多媒体计算机技术的关键技术解决方案

多媒体技术是计算机技术发展的必然趋势，但它的发展依赖于许多基础技术发展，例如超大规模集成电路的密度和速度的大大增加；CD-ROM的低成本、大容d存储信息；双通道VRAM的引进；网络技术的广泛应用等计算机基础技术的发展。这些基础技术的发展有效地带动了数字音频、视频压缩/解压缩算法和处理器结构的改进。多媒体的处理技术方法与传统计算机是很有区别的，而且多媒体技术的出现必然会对传统计算机的体系结构产生极大的影响。研制多媒体系统的关键技术王要包括数据压缩技术、处理音频和视频的专用芯片技术、多媒体核心软件技术及多媒体网络通讯技术。

§1.4.1 视频和音频数据压缩与解压缩技术

数据压缩与解压缩技术是多媒体计算机的核心技术之一，多媒体庞大数据量的处理必须以数据压缩和解压缩技术为基础，在开发多媒体应用系统中，遇到的最大障碍是对多媒体信息巨大数据量所进行的采集、存储、传输，特别是还要对其进行实时处理。例如：一幅中等分辨率的彩色图像，每像素24位，数据量约为640×480×24，即每幅图像达到7.35Mbit，若是运动图像，要以每秒30幅或25幅的速度播放，则视频信号传输速度为220Mbit/秒，若存放在650兆字节的光盘中，则只能播放24秒。又如对于音频信号，假设采样频率为44.1kHz，量化为16bit的双通道立体声。每秒所占的数据量就为176KB，那么，650MB光盘只能存放70分钟左右的数据，1.44MB的软盘只能存放约8秒钟的数据，其传输速率为1.4MB/秒。

这样大的数据量对当前的计算机是难以忍受的。因此，为了使多媒体技术达到实用的水平，对大数据量问题的解决办法主要有两种：一种是采用新的技术手段增加存储容量和通讯带宽，比如CD-ROM（紧凑只读光盘）和可擦写光盘系统，事实上，光盘已成为当前多媒体唯一实用的大容量外存储器；另一种方法就是对数据进行有效的压缩，主要指视频和音频数据的压缩与解压缩技术，这是多媒体系统中解决大数据量的实用方法，它将对计算机的使用方法产生根本的影响，达到像处理文本数据那样处理图形、图像、音频数据，这也是解决传输频带宽度不足问题的更为通用和彻底的方法。可以说没有数据压缩技术的进步，多媒体技术就难以得到真正实际的应用。

目前大多采用各种编码方法来压缩数据，如常用的变换编码、统计编码、矢量量化及混合编码等，并已形成了一些国际标准和商品化的产品。其中最主要的压缩编码的国际标准是：

1.JPEG禁止图像压缩标准

JPEG（Joint Photographic Experts Group）联合图像专家组，于1986年开始研究对于静止图像的压缩方案，历经五年的反复修改，在1991年提交给CCITT和ISO（国际标准化组织），成为一个适用于连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像数据压缩的国际标准。其对于黑白及彩色照片、图像文献资料、彩色传真和印刷图片等的压缩比可以在8～100：1之间，压缩后的一个像素点可用0.25～2比特存储，其基本算法是8×8像素自适应DCT算法和差分脉冲编码调制DPCM算法。

2.MPEG运动图像压缩标准

MPEG（Moving Picture Experts Group运动图像专家组）压缩标准是CCITT在1992年推出的适用于全运动视频图像的压缩编码方案，它的压缩比可以达到80～275∶1，基本算法采用了运动补偿预测编码和插补编码及变换域（DCT）的压缩算法。

3.P×64KB/s视频编码压缩标准

P×64KB/s视频编码压缩标准是由CCITT在1991年提出的专供图像、动画、视频、声音信息网络传输的数据压缩、解压缩方案，主要是应用于可视电话和电视会议的。其压缩比可以达到100～300∶I，基本算法是采用混合编码方法，即基于DCT的变换码，以及带有运动预测的差分脉冲编码调制（DPCM）的混合。

§1.4.2 多媒体计算机硬件体系结构的专用芯片技术

多媒体要求快速实时地完成文字、视频、音频信息的处理，特别是视频信息和音频信息的压缩和解压缩，图像的多种特技处理（如改变比例尺、淡入淡出），图像处理（图形的生成和绘制），音频信息处理（抑制噪声、滤波），以及其它大量的数据运算等等，都对计算机的硬件提出了更高的要求，它必需具有高速强大的计算能力。就目前的处理器，无论是RISC技术，还是CISC技术，都不能支持如此高的计算能力，要满意地完成上述任务，就必须采用专用处理芯片，目前多媒体系统大多采用硬件插卡来提供硬件支持，许多半导体厂商都清楚地看到了这一有长远潜力的市场，推出了许多有竞争力的产品。

从总体来看，多媒体计算机专用芯片可归纳为两大类型。一类是固定功能的芯片，目前主要的是图像数据压缩卡，如C-Cube公司设计并制造的CL-550，是世界上第一个把执行JPEG标准算法做在一个专用芯片上的产品，现已在国际市场上广泛销售，用CL-550专用芯片能够对静态图像实时地进行压缩和解压缩处理；另一类是带有处理器的可编程芯片，如目前广泛使用的声霸卡和视霸卡等，这种功能的芯片较为灵活，可通过编程完成各种不同的操作，并且能适应标准的改变与升级，例如Integrated Information Technology公司推出的一种多功能视频压缩芯片VP（Vision Processor）为了支持多种压缩编码标准，采用了微码可编程技术，可直接被主处理器控制执行JPEG标准算法，同时还能执行MPEG和P×64标准算法。VP有高速像素I/O通道、微码控制器、VLC及缓冲区系统到主计算机的接口，VP建立了高速数据逻辑通道，它把微码控制器和MPEG及P×64压缩和解压缩算法数据流结合，同时VP可执行四个16×16乘法器及八个16位ALU运算。

虽然多媒体计算机硬件结构的核心是专用处理器，但是任何多媒体系统都需要其它芯片的支持，包括VRAM、A/D和D/A转换器、音频处理芯片等。

§1.4.3 多媒体计算机系统软件技术

多媒体计算机系统软件的核心是音频视频子系统和内部核心程序的设计。为了支持计算机对声、文、图等多媒体信息的混合处理，并解决多媒体信息的时空同步问题，研究多媒体系统软件核心是又一关键技术。

在这方面，美国Commodore公司为其Amiga系统研究的Amiga操作系统以及著作语言Amiga Vision，Philips和Sony公司为CD-I研制的CD-RTOS（CD实时操作系统），Intel/IBM公司为DVI系统研制的AVSS（Audio/Video Support System）以及AVK（Audio Video Kernel）等，都是多媒体系统软件核心的典型例子。

1.多媒体系统软件核心的设计思想

多媒体系统软件核心的设计思想基于以下几点：

（1）平台的独立性：保证广泛地应用多媒体的基本操作。

（2）灵活性：提供一个能够管理控制多媒体计算机所使用的各种类型的驱动器数据的环境。(https://www.xing528.com)

（3）可扩展性：支持多媒体计算机所采用硬件性能的改进和提高，以适应不断形成和完善的新标准。

（4）高性能：为了满足多媒体计算机中高速密集的处理需要，AVSS/AVK要提高水平，实时的多媒体协同处理的支持。

2.多媒体系统软件核心的主要任务

在多媒体计算机系统中，VASS或AVK要完成的任务是：

（1）支持随机移动或扫描窗口条件下的运动及禁止图像的处理和显示。

（2）为相关的语音和视频数据流的同步问题提供需要的实时任务调度。

（3）支持标准桌上型计算机的环境。

（4）使主机CPU的开销减少到最小。

（5）随着硬件能力的增加，VASS或AVK的性能指标也不断地增长。

§1.4.4 多媒体网络通信技术

多媒体网络通信技术是多媒体技术和现代通信技术相结合的产物，多媒体网络通信集人类通信技术之成果，被认为是人类自身全部信息功能的远距离延伸，是最接近人类自然的传递信息、超越时空限制的一种通讯方式，是人类文明以来最完美的通讯方式。多媒体技术提供了人们最习惯的、声图文并茂的信息表示，通讯技术提供了覆盖全球的通信网络，实现了通讯的高速化、个人化。这一切都为多媒体信息的传输奠定了物质技术基础。

在封闭系统内研究和实现多媒体系统是没有生命力的，多媒体技术必须与通信技术相结合才能真正显示出它的无限生命力，理想的多媒体通信方式应该是人们可以在任何时间和任何地点通过通信网络获得所需要的各种各样的多媒体信息，这种新型多媒体通信方式对通信技术和信号处理技术提出了新的要求。目前的多媒体通信技术要解决的问题甚多。关键的技术是：

1。多媒体通信网技术

多媒体技术要和通信技术相结合，首先要解决的问题应该是多媒体通信网技术。

（1）由于多媒体要通过通信网传送文本、图形、图像、声音和视频等不同媒体，对通信网也就提出了不同的要求。一般地说，文本、图形和图像属于不连续媒体，要求的平均速率不高，但有很强的突发性和短时的高速率。声音和视频属于连续媒体，其中话音信号传输速率较低，但实时性要求高，视频信号则需要极高的传输速率，在对待上述不同的要求时，早期的多媒体通信系统中采用由不同的通信网传输不同的媒体。但在新型的多媒体通信中是采用单一的综合的通信网来传输各种媒体，因此这种综合网的传输速率至少应该在100MB/s以上，才能满足要求。

（2）多媒体通信要求有适合于传输多媒体信息的通信网，而目前的电话网基本上是模拟网（或者是数模混合网），在这个网中的用户线路只能传送模拟信号，要传送数字信号时必须加调制解调器（MODEM），但由于模拟线路传输速率只能达到9600b/s（目前最高可达到19200b/s），对多媒体信息的传输速率来说太低了，因此多媒体通信的发展对通信网提出了更高的要求，而综合业务数字网（IDN）将是未来一段时间内多媒体通信的基本传输手段。

2.视频和音频信号的压缩/解压缩技术

未经压缩的视频信号和音频信号具有非常大的数据量，例如一幅分辨率为640×480，24比特彩色图像的数据量为7MB，经过数字化了的标准电视信号的速率超过100Mb/s。这种数据量不仅超出了多媒体计算机的存储能力，而且也超出了当前通信信道的带宽，因此必须进行数据的压缩。新的国际通信标准B-ISDN（宽带综合业务数字网）的异步传输方式（ATM）将能满足多媒体通信对网络总带宽的要求。除了带宽问题外，多媒体通信中仍有许多特殊问题需要解决。

3.多媒体信息的多路混合传输等技术

在多媒体通信中同时传送语言、图像、文件等信号，必须要用复杂的多路混合传输技术，而且必须采用特殊的约定，以便在接收端能正确无误地区分。此外，相关数据类型的同步、多媒体设备的控制、不同终端和网络服务器的动态适应、超媒体信息的实时性要求、可变视频数据流的处理、网络频谱及通道分配、高性能和高可靠性以及网络和工作站的连接结构等等，都是多媒体通信要认真解决的技术问题。