多媒体通信及其相关技术

随着美国信息高速公路计划（ＮＩＩ）的提出，整个世界范围内掀起了建设全球信息高速公路（ＧＩＩ）的热潮。各个国家纷纷把信息基础设施的建设看成是在未来信息社会中能否立足的关键。许多国家都提出了本国的信息网络形式，这些不同的网络都把支持多媒体通信和应用作为其建设的重点，从而使多媒体通信成为目前各国研究的热点。

     区别于面向某一类信息媒体服务的单媒体网络，多媒体通信可同时对多种媒体信息进行存储、传输、交换与显示，因而它必须集成多种编解码器，运用多种表现方式，并能与多种传输媒体进行接口与通信；同时，多媒体通信终端的用户对通信的整个过程要有完备的交互控制能力；而且多媒体通信终端上显示的各种媒体信息必须同步起来，构成一个整体呈现在用户面前。换而言之，一个真正的多媒体通信系统必须是具备集成性、交互性和同步性的宽带综合业务网。

     可以看出，多媒体通信将计算机的交互性、通信网的分布性和电视的真实性融为一体，用户可以通过多媒体网络传送图形、图像、音频以及视频动画等多种媒体信息，以一种更加贴近自然的方式进行交流。然而，多种媒体所具有的庞大数据量以及不同媒体业务所具有的不同特点对多媒体通信网络的构成及其实现技术提出了较高的要求。

１ 多媒体通信网的组成

     多媒体通信网是一种面向多种媒体服务的宽带综合业务数字网，其网络组成分为传输网、交换网和接入网３部分。

１．１ 传输网

     由于多种媒体信息数据量的巨大以及不同业务的要求，多媒体通信网的传输干线要求能大容量、长距离地可靠传输多种信息数据，所以其物理传输线路采用光纤最为理想。光纤通信具有传输容量大、传输质量好、损耗小等特点，而近几年波分复用（ＷＤＭ）和光孤子技术的发展又促使光纤通信前进了一大步。ＷＤＭ技术可以使多路不同波长的光信号在同一根光纤上传输，这样不仅增加了容量，而且打破了光纤点到点连接的限制，用一条光纤就可以实现多个终端之间的双向通信，其传输容量可达１００Ｇｂｉｔ／ｓ以上；光孤子技术采用极窄的光脉冲，传输后失真极小，从而达到极高的传输容量。目前该技术仍处于研究阶段。

在传输体制方面，由于光纤同步数字传输网（ＳＤＨ网）具有同步复用、标准光接口和强大的网管功能而且网络性能也非常灵活，因此ＳＤＨ网就成为多媒体综合业务数字网理所当然的基础传送网络。

１．２ 交换网

    多媒体通信网中的交换部分要求能提供高速大容量交换，能同时支持多种业务。目前普遍看好的交换网是基于ＡＴＭ技术的综合业务数字网。

    ＡＴＭ交换技术是一种全新的通信技术，它是在电路交换和分组交换的基础上发展而来的，其目的就是为了能够提供多种综合业务。ＡＴＭ传送信息的基本载体是ＡＴＭ信元，ＡＴＭ信元是定长的，长度只有５３个字节。实际交换时，各种业务经过适配后以统一的信元形式在ＡＴＭ网中进行交换，其交换是面向连接的信元交换。采用虚连接的概念，虚连接由虚通道（ＶＰ）和虚通路（ＶＣ）两部分构成。在建立连接时，向网络提出流量描述以及服务要求，而网络只对连接进行资源分配，只有当真正发送信元时，其连接才占用网络资源。网络资源由各连接统计复用，在各业务间动态分配以达到最佳的资源利用率。

     ＡＴＭ兼有电路交换和分组交换的优点，但它并不是电路交换和分组交换的简单合并，它有自己一套复杂的协议和标准。现阶段，ＡＴＭ的协议和标准并未完善，尤其是公用网中的ＡＴＭ协议还有许多问题值得进行更深入的研究，才能使ＡＴＭ交换技术在全国乃至全世界范围内的高速信息网——多媒体通信网上达到实用化。

１．３ 接入网

     接入网是整个多媒体通信网与用户相连的最后一段网络。用户通过接入网连入多媒体网，多媒体通信所提供的各种业务也是通过接入网到达用户的，所以接入网是多媒体通信网中一个十分重要的环节。这要求接入网能为用户提供一个端到端的宽带连接，并且使用户只通过一条线路、一个接口就能获得多媒体网络所提供的各种综合业务。由于网络用户分散在各地，其网络条件、业务要求差别较大，与其相应的接入技术也不同，主要有光纤接入、铜线接入和光纤／同轴混合接入３种主要的宽带接入方案。

     由于成本高，多媒体通信网的完全光纤化在近期内不可能实现，所以不同的接入网技术正是为了能充分利用现存的广泛分布的计算机网络、电信网（包括电话网、电报网、ＤＤＮ网等）和有线电视网而作出的技术选择。但从长远来看，多媒体通信网的发展必将是以光纤为传输媒介的基于Ｂ－ＩＳＤＮ的高速数字通信网。

２ 多媒体通信中的几项技术

     要在通信网中实现多种媒体形式的处理、传输和显示，除了完备的网络构成外，多媒体信息的处理技术也是关键。以下仅从多媒体数据压缩、多媒体的同步以及多媒体网络终端３个方面加以论述。

２．１ 多媒体数据压缩

     多媒体信息中绝大部分是视频数据和音频数据，而数字化的音视频数据的数据量是非常庞大的，只有采用先进的压缩编码算法对其进行压缩，节省存储空间，提高通信线路的传输效率，才能使高速的多媒体通信系统成为可能。

     视频图像压缩技术经过几十年已经有了很大的发展，ＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ、Ｈ．２６１等标准已为人们所熟知；小波、分形以及模型基编码方法成为研究重点，并已取得了一定成果。但关于新算法的研究一直在进行，更高质量、更高压缩比、更易于实现的编码方法始终是图像领域研究的热点。同样，音频信号的压缩技术也不再仅仅局限于ＰＣＭ编码方法，波形编码和参数编码是语音编码的两个主要思路。码激励线性预测编码算法（ＣＥＬＰ）因其具有较低的码率又有良好的重建质量，从而成为音频压缩新的方向，并在此基础上发展出许多新的行之有效的编码算法。

     针对多媒体通信所提出的国际标准中，低速率网络上的多媒体通信协议Ｈ．３２４以及即将推出的多媒体通信新标准ＭＰＥＧ－４具有深远意义。

     Ｈ．３２４主要用于低速率网络上的多媒体通信，其视频编解码器采用Ｈ．２６３标准。Ｈ．２６３信源编码器和Ｈ．２６１十分类似，同样采用ＤＣＴ变换和运动补偿技术。但相对于Ｈ．２６１，Ｈ．２６３有许多改进之处：首先在帧间预测上，Ｈ．２６３

     比Ｈ．２６１增加了ＰＢ帧模式；同时Ｈ．２６３增加了更先进的运动补偿技术，对Ｐ帧采用了重叠块运动补偿；Ｈ．２６３中采用了无限制运动矢量模式，允许预测范围超出图像之外，预测精度为半个像素；Ｈ．２６３

     还采用了算术编码方法替代原来的Ｈｕｆｆｍａｎ编码方法。这些改进都使Ｈ．２６３编码极大地降低了码率，使其非常适合于在低速通信网络（如电话网）环境中实现多媒体通信。另外，Ｈ．３２４标准规定其音频压缩方法为Ｇ．７２３。Ｇ．７２３标准有两种码率，其高码率为６．３ｋｂｉｔ／ｓ，低码率为５．３ｋｂｉｔ／ｓ。高码率采用一种叫做多脉冲最大似然量化码激励线性预测编码算法；而低码率采用了代数码本码激励线性预测编码算法。两种算法都是从ＣＥＬＰ算法演变而来。采用Ｇ．７２３标准的算法对音频数据进行压缩，可以达到要求的码率，从而应用于实际的多媒体通信系统中。

     ＭＰＥＧ－４是国际标准化组织将于１９９８年１１月发布的多媒体通信的新标准，其目标主要是实现极低比特率下的多媒体通信，同时提供多产业多媒体通信的融合，所以ＭＰＥＧ－４要求有高效的压缩算法。对于静止图像，ＭＰＥＧ－４采用零树小波算法（ＺＷＡ）进行压缩，提供多达１１级的空间分辨率和质量的可伸缩性；对于运动视频图像，ＭＰＥＧ－４仍采用ＭＰＥＧ－１和ＭＰＥＧ－２中的ＤＣＴ变换与预测相混合的编码框架，但ＭＰＥＧ－４引入了形状编码模块，以支持基于对象的编码；此外，ＭＰＥＧ－４也提供基于内容的编码方法来体现其高层特性。至于音频数据的压缩，ＭＰＥＧ－４也比较了现有的各种编码算法，对于４～１６ｋｂｉｔ／ｓ的音频数据，一般采用码激励线性预测编码技术；对于２４ｋｂｉｔ／ｓ以上的编码，则可采用时频（Ｔ／Ｆ）变换编码技术。这些技术借鉴了已有的Ｇ．７２３、Ｇ．７２８以及ＭＰＥＧ－１和ＭＰＥＧ－２的音频编码标准。

     毫无疑问，音视频编码技术的改进以及多媒体通信新标准ＭＰＥＧ－４的推出必将进一步促进多媒体通信业的发展。

２．２ 多媒体的同步技术

     多媒体信息的时空同步技术的研究伴随着多媒体技术发展的始终，其原因在于多媒体技术是多种媒体有机的组合，因此各媒体之间空间和时间的相互关系十分重要。在网络上传输多媒体信息时，将给多媒体同步带来新的困难：由于多媒体网络的资源有限，所以网络的延迟和无法预料的网络拥塞不仅影响到单一连续媒体传输和播放的稳定性（单一媒体的同步），而且给各媒体相互配合（多种媒体间的同步）设置了障碍。

     目前，解决多媒体通信中信息同步的方法很多，主要应用的方法有缓冲方法、反馈方法和时间标记方法。其中前两种方法常应用于单媒体信息流的同步，后一种方法主要应用于多媒体信息流的同步。

     缓冲方法是通过设置一些大小适宜的缓冲区，在数据传输较快时，将超前的数据先存于缓冲区中，而在数据传输较慢时从缓冲区中取数据，以达到一种稳定的状态。反馈方法是通过将已到达媒体数据的一些情况反馈到发送方，发送方根据一些原理来确定将要传输的数据，以此进一步控制数据的稳定传送。

     对于多种媒体间的同步，有效的方法是采用时间标记法：在采集相关的各种媒体数据时，根据它们的相互关系，在数据上打上一些标记，具有相同标记的各种媒体数据要求在同一时刻进行传输和播放。在实现中，一般都设有一个主媒体，通过其它次媒体与主媒体的同步达到各媒体间的同步。

２．３ 多媒体网络终端

     多媒体网络终端是多媒体通信中的重要环节，是用户与多媒体通信网的接口，是多媒体数据网络传送的起点、终点或中转站。其主要包括多媒体服务器和多媒体工作站。两者的基本结构都包括多媒体硬件系统和软件系统。多媒体硬件系统要求是具有网络功能的多媒体计算机，具备对多媒体数据的获取、接收、处理、存储和传送能力；而其软件系统应包括多媒体网络操作系统、多媒体工具软件、多媒体信息控制软件等。

     此外，目前各国重点研究开发的交互式电视也已成为多媒体终端的一种重要形式。通过交互式电视，用户可以获得多媒体通信系统所提供的各种服务。交互式电视的基本结构已形成共识，即由电视、遥控器、机顶盒（Ｓｅｔ－Ｔｏｐ Ｂｏｘ）及连入家庭的多媒体通信电缆组成。但有关机顶盒及遥控器的设计、网络电缆通信方式、服务系统控制及收费等方面问题仍需深入研究。

      总体上，多媒体通信要求多媒体网络终端应能快速处理信息，并具有较强的交互性，因为对用户而言，多媒体通信系统性能的优劣在很大程度上取决于网络终端是否能发挥出其应有的效能。

３ 结束语

     由以上的讨论可知，多媒体通信的关键在于网络的宽带化和多媒体信息处理技术的进步。而未来的多媒体网络应是高速的信息传输网，即在全国乃至全世界范围内以光纤和高速数字交换设备构成的宽带高速信息网，而多媒体信息技术的前进将使用户以自然的方式与任何一个地区的其它用户在任何时刻都能够进行多媒体信息的交流。

     可以预知，多媒体通信技术将在信息社会得到极大的应用，虚拟学校、远程医疗、全球图书馆、电子报刊、电子医院等众多新的学习和生活方式，将伴随着多媒体通信技术的广泛研究和应用，逐步走向人们的现实生活，使人类的生活掀开崭新的一页。□

参考文献

１ 裘晓峰，张春红．宽带网络技术及其应用．清华大学出版社，１９９７

２ 胡晓锋．多媒体技术研究与开发的若干问题．世界电子信息，１９９６，４（２）

（收稿日期：１９９８－０９－１８）

[摘要] 文章论述了多媒体通信网的构成，并对多媒体通信中的３项关键技术：多媒体数据压缩、多媒体同步以及多媒体网络终端进行了讨论。

[关键词] 多媒体通信 光纤通信 多媒体同步

[Abstract] Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ａｎａ-ｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｄａｔａ ｃｏｍ-ｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

[Keywords] Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｆｉｂｅｒ－ｏｐｔｉｃ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ ■