分布式多媒体及典型应用系统

多媒体技术与高速通信网络技术相结合产生了分布式多媒体技术这个新型边缘研究领域，分布式多媒体系统是指将多个分布在不同地点的多媒体终端、交换设备和多媒体服务器通过高速通信网络互连在一起并能够完成多媒体通信业务的系统，分布式多媒体系统也称为多媒体通信系统。多媒体信息处理技术、分布式数据处理技术和多媒体计算机网络技术的迅速发展为分布式多媒体应用系统的实现奠定了良好的基础，分布式多媒体技术可以向用户提供多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种多媒体综合信息服务。8.1分布式系统概述8.1分布式系统概述正是分布式数据处理技术、多媒体信息处理技术与高速网络技术取得了巨大成功才使分布式多媒体应用系统成为可能，因而分布式数据处理技术是分布式多媒体应用系统的基础。分布式系统起源于局域网，但随着高速网络技术的不断发展，通过广域网组成高性能、智能化的大型分布式系统已经成为可能，特别是Internet的普及更进一步推动了分布式多媒体技术的发展。分布式数据处理技术主要包括通信机制、资源管理、对象标识、安全保护、容错设计、服务种类等多个研究领域。分布式系统有多种结构模式，客户/服务器模式和浏览/服务器模式就是其中被广泛采用的两种典型分布式系统，客户/服务器模式在局域网环境下具有独特的优势，而浏览/服务器模式在客户端仅安装一个浏览器软件就可以实现跨平台操作，因此浏览/服务器分布式系统更适用于Internet环境。8.1.1分布式系统概念与组成多个计算机自治处理单元通过网络互连在一起协作完成一个总体任务的系统称为分布式系统，分布式系统中各个自治计算机通过网络交换信息才能共同完成同一项工作。自治计算机拥有自己的处理器和存储器，自治计算机之间采用消息传递机制实现信息交换。分布式系统由分布式硬件、分布式数据和分布式控制组成，分布式硬件指系统中的自治计算机和通信网络，分布式系统至少包含两个或两个以上的自治计算机，并通过通信网络互连以便协作共同完成某一任务。分布式数据是指将数据划分为多个部分，存放在不同的自治计算机上。数据分布的原则应当是存放在使用该数据的自治计算机上，同一组数据也可以分布在不同的自治计算机处理单元上，分布式数据能够提高数据的可用性和可靠性。分布式控制是指管理与协调分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源，物理资源可以是自治计算机中的各个部件和各种外围设备，逻辑资源通常指各种应用软件、系统软件、数据库、进程或文档。只有通过分布式控制将分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源进行统一管理与协调，分布式系统才能共同协作完成一个总体任务。分布式控制在管理与协调各种资源时，应当尽可能将控制功能分散到各个自治计算机处理单元上，以保证自治计算机具有最大限度的自治性，同时还要保持适度的整体控制，以便能协调自治计算机的工作。8.1.2分布式系统的特点根据分布式系统的组成和概念，分布式系统具有系统资源模块性、计算机处理单元的自治性、协作性、分布式系统的透明性、可扩展性等特点。1.系统资源分布的模块性分布式系统中的各种物理资源和逻辑资源分布在不同的自治计算机处理单元上，自治计算机又通过通信网络互连成一个整体。系统资源分布的模块性保证了自治处理单元的高度自治性，同时也为分布式控制统一协调与调度各种资源共同协作完成总体任务提供了条件。2.计算机处理单元的自治性在分布式系统中，一个复杂的任务要分解成多个子任务，这些子任务由各个计算机处理单元并行执行。分布式系统中的处理单元在地位上是完全平等的，不是主从关系，计算机处理单元保持高度的自治性可以减小计算机之间的数据通信量。3.计算机处理单元的协作性在分布式系统中，计算机处理单元不仅具有高度的自治性，而且处理单元之间还具有某种程度的关联，这种关联为自治计算机协同工作奠定了基础。协作性是相对自治性而言的，自治计算机的协作性也是分布式系统全局控制的基础，自治计算机之间的自治性与协作性必须权衡考虑。根据协作的不同程度，目前已开发出具有邮递能力和资源共享等多种分布式系统。4.分布式系统的透明性分布式系统的透明性是指分布式系统中的任一用户看不到其他自治计算机的存在，分布式系统呈现在用户面前的就是一台计算机。系统的透明性并不取决于分布式硬件，而是取决于分布式操作系统的高度整体性。根据先进网络体系结构ANSA（AdvancedNetworkSystemArchitecture）观点，分布式系统应当具有下列透明性。（1）访问透明性。访问透明性指用户无论是访问本地计算机还是远程计算机，都应提供一致的操作。（2）位置透明性。位置透明性指用户在访问远程计算机时，不必知道远程计算机所在的物理位置。（3）并发透明性。并发透明性指多个用户或多个应用程序可以并发操作共享对象，各用户之间或应用程序之间不会产生相互干扰。（4）复制透明性。分布式系统容许数据的复制品分布在不同的自治计算机上，复制透明性指用户或应用程序感觉不到数据是复制品，数据复制品对用户或应用程序是完全透明的。（5）故障透明性。故障透明性反映了分布式系统的可靠性，当系统中的硬件或软件资源发生故障时，分布式系统具有故障检测和故障容错能力，不影响用户或应用程序的正常操作。5.分布式系统的可扩展性可扩展性指分布式系统能够随着系统规模的变化自动伸缩，容许用户删除旧的资源，为系统配置新的资源，为系统性能逐步升级留有足够的空间。采用开放系统体系结构，用户可以动态地添加、删除或修改任务。8.2分布式多媒体系统随着计算机网络技术、通信技术的高速发展，分布式系统的应用越来越广泛。分布式多媒体系统的成功开发与应用，使得分布式系统更加多彩多姿，同时为多媒体技术表现其特有的迷人魅力提供了更为宽阔的舞台。8.2.1分布式多媒体系统概念尽管分布式多媒体系统的应用已经非常普遍，但是至今仍然没有给出一个统一的定义。我们可以初步地认为，分布式多媒体系统是指能够实现多媒体功能的分布式系统。分布式多媒体系统集计算机的交互性、网络通信的分布性、多媒体信息表示的综合性于一体，能够提供诸如多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种服务。8.2.2分布式多媒体系统的基本特征分布式多媒体系统集分布式系统与多媒体系统于一身，除了具有分布式系统固有的特征之外，还具有以下非常典型的基本特征：1.媒体综合性通常单一媒体的采集、存储、加工和传输都有自己的理论和技术。分布式多媒体系统不仅能够处理单一媒体，还可以将多种媒体整合在一起，形成一个集音频、视频、文本于一体的完善的综合性系统，具有媒体综合性的特征，充分地发挥多媒体的优点，极大地提高了多媒体的应用效率，有效地拓宽了分布式系统的应用领域。2.时间依赖性多媒体应用需要处理的数据中，音频和视频信息都属于时基媒体，需要系统实时地进行处理。另外，分布式多媒体应用的交互性也给系统带来实时性的要求。这种实时性要求体现在对端到端延迟、延迟抖动等指标必须符合一定的量化标准。另外，各种媒体之间的同步问题也同样对分布式多媒体系统提出了严格的要求。3.数据突发性由于多媒体数据都需要先压缩后再进行传输，而压缩后的数据流量与待压缩数据的序列有关，因此发生数据流量随时间发生变化的现象。以MEPG视频压缩标准为例，压缩后的视频流由三种类型的帧组成：I帧、P帧和B帧。I帧为帧内压缩帧，数据量最大；P帧为前向预测压缩帧，数据量次之；B帧为双向预测压缩帧，数据量最小。三种帧组成一定模式的图组（如IBBPBBPBBPBBI），再以图组为单位组成MPEG压缩视频流。从整体上看，压缩视频流的数据量的变化与图组的模式相关，呈现一定的规律性。但由于各个画面的压缩比不同，即使相同的帧类型，压缩后的数据量也相差很大，再加上场景变换、影片内容等因素的影响，其突发性更是难以预测。8.2.3多媒体数据流对分布式系统性能的要求由于分布式多媒体应用具有通信数据量大、数据传输实时性强、要求媒体内部和媒体之间严格同步、数据突发性强等特点，所以分布式多媒体对传输网络的性能有较高的要求。通常，分布式多媒体应用要求传输网络具有较高的网络带宽、较小的网络传输延迟、较小的延迟抖动和较高的数据传输可靠性。1.分布式多媒体对网络性能的要求（1）网络的吞吐量。吞吐量是指通信网络单位时间内传输的二进制位数，吞吐量也称为带宽、比特率或数据传输速率。带宽从字面意义上讲，指的是信号处理中的频率范围，计算机网络仅是借用了带宽这个术语来表示通信网络传输数据的快慢，这里的带宽是指网络的吞吐量，吞吐量描述了通信网络在传输数据时的快慢。不同的多媒体应用对网络的吞吐量有不同的要求，这是因为不同的多媒体应用具有不同的自然信息率。自然信息率描述了分布式多媒体应用的特征，自然信息率是在不考虑通信网络影响的条件下，信息源产生信息的速率。自然信息率的大小与所使用的编码和压缩算法相关，如果自然信息率是恒定的，一般称为恒比特率CBR（ConstantBitRate），如果自然信息率是变化的，则称为变比特率VBR（VariableBitRate）。衡量自然信息率发生突变的量称为突发度B（Burstness），突发度定义为B=PBR/MBR，其中MBR（MeanBitRate）为表8-1多媒体应用的自然信息率和突发度多媒体应用压缩算法自然信息率突发度相关说明高清晰度电视HDTV不压缩2Gb/s1~21920×1080，60帧/s，24位彩色高清晰度电视HDTVMPEG220~40Mb/s1~21920×1080，60帧/s，24位彩色演播室质量普通电视不压缩166Mb/s2~3720×576，25帧/s，16位彩色演播室质量普通电视MPEG26~8Mb/s2~3720×576，25帧/s，16位彩色广播质量电视MPEG23~6Mb/s2~3录象质量电视MPEG11.4Mb/s2~3会议质量电视H.261128Kb/s4~5352×288，10帧/s，其中包括声音普通话音取决于压缩算法32Kb/s，16Kb/s，4Kb/s28KHz采样，8位量化，f=300Hz~3.4KHz高质量话音取决于压缩算法48Kb/s~64Kb/s216KHz采样，14位量化，F=50Hz~7KHzCD质量音乐MUSICAM或MPEG1192Kb/s×2，128Kb/s×2244.1KHz采样，16位量化，f=20Hz~20KHz环绕立体声AC-3320Kb/s×2248KHz采样，22位量化，f=20Hz~20KHz整个会话（Session）期间的平均比特率，PBR（PeakBitRate）是在预先设定的某个持续时间内的峰值比特率。突发度B越大，网络资源的利用率就越低，为了满足分布式多媒体应用的需求，通常要求网络的吞吐量应大于或等于平均比特率MBR。表8-1给出了不同多媒体应用的自然信息率和突发度，可以看出，实时传输动态图像对网络的吞吐量要求最高。（2）网络的传输延迟。网络的传输延迟定义为信源发出第一位比特到信宿接收到该比特之间的时间差，传输延迟包括信号在物理介质中的传播时间和信号在网络中的处理时间。如果从信源终端已准备好发送数据开始计时，将信宿终端接收到数据的时间差称为端到端延迟时间，端到端延迟时间由信源终端已准备好需等待网络接收数据的时间、信源终端发送数据的时间和网络传输延迟时间三部分组成。对于实时会话应用，网络的传输延迟时间应小于250ms，对于多媒体信息检索与查询应用，系统对用户的响应时间不应超过1~2s，而对于常规的存储或记录设备，对网络的传输延迟时间一般没有特别的要求。表8-2常用多媒体应用对网络延时抖动的要求多媒体应用最大网络延时抖动多媒体应用最大网络延时抖动CD质量音乐100ms广播质量电视100ms电话质量语音400ms会议质量电视400ms高清晰度电视HDTV50ms虚拟现实30ms（3）网络的延时抖动。网络传输延迟时间的变化称为网络的延时抖动（Delayjitter），延时抖动通常采用在一次会话过程中最长和最短传输延迟时间差来表示。延时抖动