数字电视技术第8章106课件

第8章 多媒体技术和交互式电视 第8章 多媒体技术和交互式电视 8.1 多媒体信号和多媒体技术多媒体信号和多媒体技术 8.2 多媒体信号的传输多媒体信号的传输 8.3 多媒体技术的应用多媒体技术的应用 8.4 交互式电视的组成与原理交互式电视的组成与原理 第8章 多媒体技术和交互式电视 8.1 多媒体信号和多媒体技术多媒体信号和多媒体技术 随着计算机技术、数字图像压缩技术和超大规模集成电路技术的发展，由这些技术交汇而产生的多媒体技术也得到了发展。多媒体是指两种或两种以上的媒体。媒体是指携带信息的载体，通常应该包括图像和声音，可能还有文字、符号、图形、动画、图片等等。多种媒体携带的信息是相互联系、相互协调的。计算机交互处理这些媒体的技术即是多媒体技术。第8章 多媒体技术和交互式电视 多媒体信号应具有以下3个特征：(1)综合性：多媒体信号应是相互有关的多种媒体的信号的综合。(2)交互性：通信双方能充分地进行信息传送或交流，能获取、处理、编辑、存储、展示这些信息媒体。(3)同步性：多种媒体能同步地、协调地传送信息。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.2 多媒体信号的传输多媒体信号的传输 8.2.1 PSTN PSTN(Public Switched Telephone Network，公用电话交换网)是公共通信网中规模最大、历史最长的基础网络。电话网的主要用途是传输语音信号，用户的语音信息可通过传输线路和交换设备进行互传。该网络的终端设备主要是普通模拟电话机，要求所传输的信号带宽在300 Hz3.4 kHz之间。第8章 多媒体技术和交互式电视 目前，电话网以模拟设备为主的情况已经发生了根本性的变化，数字传输设备和数字交换设备不断地被引入电话网，如数字光纤时分复用设备，计算机数字程控交换设备，所有这些数字化设备已经使公用电话网成为一个以数字设备为主体的网络。但在用户线路上传输的信号中，模拟语音信号的比例仍然最大，这给在公用电话网上传输数字信息带来了困难。目前，在公用电话网上传输数字信号的主要手段仍然是要依靠调制解调器（Modem），为此ITU-T提出了V系列建议，如描述接口电气特性的V.28、V.35、V.10、V.11 等建议，描述接口间各条接口线路功能及其动作的V.24建议等。还有一些建议是用于描述Modem本身的，如V.21、V.22、V.32等等。第8章 多媒体技术和交互式电视 利用符合V.34建议的调制解调器，在PSTN网上可传输符合H.324标准的传输码率低于64 kb/s的可视电话。V.34是有关28.8 kb/s速率的调制解调器的建议。QoS参数为S-QCIF或QCIF格式，7.5帧/s，YUV为411，12比特/像素。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.2.2 ISDN和和STM 模拟电话网中，一对电话线只能传送一路模拟电话信号。随着通信技术的发展，出现了ISDN(Integrated Services Digital Network，综合业务数字网)，可以支持语音、数据和图像等几种媒体的传输业务，其基本传输速率为160 kb/s。它利用一对电话线，同时传送两路数字电话信号(B通路，每路可传送速率低于64 kb/s的数字电话或数字数据)，采用同步时分复用方式，也称为STM(Synchronous Transfer Mode，同步转移模式)。根据CCITT建议，电信的传输、交换、复用统称为转移模式。STM在ISDN中的复用方式，如图8-1所示，以125 s为一帧，共传送20 b，时间上分为3个信道2B+D，每个B信道传送8 b数字电话信号，一个D信道传送2 b信令信号(电话号码等，速率为16 kb/s)，还有供同步、控制等传输开销用的2 b。各子信道的信息占用了固定的时隙。各时隙以125 s为周期出现，根据信号所占用的时隙位置，就可判定是哪个子信道的信号，这就是STM。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-1 STM的时分复用 第8章 多媒体技术和交互式电视 8.2.3 B-ISDN和和ATM B-ISDN(Broad-band ISDN，宽带综合业务数字网)与ISDN类似，利用同一线路在同一时间内传送多个电信业务信号，其码率在155 Mb/s以上，采用异步时分复用，或称为ATM(Asychronous Transfer Mode，异步转移模式)。其传送的信息以信元为单位，信元长度是固定的53个字节，其中信头为5个字节，有用信息为48个字节。在ATM模式中，各子信道的信号不是按一定时间间隔周期性出现的，因而不能再按固定的时隙位置来判断其属于哪个子信道。ATM要在信头中的固定位置加一种标志信息，表明该信元属于哪个子信道，即准备送到对方的哪个用户。这样，在信道上的时隙划分就不必采用固定位置的方式了。第8章 多媒体技术和交互式电视 ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输。统计时分复用就是根据各信道业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各个业务之间动态地分配网络带宽，以达到最佳的资源利用率。这种方式可以解决STM中出现的带宽浪费的问题。多个子信道根据它们不同的传输特性复用到一条链路上。与同步时分复用STM不同，在ATM中，时隙只分配给有数据要传输的子信道，没有数据要传输的子信道不占用带宽。因此，ATM在处理实时传输时能达到非常好的性能。在一般的复用机制中，各个输入带宽的总和应小于传输线路的总带宽；而利用统计复用的ATM可使输入带宽的总和大于总带宽。第8章 多媒体技术和交互式电视 B-ISDN常用的交换方式有电路交换和分组交换。电话程控交换是电路交换方式，通信期间始终有一条电路被建立，也属于STM模式，它是以固定时隙为基础的交换。其优点是实时性好，没有交换引起的时延，但线路的利用率低。分组交换把整个信息分成若干较短的分组，各分组均有一定的目的地址，采用“存储转发”方式。其优点是线路利用率高，但分组长度是可变的，两个用户在一次通信中各分组可能经由不同的路径，因而会引入较大的时延，不宜用作实时通信。ATM交换把信息分成一个一个固定长度的信元。信元长度比分组交换时的分组小得多，它利用硬件连接进行信息交换，交换的速度非常快。ATM交换既有分组交换线路利用率高的优点，又有电路交换快速的优点，它是分组交换与电路交换的一种结合。因此，ITU已规定在B-ISDN中应采用ATM方式的复用和交换。这样的以信元为基本单位的高速ATM信号，必须在宽带网络中(例如光纤网络)才能传输。B-ISDN的传输速率在155 Mb/s以上，可以传送各种多媒体的新业务。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.2.4 IP网络网络 IP网络包括Internet（因特网）、Intranet（企业网）、WAN（Wide Area Network，广域网）以及LAN（Local Area Network，局域网）等。IP网络发展非常迅速，它利用TCPIP协议（Transmission Control Protocol Internet Protocol），只需给出对方的IP地址，就可十分方便地把信息送到对方终端。但目前IP网络带宽较窄，还不能保证多媒体通信业务所需的服务质量(QoS)。对于视频和音频传输，丢掉几个分组不会造成很大的问题，但窄带宽将导致视频画面有时清晰，有时模糊；导致音频信息的中断。因此，要采用效率更高的压缩编码和协议来改善因特网中实时通信的质量。第8章 多媒体技术和交互式电视 网络资源预留协议RSVP(Resource Reservation Protocol)对于用IP有限的带宽传送视频和音频以及其它实时多媒体信息非常重要。采用RSVP这项技术，通信双方在建立传输信息之前预留了足够的带宽，服务质量会得到较好的保证。目前，RSVP的资源预留功能已在一些厂商的路由器和应用程序中实现。分类服务技术是解决IP网QoS问题的一种十分有效的方法。不同类别的信息对网络传输资源的要求是不同的，分类服务按业务类别将信息分给能充分保证其服务质量的网络传输资源。解决质量问题的根本办法是拓宽网络带宽。现在美国正在积极研制下一代因特网NGI(Next Generation Internet），其目标就是要拓宽网络带宽。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.2.5 FC 1.概述概述 光纤通道是把设备连接到网络结构上的一种高速通道，它既具有单通道的特点，又具有网络的特点，它可以是连接两套设备的单条电缆，也可以是连接许多设备的交换机产生的网状结构。光纤通道的最大优点是速度快，它可以给计算机设备提供接近于专业设备处理速度的吞吐量。光纤通道与协议无关，它提供了一种在源设备(如计算机或磁盘阵列)的发送缓存器和目的设备的接收缓存器之间传送数据的方法，所以它是一种通用传输机制，适用范围广，可适合多种性价比的系统(从小系统到超大型系统)，支持现有的IP、SCSI、ATM、HIPPI等多种协议。第8章 多媒体技术和交互式电视 表表8-1 FC中各种媒介支持的最大网络长度中各种媒介支持的最大网络长度 第8章 多媒体技术和交互式电视 2.FC的结构的结构 1)FC-0 FC-0是物理层底层标准。FC-0层定义了连接的物理端口特性，包括介质和连接器(驱动器、接收机、发送机等)的物理特性、电气特性、光学特性、传输速率以及其它的一些连接端 口 特 性。物 理 介 质 除 表 8-1所 列 的 之 外，还 有UTP（Unshielded Twisted Pair，非屏蔽双绞线），用于25 Mbs数据传输，距离可达50 m。光纤通道的数据误码率低于10-12，它具有严格的抖动容许规定和串行IO电路。第8章 多媒体技术和交互式电视 2)FC-1(传输协议)FC-1根据ANSI X3T11标准，规定了8 b10 b的编码、解码方式和传输协议，包括串行编码、解码规则,特殊字符和错误控制。这些10 b码字的游程长度等于或小于4 b且直流偏置最小，能为链路提供自校验能力和时钟恢复能力。第8章 多媒体技术和交互式电视 3)FC-2(帧协议)FC-2层定义了传输机制，包括帧定位、帧头内容、使用规则以及流量控制等。光纤通道的数据帧长度可变，地址可扩展。用于传输数据的光纤通道的数据帧长度最多可达2 kB，因此，非常适合于大容量数据的传输。帧头内容包括控制信息、源地址、目的地址、传输序列标识和交换设备等。64 B可选帧头用于其它类型网络在光纤通道上传输时的协议映射。光纤通道依赖数据帧头的内容来引发操作，如把到达的数据发送到一个正确的缓冲区里。第8章 多媒体技术和交互式电视 4)FC-3(公共服务)FC-3层提供高级特性的公共服务，即端口间的结构协议和流动控制，它定义了3种服务：条块化(Striping)、搜索组（HuntGroup）和多路播放(Broadcast Multicast)。条块化的目的是为了利用多个端口在多个连接上并行传输，这样，传输带宽能扩展到相应的倍数；搜索组用于多个端口去响应一个相同名字的地址；多路播放用于将一个信息传递到多个目的地址。第8章 多媒体技术和交互式电视 5)FC-4(ULP映射)FC-4层是光纤通道标准中定义的最高等级，它固定了光纤通道的各层跟高层协议(ULP)之间的映射关系以及与现行标准的应用接口。现行标准包括现有的所有通道标准和网络协议，如HIPPI、SCSI接口和IP、ATM等。第8章 多媒体技术和交互式电视 3.FC的特点的特点 局域网LAN是面向非连接的，是通过将地址信息打入包内，然后按规定线路发送的方式完成网络传输的。为了管理网络协议，这种网络型的互连方案需要较大的软件开销。它一方面限制了系统带宽，另一方面造成了较大的延迟，不适合实时视/音频互连。此外，客户端对于服务器存储体的共享是需要通过服务器来进行的。而FC是宽带的、直接面向存储体的网络，在连接的设备之间，如计算机的处理器和外围设备之间，通道连接提供点到点的直接连接，或者提供交换的点到点连接。通道的作用是尽可能快地把数据从A点传送到B点。目的地的地址不仅是预先确定的，而且两点之间是用实际线路连接起来的，数据除了去目的地之外不可能去其它任何地方。第8章 多媒体技术和交互式电视 4.FC网的容量网的容量 FC是一种高性能的基于光纤通道的互联标准，是专为台式工作站、海量存储子系统、外围设备和主机系统之间双向点对点的串行数据通道而设计的，其传输速率比其它网络传输速率高很多，其标称数据传输率为1000 Mb/s。但由于系统管理开销，信息、硬件(网卡、交换机、集线器、硬盘阵列控制器等)设计水平等因素的影响，FC的实际数据率为100 Mb/s、200 Mb/s、400 Mb/s和800 Mb/s，若视频工作站的视频数据率为35 Mb/s，实际应用中连入FC的视频工作站数量不应超过20台。这是对于一个用户级(由一台交换机连接的结构中)的情况；对于多个用户级，由多台交换机级联会大大增加用户站点，但多台交换机的级联会引起信号在交换中的延迟，这是在搭建FC网络时需要特别小心的。第8章 多媒体技术和交互式电视 就目前而言，高速Ultra SCSI硬盘的理论IO能力为40MBs，实际上只能达到30 MB/s，甚至更低，而无压缩的视频流的数码率，在8 b时为20 MB/s，在10 b时为25 MB/s，所以硬盘阵列的IO能力限制了工作站点的数量。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.3 多媒体技术的应用多媒体技术的应用 8.3.1 会议电视会议电视 1.概述概述 会议电视（Video Conference）是利用通信网召开会议的通信方式。会议电视要传递与会者的图像和声音，与会者对话时可以通过电视看到对方；会议电视还要传递文件、图片、图表、会议室气氛等各种静止的和活动的图像信息。会议电视使相隔几百、几千千米的与会者之间距离“缩短”，有一种亲临会场的感觉。第8章 多媒体技术和交互式电视 2.会议电视系统组成会议电视系统组成 会议电视系统由终端设备、传输设备、传输信道以及多点控制设备MCU(Multipoint Control Unit)等组成。1)终端设备 会议电视终端设备有摄像机、话筒、计算机、传真机、监视器、会议电视编、解码器，如图8-2所示。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-2 会议电视端的设备配置 第8章 多媒体技术和交互式电视 摄像机一般设特写摄像机、全景摄像机、文字和图片摄像机等。图像切换器按会议进程选用不同摄像机的图像送出。话筒要选用方向性强、并有平坦频率特性的。室内墙壁应进行吸音处理，避免声音反射引入的回音。喇叭与话筒之间的声音来回传递会引起啸叫，应设置回波消除器并调整喇叭与话筒的相对位置，以消除啸叫。监视器应选用大屏幕电视或投影电视，图像与实物之比为11，这样能获得临场感。第8章 多媒体技术和交互式电视 会议电视编、解码器是终端设备中的关键设备。图8-3（a）是编码器方框图。来自切换器的模拟电视信号，经亮色分离后由模数转换(AD)电路转换为数字信号，又经公共中间格式(CIF)转换，把电视信号转换成统一的中间格式(352288)，再采用统一的H.261算法进行压缩。由于编码中采用了变长编码VLC技术，经压缩编码后的数据为不均匀的数据流，因此需要缓冲存储器对数据速率进行平滑。从缓存中读出的数据经过信道编码(纠错编码)可增强其抗干扰能力，然后被送入时分多路复用模块，并与经编码的语音以及来自其它数字设备(如计算机、传真机等)的数据信号，按照指定的时隙合成一路数字信号，再经接口电路形成标准的传输码形(如HDB3码(High Density Bipolar 3Zeros)，即3阶高密度双极性码)后，被送入信道发送。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-3（b）是解码器方框图。解码器的工作过程与编码器相反。传输码经接口电路被恢复成非归零的时分多路信号以及供解码用的基本时钟信号，再经时分解复用之后，分为3个信号流进行进一步处理。其中的数据信号被送往专用的数字接收设备(计算机、传真机、电子黑板等)。声音信号被送往声音解码电路经DA、功放送往音响设备。而图像信号经纠错解码电路之后，被送入缓存，转换成与编码器相同的数据流形式，经H.261解码、格式转换、DA后，在彩色监示器上显示出来。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-3 会议电视编码、解码器方框图(a)编码器；(b)解码器 第8章 多媒体技术和交互式电视 2)多点控制方式 会议电视的分会场一般相隔较远，分会场数目较多，这就构成了多点会议电视系统。多点会议电视系统的连接、控制方式有以下几种：(1)全耦合方式：所有各分会场之间相互用线路连接。当点数很多时，这种方式需要大量线路，很不经济。(2)图像合成方式：把所有会场图像汇集在一起合成为一幅图像传送到各终端，在各终端监视器上多画面显示所有会场图像。第8章 多媒体技术和交互式电视 (3)图像请求方式：把所有图像集中于一个网络节点，根据多点的请求，切换出所希望显示的图像。国外的会议电视常采用这种方式。(4)图文分配方式：通过卫星把某一发送点的图像分配到所有各点，利用卫星召开电视会议。由于采用面辐射方式，该方式最节省线路。(5)主席控制方式：不改变原来通信网络结构，线路连接、图像和声音的流向都由会议主席进行控制。这种方式不增加任何线路，但灵活性不够。第8章 多媒体技术和交互式电视 3)多点会议电视网 多点会议电视网中都需设置一个或多个MCU，用以完成各个会议点之间的信息交换和汇接作用。ITU-T有关多点会议电视的标准只允许采用两层级联的组网模型，这样可以满足传输延时、话音图像同步以及网络控制的要求。图8-4就是一个二级星形会议电视网示意图。处在最上面一层的MCU1是主MCU，在它下面一层的MCU2、MCU3和MCU4是和它相连接的从MCU，它们都受控于MCU1。根据需要，网络内的会议电视终端可以连接在从MCU上，也可以连接在主MCU上。图中的终端是直接连接到MCU上的，实际上它们是通过各种通信网络连接到MCU上的。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-4 二级星形会议电视网示意图 第8章 多媒体技术和交互式电视 3.我国公用会议电视骨干网我国公用会议电视骨干网 我国的公用会议电视骨干网采用二级星形结构，以北京为全网一级枢纽中心，以星形辐射形式与二级枢纽中心(即各大区中心沈阳、上海、南京、武汉、广州、西安、成都等地)的多点控制单元(MCU)相连接，各大区中心的MCU与本区内各省中心(即省会会场)相连，这样就构成了一个以北京为中心的全国会议电视骨干网。传输手段可以是现有的光缆、数字微波、数字卫星等。按我国开会的惯例，采取主席控制模式，即主席所在的主会场，可同时向所有分会场传递主会场的图像和声音，并通过MCU与任一分会场对话，指挥汇接设备切换图像和声音。分会场发言需向主席申请，一旦被主席认可，该分会场的图像、语音便可以广播方式传送到其它各个会场。这种模式符合ITU-T的H.243标准。第8章 多媒体技术和交互式电视 全国性会议电视网管中心设在一级枢纽中心，由中央多点管理系统(CMMS)及工作站组成。网管中心的主要功能是：显示各MCU状态；对MCU进行故障诊断；对每个MCU的计费进行统计；统计与会会场、会议时间、码速率；记录会议的有关事件。国家骨干网全部采用美国威泰视讯公司(VTEL公司，前CLI公司)的Radiance 9075型会议电视终端设备，该设备有一套CLI专有的CTX、CTX Plus的编码算法，其图像清晰度高于H.261算法，同时还具备符合H.261建议的CIF、QCIF图像格式。国家骨干网的多点控制采用CLI公司的MCU，它具有12个2 Mb/s端口，符合H.200系列建议，具有全网的主席控制模式以及远端摄像的互控功能。第8章 多媒体技术和交互式电视 4.三种实用的会议电视系统三种实用的会议电视系统 符合H.320标准的ISDN网的会议电视业务已经进入实用。为了在计算机网以及PSTN网上组建会议电视系统，ITU-T于1995年推出了在LAN网上组建视听系统的H.323系列建议，在ATM网组建视听系统的H.310系列建议，在PSTN网上进行视听通信的H.324系列建议。目前，H.320会议电视系统已占有相当大的比例，为了将H.320系统引入计算机网和ATM网，ITU-T又推出了H.321系列标准，在H.320的设备中增加了一个ATM适配器并连接到ATM网上。与此类似，可采用H.322建议将H.320系统适配入计算机LAN中。H.321和H.322实质上是将H.320系统的数据流重新组装为ATM网和LAN可接收的数据流，起着一种网络之间适配器的作用，本质上仍然是H.320系统。第8章 多媒体技术和交互式电视 表表8-2 三种实用的会议电视系统三种实用的会议电视系统第8章 多媒体技术和交互式电视 8.3.2 可视电话可视电话 1.H.324可视电话终端可视电话终端 图8-5 H.324可视电话终端第8章 多媒体技术和交互式电视 H.324协议族包括以下协议：(1)G.723.1低速语音编、解码建议。它提供高效语音压缩编、解码，其速率为5.3 kb/s和6.3 kb/s两种。(2)G.729G.729A低速语音编、解码建议。它提供电话网质量的语音编码，8 kb/s编码速率。G.729A是G.729的简化版，和G.729兼容。(3)H.263H.261视频编、解码建议。它提供高效的活动图像压缩编、解码技术。第8章 多媒体技术和交互式电视 (4)H.245通信控制协议。多媒体通信中，控制部分是整个系统的“司令部”，音频、视频、数据和复用部分都需要由它来统一协调。从通信的开始、呼叫、建立物理通路、建立逻辑通路、交换通信能力、判决主从关系到通信过程的控制、结束通信等操作都由它来控制完成。为了保证不同厂商产品的互通，有必要统一通信标准。ITU-T在1995年专门发布了用于多媒体通信的控制协议H.245，规定了终端消息的句法和语义以及通信开始时进行协商的操作过程。这些消息包括终端发送和接收的通信能力、接收端的优先模式、逻辑信道的通知、控制和指示。第8章 多媒体技术和交互式电视 (5)H.223信道复用协议。多媒体信息由多种不同媒体信息组成，多种媒体信息（包括视频、音频、数据和控制流）要同时传输，在发送端必须把它们复用成一个统一的数据流；在接收端要同步地、实时地把它解复用为多种媒体信息。H.223建议对低比特率多媒体通信中信息的帧结构、字结构、分组复用等作了明确规定,它适用于低比特率多媒体终端之间，低比特率多媒体终端与MCU之间的通信。这个复用协议还能对图像序列进行编号、误差检测和校正。第8章 多媒体技术和交互式电视 (6)V.34调制解调器全双工通信协议。其通信速率可达28.8 kb/s或33.6 kb/s。(7)V.8建议。它规范了在PSTN上的数据通信的起始呼叫过程、可视电话和普通电话工作模式的转换。(8)T.120系列数据通道建议。这种极低比特率的视听系统的应用十分广泛，除可视电话外，还可用于远程监控、远程医疗、移动可视电话、多媒体电子邮件、视频游戏等。第8章 多媒体技术和交互式电视 2.H.323可视电话可视电话 ITU-T的H.323“基于分组交换的多媒体通信系统”是一个框架性的建议，包括终端设备、视/音频和数据的传输、通信控制、网络接口等内容，还包括多点控制单元MCU、多点控制器MC、多点处理器MP、网关GW(Gate Way)和网闸GK(Gate Keeper)等设备。H.323系统的信息传播可以采用单播(Unicast)、多路单播(Multiunicast)或多播(Multicast)的形式。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-6 H.323系统的终端结构示意图 第8章 多媒体技术和交互式电视 H.323系统使用实时传输协议RTP（Realtime Transport Protocol）和实时传输控制协议RTCP（Realtime Transport Control Protocol）。RTP提供同步和排序服务，适于传送如音频、视频等连续性数据，对网络引起的时延和差错有一定的自适应性。RTCP用于管理质量控制信息，例如监视延时和带宽。RTP不能确保数据的完整性，但能很好地处理定时的问题。在 通 信 过 程 中，RTP对 所 传 的 每 个 分 组 盖 上 时 间 戳(Timestamp)。在接收端，解码器可根据时间戳重新建立定时关系。第8章 多媒体技术和交互式电视 H.323中资源预留协议RSVP可以防止因网络超载而不能传递信息的情况发生，保证H.323终端有一定的带宽，从而保证传输质量。在H.323 中，与RSVP有关的是网闸机制，用来防止视频业务量占用所有的有效带宽。网闸有三项功能。第一，接入控制，由于网络资源有限，网络上同时接入的用户数也是有限的，GK根据授权情况和网络资源情况确定是否允许用户接入。第二，能够为终端提供带宽管理和网关定位等服务，如为用户保留所需的带宽。第三，具有呼叫路由的功能，所有终端的呼叫可以汇集到这里，然后再转发给其它终端，以便和其它网络终端通信。第8章 多媒体技术和交互式电视 多点控制单元MCU为3个或3个以上的终端或网关参加多点通信提供服务。MCU包括必备的MC和可选的MP。多点控制器MC是H.323中的实体，它为多点通信提供控制，并控制资源。MC通过H.245与各终端进行协商，为当前的通信确定一个共同的通信模式，MC不负责音频、视频和数据的混合或交换。多点处理器MP负责完成视/音频编、解码，格式转换，语音的混合，视频的合成或切换等功能。网关GW是H.323中的端点设备，通过它的实时双向通信服务，可实现局域网和其它类型网络之间的连接。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.3.3 远程医疗远程医疗 远程医疗系统是一种利用现代通信网络实现远距离医疗咨询、会诊、手术示范的交互式多媒体信息系统。边远地区的医生将患者的病历、检查数据、心电图以及B超、X线、CT(Computed Tomography，计算机断层成像)、MRI（Magnetic Resonance Imaging，核磁共振成像）等影像资料通过信息处理设备和相应的通信线路传送给大城市的医生和专家，让他们会诊。专家们可以向对方医生或病人提问以进一步了解病情，最后做出诊断和治疗方案。边远地区的病人因此及时得到高质量的医疗服务。图8-7是远程医疗系统的结构示意图。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-7 远程医疗系统结构示意图 第8章 多媒体技术和交互式电视 1.输入输入/输出设备输出设备 视频输入/输出设备有摄像机、监视器和录像机,还有心电图机、B超成像系统、CT成像系统、MRI成像系统；音频输入/输出设备有话筒、扬声器等。信息通信设备有书写电话、传真机等。书写电话为书本大小的电子写字板，与会人员将要说的话写在此板上，变换成电信号后输入到视频编码器上，再传送到对方，显示在监视器上。第8章 多媒体技术和交互式电视 2.视频编、视频编、解码器解码器 视频编、解码器用来压缩医疗视频信息。医用图像中，病变部位的图像对保真度要求是非常高的，任何细节上的损伤都是不允许的，它的模糊有可能导致误诊，以至于把病人推向危险的边缘。可是需要无损恢复的病变部位图像只占整个医用图像的一小部分，对于图像其它部分可以适当调整质量以减小图像数据率。这样压缩后的图像完全保存了疾病特征，而数据量非常小。医生可以把它迅速发送到千里之外的医学专家那里，以最快的速度得到权威的确诊。第8章 多媒体技术和交互式电视 3.复用解复用设备和用户网络接口复用解复用设备和用户网络接口 复用解复用设备将视频、音频、控制信号等各种数字信号组合为641920 kb/s的数字码流，使之成为与用户网络接口兼容的信号格式。该信号格式应符合国际规定的H.221建议的要求。最好采用B-ISDN的网络，接口是B-ISDN的网络接口。美国VTEL公司的HS2000远程医疗系统可以由红外遥控或图形触摸屏控制，整个系统装在推车上可以方便地移动，固定在机械臂上的摄像机可以旋转、倾斜和推拉，传送30帧秒 的 清 晰 画 面，可 连 接 内 窥 镜、耳 镜、检 眼 镜 和EKG(Electrocardiogram，心电图)机器，可通过局域网和广域网传送音、视频信息。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.3.4 多媒体电视监控报警系统多媒体电视监控报警系统 多媒体电视监控技术打破了传统的电视监控结构，依靠计算机技术、数字视频压缩编、解码技术、网络技术和通信技术，对各种媒体信息的应用趋向综合化、交互化。多媒体电视监控系统由现场多媒体电视监控终端、多媒体监控中心和传输网络构成，如图8-8所示。多媒体电视监控终端由摄像机、报警探头、切换控制器和多媒体计算机构成。多媒体计算机内插有视、音频采集压缩卡(内装大容量硬盘)，可对输入的视、音频信号进行实时捕获、实时压缩，然后存入硬盘。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-8 多媒体电视监控系统 第8章 多媒体技术和交互式电视 多媒体监控中心是一台高性能计算机，它可以通过网络向多媒体电视监控终端调取实时图像或录像，调取统计报表或报警信息，可以对一帧图像进行数字图像处理(即对现场录下的不够清晰的画面进行处理，使其更清晰、突出、明确)。常用的数字处理有：(1)对图像的各种参数，如亮度、对比度、饱和度、R、G、B三基色的相对取值进行调整。(2)对图像进行均衡处理，如对于灰度分布不均匀的图像可处理得均匀些。(3)对图像进行平滑处理，比如对于噪波太多的图像进行处理后，噪波将减少。(4)对图像进行锐化处理，比如对于边缘不清晰的图像，处理后可突出景物的边缘。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.4 交互式电视的组成与原理交互式电视的组成与原理 8.4.1 视频服务器视频服务器1.视频服务器的功能视频服务器的功能(1)对用户访问请求的处理。(2)大容量视频存储功能。(3)并行、实时、连续传输功能。(4)交互控制能力。(5)自诊断恢复功能。第8章 多媒体技术和交互式电视 2.视频服务器数据存储结构视频服务器数据存储结构 1)存储区域网络存储区域网络SAN 通常多媒体服务系统应具备100010 000 h的节目存储量，较大的系统要求服务器能达到100 000 h存储能力。若系统容量为100 000 h，在不考虑差错控制产生的存储开销时，采用MPEG-2方式以3 Mb/s存储，则净存储数据为140 TB，这是相当大的数据量。第8章 多媒体技术和交互式电视 SAN(Storage Area Network，存储区域网络)是网络计算机的新一代存储应用，它把大型数据库与高速数据访问技术结合在一起，是类似于普通局域网的一种高速存储网络。SAN可以是本地的或是远程的，共享的或是专用的，还可以是只包括外部的或集中的存储器和SAN相连。SAN的接口通常不是以太网而是FC。SAN使存储资源能够被构建于服务器之外，这样，多个服务器就能够在不影响系统性能和主网络的情况下分享这些存储资源。所以SAN被称为“服务器背后的网络”。SAN的特点是宽带、模块化可扩充结构、高可用性和容错能力、易管理、易集成、低造价。LAN与SAN的差别是：LAN对服务器来说是前端(Front-end)的网络，而SAN对服务器来说是后端(Back-end)的网络。SAN的示意图如图8-9所示。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-9 SAN的示意图 第8章 多媒体技术和交互式电视 就SAN构架而言，典型的SAN环境应包括4个主要组成部分：最终用户平台(客户机)、服务器、存储设备及存储子系统、互连设备。SAN的互连设备是通过宽带光纤通道(FC)连接的。用FC连接是为了满足SAN中共享存储环境所需的宽带主干网的要求。FC是当今主干网首选，它已经成为SAN接口的工业标准。基于FC的SAN改变了传统服务器与磁盘阵列的主从关系。位于SAN上的所有设备均处于平等的地位，任何一台服务器均可对网络上任何一台存储设备进行存取，通过FC宽带和强大的IO处理能力，SAN技术在可连接性、可扩展性以及性能方面可以解决SCSI技术无法解决的问题，成为存储领域具有强大生命力的新技术。第8章 多媒体技术和交互式电视 2)网络连接存储NAS NAS(Network Attached Storage)和SAN不同，NAS设备之间可以直接连接于LAN或WAN，这是因为NAS系统包括一个文件系统，比如网络文件系统。NAS可以运行于Ethernet、ATM、FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光纤分布式数据接口），NAS使用的协议包括HTTP、NFS（Network Files System，网络文件系统）、TCP、UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）和IP。NAS是一种特殊的、能完成单一或一组指定功能的基于网络的存储设备，它通过自带的网络接口把存储设备直接连入到网络中，实现海量数据的网络共享，把服务器从繁重的IO负载中解脱出来，它是新兴的面向网络存储模式的标志性设备。其主要特征是把存储设备和网络接口集成在一起，直接通过网络存取数据。也就是说，把存储功能从服务器中分离出来，使其更加专门化，从而获得更高的存取效率和更低的存储成本。NAS的示意图如图8-10所示。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-10 NAS的示意图 第8章 多媒体技术和交互式电视 3)分布式数据存储方式 分布式多媒体数据存储是采用磁盘阵列在多个节点间分布的方式来存储媒体数据的，如图8-11所示。图中，节点之间可以通过互连IO来进行相互通信；磁盘阵列中存储的数据在物理上是连接在某个特定的节点上的，但是数据是共享的，在逻辑上整个系统的所有媒体数据存储设备就相当于一个巨大的存储池，这就是单一存储图像(Single Storage Image)技术。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-11 分布式数据存储模型 第8章 多媒体技术和交互式电视 3.“推推”模式和模式和“拉拉”模式服务模式服务 交互电视系统用两种方法为用户提供服务：服务器“推(Push)”模式和客户机“拉(Pull)”模式。用这两种方法可在客户机和服务器之间请求和发送视频数据。(1)服务器“推”模式。大多数的VOD系统采用这种做法，即建立起一个交互后，视频服务器以受控制的速率发送数据给客户，客户接受并且缓存到来的数据以供播放。一旦视频会话开始，视频服务器就持续发送数据给客户直到客户发送请求来停止。第8章 多媒体技术和交互式电视 (2)客户机“拉”模式。在“请求响应”模式下，客户每隔一周期发送一个请求给某个服务器，请求传送一段特定的视频数据；收到请求后，服务器从存储器中检索数据并把它发送给客户，此时数据流是由客户驱动的。在“推”模式下，需要服务器间的时钟同步，只要服务器的时钟是同步的，就可以应用基于轮转的调度算法；在“拉”模式下，由于系统中的服务器是自治的,因此服务器间不需要时钟同步。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-12“推”模式和“拉”模式(a)服务器“推”模式；(b)客户机“拉”模式 第8章 多媒体技术和交互式电视 4.并行并行VOD系统系统 当客户的请求超过服务器的容量时,可把视频数据分别存储到不同的服务器中，不必复制视频数据就可以不断扩大VOD系统的服务规模，这称为并行VOD系统。在并行视频服务器中，视频数据在多个服务器中被分割，所以服务器均匀承担来自客户端的视频请求，这样就增加了系统容量，并且通过数据冗余(如增加校验码)可以提高可靠性。目前有两种分割法：第8章 多媒体技术和交互式电视 (1)时间分割。一个视频流可以被认为由一系列的视频帧构成，即把视频流分为许多帧单元(等长时间的帧)，然后存储到多个服务器上称作时间分割。(2)空间分割。时间分割把视频流分为许多相同时间长度的帧，空间分割是把视频流分为由相同长度的字节构成的帧。由于每个分割单元都是大小相同的，因此空间分割简化了存储和缓存区的管理。第8章 多媒体技术和交互式电视 5.调度算法调度算法 (1)轮转调度(Round Robin Scheduling)。轮转调度不考虑服务器的连接数和响应时间，它将所有的服务器看成是相同的，以轮转的形式将连接分发到不同的服务器上。(2)加权轮转调度(Weighted Round Robin Scheduling)。按照每台机器不同的处理能力给每台机器分配一个权重，根据权重的大小以轮转的方式将请求分发到各台机器上。这种调度算法的耗费比其它的动态调度算法小，但是当负载变化很频繁时，它会导致负载失衡，而且那些长请求会发送到同一个服务器上。第8章 多媒体技术和交互式电视 (3)最少连接调度(Least Connection Scheduling)。最少连接调度将用户请求发送到连接数最少的机器上。最少连接调度是一种动态调度方法，如果各台服务器的处理能力相近，负载变化很大时也不会导致负载失衡，因为它不会把长请求发送到同一台机器上。但是当服务器的处理能力差异较大时，最少连接调度就不能很好地发挥效能了。(4)加 权 最 少 连 接 调 度(Weighted Least Connection Scheduling)。这种算法按照每台机器不同的处理能力给每台机器分配一个权重，将用户请求发送到权重乘连接数最小的机器上。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.4.2 交互式电视的组成交互式电视的组成 1.电视节目源电视节目源 媒体管理及制作单位要提供VOD的服务，首先要将节目内容数字化。内容丰富、画面清晰、声音优美的电视节目源是交互式电视服务必要的前提。可以利用电影和电视联合的优势，以及数字电视中加密和条件存取的功能，来扩大交互式电视节目的数量和质量。第8章 多媒体技术和交互式电视 2.宽带传输网络宽带传输网络 视频流从视频服务器到家庭用户是通过传输网络进行的。传输网络包括主干网和用户分配网。目前主干网比较统一，都使用SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字系列）、ATM或IP技术的光纤网络。因为提供交互式电视业务的行业不同，所以用户分配网分为以下三类：广播电视行业采用HFC(Hybrid Fiber Coaxial，光纤同轴电缆有线电视混合网)，一般是光纤到路边，同轴电缆进户，大多采用750 MHz系统。其中，565 MHz为上行信号频段，110550 MHz为模拟信号通道，550750 MHz频段为数字信号通道。每个8 MHz的频道采用64QAM调制，可供810个经MPEG-2压缩后的视频流通过，是比较理想的宽带传输网络。第8章 多媒体技术和交互式电视 电信行业采用ADSL(Asymmetrical Digital Subscriber Line，不对称数字用户线路)公众电话网。如果使用MPEG-1编码，可以用双绞线提供一个1.5 Mb/s的下行通路来传输视频流，用一个16 kbs的上行通路来传输用户发出的控制信息。采用这种方式的优势是现有的电话用户比有线电视用户多，易于普及。不足之处在于由于带宽不够只能采用MPEG-1方式，且用户离交换中心不能超过6 km。计算机公司采用局域网(LAN)并利用五类线为用户服务。LAN的带宽在10100 MB时可以满足需要，但是传输距离不远，只能用于用户密集的区域，如机关大楼、酒店等。第8章 多媒体技术和交互式电视 3.家庭用户终端家庭用户终端 用户终端有多媒体计算机、交互式电视接收机和电视机加机顶盒三种。多媒体计算机或交互式电视机具有不能比拟的优点，但价格相对较贵。对于已有电视机的用户，增加一个机顶盒是最佳的选择。机顶盒是用户用来选择节目、遥控节目运行的设备，其主要功能有收发信号、调制解调和解压缩等。第8章 多媒体技术和交互式电视 4.管理收费系统管理收费系统 交互式电视和数字电视是一种可以满足不同观众不同需求的服务形式，需要有地址编码和寻址功能，并按提供服务的内容和数量进行收费。因此，它需要有一种安全可靠、有效合理的管理收费系统。第8章 多媒体技术和交互式电视 8.4.3 交互式电视的实现交互式电视的实现 第一种是存储释放终端交互方式。中央电视台进行的交互式电视试验就属于这种方式。存储释放终端交互方式不需要回传通道，它是通过广播网络向下传输数字电视信号的，所以也称为广播方式的交互式电视。用户需要购买数字电视机顶盒，将传输的数字信号进行解码并转换为普通的模拟视频信号输出到普通电视等终端显示设备上实现显示。实际上，这种方式利用单向传输的广播网络，在数字电视数据流中同时传输多套节目和一套多角度的节目源以及各种丰富的图文信息。互动功能的实现实际上是指用户在传输的多路节目源中选择一套节目并且在一套节目源中选择从不同角度拍摄的节目以及相关的图文信息。它利用广播电视频带宽的特点将大量的数据传到用户，用户可以实时地在接收端与接收机的终端实现交互，或将大量信息存在终端中的存储器或硬盘中，再实现非实时的终端交互。第8章 多媒体技术和交互式电视 另一种是面向人的实时交互方式，即将电视和Internet相结合，使之具有Internet访问功能，用户可以通过遥控器进行网上冲浪、发送电子邮件、查找相关节目信息、进行电视购物等等，这是通过用户主动查找信息的方式来实现交互功能的。面向人的实时交互方式需要回传通道，由于人的感觉反应有一定的时间，通常响应时间大于0.5 s。这种方式的互动电视从最初WEBTV的窄带56 kb/s调制解调器接入发展到目前的宽带(包括Ethernet 网和ADSL等)、窄带接入共存方式，而且在功能上增加了电视节目指南、离线浏览等功能，并且在高端产品中增加了PVR(可以将电视节目记录到硬盘)等功能。第8章 多媒体技术和交互式电视 1.电话视频点播电话视频点播 电话视频点播是指电视台开辟某个频道或利用某个频道的空闲时段，自动播放用户通过电话点播的视频节目。下行信号是电视台的视频信号，上行信号是通过PSTN传送的。这种方式利用现有的有线电视频道和PSTN,只需少量投入便可运行，因而已被数量众多的有线电视台采用。电视台可以将MTV、曲艺、小品和相声等节目预先以数字方式存储在硬盘上作为节目源。由于点播系统的节目进行了数字压缩，因此一块80 G的硬盘可以存储数百分钟的节目，相当于百余首歌曲的MTV。电视台可根据自己的节目量随意增加硬盘块数。VCD、DVD的节目本来就是数字压缩信号，所以可以直接拷贝到硬盘上。第8章 多媒体技术和交互式电视 电话视频点播产品具有以下特点：(1)点播线路畅通。用户可以在任意时间预先点播节目，避开线路繁忙的高峰期；节目点播有多条外线，可彻底解决电话打不通的问题。(2)便利、快捷。屏幕显示简洁、全中文界面、整个点播过程不到一分钟。(3)主动亲切。对于简易的点播设备，在用户点播完节目后，马上直接播出，不能反应出点播者和被点播者的信息；对于较好的点播系统，用户可通过电话留言，播出字幕，满足消费者表达情感的要求。第8章 多媒体技术和交互式电视 (4)广告自动播出功能。可定时播出用户的电视广告。(5)稳定可靠。硬盘有冗余备份，专业设备配制。(6)主动性。主动性是指电视台对视频点播的管理功能，如对用户留言的检查。第8章 多媒体技术和交互式电视 2.中央电视台交互式电视广播系统中央电视台交互式电视广播系统 中央电视台采用了广播方式的交互式电视方案，即由若干视频通道和一个图文数据通道组成一个传输流，并在用户机顶盒上实现交互操作，如图8-13所示。用户的命令由红外遥控器传送到机顶盒，控制电视机快速地切换到不同通道的图像，同时可以将图文信息融入画面或单独显示。第8章 多媒体技术和交互式电视 图8-13 广播方式的交互式电视 第8章 多媒体技术和交互式电视 1)节目形态(1)多频道。(2)多角度。(3)导航。(4)图文频道。第8章 多媒体技术和交互式电视 2)交互式电视对系统的技术要求 (1)现场系统。对于交互体育节目而言，现场系统主要包括视频信号提供及竞赛数据采集。视频信号提供与普通电视转播类似。普通实况转播中，画面选择通常由导演制定和调度。然而在多角度交互式电视中，一旦选择某一摄像机为多角度传输信号后，在任何时间都会有观众选择观看，即始终处于播出之中。因此，该摄像机就不能随意转换场景。现场竞赛数据采集与普通电视转播有较大的不同。在普通转播活动中，现场数据仅仅用于字幕，出现的次数和时间都非常有限。第8章 多媒体技术和交互式电视 (2)传输系统。传输系统将现场的视频信号和数据传送到电视台的制作系统。多角度交互体育节目具有4路以上的独立信号，因此传输系统需要具备多路传输能力。为了节省频带资源，可以采用压缩复用方式进行传输。实际的传输通路可以是光纤、卫星、数字微波或长途的SDH光纤干线网络。数据的传输可以通过拨号线路、ISDN或专用的数字数据网DDN(Digital Data Network)传回。数据传输需要有双向通信功能。第8章 多媒体技术和交互式电视 (3)制作系统。视、音频制作系统的主要功能是多通道制作和播出。一个多角度交互体育节目可以由4个视频节目通道组成。假定有一个是由导演控制切换的主节目，这一节目与原有的节目制作方式完全一样，同时提供两个不同角度摄像机的信号。最后一个通道为精彩回放，可以循环重放一些精彩镜头，如进球等。第8章 多媒体技术和交互式电视 (4)播出系统。交互式电视的播出系统要进行多通道视频(含声音)与图文内容同步化播出。例如，对于比赛的比分、出场队员、犯规次数等相关数据必须同步播放。交互式电视的多通道制作和播出系统涉及到多个通道的同步切换问题。例如当节目转换时，需要完成多通道同时切换。第8章 多媒体技术和交互式电视 (5)广播入户系统。根据广电总局的安排，传输方案以有线电视网络为主，未来会发展到卫星传输。系统产生的交互节目经过压缩复用后，通过G.703接口适配器接入国家广电干线网络，由该网络送至地方有线前端。在地方有线电视网络前端，经接口适配器转为基带数据流送到64QAM调制器，调制到指定的电视频道上，馈入有线电视网。所有接入有线电视网的用户，可以通过机顶盒接收后恢复成为电视和图文节目，并在电视机上显示出来。由于MPEGTS流已经按照有线电视系统的频带宽度进行了设置，因此，在地方有线前端不需要进行数码率转换，可以大大简化入网的复杂程度。第8章 多媒体技术和交互式电视 (6)用户终端系统。交互式电视的用户接收终端系统是配有机顶盒的电视机。机顶盒负责接收、解调、解码以及有条件接收等处理，同时也是用户交互操作的控制中心。第8章 多媒体技术和交互式电视 3)NDS的交互式电视解决方案 中央电视台和四川电视台采用了NDS公司的交互式电视系统ValueTV，图8-14是该系统组成方框图。图8-14 NDS交互式电视系统方框图 第8章 多媒体技术和交互式电视 (1)iADK互动应用开发工具包：是用来创建互动应用的工具，有友好的用户界面和丰富的功能。使用iADK可以轻松地对应用进行个性化设置，以适应不同的赛事和格式。(2)数据准备：提供一组工具，用直观的图形用户接口GUI（Graphical User Interface）生产互动电视内容。(3)iPackager数据格式化：将数据内容以符合ValueTV的方式进行格式化。为了尽可能利用带宽，它将优化广播参数。第8章 多媒体技术和交互式电视 (4)iPlayer播放器：用复杂的算法使所用的带宽最小，周期性地产生数据流，通过传输系统传输到用户端。(5)iEngine数据获取：位于用户机顶盒内，从传送流中拉出请求的交互事件。(6)iSync数据调度和同步：确定何时广播交互内容，保证音、视频节目与数据同步。(7)iChannel回传路径管理：是机顶盒和应用服务器之间的接口。因双向网改造费用昂贵，目前仍以广播方式为主。中央电视台的交互式电视系统配置了iPackager、iPlayer、iSync和iEngine组件和iADK互动应用开发工具包。第8章 多媒体技术和交互式电视 3.因特网电视点播服务因特网电视点播服务 1)IPTV概述 IPTV系统主要采用了RTP、RTCP(实时传送控制协议)、RSVP(资源预留协议)和MultiCast协议，以及ITU H.261、MPEG图像压缩等国际标准。IPTV系统可在多种计算机和网络设备上使用，如Cisco、3Com、Bay Ne