多媒体技术20多媒体系统与应用.doc

23 第20章 多媒体系统与应用第20章 多媒体系统与应用多媒体技术是以多媒体的软硬件为基础的，硬件包括整机、芯片、板卡、接口和外设等，软件包括支持多媒体的操作系统、多媒体数据库管理系统和专用多媒体系统等，一般来说，硬件的发展往往比软件快得多。多媒体的应用十分广泛，主要的应用有（电子/计算机/网络）游戏、万维网和家庭影院等，其他应用则包括多媒体数据库、多媒体内容检索、虚拟现实、视频点播等等。20.1 多媒体硬件多媒体硬件包括多媒体计算机、芯片、板卡和外设，还有支持多媒体的总线和接口等。20.1.1 多媒体计算机服务器可以提供电媒体服务，但是一般并不带多媒体界面。多媒体计算机主要是指客户终端的具有多媒体功能的工作站和微型计算机。多媒体工作站是从图形工作站发展而来，典型代表为SGI公司的Silicon Graphics系列工作站。多媒体微机的先行者是苹果公司的Macintosh，目前的主流则是MPC（Multimedia Personal Computer, 多媒体个人计算机）。早期的MPC = PC + 多媒体升级套件（声卡喇叭+光驱）多媒体市场协会制定了MPC平台最低标准：n MPC-11991.11. 386SX CPU、2MB内存、30MB硬盘、VGA显卡、1X CD-ROM光驱、8位声卡，Windows 3.0 + 多媒体扩展n MPC-21993.5. 486SX CPU、4MB内存、160MB硬盘、SVGA显卡、2X CD-ROM光驱、16位声卡n MPC-31995.6. Pentium 75MHz CPU、8MB内存、540MB硬盘、SVGA显卡、4X CD-ROM光驱、16位波表声卡，支持MPEG-1播放从1995年后，就再也没有制定新的MPC标准，因为多媒体现在已经成为所有PC机的主要功能和标准配置。20.1.2 芯片（支持）多媒体的芯片包括CPU、GPU和DSP等。1CPU多媒体应用程序需要高速CPU（Central Processing Unit, 中央处理器）的支持。为了提高对多媒体数据的处理速度，CPU中还专门设计了用于多媒体的指令。CPU的多媒体指令，可以充分利用计算机的字长，一次同时处理4个（32位CPU）或8个（64位CPU）单字节的多媒体数据。多媒体计算中最耗时的是3D渲染，所以现代的CPU都增加了3D专用指令。n 1997.1.9.：Intel Pentium MMX = MultiMedia eXtension多媒体扩展（含57条MMX指令）n 1998.9.21.：AMD K6-2 3D Now!（三维动画，含21条指令）n 1999.2.26.：Intel Pentium III（MMX2，含3D指令集，共70条）2GPUGPU（Graphics Processing Unit, 图形处理器）是显卡的核心，发展速度超过CPU。GPU中包含的晶体管数几乎是一年翻一番，打破了CPU 18个月翻一番的摩尔定律。3DSPDSP（Digital Signal Processing, 数字信号处理）主要用于音视频编解码和处理运算，位于声卡、显卡、视频卡等专业板卡上。20.1.3 板卡多媒体板卡主要有：n 声卡n 显卡（图形加速卡）n 视频卡这些在前面的相关章节已经介绍过，这里就不再赘述。20.1.4 总线PC机总线(Bus)的发展：n ISA（Industry Standard Architecture, 工业标准体系结构） 8b：5MB/s、16b：8MB/s，8MHz（1981 IBM PC/XT引入，8位，8088 CPU；1984，扩展后用于PC/AT，286 CPU）n MCA（Micro Channel Architecture, 微通道结构） IBM公司1985年为386 PC引进，16/32bn EISA（Extended ISA, 扩展ISA） 32b：33MB/s（1988，386/486 CPU）n VESA（Video Electronic Standard Association, 视频电子标准协会） 用于显卡的局部总线，132MB/s，33MHz，1992.5.n PCI（Peripheral Component Interconnect, 外围部件互连/周边元件互连） IAL公司提出，Intel、IBM、Compaq等公司成立的SIG（Special Interest Group, 专责小组）制定，局部总线，32/64b，132/264MB/s，33/66MHz；266/533MB/s，66/133MHz；400/800MHz；1991.12. V1.0，1993.4. V2.0n AGP = Accelerated Graphics Port加速图形端口Intel推出的用于显卡的局部总线，1996.7.31. V1.0，1997.12. V2.0，2002.9. V3.0；1X(266MB/s)、2X(533MB/s)、4X(1GB/s)、8X(2.1GB/s)。参见图20-1。图20-1 AGP系统结构n PCI-X（PCI eXtension, PCI扩展） 1998.9. Compaq、HP、IBM提出，133MHz，1GB/sn PCI Express x16（PCI 16倍快车） PCI-SIG于2002.7.22.推出，2.540GHz，416GB/s。原来称为3GIO = Third Generation I/O第3代I/O20.1.5 接口计算机接口可以分成并行口和串行口两大类：1并行口n LPT = Line Print Terminal 行式打印终端=Centronics Parallel Interface森特并行口(8255A)，1.8KB/sn SCSI = Small Computer Systems Interface小型计算机系统接口通用，可接8个外设，1982.4.提出，1986推出SCSI-1标准(ANSI X3.131-1986)，8b，5MHz，同步/异步4/1.5MB/s；1994推出SCSI-2标准（X3.131-1994），其中Fast SCSI：10MHz，10MB/s，Wide SCSI：16/32b，20MB/s；1996提出SCSI-3建议；1995推出Ultra SCSI，8/16b，20MB/s；1998推出Ultra SCSI2，40/80MB/s；1999 推出Ultra3/U160，80 MHzn IDE（Integrated Device Electronics, 集成设备电路） 磁盘驱动器控制电路，也叫ATA（Advanced Technology Attachment, 高级技术连接），16b，8MB/s；Fast ATA（ATA-2），对应EIDE（Enhanced IDE, 增强型IDE），16MB/s；Ultra-ATA（超ATA），也叫ATA-33；ATA-66，66MB/s；ATA-100，100 MB/s2串行口n RS-232C/449老式，20/100kb/sn IEEE 1394(FireWire火线)1992成为标准，6线，14英尺，100/200/400Mb/s (50MB/s)；1394b，72/100m，800Mb/s、1.6Gb/s、3.2Gb/s(400MB/s)n USB（Universal Serial Bus, 通用串行总线） Intel、IBM、Microsoft、Compaq、DEC、NEC、Northern Telecom等公司开发，1995.11.V0.9，1999.12.23. V1.1，4线，530m，可接127个外设，1.5/12Mb/s (1.5MB/s)；2000.4.27. V2.0，480Mb/s(60MB/s)n Serial ATA（串行ATA） 用于连接高速硬盘，2001.8.推出Serial ATA 1.0，1.5Gb/s(150MB/s，2001年中)；2002.10.16.推出Serial ATA II，3.0Gb/s(300MB/s，2004年中)；2003.2.4.推出Serial ATA 1.0a，6.0Gb/s(600MB/s，计划2007年中实现)20.1.5 外设n 输入触摸屏、手写板、话筒、数字相机、数字摄像头/机n 输出高分辨率彩显、照片级彩色喷墨/激光打印机、环绕声音箱n 存储光盘塔、磁盘阵列20.2 多媒体软件多媒体软件包括多媒体操作系统、多媒体数据库和专用多媒体系统。20.2.1 MOSMOS（Multimedia Operating System, 多媒体操作系统）的发展历史：n 1984年Apple公司推出Macintosh OS，在微机中引入图形界面GUIn 1987年8月Apple公司在Mac OS中引入超级卡HyperCard系统，使其成为MOSn 1991年Apple公司又对Mac OS进行了多媒体扩展QuikTimen 1992年4月Microsoft公司推出支持多媒体的操作系统Windows 3.1n 1995年8月Microsoft公司推出多媒体操作系统Windows 95图20-2和3分别为QuikTime和Windows 95的体系结构图。应用程序应用程序应用程序应用程序动画工具箱图像压缩管理部件管理器序列采集器序列采集频道动画控制器视频数字化图像压缩应用定义部件时钟图20-2 QuikTime体系结构图多媒体应用程序MCIMMSYSTEM.DLL显示驱动程序视频压解器音频驱动程序ICM音频压解器ACMDCI显示硬件音频硬件文件系统盘存储硬件图20-3 Windows 95体系结构图其中：n MCI = Media Control Interface媒体控制接口n MMSYSTEM.DLL = MultiMedia System Dynamic-link Library多媒体系统动态链接库n ICM = Image Compression Manager图像压缩管理器n ACM = Audio Compression Manager音频压缩管理器n DCI = Display Control Interface显示控制接口20.2.2 MDBMDB（Multimedia DataBase, 多媒体数据库）是多媒体应用的基础。由于多媒体的数据量巨大且非结构化，尤其是流媒体数据对时间敏感、需要同步和集成、而且对硬件要求高，所以多媒体对数据库有着许多特殊要求和关键技术。1多媒体数据的特点n 海量n 非结构化n 不等长n 时间敏感n 集成关系复杂n 与处理硬件相关2多媒体数据库的特殊功能n 支持各种媒体字段类型和用户自定义的特殊类型n 支持定长与非定长数据的集成管理n 支持复杂实体的表示和处理（复杂关系、完整性、一致性）n 支持同一实体的多种表现形式（如改变视频的播放速度）n 良好的用户界面n 支持基于内容的多媒体信息查询及良好的处理接口n 支持分布式环境3关键技术n 数据模型（将多媒体信息中的复杂关系形式化为数据模型面向对象）n 多媒体数据的存储管理与压缩/解压缩n 多媒体信息的统一（硬件处理到抽象表示的转换）n 多媒体信息的再现及良好的用户界面n 多媒体信息的检索、查询和处理n 分布式环境与并行处理n 并行数据库20.2.3 工具软件多媒体的工具软件包括媒体素材加工软件和多媒体集成软件，这些在第12章中曾经有过介绍。1媒体素材加工软件可以生成媒体元素，对媒体数据进行编辑、加工、压缩、编码和处理。常见的媒体加工软件有：n 文字：Word、WordPerfect、WPS、Cool 3Dn 音频：Cool Edit、Audio Editor、Wave Flow、Cakewalkn 图形：Illustrator、Corel Draw、AutoCADn 图像：Photoshop、ACDSeen 动画：Flash、GIF Animator、3DS、Mayan 视频：Video Studio、Premiere、After Effectsn 综合：MediaStudio、Fireworks2多媒体集成工具将已经准备好的各种多媒体素材集成在一起，生成多媒体应用程序。常见的集成工具有：n 媒体著作：Authorware、Director、ToolBook、PowerPointn 网页制作：FrontPage、Dreamweavern 流媒体服务：Real System、Windows Media、QuickTime20.2.4 应用软件多媒体应用软件五花八门，数不胜数。如：网页浏览器、媒体播放器、计算机和网络游戏、IP电话、视频点播、视频会议、虚拟现实、多媒体教学等等，这里就不一一介绍了。20.3 多媒体系统多媒体系统既包含硬件也包括软件，既可以是纯数字化系统，也可以是数字与模拟的混合系统。下面是在历史上曾起过重要作用的若干著名多媒体系统：n Amiga（女朋友）Commodore公司1985推出，为世界上首台多媒体计算机系统，具有处理方便、价格低廉和用途广泛等特点。由动画制作、图形处理及音频处理外设接口专用芯片，与多任务的MOS(Amiga OS)、控制/制作软件及多媒体著作系统等构成n CD-I（Compact Disk Interactive, 交互式紧凑光盘） 独立工作的多媒体娱乐系统，1986.4. Philips & Sony推出，将声音、文字、程序、图形、动画等多媒体信息以数字形式存放在光盘上n DVI（Digital Video Interactive, 数字视频交互） 多媒体计算机系统，1987.3.GE公司推出，1988.10.Intel公司购买，1989.3.Intel & IBM推出商用产品基于IBM PS/2机的Action Media 750u 硬件系统AVE = Audio/Video Engine音视频引擎（包括视频子系统、彩色链连子系统、音频子系统、DVI总线、获取子系统、CD-ROM子系统和主机接口）u 软件系统AVSS = Audio/Video Sub-System音视频子系统目前最流行的多媒体系统是家庭影院系统（包括CD-DA / SA-CD / DVD-Audio / DTS、VCD / DVD / EVD / BD / HD DVD，以及电视机、功放与喇叭等）、移动通信系统（包括多媒体手机、移动电视等）、游戏机和网络游戏系统，还有数字电影系统与高清晰电视系统等，这里就不再详细介绍了。20.4 多媒体应用从上世纪90年代以来，随着万维网的普及、光存储技术的成熟和计算机硬件的发展，多媒体的应用越来越广泛。目前的主要应用有：（电子/计算机/网络）游戏、万维网、手机和家庭影院、数字电视等，其他应用则包括视频点播、虚拟现实和多媒体内容检索等等。由于篇幅所限，本节只简单介绍一下电子游戏、视频点播和虚拟现实的基本概念和内容。20.4.1 电子游戏娱乐一直是多媒体应用的急先锋，而电子（计算机/网络）游戏更是倍受青少年朋友的欢迎。同时，电子游戏也是推动多媒体硬件和技术发展的最主要动力之一，特别是网络游戏的流行，对3D、GPU和网络技术的进步都起到了很大的推动作用。1电子游戏发展简史电子游戏的发展，最早可以追溯到1961年，MIT学生Martin Graetz等人，在PDP-1小型机上开发的太空战（Spacewar!）。而最早的游戏机则是1971年MIT学生Nolan Bushnell设计的世界上首个业余游戏机Computer Space（电脑空间）。Bushnell于1972年创立了Atari公司，专门从事街机游戏的开发，推出了乒乓球（Pong）等流行游戏，成为电子游戏的鼻祖。在Atari成功的诱惑下，许多公司觉得电子游戏有利可图，也纷纷加入这一领域，呈现出群雄争霸的态势。日本的任天堂（Nintendo）公司则脱颖而出，于1985年推出了游戏机Super Mario Prob（超级马里奥兄弟），取得了巨大成功，成为当时游戏机的霸主。这一时期角色扮演游戏占主流。1990年代，涌现出大量PC机游戏，进入计算机游戏的时代，即使战略游戏开始兴盛，第一人称射手游戏也出现了。1990年代后期到近几年所推出的若干游戏机，也带有明显的计算机特征。例如，大量采用标准PC部件、将游戏存储卡改换成光盘、提供USB接口等等。随着万维网应用的普及，从1990年代后期开始，网络游戏占据了游戏市场的半壁江山，而且大有越演越烈之势。2游戏类型游戏的种类繁多，而且新的游戏类型还在不断的出现。下面列出目前的主要游戏类型：n 动作游戏（actionn game）包括战斗（fighting）游戏和射击（shooting）游戏等，后者有包括第一人称射手（First-person shooter, FPS）游戏和第三人称射手（third person shooter）等，如死亡（Doom）被认为是FPS取得突破的一款游戏n 策略游戏（strategy game）包括古典的回合制（turn-based）策略游戏,如文明帝国（Civilization）系列，和现代的即使策略（Real-Time Strategy, RTS）游戏，如沙丘魔堡2（Dune II）和战斗大师（Battlemaster）等n 角色扮演游戏（Role-Playing Game, RPG）包括MMORPG（Massively Multiplayer Online RPG, 大型多人在线RPG）和MMOSG（Massively Multiplayer Online Social Game, 大型多人在线社会游戏）n 运动游戏（sports game）主要是足球等球类游戏，也包括棋牌类n 冒险游戏（adventure game）目前发展较慢，主要靠（2D）美观的场景来吸引玩家n 竞赛游戏（racing game）包括赛车、空战、赛马和赛艇等载具和非载具的模拟游戏n 平台建造游戏（platformer game）建设和管理模拟，不使用3D引擎，但是却占据大量的CPU运算时间来模拟所塑造的系统，有虚拟现实的发展倾向n 其他游戏如人工生命和益智游戏等3游戏设备种类n 大型游戏设备1980年代曾流行公共场所娱乐用的大型游戏设备，包括视频廊（家用视频游戏机的前身）、群体（二三十人）乘驾模拟器（真实感电影，少互动）和独立网络模拟器（密闭驾驶舱，如空战技术中心）等，但由于它们的价格昂贵，一般只在游乐场、主题公园和度假胜地等公共娱乐场所才有。n 游戏机进入1990年代，家用游戏机成为电子游戏的主流。游戏机一般由主机盒、控制器和（可更换的）游戏存储卡组成，连接电视机进行视频游戏。随着电子和三维技术的不断发展，游戏机的性能越来越高，高清晰电视机的出现，也提高了娱乐效果。当前的主流游戏机有：任天堂公司的任天堂64、GameCube、任天堂DS，Sony公司的PlayStaion系列、微软公司的Xbox系列等。n 计算机个人电脑也是电子游戏的主力军，甚至比游戏机更普及，是业余爱好者的首选。也有不少专为计算机游戏开发的配套设备，如力回馈摇杆、方向盘和脚踏板等。随着计算机（特别是3D显卡）技术的不断发展，计算机在硬件性能方面，可以与专业游戏机媲美。计算机游戏的产品种类更是数不胜数，从简单的俄罗斯方块，到非常复杂的用户可以自己创造和修改的Counter-Strike。n 便携式游戏设备掌上游戏机、PDA和手机，由于体积小、携带方便，也是现在十分流行的电子游戏设备。虽然由于显示界面和计算速度的限制，它们不能运行高性能的大型游戏，但是却是外出休闲和打发时光的一种不错的选择。4主流游戏机Sony公司于1994年12月3日推出推出了采用32位芯片的视频游戏控制台PlayStation（游戏站，PS1），后来于2000年3月4日又推出了带64位芯片的更新版PlayStation 2（PS2）。PlayStation在市场上取得了巨大成功，至今已销售了1亿多台。2000年9月Sony公司还推出重新设计的小型版PSone。参见图20-4。下一代产品PlayStation 3（PS3）计划于2006年11月发布。 游戏控制器游戏卡PSone图20-4 Sony公司的PlayStation游戏机为了与Sony公司的PlayStation竞争，任天堂于1996年6月23日推出采用64位芯片和CD-ROM存储介质（替代游戏卡）的任天堂64，销售十分热烈。为了与Sony的PS2竟争，任天堂又于2001年9月14日推出了GameCube（游戏屋）、于2004年11月21日推出任天堂DS，也都销售火旺。参见图20-5。 任天堂64GameCube任天堂DS图20-5 任天堂公司的游戏机看见电子游戏市场的发展潜力与丰厚利润，微软也于2000年3月10日宣布了进军游戏机市场的X-box计划，并于2001年11月15日推出了视频游戏机Xbox（未知盒）。Xbox主要采用PC机硬件，包括733MHz的Pentium III CPU、标准硬盘、CD/DVD存储介质等。2005年11月22日又推出了Xbox 360，采用IBM开发的三内核3.2GHz的CPU，有2个USB 2.0接口，支持HDTV和HD DVD。Xbox和Xbox 360已销售近3千万部。参见图20-6。 Xbox游戏主机Xbox游戏控制器Xbox 360图20-6 微软公司的Xbox和Xbox 360游戏机5游戏设计要素大型游戏的开发需要许多人门类的技术人员通力合作才能完成。游戏开发的四个要素分别为策划（游戏的灵魂）、程序（游戏的骨架）、美工（游戏的皮肤）和音效（游戏的外衣）。游戏的设计要素：n 策划包括创意和设计u 创意游戏的构思靠创意。创意多，则策划方案就有特色、内容丰富u 设计对创意进行可行性分析，确定游戏类型和玩法，设计剧情、实际操作和角色任务等u 玩家考虑玩者对象，包括学龄前（22岁）等各年龄段的特点n 程序选择开发语言工具和接口，为游戏编写代码n 美工制作游戏的图像画面和动画效果n 音效给游戏添加音效可以营造气氛，感染玩家游戏设计的三个基本组成部分：n 核心机制定义游戏世界动作的规则。将设计师的愿景转译成一组可以由计算机解读或能够被程序员理解的规则n 剧情故事每个游戏都伴随着一段故事，或有玩家在游戏过程中创造的故事。没有故事，或者缺乏让玩家自己塑造故事的方式，游戏就无法使玩家感兴趣。故事的复杂性与深度，视游戏的需要而定。可以通过叙述将一部分故事告诉玩家，这是一种非互动性的故事表现形式。一个尚未成形的问题、一个未知的结局、或者能引起注意并欲罢不能的冲突，这就是故事之所以吸引人的所谓戏剧张力n 互动性是玩家进行游戏（在游戏世界中视听与行动）的方式。互动性包含许多不同的主题：图形、音效和使用界面等，它们的组合就代表了游戏 的体验6人工智能没有人工智能就没有计算机游戏，缺少智能的游戏枯燥无味，吸引不了用户。游戏中的人工智能主要用于控制怪物的出现、行走算法和行为等，以及角色扮演游戏中的NPC（Non-player character非玩家特性）的说话和行为。聪明的游戏，能利用人类的行为特点，会采用心理战术，可以极大地吸引玩家。20.4.2 视频点播（VOD）VOD(Video On Demand, 视频点播/按需视频)，也称为交互电视(Interactive TeleVision, ITV)，是近年来新兴的传媒方式，也是多媒体应用的主要领域之一。VOD技术是计算机、网络通信、多媒体、电视广播、数字压缩等多学科、多领域技术融合交叉的产物，有着极大的市场需求和美好的应用前景。1VOD的特点和问题早在1970年度，VOD就引起人们的关注。VOD能够从根本上改变传统电视的单向传输、用户无权控制收看内容和进程的落后状况，使用户可以根据需要，选择自己喜爱的节目和内容，并且可以完全控制节目的播放过程。目前，VOD技术已经在许多小区、企业、宾馆、图书馆、博物馆、轮船、电视教学等领域得到了广泛的应用。因为VOD符合信息社会中广大消费者的深层次需要，将来必然会成为娱乐和获取信息的主流方式。不过由于存储和播放影视数据，需要巨大的存储空间和传输带宽，加上现在的高速网络和数字电视技术的发展还不成熟，所以VOD的应用还不普遍。目前还只是在一些小区、宾馆和校园网上进行试点工作。数字电视中的VOD业务，也由于技术难度大、运营成本高、片源不够丰富等原因，目前也只是处于准点播阶段，还不能做到一一对应的任意交互点播。2VOD的运行平台和ITV的主要交互功能当前运行VOD有两大平台：有线电视网和IP网络。这两种主要实现方式各有千秋，优缺点如表20-1所示。表20-1 基于有线电视网和IP网络的VOD系统的比较比较项目基于有线电视网的VOD基于IP网络的VOD优点线路普及率高对双向线路无需重新布线机群方式下支持大规模并发交互式点播可基于Web，与因特网接入平滑结合缺点对单向线路需进行改造与有线电视共用线路，传输数据带宽受限制难以支持大规模的并发交互式点播由于政策限制，目前不能与因特网接入平滑结合需进行结构化布线点播终端机顶盒+电视机、PC+ Cable Modem机顶盒+电视机、PC主要用户数字电视用户、宾馆酒店智能小区、校园网ITV的主要交互功能有：n 观众与内容的交互这是VOD的最大贡献，将收视的控制权完全交给用户。采用的方法有：视频点播、交互节目指引、数字化的节目录播等n 媒体节目与内容的交互不仅可以观看视频节目，还可以看到文本内容（如网页），实现了跨媒体交互。n 播出与接收的交互使传统的广播变成一种个性化的推播，根据个人的习惯与爱好来推动节目的传播，甚至可以让用户参与节目的制作。3VOD的类型、实现形式和服务方式VOD的主要类型有：n NVOD（Near VOD, 准视频点播）多个视频流（如12个）一次间隔一定的时间（如10分钟）启动，并播放同样的内容，用户可以选择最近的某个时间起点进行收看，等待时间不会超过视频流的间隔（如10分钟）。该方式中，一个视频流可以被许多用户共享，但是用户需要一定时间的等待，交互功能是十分有限n TVOD（True VOD, 真视频点播）可真正做到即点即放。对每个不同时间点播的用户，都需要启动新的视频流，即每个视频流一半只为单个用户服务。不过，在该方式中，点播一旦开始，就不能停下来，必须一直播放下去。交互性也不好n IVOD（Interactive VOD, 交互视频点播）是TVOD的改进，不仅可以做到即点即播，还可以让用户对视频流进行交互控制，实现播放/停止、快进/快退和自动搜索等，是VOD的理想方式。但是，该方式对VOD系统和网络的要求极高，且操作复杂、价格昂贵。VOD的主要实现形式有：n 在线交互将交互内容在线等间隔轮播，用频道带宽换取用户进入的时间，让用户等待时间不超过轮播的间隔。主要应用于股票资讯、网站浏览和NVOD等大众内容的传播业务。该方式的优点是不受用户数限制、系统造价低；缺点是频道资源利用率低、内容的数量受频道限制较大、交互功能弱n 中央交互通过交互网络与播放中心的直接连接，实现各种交互功能，是VOD的最高境界。优点是功能全面，交互能力强；缺点是使用成本高、用户数量受带宽限制n 分布式互动基于IP网络，有一个控制中心和多个播放点，存放有相同和不同的片源，可以根据用户的位置和需要，由控制中心启动某个播放点，来为该用户提供点播服务VOD的服务方式有如下三种：n 单点播用户独占一个频道，并可对节目进行完全的播放控制。这种服务具有快速响应、交互性好和服务质量高的优点，但是因为频道有限，需要预先申请预定，而且收费偏高n 多点播若干用户共同拥有一个节目通道，但节目只能从头到尾线性播放，用户不能进行控制。这种方式相当于预约播放，属于简单的交互式电视，提供中等的服务质量，有较多的用户，收费也中等n 广播节目通道相当于一个有线电视频道，由VOD系统安排节目内容和播放时间表，每个节目可循环播放，供所有用户接收。用户不能控制播出时间，也不能控制播放的进度。该方式类似于电视广播，不具备交互性、提供较差的服务质量、有最多的用户、收费也较低。可见，VOD的类型、实现形式和服务方式是相关的，是从不同的角度来对VOD的功能类型和服务形式进行描述。4VOD的交互式业务分类n 存储释放终端交互方式不需要回传通道，用户可以实时在接收端与接收机交互，或将大量信息保存在终端的存储器中，再实现非实时的终端交互。主要用于基于IP网络的PC终端用户n 面向人的实时交互方式需要返回通道，响应时间0.5秒。在与电视业务的关系上，可以进一步分成：u 与电视节目时间无关的交互业务u 与电视内容相关且同时的交互业务u 电视节目内容以前/后的交互业务5VOD系统的组成结构VOD系统主要由如下5个部分构成：（参见图20-7）节目源Web服务器视频服务器交换机网络PC电视机机顶盒数字电视机图20-7 VOD系统的结构n 影视节目源供用户点播观看的数字化节目内容，包括：u 节目的存储格式（如MPEG、ASF、AVI、RM和MOV等）和设备（磁带、硬盘阵列和光盘塔/库/阵列等）u 节目的采集将各种节目源，进行存储格式转换，采用统一高效的数据格式来存储。主要设备是视频采集卡，专业级的卡带有实时的压缩编码和格式转换功能u 节目的检索最好能采用MPEG-7的多媒体内容描述接口来进行基于内容的视频节目检索n 视频服务器是VOD系统的关键设备，用于视频节目的存储、检索和传输。可以分成三种体系结构类型：u 基于通用计算机的视频服务器以高性能PC为主机、以大容量硬盘为主要存储介质。由于硬件性能的限制，服务器结构过于简单，能同时服务的用户有限，交互能力也较差。一般面向小型网络的低端用户u 基于高级工作站的视频服务器以高级工作站的基础上，增加支持视频数据访问的关键硬件，并对计算机系统进行进一步优化，可实现视频服务器的一般功能（如Sun公司的MediaCenter UltraSPARC等）。这是目前较为常见的设计思路，是中小规模视频服务器的主流u 基于专门硬件的视频服务器从I/O单元开始重新设计的专用视频服务器硬件，性能优异、价格高，主要用于有线电视领域n 传输网络视频流必须通过高速宽带的网络才能传输到用户端播放，该网络必须支持双工、提供足够的带宽、并限制延时和抖动，才能保证传输的视频流质量。常见的传输方式有：ADSL和HDSL、有线电视（CATV）同轴电缆（Hybrid Fiber-Coax, HFC）、ATM光纤等n 用户终端包括多媒体计算机（PC或无盘工作站）、带机顶盒的电视机和交互式数字电视接收机n 管理收费系统编码寻址、有偿服务、安全可靠、有效管理、合理收费20.4.3 虚拟现实（VR）VR（Virtual Reality, 虚拟现实）是一种让用户可与计算机模拟的环境进行交互的技术。大多数虚拟现实环境主要基于视觉体验，由计算机屏幕或通过专用的立体显示器来显示。但是有一些模拟还包含附加的感官信息，例如喇叭或耳机发出的声音。一些高级的实验系统包含有限的触觉信息，称为受力反馈（force feedback）。用户能够通过使用标准输入设备（如键盘和鼠标）或通过多式设备（如接线手套wired glove和全向踏车omnidirectional treadmill等，参见图20-8）来与虚拟环境交互。模拟的环境可与真实世界相似，例如飞行驾驶或格斗训练；或也可以与现实明显不同，如VR游戏。实际上，目前创建一个高保真的虚拟现实体验是非常困难的，主要是因为处理能力、图形分辨率和通信带宽等技术的限制。然而，随着时间的推移，处理器、图像和数据通信技术会越来越强大而且成本也会不断降低，这些限制有望被最终克服掉。 图20-8 头盔式显示器（左）接线手套（中）和全向踏车（右）VR是一门发展前景非常广阔的新兴技术。由于VR所产生的具有交互作用的虚拟世界，使得人机界面更加形象逼真，激发了人们对它的浓厚兴趣。近些年来，国内外对VR技术研究和应用也越来越广泛和深入，在诸如军事、航空航天、科技开发、设计制造、商业展示、医疗手术、教育和娱乐等领域，都得到了不同程度的应用。1发展历史早在1950年代中期，美国的Morton Heilig就成功地利用电影和其他技术，让观众通过可使观众所有感官被包围的体验电影院（Experience Theater）经历了一次曼哈顿的想象之旅。1962年Heilig又研制出了一种供一人观看的具有多种感官刺激（立体影像、立体声音、气味、风吹、座椅摇摆振动等）的立体电影系统Sensorama。1965年，图灵奖获得者，美国的Ivan Sutherland在他的的论文终极显示中，首次提出生成一种能使观察者沉浸和互动的环境。1968年他又在其学生Bob Sproull的帮助下，研制成功头盔式显示器（Head Mounted Display, HMD），1970年加入受力反馈装置后制成功能更齐全的HMD系统。由于在VR技术上所起的里程碑式的作用，Sutherland被誉为虚拟现实之父。1980年代初，Jaron Lanier造出词汇“Virtual Reality”。1980年代美国的国家航天局和国防部组织了一系列的VR技术研究（如1984年的用于火星探测的虚拟世界视觉显示器），取得了令人瞩目的成果，引起人们对VR的关注。进入1990年代后，随着计算机硬件技术的不断进步，使得基于大型数据集合的声音和图像的实时三维动画成为可能。人机交互系统的设计不断创新，新颖、实用的输入设备不断涌入市场，VR技术得到了迅猛发展。典型的成功应用实例有，宇航员的航天飞机VR训练和波音777飞机的虚拟制造。2系统构成VR是一种以计算机为核心，生成逼真的视、听、触觉等一体化的虚拟环境的技术，用户借助必要的设备，以自然的方式，与虚拟世界中的物体进行交互并相互影响，从而产生亲临其境的感受和体验。典型的VR系统，主要由计算机、应用软件系统、输入输出设备、数据库和用户等部分组成，如图20-9所示。计算机数据库软件系统I/O设备用户图20-9 VR系统n 计算机负责虚拟世界的生成和人机交互的实现，是VR系统的心脏。由于虚拟世界本身的高度复杂性，使得虚拟世界的生成需要极大的计算量，所以VR对计算机的性能和配置提出了极高的要求：u 低档VR系统PC+3D图形加速卡u 中档VR系统Sun或SGI的图形工作站u 高档VR系统分布式计算机系统n 输入输出设备为了实现人与虚拟世界的自然交互，VR系统必须采用特殊的I/O设备，以产生幻觉和识别用户的各种形式的输入，并实时生成相应的感觉信息（视听觉和受力反馈）。常用的设备有：（参见图20-8）u 数据手套加上空间跟踪定位设备，可以感知物体和运动（位置和方向的变化）u 头盔式显示器产生立体的声音和图像，同时感知头部的位置、方向和移动u 全向行走器感知人体的行走和位移n 软件系统和数据库VR应用软件的功能包括：建立虚拟世界中物体的几何/物理/行为模型和虚拟世界的数据库、生成三维虚拟立体声和实时三维图像、管理模型和数据库等。图20-10是一个典型的沉浸式VR系统的示意图。图20-10 典型的沉浸式VR系统3技术特性VR技术有三个主要特性沉浸性、交互性和想象性：n 沉浸性（immersion）用户感受到被虚拟世界所包围，好像完全置身于虚拟世界之中一样，难辨真假。沉浸性来源于对虚拟世界的多感知性，除了常见的视觉和听觉外，还包括力觉、触觉、运动觉、味觉和嗅觉感知等。目前较为成熟的技术是视觉、听觉和触觉的沉浸。n 交互性（interactivity）主要借助于VR系统中的特殊设备（如数据手套、受力反馈装置和全向行走器等），使用户通过自然方式，来产生同真实世界一样感觉的交互性。如抓取物体、触摸表面、感觉重量等n 想象性（imagination）虚拟环境是设计者构造出来的，可以用于解决工程技术、军事和医学等领域的某些棘手问题。如观看未建成的建筑和飞机、进行危险的核试验、经历难遇的飞机事故、远程外科手术等4系统分类VR系统可以划分为如下四种主要类型：n 沉