网络多媒体技术

第四章 网络多媒体技术

第4章网络多媒体技术 • 随着多媒体技术的迅速发展，图像、视频等多媒体数据已逐渐成为信息处理领域中主要的信息媒体形式。网络多媒体是信息高速公路建设中的一项关键技术，是多媒体、通信、计算机和网络等相互渗透和发展的产物，它将极大地提高人们的工作效率，改变人们的教育、娱乐等生活方式，是二十一世纪人们通信的基本方式。

4.1 多媒体传输协议 • 随着多媒体数据在 Internet上所承担的作用变得越来越重要，需要实时传输音频和视频等多媒体数据的场合也将变得越来越多，如IP电话、视频点播、多媒体会议系统等。这些系统需要特定网络协议的支持。RTP（Real-Time Transport Protocol）/RTCP（Real-time Transport Control Protocol）和 RSVP（Resource Reserve Protocol）等就是用来在Internet上进行多媒体传输的协议，目前已经被广泛地应用在各种场合。

4.1.1 多媒体传输协议 • 1．RTP协议 • RTP/RTCP是端对端基于组播的应用层协议。其中RTP是用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议。RTP被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTCP用于统计、管理和控制RTP传输，两者协同工作，能够显著提高网络实时数据的传输效率。当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口：一个给RTP，一个给RTCP。RTP用于在单播或多播情况下传输实时数据，通常工作在UDP（User Datagram Protocol）上。

4.1.1 多媒体传输协议 • 2 ．RSVP协议 • 资源预留协议RSVP（Resource Reserve Protocol）是针对IP网络传输层不能保证QoS和支持多点传输而提出的协议。RSVP在业务流传送前先预约一定的网络资源，建立静态或动态的传输逻辑通路，从而保证每一业务流都有足够的“独享”带宽，因而能够克服网络的拥塞和丢包，提高QoS性能。该协议的两个重要概念是流与预定。

4.1.1 多媒体传输协议 • 3．RTSP协议 • 实时流协议RTSP（Real-Time Streaming Protocol）由RealNetworks和Netscape共同提出，是工作在RTP和RTCP之上的应用层协议。控制实时数据的发送，它提供了可扩展框架，使实时数据的受控、点播成为可能。该协议目的在于控制多个数据发送连接，为选择发送通道（例如UDP、组播UDP与TCP）提供途径，并为选择基于RTP上发送机制提供方法。它的主要目标是为单播和多播提供可靠的播放性能。

4.1.1 多媒体传输协议 • 4．MMS协议 • MMS (Microsoft Media Server Protocol)是用来访问并流式接收 Windows Media 服务器中 .ASF 文件的一种协议。MMS 协议用于访问 Windows Media 发布点上的单播内容。MMS 是连接 Windows Media 单播服务的默认方法。若观众在 Windows Media Player 中键入一个 URL 以连接内容，而不是通过超级链接访问内容，则他们必须使用 MMS 协议引用该流

4.1.1 多媒体传输协议 • 5．IPV6协议 • IPv6是“Internet Protocol Version 6”的缩写，它是IETF(Internet Engineering Task Force)即因特网工程任务组,又叫互联网工程任务组设计的用于替代现行版本IP协议-IPv4-的下一代IP协议。Pv6有以下特点： • 1）更大的地址空间。2）更小的路由表。 3）增强的组播(Multicast)支持以及对流的支持(Flow-control)。4）加入了对自动配置(Auto-configuration)的支持。 5）更高的安全性

4.1.2 下一代网络中的多媒体通信协议 • 1．H.323协议簇 • ITU-T的H.323协议簇在技术思想上借鉴了传统电话网的方式，从1996年推出，至今已更改数版。其网络结构和运营管理思想比较接近于传统的便于集中、便于管理的电信网。和传统电信网络不同的是H.323借助了IP信息传输方式，可以非常方便地为用户提供语音、数据和图像业务。

4.1.2 下一代网络中的多媒体通信协议 • 2．SIP协议 • IETF(Internet工程任务组)的SIP（session initiation protocol，会话初始协议），是一个正在发展和成长中的协议，它和传统电信业务的传输模式不同，借鉴了Internet的标准和协议设计思想，坚持简洁、开放和可扩展的原则，为组建多媒体通信网络、提供多媒体业务提供了另一类方式和方法。SIP通过一种便捷的方式来建立和控制各种类型的点到点媒体会话。和Internet协议类似，它采用的是一种模块化结构，请求/应答模式，基于文本方式，因此使用非常简单灵活，升级、扩展方便。

4.1.2 下一代网络中的多媒体通信协议 • 3．IMS • 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）提出的IMS（IP Multimedia Subsystem）是支持IP多媒体业务的子系统，它的显著特点是采用了SIP，通信与接入方式无关，可以提供多种媒体业务，控制功能与承载能力分离、呼叫与会晤分离、应用与服务分离、业务与网络分离、移动网与互联网业务融合。

4.1.3 多媒体通信的服务质量（QoS） • 1．多媒体通信的服务质量 • 服务质量QOS（Quallity of Service）从概念上来说，可以看作是为一项或一类网络业务而定义的一组网络性能参数。随着网络多媒体技术的飞速发展，Internet上的多媒体应用层出不穷，如IP电话、视频会议、视频点播(VOD)、远程教育等多媒体实时业务、电子商务在Internet上传送等。Internet已逐步从单一的数据传送网向数据、语音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。这些不同的应用需要有不同的Qos要求，Qos通常用带宽、时延、时延抖动和分组丢失率来衡量。

4.1.3 多媒体通信的服务质量（QoS） • 2．QoS的关键指标 • QoS的关键指标主要包括：可用性、吞吐量、时延、时延变化(包括抖动和漂移)和丢失。下面详细叙述。 • （1）可用性：可用性是当用户需要时网络即能工作的时间百分比。 • （2）吞吐量：吞吐量是在一定时间段内对网上流量(或带宽)的度量。 • （3）时延：时延是指一项服务从网络入口到出口的平均经过时间。 • （4）时延变化：时延变化是指同一业务流中不同分组所呈现的时延不同。 • （5）丢包：在通话期间比特丢失或分组丢失。

4.2 多媒体通信 • 多媒体通信是多媒体系统的重要组成部分，它实现多媒体信息在通信网络中的传输和交换。由于是多媒体信息的通信，因此，它对通信网络有着特殊的要求：首先是要支持综合业务；二是具备较强的实时数据的传输能力；三是要能够完成多媒体同步；四是支持多种通信模式。 • 多媒体通信系统，目前应用较多的主要是多媒体会议系统、交互式电视和视频点播（VOD）系统等。

4.2.1 多媒体通信结构 • 线路交换网络与信息包交换网络的融合是构造多媒体通信系统结构的出发点，多媒体通信系统主要有下面几个部件组成：网关(gateway)、会务器(gatekeeper)和通信终端(terminal)。通信终端包括执行H.320、H.323或者H.324协议的计算机和执行H.324的电话机。在H.323协议中，把通信终端、网关、会务器或者MCU叫做端点(endpoint)。网关和会务器是多媒体通信系统的两个极其重要的组成部件。网关提供面向媒体的功能，会务器提供面向服务的功能，网关和会务器密切配合完成多媒体通信的任务。

4.2.2 多媒体会议系统 • 自20世纪80年代多媒体技术问世以来，多媒体信息产生的方式不断创新，种类日益增多，信息量急剧膨胀。人们不再满足能从存储媒体上获取信息，希望在任何时间、任何地点，通过信息终端得到需要的图、文、声信息，享受丰富多彩的多媒体信息服务。这就对声音、图像、文字、数据、视频等多媒体信息的传输、处理和交换，提出了更高的要求，也为通信、数据压缩和网络技术的进一步发展开辟了广阔的领域。多媒体会议系统是计算机和通信技术结合的产物，充分体现信息社会的数字化特点，是一种将计算机技术的交互性，网络的分布性，多媒体信息的综合性融为一体的高新技术，成为主要的分布式多媒体应用系统之一。多媒体会议系统又被称为视频会议系统（VCS，Video conference System）

4.2.2 多媒体会议系统 • 1．多媒体会议系统概述 • 多媒体会议 (MC，Multimedia Conference )系统是指两个或两个以上不同地方的个人或群体通过传输线路及多媒体设备，将声音、影像及文件资料互传，达到即时并且互动的沟通，从而完成会议目的一种会议形式。与会者既能看到对方发言人的表情、动作和会场场景，也能听到对方的声音，若辅助以电子白板、书写电话、传真机等通信设备，可实现与对方会场的与会人员进行研讨或磋商，使处于不同地方的人就像在同一房间内沟通。

4.2.2 多媒体会议系统 • （1）多媒体会议系统的分类 • 多媒体会议系统种类繁多，其分类可以按照会议设备配置划分为会议室会议系统和桌面会议系统；可以按照是否利用计算机设备划分为电视会议系统和计算机会议系统；也可按照使用的信息流类型划分为音频图形会议系统、视频会议系统、数据会议系统和多媒体会议系统。这里基于网络环境来划分。

4.2.2 多媒体会议系统 • 1）ISDN会议 • 2）局域网会议 • 3）电话网上的会议 • 4）Internet上的会议

4.2.2 多媒体会议系统 • （2）多媒体会议系统信息流的种类 • 多媒体会议系统涉及的信息分为音频、视频、数据和控制信息四大类。 • 1）音频——数字编码的语音。 • 2）视频——数字编码的活动场景。 • 3）数据——包括图像、图形、传真、文档、计算机文件等。 • 4)控制信息一一用于会议开始、结束或进行过程中的性能交换，建立和断开逻辑通道，会议模式控制以及其他功能。

4.2.2 多媒体会议系统 • （3）多媒体会议系统相关的国际标准 • ITU的角色是一个标准制定组织，ITU-T侧重电信标准，而IMTC(国际多媒体电视会议联合会)将注意力集中在标准的实际验证和促进上。IMTC强调多媒体电信会议，包括静止图形，运动视频及数据电信会议，并将重点放在保证标准的采用和市场培养上。 • 为了推动多媒体会议系统的发展，ITU组织制定了一系列标准，包括用于ISDN网的 H.320建议，用于局域网的H.323建议，用于PSTN网的H.324建议等。H系列的建议和标准是专门针对交互式电视会议业务而制定的，而T系列是针对其他媒体的管理功能做出规定的，两种协议的结合将使多媒体会议的通信有更完善的依据。

4.2.2 多媒体会议系统 • 2．多媒体会议系统关键技术 • 多媒体会议系统所涉及的关键技术主要有网络环境，多点传送，编解码器和会议控制等。 • （1）网络环境 • 多媒体会议系统是一种典型的点对多点实时应用系统，对网络基础设施支持实时传输的能力要求较高，也直接影响视频和音频的质量。 • （2）多点传送 • 多媒体会议系统是一种点对多点的应用系统。通常，网络环境所提供的通信业务大多是点对点的。无论何种网络环境，都要通过一种称为多点转发服务器（MFS）的特殊网络设备，实现点对多点的会议环境。

4.2.2 多媒体会议系统 • 2．多媒体会议系统关键技术 • （3）编解码器 • 编解码器（CODEC）是会议终端对音频和视频信息进行编码和解码的重要部件，可以采用硬件或软件方法实现。硬编解码器的性能好，但费用高。通过信息编码还可以实现数据压缩，以减少传输的数据量。 • （4）会议控制 • 会议控制提供控制和管理会议进程的一组服务，包括会议注册、会议宣布、会议启动、会议发现以及会议的加入、退出、查询等。ITU在T120标准中定义了有关会议控制功能，IETF也制定了基于IP分组网的会议控制协议标准。

4.2.2 多媒体会议系统 • 3．多媒体会议系统结构 • 多媒体会议系统主要由会议终端、多点转发服务器（MFS）、网络及控制管理软件等组成。 • 会议终端是由编解码器、视频输入设备、视频输出设备、音频输入设备、音频输出设备和网络接口组成的。 • 多点控制单元（MCU）是进行多点会议时，对整个会议的终端、会议的带宽、音视频编解码格式、会议的进度等进行控制的设备。 • 会议控制为包含多媒体终端和多点控制设备的会议提供管理和控制。

4.2.3 视频点播和交互电视系统 • 1．视频点播与交互电视的概念 • 无线电视、有线电视、有偿收视服务PPV（Pay Per View）、图文电视已都进入家庭。但是，基于电视的信息服务都是广播形式的。在这种形式的视频服务系统中，用户是被动的，只有频道选择权，没有视频播放控制权，更不能对视频和声音进行交互式的操作。在当今信息社会里，人们不满足被动地接受信息和其他被动形式的服务，而需要在一天忙碌中的不固定时间里去主动查询信息和获取服务。人们希望在信息提供者与信息接受者之间进行会话，并能对会话过程进行控制，即具有交互能力。 • 能够满足用户以上需求的服务系统称为交互电视ITV（Interactive TV）

4.2.3 视频点播和交互电视系统 • 从广播电视的角度看，把交互视频服务看成是一种电视系统，称为交互电视ITV，用户的终端是电视机，再加上一种交互设备，称为机顶盒。如果从电信角度看，把交互视频服务看成是一种业务，称为视频点播VOD，用户终端既可以是电视机加机顶盒，也可以是一台个人计算机。不论交互电视还是视频点播，它们都是为用户提供交互的视频服务的。虽然它们一个强调用户端，另一个强调系统服务端，但这两种名称经常混用。

4.2.3 视频点播和交互电视系统 • 2．VOD／ITV系统的结构 • 视频点播／交互电视系统由信息（视频）源，视频存储和分配设备，节目交换或路由选择设备，系统管理单元，用户接入设备和通信设备等部分组成。VOD系统由视频服务提供商、传送网络和用户三大部分组成。视频服务提供商（Provider）是视频源（信息）的提供方。他们收集、组织和管理各种类型的视频资料，利用视频服务器向用户提供丰富的视频服务。传送网络是连接视频服务提供商与远地用户的通信系统，通过网络分配视频信号和回送用户的选择和命令。用户通过简便易用的用户终端获取视频服务。为使视频服务的使用像电话和普通电视一样容易获得，用户终端要求接入家庭。

4.2.3 视频点播和交互电视系统 • （1）视频服务和管理设备 • 视频服务提供商利用视频服务和管理设备，向用户提供全面的视频服务。其设备一般包括视频服务器，节目选择计算机和记账计算机等。对于大型的VOD系统，视频服务由多个服务器组成，即由多个在线视频服务器和辅助存储服务器组成。

4.2.3 视频点播和交互电视系统 • （2）机顶盒 • 用户终端是网络和用户之间交互的接口。VOD终端有两种形式：一种是机顶盒加上电视机，另一种是个人计算机加上解码器。用户终端是VOD系统中用户端的室内设备，它的交互选择功能是用户与VOD系统之间的一个智能界面。从某种意义上说，它是与网络和视频服务设备打交道的“代理”。

4.2.3 视频点播和交互电视系统 • （3）传送网络 • 网络用于传送用户的节目选择信息和分配音、视频服务媒体流。音频信号数字化以后的数据量相对较少，但在用户感官方面比较重要，系统需要尽量保证音频信息的传送质量。对于视频信号来说，偶尔的包丢弃是允许的，因为下一帧图像马上补充过来，在视觉上不会造成很大的影响。在网络带宽受限的情况下，可以通过降低视频图像的分辨率和适当减少帧传输速率，保持音频的连续性。因此，对于VOD这种性质的视频服务来讲，ATM网络是连接用户与服务器的最合适选择。

4.2.4 用户接入网技术 • 按照现代通信网络功能组成结构，通信网可以分为传输网、交换网、接入网。接入网是本地端局与用户设备之间的信息传送实施系统，它可以部分或全部替代传统的用户本地线路网，含复用、交叉连接和传输功能。宽带接入网又称为“信息高速公路的最后1 KM”，是全网宽带的关键部分，接入网的宽带化和IP化将成为今后接入网发展的主要技术趋势。 • 1．xDSL接入 • 到目前为止，全世界的双绞线用户线仍然占据了全部用户线的90%以上，数字用户线系统（xDSL）就包括ADSL、VDSL、EDSL等几种方式。

4.2.4 用户接入网技术 • 3．快速以太网 • 以太网正在从用户驻地网向接入网、城域网乃至广域网扩展，以太网接入方式与IP网很适应，对于企业用户是一种最流行的方式，技术上已经有很大的突破（LAN交换、大容量MAC地址存储等），容量分为10/100/1 000 Mbps 3级，还可按需升级，100 Gbps的以太网技术也将应用。采用专用的无碰撞全双工光纤连接，可以使以太网的传输距离大为扩展，能够满足接入网和城域网的应用需要，会成为企业网用户的主导方式。

4.2.4 用户接入网技术 • 4．无线接入 • 固定无线接入技术因其无需敷设线路，建设速度快、受环境制约少、初期投资省、安装灵活、维护方便等特点成为接入网领域的一种重要技术。特别是450 MHz五线接入系统的衍射能力，可适用于我国广大农村地区和林区。主要的宽带固定无线接入技术有3类：多路多点业务（MMDS）、直播卫星系统（DBS）以及本地多点业务（LMDS）。

4.2.4 用户接入网技术 • 5．光纤接入 • 光纤接入网是指接入网中传输媒介为光纤的接入网。根据光纤深入用户群的程度，可将光纤接入网分为FTTC（光纤到路边）、FTTZ（光纤到小区）、FTTB（光纤到大楼）、FTTO （光纤到办公室）、FTTH（光纤到用户），它们统称为FTTx。光纤接入技术与其他接入技术相比，具有可用带宽大、传输质量好、传输距离长、抗干扰能力强、网络可靠性高等优点，而且还有巨大的开发潜力。无论从传输性能还是对业务长远发展的支持能力来看，光纤接入技术都有较大优势，光纤用户环路是未来发展的方向。

4.3 流媒体 • 随着现代网络技术的发展，人们对信息的需求日益膨胀，从最初在网络上传播的文字、图片到现在在网络上传播的视频、音频、动画等各种媒体，人们的视听感官在网络上得到了极大的满足。然而，随着需求的不断提高、上网人数的不断增加以及网络硬件设备的局限性使文件的大小成为网络传输中必须要考虑的因素，人们不得不面临这样的：若人们想从网络上观看影片或收听音乐，必须先将影音文档下载至计算机存储后，才可以点选播放，文档越大，下载时间越长，不仅硬盘空间不能满足要求，也无法满足消费者使用方便及迫切的需要。为了解决这个问题，1995年“流媒体（Streaming Media）技术”应运而生

4.3.1 流媒体的基本概念和应用 • 从技术的角度来说，流媒体就是应用流技术，在网络上传输多媒体文件。而流技术是指将连续的影像和视频服务器声音信息经过压缩处理后放到网站视频服务器上，让用户一边下载一边观看、收听，而不需要等整个压缩文件下载到自己机器后才可以观看的网络传输技术。该v技术现在用户端的计算机创造一个缓冲区，于播放前预先下载一段资料作为缓冲，当网络的实际传输速度小于播放资料的速度时，播放程序就会取用这一小段缓冲区内的资料，避免播放中断，也使播放品质得以维持。同时，流媒体也指代由这种技术支持的某种特定文件格式：压缩流式文件，它通过网络传输，并通过个人计算机软件进行解码。流媒体实现的关键技术就是流式传输。

4.3.2 流媒体的技术原理 • 用户选择某一流媒体服务后，Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP（HypertextTransferProtocol）/TCP（Transmission Control Protocol）交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的Web浏览器启动音频、视频Helper程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化。这些参数可能包括目录信息、音频、视频数据的编码类型或与音频、视频检索相关的服务器地址。

4.3.3 流媒体的文件格式 • 在第一章已经简单介绍了几个流行多媒体播放系统，对于流媒体来讲，到目前为止，Internet上使用较多的流媒体格式主要还是RealNetworks公司的RealMedia、Apple公司的QuickTime和Microsoft公司的Windows Media。 • 1．RealNetworks公司的.RM格式和.RA格式 • RealNetworks .RA格式是RealNetworks公司所开发的一种新型流式音频Real Audio文件格式。.RM格式则是流式视频Real Vedio文件格式。 • 2．Microsoft公司的.ASF格式 • Microsoft Microsoft Media technology的.ASF 也是一种流行的网上流媒体格式。 • 3．Apple公司的QuickTime的.QT格式

4.3.4 流媒体的三大平台 • 流媒体的三大平台 RealNetworks、Microsoft、Apple是目前三个最流行、成熟的流媒体制作、播放、服务端平台，不管在技术上还是市场上都算是比较尽善尽美的，下面从完整性、相容性，以及第三方厂商支持等角度来比较RealNetworks、Microsoft及Apple等三种流平台的差异。

4.3.4 流媒体的三大平台 • 1．RealNetworks的流平台 • 由于 RealNetworks发展流媒体已经很久，从流媒体开始的创作、传送、伺服、到后端的下载、播放，RealNetworks在每一个环节都有相对应的产品，而且每个产品都有两种版本，RealNetworks的产品线完整且功能齐全，能提供专业使用者一次购足的全面解决方案。 • 高昂的价格加上RealNetworks产品升级的速度非常快，每升级一次，企业就会陷入一次是否要花钱升级的难题。 • RealNetworks是唯一一个可以跨平台，可以保证最高的相容性。 • RealNetworks的RealServer可提供的流格式是最多种的，RealNetWorks 的第三方厂商多。

4.3.4 流媒体的三大平台 • 2．Microsoft 的流平台 • Microsoft 的 windows media 流系统平台也提供了较为完整的产品线，其各个产品的功能深度上都稍嫌不足；windows media是一个完全免费的流平台，Windows media encoder 另外也提供了屏幕捕捉的功能。 • 要想找齐 windows media 的各项应用工具及使用手册，使用者必须遍寻 Microsoft 的网站（非常大的一个网站）。在相容性方面，Microsoft对于Windows以外平台的支持差了许多，对于近来对Windows造成威胁的Linux就更不支持了。

4.3.4 流媒体的三大平台 • 3．Apple的流平台 • Apple的流平台在完整性上居于劣势，价格比RealNetworks的方案便宜，也没有使用人数的限制，而且对于惯用Mac的使用者来说，QuickTime格式始终是他们的首选。 • 在相容性方面，虽然Apple是将有限的资源集中服务Mac使用者上，但QuickTime还是真正的Windows、Mac双系统相容平台。 • 对于Apple的流平台，由于受限于Mac使用者远较PC为少，第三方厂商也比RealNetworks及MicrosoftWindowsMedia少很多，不过这些第三方厂商中，拥有专业级开发水准的却不少。

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