多媒体技术与信息处理课件-第09章多媒体数据库技术

本章主要内容9.1多媒体数据库技术概述9.2多媒体数据库系统的数据模型9.3多媒体数据库系统9.4多媒体数据库系统的实现方法9.5多媒体数据库的查询9.1多媒体数据库技术概述多媒体数据的特点传统数据库技术简介传统数据库技术的局限性多媒体数据库的主要技术问题多媒体数据库是一种能够有效定义、存储、管理、检索多媒体信息的数据库系统，它建立在传统数据库技术的基础上，针对多媒体数据的特点和处理要求，进行专门的数据模型定义和技术扩充，形成面向应用的多媒体数据库技术。

9.1.1多媒体数据的特点

多媒体数据主要指文本、图形图像、声音、视频、动画等各种不同媒体信息及其集成后的超媒体信息。从数据管理的角度看，多媒体数据除了具有数据量大的特性外，还具有不规则性、复合性、分散性、交互性和时序性等特点。9.1.1多媒体数据的特点不规则性：指多媒体数据形式多样（格式文本、图像、声音、视频）、类型各异（每种媒体形式因压缩算法不同而出现不同格式类型），没有一致的取值范围，没有相同的数据量级，也没有相似的属性集，多媒体数据定义的是复杂、异构的多媒体实体。因而在多媒体数据库中又把多媒体数据称为“无格式数据”；

复合性：指多媒体数据是由各种形式的数据组合而成。9.1.1多媒体数据的特点分散性：指多媒体数据可以分布在不同的机器、不同的设备、不同的网络区域上；交互性：指多媒体数据在应用时需要提供人机交互能力；时序性：指多媒体信息实体之间的联系和时序有关，在表现多媒体数据时，要保证它们之间的同步关系。多媒体数据的这些特点，对多媒体数据库系统在数据组织、数据管理、体系结构、用户接口、数据查询等方面提出了新的要求

。9.1.2传统数据库技术简介数据库系统（DBS）是由数据库（DB）和数据库管理系统(DBMS)两大部分组成。

DB负责管理各类简单格式数据；

DBMS负责向用户提供存储、查询、处理、恢复等各种数据管理功能，用户通过请求DBMS实现对数据的操纵。是DBS的管理核心。

数据库系统可使用的数据模型有网状模型、层次模型、关系模型等。其中关系模型为主导。目前的数据库系统从逻辑结构上可分为三个层次，分别为物理层、概念层和表现层。如下图所示。图9-1数据库系统的层次结构

模式又称逻辑模式，是数据库中全体数据的逻辑结构和特征的描述，是所有用户的公共数据概念视图（概念层）。它是数据库系统模式结构的中间层，既不涉及数据的物理存储细节和硬件环境，也与具体的应用程序、应用开发工具及程序设计语言无关。一个数据库只有一个模式。

外模式是数据库用户能够看见和使用的局部数据的逻辑结构和特征的描述，是数据库用户的数据表现视图（表现层），是与某一应用有关的数据的逻辑表示。外模式通常是模式的子集。一个数据库可以有多个外模式。内模式是数据物理结构和存储方式的描述（物理层）。9.1.3传统数据库技术的局限性传统数据库系统的主要处理对象是整数、实数、字符串等简单类型数据，但这种格式数据很难实现对人脸、指纹、人的声音等事物的有效描述。多媒体数据对象除了具有状态特征以外，还有一定的行为特征。传统数据库系统中的关系数据模型只能表示数据对象的状态，而无法表示数据对象的行为。传统数据库系统可以在用户给出查询条件后迅速地检索到正确的信息，但面对图像、声音、视频等无格式数据，如何设定检索条件，如何查询所需结果等，都是无法直接实现的。9.1.4多媒体数据库的主要技术问题数据模型问题：由于多媒体数据的不规则性（形式多样，类型各异），使得传统的层次模型、网状模型以及关系模型等均不能有效地定义多媒体数据在数据库中的状态与行为特征。大容量存储问题：研究数据量巨大且媒体差异极大的多媒体数据的组织和存储方法。数据管理的难度问题：各种媒体以及同种媒体内部不同格式的数据处理难度问题。数据库的多解查询问题：解决多媒体数据的非精确匹配和相似性查询问题。数据操纵接口问题：由于多媒体数据的复合、分散和时序等特性，使得数据库的查询不可能只通过字符进行，而应通过基于媒体内容的语义查询，这不仅改变了数据库的接口，也改变了数据库的操作形式，特别是数据库的查询机制和查询方法。体系结构问题：多媒体数据的分布特点也使得多媒体数据库的体系结构也必须适应分布式结构。长事务处理问题：连续媒体的操作往往需要较长时间。多媒体数据库应提供长事务的处理能力，使得连续媒体操作过程不被中断。版本控制问题：多媒体数据管理还要考虑版本标识与识别问题。9.1.4多媒体数据库的主要技术问题9.2多媒体数据库系统的数据模型9.2.1复杂对象模型

复杂对象模型是一种具有多媒体对象表示能力的数据模型，它突破了传统关系数据库中第一范式（1NF，FirstNormalForm）的限制，允许在表中嵌表，构成所谓的NonFirstNormalForm模型。所以，复杂对象模型通常又被简称为NF2模型。复杂对象数据模型建立在关系数据模型的基础上，通过对关系模型的扩展来提高关系型数据库系统处理多媒体数据的能力。9.2.2面向对象数据模型1、面向对象的基本思想

面向对象的基本思想：把现实中的客观事物均看作一个个独立的对象，具有相同状态特征的一类对象可以进一步抽象为对象类（简称为类），不同类之间的关系用层次结构来表示，这样具有层次关系的不同类中的对象间就有了所谓的继承特征。

每个对象包含对象名、状态数据和行为操作三部分。

2、面型对象的基本概念

面向对象涉及到的基本概念有对象、属性、方法、消息、类、类层次、继承和多态等。

1）对象：现实世界所有概念实体的抽象化表示，包括实体所拥有的状态数据以及定义在这些数据之上的行为操作两部分。

2）属性：组成对象的数据称为对象的属性。可以是系统或用户定义的数据模型，也可以是一个抽象数据模型。

3）方法：定义在对象属性上的一组操作称为对象的方法。

4）消息：对象间的通信和请求对象完成某种处理工作是通过消息传送实现的。消息传送相当于一个间接的过程调用。

5）类：具有相同属性名和方法的一类对象组成的对象集合称为对象类，简称为类。类的引入可以消除对象定义的冗余信息。

6）类层次：用结点表示对象类，用连接两结点的边表示两个对象类的包含关系，则具有包含关系的对象类形成一个层次结构，称为类层次。

7）继承性：子类不仅可以继承其超类对象的部分或全部属性和方法，还可以拥有自己的属性和方法。

8）多态：可被用来表示对象在行为方式上的差异。2、面型对象的基本概念（续）3、多媒体数据的表现能力

面向对象数据模型具有较强的多媒体数据表现能力：

1）类的概念为面向对象数据模型提供了巨大的数据抽象能力，使复杂多样不同类型的多媒体数据可以按照的类的规范进行抽象定义。

2）对象的概念可完全描述现有的多媒体信息。

3）由于对象的属性可以是另一个对象，因此，面向对象数据模型可方便的定义复杂的多媒体数据模型。

4）继承与多态赋予了面向对象数据模型更为丰富的表示能力。4、多媒体数据的操纵定义

数据库系统中的数据操纵定义主要包括创建、查询和更新（包括插入、删除、修改）三种基本运算。

（1）创建运算

创建类：按照类的定义来创建，需要定义一组语义完整的约束条件和可以继承的超类集合。

创建对象：对象内容与对象所属类的属性必须匹配并符合类定义的约束条件。4、多媒体数据的操纵定义（2）查询运算通过类名查询类结构、该类中满足某些约束条件的对象或对象的属性以及对对象操作的查询等；通过对象名查询对象或对象的属性值；基于概念或内容的检索等。（3）更新运算主要指类和对象的插入、删除和修改运算。9.2.3对象-关系模型1、对象-关系模型尽管面向对象的数据模型对多媒体数据具有良好的建模能力，但要在短期内开发出实用的多媒体数据库系统产品还不是一件容易的事。由于关系模型的数据库系统的成熟产品很多，也得到了广泛的应用，人们试图借用面向对象的思想，对传统的关系数据库加以扩展，向其中增加面向对象特性，把面向对象技术与关系数据模型相结合，建立起一种现阶段能够实现的多媒体数据表现模型，这就是所谓的对象-关系数据模型。9.2.3对象-关系模型2、对象-关系模型的优势：1）能够利用面向对象的特性，描述复杂多变的多媒体数据对象的状态属性和操作行为。

2）所建立的多媒体数据库系统可以方便的处理和兼容原来关系数据库中的数据信息。

3）由于是建立在关系模型的基础上，实现时大部分内容可借用原来关系数据库，因此实现代价小。3、对象-关系模型对多媒体数据库的支持能力

1）大型对象：大型对象（BLOB），实现了多媒体数据的数据库存储。

2）用户自定义类型和函数：对象-关系型数据库系统允许客户定义新的数据类型和操作。这有利于表示具有自己内部结构的、复杂的多媒体数据。

3）约束和触发器：可用于提供约束或保持内部数据结构，可避免数据冗余和数据的不一致性。9.3多媒体数据库系统多媒体数据库系统（MDBS）：由多媒体数据库（MDB）和多媒体数据库管理系统（MDBMS）两大部分组成，MDBMS向用户提供面向应用的多媒体信息存储、处理和查询等管理功能，是MDBS的管理核心，基本内容包括系统功能、体系结构以及所能提供的用户接口三个方面。MDBS的特征MDBS的体系结构MDBMS的功能分析MDBMS的用户接口9.3.1MDBS的特征1）与传统数据库系统相比，MDBS对数据类型、数据结构、数据模型、应用对象等的处理方式都有较大的差异。2）MDBS存储和处理的是现实世界中的复杂对象。

3）MDBS是面向应用的，其功能与应用需求密切相关，因此它的数据模型是随应用领域和对象的不同而不同的。

4）MDBS是从实用性的要求出发，强调媒体间的独立性，即多媒体数据库的用户应最大限度地忽略各媒体间的差别而实现对多媒体数据的管理和操作。5）多媒体系统的意义和作用就在于能将物理存储的信息以多媒体方式向用户表现和交互，因此多媒体数据库更强调终端用户界面的灵活性和多样性。单媒体显示相对容易，而混合媒体的表现由于要涉及媒体的同步和集成，因此复杂得多。

6）MDBS应具有较强的对象访问手段（浏览访问、特征访问、近似性查询、混合访问），从而使多媒体数据库具有实用价值。9.3.1MDBS的特征9.3.2MDBS的体系结构1、MDBS的层次结构与传统的关系数据库系统相类似，MDBS同样具有物理层、概念层和表现层的层次结构，如下图所示。图9-2MDBS的层次结构2、MDBS的组织结构MDBS的组织结构一般可以分为集中型、主从型和协作型等三种。1）集中型：指由单独一个MDBMS来建立和管理不同媒体的数据库，并由这个MDBMS来管理对象空间及目的数据的集成。图9-3集中型MDBS的结构2）主从型：每一个数据库都有自己的管理系统（称为从MDBMS），各自管理自己的数据库。这些从MDBMS又受一个被称为主MDBMS的统一控制和管理，用户在主MDBMS上使用多媒体数据库中的数据，是通过主MDBMS提供的功能来实现的。目的数据的集成也是由主数据库管理系统进行管理，它们之间的关系如下图所示。图9-4主从型MDBS的结构3）协作型：协作型MDBS是由多个数据库管理系统组成的，这些数据库管理系统之间没有主从之分，但能相互通信，协调工作。如下图所示。图9-5协作型MDBS的结构9.3.3MDBMS的功能分析MDBMS应提供以下基本功能：

1）MDBMS必须能表示和处理各种媒体数据。

2）MDBMS必须能反映和管理各种媒体数据的特性，或各种媒体数据之间的空间或时间的关联。

3）MDBMS除必须满足物理数据独立性和逻辑数据独立性外，还应满足媒体数据独立性。4）MDBS的数据操作功能，除了提供对无格式数据的查询搜索功能外，还应能对不同媒体提供不同的操作方法，如图形、图像的编辑处理，声音数据的剪辑等。5）MDBMS的网络功能，解决分布在网络上的多媒体库中数据的定义、存储、操作问题，并对数据的一致性、安全性、并发性进行管理。

6）MDBS应提供处理长事务和版本控制的功能。

7）MDBS应该具有开放性，提供应用程序接口以及提供独立于外设和格式的接口。

9.3.4MDBMS的用户接口1、可视语言接口

MDBMS的用户接口通常用可视语言来实现，它有两个方面的含义：一是语言所处理的对象是可视的；二是语言本身是可视的。可视语言接口通常借助窗口管理系统和指示设备（鼠标、触摸屏等）来实现，一般应该具有如下功能：

1）可视模式定义与表达；

2）可视查询；

3）提供浏览机制。2、语音接口这种接口通过简单的语音设备来实现。与其它接口方式相比，语音接口更接近于人的自然交流方式。3、程序设计语言

MDBMS应该将多媒体数据的处理与面向对象的程序设计思想相结合，提供面向对象的程序设计语言接口，即面向对象的多媒体数据库程序设计语言。

9.4多媒体数据库系统的实现方法

多媒体数据库系统实现方法目前可选择扩展关系数据库系统和研究面向对象的多媒体数据库系统两种方法。9.4.1扩展关系数据库系统

扩充关系数据库系统，一方面要对数据模型进行扩充，使其具备前面介绍过的NF2模型或对象-关系模型的数据表示能力；在此基础上，定义多媒体数据的语义解释功能，使传统的关系数据库系统具备简单的多媒体数据访问能力。

扩充关系数据库系统的主要技术方法有以下三种：

1）借用操作系统平台的文件管理功能，实现对复杂多媒体数据的管理。

2）将关系表元组中格式化数据和复杂多媒体数据装在一起形成一个完整的元组，存放在数据页面或数据页面组中。

3）将关系表元组中的复杂多媒体数据分成两部分，一部分是复杂多媒体数据本身，另一部分是对复杂多媒体数据的引用（属格式化数据）。9.4.2研究面向对象的数据库系统1、功能模块定义面向对象的MDBS，是建立在面向对象的数据模型之上的。根据MDBS的一般功能需求，规划定义相应的功能模块，这是实现面向对象MDBS的重要环节。2、存储结构与存取方法目前存储结构的实现方法可以分为两大类：

1)基于现有关系数据库系统的存储结构和方法；

2)重新设计更符合多媒体对象特点的存储结构和方法。3、面向对象MDBS的优点

1）能更好描述复杂多媒体对象，高效处理定义在这些对象之上的结构语义。

2）支持抽象数据类型的用户定义方法，便于数据库系统定义新的数据类型和操作。

3）面向对象模型的数据抽象、功能抽象与消息传送的特点使对象在系统中是独立的，具有良好的封闭性。

4）面向对象模型的类、类层次以及继承和多态等特点，不仅减少了冗余，还有利于版本控制。

5）面向对象模型的查询语言通常沿着系统提供的内部固有联系进行，避免了大量查询的优化工作。9.5多媒体数据库的查询9.5.1多媒体数据库的查询分类

多媒体数据库的查询可分为以下不同类型：(P244)

1）基于内容的查询。

2）依据实例查询（QBE，QueryByExample）。

3）时间索引查询（TimeIndexedQueries）。

4）空间查询。9.5.2多媒体数据库的查询过程1)对于组合媒体的查询请求，可有多种不同的查询方式。比如，可按某种媒体顺序，先后查询相应的数据库。如果是“逻辑与”查询，则前一个查询结果作为后一个查询的范围。例如，对于图文组合的查询请求，系统可按如下两种顺序相应请求：①先查询文本库，找到所需文本后，再在该文本中确定是否包含要找的图像信息；②先查询图像库，找到所需的图像后，再检测该图像中是否包含所需的文本信息。2)对于单一媒体的查询请求，可直接定位到指定媒体