第8章多媒体技术与交互技术.

第8章多媒体技术和交互式电视第8章多媒体技术和交互式电视8.1多媒体信号和多媒体技术8.2多媒体信号的传输8.3多媒体技术的应用8.4交互式电视组成与原理思考练习题第8章多媒体技术和交互式电视8.1多媒体信号和多媒体技术随着计算机技术、数字图像压缩技术和超大规模集成电路技术的发展，由这些技术交汇而产生的多媒体技术也得到了发展。多媒体是指两种或两种以上的媒体。媒体是指携带信息的载体，通常应该包括图像和声音，可能还有文字、符号、图形、动画、图片等等。多种媒体携带的信息是相互联系、相互协调的。计算机交互处理这些媒体的技术即是多媒体技术。第8章多媒体技术和交互式电视多媒体信号应具有以下三个特征：(1)综合性：多媒体信号应是相互有关的多种媒体的信号的综合。(2)交互性：通信双方能充分地进行信息传送或交流，能获取、处理、编辑、存储、展示这些信息媒体。(3)同步性：多种媒体能同步地、协调地传送信息。第8章多媒体技术和交互式电视广播电视中的图像、声音、时间、字幕同步地传送，具有综合性和同步性，但没有交互性，所以广播电视不属于多媒体；而视频点播VOD(VideoOnDemand)使观众可以选择节目，可以控制节目的暂停和继续播放，能够选择观看影片的多种结局之一，所以视频点播属于多媒体。通常认为电视会议、可视电话、安全监视、远程医疗、电子商务、远程教学等均属于多媒体范畴。第8章多媒体技术和交互式电视多媒体远程教学与一般的广播电视教学的教师讲学生听的模式不同，教师讲课时可向学生提问，学生除听课和回答问题外也可向教师提问。师生之间可频繁交流信息，有图像、语音、文字、符号、图形、动画、CAI(计算机辅助教学)课件等媒体。这种多媒体远程教学因为生动、直观、交互性强，所以能充分调动学生的积极性，取得良好的教学效果。第8章多媒体技术和交互式电视8.2多媒体信号的传输图像信号要求实时传输。视频信号不压缩时传送速率在270Mb/s左右，高清晰度电视(HDTV)的信号传送速率高达1000Mb/s。为了在网络中传送更多的多媒体信息，对视频信息应进行各种压缩。按照H.261、H.263、H.264、MPEG-1、MPEG-2等视频压缩的国际标准，HDTV压缩后的速率也只有20Mb/s。至于可视电话，在公用电话网(PSTN)上传送时，可压缩为20kb/s左右。语音信号也要求实时传输。语音信号如不压缩需64kb/s的速率，经过压缩后可降到32kb/s、16kb/s、8kb/s甚至5～6kb/s。视频与音频压缩编码是多媒体信号传输的关键技术。第8章多媒体技术和交互式电视通信服务质量QoS(QualityofService)是通信网络性能的重要参数，也是网络效果的主要表示参数，用来描述通信双方的传输质量。QoS基本参数包括系统吞吐率、网络传输的稳定性、可用性、可靠性、传输延迟、传输码率、出错率、传输失败率、安全性等。传输码率只是其中的主要参数之一，不同的系统强调的参数往往不同，而且QoS参数的设置一般采用分层方式，不同层的参数有不同的表现形式。在用户层中，针对音频、视频信息的采集和重显，QoS参数表现为采样率和每秒帧数。在网络层中，QoS表现为传输码率、传输延迟等表示传输质量的参数。描述网络管理的QoS时，应主要考虑网络资源的共享、参数的动态管理和重组等。第8章多媒体技术和交互式电视8.2.1PSTNPSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork，公用电话交换网)是公共通信网中规模最大、历史最长的基础网络。电话网的主要用途是传输语音信号，用户的语音信息可通过传输线路和交换设备进行互传。该网络的终端设备主要是普通模拟电话机，要求所传输的信号带宽在300Hz～3.4kHz之间。目前，电话网以模拟设备为主的情况已经发生了根本性的变化，数字传输设备和数字交换设备不断地被引入电话网，如数字光纤时分复用设备，计算机数字程控交换设备，所有这些数字化设备已经使公用电话网成为一个以数字设备为主体的网络。但在用户线路上传输的信号中，模拟语音信第8章多媒体技术和交互式电视号的比例仍然最大，这给在公用电话网上传输数字信息带来了困难。目前，在公用电话网上传输数字信号的主要手段仍然是要依靠调制解调器(Modem)，为此ITU-T提出了V系列建议，如描述接口电气特性的V.28、V.35、V.10、V.11等建议，描述接口间各条接口线路功能及其动作的V.24建议等。还有一些建议是用于描述Modem本身的，如V.21、V.22、V.32等等。利用符合V.34建议的调制解调器，在PSTN网上可传输符合H.324标准的传输码率低于64kb/s的可视电话。V.34是有关28.8kb/s速率的调制解调器的建议。QoS参数为S-QCIF或QCIF格式，7.5帧/秒，Y∶U∶V为4∶1∶1，12比特/像素。第8章多媒体技术和交互式电视8.2.2ISDN和STM模拟电话网中，一对电话线只能传送一路模拟电话信号。随着通信技术的发展，出现了ISDN(IntegratedServicesDigitalNetwork，综合业务数字网)，可以支持语音、数据和图像等几种媒体的传输业务，其基本传输速率为160kb/s。它利用一对电话线，同时传送两路数字电话信号(B通路，每路可传送速率低于64kb/s的数字电话或数字数据)，采用同步时分复用方式，也称为STM(SynchronousTransferMode，同步转移模式)。根据CCITT建议，电信的传输、交换、复用统称为转移模式。STM在ISDN中的复用方式如图8-1所示，以125μs为一帧，共传送20b，时间上分为3个信道第8章多媒体技术和交互式电视2B+D，每个B信道传送8b数字电话信号，一个D信道传送2b信令信号(电话号码等，速率为16kb/s)，还有供同步、控制等传输开销用的2b。各子信道的信息占用了固定的时隙。各时隙以125μs为周期出现，根据信号所占用的时隙位置，就可判定是哪个子信道的信号，这就是STM。图8-1STM的时分复用第8章多媒体技术和交互式电视在STM模式中，分配给了一个信道的一个固定时隙，只能传输该信道上的数据，不能传输其它数据。如果该信道上没有数据要传输，相应的时隙就空闲，空闲时隙多时会造成带宽的极大浪费。综合业务数字网可传输会议电视和可视电话。当上述2B+D的基本接入(BasicAccess)速率不够时，可使用23B+D、30B+D的基群接入(PrimaryAccess)，取得1.544Mb/s或2Mb/s的传输速率。QoS参数为CIF格式，30帧/秒,Y∶U∶V为4∶1∶1，12比特/像素。第8章多媒体技术和交互式电视8.2.3B-ISDN和ATMB-ISDN(Broad-bandISDN，宽带综合业务数字网)与ISDN类似，利用同一线路在同一时间内传送多个电信业务信号，其码率在155Mb/s以上，采用异步时分复用，或称为ATM(AsychronousTransferMode，异步转移模式)。其传送的信息以信元为单位，信元长度是固定的53B，其中信头为5B，有用信息为48B。在ATM模式中，各子信道的信号不是按一定时间间隔周期性出现的，因而不能再按固定的时隙位置来判断其属于哪个子信道。ATM要在信头中的固定位置加一种标志信息，表明该信元属于哪个子信道，即准备送到对方的哪个用户。这样，在信道上的时隙划分就不必采用固定位置的方式了。第8章多媒体技术和交互式电视ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输。统计时分复用就是根据各信道业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各个业务之间动态地分配网络带宽，以达到最佳的资源利用率。这种方式可以解决STM中出现的带宽浪费的问题。多个子信道根据它们不同的传输特性复用到一条链路上。与同步时分复用STM不同，在ATM中，时隙只分配给有数据要传输的子信道，没有数据要传输的子信道不占用带宽。因此，ATM在处理实时传输时能达到非常好的性能。在一般的复用机制中，各个输入带宽的总和应小于传输线路的总带宽；而利用统计复用的ATM可使输入带宽的总和大于总带宽。第8章多媒体技术和交互式电视B-ISDN常用的交换方式有电路交换和分组交换。电话程控交换是电路交换方式，通信期间始终有一条电路被建立，也属于STM模式，它是以固定时隙为基础的交换。其优点是实时性好，没有交换引起的时延，但线路的利用率低。分组交换把整个信息分成若干较短的分组，各分组均有一定的目的地址，采用“存储转发”方式。其优点是线路利用率高，但分组长度是可变的，两个用户在一次通信中各分组可能经由不同的路径，因而会引入较大的时延，不宜用作实时通信。ATM交换把信息分成一个一个固定长度的信元。信元长度比分组交换时的分组小得多，它利用硬件连接进行信息交换，交换的速度非常快。ATM交换既有分组交换第8章多媒体技术和交互式电视线路利用率高的优点，又有电路交换快速的优点，它是分组交换与电路交换的一种结合。因此，ITU已规定在B-ISDN中应采用ATM方式的复用和交换。这样的以信元为基本单位的高速ATM信号，必须在宽带网络(例如光纤网络)中才能传输。B-ISDN的传输速率在155Mb/s以上，可以传送各种多媒体的新业务。第8章多媒体技术和交互式电视8.2.4IP网络IP网络包括Internet(因特网)、Intranet(企业网)、WAN(WideAreaNetwork，广域网)以及LAN(LocalAreaNetwork，局域网)等。IP网络发展非常迅速，它利用TCP/IP协议(TransmissionControlProtocolInternetProtocol)，只需给出对方的IP地址，就可十分方便地把信息送到对方终端。但目前IP网络带宽较窄，还不能保证多媒体通信业务所需的服务质量(QoS)。对于视频和音频传输，丢掉几个分组不会造成很大的问题，但窄带宽将导致视频画面有时清晰，有时模糊，甚至导致音频信息的中断。因此，要采用效率更高的压缩编码和协议来改善因特网中实时通信的质量。第8章多媒体技术和交互式电视网络资源预留协议RSVP(ResourceReservationProtocol)对于用IP有限的带宽传送视频和音频以及其它实时多媒体信息非常重要。采用RSVP技术，通信双方在建立传输信息之前预留了足够的带宽，服务质量会得到较好的保证。目前，RSVP的资源预留功能已在一些厂商的路由器和应用程序中实现。分类服务技术是解决IP网QoS问题的一种十分有效的方法。不同类别的信息对网络传输资源的要求是不同的，分类服务按业务类别将信息分给能充分保证其服务质量的网络传输资源。解决质量问题的根本办法是拓宽网络带宽。现在美国正在积极研制下一代因特网NGI(NextGenerationInternet)，其目标就是要拓宽网络带宽。第8章多媒体技术和交互式电视8.2.5FCFC(FiberChannel，光纤通道)技术是ANSI(AmericanNationalStandardsInstitute，美国国家标准协会)为网络和通道I／O接口建立的一个标准集成。它支持HIPPI(HighPerformanceParallelInterface，高性能并行接口)、SCSI(SmallComputerSystemInterface,小型计算机系统接口)、IP、ATM等多种高级协议。它的最大特点是将网络和设备的通信协议与传输物理介质隔离开。这样，多种协议可在同一个物理连接上同时传送，高性能存储体和宽带网络使用单一I／O接口，这使得系统的成本和复杂程度大大降低。光纤通道支持点到点(Links)、仲裁环(ArbitratedLoop，AL)、交换式网络结构等多种拓扑结构。第8章多媒体技术和交互式电视1.概述光纤通道是把设备连接到网络结构上的一种高速通道，它既具有单通道的特点，又具有网络的特点，它可以是连接两套设备的单条电缆，也可以是连接许多设备的交换机产生的网状结构。光纤通道的最大优点是速度快，它可以给计算机设备提供接近于专业设备处理速度的吞吐量。光纤通道与协议无关，它提供了一种在源设备(