多媒體通信

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多媒體通信(Multimedia Communication,MC)

　　多媒體通信是指能夠提供多媒體信息傳輸的通信，傳輸的信息主體是多媒體，即文本、數據、圖形、動畫、圖像、聲音、語音、視頻等，以及它們之問的不同組合，但必須包含一種時基類媒體，如語音或視頻。

　　多媒體通信是多媒體技術、電腦技術、通信技術和網路技術等相互結合和發展的產物。

　　1．信息處理、電腦和通信技術迅猛發展

　　20世紀80年代初，美國、日本和歐洲著名的電腦公司開始致力於多媒體技術的研究，使多媒體電腦技術，包括信息的壓縮編碼、多媒體存儲及圖形合成與同步等技術得以迅速發展。隨著現代通信網技術(數字交換技術和傳輸技術)的發展，與多媒體電腦技術相結合的多媒體通信技術將各種媒體信息集於一體，實現了充分開發、交流和利用信息的多媒體通信。

　　2．信息社會對多媒體通信的需求

　　進人20世紀90年代，企業競爭日趨激烈，在企業的經營活動中，信息處理與通信變得越來越重要。藉助先進的通信系統可以縮短產品投放市場的時間，改善對用戶的服務，減少旅行支出等，因此現代企業必須依靠高質量的信息及很強的信息獲取能力才能立於不敗之地。對個人而言，由於生活環境日趨複雜，生活節奏越來越快，因此，希望通信能保證他隨時獲取信息，並採用電腦支持協同工作(CSCW)方式來提高工作效率。因此傳統的通信系統已無法完全滿足人們對通信的需求，惟有建設多媒體通信系統才是解決的辦法。

　　多媒體通信的關鍵特性與多媒體的關鍵特性密切相關，並且在通信過程中不僅體現出信息載體和系統的多樣化和集成性，而且還體現出通信方式的交互性和同步性。概括起來，多媒體通信的關鍵特性體現在多媒體通信的集成性、交互性和同步性三方面。一般來說，同時具有這三個特征的通信系統方可稱為多媒體通信系統。

　　1．集成性

　　多媒體通信系統中的集成性是指能對內容數據信息、多媒體和超媒體信息、腳本信息和特定的應用信息這四類信息進行存儲、傳輸、處理、顯現的能力。

　　內容數據(Content Data)信息是指用單一媒體的編碼標準來表示的信息，包括文本、二維和三維圖形、靜止圖像(連續色調)、二值圖像、聲音(語音、音樂、雜訊)和活動圖像(動畫片、運動圖像)等。多媒體和超媒體信息(MHI)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據兩部分組成。多媒體和超媒體客體可用它們在實時交換環境下的適當標準來表示和編碼，要用到單媒體的一些表示標準。腳本(Script)信息是一組特定的用語意關係聯繫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係。與上面所述的三類低層信息不同，特定的應用信息是高層信息，與應用密切相關，並因應用場合的不同而有很大的不同。它不像前三類信息那樣有一般性的表示方法(如可以由標準來定義和表示)，它的表示方法是基於上述三類的。目錄信息就是典型的特定的應用信息。

　　2．交互性

　　交互性是指在通信中人與系統之間的相互控制能力。在多媒體通信系統中，交互性有兩個方面的內容：其一是人機介面，也就是人在使用系統的終端時，用戶終端向用戶提供的操作界面；其二是用戶終端與系統之間的應用層通信協議。

　　人機介面是系統向用戶提供的操作界面。目前最好的能用於多媒體通信系統的人機界面為基於視窗(Windows)的人機介面界面。視窗人機接VI是一種基於圖符的介面方式，它可以提供菜單、按鈕、選擇框、列表項、輸入域、對話框、敏感區、敏感欄位等多種複雜的人機介面，以滿足多媒體通信系統複雜的交互操作的需要。應該指出，在多媒體通信系統中基於視窗的人機介面界面與PC機的視窗區別是很大的。

　　PC視窗的全部操作是本機操作，而多媒體通信系統基於視窗的人機介面則完全不是本機操作，而是本地終端與遠地主機的交互操作，它的每一個動作，如彈出一張菜單、給出一個列表項等全部受到遠地主機的控制，因而是一個十分複雜的通信過程。

　　除了人機介面之外，多媒體通信系統中交互性的另一個方面是用戶終端與系統之間的應用層通信協議。在多媒體通信系統中可以存儲、傳輸、處理、顯示多種表示媒體，而這些表示媒體之間又存在著複雜的同步關係，不同的表示媒體可以以串列的形式傳送給用戶，也可能以併發的形式傳送給用戶，以便讓用戶終端能按照同步關係來複現多媒體信息。

　　很顯然，在多媒體通信系統中，單通道的通信協議不夠用，需要能支持多通道同時工作的多通道通信協議。在多通道通信協議中，除了要建立一條主通道來支持系統的核心交互工作之外，還要建立起若幹條輔助通道來提供併發信息的傳送，從而實現完善的多媒體通信的交互過程。

　　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的一個主要特征，也是區別多媒體通信系統和非多媒體通信系統的一個主要準則。例如，數字彩色電視機可以對多種表示媒體(圖像編碼、聲音編碼)進行處理，也能進行多種感覺媒體(圖、文、聲)的顯現，但用戶除了能進行頻道切換來選擇節目外，不能對它的全過程進行有效的選擇控制，因此，彩色電視系統不是多媒體系統。視頻點播(VideoonDemand，VOD)系統則不同，用戶可以對其全過程進行有效的控制，如控制播放、暫停、快進、快退等過程。因此，VOD系統是多媒體通信系統。

　　3．同步性

　　同步性是指在多媒體通信終端上顯現的圖像、聲音和文字等是以同步方式工作的。例如，用戶要檢索一個重要的歷史事件的片段，該事件的運動圖像(或靜止圖像)存放在圖像資料庫中，其文字敘述和語言說明則放在其他資料庫中。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資料庫中提取出來，並將這些聲音、圖像、文字同步起來，構成一個整體的信息呈現在用戶面前，使聲音、圖像、文字實現同步，並將同步的信息送給用戶。

　　多媒體通信系統中的同步性是多媒體通信系統中最主要的特征之一。可以這樣說，信息的同步與否，決定了系統是多媒體系統還是多種媒體系統。

　　在多媒體通信系統中，同步可以在鏈路層級、表示層級和應用層級三個層面上實現。然而，並非所有多媒體通信系統必須同時具有這三個層面的同步，但它必須至少用到其中一種同步方式。當然，同步方式用得越多，系統的性能就越完善。

　　總之，對多媒體通信系統來說，集成性、交互性和同步性三個特征必須是並存的，缺一不可，缺少其中之一，就不能稱其為多媒體通信系統。

　　在過去的單媒體通信中，人們只能被動地接受諸如電視節目的轉播，而不能按某些觀眾的要求，臨時轉向另一個相關的節目，也就是說，很難在人們接受時交互進行。而多媒體在電腦系統支持下，提供了交互性，人們在使用和接受信息時，把人的主動性、積極性和創造性貫穿到其中。

　　由於多媒體通信是利用通信網路綜合地完成多媒體信息的傳輸和交換，所以，多媒體通信要比單媒體通信複雜得多。第一，多媒體中有聲、圖、文，因此表現的形式多種多樣。第二．各種媒體對信息的傳輸要求不同。例如，數據信息傳輸，要求可靠性很高，像銀行的賬單，錯一個數位都不行，但是時間性可相對的低一些；通話信息的傳輸，對可靠性要求不很高，例如偶爾幾個字沒聽清，照樣可以理解意思，但是及時性要求很高，像市場行情，時間就是金錢；視頻信息的傳輸與通話信息傳輸類似．但是信相當大，例如，一幅1024 X 768點的電腦屏幕圖，用位元組表示一個點的顏色和亮度，就需要78．6萬個位元組，於近40萬字的一本小說；圖像信息的傳輸，要求與數息傳輸類似，但是有的圖像的信息，比一幅屏幕的信要多得多。第三，要實現多媒體的同時傳輸，難度就了。

　　另外，與數據通信相比，多媒體通信既要解決多媒體信息數字化，也就是將各種媒體信息的表示統一為數字；還要解決信息的壓縮和解壓縮，這樣可以減少各種媒體信息的傳輸量和存儲量；多媒體信息的混合傳輸和同步傳輸，也是要解決的問題。例如電影中的圖像和聲音的匹配，提高大容量高速傳輸技術。電影的播放大約要每秒25~30幅畫面，同時還要傳輸相應的聲音信息。

　　多媒體通信的應用十分廣’泛，可用於可視電話、點播，電視、遠程教學、遠程醫療等等。信息高速公路就是一種多媒體通信網路。未來的家用電腦將是集電腦、電視、電話、VCD、DVD、音響等於一身的設備。

　　通信是將信息從一個地方傳遞到另一個地方的過程，多媒體通信意昧著通信的內容包括圖像、聲音、視頻、文字、超文本、控制信息以及其他數據，而不是單一的媒體形式，如圖1所示。

　　圖1　　多媒體通信

　　多媒體通信涉及到多媒體信息的採集、壓縮、通信傳輸、解壓縮、重現、同步等環節，影響多媒體通信的主要因素是帶寬、誤碼率、延遲和抖動。

　　·帶寬就是數據速率。視頻的數據速率很大，音頻次之，而文字信息的數據量通常比較小。

　　·通信的延遲是指從發送到接收的時間差。各種媒體類型的延遲要求各不相同，但延遲不能太大，越小越好。

　　·抖動就是延遲的不穩定性。一會延遲大，一會延遲小，就是抖動。音頻要求比較嚴格，因為人的聽覺很敏感，稍有異樣就能夠感覺出來，並且會感到不舒服。

　　·誤碼率指錯誤代碼量占傳輸總代碼量的比率。不同媒體對誤碼率的要求也不同。—l圜多媒體技術基礎與應用因為人的聽覺很敏感，稍有異樣就能夠感覺出來，並且會感到不舒服。·誤碼率指錯誤代碼量占傳輸總代碼量的比率。不同媒體對誤碼率的要求也不同。

　　多媒體通信系統通常包括終端、通信網路、局端設備等三部分，如圖2所示。

　　圖2　　多媒體通信系統

　　·終端是用戶直接使用的設備，如手機、電話、電腦等。終端可能外接各種多媒體設備，如顯示屏、攝像機、麥克風、揚聲器、鍵盤或其他外圍設備。終端的具體形式，可能是獨立的專用設備，也可能由多媒體電腦加上軟體來實現。

　　·通信網路負責數據的遠程傳輸，可以是電路交換系統(如普通電話)，也可以是分組交換系統(如Internet)，或者是它們的混合系統。

　　·局端設備主要負責用戶管理、身份鑒定、鏈路呼叫控制、數據格式的轉換等。如移動通信中的移動交換中心MSC，視頻會議中的多點控制單元MCU、網關GateWay和網守GateKeeper等。

　　多媒體通信的實現方式包括直接端到端通信、局端協助的端到端通信、局端數據中轉三種，具體如下。

　　·直接端到端通信：知道對方的通信地址，直接呼叫對端，建立數據連接，進行多媒體通信。

　　·局端協助的端到端通信：不知道對端的IP地址，藉助局端設備獲取對端的通信地址，然後開始通信。

　　·局端數據中轉：當無法進行直接的端到端通信時，藉助於局端設備來完成。如兩台都僅具有內網IP地址的電腦之間的通信或者需要圖像融合的多方視頻會議等，都不能或不便直接端到端傳輸數據。

　　根據多媒體通信的特點，其關鍵技術主要包括先進的多媒體編碼技術和同步技術。

　　1．多媒體編碼技術

　　多媒體通信是將聲音、文字、圖像等多媒體信息通過網路進行傳送，其核心是視頻信號的傳送技術。一幀數字化視頻信號為640(行)×480(像素)，每個像素用24bit編碼，則數據量為8Mbit。實時視頻信號每秒25幀，則視頻信號傳送的速率約為200Mbit／s。由於視頻的信息量非常大，必須進行壓縮編碼才能適應現有的網路技術(如傳輸速率)，同時在一些應用上又需要實時處理，因此壓縮與解壓縮的速度往往會成為多媒體通信信息處理的“瓶頸”，這樣，在媒體的傳輸和處理中，壓縮與解壓縮技術是非常關鍵的。先進的圖像編碼技術可實現較低的時延、高的壓縮比，達到較好的圖像質量。現有的媒體視頻編碼技術(圖像編碼協議)主要有JPEG，MPEGl，MPEG2，MPEG4，H．261，H．263等。

　　JPEG是高質量靜止圖像的壓縮編碼，壓縮率達到20：1，圖像基本不出現可見的失真。MPEGl基於標準質量的1．5Mbit／s壓縮存儲活動圖像；MPEG2基於3。4Mbit／s或4Mbit／s以上速率的壓縮存儲活動圖像，圖像質量可達到高清晰度電視水平；MPEG4以9—64kbit／s速率壓縮存儲活動圖像，可以在PSTN上傳輸。H．261為P×64kbit／s(P=1—30)的視頻編碼，用於活動圖像的信息壓縮，P=l或2時，適用於可視電話；P≥6時，適用於圖像質量要求較高的會議電視。H．263可以獲得更高的壓縮比和較高的圖像質量，與H．261相比，在保證相同的圖像質量下，可節約30％至50％的比特率。

　　多媒體系統數字化音頻編碼技術目前都是採用ITU—T的語音編碼標準，尚未產生其他新標準。這些標準主要有：c．711，在語音頻段上的脈碼調製(PCM)；C．722，對7kHz帶寬的語音和音樂對象的音頻編碼，是面向高質量話音通信領域的，可利用64kbit／s全部傳送7kHz語音信息，也可用56kbit／s(或48kbit／s)來傳送語音信息；G．728是在16kbit／s速率上採用低時延激勵線型預測的語音編碼技術。

　　2．多媒體同步技術

　　多媒體通信系統中的同步性是最為困難的技術問題之一。在多媒體通信中，網路必須在規定的限度內保證不同信息流在傳輸中的時間關係，以使不同媒體間保持同步(例如，音頻信息流與視頻信息流的“唇”同步，要求圖像相對於語音的時延小於40ms)。I．374建議認為，多媒體通信系統必須考慮以下問題：①不同虛通道和物理通道中傳送的信息流間的時延極限；②通道間同步；③通道間傳輸時延補償。一般來說，多媒體通信系統是一個資源受限的系統，所謂資源受限指的是通信速率受限和終端記憶體儲器的存儲量受限。如果這兩個方面沒有限制，同步本來不會有很大的技術難點，譬如說通道的通信速率不受限，那麼只要髮端完全安排好信息媒體間的關係，在接收端完全忠實地復現出來，信息同步就不成問題。在通道通信速率受限的情況下，接收端的信息間同步就要困難得多；另外，如果接收端存儲器的存儲量是無限的，將所有信息全部接收下來，然後在終端內同步播出，這時同步問題也好解決，但實際上這個條件經常是無法滿足的，因而使同步問題變得很困難。

　　在多媒體通信系統中，同步可以在三個層面上實現：鏈路層級同步；表示層級同步；應用層級同步。

　　1．國外標準化狀況

　　國際上從事多媒體技術標準化的機構主要有：

　　(1)IS0／IEC／JTCl

　　SC24電腦圖形與圖像處理，它下設2個工作組(WG)，即WG6多媒體表示和互換以及WG7圖像處理和互換，共制定國際標準和草案45項。

　　SC29音頻、圖像、多媒體和超媒體信息的編碼下設3個工作組，即著名的WGl靜態圖像編碼(JPEG)、WGll運動圖像和音頻的編碼(MPEG)和WGl2多媒體和超媒體信息的編碼(MHEG)，共制定國際標準和草案44項。JPEG標準的目標是解決靜態圖形壓縮問題。MPEG成立於1988年，現約有300名專家，分成11個工作組，其目的是使動態圖像技術達到現行電視廣播水平。MHEG標準則是一個多媒體高層標準，目前是為在任何一種硬體平臺上應用多媒體和超媒體，實現面向對象的實時繪圖，制定出技術規範。

　　(2)國際電信聯盟(ITU)

　　ITU—R無線電通信。從事多媒體技術標準化的工作組有：SG4固定衛星業務；SGl0廣播業務(聲音)；SGll廣播業務(電視)。

　　ITU—T遠程通信傳輸。從事多媒體技術標準化的工作組有：SG2網路和業務運行；SG4TMN和網路維護；SG7數據網路和開放系統通信；SG8遠程信息處理系統的性能；SG9電視和聲音傳輸；SGl0遠程通信系統的語言和一般軟體問題；SGll信號要求和協議；SGl2網路和終端的端至端傳輸性能；SGl3一般網路問題；SGl5傳輸網路、系統和設備；SGl6多媒體業務和系統。

　　多媒體通信標準以ITU標準為主。其中有關視聽多媒體通信系統的國際標準H．200系列建議、G系列音頻標準，使不同廠商的多媒體通信產品能夠互通，推動了多媒體通信技術標準化的進程。

　　(3)IEC／TCl00

　　為了加強多媒體標準化工作，國際電工委員會(IEC)於1995年11月，成立了“音頻、視頻、多媒體系統與設備技術委員會”(IEC／TCl00)，下設4個分委員會：

　　SCl00A多媒體終端用戶設備已制定國際標準和草案30項，下設WGl，通常在2GHz以下工作的無線電接收機和電視機，以及通常在2GHz以上工作的無線電接收設備的維修和管理。

　　SCl00B記錄已制定國際標準和草案94項，下設：WG2專業用磁帶記錄；WG3消費者用磁帶記錄。

　　SCl00C音頻、視頻、多媒體系統與設備與制定國際標準和草案84項，下設：WG6視頻圖像設備和系統；WG8高音嗽叭；WGll數字系統和脈衝系統；WGl7紅外設備；WGl8麥克風、話筒。

　　SCl00D電纜分佈系統已制定國際標準和草案72項，下設：WG3測量方法和性能要求；wG4放射和干擾測量；WG9對IEC60728—11的修訂：電視和聲音信號用電纜分佈系統第11部分：安全；WGl0對IEC60728—3的修訂：電視和聲音信號用電纜分佈系統第3部分：有源同軸寬頻分散式設備；WGl1對IEC60728—4的修訂：電視和聲音信號用電纜分佈系統第4部分：無源同軸寬頻分散式設備。

　　(4)數字音頻視頻委員會(OAVIC)

　　DAVIC成立於1995年，任務是制定完整的數字音頻視頻技術規範，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規範已被ISO／IEC／JTC採納為國際標準ISO／IECl6500。

　　(5)數字視頻廣播(DVB)

　　DVB專門從事數字廣播領域國際標準的制定工作。它包括世界30多個國家220多個有名的機構，成員有廣播電臺、網路經營者和制定規章機構，共同致力於制定數字廣播國際標準。DVB標準由歐洲遠程通信標準學會／歐洲廣播聯盟(ETSI／EBU)出版。DVB已完成一系列數字廣播規範，已於1997年底完成了數字地面電視傳輸系統規範。

　　綜觀多媒體的發展，媒體的多樣性已開始被系統的多樣性所取代，各種不同的多媒體系統將在大的信息環境下組成更大範圍的多媒體應用。多媒體集成性、交互性和應用性的變化，預示著它正朝著綜合集成的方向發展。多媒體標準化的趨勢也反映了這一特點。

　　MPEG決定在MPEG一4版本公佈後的適當時期再公佈版本2(向下兼容)。版本2與版本1相比，將增加的功能有：任意形狀物體的可調傳輸；支持透明和半透明的視頻物體；附加的效率改善工具；空間聽覺；考慮不同材料聲學特性；聲源的空間操縱。

　　MPEG-7工作組多媒體內容的描述介面剛剛完成前期的建議收集工作，計劃1999年7月形成工作組草案，直至2000年11月正式成為國際標準。隨著多媒體信息描述的標準化，基於內容的多媒體信息檢索會得到很大的發展。從而，大大地便於人們對多媒體信息的應用。

　　針對IP網路大有超越傳統的以電路交換為主的電信網，而成為未來信息高速公路基礎的趨勢，ITU—T和IETF(Internet工程任務組)繼續致力於開發IP網上多媒體通信的新技術，制定和完善標準，電腦網路和電信業設備生產廠商也紛紛加入此行列，推動了技術和標準的研究。

　　2．國內標準化狀況

　　我國多媒體技術和應用的發展起步於20世紀80年代末。為了適應多媒體快速發展的需要，1993年6月在“全國信息技術標準化委員會”下成立了“圖片、聲音和多媒體／超媒體信息的編碼表示分委員會”負責這方面的工作。由於多媒體技術發展極快，產品很多，國際上已形成了一些標準。根據有關標準化原則和方針，我國多媒體領域標準主要向已有的和逐步形成的國際標準看齊。例如，靜態圖像編碼標準、動態圖像編碼標準、數字電視標準等分別採用了ISO／IEC，ITU，ISO等一些國際標準。但是，我國多媒體標準化工作還有待進一步加強，在多媒體和超媒體編碼標準、視聽和語音編碼標準、特別是傳輸協議標準等諸多方面基本上尚未制定國家和行業標準，反映出研究和跟蹤國外先進標準不力和標準化工作滯後的狀況。

　　從目前國內情況來看，多媒體技術在個人電腦、電子出版物、VCD、數字電視上的應用最為活躍。國內有關產品，如開發平臺、多媒體資料庫、支撐工具、音視頻板卡、觸摸屏已以不同的規模推向市場，MPEG及JPEG技術和有關產品得到推廣，可視電話、遠程診斷等初露端倪。信息高速公路的發展和多媒體通信在國內受到極大重視。隨著多媒體技術和產品日新月異的發展，多媒體技術標準化已成為21世紀的熱點。