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第7章多媒体技术基础
21世纪人类已步入信息时代,美国政府于1993年11月提出了旨在建立全国综合信息务网的“国家信息基础设施(N11)”计划,根据Nil计划的目的、特点与建设思路,人们习称之为“信息高速公路”计划。
在美国之后,日本、英国、德国和新加坡等国家相继提出了己的信息基础建设计划。
我国也提出了“中国信息基础设施”(C11)计划。
可见21世纪将帽以信息技术为标志。
多媒体技术是在世纪之交迅速发展起来的热点技术,它的出现极大地改了人们的生活方式。
进入20世纪90年代以来,信息技术迅速发展,高清晰度电视、录像高速通信网络和计算机技术进一步融合,使多媒体技术成为继印刷术、电报电话、广播电视计算机之后,人类处理信息手段的新的里程碑。
多媒体(Multimedia)是各种媒体的组合体,I使用计算机将音频、视频、图像和计算机技术、通信技术集成到同一数字环境中,以协同表硼更丰富和复杂的信息。
在这些信息之间以某种方式建立逻辑链接,并集成为一个具有人-杌
7.1多媒体技术的基本概念
7.1.1媒体
在计算机技术领域,媒体一般是指携带信息的载体,根据媒体信息表现形式不同,媒体帽多种表现形式,如文本、声音、图形、图像、动画、视频等。
国际电报电话咨询委员会(Ccrrnll对媒体进行了如下的分类:
(1)感觉媒体(PerceptionMedium)
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。
例如阅言、音乐、音响、图形、动画、数据、文字、文件等都是感觉媒体,也是本章主要讨论的媒体眉
(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删为表示媒体。
例如语言编码、静止和活动图像编码以及文本编码等都称为表示媒体。
(3)显示媒体(D诅playMedium)
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,摄像机、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(Transmis蛆onMe血um)
传输媒体是指传输信号的物理载体,例如同轴电缆、双绞线、光纤以及电磁波等都是传输媒体。
(5)存储媒体(StorageMedium)i
用于存储表示媒体,即用于存放感觉媒体数字化代码的媒体称为存储媒体。
例如磁盘、磁带、光盘、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、图像、图形、动画、文字、数据、文件等各种媒体的组合。
7.1.2多媒体
多媒体是融兽两种或两种以上媒体的一种人—机交互式信息交流传播媒体。
在计算机技术领域,通常认为多媒体中连续变化的媒体信息(音频、视频)是人与计算机交互的最自然的媒体,多媒体技术就是对多种媒体上的信息和存储在多种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和数字通信网技术对多媒体信息进行处理和控制的系统。
对于多媒体,我们可以从以下几点来认识:
①多媒体与众多常见的媒体(如电视、报纸、杂志等)功能是一样的,它是一种用于信息交流和信息传播的媒体。
②多媒体是一种人—机交互媒体,通过计算机进行信息存储、交流、传播。
由于计算机具有极强的人—机交互性能,使多媒体比其他媒体交互性更好,改变了以往人们在电视、报纸等媒体面前的被动状态,即只能“被迫”接收媒体信息,使人在媒体面前成为主动者,可以查询、访问自己感兴趣的媒体信息。
⑧多媒体信息是以数字形式存储、交流、传播的,而以前的视频、音频信息一般以模拟方式传播。
7.1.3多媒体技术
多媒体技术是将多种媒体组合在一起,实现信息存储传播的技术。
现一般特指使用计算机技术、网络技术等将音频、视频、图像等媒体信息集成到同一数字环境中,是多种学科、多种技术交叉的全新技术。
目前,多媒体技术的研究和应用开发主要有以/几个方向:
(1)多媒体信息的表示技术
多媒体信息由于表现形式较多,根据各种媒体的不同特点,在计算机中的表示方法也不尽相同。
多媒体中的一些连续媒体如:
声音、影视等,其数据量很大,为解决这类媒体的存储、传输问题,要应用数据压缩、解压缩技术等。
(2)多媒体创作和编辑工具开发
人们为更加方便地操作与制作多媒体信息,研制开发了许多媒体创作和编辑工:
具,并在做进一步改进。
(3)多媒体数据的存储技术
多媒体数据一般数据量很大,特别是声音、影视数据更足海量数据,目前存储这类数据的最佳介质为光盘(存储容量大,价格低,易保存),光盘存储技术的开发与利用对多媒体的发展起到了推波助澜的作用。
目前常见的光盘技术有CD技术、DVD技术。
(4)多媒体的应用开发
多媒体应用开发是近年来最热门的技术之一,在多媒体数据库、视频点播、远程教育、环球超媒体信息系统等方面都有广阔的应用前景。
7.1.4多媒体的特点
与传统媒体相比,多媒体具有以下特点:
(1)集成性
方面,多媒体技术将多种性质不同的媒体有机地组合成完整的具有较高交互性能的多媒体信息:
另一方面,多媒体技术把不同的媒体设备集成在一起形成多媒体系统。
在硬件上,具有能处理多媒体信息的高速及并行的CPU系统、大容量的存储器、适合多通道的FO、宽带网络接口:
在软件上,有集成一体化的多媒体操作系统,适合多媒体信息创作与管理的软件系统等。
(2)实时性
当用户给出操作命令时,相应的多媒体信息都能够得到实时控制。
尤其是多媒体信息中,的音频、视频信息是与时间密切相关的,这就要求多媒体技术能支持实时处理。
如播放视频时不应出现画面停顿现象。
(3)交互性
交互性是多媒体应用有别于传统信息交流媒体的主要特点之一。
传统的大众化信息交流媒体只能单向地传播信息,人们只能被动地接受,而多媒体技术则可以实现人对信息的主动选择和控制。
在多媒体系统中,除了操作上控制自如外,在媒体综合处理上也非常方便,而且这种操作要求整个软硬件系统都能实时响应。
多媒体交互作用有初级、中级、高级交互作用三个层次。
例如:
从数据库中检索出某人的照片、声音及文字材料,这是初级交互作用;通过交互特性使用户介入到信息过程中,而不仅是提取信息,这是中级交互作用:
使用户完全进入到个与信息环境一体的虚拟空间中自由邀游,是高级交互应用
(4)数字化
多媒体信息中音频、视频等连续媒体在以前是用模拟方式存储与传播的,它有其致命弱点。
如信号衰减、噪音干扰大、在拷贝中有误差积累,很难实现高质量的音频、视频传输。
多媒体技术将各种媒体信息全部数字化,从而在进行存储、加工、处理、传输的过程中克服了上述弱点,实现了高质量媒体信息的存储与传播。
在以上四个特点中,集成性和交互性是其中最重要的,可以说是多媒体的精髓。
多媒体的目的,从某种意义上讲,就是要把电视技术所具有的视听合一的信息传播能力同计算机系统的交互能力结合起来,产生全新的信息交流方式。
7.1.5多媒体微机
多媒体微机(MPC,MultimediaPersonalComputer)是指能存储、传播、处理多媒体数据的个人计算机,由于要处理音频、视频等连续媒体信息,多媒体微机至少应配备声卡与光驱配件。
1990年,Microsoft等公司筹建了多媒体PC市场协会(MultimediaPCMarketingCouncil),且于1990年、1993年和1995年分别制定了三个技术标准MPCI,MPC2和MPC3,对MPC硬件和操作系统软件配置提出了基本要求,其主要参数如表7.1所示。
随着计算机技术的不断发MPC的标准也在不断提高。
表7.1主媒体计算机MPCI,MPC2和MPC3最低配置要求
┌─────┬────┬───────┬────────┬────────┐
│MPC│硬件│MPCI│MFC2│MPC3│
├─────┼────┼───────┼────────┼────────┤
│制定年月││1990.11│1993.5│1995.6│
├─────┼────┼───────┼────────┼────────┤
││内存│2MB│4MB│8MB│
│├────┼───────┼────────┼────────┤
││CPU│386SX16MH‘│486SX25MH:
│Pentium75MH2│
│Pc机│││││
│├────┼───────┼────────┼────────┤
││硬盘│30MB│160MB│640MB│
│├────┼───────┼────────┼────────┤
││VGAR,~│640x480,16色│640x480,64K色│640x480,64K色│
└─────┴────┴───────┴────────┴────────┘
从表7.1的MPC所具有的特征,可以了解多媒体硬件系统的基本组成,它们主要包括:
(1)CD-ROM。
硬件系统除了必要的硬盘驱动器外,CD-ROM驱动器是必需的部件,因为CD-ROM已成为多媒体系统不可缺少的大容量存储设备。
(2)具有A/D(模数)和D/A(数模)转换功能,让语音和数字信号间能相互转换,使多媒体硬件系统具有高质量的数字音响功能。
(3)具有清晰显示图形、图像和文字以及来自光盘上的动画、影视的显示设备。
(4)具有解决数据量极大的图像和声音所必需的数据压缩和还原的硬件支持。
一个多媒体硬件系统应具有上述基本硬件保证,从而在软件的配合下能对多媒体数据进行处理。
多媒体关键技术
多媒体技术的广泛应用,多媒体产品的迅速实用化、产业化和商品化,得益于以下技术的数据压缩技术
多媒体数据量很大,尤其音频、视频这类连续媒体,数字化后的视频和音频信号的数据量是十分惊人的,这对计算机的存储和网络的传输会造成极大的负担,是制约多媒体发展和应用的最大障碍。
解决的办法之一就是进行数据压缩,压缩后再进行存储和传输,到需要时再解压、还原。
因此,多媒体的数据压缩问题已成为关系到多媒体技术发展必须解决的瓶颈问题。
虽然当前计算机存储容量、运算速度不断提高,但目前的硬件技术很难为多媒体信息提供足够的存储资源与网络带宽,这使多媒体信息压缩与解压缩技术成为处理多媒体的关键技术之一。
要减少多媒体数据的时空(传输与存储)数据量,有两种最简单的方法:
其一是减小媒体信息的播放窗口,如把中分辨率640x480个像素的窗口改为100x100个像素,可使数据量减少为原来的三十分之一:
另一种方法是放慢媒体信息的播放速度,如将现在25蜘秒或30蜘秒的视频描放信息减少到10帧/秒或15帧渺,也可使数据量减少到原来数据量的三分之一。
显然这些方法都是以牺牲媒体信息的播放质量和效果而换得数据所需的时空,实为下策。
另外多媒体信息中确实存在着大量冗余信息,这也使数据压缩与解压缩成为可能,并具有可行性对于电视图像来说,一般存在如下冗余信息:
技术提高了很多应用程序的执行性能,例如活动图像、视频会议、二维图形和三维图形。
为增强性能,MMXTM技术为其他功能释放了额外的处理器周期。
以前需要其他硬件支持的应用程序,现在仅需软件就能运行。
更小的处理器占用率给更高程度的并发技术提供了条件,在当今众多的操作系统中,这些并发技术得到了利用。
在基于Intel的分析系统中,某些功能的性能提高了50%~400%。
这种数量级的性能扩展可以在新一代处理器中得到体现。
在软件内核中,其速度得到更大的提高,其幅度为原有速度的3~5倍。
MMX…技术为更好地胜任多媒体的实时操作要求创造了条件。
7.3多媒体的基本元素及文件
学习多媒体的基本知识是我们掌握多媒体技术的基础,只有了解和熟悉多媒体信息的特卢息格式才能运用多媒体系统更好地为科研、教学、生产和生活服务。
在多媒体系统中,常见的信息是数字型的,基本的元素包括有:
文本(text):
由语言文字和符号字符组成的数据文件。
如ASCII、存储汉字的文件。
图像(image):
点位图,即由一幅图像的全部像素信息组成的数据文件。
图形(graph):
矢量图,即用数学方法(算法和特征描述)如画点、线、圆函数等生成的
数据文件。
一般可将图形看做是图像的抽象,即图像由若干图形构成。
动画(animation):
将静态的图像、图形及连环图画等按一定时间顺序显示而形成连续的
动态画面:
音频
字化音频:
视频
音频文件
声波是由机械振动产生的一维压力波。
当声波进入入耳、鼓膜振动导致内耳的微细感骨的振动,将神经冲动传向大脑,听者感觉到的这些冲动就是声音。
当声波传到话筒后,话筒就把机械振动转换成电信号。
模拟音频技术通过模拟电压的幅度表示声音的强弱。
模拟声音的录制是将代表声音波形的电信号转换到适当的媒体上,如磁带或唱片。
播放时将记录在媒体上的信号还原成声音的波形。
在计算机内,所有的信息均以数字(0和1)表示,声音信号也用一组数字表示,称之为数字音频。
数字音频与模拟音频的区别在于:
模拟音频在时间上是连续的:
而数字音频是…—个数据序列,在时间上是离散的。
因此,声音信息的数字化过程是每隔一个时间间隔在模拟声音波形上取一个幅度值(称为采样,采样的时间间隔称为采样周期),并把采样得到的表示声音强弱的模拟电压用数字表示(称为量化)。
采样量化位数的大小反映出各个采样点进行数字化时选用的精度,在多媒体计算机音频处理系统中,一般有8位和16位两挡,其中8位量化位数的精度有256个等级。
即对每个采样点的音频信号的幅度精度为最大振幅的1/256,16位量化位数的精度有65536个等级,即为音采样和量化过程所采用的主要硬件是模拟信号到数字信号的转换器(A/D转换器):
在数字音放时,再由数字信号到模拟信号的转换器(D/A转换器)将数字音频信号转换成原始的电信号。
常见的音频文件有~WAV,·MIDI,·MP3等。
1.WAV文件
WAV文件称为波形文件,它是Microsoft公司的音频文件的格式,来源于对声音模拟波形的采样。
运用不同的采样频率对声音的模拟波形进行采样,得到一系列离散的采样点,以不同的量化位数把这些采样点的值转换为二进制数,存入到磁盘,形成了声音WAV文件。
2.MIDI文件
MIDI文件称为MIDI音乐数据文件,MIDI文件是MusicallnstrumentDigitalInterface乐设备数字接口)的缩写,是MIDI协会设计的音乐文件标准。
用以规定计算机音乐程序、子合成器和其他电子设备之间交换信息与控制信号的方法。
MIDI文件是一种控制信息的集合体,包括对音符、定时和多达16个通道的乐器定义,同时还涉及到键、通道号、持续时间、音量和力度等信息。
MIDI文件记录的是一些描述乐曲演奏过程中的指令,因此它占用的存储空间要比WAV文件小得多。
MP3文件是根据MPEG-1视频压缩标准中,对立体声伴音进行三层压缩的’声音文件。
MP3保持了CD激光唱盘的立体声高音质,压缩比高达12:
1。
MP3场上和网上都非常普及。
4.AIF文件
AIF文件是Apple计算机的音频文件格式。
5.RMI文件
RMI件是Microsoft公司的MIDI文件格式
宁法所得到印
等乐现在在诈
6.VOC文件
VOC文件是Creative公司的波形音频文件格式。
也是声霸卡使用的音频文件。
7.3.2图像文件
多媒体计算机最常用的图像有图形、静态图像和动态图像(视频),通常可采用以下方法获得三种图像。
(1)利用相关的工具软件,由计算机直接产生图形、静态图像和动态图像;
(2)利用彩色扫描仪,扫描输入图形和静态图像:
(3)通过视频信号数字化仪,将彩色全电视信号数字化后,输入到多媒体计算机牛得静态和动态图像。
图形文件一般来说可分为两大类:
位图和矢量图。
这两种图形文件各有特色,也各有其优位图是由点的像素排成矩阵组成的,其中每一个像素都可以是任意颜色。
在位图图形文件中所涉及到的图形元素均由像素点宋表示。
矢量图形文件是用向量代表图中所表现的元素。
素为直线,另外有其他数据注明该直线的起始坐标及其方向、长度和终止坐标。
位图是用像素表示图形,如显示直线,是用许多代表像素颜色的数据来替代该直线。
这些数据所代表的像素点画出后,该直线也就相应显示出现。
位图放大时,放大的是其中每个像素的点,所以看到的是模糊的图片。
而矢量图形无论如
何放大,它依然清晰。
图像文件分为静态图像文件和动态图像文件。
静态图像文件格式包括以下几种:
(1)BMP(bitmap)文件
BMP是bitmap的缩写,即位图文件。
种与设备无关、格式最原始和最通用的静态图
”图像,就是用的这种格式文件,是Windows
(2)GIF(GraphicsInterchangeFormat)文件GIF文件格式是由美国最大的增值网络公司CompuServe研制开发的,适合在网上传输交它采用“交错法’’来编码,使用户在传送GIF文件的同时,可以提前粗略地看到图像内并决定是否要放弃传输。
目前在网络通信中被广泛采用。
JPG也可以表示为JPEG,是一种图像压缩标准。
JPEG压缩标准是国际标准化组织(1SO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合成立的专家组JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)经过五年艰苦细致的工作,于1991年3月提出了ISOCDl0918号建议草案:
多灰度静止图像的数字压缩编码(通常简称为JPEG标准)。
这是一个适用于彩色和单色多灰度或连续色调静止数字图像的压缩标准。
它定义了两种压缩算法:
基于差分脉冲码调制的无损压缩和基于离散余弦DCT的有损压缩算法。
JPEG在目前的静止图像格式中的压缩比是最高的,可将其压缩到BMP原图像大小的十分之文件格式许多都采用JPEG文件格式。
而且对图像质量影响不大,因此目前网上图像应用也较普遍。
除上述文件格式外,较常用的文件格式还有:
PCX,PCT,PSD和TGA等动态图像文件格式包括以下几种文件格式AVI(AudioVideoInterleaved)格式文件是由音频和视频信号混合交错地存储在件兼容性好,使用方便,
(2)MPG文件
MPG是MPEG(MovingPictureExpertsGroup,运动图像专家组)制定出来的压缩标准所确定的文件格式,用于动画和视频影像。
MPEG标准包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统(视频,音频同步)三个部分。
这一系列家族中包括MPEG…1,MPEG-2和MPEG-4在内的多种视频格式。
一般的CD(VCD),SuperVCD(SVCD)和DVD都是采用MPEG技术生产的。
MPEG的基本方法,是在单位时间内采集并保存第一帧信息,然后只贮存其余帧相对于第一帧发生变化的部分,从而达到压缩的目的,它基本采用两种基本压缩技术:
运动补偿技术(预测编码和插补码)实现时间上的压缩,变换域(离散余弦变换c二f)压缩技术实现空间上的压缩。
MPEG的平均压缩比率为50:
1,最高可达200:
1,压缩效率相当高,图像和声音质量也非常好,在微机上有相同的标准,兼容性好。
(3)DAT文件
DAT文件是VCD专用的视频文件格式,是一种基于MPEG压缩格式。
如果计算机配备视霸卡或解压软件,即可播放该格式文件。
(4)MOV文件
解压技术的视频文件MOV文件是QuickTimeforWindows视频处理软件所采用的视频文件格式。
与AVl文件格式相同,MOV文件格式采用了Intel公司的Indio视频有损压缩技术,以及视频信息与音频信息混排技术,其图像画面的质量要比AVI文件好。
(5)ASF义竹:
ASF(AdvancedStreamingFormal)文件是高级流格式,ASF是Microsoft为了和RealPlayer竞争而发展出来的一种可以直接在网上观看视频节目的压缩格式文件。
由于它使用了MPEG-4的压缩算法,压缩比率和图像的质量都不错。
因为ASF是以一个可以在网.土gp时观赏的视频“流”格式存在的,所以它的图像质量要比VCD差一点。
媒体套件介绍光盘驱动器与光盘
CD-ROM(CompactDiscReadOnlyMemory)称做压缩只读存储器或只读光盘。
习惯上,CD-ROM也认为是光盘驱动器。
因此,在称呼它们时应加以区别。
如称为CD-ROM光盘、CD-ROM光盘驱动器(或CD-ROM光驱)。
大多数情况下习惯简称为光盘(CD)或光驱(CD-ROM)。
1.光盘驱动a9
光盘驱动器是多媒体计算机配置中重要的外围设备。
主要用来读取光盘上的信息。
此外它还可以用来播放CD,VCD。
(1)光盘驱动器的特点
光盘驱动器是一种以光记录形式代替磁记录形式的读写设备,其特点是节省了存储空间和能源消耗,使原来需要大量磁盘存储的信息,以光记录的形式存储到光盘上,这种新技术的出现,开辟了存储方式的新纪元。
加快了多媒体技术的迅速发展和普及。
第8章计算机网络基础
计算机网络是人类科技史上的奇迹,它不断地改变着人类的生存方式。
网络的应用是无不在的,但在它的众多应用中,资源共享、通信和各种基于网络的服务是目前应用最广泛的。
世界经济的发展推动着信息产业的发展,信息技术与网络的应用已成为衡量21世纪综合国力与企业竞争力的重要标志。
很多国家纷纷制定各自的信息高速公路的建设计划,全球信息化的发展趋势呈不可逆转之势,尤其是Intemet对推动全世界科学、经济和社会的发展有着不可估量的作用。
it算机网络的形成与发展计算机网络的形成与发展大致可划分为以下四个阶段。
第一阶段:
计算机技术与通信技术相结合,形成计算机网络的雏形。
这一阶段足以单个计算机为中心,面向终端形成远程联机系统。
第二阶段:
完成网络体系结构与协议的研究,可以将不同地点的计算机通过通信线路互联,形成计算机的网络。
网络用户可以通过计算机访问其他计算机的资源,实现了计算机资源共享的目的。
第三阶段:
网络体系结构形成,广域网、局域网与公用分组交换网迅速发展。
网络技术国际标准化,ISO/OSI成为新一代计算机网络的参考模型,数据传输的可靠性得以保障。
第四阶段:
Intemet深入全社会,宽带网络广泛应用。
Intemet是一个庞大的覆盖全世界的计算机网,实现了全球范围的电子邮件(E-mail)、WWW(WorldWideWeb)信息浏览和语音图像通信等功能。
8.1.1计算机网络的基本概念
计算机网络是指以共享资源为目的、通过通信介质互联起来的计算机及相关设备系统的集合。
建立计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享,网络用户不但可以使用本地计算机资源,而且能通过网络访问联网的远程计算机的资源,还可以调用网络中其他不同地点的计算机资源共同完成某项任务。
互联的计算机是分布在不同地理位置的独立计算机,可以没有明确的主从关系,每台计算机都可以联网工作,也可以脱网工作。
联网计算机可以为本地用户提供服务,也可以为远程用户提供服务。
互联的计算机必须遵循统一的网络协议。
计算机网络技术是计算机技术和通信技术相结合的产物,网络不仅使计算机的作用超越了时空的限制,也增加了人对计算机网络的依赖性。
计算机网络具有以卜基本功能:
(1)信息传输。
进行远程、异地、分级或集中化的数据传输和转移。
(2)资源共享。
使分散的硬、软件资源能够互通共用,提高了资源利用率,降低了综合费用,增强了数据处理能力。
(3)分布式处理。
在计算机网络中,用户可根据问题的性质,选择最合适的资源配置与
合适的算法,进行分布式处理,以便迅速而经济地解决复杂问题。
(4)均衡负载。
当网络中某一局部负荷过重时,可将某些任务传送给其他局域的计算机
去处理,以达到高效和经济的综合效果。
1.计算机网络的组成结构
典型的计算机网络可分为资源子网和通信子网两个部分。
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