多媒体技术及其应用

第8章多媒体技术及其应用本章要点：◆了解多媒体技术发展的历史、多媒体系统的基本构成、视频和音频的数字化过程、数据压缩技术及其应用的相关算法等。◆熟悉常见多媒体文件、典型的数据压缩标准，能正确区分多媒体的文件类型。◆掌握多媒体的定义及分类，能熟练使用WindowsMediaPlayer、Winamp等常用的多媒体播放器。8.1多媒体技术概述在计算机发展的早期阶段，人们利用计算机主要从事数据的运算和处理，处理的主要内容都是文字信息。直到20世纪80年代，随着计算机技术（尤其是硬件技术）的发展，人们除了利用计算机处理文本信息外，还处理一些简单的图像信息。到了20世纪90年代，计算机软硬件技术得到了更进一步发展，其处理能力越来越强，应用领域也得到了进一步拓展，这在很大程度上促进了多媒体技术的发展和完善，计算机所能处理的内容由最初的单一的文本信息逐渐发展到文本、声音、图像、动画、视频等相结合的多种信息媒体。到目前为止，伴随着网络技术和Internet的发展，信息多媒体技术不断走向成熟，给人们的生活带来了极大的方便，使人类社会不断向信息时代迈进。8.1.1多媒体的定义和分类1.多媒体的定义在认识多媒体前，首先需要认识什么是媒体。媒体（Media）在计算机中有两种含义，一种是指以实物的形式存在的，用来存储信息的物质实体，比如磁带、磁盘以及半导体存储器等；另一种与实物相对应，是指信息的表现形式或者载体，比如人们日常生活中接触的各种能传播信息的载体，包括文字、图形、图像、音频、动画和视频等。那什么是多媒体呢？顾名思义，多媒体（Multimedia）就是多种媒体信息的有机集合，是多种信息的表现形式和传递方式，主要包括文字、图形、图像、音频、动画和视频等。因此可以看出，多媒体其实是媒体的第二种含义的集合，形象地说，人类在信息的交流中要使用各种各样的信息载体就是多媒体。在日常生活中，很容易找到一些多媒体的例子，如书刊、杂志、画册、电视、广播、电影等。因此，从上面的多媒体定义可以看出，多媒体技术至少能够同时获取、处理、编辑、存储和展示两种以上不同类型的信息媒体，并且具有交互性。现在人们所说的多媒体技术往往与计算机联系起来，主要是由计算机的数字化以及交互式处理能力决定的，这也是计算机的多媒体技术和电影、电视的“多媒体”的本质区别。2.多媒体的分类计算机处理的多媒体信息，大致可以分为两大类，分别如下：（1）静态多媒体。它是指不随时间变化而变化的计算机多媒体信息，主要包括文字信息、图形信息和静态图像信息等。（2）动态多媒体。它是指随着时间变化而变化的计算机多媒体信息，它与静态媒体相对应，日常生活中常见的动态媒体信息主要包括声音信息、视频信息、动画信息和影像信息等。8.1.2多媒体系统的构成多媒体系统是指能有效处理多媒体信息的系统。通常情况下，多媒体系统是由具有多媒体功能的硬件系统和软件系统组成的。1.多媒体硬件系统多媒体硬件系统指支持多媒体信息交互处理所需的硬件设备。通常情况下，多媒体硬件系统是指具有多媒体功能,能处理多媒体信息的计算机，它能够将多种媒体信息集为一体进行处理。具有多媒体功能的微型计算机习惯上被人们称为“多媒体个人计算机（MultimediaPersonalComputer，MPC）”。多媒体个人计算机并不是一种全新的个人计算机，它是指具有综合处理声音、文字、图形、图像等信息功能的计算机，最早的多媒体计算机是1987年美国Commodore公司推出的Amiga计算机，它采用了该公司自行设计的用于动画制作、音响处理以及图形处理的专用芯片，因而可以有效地处理相应的音频信号和视频信号。在这之后的几年里面，Apple、Philips、Microsoft、Tandy以及NEC等世界知名的公司先后加入到多媒体计算机的研发中，从而大大促进了多媒体计算机的发展。到目前为止，几乎任何一台计算机都具备了处理多媒体信息的功能，但是对于专业多媒体创作来说，普通PC是很难满足实际需求的，需要有专门硬件设备以满足各方面的需求。如果需要构造一套较完整的多媒体制作系统，只配置一些必须的硬件还达不到要求，还需要增加一些专用的多媒体信息处理设备，如激光打印机、扫描仪、视频采集卡和数码相机等。2.多媒体软件系统（1）多媒体软件系统的基本构成对于多媒体计算机来说，多媒体软件系统除基本的计算机操作系统（通常是指Windows操作系统，因为其具有多媒体信息处理的能力，即为多媒体操作系统）外，还包括多媒体信息编辑系统、多媒体数据库管理系统、多媒体压缩/解压缩软件、多媒体声像同步软件、多媒体通信软件和其他相关的多媒体编辑创作工具等。多媒体软件系统在不同的应用领域中还有多种开发工具，如图像处理软件、图形生成软件、声音编辑软件、视频处理软件和合成软件等，另外现在许多高级用户还可以根据自己的需求，利用高级语言（如Delphi、C++Builder、VisualBasic、VisualC++以及C#等）所提供的多媒体API函数接口开发具有特定功能的多媒体应用程序和各种工具，这些资源都为多媒体系统开发提供了便捷的创作途径。（2）多媒体操作系统多媒体操作系统是多媒体软件环境的基础，目前使用最广泛的多媒体操作系统是Windows操作系统。由于Windows提供图形界面，使得用户不必再将大量时间和精力花费在不同软件的学习上，大大提高了学习和工作效率。通常情况下，购置的各种多媒体板卡和外设安装到计算机上后，必须有相应的软件驱动程序来驱动，以便系统有效地管理这些设备，使它们发挥应有的功能。一般购买声卡、视频卡、扫描仪、数码照相机等设备时，厂方或商家都会提供相应的驱动程序光盘，以满足用户在不同操作系统中的需求。（3）常用的多媒体信息处理软件常用的多媒体信息处理软件主要有图像处理软件、声音处理软件、视频处理软件等三大类，其中图像处理软件主要有Photoshop、PhotoImpact、CorelDraw等；音频处理软件主要有Windows自带的录音机、录音大使、Nuendo、CoolEditPro等；视频处理软件主要有AdobePremiere、VideoforWindows、UleadMediaStudioPro、CGInfinity、VideoPaint、UleadDVDPictureShow等；动画制作软件主要有Flash、3DStudioMAX、UleadGIFAnimatorCool3D等。提示：目前使用最广泛的图像处理软件是Photoshop，读者可以根据需要进行更深入的学习。8.2多媒体技术基础多媒体技术是用来处理多媒体信息的技术总称，是利用计算机技术把多种媒体信息综合一体化，使它们建立起逻辑关系，并能进行加工处理的技术。多媒体技术的主要特性包括信息媒体的多样性、集成性、交互性、可控性、非线性和实时性等，这些也是多媒体研究中必须要解决的主要问题。其中多样性是多媒体的主要特征，也是需要解决的关键问题；集成性是指以计算机为中心，综合处理多种信息媒体的特性；交互性是指向用户提供了更加有效地控制和使用信息的手段，是多媒体区别于传统信息交流媒体的主要特点之一；可控性是使多媒体信息最后要采用适宜于人的多种感官的多种媒体表现形式；非线性改变了传统信息顺序读写的模式，使信息的组织变得更加灵活，极大地方便了用户对知识的获取；实时性要求通过多媒体技术使用户能通过操作命令实时控制相应的多媒体信息。多媒体信息可以利用计算机输出界面向人们展示丰富多彩的文字、声音和图像等信息，而计算机只能处理数字信号，因此必须先将各种多媒体信息转换成计算机能认识的二进制数字信号，计算机才能进行有效的处理和存储等操作。其中，这个转化过程就是通常所说的数字化过程，即将模拟信号转化为数字信号的过程，而数字化则是指利用计算机信息处理技术把声、光、电、磁等信号转换成数字信号，或把语音、文字、图像等信息转变为计算机能识别的数字编码，用于传输与处理的过程。在数字化的过程中，通常需要使用各种不同的技术来进行处理，在这些技术中，把以高速微型计算机为核心的数字编码、数字压缩、数字调制与解调等信息处理技术，统称为数字化技术。与非数字信号相比，数字信号具有传输速度快、容量大、抗干扰能力强、保密性好、能进行更复杂的操作和处理等优点。下面将分别介绍视觉信息的数字化、听觉信息的数字化、数据压缩技术及其应用方面的主要内容。8.2.1视觉信息的数字化视觉信息的数字化是指将视觉信息以数字化的形式进行存储、传输等。在多媒体技术中，最常用的视觉信息元素是图形和图像，它们可以以静态和动态两种方式存在，以表现更加丰富多彩的视觉信息。静态图像根据图像生成原理的不同，可以分为光栅图像（也叫位图图像）和矢量图像两种，前者是以点阵的形式存储，而后者则是以矢量图形的形式存储；动态图像可以分为视频图像和动画图像两种，它们之间的区别在于是否是实际视觉信息的录相，因此通常把通过摄像机拍摄到的动态图像称为视频图像，而把通过计算机动画技术加工合成的动态图像称为动画图像。视觉信息的数字化主要是由视觉系统来完成的。1.视觉系统典型的视觉系统一般包括如下部分：光源、镜头、CCD照相机、图像处理单元（或图像采集卡）、图像处理软件、监视器、通信、输入输出单元等。视觉系统的输出并非图像视频信号，而是经过不同目的运算处理之后的检测结果（比如尺寸数据）。2.静态图像的数字化通常情况下，静态光栅图像是通过视觉系统将模拟图像利用采样和量化的手段来得到的图形。对模拟视觉信号进行采样的时候，应当严格遵守采样定理，以保证图像失真度较小。量化是将采样得到的数字图像信号赋以相应的色度以及颜色值等，以实现图像的数字化。（1）光栅图像数字化。光栅图像（位图图像）是以点阵的形式进行存储的，每一个图像点（亦称像素）代表一定的色度值，当图像放大的时候，那么原来的每一个像素点将被放大，于是图像就变成由很多具有一定色度的方块所组成，这种情况常被称作马赛克现象。由于位图每个像素点可以有单独的色度值，因此位图通常被用来表现逼真的真实感图像信息，这将导致位图占用存储空间较大。如下图所示是一幅简单位图图像及其放大三倍之后的位图图像，从放大图中可以清晰看到位图是由许多细小的方块组成的。实际生活中所遇见的图像大多数都是以位图的形式存储的，如人们日常生活中的数码照片、网络图片等。放大三倍衡量位图好坏的主要指标有如下三个：①分辨率。分辨率是影响图像质量的重要因素，包括屏幕分辨率、图像分辨率和像素分辨率三种。其中屏幕分辨率是计算机显示器屏幕上的像素点总数，比如通常情况下人们习惯采用1024×768的屏幕分辨率；图像分辨率是指数字化图像的大小，是组成图像的所有像素点总数，即图像的高×宽；像素分辨率是指像素的长和宽的比例，也称像素的长度比。②颜色深度。颜色深度是用来描述图像颜色数量多少的物理量，指图像的一个像素所占的二进制位个数。③图像文件大小。图像文件大小是指图像文件在存储介质上所占的实际存储空间的大小，一般是以字节（Byte）为单位，可由下列公式计算得到：位图图像文件大小：（Byte）=图像分辨率×图像深度/8（2）矢量图像数字化。矢量图像一般都被称作图形，它不是直接描述图形中的每一个像素点，而是利用数学公式描述生成这些点的过程。对于矢量图像来说，不论放大多少倍，都不会产生模糊的视觉效果，清晰度与放大前是一样的。对于同样大小的图像，矢量图的存储空间要比位图小，而且它可以任意放大而不改变图像的存储空间。日常生活中常用的矢量图像包括工程CAD图、剪贴画等。如下图所示的就是一幅矢量图形及其放大三倍后的效果图。放大三倍矢量图像不适合描述现实生活中图像细节特别丰富的物体，它主要适用于线框图的绘制、美术字的生成、工程图形绘制及三维图形的设计等。通常情况下，将矢量图像转化为位图图像比较简单，而将位图图像转换为矢量图像时比较困难，需要借助一些专业工具来实现，如CorelTrace软件、SuperCard软件等，但有些图像转换之后达不到用户需要的效果，有的甚至根本没办法实现完全转换。（3）数字化过程中的色彩模式。在多媒体计算机系统中，图像的颜色值是以二进制