第一章 多媒体技术概述.doc

多媒体计算机技术第一讲 多媒体技术概述一、多媒体技术基本概念* 1.媒体的定义和分类 （1）什么是媒体？媒体（Medium）在计算机领域中有两种含义，一是指用以存储信息的实体，如磁盘、磁带、光盘和半导体存储器；一是指信息的载体，如数字、文字、声音、图形图像和视频等。（2）CCITT曾给媒体做了如下的分类：感觉媒体（Perception Medium） 表示媒体（Representation Medium） 显示媒体（Presentation Medium） 存储媒体（Storage Medium） 传输媒体（Transmission Medium）2.多媒体的定义和特征* （1）定义“多媒体”译自20世纪80年代初产生的英文词“multimedia”，最早出现于美国麻省理工学院(MIT)递交给国防部的一个项目计划报告中。 多媒体是指信息表示媒体的多样化，常见的多媒体有文字、图形、图像、声音、音乐、视频、动画等多种形式。 多媒体技术是利用计算机技术把文本、声音、视频、动画、图形和图像等多种媒体进行综合处理，使多种信息之间建立逻辑连接，集成为一个完整的系统。 （2）特征多媒体从本质上来说具有三个最重要的特征:- 多维化 - 集成性 - 交互性 除了以上三个特征，实际上多媒体还具有很多其它的特征，例如实时性，它主要指类似声音和视频这样的媒体，它们具有很强的时间相关性。 二、多媒体计算机技术及其发展历史 19411945美国政府为了准确计算导弹的弹道，秘密地进行全电子计算机PX计划的开发 1945 美国罗斯福总统的科学顾问Bush (1894 1974) 在大西洋月刊上发表的“As we may think”的著名论文，提出了采用设备或技术来帮助科学家检索、记录、分析及传输各种信息的新思路和名为“Memex”的一种工作站构想，影响着一大批最著名计算机科学家 1946美国宾夕法尼亚大学电机工程系科学家研制超过首部电子计算机ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，它采用18 000个电子管，体积达3 000ft3 1947 发明晶体管，为计算机的微型化打通道路 1963 美国斯坦福研究所的Engelbart发明了鼠标，当时它的外壳是用木头做的。1968年12月9日，鼠标的使用在旧金山一次计算机展上得以示范；其后，施乐在其操作系统中加入了鼠标操作的设计 1965 Ted Nelson提出Hypertext概念，它日后成为WWW的理论基础 1968 Gordon Moore、Robert Noyce和葛罗夫成立Intel公司。“Intel”这个字是由“Integrated Electronics”(集成电子)两个英文单词组合成的 1969-05-01 AMD公司成立 1971-11-13 Intel工程师成功开发出首枚微处理器，即4位的4004，它包含2 300个晶体管 1972 Intel推出8位的微处理器8008 1972-09 PHILIPS展示了长时间播放电视节目的光盘系统，光盘上记录的是模拟信号 1975-07 盖茨和爱伦成立了微软公司 1976 首部超级计算机问世。同年制成了没有声音、图像、键盘和外壳的计算机Apple。 1978-06-08 Intel推出16位的8086处理器，集成2 900个晶体管，主频为5MHz、8MHz和10MHz 1979-06 Intel推出8088处理器，主频为5MHz和8MHz 1981-08-12 IBM推出首部PC，采用DOS 1.0操作系统。从此，与PC兼容的计算机铺天盖地地发展起来 1982 Intel推出16位的80286处理器，集成134 000个晶体管，主频为8MHz、10MHz、12MHz 1982 SONY推出了世界上第一台CD播放机CDP-101，并生产了第一张CD 1983-11 微软推出Windows操作系统，只预装在计算机里，不作零售。1985年11月，又推出1.0零售版 1985-10-17 Intel推出首枚32位处理器80385DX，集成275 000个晶体管，主频16MHz、20MHz、25MHz和30MHz 1985 PHILIPS和SONY定义了CD-ROM标准。 1986 PHILIPS和SONY公司联合推出了交互式紧凑光盘系统，能够将声音、文字、图形、图像等数字化信息存储到光盘上 1989 Tim Berners-Lee在日内瓦的CERN用HTML及HTTP开发了WWW网，,随后出现了各种浏览器(网络用户界面)，使互联网飞速发展起来 1989-04-10 Intel推出80486处理器，集成120万个晶体管，并首次内置浮点运算器和8KB缓存，其速度比8088快50倍以上。 1990-05-22 Windows 3.0推出； 1992年4月6日，经过改进的Windows 3.1推出，年销量2 700万套，席卷全球。由微软公司联合一些主要PC厂商和多媒体产品开发商组成了MPC联盟。并制定了第一代多媒体计算机标准-MPC1标准 1991在日内瓦确定HTML格式，为WWW发展奠定了基础 1992-08 Intel推出486DX2-66处理器 1993-04 美国伊利诺州大学推出首个WWW浏览器Mosaic；次年，浏览器的主要设计员Marcandreessen和Silicon Graphics的创办人James H. Clark合作创办Netscape公司，同年10月14日推出Navigator浏览器测试版，12月推出正式版，到1995年，Navigator浏览器市场占有率达90 1993-05 Intel推出其第五代处理器，集成310万个晶体管，并首次放弃以数字命名的方式，取名Pentium。同年，IBM、Motorola和苹果公司合作开发PowerPC处理器，次年3月14日，苹果公司推出的Power Macintosh首次采用PowerPC处理器 1993-05 MPC联盟制定了第二代多媒体计算机标准-MPC2标准，该标准提高了基本部件的性能指标 1994-10 IBM推出OS/2 WARP 3.0操作系统，1996年10月，又推出WARP 4版本，但仍无法扭转微软在PC操作系统的优势 1995 Internet热潮兴起 1995-06 MPC联盟制定了第三代多媒体计算机标准-MPC3标准。该标准在进一步提高对基本部件的要求的基础上，增加了全屏幕、全动态（30帧/秒）视频及增强版的CD音质的视频和音频硬件标准。MPC3指定了一个更新的操作平台可以执行增强的多媒体功能，首次将视频播放的功能纳入MPC标准 1995-08-24 Windows 95推出；微软调动500名程序员开发的Internet Explorer（简称IE）浏览器推出1.0版本，1996年8月推出3.0版本，直接对Netscape公司造成威胁；IE不仅可以免费下载，更免费供应ISP，1998年则内置在Windows 98中，蚕食Navigator浏览器的市场 1995-09 SONY和其他8家公司共同建立了DVD格式的统一标准 1995-11-01 Intel推出其第六代处理器Pentium PRO，集成550万个晶体管，出世一年半即被Pentium II取代 1997Intel推出Pentium II，集成750万个晶体管。5月，国际象棋大师卡斯帕罗夫被IBM深蓝击败，在前一年2月，他曾战胜过深蓝，有人怀疑人类制造的机器是否会将人击败；8月6日，苹果公司宣布，微软入股苹果公司1.5亿美元 1999 Intel推出Pentium III CPU，其中集成了2400万个晶体管 1999 ICQ和免费电子邮件的浪潮势不可挡，吸引了数以千万的用户登记 2000 Intel推出Pentium 4 CPU，其中集成了4 200万个晶体管 2002-03-04.Intel发布Pentium 4移动处理器Pentium 4-M（简称P4-M）。P4-M采用NetBurst架构、0.13mm工艺流程生产，芯片内部集成5 500万个晶体管，共有512KB二级缓存，系统前端总线频率达到400MHz 2002-11-14Intel发布3.06GHz Pentium 4。这款具有创新意义的含超线程技术新款英特尔奔腾Pentium 4处理器，主频为3.06GHz，是世界上第一款采用业界最先进的0.13mm制造工艺、每秒计算速度超过30亿次的量产微处理器 2003-03-12 Intel正式发布名为迅驰（Centrino）的移动计算技术。迅驰是一项移动计算技术，它具有集成的无线局域网连接能力；突破性的移动计算性能；延长的电池使用时间；更轻、更薄的外形设计图形用户界面的发展：最早提出“图形用户界面”这一概念的是Vanaver。在1945年，他想象用户可以通过简单的机械装置与容易识别的直观图形与计算机进行交互，并大体提出了一些设计思想。20世纪50年代，道格拉斯(Douglas C.Engelbart)发展了他的设想并着手将其变成现实。他召集了一起在国防部研究部门工作的一些天才的计算机科学家们致力于这一具有革命意义的计算机系统的研究工作。他们这个小组做出许多有趣且有用的发明，其中最著名的就是在1963年开发成功的一个有3个按钮、拖着一根电线的定点设备。因为这三个按钮象是两只眼睛和一个鼻子，而且那根电线则象是一条长尾巴，于是这一定点装置就被自然而然地称之为“MOUSE”。不幸的是，在研究的中途，经费被取消了，许多杰出的工程师离开并到加利福尼亚的PARC(Palo Alto Research Center)工作。该部门是XEROX公司于1970年创办的。1973年，XEROX ALTO个人计算机诞生了。它拥有当时的计算机所不曾有过的许多特点。最让人激动的是，它是第一台面向个人设计的计算机。因为在这之前，计算机还是个只能被少数人使用的巨型“怪物”。另一个令人激动的创新是其显示信息的方式：屏幕不仅可以显示文本，还可以像电视机一样利用像素来显示图形。每个像素可以单独地被控制和处理，这就是我们今天所说的位图（bitmap）。通过工程师的不断改进，这种计算机能显示像真正的图画一样清晰的图形。工程师们一改当时用绿色显示屏的作法，使用了黑白显示屏，并实现在内存当中控制位图的显示，最终实现了图形和文本前所未有的显示精度：808像素606像素。这台机器的其他创新还有：可移动显示器、工作区域像窗口一样可以用光标移动位置，使用了类似于我们今天使用的鼠标器、用鼠标在菜单中选择要执行的任务等。位图显示方式需要大量的内存，大大提高了机器的价格，每台40000美元。XEROX公司考虑到如此昂贵的价格是难以在个人用户中推广的，所以并没有向市场推出。8年以后，随着技术的进步和关键部件价格的下调，他们才向市场推出了1600美元的XEROX Star。但此时，计算机市场已经被便宜的苹果计算机和IBM-PC机所控制。XEROX造的计算机只卖出了极少。面对飞速发展的计算机技术，XEROX起步很早，却没有在最关键的时候冲刺。苹果计算机公司借鉴了PARC的技术。之后15位XEROX的工程师投向苹果的怀抱，在这之前操作系统的程序已经完成了。双击、拖曳、下拉菜单等技术也已基本成熟。 Macintosh 研究小组开始了大胆的创新，他们的设计宗旨是功能更强、价格更便宜、使用更简单，并允许第三方在此之上开发软件。他们在ROM中设计了工具条，并给出了许多应用实例来鼓励和引导大家使用苹果机。苹果公司还自己开发了大量优秀的应用软件，包括图形、电子表格等，但内存仍是限制其功能进一步提高的瓶颈。三、多媒体技术的主要内容 1.多媒体的软硬件平台 软件及硬件平台是实现多媒体系统的物质基础，其中每一项重要的技术突破都直接影响到多媒体的发展与应用的进程。 2.专用芯片 数字化后的音频和视频数据量非常大，因此必须进行压缩并需要大容量的存储器；音频和视频的输入和输出是实时的，需要高速度。要实现以上最基本的要求，在很多情况下，需要专用硬件支持。多媒体计算机专用芯片可归纳为两种类型：一种是固定功能的芯片；一种是可编程的处理器 NEC公司称其已开发出了一种用于图像识别的单芯片并行处理器。这种处理器每秒能处理50.2G(1G10亿)条指令。这一速度是3GHz的PC处理器的4倍，能耗却只有1/10这个由3270万个晶体管构成的芯片由一个128个8位RISC处理单元和一个用于控制功能的16位处理器并行构成。每个处理单元只有100MHz的工作频率，从而大幅降低了能耗，其每个处理单元都拥有2KB的存储空间，用于存储图像数据这个处理器的功耗相当于PDA的处理器、图形处理性能相当于4台PC，而尺寸却只有1111毫米3.数据压缩及编码技术 多媒体系统要求具有综合处理声、图、文的能力，面临的主要问题是巨大的数据量，尤其是对动态图形和视频图像一幅中等分辨率彩色图像(分辨率为640480，256色，8bit/像素)大约需0.293M字节的存储空间，如果用电话线的标准速率(2400bps)传输约需17分钟，一幅同样分辨率的真彩色(24bit/像素)图像的数据量约为7.37Mbit，一个1000MB（等于8000Mbit）的硬盘只能存约1000帧静止画面，一秒钟全动态视频画面（25帧）约占23.03MB空间，650MB的CD-ROM只能存放约28秒图像信息。 数据压缩的好处* 时间域压缩迅速传输媒体信源 频率域压缩并行开通更多业务 空间域压缩降低存储费用 能量域压缩降低发射功率4.多媒体同步 多媒体输入输出技术：多媒体输入输出技术包括媒体变换技术、媒体识别技术、媒体理解技术和媒体综合技术。 综合地利用这些输入输出技术实现用户和计算机之间更加自然的交互是人机界面设计的目标。人机界面设计的目的是通过对用户需求的解释达到一种人机之间较好的通信能力，为了达到这个目的，需要在以下几个方面进行研究： 稳健的语言处理模式，包括语音识别和自然语言理解。 手势分析和理解模型的设计。 上述两个方面的通信模式的融合，因为二者之间在对用户需求的理解上是相互补充的。 多模式环境中的对话管理。这是保证一个连续的对话过程所必需的。 5.多媒体网络与分布式处理技术 多媒体单机系统的研究目前已相对成熟，但对多媒体计算机网络的研究目前还不够成熟。 数字化的网络集多媒体信息的获取、存储、处理、编辑、综合、传输于一体，并运行于网络上，网络的任意节点都可以共享网上的多媒体信息。多媒体技术要充分发展其对多媒体信息的处理能力，必须与网络技术相结合。 运行于网络环境下多媒体系统，因为它能够不受时空限制地使多个用户透明地共享网上的数据，特别是多个用户同时共同对一个数据文件进行编辑，这使得多媒体技术有了更广泛的应用。 6.信息的组织与管理多媒体系统软件技术主要包括多媒体操作系统、多媒体编辑系统、多媒体数据库管理技术、多媒体信息的混合与重叠技术等 多媒体操作系统要求能够像处理文本、图形文件一样方便灵活地处理动态音频和视频；在控制功能上，要扩展到对录像机、音响、MIDI等声像设备以及CD-ROM光盘存储设备等的操作。多媒体操作系统要能处理多任务，易于扩充；要求数据存取与数据格式无关，提供统一友好的界面。 由于多媒体信息是结构型的，致使传统的关系数据库已不适用于多媒体的信息管理，需要从以下几个方面研究多媒体数据库： 研究多媒体数据模型。 研究数据压缩和解压缩的格式。 研究多媒体数据管理及存取方法。 用户界面。 7.多媒体数据存储*随着网络和存储技术的不断完善和发展，网络和存储等计算机技术已经成为现代社会生活不可或缺的重要组成部分。在客户机-服务器（C/S）工作模式的影响下，存储技术和网络技术相结合已经成为一种必然的发展趋势。通过存储技术与网络技术的恰当结合，将传统以服务器为中心（server centric）的存储模式变成以数据为中心（data centric）的存储模式，将数据的管理与访问分离，来消除服务器的负载瓶颈，这种以数据为中心的存储模式导致了网络存储（networked storage）技术的飞速发展。 网络存储系统建立在客户机-服务器模式的基础上，采用更优化的体系结构，将存储管理和数据存储的负载分布在网络服务器和存储设备（存储子系统）之间，彻底缓解了数据存储系统中I/O带宽与容量上的局限性，为数据存储提供了更高的存储容量和带宽，并具有高可用性、高可靠性和高可扩展性等优点。 随着因数字化、网络化而开展的各种应用的不断增加，对网络存储系统的要求也越来越高。这些要求不仅体现在存储容量上，还包括以下几个方面。 n 可用性和可访问性。 n 可靠性。 n 可扩展性。 n 灵活性。 n 安全性。 n 易管理性。 n 良好的性价比。 8.虚拟现实技术 所谓虚拟现实，就是采用计算机技术生成一个逼真的视觉、听觉、触觉及嗅觉的感觉世界，用户可以用人的自然技能对这个生成的虚拟实体进行交互考察。这个概念包含三层含义： - 虚拟实体用计算机来生成的一个逼真的实体； - 用户可以通过人的自然技能(人的头部转动、眼动、手势或其它的身体动作)与这个环境交互； - 要借助于一些三维传感设备来完成交互动作，常用的如头盔立体显示器、数据手套、数据服装、三维鼠标等。 四、多媒体技术的应用 *