本文關鍵詞：多媒體通信，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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鍵技術及其發(fā)展趨勢。

　　關鍵詞 多媒體 多媒體通信技術 多媒體數(shù)據(jù)庫 多媒體通信網

1 引言

　　隨著技術的迅速發(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中的一項關鍵技術，是多媒體、通信、計算機和網絡等相互滲透和發(fā)展的產物，它將極大地提高人們的工作效率，改變人們的教育、娛樂等生活方式，是21世紀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)。其特點主要有以下幾點：

（1）多媒體數(shù)據(jù)種類繁多（大多是非結構化數(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，如在視頻點播系統(tǒng)中必須考慮到媒體間以及媒體內部在時間上的同步關系。

　　由此可知多媒體數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的數(shù)值和字符不同，因而其存儲結構和存取方式也具有特殊性，描述它的數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)模型也是有差別的。在這種情況下就產生了一種全新的數(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)。它的主要特點是：

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

（2）能對具有時空關系的數(shù)據(jù)進行同步和管理。

　　但是目前對于多媒體數(shù)據(jù)庫的功能以及實現(xiàn)方法還沒有達成共識，因而出現(xiàn)了多種形式的媒體數(shù)據(jù)庫，并且實現(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)模型可分為關系數(shù)據(jù)模型、面向對象的數(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，通常基于關系數(shù)據(jù)模型的多媒體DBMS可以實現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的存取，對多媒體數(shù)據(jù)對象之間的語義關系、時態(tài)關系、空間關系不加處理，所以這部分工作就留給應用程序去完成了。面向對象的數(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)對象之間的語義關系、時態(tài)關系、空間關系的處理，其抽象程度更高，但DBMS的實現(xiàn)也相對復雜。

　　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

　　多媒體通信技術的發(fā)展打破了傳統(tǒng)通信的單一媒體、單一電信業(yè)務的通信系統(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。多媒體通信技術是一種綜合技術，涉及多媒體技術、計算機技術、通信技術等多個領域。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用信息等4類信息進行存儲、傳輸、處則和顯現(xiàn)的能力。

（1）內容數(shù)據(jù)信息

　　信息是以某一種結構的形式存在的，典型的結構有兩種：一種是對象結構，其中可處理的最小單元為對象(Object)；另一種是文件結構，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，它們是結構化的信息，由結構框架和內容數(shù)據(jù)2部分組成。多媒體和超媒體信息的最小表達形式由兩類，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系聯(lián)系起來的、結構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作過程和與外部處理模塊間的關系。

（4）特定的應用信息

　　上述3類信息都是低層信息，可以由標準來定義和表示。特定的應用信息是高層信息，是與應用密切相關的，將隨應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容。一是人機接口，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，其文字敘述和語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、表示層級和應用層級3個層面上實現(xiàn)。

3 多媒體通信的關鍵技術

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)進行捕獲、存儲、傳輸和播放等處理工作，數(shù)據(jù)壓縮技術是多媒體通信技術的核心問題之一。先進的數(shù)據(jù)壓縮技術尤其是視頻壓縮技術可實現(xiàn)較低的時延和高的壓縮比，達到較好的圖像質量，，這正是多媒體視聽業(yè)務能被廣泛接受的得要因素之一。

　　國際標準化組織（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準，主要有：

（1）ISO 10918 （JPEG）是用于連續(xù)色調靜止圖像壓縮編碼的標準。

（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為基礎改進而來，可以獲得更高的壓縮比和較高的圖像質量。

（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，圖像質量可達到高清晰度電視水平，主要適用于DVD、數(shù)字電視、視頻點播和數(shù)字視頻廣播（DVB）系統(tǒng)。

（6）MPEG4比MPEG2的應用范圍更廣，其壓縮方法不再是限定的某種算法，而是可以根據(jù)不同的應用進行系統(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）。這一概念直接導致了基于內容的壓縮，為提供更高的壓縮比打下了基礎，同時也將傳統(tǒng)的基于幀的時空可分級性擴展到基于圖像內容的時空可分級性。

（7）MPEG7是有關多媒體內容描述接口標準，適用于基于視頻和音頻內容的多媒體檢索業(yè)務。

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

　　隨著多媒體業(yè)務的不斷發(fā)展，新的視頻和音頻壓縮編碼標準不斷涌現(xiàn)，適用范圍逐漸擴大，壓縮效率大大提高，從而使多媒體通信逐漸應用到日常生活的各個領域。

3.2 多媒體數(shù)據(jù)的同步

　　在多媒體通信技術領域，同步技術十分重要。目前，多媒體技術可以處理視覺、聽覺甚至觸覺信息，但支持的媒體越多，計算機系統(tǒng)的相應處理子系統(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構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)流按一定的時間關系進行合成，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，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。處于同一時標的各個媒體單元具有相同的時間戳。這樣，各個媒體到達收端或取出時，具有相同時間戳的媒體單元同時進行表現(xiàn)，由此達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，因此其應用范圍非常廣泛。其缺點是選擇相對時標和確定時間戳的操作較為復雜，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）同步標記法

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

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

（3）多路復用法

　　這種方法將多個媒體流的數(shù)據(jù)復用到一個數(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系，以達到媒體間同步的目的。多路復用的同步方法，接受端無需重新同步，無需全網同步時鐘和附加同步信道，故實現(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、寬帶網絡、高速計算機技術的發(fā)展，使得多媒體很快成為計算機和通信行業(yè)的熱點，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)庫應該重點研究以下問題：

（1）加強合理語義模型技術，特別是視像和圖像的語義模型。這些模型應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。查詢語言能夠表達出模糊的復雜語義，表現(xiàn)時空關系，并實現(xiàn)基于內容的查詢。

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

（6）分布式多媒體數(shù)據(jù)庫的管理。在網絡環(huán)境下要求系統(tǒng)提供站點透明存取，并支持實時數(shù)據(jù)傳輸。

3.4 多媒體通信網

　　通信網絡是多媒體應用的傳輸環(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，網絡的帶寬、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)務與多媒體通信的質量。多媒體通信網絡的要求主要體現(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、服務質量控制和網絡管理功能。

這5項是實現(xiàn)寬帶多媒體通信必備的技術要求，即多媒體通信應該具有高帶寬、實時性、高可靠性即時空約束能力強等特點。

表1給出了各類多媒體信息對網絡傳輸能力的要求。

表1 各類多媒體信息對網絡傳輸能力的要求

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，計算機網絡通信技術發(fā)生了極為迅速的變化。中國網通的寬帶數(shù)據(jù)傳輸網——全ip骨干網已經迅速地建立了起來，成為“中國高速互聯(lián)網示范工程”。

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

（1）由于Internet采用了全世界最廣泛應用和支持的TCP/IP協(xié)議，從而統(tǒng)一了上層通信協(xié)議，IP網絡是現(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尋址方向轉變；

（3）吉位、特位路由器將逐漸取代ATM或在較長時間內互補共存；

（4）IP Over DWDM和IP Over Optical已經成為未來寬帶統(tǒng)一網絡不可逆轉的趨勢。


摘自　郵電設計技術

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本文編號：50269