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多媒体通信是通信技术和多媒体技术结合的产物。
它并蓄兼收了计算机的交互性、多媒体的复合性、通信的分布性以及电视的真实性等优点。
2.1什么是多媒体
众所周知,信息是所有消息的总称,而人类传送信息,是通过各种信号来实现的。
信号是传送信息的载体。
例如,通过声音和语音信号刺激人的听觉器官来得到各种信息,再进一步,通过视频图象信号,尤其是动态视频图象信号,由人的视觉来得到更生动更真实的信息。
当然,仅有图象是不够的,还必须配合以声音、文字等多种形式的信号。
通过听觉、视觉和其他感觉,使人类获取信息的效果更好。
人类通过感官,用多种形式的信号交换信息,这便是我们所要讨论的多媒体技术。
那么,什么是多媒体呢?
我们先讨论媒体(Medium)。
媒体也称为媒质或媒介,它是表示和传播信息的载体。
例如上面所列举的图形、图象、动画、语言、文字、声音等都可称为媒体。
国际电报电话咨询委员会(CCITT)对媒体进行了如下的分类:
(1)感觉媒体(PreceptionMedium)直接作用于人的感官,产生感觉(视、听、嗅、味、触觉)的媒体称为感觉媒体。
例如语言、音乐、音响、图形、动画、数据、文字、文件等都是感觉媒体,也就是本章中讨论的媒体。
(2)表示媒体(PresentationMedium)为了对感觉媒体进行有效的传输,以便于进行加工和处理,而人为地构造出的一种媒体称为表示媒体。
例如语言编码,静止和活动图象编码以及文本编码等都称为表示媒体。
(3)显示媒体(DisplayMedium)显示媒体是显示感觉媒体的设备。
显示媒体又分为两类,一类是输入显示媒体,如话筒,摄象机、光笔以及键盘等,另一种为输出显示媒体,如扬声器、显示器以及打印机等。
(4)传输媒体(TransmissionMedium)传输媒体是指传输信号的物理载体,例如同轴电缆、光纤、双绞线以及电磁波等都是传输媒体。
(5)存储媒体(StorageMedium)用于存储表示媒体,也即存放感觉媒体数字化后的代码的媒体称为存储媒体。
例如磁盘、光盘、磁带、纸张等。
通常所指的多媒体就是上述感觉媒体的组合,也就是声音、图象、图形、动画、文字、数据、文件等各种媒体的组合。
多媒体技术就是对多种媒体上的信息和多种存储媒体上的信息进行处理和加工的技术。
而多媒体系统是利用计算机网和数字通信网技术对多媒体信息进行处理和控制的系统。
2.2多媒体技术的主要特征
多媒体技术是利用计算机技术把声、文、图象等多媒体集合成一体的技术,它具有如下的主要特征:
(1)交互性交互性是多媒体技术的关键特征。
它使用户可以更有效地控制和使用信息,增加对信息的注意和理解。
众所周知,一般的电视机是声象一体化的、把多种媒体集成在一起的设备。
但它不具备交互性,因为用户只能使用信息,而不能自由地控制和处理信息。
例如在一般的电视机中,不能将用户介入进去,使银幕上的图象根据用户需要配上不同的语言解说或增加文字说明,或者对图象进行缩放、冻结等加工处理,看到想看的电视节目等。
当引入多媒体技术后,借助交互性,用户可以获得更多的的信息。
例如,在多媒体通信系统中,收发两端可以相互控制对方,发送方可按照广播方式发送多媒体信息,而另一方面又可以按照接收方面的要求向收端发送所需要的多媒体信息,接收方可随时要求发送方传送所需的某种形式的多媒体信息。
在多媒体远程计算机辅助教学系统中,学习者可以人为地改变教学过程,研究感兴趣的问题,从而得到新的体会,激发学习者的主动性、自觉性和积极性。
利用多媒体的交互性,激发学生的想象力,可以获得独特的效果。
再如在多媒体远程信息检索系统中,初级交互性可提供给用户找出想读的书籍,快速跳过不感兴趣的部分,从数据库中检录声音、图象或文字材料等。
中级交互性则可使用户介入到信息的提取和处理过程中,如对关心的内容进行编排、插入文字说明及解说等。
当采用虚拟或灵境技术时,多媒体系统可提供高级的交互性。
(2)复合性信息媒体的复合性是相对于计算机而言,也可称为媒体的多样化或多维化,把计算机所能处理的信息媒体的种类或范围扩大,不局限于原来的数据、文本或单一的语音、图象。
众所周知,人类具有五大感觉,即视、听、嗅、味与触觉。
前三种感觉占了总信息量的95%以上,而计算机远远没有达到人类处理复合信息媒体的水平。
计算机一般只能按照单一方式来加工处理信息,对人类接收的信息经过变换之后才能使用。
而多媒体技术就是要把计算机处理的信息多样化或多维化。
信息的复合化或多样化不仅是指输入信息,这称为信息的获取(Capture),而且还指信息的输出,这称为表现(Presentation)。
输入和输出并不一定相同,若输入与输出相同,就称为记录或重放。
如果对输入进行加工、组合与变换,则称为创作(Authoring),可以更好地表现信息,丰富其表现力,使用户更准确更生动地接收信息。
这种形式过去在影视制作过程中大量采用,在多媒体技术中也采用这种方法。
(3)集成性多媒体的集成性包括两方面,一是多媒体信息媒体的集成,另一是处理这些媒体的设备和系统的集成。
在多媒体系统中,各种信息媒体不是象过去那样,采用单一方式进行采集与处理,而由多通道同时统一采集、存储与加工处理,更加强调各种媒体之间的协同关系及利用它所包含的大量信息。
此外,多媒体系统应该包括能处理多媒体信息的高速及并行的CPU,多通道的输入/输出接口及外设,宽带通信网络接口及大容量的存储器,将这些硬件设备集成为统一的系统。
在软件方面,则应有多媒体操作系统,满足多媒体信息管理的软件系统,高效的多媒体应用软件和创作工作等。
这些多媒体系统的硬件和软件在网络的支持下,集成为处理各种复合信息媒体的信息系统。
(4)实时性由于多媒体系统需要处理各种复合的信息媒体,决定了多媒体技术必然要支持实时处理。
接收到的各种信息媒体在时间上必须是同步的,其中语声和活动的视频图象必须严格同步,因此要求实时性,甚至是强实时(HardRealTime)。
例如电视会议系统的声音和图象不允许存在停顿,必须严格同步,包括“唇音同步”,否则传输的声音和图象就失去意义。
2.3多媒体发展的现状
如果说,80年代是多媒体的启蒙阶段,那么90年代是多媒体进入初期应用和标准化阶段。
多媒体个人计算机(MPC-MultimediaPersonalComputer)是多媒体技术发展的必然结果。
MPC一般具有必需的CD-ROM、图文显示、高质量数字音响及管理多媒体的窗口软件(如WindowsVersion3.1)。
90年代以来,多媒体应用迅速发展,遍及教育、商业、出版及娱乐等领域。
1993年,MPC机在美国引起巨大兴趣,各种多媒体产品不断出现,使人目不暇接,多媒体技术已进入突飞猛进的时代。
目前,多媒体产品需要尽快标准化。
众所周知,多媒体技术是一项综合技术,多媒体产品统一标准的制定将推动相关工业的大幅度增产,产品成本与价格大幅度下降,并大大改善多媒体产品的兼容性和通用性,反过来又促进应用迅速发展。
1990年10月,在微软公司多媒体开发工作者会议上提出了多媒体微机新标准,即MPC标准1。
1993年,多媒体微机市场委员会发布了MPC标准2。
表1-1列出了MPC标准1和MPC标准2有关技术的最低要求。
表1-1MPC标准1和MPC标准2的最低要求
技术项目
MPC标准1
MPC标准2
RAM
2MB
4MB
处理器
16MHz,386SX
25MHz,486SX
音频
8位数字音频,8个音符合成器乐器数字接口(MIDI)再现
16位数字音频,8个音符合成器MIDI再现
视频
640×
480,256色
在40%CPU频带的情况下每秒传输1.2M象素
视频显示
480,16色
480,65536色
CD-ROM驱动器
150kB/s持续传送速率,平均最快查询时间为1s
300kB/s持续传输速率,平均最快查询时间为400ms,CD-ROMXA能进行多种对话
如果说,20世纪90年代是多媒体技术突飞猛进的10年,那么,21世纪必将是多媒体技术进入千家万户的百年。
2.4多媒体技术基础
多媒体技术是通信、计算机和大众传媒等各种技术联合发展的必然结果。
美国麻省理工学院(MIT)媒体实验室(MediaLab)创始人NichlasNegroponte教授曾经指出,在1978年时,广播、影视和通信工业、印刷出版业、计算机工作几乎是各自独立发展的三个领域。
到2000年左右,预计这三个工业领域将有90%以上的部分重迭在一起。
事实确实如此,目前这三个领域相互融合,相互渗透,它们将集合成一个多媒体信息系统。
图1-1表示了这一发展过程。
对于上述的发展进程还可作进一步的解释,在大众传媒方面,先后发展了广播、影视、录象、有线电视、交互式光盘系统CD-I和高清晰度电视(HDTV),印刷业也开始了电子化数字化的过程。
与此同时,计算机中的信息处理由最初二进制的0,1表示,后来产生了ASCII码的字符代码,而后出现了中文标准代码,计算机开始处理图象、语音、直到近年来处理影象视频,开发并推出多媒体个人计算机(MPC)等。
与大众传媒及计算机的发展相适应,通信技术从邮政、电报电话到计算机通信、电传,一直到综合业务数字网(ISDN)及宽带综合业务数字网(BISDN)通信等,扩大了信息处理的范围和质量。
通信、计算机和大众传输业相互促进,最终结合成多媒体信息系统,如图1-2图所示。
图1-2多媒体信息系统发展示意图多媒体技术实质上是借助计算机以接近自然的方式来处理和交换信息。
与真实的自然方式不同之处在于多媒体技术采用数字方式。
数字化的多媒体系统将使其处理更加灵活,交互能力提高到新水平。
计算机、通信和大众传媒的下述技术成果为媒体技术提供了坚实的基础。
(1)大容量存储设备包括只读存储光盘(CD-ROM),一次写多次读光盘(WORM),每片光盘的存储量可达650MB,可存储图形、动画、音频和活动影象等多媒体信息。
(2)数据压缩技术已推出联合图象专家组(FPEG)和动态图象专家(MPEG)以及可视电话编码特别组(H.261)制定的多媒体数据压缩标准,为多媒体信息的存储和传送提供必要的基础。
经数据压缩,已可以做到在一张CD-ROM盘上存储可播放70min的电视图象信息。
(3)高速处理器英特尔(Intel)公司继推出80486、80586微处理器后,于1996年又推出80686,计划于2000年,将推出80786微处理器。
集成5000~10000万个晶体管,单机运算速度达2亿条指令/s,主频250MHz,可实现语音分析与识别,活动视频和图象识别等功能。
(4)高速通信网高速光纤网技术已经采用,其速率可达到100Mbps,异步转移模式(ATM)等新技术也在开发中,通信网传输带宽的扩大为金媒体系统的建立创造了条件。
(5)人机交互方法及设备的改进例如,采用触摸屏系统、用户可在触摸屏上按要求触摸,便可实现与系统的交互。
此外,并行处理、分布式处理技术、实时操作系统、面向对象的编程以及信息存储与检索技术的发展都为多媒体技术的发展提供必要的条件。
2.5多媒体通信网络
在介绍多媒体通信网络时,先讨论多媒体信息的特点。
2.5.1多媒体信息的特点
(1)类型多种多媒体信息的类型包括多种形式,同一种信息类型在速率、时延以及误码等方面有不同的要求。
因而,多媒体通信系统必须采用多种形式的编码器,多种传输媒体接口及多种显示方式,并能和多种存储媒体进行信息交换。
(2)码率可变多种传输信息要求多种传输码率。
例如,低速数据的码率仅每秒几百比特,而活动图象的传输码率高达每秒几十兆比特,由此可见,多媒体通信码率必须可变。
各种信息媒体所需的传输码率见表1-2。
表1-2各种信息媒体所需的传输码率
媒体
传输码率
压缩后码率
突发性峰值/平均峰值
数据、文本、静止图象
155bps~12Gbps
<1.2Gbps
3~1000
语音、音频
64kbps~1536Mbps
16~384kbps
1~3
视频、动态图象
3~166Mbps
56kbps~35Mbps
1~10
HDTV
1Gbps
20Mbps
-
(3)时延可变压缩后的语音信号时延较小,而压缩后的图象信号时延较大,由此产生时延可变导致多媒体通信中不同类型媒体间的同步问题。
(4)连续性和突发性多媒体通信系统在传输数据信息时是突发的、离散的、非实时的,而活动图象则是实时的、连续的、突发的,数据率高,语章信号数据率低,非突发的,实时的。
(5)数据量大多媒体通信系统传输活动图象数据量大,一张650MB的CD-ROM盘片仅能存储74min的经MPEG-1标准压缩后的数字录象信号。
经MPEG-2标准压缩后的一部故事片(片长2h左右)在平均码率3Mbps时,需要约3GB的存储量,当传送未经压缩的HDTV信号时,传输速率高达1Gbps。
由此可见,多媒体通信系统要求存储量大的数据库和高传输速率的通信网络。
2.5.2多媒体通信网络
具有代表性的现有通信网络包括:
·
公众电话交换网(PSTN)
分组交换远程网(PacketSwitch)
以太网(Ethernet)
光纤分布式数据接口(FDDI)
综合业务数字网(ISDN)
宽带综合业务数字网(B-ISDN)
异步转移模式(ATM)和同步数字序列(SDH)。
以上众多的信息传递方式和网络在多媒体通信网络内将合为一体,在以后的章节中将分别做进一步介绍。
2.6多媒体通信终端
多媒体通信终端具有集成性、交互性、同步性和实时性等特点,一般由三部分构成:
(1)交互式检索和解码输出交互式检索包括输入方法、菜单选取等输入方式。
多媒体信息经过解码、A/D变换送出人们需要的表示信息。
(2)同步通过这一部分完成各种媒体同步的功能,用户可以得到一个完整的声、文、图一体化的信息,同步是媒体通信终端中的核心部分。
(3)编辑和执行编辑功能指剪辑、编辑和创作,执行部分则由网络和各种接口组成,多媒体终端要用到接口(I)协议,同步(B)协议以及应用(A)协议。
多媒体通信终端的核心部分是Modem主机,它可以是一台PC机或工作站,具有处理、存储、控制和复用功能。
此外,包括必要的外设,例如多媒体信息输入、输出与显示单元,有时还需要各种专门的处理/控制的海量存储单元。
多媒体通信终端将电话、电视、传真和通信的功能合为一体,其框图见图1-3。
国际电信联盟的标准部门ITU-T成立了视听多媒体业务联合协调组(JCG/AVMMS),已提出了在公用电信网上视听多媒体业务的标准框架草案。
这一草案包括多媒体业务的定义、系统和终端、基础结构以及呼叫控制、一致性和互操作测试等。
H.320终端已用来提供会议电视系统的音频和视频压缩信号,它是多媒体通信的一种终端。
CCITT(SGVⅢ/09)ISO-IEC/JTCⅡSC29/WG12的专家组(MHEG-MultimediaandHypermediainformationCodingExpertGroup)正着手制定多媒体通信的标准。
3有线电视宽带综合服务网
3.1有线电视宽带综合服务网的特点
目前世界上的有线电视宽带综合服务网,其特征为多样性和兼容性,具体表现为:
(1)模拟信号和数字信号并存。
目前我们的电视信号仍以模拟电视信号为主,电视机则是PAL-D制模拟电视信号接收机,全国约有近3亿台电视机,不可能设想一夜之间实现全数字化。
模拟信号存在的时间即模拟信号到数字信号的过渡时间是一个比较长的时期。
数字电视信号已经起步,首先是在卫星转播电视信号上采用了数字压缩编码信号的传输,可以相信,在不久的将来,将在有线电视网络上传输数字电视信号,并且将逐步取代模拟电视信号。
对于交互式通信,如电话、数据则已实现了信号的数字化。
(2)频分复用与时分复用并存。
对于多路模拟信号采用频分复用方式。
对于多路数字信号则常采用时分复用方式由于模拟信号和数字信号并存,在宽带综合网中将充分利用频分复用和时分复用各自的优势,力求以有限的频带来传输更多的节目和信息,力求以最低的经济代价来换取更多的服务。
(3)光缆与电缆并存。
目前我国许多大中城市甚至村镇都建设了光缆干线,建立了光纤—同轴混合网,即HFC网(HybridFiberCoax),按照光纤与电缆的比例分为:
①一般为光纤干线与分支线,即FTF方式。
每个光节点覆盖2000~5000个用户,光纤之后使用的延长放大器在3~5个之间。
②光纤到路边,即FTTC方式。
覆盖的片区用户在500个以下,使用1~2个延长放大器。
我国许多城市新建光缆网络即以FTTC为目标设计。
③光纤到楼,即FTTB方式正在试验,用户为50户左右,一般只用一个放大器。
④光纤到家,即FTTH,是我们的最终目标。
(4)信号分配与信号交换并存。
有线电视网与通信网不同之处为它是一个不对称双向传输网,下行信号占的份量大大超过上行信号。
下行信号中主要是电视广播信号,其主要任务是进行信号的分配而不是信号的交换,
不论是模拟电视信号还是今后的数字电视信号都是进行信号的分配,是一个单向系统。
双向系统只适用于电话、数据和信令,占据的频带相对要小得多。
3.2北美的CATV数字视频传输标准
美国电缆电视实验室(Cablelabs:
CableTelevisionLaboratoriesInc.)与美国主要的数字电视设备供应商及其成员就北美的数字有线电视系统规定的主要细节达成一致,这一规定建立了数字业务的基本结构,允许不同厂家生产的机顶盒和数据调制解调器可以在同一个电缆系统中工作。
这一规定主要解决如何在标准的6MHz有线电视带宽内传输数字视频和数据。
视频数字化和复用方面主要采用MPEG-2主级和主类(MP@ML)的参数,但音频格式将采用DolbyAC-3系统,服务信息表的规定则采用ATSC标准,服务信息表(ServiceInformationTable)的一致性是有无互操作性的关键。
下行数据调制将采用ITV-TJ83附录B标准,即64QAM和256QAM调制和级联格形编码调制并且有可变的交织深度以适应数据和话音方面对较小延迟时间的要求。
在使用64QAM时,一个6MHz通道能传送27Mbps的信息,使用256QAM时,可传送40Mbps。
有线电视数字标准也考虑到与地面广播ATSC数字视频系统尽量一致,除了因传输介质不一样调制方式不用VSB外,尽量保持一致。
所有因比特率的差别,不同的调制方法将先在前端进行处理,然后再送往用户。
上述标准很可能也是我国在CATV宽带综合网中遵循的准则之一。
3.3有线电视宽带综合接入网的基本框架
(1)宽带接入网的频谱分配。
在HFC形式的CATV宽带接入网的可能频谱分配如图1-4所示。
(2)对于模拟广播电视信号,是单向传输信号,以信号分配为目的,可以继续采用频分复用形式。
(3)对于今后将实现的数字电视广播信号,可采用频分和时分复用相结合的形式。
以8MHz为一带宽单位,视频信号数字化后,采用MPEG-2进行压缩,一般是采用主级和主类(MP@ML)参数,采用64QAM或256QAM调制,可以大大提高频带的利用率,每个8MHz带宽内可以传送的码率见表1-3。
现以64QAM每个8MHz通带内传送8套电视节目为例,说明共编码和调制过程:
①以8个电视节目为一组,将每个电视信号数字化,进行MPEG-2的压缩编码。
②将8个数字电视信号进行时分复用,即进行PCM编码。
③将PCM信号进行QAM载波调制,通频带为8MHz,不同组别的信号载波频率不同,即进行频分复用,在接收端则是相反的过程。
表1-3
信道编码
C/N门限
Mbps
bs/Hz
可传送电视节目数
64QAM
64QAM
28dB
37Mbps
46
7~9
256QAM
256QAM
34dB
61
10~12
这样可以利用目前的频分制设备和传输分配系统,无需地行概述性的改造,在接收端增加8路PCM分用设备和数/模变换设备,造价的增加是有限的,并且这个分用设备还可与交互式通信合用。
然而增加可接收的节目数量将是十分可观的,在100MHz频带内将可增加约100套以上的电视节目。
(4)对于交互式业务,如电话、计算机数据通信等,也可以采用频分和时分复用相结合的方式。
与广播信号不同的是,这类业务的主要功
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