第一章 多媒體技術(shù)概述.doc

多媒體計算機技術(shù)第一講 多媒體技術(shù)概述一、多媒體技術(shù)基本概念* 1.媒體的定義和分類 （1）什么是媒體？媒體（Medium）在計算機領(lǐng)域中有兩種含義，一是指用以存儲信息的實體，如磁盤、磁帶、光盤和半導(dǎo)體存儲器；一是指信息的載體，如數(shù)字、文字、聲音、圖形圖像和視頻等。（2）CCITT曾給媒體做了如下的分類：感覺媒體（Perception Medium） 表示媒體（Representation Medium） 顯示媒體（Presentation Medium） 存儲媒體（Storage Medium） 傳輸媒體（Transmission Medium）2.多媒體的定義和特征* （1）定義“多媒體”譯自20世紀80年代初產(chǎn)生的英文詞“multimedia”，最早出現(xiàn)于美國麻省理工學(xué)院(MIT)遞交給國防部的一個項目計劃報告中。 多媒體是指信息表示媒體的多樣化，常見的多媒體有文字、圖形、圖像、聲音、音樂、視頻、動畫等多種形式。 多媒體技術(shù)是利用計算機技術(shù)把文本、聲音、視頻、動畫、圖形和圖像等多種媒體進行綜合處理，使多種信息之間建立邏輯連接，集成為一個完整的系統(tǒng)。 （2）特征多媒體從本質(zhì)上來說具有三個最重要的特征:- 多維化 - 集成性 - 交互性 除了以上三個特征，實際上多媒體還具有很多其它的特征，例如實時性，它主要指類似聲音和視頻這樣的媒體，它們具有很強的時間相關(guān)性。 二、多媒體計算機技術(shù)及其發(fā)展歷史 19411945美國政府為了準確計算導(dǎo)彈的彈道，秘密地進行全電子計算機PX計劃的開發(fā) 1945 美國羅斯福總統(tǒng)的科學(xué)顧問Bush (1894 1974) 在大西洋月刊上發(fā)表的“As we may think”的著名論文，提出了采用設(shè)備或技術(shù)來幫助科學(xué)家檢索、記錄、分析及傳輸各種信息的新思路和名為“Memex”的一種工作站構(gòu)想，影響著一大批最著名計算機科學(xué)家 1946美國賓夕法尼亞大學(xué)電機工程系科學(xué)家研制超過首部電子計算機ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer)，它采用18 000個電子管，體積達3 000ft3 1947 發(fā)明晶體管，為計算機的微型化打通道路 1963 美國斯坦福研究所的Engelbart發(fā)明了鼠標，當時它的外殼是用木頭做的。1968年12月9日，鼠標的使用在舊金山一次計算機展上得以示范；其后，施樂在其操作系統(tǒng)中加入了鼠標操作的設(shè)計 1965 Ted Nelson提出Hypertext概念，它日后成為WWW的理論基礎(chǔ) 1968 Gordon Moore、Robert Noyce和葛羅夫成立Intel公司?！癐ntel”這個字是由“Integrated Electronics”(集成電子)兩個英文單詞組合成的 1969-05-01 AMD公司成立 1971-11-13 Intel工程師成功開發(fā)出首枚微處理器，即4位的4004，它包含2 300個晶體管 1972 Intel推出8位的微處理器8008 1972-09 PHILIPS展示了長時間播放電視節(jié)目的光盤系統(tǒng)，光盤上記錄的是模擬信號 1975-07 蓋茨和愛倫成立了微軟公司 1976 首部超級計算機問世。同年制成了沒有聲音、圖像、鍵盤和外殼的計算機Apple。 1978-06-08 Intel推出16位的8086處理器，集成2 900個晶體管，主頻為5MHz、8MHz和10MHz 1979-06 Intel推出8088處理器，主頻為5MHz和8MHz 1981-08-12 IBM推出首部PC，采用DOS 1.0操作系統(tǒng)。從此，與PC兼容的計算機鋪天蓋地地發(fā)展起來 1982 Intel推出16位的80286處理器，集成134 000個晶體管，主頻為8MHz、10MHz、12MHz 1982 SONY推出了世界上第一臺CD播放機CDP-101，并生產(chǎn)了第一張CD 1983-11 微軟推出Windows操作系統(tǒng)，只預(yù)裝在計算機里，不作零售。1985年11月，又推出1.0零售版 1985-10-17 Intel推出首枚32位處理器80385DX，集成275 000個晶體管，主頻16MHz、20MHz、25MHz和30MHz 1985 PHILIPS和SONY定義了CD-ROM標準。 1986 PHILIPS和SONY公司聯(lián)合推出了交互式緊湊光盤系統(tǒng)，能夠?qū)⒙曇?、文字、圖形、圖像等數(shù)字化信息存儲到光盤上 1989 Tim Berners-Lee在日內(nèi)瓦的CERN用HTML及HTTP開發(fā)了WWW網(wǎng)，,隨后出現(xiàn)了各種瀏覽器(網(wǎng)絡(luò)用戶界面)，使互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展起來 1989-04-10 Intel推出80486處理器，集成120萬個晶體管，并首次內(nèi)置浮點運算器和8KB緩存，其速度比8088快50倍以上。 1990-05-22 Windows 3.0推出； 1992年4月6日，經(jīng)過改進的Windows 3.1推出，年銷量2 700萬套，席卷全球。由微軟公司聯(lián)合一些主要PC廠商和多媒體產(chǎn)品開發(fā)商組成了MPC聯(lián)盟。并制定了第一代多媒體計算機標準-MPC1標準 1991在日內(nèi)瓦確定HTML格式，為WWW發(fā)展奠定了基礎(chǔ) 1992-08 Intel推出486DX2-66處理器 1993-04 美國伊利諾州大學(xué)推出首個WWW瀏覽器Mosaic；次年，瀏覽器的主要設(shè)計員Marcandreessen和Silicon Graphics的創(chuàng)辦人James H. Clark合作創(chuàng)辦Netscape公司，同年10月14日推出Navigator瀏覽器測試版，12月推出正式版，到1995年，Navigator瀏覽器市場占有率達90 1993-05 Intel推出其第五代處理器，集成310萬個晶體管，并首次放棄以數(shù)字命名的方式，取名Pentium。同年，IBM、Motorola和蘋果公司合作開發(fā)PowerPC處理器，次年3月14日，蘋果公司推出的Power Macintosh首次采用PowerPC處理器 1993-05 MPC聯(lián)盟制定了第二代多媒體計算機標準-MPC2標準，該標準提高了基本部件的性能指標 1994-10 IBM推出OS/2 WARP 3.0操作系統(tǒng)，1996年10月，又推出WARP 4版本，但仍無法扭轉(zhuǎn)微軟在PC操作系統(tǒng)的優(yōu)勢 1995 Internet熱潮興起 1995-06 MPC聯(lián)盟制定了第三代多媒體計算機標準-MPC3標準。該標準在進一步提高對基本部件的要求的基礎(chǔ)上，增加了全屏幕、全動態(tài)（30幀/秒）視頻及增強版的CD音質(zhì)的視頻和音頻硬件標準。MPC3指定了一個更新的操作平臺可以執(zhí)行增強的多媒體功能，首次將視頻播放的功能納入MPC標準 1995-08-24 Windows 95推出；微軟調(diào)動500名程序員開發(fā)的Internet Explorer（簡稱IE）瀏覽器推出1.0版本，1996年8月推出3.0版本，直接對Netscape公司造成威脅；IE不僅可以免費下載，更免費供應(yīng)ISP，1998年則內(nèi)置在Windows 98中，蠶食Navigator瀏覽器的市場 1995-09 SONY和其他8家公司共同建立了DVD格式的統(tǒng)一標準 1995-11-01 Intel推出其第六代處理器Pentium PRO，集成550萬個晶體管，出世一年半即被Pentium II取代 1997Intel推出Pentium II，集成750萬個晶體管。5月，國際象棋大師卡斯帕羅夫被IBM深藍擊敗，在前一年2月，他曾戰(zhàn)勝過深藍，有人懷疑人類制造的機器是否會將人擊??；8月6日，蘋果公司宣布，微軟入股蘋果公司1.5億美元 1999 Intel推出Pentium III CPU，其中集成了2400萬個晶體管 1999 ICQ和免費電子郵件的浪潮勢不可擋，吸引了數(shù)以千萬的用戶登記 2000 Intel推出Pentium 4 CPU，其中集成了4 200萬個晶體管 2002-03-04.Intel發(fā)布Pentium 4移動處理器Pentium 4-M（簡稱P4-M）。P4-M采用NetBurst架構(gòu)、0.13mm工藝流程生產(chǎn)，芯片內(nèi)部集成5 500萬個晶體管，共有512KB二級緩存，系統(tǒng)前端總線頻率達到400MHz 2002-11-14Intel發(fā)布3.06GHz Pentium 4。這款具有創(chuàng)新意義的含超線程技術(shù)新款英特爾奔騰Pentium 4處理器，主頻為3.06GHz，是世界上第一款采用業(yè)界最先進的0.13mm制造工藝、每秒計算速度超過30億次的量產(chǎn)微處理器 2003-03-12 Intel正式發(fā)布名為迅馳（Centrino）的移動計算技術(shù)。迅馳是一項移動計算技術(shù)，它具有集成的無線局域網(wǎng)連接能力；突破性的移動計算性能；延長的電池使用時間；更輕、更薄的外形設(shè)計圖形用戶界面的發(fā)展：最早提出“圖形用戶界面”這一概念的是Vanaver。在1945年，他想象用戶可以通過簡單的機械裝置與容易識別的直觀圖形與計算機進行交互，并大體提出了一些設(shè)計思想。20世紀50年代，道格拉斯(Douglas C.Engelbart)發(fā)展了他的設(shè)想并著手將其變成現(xiàn)實。他召集了一起在國防部研究部門工作的一些天才的計算機科學(xué)家們致力于這一具有革命意義的計算機系統(tǒng)的研究工作。他們這個小組做出許多有趣且有用的發(fā)明，其中最著名的就是在1963年開發(fā)成功的一個有3個按鈕、拖著一根電線的定點設(shè)備。因為這三個按鈕象是兩只眼睛和一個鼻子，而且那根電線則象是一條長尾巴，于是這一定點裝置就被自然而然地稱之為“MOUSE”。不幸的是，在研究的中途，經(jīng)費被取消了，許多杰出的工程師離開并到加利福尼亞的PARC(Palo Alto Research Center)工作。該部門是XEROX公司于1970年創(chuàng)辦的。1973年，XEROX ALTO個人計算機誕生了。它擁有當時的計算機所不曾有過的許多特點。最讓人激動的是，它是第一臺面向個人設(shè)計的計算機。因為在這之前，計算機還是個只能被少數(shù)人使用的巨型“怪物”。另一個令人激動的創(chuàng)新是其顯示信息的方式：屏幕不僅可以顯示文本，還可以像電視機一樣利用像素來顯示圖形。每個像素可以單獨地被控制和處理，這就是我們今天所說的位圖（bitmap）。通過工程師的不斷改進，這種計算機能顯示像真正的圖畫一樣清晰的圖形。工程師們一改當時用綠色顯示屏的作法，使用了黑白顯示屏，并實現(xiàn)在內(nèi)存當中控制位圖的顯示，最終實現(xiàn)了圖形和文本前所未有的顯示精度：808像素606像素。這臺機器的其他創(chuàng)新還有：可移動顯示器、工作區(qū)域像窗口一樣可以用光標移動位置，使用了類似于我們今天使用的鼠標器、用鼠標在菜單中選擇要執(zhí)行的任務(wù)等。位圖顯示方式需要大量的內(nèi)存，大大提高了機器的價格，每臺40000美元。XEROX公司考慮到如此昂貴的價格是難以在個人用戶中推廣的，所以并沒有向市場推出。8年以后，隨著技術(shù)的進步和關(guān)鍵部件價格的下調(diào)，他們才向市場推出了1600美元的XEROX Star。但此時，計算機市場已經(jīng)被便宜的蘋果計算機和IBM-PC機所控制。XEROX造的計算機只賣出了極少。面對飛速發(fā)展的計算機技術(shù)，XEROX起步很早，卻沒有在最關(guān)鍵的時候沖刺。蘋果計算機公司借鑒了PARC的技術(shù)。之后15位XEROX的工程師投向蘋果的懷抱，在這之前操作系統(tǒng)的程序已經(jīng)完成了。雙擊、拖曳、下拉菜單等技術(shù)也已基本成熟。 Macintosh 研究小組開始了大膽的創(chuàng)新，他們的設(shè)計宗旨是功能更強、價格更便宜、使用更簡單，并允許第三方在此之上開發(fā)軟件。他們在ROM中設(shè)計了工具條，并給出了許多應(yīng)用實例來鼓勵和引導(dǎo)大家使用蘋果機。蘋果公司還自己開發(fā)了大量優(yōu)秀的應(yīng)用軟件，包括圖形、電子表格等，但內(nèi)存仍是限制其功能進一步提高的瓶頸。三、多媒體技術(shù)的主要內(nèi)容 1.多媒體的軟硬件平臺 軟件及硬件平臺是實現(xiàn)多媒體系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中每一項重要的技術(shù)突破都直接影響到多媒體的發(fā)展與應(yīng)用的進程。 2.專用芯片 數(shù)字化后的音頻和視頻數(shù)據(jù)量非常大，因此必須進行壓縮并需要大容量的存儲器；音頻和視頻的輸入和輸出是實時的，需要高速度。要實現(xiàn)以上最基本的要求，在很多情況下，需要專用硬件支持。多媒體計算機專用芯片可歸納為兩種類型：一種是固定功能的芯片；一種是可編程的處理器 NEC公司稱其已開發(fā)出了一種用于圖像識別的單芯片并行處理器。這種處理器每秒能處理50.2G(1G10億)條指令。這一速度是3GHz的PC處理器的4倍，能耗卻只有1/10這個由3270萬個晶體管構(gòu)成的芯片由一個128個8位RISC處理單元和一個用于控制功能的16位處理器并行構(gòu)成。每個處理單元只有100MHz的工作頻率，從而大幅降低了能耗，其每個處理單元都擁有2KB的存儲空間，用于存儲圖像數(shù)據(jù)這個處理器的功耗相當于PDA的處理器、圖形處理性能相當于4臺PC，而尺寸卻只有1111毫米3.數(shù)據(jù)壓縮及編碼技術(shù) 多媒體系統(tǒng)要求具有綜合處理聲、圖、文的能力，面臨的主要問題是巨大的數(shù)據(jù)量，尤其是對動態(tài)圖形和視頻圖像一幅中等分辨率彩色圖像(分辨率為640480，256色，8bit/像素)大約需0.293M字節(jié)的存儲空間，如果用電話線的標準速率(2400bps)傳輸約需17分鐘，一幅同樣分辨率的真彩色(24bit/像素)圖像的數(shù)據(jù)量約為7.37Mbit，一個1000MB（等于8000Mbit）的硬盤只能存約1000幀靜止畫面，一秒鐘全動態(tài)視頻畫面（25幀）約占23.03MB空間，650MB的CD-ROM只能存放約28秒圖像信息。 數(shù)據(jù)壓縮的好處* 時間域壓縮迅速傳輸媒體信源 頻率域壓縮并行開通更多業(yè)務(wù) 空間域壓縮降低存儲費用 能量域壓縮降低發(fā)射功率4.多媒體同步 多媒體輸入輸出技術(shù)：多媒體輸入輸出技術(shù)包括媒體變換技術(shù)、媒體識別技術(shù)、媒體理解技術(shù)和媒體綜合技術(shù)。 綜合地利用這些輸入輸出技術(shù)實現(xiàn)用戶和計算機之間更加自然的交互是人機界面設(shè)計的目標。人機界面設(shè)計的目的是通過對用戶需求的解釋達到一種人機之間較好的通信能力，為了達到這個目的，需要在以下幾個方面進行研究： 穩(wěn)健的語言處理模式，包括語音識別和自然語言理解。 手勢分析和理解模型的設(shè)計。 上述兩個方面的通信模式的融合，因為二者之間在對用戶需求的理解上是相互補充的。 多模式環(huán)境中的對話管理。這是保證一個連續(xù)的對話過程所必需的。 5.多媒體網(wǎng)絡(luò)與分布式處理技術(shù) 多媒體單機系統(tǒng)的研究目前已相對成熟，但對多媒體計算機網(wǎng)絡(luò)的研究目前還不夠成熟。 數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)集多媒體信息的獲取、存儲、處理、編輯、綜合、傳輸于一體，并運行于網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點都可以共享網(wǎng)上的多媒體信息。多媒體技術(shù)要充分發(fā)展其對多媒體信息的處理能力，必須與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合。 運行于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多媒體系統(tǒng)，因為它能夠不受時空限制地使多個用戶透明地共享網(wǎng)上的數(shù)據(jù)，特別是多個用戶同時共同對一個數(shù)據(jù)文件進行編輯，這使得多媒體技術(shù)有了更廣泛的應(yīng)用。 6.信息的組織與管理多媒體系統(tǒng)軟件技術(shù)主要包括多媒體操作系統(tǒng)、多媒體編輯系統(tǒng)、多媒體數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)、多媒體信息的混合與重疊技術(shù)等 多媒體操作系統(tǒng)要求能夠像處理文本、圖形文件一樣方便靈活地處理動態(tài)音頻和視頻；在控制功能上，要擴展到對錄像機、音響、MIDI等聲像設(shè)備以及CD-ROM光盤存儲設(shè)備等的操作。多媒體操作系統(tǒng)要能處理多任務(wù)，易于擴充；要求數(shù)據(jù)存取與數(shù)據(jù)格式無關(guān)，提供統(tǒng)一友好的界面。 由于多媒體信息是結(jié)構(gòu)型的，致使傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫已不適用于多媒體的信息管理，需要從以下幾個方面研究多媒體數(shù)據(jù)庫： 研究多媒體數(shù)據(jù)模型。 研究數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮的格式。 研究多媒體數(shù)據(jù)管理及存取方法。 用戶界面。 7.多媒體數(shù)據(jù)存儲*隨著網(wǎng)絡(luò)和存儲技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)和存儲等計算機技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會生活不可或缺的重要組成部分。在客戶機-服務(wù)器（C/S）工作模式的影響下，存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢。通過存儲技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的恰當結(jié)合，將傳統(tǒng)以服務(wù)器為中心（server centric）的存儲模式變成以數(shù)據(jù)為中心（data centric）的存儲模式，將數(shù)據(jù)的管理與訪問分離，來消除服務(wù)器的負載瓶頸，這種以數(shù)據(jù)為中心的存儲模式導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)存儲（networked storage）技術(shù)的飛速發(fā)展。 網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)建立在客戶機-服務(wù)器模式的基礎(chǔ)上，采用更優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)，將存儲管理和數(shù)據(jù)存儲的負載分布在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和存儲設(shè)備（存儲子系統(tǒng)）之間，徹底緩解了數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中I/O帶寬與容量上的局限性，為數(shù)據(jù)存儲提供了更高的存儲容量和帶寬，并具有高可用性、高可靠性和高可擴展性等優(yōu)點。 隨著因數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化而開展的各種應(yīng)用的不斷增加，對網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)的要求也越來越高。這些要求不僅體現(xiàn)在存儲容量上，還包括以下幾個方面。 n 可用性和可訪問性。 n 可靠性。 n 可擴展性。 n 靈活性。 n 安全性。 n 易管理性。 n 良好的性價比。 8.虛擬現(xiàn)實技術(shù) 所謂虛擬現(xiàn)實，就是采用計算機技術(shù)生成一個逼真的視覺、聽覺、觸覺及嗅覺的感覺世界，用戶可以用人的自然技能對這個生成的虛擬實體進行交互考察。這個概念包含三層含義： - 虛擬實體用計算機來生成的一個逼真的實體； - 用戶可以通過人的自然技能(人的頭部轉(zhuǎn)動、眼動、手勢或其它的身體動作)與這個環(huán)境交互； - 要借助于一些三維傳感設(shè)備來完成交互動作，常用的如頭盔立體顯示器、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)服裝、三維鼠標等。 四、多媒體技術(shù)的應(yīng)用 *