张有魁

【摘要】在目前的Internet环境下,由于网络的异构性和传输速率的不稳定性,媒体流数据在传输的过程中会出现延时、丢失等意外状况,影响了传输的质量。针对这个问题,本文分析了Internet环境下多媒体数据传输的各种解决方法,讨论适合网络传输的视频编码解码方案。对以流媒体解决方案为基础的网络多媒体教学系统进行了系统的分析,从而总结出现有网络多媒体技术在Internet环境下所存在的不足。

【关键词】面向传输;流媒体;系统模型

多媒体(MULTIMEDIA) 它由media和multi两部分组成,是指表示媒体的多样化。常见的文字、图像、声音、动画,承载信息的程序等都是媒体。多媒体技术是指人类同计算机交互处理多媒体信息的方法。因此,多媒体技术包括音响(audio)信号处理、静态图像(image)和电视图像(video)处理,话音信号处理以及远程通信技术。这些技术包括软件和硬件技术。

多媒体即多媒体信息服务,MMS(Multimedia Message Service),是目前短信技术开发最高标准的一种。它最大的特色就是可以支持多媒体功能,借助高速传输技术EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)和GPRS,以WAP为载体传送视频片段、图片、声音和文字。不仅可以在手机之间进行多媒体传输,而且可以在手机和电脑之间传输。其短消息容量平均为3万字节,最高可达10万字节。具有MMS功能的移动电话内置媒体编辑器,可以编写多媒体信息,如果安装上一个内置或外置的照相机,用户还可以制作并传送PowerPoint格式的信息或电子明信片。

一、多媒体研究的关键技术

1、数据压缩

在多媒体系统中,涉及的数据量是巨大和惊人的。以一幅中等分辩率的彩色图像为例,每秒约需27.6MB字节空间,即使是650MB的标准光盘也需装入20多秒钟,而大多数远程通讯网的速率都在每秒几兆位。因此,对数据进行有效压缩是多媒体中的关键技术之一。之所以能实现对图像、声音压缩,是由于这些原始图像和声音存在着很大的冗余度,包括空间冗余,时间冗余,结构冗余与视觉冗余等。常用的数据压缩技术分两大类,一类是无损压缩,另一类是有损压缩。现在已形成了一些压缩的国际标准,如JPEG适用于静态图像,MPEG适用于动态图像,G722已成为电视会议和电话的声音编码标准以及多媒体系统的MPC标准等。压缩和解压缩的速度是压缩系统的两项单独的性能度量,从目前开发的压缩技术看,一般来说压缩的计算量比解压缩的计算量大。压缩速度不仅与采用的压缩方法有关,而且与快速算法的计算量有关。如果能在压缩方法和快速算法上取得突破性进展,无疑将对多媒体的开发和应用产生很大的影响。

下面是基于Internet视频流传输的体系结构。原始的视频和音频信号在经过压缩之后存储在存储设备中,根据接收端的要求,视频服务器从存储设备中接收到压缩后的视频和音频信号,然后网络传输质量控制模块根据网络状态和QOS的要求改编位流,改编之后的位流,经传输协议打包压缩成音频和视频包后被发送到Internet上。由于拥塞等原因,这些包在传输的过程中可能会丢失或者超时,为了改善音频和视频传输的质量,需要采用连续的媒体分布服务(如缓存技术等)。在数据包到达客户端以后,首先经过传输层,然后再由应用层QOS控制。模块处理后交给音频和视频解码器进行解码,为了保持音频和视频的同步还必须采用媒体同步机制。从该体系结构中可以看出,关于多媒体数据传输的六个关键部分是紧密相关的,在这个视频流体系结构中,它们也是一致的,连续的。

2、多媒体信息特性与建模

多媒体信息特性的主要研究是对媒体的种类、性质及其相互关系、媒体之间的转换意义、方法及手段、媒体处理的特点等方面进行研究。在此基础上进而研究多媒体数据建模的方法:信息空间如何构成?时间特性如何表示?面向对象的方法怎样使用?在媒体之间如何确定相互的关系?对信息的内容如何表示等。虽然各种图像、声音等专门技术的研究历史已有几十年,但大多数都是从单一媒体角度考虑的,从多媒体统一角度研究,才有可能获得进一步进展[4]。

3、多媒体信息的组织与管理

信息及数据管理是信息系统的核心之一,多媒体数据量巨大,种类繁多,每种媒体之间差别十分明显,但又具有种种信息上的关联,这些都给数据与信息管理带来了新的问题。如何管理、组织这些数据;如何从各种媒体数据中找出所需要的信息;如何表现这些媒体信息;这些都是传统的数据库理论与方法尚没有很好解决的问题。因此,人们正在探索有效的管理方法如对关系数据库进行扩充;建构面向对象的数据库;超媒体信息管理等方法。

4、虚拟现实技术

虚拟现实技术(Virtual Reality)是近年来(下转第269页)十分活跃的技术领域,是多媒体发展的更高境界。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、触觉及嗅觉等的感觉世界。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。虚拟现实是一种高度集成的技术,是计算机软、硬件技术、传感技术、机器人技术、人工智能及心理学等飞速发展的结晶。主要依赖于三维实时图形显示,三维定位跟踪,触觉及嗅觉传感技术,人工智能技术,高速计算与并行计算技术以及人的行为学研究等多项关键技术的进展。美国著名计算机图形专家J.Foley曾指出:虚拟现实或许是人机接口作为计算机设计的最后一个堡垒中最有意义的领域。

二、基于Internet的网络多媒体教学系统的设计

1、C/S模式与B/S模式

基于Internet的远程多媒体教学系统中占主导地位的主要有两种模式:客户/服务器(Client/Server 简称C/S)模式和浏览器/服务器(Browser/Server 简称B/S)模式,但这两种模式都有一些无法避免的缺陷。在远程信息管理系统中广泛使用的三层C/S模型很好地解决了这些问题,但是这种三层C/S模型不是针对多媒体教学系统的,因此有很大的不适用性。在分析各种系统模型的优缺点后,本文针对多媒体教学本身的特点引入一种适合多媒体本身特点的三层模型。

(1)C/S模式与B/S模式的优缺点

典型的C/S模式是一种两层的体系结构,B/S模式多媒体远程教学系统模型是一种三层体系结构,在物理结构上极其相似,C/S模式的远程多媒体教学系统一般要求要下载一个客户端程序,而B/S模式的远程多媒体教学系统则可在客户端直接通过浏览器来进行学习。

C/S模式和B/S模式的远程多媒体教学系统使用简单,适用面广,但C/S模式和B/S模式的远程多媒体教学系统缺点也显而易见,其中最大的缺陷是时延过大,造成等待时间过长,甚至没有回应。其次,在这两种模式的远程多媒体教学系统中,当大量的用户同时登录学习时,服务器端负荷过大,且占用了大量的带宽。第三,两种模式的远程多媒体教学系统客户端更新困难,而且C/S模式容易产生“胖客户”的问题。最后,从安全性的角度看,两层结构的安全性也不令人满意。

(2)三层C/S模型的优势及不足

三层C/S结构是从两层C/S结构发展而来的。这种结构下的应用都由三个部分组成,即用户界面部分(表示层),应用逻辑部分(应用逻辑层)和数据访问部分(数据访问层)。表示层的功能是与用户交互的;应用逻辑层进行具体的运算和决定程序的流程等;数据访问层维护和更新应用程序的数据。把这3个部分分别放置在3个物理空间时,就形成了三层C/S结构。它在管理信息系统(MIS)中应用广泛。

但这种三层结构的出发点是为了使得一个基于网络的系统具有更好的代码重用性、更好的可扩展性和更好的稳定性。因此,它不是针对多媒体系统的,更没有考虑满足某种实时性或减少时延等要求。

相对两层的C/S结构,三层的C/S结构仍有如下优点:

1)使终端服务器承受的负荷变低。

2)增强了终端服务器的安全性能。

2、针对网络多媒体教学的系统模型

网络多媒体教学有其自身的特点,多媒体数据不仅数据量相对较大,而且其编解码过程中耗费的计算量也十分巨大,如果为了减轻服务器负担而将这部分工作完全放到客户端,同样会产生新的问题--客户端变成“胖客户”型,而且不易更新。为了解决这个问题,必须结合多媒体教学本身的特点构建适合网络多媒体数据传输的系统构架。

网络多媒体教学一般具有以下几个特点:

(1)包含两类媒体类型:离散的,连续的。

(2)对系统的实时性有一定的要求。

(3)媒体内容具有有限性和可预知性。

(4)客户终端的集中性。

针对这种特点,一个基于三层模型的网络多媒体数据传输构架被应用于本系统,其框架的各部分功能如下:

1.数据访问部分(Data):主要分为流媒体服务和数据库服务两部分。流媒体服务主要针对音频/视频(Audio/Video简称A/V)信息进行采集、存储和播发;数据库服务主要提供对其他档案信息(用户资料、课程资料、辅助教材等)和媒体索引信息的存取分析功能。

2.应用逻辑部分(Business Logic):以数据服务层为数据库平台,在此基础上针对网络多媒体教学的需求提供相应的中间层组件,把共性的应用逻辑规范化,通过应用服务器对外发布。对于有条件的局域网用户可增加中间服务器,将最近可能用到的多媒体信息提前分发到中间服务器,可以提高访问多媒体数据的效率。

3.用户界面部分(Presentation):是客户端安装的操作界面。学生和教师可以根据相应的权限访问各类教学资源信息。由于大部分的应用逻辑放在了应用服务器或中间服务器上,客户端的应用程序相对“瘦小”。

综上所述,在网络多媒体技术的实际应用方面,流媒体技术占据了主导地位。该技术将多媒体和网络技术结合在一起,使得多媒体数据,特别是视频数据在网络上的实时传输成为现实。在研究多媒体的关键技术基础上,又从网络传输这个方面讨论了网络多媒体技术的解决方案,总结出目前Internet环境下网络多媒体技术的最新发展动向和应用成果。我们发现目前的网络多媒体应用已经给人们的生产和生活带来了极大的方便,虽然现有的视频编解码系统存在着这样或那样对Internet环境的不适应性,但相信在不久的将来,随着计算机技术的不断发展,在网络服务、终端机器的性能提升和更新算法研究进步的基础上,视频编解码技术必将为网络多媒体的发展做出更大的贡献。

参考文献

[1] 钟玉琢,蔡莲红.多媒体计算机技术基础及应用[M].北京:高等教育出版社,2005.3-26.

[2] 钟玉琢,贺玉文.基于对象的多媒体数据压缩编码国际标准MPEG-4及其校验模型[M].北京:科学出版社,2005. 32-44.

[3] Wu Dapeng , Hou Y.Thomas, Zhu Wenwu.On End-to-End Architecture for MPEG-4 Video Streaming over the Internet[J]. 2000,10:132-139.

[4] Wang Qi, Wu Feng, Li Shipeng.A New Rate Allocation Scheme for Progressive Fine Granular Scalable Coding[J].IEEE International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS),May,2001,2:397-400.

[5] 胡飞,朱耀庭,朱光喜.Internet视频点播差错控制[M].北京:计算机研究与发展,2005. 988-993.

作者简介:

张有愧(1961.4-),男,讲师,秦皇岛中等专业学校