多媒体通信

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多媒体通信(Multimedia Communication,MC)

　　多媒体通信是指能够提供多媒体信息传输的通信，传输的信息主体是多媒体，即文本、数据、图形、动画、图像、声音、语音、视频等，以及它们之问的不同组合，但必须包含一种时基类媒体，如语音或视频。

　　多媒体通信是多媒体技术、计算机技术、通信技术和网络技术等相互结合和发展的产物。

　　1．信息处理、计算机和通信技术迅猛发展

　　20世纪80年代初，美国、日本和欧洲著名的计算机公司开始致力于多媒体技术的研究，使多媒体计算机技术，包括信息的压缩编码、多媒体存储及图形合成与同步等技术得以迅速发展。随着现代通信网技术(数字交换技术和传输技术)的发展，与多媒体计算机技术相结合的多媒体通信技术将各种媒体信息集于一体，实现了充分开发、交流和利用信息的多媒体通信。

　　2．信息社会对多媒体通信的需求

　　进人20世纪90年代，企业竞争日趋激烈，在企业的经营活动中，信息处理与通信变得越来越重要。借助先进的通信系统可以缩短产品投放市场的时间，改善对用户的服务，减少旅行支出等，因此现代企业必须依靠高质量的信息及很强的信息获取能力才能立于不败之地。对个人而言，由于生活环境日趋复杂，生活节奏越来越快，因此，希望通信能保证他随时获取信息，并采用计算机支持协同工作(CSCW)方式来提高工作效率。因此传统的通信系统已无法完全满足人们对通信的需求，惟有建设多媒体通信系统才是解决的办法。

　　多媒体通信的关键特性与多媒体的关键特性密切相关，并且在通信过程中不仅体现出信息载体和系统的多样化和集成性，而且还体现出通信方式的交互性和同步性。概括起来，多媒体通信的关键特性体现在多媒体通信的集成性、交互性和同步性三方面。一般来说，同时具有这三个特征的通信系统方可称为多媒体通信系统。

　　1．集成性

　　多媒体通信系统中的集成性是指能对内容数据信息、多媒体和超媒体信息、脚本信息和特定的应用信息这四类信息进行存储、传输、处理、显现的能力。

　　内容数据(Content Data)信息是指用单一媒体的编码标准来表示的信息，包括文本、二维和三维图形、静止图像(连续色调)、二值图像、声音(语音、音乐、噪声)和活动图像(动画片、运动图像)等。多媒体和超媒体信息(MHI)与单媒体信息不一样，它们是结构化的信息，由结构框架和内容数据两部分组成。多媒体和超媒体客体可用它们在实时交换环境下的适当标准来表示和编码，要用到单媒体的一些表示标准。脚本(Script)信息是一组特定的用语意关系联系起来的结构化的多媒体和超媒体信息，需要提供表示这一组多媒体信息的运作过程和与外部处理模块间的关系。与上面所述的三类低层信息不同，特定的应用信息是高层信息，与应用密切相关，并因应用场合的不同而有很大的不同。它不像前三类信息那样有一般性的表示方法(如可以由标准来定义和表示)，它的表示方法是基于上述三类的。目录信息就是典型的特定的应用信息。

　　2．交互性

　　交互性是指在通信中人与系统之间的相互控制能力。在多媒体通信系统中，交互性有两个方面的内容：其一是人机接口，也就是人在使用系统的终端时，用户终端向用户提供的操作界面；其二是用户终端与系统之间的应用层通信协议。

　　人机接口是系统向用户提供的操作界面。目前最好的能用于多媒体通信系统的人机界面为基于视窗(Windows)的人机接口界面。视窗人机接VI是一种基于图符的接口方式，它可以提供菜单、按钮、选择框、列表项、输入域、对话框、敏感区、敏感字段等多种复杂的人机接口，以满足多媒体通信系统复杂的交互操作的需要。应该指出，在多媒体通信系统中基于视窗的人机接口界面与PC机的视窗区别是很大的。

　　PC视窗的全部操作是本机操作，而多媒体通信系统基于视窗的人机接口则完全不是本机操作，而是本地终端与远地主机的交互操作，它的每一个动作，如弹出一张菜单、给出一个列表项等全部受到远地主机的控制，因而是一个十分复杂的通信过程。

　　除了人机接口之外，多媒体通信系统中交互性的另一个方面是用户终端与系统之间的应用层通信协议。在多媒体通信系统中可以存储、传输、处理、显示多种表示媒体，而这些表示媒体之间又存在着复杂的同步关系，不同的表示媒体可以以串行的形式传送给用户，也可能以并发的形式传送给用户，以便让用户终端能按照同步关系来复现多媒体信息。

　　很显然，在多媒体通信系统中，单信道的通信协议不够用，需要能支持多信道同时工作的多信道通信协议。在多信道通信协议中，除了要建立一条主信道来支持系统的核心交互工作之外，还要建立起若干条辅助信道来提供并发信息的传送，从而实现完善的多媒体通信的交互过程。

　　多媒体通信终端的用户对通信的全过程有完备的交互控制能力，这是多媒体通信系统的一个主要特征，也是区别多媒体通信系统和非多媒体通信系统的一个主要准则。例如，数字彩色电视机可以对多种表示媒体(图像编码、声音编码)进行处理，也能进行多种感觉媒体(图、文、声)的显现，但用户除了能进行频道切换来选择节目外，不能对它的全过程进行有效的选择控制，因此，彩色电视系统不是多媒体系统。视频点播(VideoonDemand，VOD)系统则不同，用户可以对其全过程进行有效的控制，如控制播放、暂停、快进、快退等过程。因此，VOD系统是多媒体通信系统。

　　3．同步性

　　同步性是指在多媒体通信终端上显现的图像、声音和文字等是以同步方式工作的。例如，用户要检索一个重要的历史事件的片段，该事件的运动图像(或静止图像)存放在图像数据库中，其文字叙述和语言说明则放在其他数据库中。多媒体通信终端通过不同传输途径将所需要的信息从不同的数据库中提取出来，并将这些声音、图像、文字同步起来，构成一个整体的信息呈现在用户面前，使声音、图像、文字实现同步，并将同步的信息送给用户。

　　多媒体通信系统中的同步性是多媒体通信系统中最主要的特征之一。可以这样说，信息的同步与否，决定了系统是多媒体系统还是多种媒体系统。

　　在多媒体通信系统中，同步可以在链路层级、表示层级和应用层级三个层面上实现。然而，并非所有多媒体通信系统必须同时具有这三个层面的同步，但它必须至少用到其中一种同步方式。当然，同步方式用得越多，系统的性能就越完善。

　　总之，对多媒体通信系统来说，集成性、交互性和同步性三个特征必须是并存的，缺一不可，缺少其中之一，就不能称其为多媒体通信系统。

　　在过去的单媒体通信中，人们只能被动地接受诸如电视节目的转播，而不能按某些观众的要求，临时转向另一个相关的节目，也就是说，很难在人们接受时交互进行。而多媒体在计算机系统支持下，提供了交互性，人们在使用和接受信息时，把人的主动性、积极性和创造性贯穿到其中。

　　由于多媒体通信是利用通信网络综合地完成多媒体信息的传输和交换，所以，多媒体通信要比单媒体通信复杂得多。第一，多媒体中有声、图、文，因此表现的形式多种多样。第二．各种媒体对信息的传输要求不同。例如，数据信息传输，要求可靠性很高，像银行的账单，错一个数码都不行，但是时间性可相对的低一些；通话信息的传输，对可靠性要求不很高，例如偶尔几个字没听清，照样可以理解意思，但是及时性要求很高，像市场行情，时间就是金钱；视频信息的传输与通话信息传输类似．但是信相当大，例如，一幅1024 X 768点的计算机屏幕图，用字节表示一个点的颜色和亮度，就需要78．6万个字节，于近40万字的一本小说；图像信息的传输，要求与数息传输类似，但是有的图像的信息，比一幅屏幕的信要多得多。第三，要实现多媒体的同时传输，难度就了。

　　另外，与数据通信相比，多媒体通信既要解决多媒体信息数字化，也就是将各种媒体信息的表示统一为数字；还要解决信息的压缩和解压缩，这样可以减少各种媒体信息的传输量和存储量；多媒体信息的混合传输和同步传输，也是要解决的问题。例如电影中的图像和声音的匹配，提高大容量高速传输技术。电影的播放大约要每秒25~30幅画面，同时还要传输相应的声音信息。

　　多媒体通信的应用十分广’泛，可用于可视电话、点播，电视、远程教学、远程医疗等等。信息高速公路就是一种多媒体通信网络。未来的家用计算机将是集计算机、电视、电话、VCD、DVD、音响等于一身的设备。

　　通信是将信息从一个地方传递到另一个地方的过程，多媒体通信意昧着通信的内容包括图像、声音、视频、文字、超文本、控制信息以及其他数据，而不是单一的媒体形式，如图1所示。

　　图1　　多媒体通信

　　多媒体通信涉及到多媒体信息的采集、压缩、通信传输、解压缩、重现、同步等环节，影响多媒体通信的主要因素是带宽、误码率、延迟和抖动。

　　·带宽就是数据速率。视频的数据速率很大，音频次之，而文字信息的数据量通常比较小。

　　·通信的延迟是指从发送到接收的时间差。各种媒体类型的延迟要求各不相同，但延迟不能太大，越小越好。

　　·抖动就是延迟的不稳定性。一会延迟大，一会延迟小，就是抖动。音频要求比较严格，因为人的听觉很敏感，稍有异样就能够感觉出来，并且会感到不舒服。

　　·误码率指错误代码量占传输总代码量的比率。不同媒体对误码率的要求也不同。—l圜多媒体技术基础与应用因为人的听觉很敏感，稍有异样就能够感觉出来，并且会感到不舒服。·误码率指错误代码量占传输总代码量的比率。不同媒体对误码率的要求也不同。

　　多媒体通信系统通常包括终端、通信网络、局端设备等三部分，如图2所示。

　　图2　　多媒体通信系统

　　·终端是用户直接使用的设备，如手机、电话、计算机等。终端可能外接各种多媒体设备，如显示屏、摄像机、麦克风、扬声器、键盘或其他外围设备。终端的具体形式，可能是独立的专用设备，也可能由多媒体计算机加上软件来实现。

　　·通信网络负责数据的远程传输，可以是电路交换系统(如普通电话)，也可以是分组交换系统(如Internet)，或者是它们的混合系统。

　　·局端设备主要负责用户管理、身份鉴定、链路呼叫控制、数据格式的转换等。如移动通信中的移动交换中心MSC，视频会议中的多点控制单元MCU、网关GateWay和网守GateKeeper等。

　　多媒体通信的实现方式包括直接端到端通信、局端协助的端到端通信、局端数据中转三种，具体如下。

　　·直接端到端通信：知道对方的通信地址，直接呼叫对端，建立数据连接，进行多媒体通信。

　　·局端协助的端到端通信：不知道对端的IP地址，借助局端设备获取对端的通信地址，然后开始通信。

　　·局端数据中转：当无法进行直接的端到端通信时，借助于局端设备来完成。如两台都仅具有内网IP地址的计算机之间的通信或者需要图像融合的多方视频会议等，都不能或不便直接端到端传输数据。

　　根据多媒体通信的特点，其关键技术主要包括先进的多媒体编码技术和同步技术。

　　1．多媒体编码技术

　　多媒体通信是将声音、文字、图像等多媒体信息通过网络进行传送，其核心是视频信号的传送技术。一帧数字化视频信号为640(行)×480(像素)，每个像素用24bit编码，则数据量为8Mbit。实时视频信号每秒25帧，则视频信号传送的速率约为200Mbit／s。由于视频的信息量非常大，必须进行压缩编码才能适应现有的网络技术(如传输速率)，同时在一些应用上又需要实时处理，因此压缩与解压缩的速度往往会成为多媒体通信信息处理的“瓶颈”，这样，在媒体的传输和处理中，压缩与解压缩技术是非常关键的。先进的图像编码技术可实现较低的时延、高的压缩比，达到较好的图像质量。现有的媒体视频编码技术(图像编码协议)主要有JPEG，MPEGl，MPEG2，MPEG4，H．261，H．263等。

　　JPEG是高质量静止图像的压缩编码，压缩率达到20：1，图像基本不出现可见的失真。MPEGl基于标准质量的1．5Mbit／s压缩存储活动图像；MPEG2基于3。4Mbit／s或4Mbit／s以上速率的压缩存储活动图像，图像质量可达到高清晰度电视水平；MPEG4以9—64kbit／s速率压缩存储活动图像，可以在PSTN上传输。H．261为P×64kbit／s(P=1—30)的视频编码，用于活动图像的信息压缩，P=l或2时，适用于可视电话；P≥6时，适用于图像质量要求较高的会议电视。H．263可以获得更高的压缩比和较高的图像质量，与H．261相比，在保证相同的图像质量下，可节约30％至50％的比特率。

　　多媒体系统数字化音频编码技术目前都是采用ITU—T的语音编码标准，尚未产生其他新标准。这些标准主要有：c．711，在语音频段上的脉码调制(PCM)；C．722，对7kHz带宽的语音和音乐对象的音频编码，是面向高质量话音通信领域的，可利用64kbit／s全部传送7kHz语音信息，也可用56kbit／s(或48kbit／s)来传送语音信息；G．728是在16kbit／s速率上采用低时延激励线型预测的语音编码技术。

　　2．多媒体同步技术

　　多媒体通信系统中的同步性是最为困难的技术问题之一。在多媒体通信中，网络必须在规定的限度内保证不同信息流在传输中的时间关系，以使不同媒体间保持同步(例如，音频信息流与视频信息流的“唇”同步，要求图像相对于语音的时延小于40ms)。I．374建议认为，多媒体通信系统必须考虑以下问题：①不同虚信道和物理信道中传送的信息流间的时延极限；②信道间同步；③信道间传输时延补偿。一般来说，多媒体通信系统是一个资源受限的系统，所谓资源受限指的是通信速率受限和终端内存储器的存储量受限。如果这两个方面没有限制，同步本来不会有很大的技术难点，譬如说信道的通信速率不受限，那么只要发端完全安排好信息媒体间的关系，在接收端完全忠实地复现出来，信息同步就不成问题。在信道通信速率受限的情况下，接收端的信息间同步就要困难得多；另外，如果接收端存储器的存储量是无限的，将所有信息全部接收下来，然后在终端内同步播出，这时同步问题也好解决，但实际上这个条件经常是无法满足的，因而使同步问题变得很困难。

　　在多媒体通信系统中，同步可以在三个层面上实现：链路层级同步；表示层级同步；应用层级同步。

　　1．国外标准化状况

　　国际上从事多媒体技术标准化的机构主要有：

　　(1)IS0／IEC／JTCl

　　SC24计算机图形与图像处理，它下设2个工作组(WG)，即WG6多媒体表示和互换以及WG7图像处理和互换，共制定国际标准和草案45项。

　　SC29音频、图像、多媒体和超媒体信息的编码下设3个工作组，即著名的WGl静态图像编码(JPEG)、WGll运动图像和音频的编码(MPEG)和WGl2多媒体和超媒体信息的编码(MHEG)，共制定国际标准和草案44项。JPEG标准的目标是解决静态图形压缩问题。MPEG成立于1988年，现约有300名专家，分成11个工作组，其目的是使动态图像技术达到现行电视广播水平。MHEG标准则是一个多媒体高层标准，目前是为在任何一种硬件平台上应用多媒体和超媒体，实现面向对象的实时绘图，制定出技术规范。

　　(2)国际电信联盟(ITU)

　　ITU—R无线电通信。从事多媒体技术标准化的工作组有：SG4固定卫星业务；SGl0广播业务(声音)；SGll广播业务(电视)。

　　ITU—T远程通信传输。从事多媒体技术标准化的工作组有：SG2网络和业务运行；SG4TMN和网络维护；SG7数据网络和开放系统通信；SG8远程信息处理系统的性能；SG9电视和声音传输；SGl0远程通信系统的语言和一般软件问题；SGll信号要求和协议；SGl2网络和终端的端至端传输性能；SGl3一般网络问题；SGl5传输网络、系统和设备；SGl6多媒体业务和系统。

　　多媒体通信标准以ITU标准为主。其中有关视听多媒体通信系统的国际标准H．200系列建议、G系列音频标准，使不同厂商的多媒体通信产品能够互通，推动了多媒体通信技术标准化的进程。

　　(3)IEC／TCl00

　　为了加强多媒体标准化工作，国际电工委员会(IEC)于1995年11月，成立了“音频、视频、多媒体系统与设备技术委员会”(IEC／TCl00)，下设4个分委员会：

　　SCl00A多媒体终端用户设备已制定国际标准和草案30项，下设WGl，通常在2GHz以下工作的无线电接收机和电视机，以及通常在2GHz以上工作的无线电接收设备的维修和管理。

　　SCl00B记录已制定国际标准和草案94项，下设：WG2专业用磁带记录；WG3消费者用磁带记录。

　　SCl00C音频、视频、多媒体系统与设备与制定国际标准和草案84项，下设：WG6视频图像设备和系统；WG8高音嗽叭；WGll数字系统和脉冲系统；WGl7红外设备；WGl8麦克风、话筒。

　　SCl00D电缆分布系统已制定国际标准和草案72项，下设：WG3测量方法和性能要求；wG4放射和干扰测量；WG9对IEC60728—11的修订：电视和声音信号用电缆分布系统第11部分：安全；WGl0对IEC60728—3的修订：电视和声音信号用电缆分布系统第3部分：有源同轴宽带分布式设备；WGl1对IEC60728—4的修订：电视和声音信号用电缆分布系统第4部分：无源同轴宽带分布式设备。

　　(4)数字音频视频委员会(OAVIC)

　　DAVIC成立于1995年，任务是制定完整的数字音频视频技术规范，主要有：tDAVICl．0(1996年)，DAVICl．1(1996年，，DAVICl．2(1996年)，DAVICl．3(1997年)，DAVICl．4(1998年)，DAVICl．5(1999年)。DAVIC规范已被ISO／IEC／JTC采纳为国际标准ISO／IECl6500。

　　(5)数字视频广播(DVB)

　　DVB专门从事数字广播领域国际标准的制定工作。它包括世界30多个国家220多个有名的机构，成员有广播电台、网络经营者和制定规章机构，共同致力于制定数字广播国际标准。DVB标准由欧洲远程通信标准学会／欧洲广播联盟(ETSI／EBU)出版。DVB已完成一系列数字广播规范，已于1997年底完成了数字地面电视传输系统规范。

　　综观多媒体的发展，媒体的多样性已开始被系统的多样性所取代，各种不同的多媒体系统将在大的信息环境下组成更大范围的多媒体应用。多媒体集成性、交互性和应用性的变化，预示着它正朝着综合集成的方向发展。多媒体标准化的趋势也反映了这一特点。

　　MPEG决定在MPEG一4版本公布后的适当时期再公布版本2(向下兼容)。版本2与版本1相比，将增加的功能有：任意形状物体的可调传输；支持透明和半透明的视频物体；附加的效率改善工具；空间听觉；考虑不同材料声学特性；声源的空间操纵。

　　MPEG-7工作组多媒体内容的描述接口刚刚完成前期的建议收集工作，计划1999年7月形成工作组草案，直至2000年11月正式成为国际标准。随着多媒体信息描述的标准化，基于内容的多媒体信息检索会得到很大的发展。从而，大大地便于人们对多媒体信息的应用。

　　针对IP网络大有超越传统的以电路交换为主的电信网，而成为未来信息高速公路基础的趋势，ITU—T和IETF(Internet工程任务组)继续致力于开发IP网上多媒体通信的新技术，制定和完善标准，计算机网络和电信业设备生产厂商也纷纷加入此行列，推动了技术和标准的研究。

　　2．国内标准化状况

　　我国多媒体技术和应用的发展起步于20世纪80年代末。为了适应多媒体快速发展的需要，1993年6月在“全国信息技术标准化委员会”下成立了“图片、声音和多媒体／超媒体信息的编码表示分委员会”负责这方面的工作。由于多媒体技术发展极快，产品很多，国际上已形成了一些标准。根据有关标准化原则和方针，我国多媒体领域标准主要向已有的和逐步形成的国际标准看齐。例如，静态图像编码标准、动态图像编码标准、数字电视标准等分别采用了ISO／IEC，ITU，ISO等一些国际标准。但是，我国多媒体标准化工作还有待进一步加强，在多媒体和超媒体编码标准、视听和语音编码标准、特别是传输协议标准等诸多方面基本上尚未制定国家和行业标准，反映出研究和跟踪国外先进标准不力和标准化工作滞后的状况。

　　从目前国内情况来看，多媒体技术在个人计算机、电子出版物、VCD、数字电视上的应用最为活跃。国内有关产品，如开发平台、多媒体数据库、支撑工具、音视频板卡、触摸屏已以不同的规模推向市场，MPEG及JPEG技术和有关产品得到推广，可视电话、远程诊断等初露端倪。信息高速公路的发展和多媒体通信在国内受到极大重视。随着多媒体技术和产品日新月异的发展，多媒体技术标准化已成为21世纪的热点。