多媒体技术应用基础第5章.ppt

5.1概述5.2多媒体计算机网络5.3可视电话系统5.4视频会议系统5.5多媒体终端,第5章多媒体通信,返回主目录,第5章多媒体通信,5.1概述5.1.1历史与发展人生活在社会中，是社会群体的一分子，需要不断地从周围获取信息，也会不时地将一些信息传递给他人，这一过程就是通信。也就是说从人类诞生之日起，就有了通信。通信是与人类的发展联系在一起的。随着人类文明的发展，通信技术也在不断发展，同时也反过来促进了人类文明的发展。,1837年F.B.莫尔斯发明了电报，1876年A.G.贝尔发明了电话，1901年G.马克尼实现了横渡大西洋的无线电通信，这一切标志着通信技术进入了现代通信新纪元。电子技术的发展促进了广播电视等大众传播网络的发展与完善，使人们能够获得大量的高质量信息。20世纪40年代计算机的问世，80年代计算机网络的迅速发展，引发了一场通信技术的新变革。这一变革不仅使人们获取信息的速度、数量、质量都有较大的提高，而且信息的共享速度也有很大的提高。计算机技术和通信技术的结合产生了一批种类不同、用途各异的通信网络形式和通信业务，如电话交换网、电信交换网、数字通信网、移动通信网、图像通信网增值通信网、专用通信网等。,5.1.2多媒体对通信的影响多媒体对通信产生重大的影响，主要表现在以下几个方面：(1)多媒体数据量大，类型多，因此要求有较大的存储容量，足够的传输带宽。总体上说，传输带宽在100Mb/s的网络才能满足各类多媒体数据（尤其是视频）的传输。当然对数据进行压缩能够降低对传输带宽的要求，但高倍的压缩往往是以牺牲图像的质量为代价的。(2)多媒体中的音频、动画、视频等时基媒体对实时性有很高的要求，需要足够带宽的传输设备和适当的通信协议及数据交换方式与之适应。总之在满足数据共享等要求的同时，应尽可能的减少信息数据在传输过程中的时延。(3)多媒体中的各媒体不是独立存在的，它们不仅在空间上，而且在时间上相互关联，彼此制约。,5.1.3多媒体通信的业务类型1.交互型业务交互型业务包括会话型、电子信函型和检索型业务。()会话型业务用于在两点之间或与多点之间同时传递话音、活动画面和视频扫描静止图像与文件，也包括高速数据的传输。该业务是即时发生的，双方或几方预定，也可以是永恒型的。用户信息流量可以是双向对称或不对称的。如会议电视、文本传送、可视电话等。（2）电子信函型业务包括传递活动图像和伴音的电子信箱业务，以及传递混合文件的电子信箱业务。它具有存储、转发及消息处理的功能。该业务可以点对点或点对多点进行，也可以是双向对称或单向的，如电子信箱、文本传递等。,（3）检索型业务包括宽带可视图文、高分辨率图像检索和文件/数据检索等，应用于远程教学、远程诊断、远程购物及娱乐等。该业务是即时进行的，可以点对点或点对多点方式进行。2.分配型业务按用户能否进行单独演示控制，可将分配型业务画划分为两类：（1）用户不能控制的分配型业务，包括常规电视、文件传送、高速数字信息传递等。分配型业务可用于电视节目的分配和电子报纸等。该业务是广播型的，用户不能控制广播信息的起始时间和顺序。（2）用户能够进行单独演示控制的分配型业务，包括全频道广播视频通信，可用于远程教学、新闻检索和节目点播等。该业务是点播型的，用户可以控制节目的起止和顺序。,5.1.4多媒体通信的关键技术多媒体通信技术可以分为多媒体通信终端技术、支持多媒体业务的通信网络技术和多媒体应用系统技术三部分。关键技术主要有：(1)声音、视频、动画的传输技术；(2)数据压缩和解压缩技术；(3)多媒体实时同步问题；(4)协议及标准化问题。以下几节，将对部分多媒体通信系统进行讨论。,图5-9多媒体终端的结构,5.2多媒体计算机网络,5.2.1计算机网络概述计算机网络也可称为计算机通信网，是指分布在不同地点的多台独立运行的计算机利用通信线路互联起来，实现信息交换及资源共享。计算机网络的结构如图5-1所示。由图可见，计算机网络实际上是计算机及其有关资源与通信的结合。前者包括有关计算机、外设硬件及相应的各种软件、资料和信息。而后者为计算机间的交互、资源及信息的共享提供了传递手段。,图51计算机网络结构,根据作用范围，可以将计算机网络分为：局域网(，LocalAreaNetwork）、城域网(，MetropolitanAreaNetwork）、广域网(，WideAreaNetwork）3类局域网的覆盖范围在几m到10km，常用于某一个单位内部的计算机网络若该单位拥有较大的范围（30km50km），则使用城域网。而通常将城域网化归局域网。广域网的覆盖范围更大，超越国界、直至全球，可以为用户提供大量的信息和高速的数据传送。的传输速率从10Mb/s至100Mb/s或150Mb/s，传输线路可以是同轴电缆；而则一般使用光纤光缆；更多利用VSAT卫星通信，也使用光缆和电缆。上述专用通信网主要用于单位内部的点对点、点对多点、多点对点之间的通信，只有与公共通信网络相连，才能实现信息交换。,目前世界上最大的互联网络是Internet。它的前身是由美国国防部高级研究计划局主持开发的ARPA网。Internet现已覆盖近150个国家约5000万终端用户，且用户数每年增长20%。在“信息高速公路”计划中，每个家庭、教室、工作单位都是高速信息网的潜在用户。通常将多媒体计算机网络的发展分为以下个阶段：()19801990年，以Ethernet（以太网）、Novell、TokenRing为代表的局域网，传输速率为10Mb/s，传输线路以双绞线和同轴电缆为主，传送正文、文件等。广域网Internet传送正文，提供文件和Email服务。()19902000年,高速局域网(100Mb/s)和窄带ISDN光纤网络,提供图形、声音、电子邮件和静止图像的传送。,5.2.2现有网络对多媒体通信的支持1.公共电话交换网（PSTN）公共电话交换网PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)是普及率最高、覆盖范围最广的通信网。在我国广大的城镇和部分农村都建立了PSTN。PSTN的主要缺点是信道带宽较窄，主要用于模拟语音信号的传输，经调制解调器（Modem）将二进制数据调制成模拟信号也可在PSTN中传输。目前正在使用的电话交换网的数据传输速率可达14.4Kb/s或28.8Kb/s。此时，PSTN不仅可用于通话和传真，还可以作为计算机网络，利用其交互能力，进行数据传输和交换，甚至实现可视电话的功能PSTN由传输线路、交换机和用户终端组成，如图5-2所示。其基本结构有星型网、网状网、树状网及复合网多种。电话网一般由若干级交换中心组成自动交换网，再通过端局连接到用户。电话接续方式为电路交换。,图52PSTN示意图,2.以太网（Ethernet）以太网由Xerox、Intel和DEC公司于1978年提出。作为一种典型的局域网，占全国局域网的90%。以太网典型的拓扑结构为总线方式，以适应现有电话网的结构方式，其连接如图5-3所示。现已推出星形总线方式。工作站和服务器通过网络适配器与以太网相连。网上的工作站作为网络的一般用户，相互通信并共享网络资源。以太网采用CSMACD协议（一种冲突检测的载波监听多重访问协议），实时性较差。以太网的传输速率为10Mb/s，最大站间距离1500m。网络覆盖范围可以通过中继器进行扩展。由此可见，以太网的传输速率低，传播范围有限，只能满足静态媒体传输要求，而无法满足多媒体通信动态媒体传输的实时性要求和媒体种类变化的要求。,图53以太网结构,3.光纤分布式数据接口（FDDI）网络FDDI实际上是以光纤为传输媒介速率为100Mb/s的令牌环局域网的ANSI标准。而FDDI网络是目前唯一具有统一标准的高速网络。它能用作高速局域网（HSLN）或MAN，最大传输距离达100km，可连接多达500个设备。它能作为HSLN在小范围内互连高速计算机系统，或作为城域网互连较小的网络，还能桥接局域网和广域网即作为主干网使用。FDDI的结构如图5-4所示。FDDI具有动态分配带宽的能力，可同时提供同步和异步数据服务。FDDI-是FDDI的加强型，增加了实时应用能力，可传输数据、语言及影像视频等，扩展了应用范围。其带宽可分为不超过16个面向连接服务的宽带通道，每个通道具有6.144Mb/s的带宽。,图54FDDI结构示意图,4.综合业务数字网（ISDN）ISDN（IntegratedServicedDigitalNetwork）是从电话综合数字网（IDN）发展而来的，其主要特点是提供端点到端点的数字连接环境。ISDN可以广泛地支持话音、传真、可视电话、视频会议等多种业务。用户能够通过一种标准的、多用途的接口进入ISDN，如图5-5所示。ISDN的信道包括如下几种：(1)通道：64kb/s(2)通道：16kb/s(3)通道：8或16kb/s(4)通道：4KHz模拟信号。,图55ISDN示意图,在ISDN中规定用户与网络有两种接口结构：基本接口和一次群速率接口。基本接口也被称为2B+D接口。其中一个B通道用于传输语音，另一个B通道用于传输文字和图像信息，D通道则用于传送分组数据。若两个B通道合在一起使用则可获得更好的图像，其中112kb/s用来传输图像，而剩下的16kb/s用于传输话音。一次群速率接口也称为主业务接口。中国及欧洲采用2.048Mb/s,接口通道结构为30B+D;美国、日本、加拿大则采用1.554Mb/s，信道结构为23B+D，此时D通道也为64kb/s。这种接口可以连接PBX或LAN。ISDN可以实现一定程度的多媒体通信，但其信道带宽仍较窄，为此出现了宽带综合业务数字网（B-ISDN）。,5.宽带综合业务数字网B-ISDN和ATM1)B-ISDN虽然现有的各种通信网络都可在不同程度上支持多媒体通信，但最理想、跨世纪的多媒体通信网将是宽带综合业务数字网B-ISDN(BroadbandIntegratedServicesDigitalNetwork）。在B-ISDN中，所有信息(包括话音、图像等)都转换为数字信号，综合在一起进行传输和交换，高达Gb/s级的传输速率将满足大量宽带数字电视信号传输的要求。为了提高网络的传输速率,B-ISDN采用光纤作为传输介质，同时采用ATM(异步传输模式)交换机。与ISDN相比，B-ISDN具有以下特点：,(1)采用ITU-T建议的SDN（同步数字序列）等级标准所用的传输速率，分别为155.52Mb/s、622.8Mb/s、2488.32Mb/s、10Gb/s，具有大容量、宽带业务特性。(2)可以支持5.1节概述中所介绍的各种业务。(3)支持各种传输速率的用户，包括固定速率的用户和可变速率的用户。为用户提供了宽带接口和窄带接口，使ISDN的业务可以与B-ISDN接口。(4)采用了多种新技术，包括高速分组交换、高速电路交换、光交换和ATM交换技术，使网络达到高性能。(5)ATM技术为B-ISDN提供了信道带宽的动态分配能力，同时使B-ISDN传输延迟小，信息受损低，十分利于多媒体信息的传输。,)ATM技术ATM（AsynchronousTransferMode）是继X.25分组交换技术、FR（FrameRelay，帧中继）交换技术之后的第三代高速分组交换技术。在ATM中，信息以信元形式进行组织。信元长度固定。每个信元的长度为字节，其中个字节作为信头，其余个字节是信息段，如图5-6所示。信息段的内容可以是多种媒体数据，便于实现数据、语音、图像的综合传输；ATM不要求信元按周期出现，即第一周期该信元载有音频信息，而第二个周期，该信元不仅可以是音频信息，还可以是其它任何信息，包括链路控制信息等。这意味着ATM对不同的信息其传输速率或带宽是不同的。适合于不同媒体信息的实时交换和传输。,图56ATM信元结构,5.3可视电话系统,5.3.1可视电话系统的组成原理：可视电话从概念上可分为：在模拟通信网络上传输静态图像的可视电话；在模拟通信网和数字网上传输动态或准动态图像的电视电话。其图像传输速率为115帧/秒，有时这两种系统统称为可视电话系统。可视电话通常由4部分组成：(1)语音处理部分:包括电话、语音编码器等；(2)图像输入部分:常用光导摄像管，CCD摄像机；(3)图像输出部分:常用电视机、监视器、液晶显示器等；(4)图像信号处理部分:使用专用控制器。,图像信号处理部分的工作原理如下：(1)系统传输静态图像时，对由摄像机送来的图像信号进行A/D变换后，作为一帧画面高速写入帧存储器中。该静止图像以低速读出，经信源编码、信道编码和调制后送到电话线上传送。(2)在收端，经解调的信号，通过信道解码和信源解码恢复出原来的数字信号，送入帧存储器后，以高速读出，经D/A变换后就能在显示器上显示原来的静止图像。可视电话系统中图像信号处理器的功能如图5-7所示。,图57可视电话图像处理部分功能框图,5.3.2可视电话的发展方向由于有模拟信道和数字信道两种不同的信道可供选用，因此可视电话技术出现了以下两种发展方向。1.基于ISDN的发展ISDN基本速率接口可以为可视电话提供几倍于模拟话路的带宽，而通信费用两者相差无几。目前，通信发达国家开发的可视电话大都是以ISDN作为传输媒体。如日本日立，NTT三菱等公司都研制出按H.216标准进行图像信号压缩编解码的可视电话机，有的产品传输176144像素的图像最高帧率为15帧/秒；传输352288像素的图像最高帧率为10帧/秒。,美国、英国、德国等国家也都开发出ISDN可视电话。ISDN可视电话通信质量好，图像传输帧率高，更易于实现彩色动态图像传输，制式有统一的国际标准，但其发展还要受ISDN普及程度的限制。2.基于PSTN的发展PSTN是最早普及的通信网络，因此最早的可视电话就是以PSTN为传输媒介的。PSTN可视电话，只使用一条模拟话路即可提供通话人黑白甚至是彩色的活动图像。美国AT(2)基于语法的算术编码模式（SymtaxbasedArithmeticCodingmode）;(3)先进的预测模式(AdvancedPredictionmode)；(4)PB帧模式(PBframsmode)。,在H.261图像质量条件下，码流速率降低到H.261的四分之一到三分之一。H.263建议支持下列格式的全运动彩色视频图像信号：(1)CIF格式，每帧为352288像素；(2)QCIF格式，每帧为176144像素；(3)Sub-QCIF格式，每帧为12896像素。为使活动图像达到一定的质量，一般解码后CIF格式的帧速率为12.5帧/秒，QCIF帧速率为7.515帧/秒。2.G723.1建议甚低比特率音频压缩编解码标准该建议提出了实现5.3kb/s的双速率编码方法，可达到8比特的PCM编码效果。,在28.8kb/s的速率下，如果图像部分使用20kb/s以下的带宽，话音部分仅使用5.3kb/s或6.3kb/s的带宽，即可实现甚低比特率可视电话系统。3.V.34和V.81/V.8标准这是多媒体可视电话系统的调制、解调的标准。按照该标准可以实现28.8kb/s或33.6kb/s的Modem。此外，多媒体可视电话还涉及另外一些标准：T.84，关于点对点静态图像传输的协议；T.434，关于点对点文件交换的协议；H.224/H.281，关于远端设备控制的协议；ISO/IECTR9577，关于PPP和IP网络协议；,5.4视频会议系统,5.4.1概述视频会议系统正在逐步走进人们的生活，改变人们的工作方式。实时的视频会议系统是两个或多个用户通过各自的终端进行同步多媒体通信，其效果就如同大家在同一间会议室（虚拟会议室，VirtualMeetingRoom）讨论交流。可以说视频会议为人们提供了一种经济、高效、快捷的工作方式。它使用户避免了长途旅行的劳累和时间、金钱的浪费，同时还可以面对面的进行交流，增进彼此的理解和信任。此外，视频会议系统还有许多非会议形式的应用，如：远程医疗、远程教学、远程故障诊断等。这些应用有助于改善边远地区、基层单位的技术水平和工作质量。,多媒体视频会议系统需要连接数字通信网，包括集团内部的LAN、WAN、DDN、Internet、B-ISDN。可以采用微波、光缆和卫星等传输方式。目前，商品化的视频会议系统主要有以下3种类型：(1)大型商业会议电视系统。这种系统能提供高质量的多点控制会议服务，配有高档摄像、音响与显示设备，有高质量的多媒体效果。其代表是美国Picturetel，Vtel等公司的产品使用DDN或专网，一般运行在300kb/s2Mb/s速率下。国内的一些公司如大唐电信也推出了其大型商业会议电视系统VC-4000。,(2)桌面会议系统。以美国Inter公司的Proshare系列产品、以色列的VconOnline系统为代表，可分为高档和低档两大类。较高档的通常在DDN与环境中运行，在112768kb/s速率下，可提供2530帧/秒的CIF或QCIF图像；低档的则通常在LAN/WAN环境中运行，在384kb/s速率下，提供1520帧/秒的图像。(3)可视电话型。这类系统使用数字摄像机与专门的软件结合，构成直接面向千家万户的多媒体视频会议系统。典型的系统是由美国Connectix公司的QuickCam数字摄像机配以微软公司的Netmeeting软件构成。该系统运行在普通公用电话网PSTN上，在28.8kb/s或33.6kb/s速率下，提供510帧/秒的QCIF格式图像。,5.4.2视频会议系统的组成以多点视频会议系统为例,视频会议系统由视频会议服务器(也称作多点控制器)MCU和会议终端两部分组成，如图5-8所示。1.MCUMCU是大型商业视频会议系统的核心。其主要功能包括会议安排、会议进行过程中的控制操作、查询各分会场状况、故障诊断等。MCU是一个数字处理单元，除上述功能外，还完成音频、视频、数据、信令等数字信号的混合和切换。它的端数一般为8或12，可以接8或12个会场的终端设备（2Mb/s）。MCU符合ITU-TH.231规范，而H.231建议多点视频会议系统采用星形结构组网。,图58多点视频会议系统,2.视频会议终端主要包括以下几个部分：（1）视频、音频输入、输出设备。视频视频输入设备有摄像机，视频输出设备有电视机和监视器，其信号为模拟信号，PAL或NTSC制；音频输入设备为话筒，音频输出设备为扬声器。（2）视频编解码器。（3）音频编解码器。由于视频编解码器会引入一定的时延，因此在音频编解码器中必须对编码信号增加适当的时延，以使解码器中的视频信号和音频信号同步。（4）信息通信设备。信息通信设备指有关静态图像的传输设备，还包括传真机、书写电话等。,（5）多路复用/信号分离设备。该设备能把视频、音频数据等数字信号按照H.221建议的规格组合成641920kb/s数字码流，成为与用户/网络接口兼容的信号格式。（6）用户/网路接口。用户网路接口是用户端的终端设备与网络信道的连接点，该连接点称为“接口”，且为数字电路接口，应满足ITU-TG.703和ITUG.704建议。（7）系统控制部分。该部分包括端到端的通信规程。两终端只有按照统一的规程进行，才能完成握手协议的要求，建立起正常的通信。,5.4.3视频会议系统的基本工作模式视频会议系统工作时，各系统终端应将所在会场的主要场景、人物、图像、图片及与会者发言等信息进行A/D转换，压缩编码，形成符合一定格式的数字流，按照视频会议的控制模式，经过数字通信系统，沿着指定方向进行传输；而与此同时各终端又通过数字通信系统实时接收并对所接收数字信号解压缩，解码，经D/A转换，显示欲知会场的主要场景、人物、图像、图片及声音等多媒体信息。视频显示的转换控制通常有以下3种模式：（1）语言激活模式（VoiceActivated），也称为自动模式。该模式根据各会场的发言情况，决定谁是“主发言人”，并将他的有关多媒体信息转播到其它的会场。,5.4.4有关协议标准视频会议使用的多媒体信息在数字通信网上占有的带宽一般为64kb/s2048Mb/s，远远低于广播电视的带宽。为此必须采用专门的视频图像和语音的编解码器。编解码器必须符合ITU的H.320建议，包括：(1)视频信息标准：ITU.H.261建议(P64)(视频编解码算法)；ITU.H.221建议(视听电信业务中641920kb/s信道的结构）；ITU.H.242建议（利用直至Mb/s数字信道的视听终端之间建立通信系统）；ITU.H.2301建议（视听系统帧同步控制的指示信号）。,(2)音频信息标准:ITU.G.711建议（语音频率的脉码调制PCMa-律、m-律)；ITU.G.722建议语言算法。(3)数字通信网接口选件标准：国际上系统支持以56kb/s1.54Mb/s的T1范围的网络数据速率，同时也支持E1的2.048Mb/s速率。一般标准为：RS-499SerialCommunicationInterface；DualV.35/X.21interface；ConnectiontoE1；ConnectiontoT1。,5.5多媒体终端,5.5.1概述任何通信网络的组成都可以概括为3部分：传输、交换、终端。电话网的终端是电话机，数据网的终端统称为数据终端设备（DTE）。DTE可以是一台计算机，也可以是一个计算机系统，或者是局域网等等。早期的通信终端都是功能单一的简单终端，如电话机、传真机等。随着技术的发展，特别是计算机技术的出现和发展，传统的通信终端与计算机技术相结合，产生了一批基于计算机的、面向特定通信网的新型终端，如面向电话网的终端不仅具有录音电话的功能，而且可以自动应答，甚至进行语音识别等。而多媒体技术的发展，必然促进基于计算机的通信终端向基于多媒体计算机的通信终端（即多媒体终端）发展。,5.5.2多媒体终端的特点与传统的终端比较，多媒体终端具有以下特点：(1)集成性。多媒体终端至少可以对两种以上媒体（如话音编码、文本编码或图像编码等）进行处理。至少有两条传输不同表示媒体的通路，并可以至少显示两种媒体。它集多种编解