多媒體通信技術(shù)

2019-11-03 09:13:48

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供稿：網(wǎng)友

高宇王建平張若庚

　　摘要首先介紹了多媒體通信的基本概念和主要特征，著重探討了多媒體通信的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞多媒體多媒體通信技術(shù) 多媒體數(shù)據(jù)庫多媒體通信網(wǎng)

1 引言

　　隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像、視頻等多媒體數(shù)據(jù)已逐漸成為信息處理領(lǐng)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(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，是多媒體、通信、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等相互滲透和發(fā)展的產(chǎn)物，它將極大地提高人們的工作效率，改變?nèi)藗兊慕逃蕵返壬罘绞剑?1世紀(jì)人們通信的基本方式。

2 多媒體通信的基本概念和特征

2.1 基本概念

　　媒體是信息表示和傳輸?shù)妮d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(shù)據(jù)是指多種式樣信息的載體，如文本、圖形、圖像、聲音等數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）多媒體數(shù)據(jù)種類繁多（大多是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)），不同來源的媒體，具有完全不同的形式和格式；

（2）多媒體數(shù)據(jù)量龐大；

（3）多媒體數(shù)據(jù)具有時間特性和版本概念，如在視頻點(diǎn)播系統(tǒng)中必須考慮到媒體間以及媒體內(nèi)部在時間上的同步關(guān)系。

　　由此可知多媒體數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的數(shù)值和字符不同，因而其存儲結(jié)構(gòu)和存取方式也具有特殊性，描述它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型也是有差別的。在這種情況下就產(chǎn)生了一種全新的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)——多媒體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

　　多媒體數(shù)據(jù)庫是能夠有效實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的存儲、讀取、檢索等功能的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是：

（1）繼承了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的一些優(yōu)點(diǎn)，例如數(shù)據(jù)獨(dú)立性、利用數(shù)據(jù)庫查詢語言進(jìn)行高層次查詢、開發(fā)控制、容錯技術(shù)等；

（2）能對具有時空關(guān)系的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和管理。

　　但是目前對于多媒體數(shù)據(jù)庫的功能以及實(shí)現(xiàn)方法還沒有達(dá)成共識，因而出現(xiàn)了多種形式的媒體數(shù)據(jù)庫，并且實(shí)現(xiàn)方法也各不相同。從其總體發(fā)展上看，多媒體數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型可分為關(guān)系數(shù)據(jù)模型、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和超媒體數(shù)據(jù)模型3類。

　　基于不同數(shù)據(jù)模型的多媒體數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）的功能也有很大差別，通常基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型的多媒體DBMS可以實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的存取，對多媒體數(shù)據(jù)對象之間的語義關(guān)系、時態(tài)關(guān)系、空間關(guān)系不加處理，所以這部分工作就留給應(yīng)用程序去完成了。面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型和超媒體數(shù)據(jù)類型可以支持多媒體數(shù)據(jù)對象之間的語義關(guān)系、時態(tài)關(guān)系、空間關(guān)系的處理，其抽象程度更高，但DBMS的實(shí)現(xiàn)也相對復(fù)雜。

　　在多媒體通信系統(tǒng)中另一個常出現(xiàn)的詞匯是“超媒體”。在出版物中經(jīng)常會出現(xiàn)表示注解意思的“注“字，由“注”你可以找到與之相關(guān)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”。

2.2 多媒體通信的特征

　　多媒體通信技術(shù)的發(fā)展打破了傳統(tǒng)通信的單一媒體、單一電信業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)格局，反映了通信向高層次發(fā)展的一種趨勢，是人們對未來社會工作和生活方式的向往。多媒體通信技術(shù)是一種綜合技術(shù)，涉及多媒體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等多個領(lǐng)域。多媒體通信系統(tǒng)必須同時兼有集成性、交互性、同步性3個主要特征。

2.2.1 集成性

　　多媒體通信系統(tǒng)的集成性指的是能對內(nèi)容數(shù)據(jù)信息、多媒體和超媒體信息、腳本信息和特定的應(yīng)用信息等4類信息進(jìn)行存儲、傳輸、處則和顯現(xiàn)的能力。

（1）內(nèi)容數(shù)據(jù)信息

　　信息是以某一種結(jié)構(gòu)的形式存在的，典型的結(jié)構(gòu)有兩種：一種是對象結(jié)構(gòu)，其中可處理的最小單元為對象(Object)；另一種是文件結(jié)構(gòu)，其中可處理的最小單元為文件（File）。

（2）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(jié)構(gòu)化的信息，由結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)容數(shù)據(jù)2部分組成。多媒體和超媒體信息的最小表達(dá)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(guān)系聯(lián)系起來的、結(jié)構(gòu)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(yùn)作過程和與外部處理模塊間的關(guān)系。

（4）特定的應(yīng)用信息

　　上述3類信息都是低層信息，可以由標(biāo)準(zhǔn)來定義和表示。特定的應(yīng)用信息是高層信息，是與應(yīng)用密切相關(guān)的，將隨應(yīng)用場合的不同有很大的不同，它的表示方法是基于上述3類的基礎(chǔ)之上的。

2.2.2 交互性

　　交互性指的是在通信系統(tǒng)中人與系統(tǒng)之間的相互控制能力。在多媒體通信系統(tǒng)中，交互性有兩個方面的內(nèi)容。一是人機(jī)接口，也就是人在使用系統(tǒng)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(tǒng)之間的應(yīng)用層通信協(xié)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(tǒng)的一個主要特征，也是區(qū)別多媒體通信系統(tǒng)與非多媒體通信系統(tǒng)的一個主要準(zhǔn)則。

2.2.3 同步性

　　同步性指的是在多媒體通信終端上顯現(xiàn)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數(shù)據(jù)庫中，其文字?jǐn)⑹龊驼Z言說明則是放在其他數(shù)據(jù)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數(shù)據(jù)庫中提取出來，并將這些圖像、聲音、文字同步起來，構(gòu)成一個整體的信息呈現(xiàn)在用戶面前。

　　多媒體通信系統(tǒng)中的同步性是多媒體通信系統(tǒng)最主要的特征之一，信息的同步與否決定了系統(tǒng)是多媒體系統(tǒng)還是非多種媒體系統(tǒng)。同步可在鏈路層級、表示層級和應(yīng)用層級3個層面上實(shí)現(xiàn)。

3 多媒體通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多媒體數(shù)據(jù)的壓縮編碼

　　多媒體系統(tǒng)中需要對多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲、存儲、傳輸和播放等處理工作，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是多媒體通信技術(shù)的核心問題之一。先進(jìn)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)尤其是視頻壓縮技術(shù)可實(shí)現(xiàn)較低的時延和高的壓縮比，達(dá)到較好的圖像質(zhì)量，這正是多媒體視聽業(yè)務(wù)能被廣泛接受的得要因素之一。

　　國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、國際電工委員會（IEC）、國際電信聯(lián)盟（ITU）制定了一系列的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，主要有：

（1）ISO 10918 （JPEG）是用于連續(xù)色調(diào)靜止圖像壓縮編碼的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）H.261適用的速率范圍是p×64kbit/s（p=1～30），即64～1920kbit/s，主要用于可視電話和會議電視系統(tǒng)。

（3）H.263是以H.261為基礎(chǔ)改進(jìn)而來，可以獲得更高的壓縮比和較高的圖像質(zhì)量。

（4）ISO 11172（MPEG1）主要用于CIF（公共中間格式）格式的圖像分辨率和大約1.5Mbit/s的數(shù)碼率，適用于VCD。

（5）ISO/IEC 13818（MPEG2）基于3-4Mbit/s或4Mbit/s以上速率的壓縮存儲視頻，圖像質(zhì)量可達(dá)到高清晰度電視水平，主要適用于DVD、數(shù)字電視、視頻點(diǎn)播和數(shù)字視頻廣播（DVB）系統(tǒng)。

（6）MPEG4比MPEG2的應(yīng)用范圍更廣，其壓縮方法不再是限定的某種算法，而是可以根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)裁剪，選用不同的算法。MPEG4中引入的最重要，也最引人注目的新概念是視頻對象平面（VOP）。這一概念直接導(dǎo)致了基于內(nèi)容的壓縮，為提供更高的壓縮比打下了基礎(chǔ)，同時也將傳統(tǒng)的基于幀的時空可分級性擴(kuò)展到基于圖像內(nèi)容的時空可分級性。

（7）MPEG7是有關(guān)多媒體內(nèi)容描述接口標(biāo)準(zhǔn)，適用于基于視頻和音頻內(nèi)容的多媒體檢索業(yè)務(wù)。

　　有關(guān)音頻壓縮編碼的國際標(biāo)準(zhǔn)有：ITU-T的G.711、G.721、G.722、G.728、G.723標(biāo)準(zhǔn)以及MPEG1音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11172-3）、MPEG2音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)（ISO 13818-3）和AC3音頻編碼系統(tǒng)。

　　隨著多媒體業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，新的視頻和音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，適用范圍逐漸擴(kuò)大，壓縮效率大大提高，從而使多媒體通信逐漸應(yīng)用到日常生活的各個領(lǐng)域。

3.2 多媒體數(shù)據(jù)的同步

　　在多媒體通信技術(shù)領(lǐng)域，同步技術(shù)十分重要。目前，多媒體技術(shù)可以處理視覺、聽覺甚至觸覺信息，但支持的媒體越多，計算機(jī)系統(tǒng)的相應(yīng)處理子系統(tǒng)也越多，處理這些媒體之間的同步問題也就越復(fù)雜。

　　分布式多媒體系統(tǒng)中的同步要求主要可分為多媒體通信同步、多媒體表現(xiàn)同步及多媒體交互同步等。這些同步功能表現(xiàn)為多媒體同步體系結(jié)構(gòu)中的不同層次的同步要求。多媒體通信的同步屬于中層同步，即合成同步。它的作用就是將不同媒體的數(shù)據(jù)流按一定的時間關(guān)系進(jìn)行合成，一些要求精度較高的連續(xù)同步就屬于這一類。多媒體通信的同步要求是分布式處理系統(tǒng)同步的最基本要求，是其他同步功能的基礎(chǔ)，它和其他同步要求相互影響、相互制約。

　　目前解決多媒體通信中同步信息的方法很多，這里介紹3種基本的方法。

（1）時間戳法

　　這種方法既可用于多媒體通信，也可用于多媒體數(shù)據(jù)的存取。在發(fā)送或存儲時，設(shè)想將各個媒體都按時間順序分成若干小段，放在同一時間軸上，每個單元都做一個時間記號，即時間戳。處于同一時標(biāo)的各個媒體單元具有相同的時間戳。這樣，各個媒體到達(dá)收端或取出時，具有相同時間戳的媒體單元同時進(jìn)行表現(xiàn)，由此達(dá)到媒體之間同步的目的。

　　用時間戳同步法傳輸時，不用改變數(shù)據(jù)流，不需要附加同步信息，因此其應(yīng)用范圍非常廣泛。其缺點(diǎn)是選擇相對時標(biāo)和確定時間戳的操作較為復(fù)雜，需要一定的比特開銷用于同步。此外，在主媒體失步或丟失的情況下都會引起其他媒體的失步或丟失。

（2）同步標(biāo)記法

　　發(fā)送時在媒體流中插入同步標(biāo)記，接受時按收到的同步標(biāo)記來對各個媒體流進(jìn)行同步處理，這就是同步標(biāo)記法的基本原理。同步標(biāo)記法有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種是同步標(biāo)記用另外一個輔助信道來傳輸，另一種是插入同步標(biāo)記法，即同步標(biāo)記和媒體數(shù)據(jù)在同一個媒體流中傳輸。

　　輔助同步信道法的缺陷在于它需要另加同步信道，增加了同步比特開銷，而且當(dāng)數(shù)據(jù)來自多個信源時，每個媒體流都需要一條同步信道。

　　插入同步標(biāo)記法和輔助同步信道法相比，它改變了數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，不能用于設(shè)備的直接連結(jié)，不能支持復(fù)雜的表現(xiàn)同步，不適用于多媒體數(shù)據(jù)存取的應(yīng)用，也不適用于媒體流水來自多個信源的情況。

（3）多路復(fù)用法

　　這種方法將多個媒體流的數(shù)據(jù)復(fù)用到一個數(shù)據(jù)流中，從而使它們在傳輸中自然保持媒體間的相互關(guān)系，以達(dá)到媒體間同步的目的。多路復(fù)用的同步方法，接受端無需重新同步，無需全網(wǎng)同步時鐘和附加同步信道，故實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，同步比特的開銷較少；不足之處在于它的靈活性較差，無法滿足不同層次的同步要求。

3.3 多媒體數(shù)據(jù)庫

　　在1983年第九屆國際超大規(guī)模數(shù)據(jù)庫會議上，D.Tsichritzis等人就提出了多媒體數(shù)據(jù)庫的概念。近年來由于數(shù)據(jù)壓縮、海量存儲、寬帶網(wǎng)絡(luò)、高速計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得多媒體很快成為計算機(jī)和通信行業(yè)的熱點(diǎn)，而數(shù)據(jù)庫作為信息管理的有效手段也成了多媒體研究的重要方向之一。

　　與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相比，多媒體數(shù)據(jù)庫應(yīng)該重點(diǎn)研究以下問題：

（1）加強(qiáng)合理語義模型技術(shù)，特別是視像和圖像的語義模型。這些模型應(yīng)該有足夠的能力抽象化多媒體信息和捕捉其特性，并且充分地表現(xiàn)出其時空特性。

（2）設(shè)計有效的多媒體數(shù)據(jù)的索引和組織方法。

（3）建立適合于媒體同步和集成的數(shù)據(jù)模型。

（4）加大多媒體查詢語言的研究。查詢語言能夠表達(dá)出模糊的復(fù)雜語義，表現(xiàn)時空關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)基于內(nèi)容的查詢。

（5）對于物理存儲管理要設(shè)計出有效的數(shù)據(jù)存放模式，以滿足多媒體數(shù)據(jù)實(shí)時性的要求。

（6）分布式多媒體數(shù)據(jù)庫的管理。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下要求系統(tǒng)提供站點(diǎn)透明存取，并支持實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 多媒體通信網(wǎng)

　　通信網(wǎng)絡(luò)是多媒體應(yīng)用的傳輸環(huán)境，多媒體通信對信息的傳輸和交換都提出了新的更高的要求，網(wǎng)絡(luò)的帶寬、交換方式及通信協(xié)議都將直接影響能否提供多媒體通信業(yè)務(wù)與多媒體通信的質(zhì)量。多媒體通信網(wǎng)絡(luò)的要求主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）多媒體的多樣化，能同時支持音頻、視頻和數(shù)據(jù)傳輸。

（2）交換節(jié)點(diǎn)的高吞吐量。

（3）有足夠的可靠帶寬。

（4）具有良好的傳輸性能，如同步、時延、誤比特率等必須滿足要求。

（5）具備呼叫連接控制、擁塞控制、服務(wù)質(zhì)量控制和網(wǎng)絡(luò)管理功能。

這5項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體通信必備的技術(shù)要求，即多媒體通信應(yīng)該具有高帶寬、實(shí)時性、高可靠性即時空約束能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

表1給出了各類多媒體信息對網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的要求。

表1 各類多媒體信息對網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的要求

多媒體信息	最大時延（s）	最大時延抖動（ms）	平均吞吐率（Mbit/s）	可接受的誤比特率	可接受的誤分組率
音頻	0.25	10	0.064	＜10^-1	＜10^-1
視頻	0.25	10	100	＜10^-2	＜10^-3
壓縮的視頻	0.25	1	2～20	＜10^-6	＜10^-9
數(shù)據(jù)文件	1.00	-	2～100	0	0
實(shí)時數(shù)據(jù)	0.001～1	-	＜10	0	0
圖形、靜止圖像	1.00	-	2～10	＜10^-4	＜10^-9

4 發(fā)展展望

　　近幾年，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)生了極為迅速的變化。中國網(wǎng)通的寬帶數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)——全ip骨干網(wǎng)已經(jīng)迅速地建立了起來，成為“中國高速互聯(lián)網(wǎng)示范工程”。

　　從美國NGI、Internet2、中國高速互聯(lián)網(wǎng)示范工程和近期數(shù)據(jù)通信網(wǎng)新技術(shù)的發(fā)展，可以看出數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向是：

（1）由于Internet采用了全世界最廣泛應(yīng)用和支持的TCP/IP協(xié)議，從而統(tǒng)一了上層通信協(xié)議，IP網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代信息高速公路的統(tǒng)一平臺；

（2）面向連接的電路交換將向分組化、包交換無連接和全球?qū)ぶ贩较蜣D(zhuǎn)變；

（3）吉位、特位路由器將逐漸取代ATM或在較長時間內(nèi)互補(bǔ)共存；

（4）IP Over DWDM和IP Over Optical已經(jīng)成為未來寬帶統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

摘自　郵電設(shè)計技術(shù)

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