（计算机软件与理论专业论文）基于sip的远程多媒体教学系统的设计与研究.pdf

中文摘要 远程教学是一种全新的教学模式。与传统教学相比，它摆脱了教学时间和空 间的限制，优化了教学资源配置，提高了教学效率。随着多媒体技术的迅速发展， 远程教学己逐步演化和发展为远程多媒体教学。 远程多媒体教学实际上是多媒体通信在教育领域的应用。近年来，多媒体通 信向着与i p 网络融合的方向发展，因此，在i p 网络上开展远程多媒体教学是远 程教学发展的趋势。 基于i p 网络的多媒体通信目前有两种流行的应用层信令协议：h 3 2 3 与 s i p ( s e s s i o ni n i t i a l j z a t i o np r o t o c o l ，会话发起协议) 。h 3 2 3 由i t u ( 国际电 信联盟) 提出，它采用h 2 5 5 0 作为呼叫控制协议，h 2 4 5 作为媒体控制协议，呼 叫建立过程和媒体逻辑信道建立过程相分离，建立r t p 会话之前需要交换大量的 信令消息，会话建立时间长；s i p 由i e t f ( i n t e r n e t 任务工作组) 提出，采用 s d p ( 会话描述协议) 描述会话信息和媒体信息，呼叫控制消息和媒体控制消息同 时传送，会话建立时问短。另外，s i p 还具有消息简单易读、可扩展性好等一系 列优点。 s i p 是基于文本的、采用c s ( 客户机服务器) 模式的协议，它定义了s i p 注 册服务器、s i p 重定向服务器和s i p 代理服务器完成s i p 会话的建立。与h 3 2 3 相似，s i p 也采用r t p ( 实时传输协议) 传输媒体数据。 基于s i p 的多媒体会议系统有三种结构：松耦合结构、完全分布式结构和紧 耦合结构，其中应用最为广泛的是紧耦合结构。紧耦合结构会议系统中定义了如 下逻辑实体：f o c u s 、媒体混合器、会议策略服务器和会议事件通知服务器。就 物理实现方式而言，集中服务器方式、应用服务器和媒体服务器方式及分布式媒 体处理方式是三种主要的物理实现方式。 本文利用s i p 协议栈技术，依据紧耦合结构s i p 会议系统模型，并对其进行 扩充和修改，提出了一个基于s i p 的视频课堂系统的详细设计方案。另外，考虑 到当前流行的w e b 技术，文章也给出了一个基于w e b 的、采用 b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器) 模式的教学管理系统的设计方案。 关键字：远程教学，h 3 2 3 ，s i p ，多媒体，会话，w e b a b s t r a c t d i s t a n c ee d u c a t i o ni sf u l l yn e ws t y l ee d u c a t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l e d u c a t i o n ，i tb r e a k sa w a yf r o mt h e l i m i t a t i o no ft i m ea n ds p a c e , o p t i m i z e st h e c o n f i g u r a t i o no fe d u c a t i o nr e s o u r c e a n dm a k e se d u c a t i o nm o r ee f f i c i e n t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , d i s t a n c ee d u c a t i o nw i l l e v o l v et o d i s t a n c em u l t i m e d i ae d u c a t i o ng r a d u a l l y i n f a c t ，d i s t a n c e m u l t i m e d i ae d u c a t i o ni st h e a p p l i c a t i o n o fm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ni ne d u c a t i o n a le n v i r o n m e n t i nr e c e n t y e a r s ，m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o ne v o l v e st om u l t i m e d i an e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni ni pn e t w o r k s o ， t h et r e n do fd i s t a n c ee d u c a t i o ni sd i s t a n c em u l t i m e d i ae d u c a t i o ni ni pn e t w o r k t h e r ea r et w o p o p u l a r k i n d so f a p p l i c a t i o n l a y e rs i g n a l i n gp r o t o c o l a tt h ep r e s e n t t i m ei ni pb a s e dm u l t i m e d i an e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ：h 3 2 3a n ds i p ( s e s s i o n i n i t i a l i z a t i o n p r o t o c 0 1 ) h 3 2 3 i s b r o u g h t f o r w a r d b yi t u ( i n t e m a t i o n a l c o m m u n i c a t i o n s u n i o n ) ，i tt a k e s h 2 5 5 0a sc a l lc o n t r o l p r o t o c o la n d h 2 4 5a sm e d i a c o n t r o lp r o t o c 0 1 t h ep r o c e s so fe s t a b l i s h m e n to fc a l la n dm e d i a l o g i c a lc h a n n e la r e s e p a r a t e t h ee x c h a n g eo f al a r g en u m b e ro fs i g n a l i n gm e s s a g e si sr e q u i r e db e f o r e r s e s s i o ni se s t a b l i s h e d s o ，i tt a k e sl o n gt i m et oe s t a b l i s ht h es e s s i o n s i pi s b r o u g h tf o r w a r db yi e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) ，i t u s e ss d p ( s e s s i o n d e s c r i p t i o np r o t o c 0 1 ) t od e s c r i b es e s s i o na n dm e d i a t h ec a l lc o n t r o lm e s s a g e sa n d m e d i ac o n t r o lm e s s a g e sa r et r a n s m i t t e ds i m u l t a n e o u s l y s o ，i tt a k e ss h o r tt i m et o e s t a b l i s ht h es e s s i o n o t h e r w i s e ，s i ph a sa d d i t i o n a la d v a n t a g e so v e rh 3 2 3s u c ha s s i p m e s s a g e s a r es i m p l ea n d r e a d a b l e ，s i pi sw e l le x t e n s i b l ea n ds oo n s i pi st e x t - b a s e d ，c ：，s ( c l i e n t s e r v e r ) p a t t e r np r o t o c 0 1 s i pr e g i s t e rs e r v e r , s i p r e d i r e c ts e r v e ra n ds i p p r o x y s e r v e ra r ed e f i n e dt oc o n t r i b u t et ot h ee s t a b l i s h m e n to f s i ps e s s i o n s i m i l a rt oh 3 2 3 ，s i pa l s ou s e sr t p ( r e a l q i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) t o t r a n s m i tm e d i ad a t a t h e r ea r et h r e ek i n d so f s y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rs i p b a s e dm u l t i m e d i a c o n f e r e n c es y s ! e m ：l o o s e l yc o u p l e da r c h i t e c t u r e ，f u l l yd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ea n d t i g h t l yc o u p l e da r c h i t e c t u r e a m o n gt h e m ，t i g h t l yc o u p l e d a r c h i t e c t u r ei sm o s t w i d e l y u s e d t h e r ea t es e v e r a lk i n d so f1 0 9 i c a le n t i t yd e f i n e di nt i g h f l yc o u p l e dc o n f e r e n c e s y s t e m ：f o c u s ，m i x e r , c o n f e r e n c ep o l i c ys e r v e ra n d c o n f e r e n c ee v e n tn o t i f i c a t i o n s e r v e r a sf a ra s p h y s i c a l r e a l i z a t i o ni s c o n c e r n e d ，c e n t r a l i z e d s e r v e r m o d e ， a p p l i c a t i o na n dm e d i as e r v e rm o d e ，d i s t r i b u t e dm e d i ap r o c e s s i n gm o d e a r et h et h r e e p r i m a r y k i n d so f p h y s i c a lr e a l i z a t i o nm o d e a c c o r d i n g t ot h em o d e lo f t i g h t l yc o u p l e d s i pc o n f e r e n c e s y s t e m ，w i t h m o d i f i c a t i o na n ds u p p l e m e n t ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dad e t a i l e ds c h e m eo fs i p b a s e dv i d e oc l a s s s y s t e mu s i n g s i ps t a c k t e c h n o l o g y o t h e r w i s e ，c o n s i d e r i n g p o p u l a rw e bt e c h n o l o g ya tt h ep r e s e n tt i m e ，t h i sp a p e ra l s ob r i n g sf o r w a r d ad e s i g n s c h e m eo fw e b - b a s e d ，b r o w s e r s e r v e rp a r e r ne d u c a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m k e yw o r d s ：d i s t a n c ee d u c a t i o n ，h 3 2 3 ，s i p ，m u l t i m e d i a ，s e s s i o n ，w e b 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 远程教学概述 远程教学是一种全新的教学模式，它是当今信息时代，计算机学科、通信学 科、电子学科、网络学科等多个学科领域互相交叉、互相融合的高科技产物。传 统教学以教室和课堂为中心展开教学活动，教师和学生须在规定的时间和固定的 教室进行面对面的教学和交流。这种教学方式在工业时代曾经取得过巨大的成 功，但是随着社会的发展，它已经越来越不能适应当今信息社会的需要。 相比传统教学，远程教学充分且合理地利用网络、媒体等各种介质，使得教 学活动的开展不受时间和空间的限制，教师和学生能够充分利用各种教学资源进 行教与学的活动，从而达到优化教学资源配置，提高教学效率的目的。 多媒体在信息表达方面具有天然的优势，理论研究表明，多媒体最适合人 类复杂的感知和通信行为，也最适合人类的行为方式。多媒体具有丰富的信息 表达方式，多媒体通信使远隔万里的用户能够声像和图文并茂的交流信息，使 人们摆脱了时间和地域的限制。 下因为多媒体有如此多的优势，远程教学已经逐渐演变为远程多媒体教学。 远程多媒体教学能够充分地模拟、再现真实的教学场景，达到更好的教学效果。 远程多媒体教学在教学方式上分为同步教学和异步教学两种。同步教学充分 地模拟、仿真和再现真实课堂教学，教师终端和学生终端实时、同步地双向交换 大量的多媒体信息数据，实现难度很大；异步教学一般是信息的单向传输，对信 息传输和处理的实时性和同步性要求较低，便于学生自主学习。学生可以定制个 人的学习讨划，浏览课件、文档和教学录像等可共享的教学资源，向教师提问或 学生之间进行学习交流等。 多媒体信息的特点( 数据量极大，实时性、同步性要求高，数据传输突发性 强等) 和多媒体通信的特点( 集成性、交互性和同步性) 对多媒体网络通信的硬件 和软件系统提出了很高的要求。由于同步教学实现难度很大，国内外还未形成统 一的标准，远程多媒体教学系统目前仍以异步教学为主，在i n t e r n e t 和w e b 技 术之前，大多采用的是基于视频技术的电视会议系统和基于宽带数字通信技术的 计算机网络会议系统。前者利用广播电视系统实现远程讲座和演示；而后者需要 高带宽信通和高质量、高效率的压缩和解压等条件和技术的支持。 第l 负共6 1 页 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 国内外研究情况 远程多媒体教学实际上属于多媒体通信方面的应用，更确切地说，属于多媒 体会议方面的应用。 远程多媒体教学系统可分为同步教学系统和异步教学系统两大类，异步教学 系统目前国内外普遍使用w e b 技术，采用s s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器) 模，的n 层体系结构( 即6 端是浏览器、有若干个中间件构成的中间层、后台是 数据库) 来设计实现，实现难度不大。 w e b 技术的发展经历了一个较长的发展过程。最初的w e b 页都是由简单的 h t m ，( h y p e rt e x tm a r k e dl a n g u a g e ，超文本标记语言) 来编写，h t m l 是一种通过 标记、层次、区域等概念来指定文档应该如何布局和显示的语言。h t m l 页能够 使用户迅速从一个页面或一个文档跳转到另一个页面或文档，具有信息量大、访 问方便、操作简单的优点。但是它的缺点也很明显：页面的内容无法动态更新， 无法为用户定制个性化的信息。 为了址w e b 页具有动态更新的能力，后来出现了一系列的技术如c g i ( c o m m o n g a t e w a yi n t e r f a c e ，通用网关接口) 、a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ，动态服务器网 页) 、j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ，j a v a 服务器网页) 等技术。这些技术的共性在于： 当浏览器发出w e b 请求后，服务器端才执行脚本程序生成w e b 页，也就是说，w e b 页不是开始就做好存储在服务器上，而是在浏览器发出w e b 请求后才生成。这样 就能达到动态更新的目的。 我们简述下具有代表性的三层体系结构的异步教学系统的工作原理j ： j 层结构指客户层、应用逻辑层和数据层。我们通常使用的客户层就是浏览 器，它负责处理淆求和用户界面；应用逻辑层也称为中间层，它包含了组成应用 程序所有功能的业务规则；数据层则包含了应用程序中的所有数据，它负责维护 数据的完整性。一般情况下，数据层由一个关系数据库管理系统组成。 ( 1 ) 客户层接收用户的输入，代表用户生成一个请求，并将该请求传送给应 用逻辑服务器。 ( 2 ) 应用逻辑服务器根据客户请求生成一个数据操纵请求，并将它发往数据 服务器。 ( 3 ) 应用逻辑服务器在关系数据上应用业务逻辑生成结果，并把该结果传送 给客户。 ( 4 ) 客户层接受响应，并把最终结果呈现给用户。 以上是三层结构系统的工作步骤。把客户层、逻辑中间层和数据层分开，可 以清晰地分解应用程序的功能。数据层应用完整性检查，要求所有使用数据的 心用程序或应用层必须通过这些检查，从而维护数据的完整性。同样，应用程 第2 页共6 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 序的所有业务规则和逻辑都放在应用层，该应用层知道如何去查询数据层，但 不需要知道如何去维护和管理数据、如何去更新用户界面等细节；客户层只需 接受用户输入、生成请求并将请求传送给应用逻辑层，而无须知道其他细节。 = 层结构可发展为4 层、5 层直到n 层。这主要是通过分割应用程序的功能 来完成，究竟采取几层体系结构，还是要根据应用程序的需求而定。 异步教学系统除了教师和学生终端之间文本信息的交流外，也加入了多媒体 信息，代表性的典型应用为视频点播。服务器端上存放有预先录制好的教师课堂 教学的录像文件，当学生点播后，服务器就向学生终端传输多媒体文件，文件传 输后即可在学生终端播放。视频点播是多媒体信息的单向传输，当前流行的技术 是流媒体技术，学生可以边下载媒体文件边播放，一般只需经过几秒钟的时延便 u j 观看，而无须等到文件全部下载完成后在观看，这样就解决了以往下载文件速 度慢，f 载中出现问题必须重新下载等一系列问题，达到了实时播放的效果。 同步教学系统由于实现的难度很大，涉及到的技术比较多，目前国内外还未 形成统1 的标准。由于基于l p 网络的多媒体通信是未来的发展趋势，因此同步 教学系统以基于i p 网络的多媒体教学系统为主。目前i p 网络的主流协议i p v 4 还不能很好地解决网络服务质量( q o s ) 的问题，如吞吐率、时延、时延抖动和分 组丢失率等。当前主流的i p 网远程多媒体教学系统都是基于国际电信联盟提出 的h ，3 2 3 协议，h 3 2 3 发展得比较成熟，能够保证一定的服务质量。 s i p 是在i p 网上丌展远程多媒体教学的另一通信协议，它由i e t f 提出，更 适合于i p 网络上数据传输的特性，具有广阔的发展前景。由于s i p 推出时间较 晚，协议正处于不断地研究和发展中。 1 ，3 本文的研究内容 钊。对同步教学，本文对s i p 协议栈技术如何应用于远程多媒体教学这一课题 进仃研究和探讨，将给个使用l p 网络、基于s i p 协议栈技术的视频课堂系 统详细设计的解决方案，这是本文的重点和核心。另外，兼顾当前流行的w e b 技术，本文也将简要给出一个基于w e b 的、采用b s ( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器 服务器) 模式的教学管理系统的设计方案。 1 4 本文内容的组织结构 本文分为8 章： 第1 章是引言部分，对远程教学的历史和发展情况、当前国内外的研究情况、 文章的研究内容作了精炼的概括和叙述。 第2 章对本文的预备知识一多媒体通信作了概括介绍，内容包括多媒体信息 第3 页菇6 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 的构成、多媒体通信的基本概念和特点、多媒体通信涉及到的关键技术( 数据压 缩、多媒体网络和多媒体数据库) 和多媒体通信的发展趋势。 第3 章对国内外比较成熟的h 3 2 3 协议作了详细的介绍，详细分析了h 3 2 3 协议栈中的h 2 5 5 0 呼叫控制信令协议和h 2 4 5 媒体控制协议，并通过一个简化 的例子分析了h 3 2 3 的通信过程。 第4 章对s i p 协议栈中的主要协议一会话发起协议s i p 、会话描述协议s i ) p 和实时传输协议r t p 作了详细的介绍和分析，其中重点分析了核心协议s i p ，内 容包括s i p 基本实体、s i p 消息、s i p 基本功能等。 第5 章对目前s i p 应用于i p 多媒体会议系统的情况作了分析和研究，文章 重点阐述了s i p 会议系统的整体结构、会议的基本实体及会议系统的基本过程。 最后，给出了系统的几种物理实现方式。 第6 章给出了远程多媒体教学系统的核心子系统一视频课堂系统的详细设计 方案，这是文章的重点和核一t 3 。文章先给出了视频课堂系统的总体功能结构和逻 辑结构，然后详细阐述了管理子系统和控制子系统的结构及整个系统的工作流 程。 第7 章则给出远程多媒体教学系统的另一个子系统一教学管理系统的设计方 案，由于w e b 技术已相当成熟，且该子系统也不是本文的重点，因此文章简要地 给出了大体的设计方案。 第8 章对系统的特点作了分析和总结，并对系统未来发展趋势作了展望。 第4 页共6 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多媒体通信 2 1概述 2 1 1 多媒体信息构成 人类接受外界的信息主要来自视觉、听觉、触觉、味觉等，其中有9 0 以 上为视觉和听觉。视觉所接受的信息除了文字以外更多的是图形和图像，听觉所 接受的信息通常是我们平时所听到的声音、音乐和乐曲等，而触觉和味觉由于目 前的相关技术和机理研究不是很成熟，且表达的信息量相对较小，只应用于一些 特殊行业中。 我们目的所况的多媒体一般只包括视觉和听觉，其具体表现形式为文字、图 形、动画、声音和影像等。下面是一些主要的多媒体信息类型： 文本 文本就是我们通常习惯使用的文字集合，它是计算机中最简单的数据类型并 且存储文本所需要的存储空间相对其他数据类型也是最少的。 图像 图像是多媒体中最活跃的元素。无论是文字还是图形和视频，最终都是以图 像的形式出现，而图像又是由一系列的像素( p i x e l ) 构成。常见的图像格式有 b m p 、d i b 、t i f 、( ；i f 、j p e g 等。 图形 图形又称为矢量图( v e c t o rg r a p h i c ) ，它们是由诸如直线、曲线、圆或曲面 等所形成的从点、线、面到三维空间的几何图，其基本数据单位是几何图形而不 是像素。 动画和视频 动态图像由多幅连续的、顺序的图像序列构成，序列中的每幅图像称为一帧， 立u 果每幅图像是由计算机或人工生成的图形时，称为动画；如果每幅图像为实时 获取的自然景物图像，则称为视频( v i d e o ) 音频 音频我们泛称为声音。计算机中保存经过数字化的音频文件的格式常用的有 波形音频史件和数字音频文件两种。波形音频文件是真实声音数字化后的数据文 件：数字音频文件也称乐器数字接口，可将其看成是声音的符号表示。 多媒体信息具有3 个特点：( 1 ) 数据量庞大：( 2 ) 突发性强；( 3 ) 复合性信息多， 同步性、实时性要求高。 第5 页共6 1 页 武汉理l ：大学硕士学位论文 2 1 2 多媒体通信 多媒体通信是指m j ：使用多种媒体( 文本、图形、图像、语音、音频、视频 等) 来表示、存储、检索和传播计算机可处理的信息。 多媒体通信涉及通信、计算机等多个学科的知识，是一们新兴的复合性学科。 山于多媒体自身的特点f 数据量大、实时性强、传输数据的突发性强、数据传输 率极高) 和多媒体广阔的市场前景，使得多媒体成为通信网络方面的研究热点和 难点，各种新技术、新方法不断涌现。 多媒体通信系统有如下特点p j ： 集成性 集成性是指：将原来独立的电话、电报、传真、广播、电视等多种多媒体技 术与计算机技术融为一体。从信息组成方面来讲，集成性指多媒体信息不仅包括 文本、图形图像、音频和视频这些数据信息，还包括附加的控制信息如超媒体信 息、脚本信息、特定应用信息等。 交丐：性 交互性是指：人们可以利用多媒体系统来选择、加工、处理和利用图像、文 字、声音等多种媒体信息。终端用户对通信全过程有完备和强大的交互控制能力， 这是多媒体通信系统的一个重要特征，也是区别多媒体通信系统与其它系统的一 个主要准则。交互性对多媒体通信网络的实时性提出了较高的要求。 吲步性 同步性是指：图像、文字、声音等多种媒体以同步方式在多媒体终端上显示。 信息显示是否同步决定了系统是多媒体系统还是多种媒体系统。 2 2 多媒体通信的关键技术 多媒体通信的关键技术取决于多媒体通信的特点和多媒体信息的特点。由于 一台计算机经常需要访问远程计算机或服务器上的信息和资源，多媒体信息需要 通过网络传输、检索和处理；而多媒体信息数据量庞大的特点及实时性、同步性 的要求与当前网络带宽的匮乏形成了自然的矛盾，因此需要解决的问题集中在： 如何商效且尽量减少失真地压缩数据；如何提高当前网络的带宽；如何设计优秀 的多媒体数据库，以便高效地存储、检索和处理数据。 l i 【| _ l j 我们简要地介绍这些技术。 第6 页共6 1 页 武汉理： ：人学硕十学位论文 2 2 1 数据压缩技术 由于多媒体的数据量极大，要得到令人满意的的图像和音频播放效果和听觉 效果，必须解决音视频数据的大容量存储和实时传输问题。数据压缩是解决这一 问题的有效方法。 数据能够压缩是基于以下两个原因h ： ( 1 ) 数据中存在大量的冗余( 相关性) ，主要是空间冗余、时间冗余、结构冗 余、知识冗余及纹理的统计冗余。基于该原理的压缩称为无损压缩。 ( 2 ) 划1 罔像、视频和音频，人的感官可以忍受某些细节质量的损失。基于 孩原理的压缩称为有损压缩。 衡量一种压缩技术的好坏主要有三个指标：( 1 ) 压缩比要大；( 2 ) 算法要简 单，压缩解压速度快，以满足实时性要求；( 3 ) 压缩损失要少。 无损压缩又称为冗余压缩或熵编码。该压缩方法的出发点是去掉或减少数据 中的冗余，压缩过程中不破坏数据中包含的信息。 有损压缩也称熵压缩法。在压缩过程中减少了数据中包含的数据量，也就是 况有+ 定的失真，解压缩后恢复的数据与原先的不完全一致。但正是由于减少了 数据量，有失真的压缩才能获得较高的压缩比，只须保证这些失真在我们所能接 受的范围之内。 数据压缩技术已经进入比较成熟的发展阶段，国际上有许多音频压缩编码和 视频压缩编码标准。下面我们简要介绍这些编码标准。 c c i t t 的第十五研究组于1 9 7 2 年首先制定了语音信号压缩编码标准，即 g 7 11 6 4 k b p s ( a ) 律p c m 编码标准，到目前为止已经发布的相关系列的标准有 g 7 2 1 、g 7 2 2 、g 7 2 3 、g 7 2 8 、g 7 2 9 。另外还包括m p e g 系列( m p e g l 、m p e g 2 、 m p e g 3 、m p e g 4 、m p e g 5 冲的音频编码。 g 7 1 1 本建议于1 9 7 2 年公布，它给出语音信号编码的推荐特性。语音的取样率为 8 k h z ，允许的偏差是5 0 p p m 。每个样值采用8 位二进制编码，使用a 律和悼的 定义，它将1 3 位的p c m 按a 律、1 4 位的p c m 按脾转换为8 位编码。 g 7 2 1 本建议用于6 4k b p s 的a 律和脾p c m 与3 2 k b p s 的a d p c m 进行转换。 g7 2 2 g 7 2 2 建议的宽带音频压缩仍采用波形编码技术，波形编码保证既能适用 于语音，又能用于其他方式的音频。g 7 2 2 编码采用了高低两个子带内的a d p c m 方案，高低f 带的划分以4k h z 为界。然后再对每个子带内采用类似g 7 2 1 建 第7 斑共6 1 页 武汉理r 大学硕士学位论文 议的a d p c m 编码，因此，g 7 2 2 建议的技术方案可以简写为s b a d p c m ( 子 带白适应差分脉冲码调制) 。 g 7 2 8 g 7 2 8 建议的技术基础是美国a t t 公司贝尔实验室提出的l d c e l p ( 低延 时一码激励线形预测) 算法。该算法考虑了听觉特性，具有三个特点：l 以块为单 位的后向自适应高阶预测；2 后向自适应型增益量化；3 以适量为单位的激励信 号量化。 静态图像压缩编码标准- j p e g j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ，联合专家小组) 是国际电报电话咨询 委员会c c i t t 和国际标准化协会i s o 联合组成的一个图像专家小组，他们开发 山连续包调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法，称为j p e g 算法。 j p e g 的压缩技术十分先进，其格式是目前i n t e m e t 中最受欢迎的图像格式， i l 支持多达1 6 m 颜色，它具有调节图像质量的模式，允许用户选择高质量、几 乎无损的压缩( 文件尺寸相应较大) 或低质量、丢失图像信息的有损压缩。 h 2 6 1 和h 2 6 3 + 由于各个领域对利用综合业务数字网i s d n 提供电视服务的需求不断增长， c c i t t 的第十五研究组于1 9 8 4 年组建了一个关于可视电话编码的特别小组，并 于1 9 9 0 年h 2 6 1 成为正式的视频图像压缩编码的国际标准，可用于传输率在p * 6 4 k b p s ( p = o ，1 ，2 ，3 ) 的视听服务的视频编码器。该标准主要用于视频电话 和电视会议。 运动图像压缩编码标准m p e g m p e g 运动图像专家小组的活动开始于1 9 8 8 年，1 9 9 2 年正式通过了所提出 的用于数字存储媒介的位率约1 5 m b p s 的运动图像及其伴音的压缩编码方案，也 就是m p e g i 标准，1 9 9 3 年通过m p e g i i 标准，1 9 9 8 年推出m p e g 标准， 最新的m p e g v u 标准也于近期问世。 m p e g 1 是面对运动幽像的压缩技术。为了提高压缩比，帧内图像数据压 缩和帧| 、日j 纠像的数据压缩是同时进行的。由于m p e g 对视频信号作随机存取的 熏要要求，以及通过帧问运动补偿可有效地压缩数据比特率，m p e g 采用了三种 类型的图像：帧内 ( i n t r a p i c t u r e s ) 、预测图( p r e d i c t e d p i c t u r e ) 、插补图( 即双向预 测图，b i d i r e c t i o n a lp r e d i c t i o n ) 。 m p e g i i 标准克服了m p e g i 不能满足日益增长的多媒体技术、数字电视 技术、多媒体分辨率和传输率等方面技术要求的缺陷，m p e g i i 推出了运动图 像及伴音的通用压缩技术标准，其功能是将一个或更多的音频、视频和其他的基 本数据流合成单个或多个数据流，以适应于存储和传送，并可以在个很宽的恢 第8 斑共6 1 页 武汉理j ：人学硕士学位论文 复和接收条件下进行同步解码。 m p e g i v 是基于内容的压缩编码方法，突破了过去m p e g i 和m p e g i i 以 矩形方形块处理图像的方法。m p e g i v 具有高效压缩、基于内容交互以及基于 内容分级扩展等特点，具有基于内容方式表示的视频数据。在m p e g i v 中引入 视频物体v o ( v i d e oo b j e c t ) 和视频物体平面v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 等概念来实 现基j 二内容的表示。 2 2 2 多媒体通信网络 通信网络是多媒体应用的传输环境，多媒体通信对信息的传输和交换都提出 了新的更高的要求，网络的带宽、交换方式及通信协议都将直接影响能否提供多 媒体通信业务与多媒体通信的质量。多媒体通信网络的要求主要体现在以下几方 面【5 i ： ( 1 ) 多媒体的多样化，能同时支持音频、视频和数据传输。 ( 2 ) 交换节点的高吞吐量。 ( 3 j 有足够的可靠带宽。 ( 4 ) 具有良好的传输性能，如同步、时延、误比特率等必须满足要求。 ( 5 ) 具备呼叫连接控制、拥塞控制、服务质量控肯4 和网络管理功能。 2 2 3 多媒体同步 同步是一个与时间相关的概念，多媒体系统中的同步主要指各媒体对象问的 时序关系。在媒体流中，各连续单元之间存在时序关系。如果时问相关的媒体对 象中各单元的表现i 刈隔完全相同，则为连续媒体对象，如视频，它包括一系列的 有序帧，每一帧有一固定的表现间隔。而时间无关媒体则是指如文本、图像任何 一种传统的媒体对象，其各自的内容及显示均不依赖于时间。 多媒体系统中的同步要求可分为多媒体通信同步、多媒体表现同步和多媒 体交互同步。这些同步功能表现为多媒体同步体系结构中的不同层次的同步要 求。 多媒体通信刚步的作用就是将不同媒体的数据流按一定的时间关系进行合 成。| i m 解决多媒体通信中同步的有如下三种基本方法： 时问戳法 时间戳法指：终端在发送或存储媒体数据时，将各媒体对象按时间顺序分成 许多小段放在同一时间轴上，每个对象都用一个时间记号作为标记，该标记即为 时间戳。当媒体流到达接收端时，具有相同时间戳的媒体对象将同时显现。 时间戳法的缺点是选择相对时间标准和确定时问戳的操作较复杂，需要一定 第9 负菇6 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 的比特开销用于同步。 l 刊步标记法 i 司步标汜法指：发送媒体数据时在媒体流中插入同步标记，接收时根据同步 标记对媒体流进行同步处理。有两种实现同步标记法的方法：一种是重新建立逻 辑信道来传输同步标记信息；另一种是将同步标记和媒体数据放在同一个媒体流 。 1 传输。 前1 种方法的缺点在于增加了信道开销，如果媒体来自多个信源，那么每个 媒体流都需要一个相应的同步信道，当信源的数量较多时，那么开销就相当可观； 后一坪十方法改变了媒体流的数据结构，虽然减少了信道开销，但不能支持复杂的 媒体同步，也不能支持多个信源组成媒体流的情况。 多路复用法 这种方法将多个媒体流数据整合处理后复用到一个数据流中，这样使它们在 传输时能够自然保持媒体问的相互关系，达到媒体同步的目的。采用多路复用的 同步方式，接受端无需重新同步，故实现起来比较简单。不足之处在于灵活性较 差，无法满足不同层次的同步要求。 2 2 4 多媒体数据库技术 + h x , jj | 传统数据库，多媒体数据库有三个特点一j ：( 1 ) 占用存储空问大，数 据源广泛；( 2 ) 大量的非格式化多媒体数据信息，种类多，结构复杂；( 3 ) 能对 具有时空关系的数据进行同步和管理。 因此，传统的d b m s 数据库管理系统已不适合对多媒体数据的管理，可以考 虑采用如f 几种存储和管理多媒体数据的方法： ( 1 ) 扩展现有的关系数据库管理系统( r d b m s ) 来支持类似于二进制对象的各 种多媒体对象。 ( 2 ) 将r d b m s 从基本的二进制对象扩展到继承和类这一概念。 ( 3 ) 转变为同渐成熟的面向对象数据库，支持s o l 语言。 多媒体数据库技术的发展方向是研究全新的、通用的多媒体数据模型及新的 存取数据的管理方法。 2 3 多媒体通信的发展趋势 ( 】) 向m 网融合 邮m i 以惊人的速度迅速膨胀和扩大，当前，它已经成为仅次于公众电话 网的世界第一大网川e 在成为事实上的信息高速公路。在i p 网上实现多媒体通 第1 0 页共6 1 页 武汉理j ：大学硕士学位论文 信已经成为全世界各国的努力目标和方向。 目前i p 网以i p v 4 为基本协议，端到端时延不能保证，没有同步功能，虽然 能够提供具有某些多媒体通信特征的服务，但难以满足标准多媒体通信业务的要 求，不能保证多媒体服务的质量( q o s ) 。而i e t f 公布的i p v 6 则具有动态分配网 络地址和支持实时业务的功能，增强了i p 层的安全机制，对未来多媒体通信向 【p 融合提供了保证。 ( 2 ) 止向宽带 h 前，基于现有网络的窄带多媒体业务应用市场已基本形成，宽带多媒体通 信将成为下一步发展的重点。由于通信网络带宽的限制，当前许多业务还不能充 分展示多媒体通信的魅力，但快速发展的光通信技术为未来的宽带多媒体应用描 绘了美好的前景。目前来看，光传输的速率每1 0 年增长1 0 0 倍，传输网带宽的 增长为宽带多媒体技术的发展奠定了坚实基础。 ( 3 ) 向移动方向发展 许多专家预测，可移动的多媒体通信业务是未来多媒体通信的主要特征。第 三代移动通信将显著提高数据传输速率，从而使多媒体通信与移动通信的结合成 为可能。 第1 1 页共6 1 页 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 概述 第3 章h 3 2 3 协议 3 1 1 h 3 2 3 提出的背景 相对传统的电路交换网络，分组交换网络有如下优势j ： ( 1 ) 电路交换采用固定吲缘分配，本质上只能支持单一速率的交换，而分 组交换将信息封装在单个数据单元( 分组) 中进行交换，分组头部信息用于 文现路由选择、差错控制和流量控制等功能。各个分组的长度和时间间隔可 变，陶此司以支持多种速率的交换。 ( 2 ) 电路交换中网络资源由信令系统在连接建立时分配，分配给一条连接 的资源1 i 能被其它连接占用，只有在断开连接后才释放占用的资源。而分组 交换中分组只在发送时才占用资源，因此资源可由多个业务共享。 正因为分组网络具有这些优势，因此，基于分组网络的多媒体通信是多 媒体技术的发展方向。国际电信联盟( i t u ) 将原有用于电信网络的协议根据i p 分组网络的特性加以改进，提出了h 3 2 3 。 3 1 2h 3 2 3 简介 h 3 2 3 是一个面向实时音视频信息流传输的应用层信令协议。h 3 2 3 主要包 括h 2 5 5 0 和h 2 4 5 两个协议。其中，h 2 5 5 0 是呼叫信令协议，它主要包括 r a si 注册、许可、状态) 信令协议和q 9 3 1 呼叫信令协议。 r a s 信令协议用于在h 3 2 3 终端( t e r m i n a l ) 和关守( g a t e k e e p e r ) 之间传输信 令消息，关守通过传输r a s 信令消息来允许或拒绝端点访问网络。q 9 3 1 呼叫信 令协议主要剧于在h 3 2 3 各端点之间建立、维持和撤消呼叫。 h 2 4 5 是媒体控制信令协议，主要用于建立和维护传输多媒体信息流的逻辑 信道。h 2 4 5 通过媒体能力交换、打开逻辑信道和关闭逻辑信道等一系列过程完 成媒体信息控制。 h 3 2 3 采用r t p 作为传输实时媒体流的低层协议。h 3 2 3 中，h 2 5 5 0 的q 9 3 1 消息和h 2 4 5 消息通过t c p 传输，r t p 数据包和r a s 信令协议消息则需通过u d p 传输。 1 t 3 2 3 的网络协议找结构如图3 - 1 所示。 第1 2 页共6 l 页 武汉理工大学硕士学位论文 数掘 g 输呼叫控制 音视频编码h 2 5 5 0 h 2 5 5 0h 2 4 5 r t c pr a s呼叫控制 r t p 信令协议信令协议信令协议 u d pt c p i p p p p ( 链路层) s d h ( 物理层) 3 2r a s 信令协议 图3 1h 3 2 3 网络协议栈结构 r a s 信令协议和3 3 节介绍的q 9 3 1 协议均属h 2 2 5 0 协议。r a s 用于h 3 2 3 终端和关守之f n j 的消息交换。关守通过r a s 信令协议来控制它所辖区域的终端。 r a s 支持的功能包括关守发现、注册和撤消注册、许可控制、带宽调整等。另 外，关守和终端之间还要交换状态信息【8 1 。 下面我们分别简要介绍这些功能。 3 。2 1 关守发现 关守发现是r a s 的首要功能。在一个存在多个关守的h 3 2 3 网络中，一个 h 3 2 3 终端只能注册到一个关守。当终端启