟。(3)时钟漂移。连续媒体的捕获、重新生成和播映都是由端系(4)网络条件变化。网络条件的变化不是由抖动引入的，它是指网络连接性质的变化，例如平均延时的改变或媒体单元丢失率的增高。一般地，多媒体数据的传输都利用的是数据包服务，数据包服务是一种不可靠的服务，不时会发生媒体单元丢失的事件。处理丢失单元的同步机制是重复播映前一个媒体单元的内容。(4)网络条件变化。网络条件的变化不是由抖动引入的，它是6.3.2多媒体数据

1.多媒体数据的分类

媒体数据指的是文本、图形、图像、动画、语音和视频图像对应的数据，而多媒体数据是指由这些相互关联的数据构成的一个复合信息实体。多媒体数据的形成过程就是在多媒体计算机的控制下多种媒体数据的合成过程。这些媒体数据有些是实时的，有些是非实时的。其中，有着严格时间关系的音频、视频和动画等类型的数据称为实时媒体数据或连续媒体数据，其他类型的数据称为非实时媒体数据或静态媒体数据。一般说到多媒体数据时至少要包含一种实时媒体数据和一种非实时媒体数据。6.3.2多媒体数据

1.多媒体数据的分类

媒体数连续媒体数据可以看做是由逻辑数据单元(LogicDataUnit，LDU)构成的时间序列，或称为流。LDU的划分(即包含的内容)可以由具体的应用、编码方式、数据的存储方式和传输方式等因素决定。例如，对于符合H.261标准的视频码流，一个LDU可以是一个宏块、一个宏块组、一帧图像或几帧图像构成的一个场景，如图6-4所示。

连续媒体数据的各个LDU之间存在着固定的时间关系。例如，以一帧图像为一个LDU，对25帧/s的帧率来说，相继的LDU之间的时间间隔为40ms，如图6-5所示。这种时间关系是在数据获取时确定的，而且要在存储、处理、传输和播放的整个过程中保持不变。连续媒体数据可以看做是由逻辑数据单元(LogicDat图6-4H.261码流中LDU的划分图6-4H.261码流中LDU的划分一旦这种时间关系发生变化，就会损伤媒体显示的质量，比如会产生图像的停顿、跳动或声音的间断。在静态媒体数据内部则不存在这种时间关系。一旦这种时间关系发生变化，就会损伤媒体显示的质量，比如会产生

图6-5连续媒体LDU之间的相对时间关系图6-5连续媒体LDU之间的相对时间关系2.多媒体数据的约束关系

在多媒体数据中，各种媒体数据对象之间并不是相互独立的，媒体对象之间存在着许多种相互制约的同步关系。多媒体数据的约束关系有三种：基于内容的约束关系、空域约束关系和时域约束关系。

(1)基于内容的约束关系。基于内容的约束关系是指在用不同的媒体对象代表同一内容的不同表现形式之间所具有的约束关系。内容关系定义了媒体对象之间的依赖关系，如对于同样的数据进行分析，可以以不同的形式表现出来，如报表、柱状图和饼状图等，即同样的数据可以不同的方式表达。2.多媒体数据的约束关系

在多媒体数据为了支持这种约束关系，多媒体系统要解决的问题是怎样保证在多媒体数据的更新过程中，维持不同媒体对象所含信息的一致性，即在数据更新后，保证代表不同表现形式的各媒体对象都与更新后的数据对应。解决这一问题的一种方法是：定义原始数据和不同类型媒体之间的转换原则，并由系统而不是由用户来完成对多媒体文档内容的调整。为了支持这种约束关系，多媒体系统要解决的问题是怎样保证在(2)空域约束关系。空域约束关系也称为布局关系，用来定义多媒体数据显示过程中某个时刻，不同媒体对象在输出设备(如显示器等)上的空间位置关系。空域约束关系是排版系统、电子出版著作系统首先要解决的问题。

如在桌面出版系统中，空域关系通常表达为布局框架。布局框架生成后，就可往该框架中填入相应的内容。布局框架在文档中的位置既可固定于文档的某一点，也可固定于文档的某一页，并且可相对于其他布局框架来说明位置。(2)空域约束关系。空域约束关系也称为布局关系，用来定义

(3)时域约束关系。时域约束关系是多媒体数据对象的时域特征，反映媒体对象在时间上的相互依赖关系，主要表现在两个方面：

媒体内同步：连续媒体对象的各个LDU之间的相对时间关系；

媒体间同步：各个媒体对象之间(包括连续媒体之间以及连续媒体和非连续媒体之间)的相对时间关系。

媒体内同步即流内同步，它要维持单个媒体数据流内各个信息单元的连续性(表现为媒体流的连续性)，以满足人们对媒体感知上的要求。媒体流内部同步的复杂性不仅和单个媒体的种类有关，而且也和分布式系统所提供的服务质量(QoS)有关，同时还和源端及目的端的操作系统的实时性有关。(3)时域约束关系。时域约束关系是多媒体数据对象的时域特媒体间同步即流间同步，主要是保证不同媒体数据流间的时间关系，如音频和视频流之间的时态关系，音频和文本之间的时态关系等，表现为各个媒体数据流中在同步点上的同时播放。媒体流之间的复杂性和需要同步的媒体流的数量有关。

媒体数据对象之间的时域约束关系按照时间来区分又可以进一步分成实时(Live)同步和综合(Synthetic)同步。实时同步是指媒体数据信息在获取的过程中建立的时间同步关系，例如人物口形动作和声音之间配合的唇音同步。综合同步是指在分别获得不同的媒体数据信息之后，再对这些媒体数据人为地指定某种同步关系。综合同步关系可以事先定义，也可以在多媒体系统的运行过程中进行定义。媒体间同步即流间同步，主要是保证不同媒体数据流间的时间关例如，在多媒体导游服务系统中，根据用户即时输入的要求，系统自动产生用户要求的旅游线路的解说并同时播放对应旅游线路录像。对旅游线路的解说和播放的录像之间的时间约束关系就是在系统运行过程中被指定并执行的。

在这三种约束关系中，时域约束关系最为重要。当多媒体数据在表现时的时域特征遭到破坏时，用户就可能遗漏或误解多媒体数据所要表达的信息内容。由此可知，时域特征是多媒体数据语义的一个十分重要的组成部分，时域特征遭到破坏也就是多媒体数据语义的完整性受到破坏。例如，在多媒体导游服务系统中，根据用户即时输入的要求，系统自

3. 多媒体数据的构成

多媒体数据的构成如图6-6所示。其主体部分是不同媒体的数据，这些数据包含了所要表达的信息内容，称为成分数据。此外，从上面的分析可以看出，多媒体数据的约束关系(同步关系)也是构成多媒体数据不可缺少的部分。这些约束关系称为同步规范。在存储和传输成分数据时，必须同时存储和传输它们之间的同步关系。在对成分数据作处理时，必须维持它们之间的同步关系。当只考虑时域约束关系时，时域同步规范由同步描述数据和同步容限两部分组成。同步描述数据表示媒体内部和媒体之间的时间约束关系，同步容限则表示这些约束关系所允许的偏差范围。3. 多媒体数据的构成

多媒体数据的构成如图6-6所

图6-6多媒体数据的构成图6-6多媒体数据的构成6.3.3多媒体数据的时域特征表示

1.时域场景及时域定义方案

多媒体数据时域特征的表示就是对多媒体数据进行抽象、描述并给出必要的同步容限。时域特征的表示过程可以用图6-7来表示。

抽象的过程是忽略多媒体数据中与时域特征不相干的细节(比如数据量、编码方式、传输方式等)，将多媒体数据概括为一个时域场景的过程。一个时域场景是由若干时域事件构成的，其中的每一个时域事件都是与多媒体数据在时域中发生的某个具体动作(如开始播放、暂停、结束播放、恢复播放等)相对应的。6.3.3多媒体数据的时域特征表示

1.时域场景及时域时域事件的发生可以在某个时刻瞬间完成，也可以持续一段时间完成。如果一个时域事件在时域场景中的时间位置是完全确定的，则该事件就称为确定性事件，否则就称为非确定性事件。例如，暂停、恢复播放等事件在时域场景中的位置是不能固定的，要根据实际用户的使用情况来确定。由确定性时域事件构成的时域场景为确定性时域场景，包含有非确定性时域事件的时域场景为非确定性时域场景。时域事件的发生可以在某个时刻瞬间完成，也可以持续一段时间完成图6-7时域特征的表示过程图6-7时域特征的表示过程在将一个多媒体数据对象进行抽象并转变为一个时域场景后，需要利用某种时间模型对此时域场景加以描述。时间模型是对数据进行抽象描述的数据模型，由若干基本部件和部件的使用规则组成。它是在计算机系统内为时域场景进行建模的依据。所采用的时间模型不同，得到的同步描述数据也就不会完全相同。建模的结果再通过某种形式化语言转化为形式化描述，这种形式化描述数据就是同步描述数据。时间模型及其相应的形式化语言合称为时域定义方案。除了同步描述数据外，还需要考虑对同步机制提出必要的服务质量要求，这种要求是用户和同步机制之间在应当以何种准确程度来维持时域特征方面所达成的一种质量约定。在将一个多媒体数据对象进行抽象并转变为一个时域场景后，需这种约定就是前面所说的同步容限。最后，描述数据和同步容限相结合，就构成了在计算机内部的多媒体数据时域特征表示。这种约定就是前面所说的同步容限。最后，描述数据和同步容限相结

2.时域参考框架

时域参考框架由多媒体场景、时域定义方案和同步机制三部分构成，如图6-8所示。它是研究多媒体同步问题的一个很好的基础。

多媒体场景是对多媒体数据在时间特征和空间特征抽象的结果，反映了多媒体数据在相关方面所具备的语义。时域场景是多媒体场景的一个重要组成部分，是参考框架中时域定义方案要处理的对象。时域定义方案是在计算机系统内为时域场景建模并对建模结果进行形式化描述的方法，由时间模型和形式化语言两部分构成。2.时域参考框架

时域参考框架由多媒体场景、时域定