第八章分布式多媒体及其典型应用

第八章分布式多媒体及其典型应用 主讲: 电话: 邮箱:

概述 • 多媒体技术与高速通信网络技术相结合产生了分布式多媒体技术这个新型边缘研究领域，分布式多媒体系统是指将多个分布在不同地点的多媒体终端、交换设备和多媒体服务器通过高速通信网络互连在一起并能够完成多媒体通信业务的系统，分布式多媒体系统也称为多媒体通信系统。多媒体信息处理技术、分布式数据处理技术和多媒体计算机网络技术的迅速发展为分布式多媒体应用系统的实现奠定了良好的基础，分布式多媒体技术可以向用户提供多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种多媒体综合信息服务。

主要内容 • 8.1 分布式系统概述 • 8.2 分布式多媒体系统 • 8.3 分布式多媒体服务质量管理 • 8.4 流媒体技术 • 8.5 移动多媒体通信 • 8.6 分布式多媒体典型应用系统

8.1 分布式系统概述 • 8.1.1 分布式系统概念与组成 • 多个计算机自治处理单元通过网络互连在一起协作完成一个总体任务的系统称为分布式系统，分布式系统中各个自治计算机通过网络交换信息才能共同完成同一项工作。自治计算机拥有自己的处理器和存储器，自治计算机之间采用消息传递机制实现信息交换。 • 分布式系统由分布式硬件、分布式数据和分布式控制组成分布式硬件——系统中的自治计算机和通信网络分布式系统——至少包含两个或两个以上的自治计算机分布式数据——将数据划分为多个部分，存放在不同的自治计算机上。

8.1 分布式系统概述 • 8.1.2 分布式系统的特点 • 1. 系统资源分布的模块性 • 2. 计算机处理单元的自治性 • 3. 计算机处理单元的协作性 • 4. 分布式系统的透明性 • 访问透明性。 • 位置透明性。 • 并发透明性。 • 复制透明性。 • 故障透明性。 • 5. 分布式系统的可扩展性

8.2 分布式多媒体系统 • 8.2.1 分布式多媒体系统概念 • 分布式多媒体系统是指能够实现多媒体功能的分布式系统。分布式多媒体系统集计算机的交互性、网络通信的分布性、多媒体信息表示的综合性于一体，能够提供诸如多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体电子邮件、多媒体文档交换、计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、远程计算机辅助教学等多种服务。

8.2 分布式多媒体系统 • 8.2.2 分布式多媒体系统的基本特征 • 1. 媒体综合性：分布式多媒体系统可以将多种媒体整合在一起，形成一个集音频、视频、文本于一体的完善的综合性系统，具有媒体综合性的特征。 • 2. 时间依赖性：音频和视频信息都属于时基媒体，需要系统实时地进行处理。另外，分布式多媒体应用的交互性也给系统带来实时性的要求。 • 3. 数据突发性：由于多媒体数据都需要先压缩后再进行传输，而压缩后的数据流量与待压缩数据的序列有关，因此发生数据流量随时间发生变化的现象。

8.2 分布式多媒体系统 • 8.2.3 多媒体数据流对分布式系统性能的要求 • 1. 分布式多媒体对网络性能的要求 • （1）网络的吞吐量。 • 吞吐量是指通信网络单位时间内传输的二进制位数，吞吐量也称为带宽、比特率或数据传输速率。实时传输动态图像对网络的吞吐量要求最高。 • （2）网络的传输延迟。 • 网络的传输延迟定义为信源发出第一位比特到信宿接收到该比特之间的时间差，传输延迟包括信号在物理介质中的传播时间和信号在网络中的处理时间。对于实时会话应用，网络的传输延迟时间应小于250ms，对于多媒体信息检索与查询应用，系统对用户的响应时间不应超过1~2s。

8.2 分布式多媒体系统 • （3）网络的延时抖动。 • 网络传输延迟时间的变化称为网络的延时抖动（Delay jitter），延时抖动通常采用在一次会话过程中最长和最短传输延迟时间差来表示。延时抖动会破坏多媒体的同步。在网络终端采用大容量缓冲器能够对延时抖动进行适当补偿。 • （4）数据传输误码率。 • 常用的数据传输误码率主要有比特出错率、包出错率和包丢失率。比特出错率BER（Bit Error Rate）是指数据在传输过程中出错的位数与数据的总位数之比。包出错率PER（Packet Error Rate）是指数据包在传输过程中由于包丢失、包次序颠倒或同一个包接收了两次以上等现象而导致的数据包错误。包丢失率PLR（Packet Loss Rate）也称为信元丢失率CLR（Cell Loss Rate），包丢失率只关心数据包在传输过程中的丢失概率，而不关心数据包在传输过程中的其他错误。

8.2 分布式多媒体系统 • 2. 分布式多媒体对网络传播方式的要求 • （1）单向与双向网络。 • 信息只能向一个方向传输的网络称为单向网络，而信息可以在终端与服务器之间或终端与终端之间双向传输的网络称为双向网络。交互性是分布式多媒体应用的重要特征，因而只有双向网络才能满足分布式多媒体应用的需求。 • （2）单播、广播与组播通信方式。 • 网络上节点到节点之间的信息传输方式叫做单播通信（Unicast），信息从网络上的某个节点向所有其他节点传输的通信方式就称为广播通信（Broadcast），如果信息可以从网络上的某个节点向多个指定节点传输则称为组播通信或多点通信（Multicast）。

8.3 分布式多媒体服务质量管理 • 8.3.1 服务质量管理概述 • 服务质量QoS（Quality of Service）是用户对某种服务的满意程度，用户对分布式多媒体应用都会有一定的服务质量要求。通信网络的吞吐量、传输延迟时间、延时抖动和数据传输误码率等技术指标都会直接影响分布式多媒体应用的服务质量，因此服务质量是多媒体传输网络的一个重要概念。服务质量管理分静态资源管理和动态资源管理，静态资源管理是指按照通信建立时约定的QoS参数对网络资源进行的管理，动态资源管理则是指在业务流传送过程中对资源进行的管理。

8.3 分布式多媒体服务质量管理 • 8.3.2 服务质量静态资源管理 • 连续媒体具有很强的实时性，因此分布式多媒体应用系统的QoS管理应当容许用户灵活配置，以建立与特定应用相匹配的QoS等级。静态资源管理主要包括服务质量映射、服务质量协商、服务质量接纳和服务质量资源预留。 • 1. 服务质量映射 • 2. 服务质量协商 • 3. 服务质量接纳 • 4. 服务质量资源预留

8.3 分布式多媒体服务质量管理 • 8.3.4 服务质量动态资源管理 • 动态资源管理分为QoS监控和QoS管理两部分，QoS监控是指在业务流传送过程中对资源进行的实时控制，根据在较长一段时间内监测业务流传送的情况来确定对资源进行调整就是QoS管理。 • 1. 服务质量监控 • （1）流调度：指在终端或网络节点上传送数据包的策略。 • （2）流成形：是按照用户对峰值速率、平均速率或突发度等业务流性能的要求，使进入网络的业务流的流量变化变的平缓一些，流量变化平缓的业务流容易实现资源预留和流调度处理。 • （3）流监管：指用户在通信过程中是否违背了与网络在通信建立时约定的QoS要求。 • （4）流控制：流控制是ATM网络特有的QoS保障机制，能够支持可变速率的数据传输。

8.3 分布式多媒体服务质量管理 • 2. 服务质量维护与缩放 • （1）服务质量维护。 • 服务质量维护（QoS Maintenance）任务就是将监测到的QoS参数与用户要求的QoS参数进行比较，然后根据比较结果对相应的资源进行调整来满足用户的QoS要求。 • （2）服务质量缩放。 • 如果在通信过程中，由于网络拥塞或负载过重等原因导致不能维持协商好的QoS参数值，QoS维护机制将调整资源来设法保持QoS水平。

8.4 流媒体技术 • 流媒体指在分布式多媒体系统中使用流式传输技术的时基媒体，如：音频、视频或其它多媒体文件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入数据缓冲区，流式媒体的数据流随时传送随时播放，只是在开始时有一些延迟。就如农民为庄稼浇水时，并不是把从水渠流来的水收集在一起后再行灌溉，而是渠水来一些就灌溉一些。

8.4 流媒体技术 • 8.4.1流式传输的基础 • 网络上多媒体信息的传输目前主要有下载和流式传输两种方式。流式传输时，多媒体数据流由服务器向用户计算机连续、实时地传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过很短的启动延时即可进行播放。流媒体实现的关键技术就是流式传输。实现流式传输有两种方法：实时流式传输（Real-time streaming）和顺序流式传输（progressive streaming）。一般说来，如果要传输的多媒体信息为实时广播，或者使用的是流式媒体服务器，或应用如RTSP的实时协议进行传输，即为实时流式传输。如使用HTTP服务器，文件通过顺序流发送，则为顺序流式传输。

8.4 流媒体技术 • 8.4.2流媒体技术原理 • 流式传输的实现需要数据缓存技术。数据缓存技术的作用有两个：一是对到达的数据包进行正确的排序，二是预存一定数量的数据以供连续播放。 • 流式传输的实现需要合适的传输协议。在流式传输的实现方案中，一般采用HTTP/TCP来传输控制信息，而用RTP/UDP来传输实时数据。

8.4 流媒体技术 • 8.4.3 流媒体传输协议 • 1. 实时传输协议RTP：是用于Internet上针对多媒体数据流的一种传输协议，为交互式音频、视频等具有实时特征的数据提供端到端的传送服务。 • 2. 实时传输控制协议RTCP：是RTP的控制协议，RTCP和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务。 • 实时流协议RTSP：该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据。 • 资源预留协议RSVP：是网络中预留所需资源的传送通道建立和控制的信令协议，可沿着数据流所选定的路由来预留资源（如带宽）。

8.4 流媒体技术 • RTP、RTCP、RTSP、RSVP各协议的关系如下图所示。

8.4 流媒体技术 • 8.4.4流媒体文件格式 • 流式文件格式经过特殊编码，使其适合在网络上边下载边播放。将压缩媒体文件编码成流式文件，必须加入一些附加信息，如计时、压缩和版权信息。编码过程如下图所示。 • 到目前为止，Internet上使用较多的流媒体格式主要有RealNetworks公司的RealMedia、Apple公司的QuickTime和Microsoft公司的Windows Media。

8.4 流媒体技术 • 8.4.5 IPTV与“三网合一” • IPTV（Interactive Personal TV OR Internet Protocol TV）是采用流媒体技术通过宽带网络将多媒体业务传输到用户终端的分布式多媒体系统。IPTV能够提供组播、点播、可视电话、网络游戏、远程教育、电子商务等业务，其用户终端可以是PC，也可以是机顶盒+电视机，还可以是手机或其他智能终端设备。IPTV的快速发展有力地推动了“三网合一”的进程。 • IPTV技术的成功运用从根本上改变了以往电视信号只能单向传输的状况，使得各个网络在进行它所擅长业务的同时，逐渐融合进更多的更先进的数据业务，真正实现了数据互通、资源共享的目的。“三网合一”甚至“多网合一”是信息时代的必然趋势，“三网合一”的时代正在来临。

８.５移动多媒体通信 • 在任何时候、任何地方可以和任何人进行通信，这自古以来就是人类美好的梦想。移动通信技术的推广和应用使得人们的这一理想成为了现实。 • 3G无线网络给多媒体业务提供384 kbit/s～2 M bit/s的带宽，使得在无线链路上提供集成的数据，语音，音频，视频业务成为可能。 • 目前，国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的CDMA 2000，欧洲和日本提出的WCDMA和我国提出的TD-SCDMA。

８.５移动多媒体通信 • 8.5.1移动多媒体通信系统的组成 • 移动多媒体通信系统由移动多媒体通信网络和移动多媒体通信终端构成，其基本的系统结构如下图所示。

８.５移动多媒体通信 • 8.5.2 移动多媒体通信的关键技术 • 1. 数据压缩技术 • 2. 信息同步技术 • 3. 高速信号处理技术 • 4. 信道编码和差错恢复技术

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 分布式多媒体技术的真正意义就在于通过网络向用户提供综合信息服务，随着高速网络与多媒体信息处理技术的不断成熟，建立集数据、音频和视频等多种媒体信息处理于一体的分布式多媒体应用系统已经成为可能。到目前为止，已出现了计算机支持协同工作、多媒体点播服务系统、多媒体信息检索与查询、视频会议系统、多媒体信件及远程教学等多种分布式多媒体典型应用系统。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 1. 计算机支持协同工作的基本概念 • 定义1：致力研究协同工作的本质和特征、探讨如何利用计算机技术设计出支持协同工作的信息系统。 • 定义2：能够支持有共同目标或共同任务的群体性活动的计算机系统，并且系统能够为共享环境提供接口。 • 群件和工作组计算是CSCW中的两个最重要概念。群件就是一种支持一组成员为一个共同任务而工作的计算机软件系统，群件为组成员协同工作提供了共享环境和工具。工作组计算则是指组成员进行协同工作时共同完成的计算任务。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 2. 计算机支持协同工作的分类 • CSCW系统在电子邮件、电子布告栏、电子会议室、群决策支持和多用户编辑系统等多领域得到应用，CSCW系统根据时间、空间和用户规模有不同的分类方法。右图给出了CSCW系统按照时间、空间和用户规模进行分类所形成的不同应用系统。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 3. 计算机支持协同工作的关键技术 • （1）组通信。 • （2）应用共享控制。 • （3） CSCW人机界面。 • （4）共享空间访问冲突。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 8.6.2 视频会议系统 • 视频会议（Video Conferencing）系统是一种在不同地点的多用户之间提供音频和视频图像双向实时传输的会话型电信业务，视频会议也称为视听会议、可视会议、会议电视或电视会议。 • 1. 视频会议系统基本功能 • 视频会议系统可以在异地之间实时双向传输文本、语音、图形、图像等多媒体信息，并容许多人参加、协同工作以达到面对面开会的效果。视频会议系统可以为用户提供会议管理、发言控制、信息交换和用户交互界面等多个功能。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 2. 视频会议系统标准 • 视频会议系统的发展经过了第一代模拟电视会议系统，第二代电路交换会议系统，第三代分组交换会议系统三个阶段。目前广泛使用的标准包括：H.320标准、H.323标准以及SIP（Session Initiation Protocol）视频会议标准。 • （1）H.320标准。 • H.320是同步电路交换网（如ISDN）上视频会议的标准。这些网络适用于实时应用，如长时间和具有确定延迟的音频和视频信号传递。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • （2）H.323标准 • 国际电信联盟制定，基于分组的多媒体通信系统，包含了一系列协议，如音频编解码标准有G.7X，视频编解码标准有H.26X，数据传输标准为T.12x；媒体流通信控制协议H.245；呼叫控制信令H.225等等，视频会议只是这一标准的众多应用之一。H.323协议的结构如右图所示。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • （3）SIP协议（Session Initiation Protocol，会话初始协议） • SIP是由IETF于1999年提出的一个在基于IP网络中，实现实时通信应用的一种信令协议。在基于SIP协议的应用中，每一个会话可以是各种不同类型的内容，可以是普通的文本数据，也可以是经过数字化处理的音频、视频数据，还可以是诸如游戏等应用的数据，应用具有巨大的灵活性。 • SIP协议在很大程度上借鉴了其他广泛存在的Internet协议，如HTTP，SMTP等，采用基于文本的编码方式，这是SIP协议同视频通信领域其他现有标准相比最大的特点之一。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 3. 视频会议系统工作原理及其结构 • 一个视频会议系统主要由终端、网关、网闸及多点控制单元MCU组成。其系统结构如下图所示。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 4. 视频会议系统的关键技术 • （1）音频和视频编解码技术。 • （2）视频会议的QoS保证技术。 • 视频会议系统中的传输网络应充分考虑应用所需的网络带宽、数据流的传输延时和丢失率等质量指标，满足音频和视频等实时应用。如何提供具有一定QoS的保证也是视频系统的关键技术。 • （3）媒体同步技术。 • 媒体同步是指保持一个数据流或者不同媒体流之间的时间关系。通常有流内同步、流间同步和对象间同步等三种类型的同步控制。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • （4）组播技术。 • 视频会议业务需要点到多点的通信。组播技术可以避免数据的重复发送，不会造成网络带宽的浪费，非常适合视频会议业务，是视频会议系统的关键技术之一。 • （5）信息安全技术。 • 用于视频会议系统的信息安全技术主要有加解扰技术和数字签名技术两大类。加解扰技术的目的是防止信息被非法盗用。数字签名技术的目的是解决信息的否认、伪造、篡改及冒充等问题。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 8.6.3 IP电话 • IP电话（VoIP， Voice over Internet Protocol），是利用互联网实现语音通信的一种先进通信手段，是基于IP网络的语音传输技术。它利用电话网关之类的设备将电话语音数字化，将数据压缩后打包成数据包，通过IP网络传输到目的地；目的地收到这一串数据包后，将数据重组，解压缩后再还原成声音。这样，网络两端的人就可以通话。与传统电话相比，IP电话费用相当低廉。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 1．IP电话工作原理 • IP电话在宽带网连接上提供语音通信。这种语音通信可以转接到公共互联网上，也可以转接到专用的IP干线网络。由专门设备或软件将呼叫方的话音/传真信号采样并数字化，压缩，打包，经过IP网络传输到对方，对方的专门设备或软件接收到话音包后，解压缩，还原成模拟信号送给电话听筒或传真机。 • 在企业网中，一般都使用IP电话网关实现普通电话网络与IP网络的转换。IP电话网关具有路由管理功能，它把电话区号映射为相应的地区网关IP地址，这些信息存放在数据库中。在用户拨打IP电话时，IP电话网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的IP地址，并将此IP地址加人IP数据包中，同时选择最佳路由，把IP数据包经因特网送达目的IP电话网关。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 2．IP电话系统结构 • IP电话系统由终端设备（TE）、网关（Gateway）、多点控制单元（MCU）和网守（ Gatekeeper）四个基本组件组成，其系统结构如下图所示。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 3． IP电话的相关技术标准 • 为了能够使得不同厂家的IP电话产品之间有良好的互连性，最关键的问题是要制定相应的国际标准。当前应用比较广泛的两个标准是ITU-T制定的H.323系列标准和IETF制定的SIP标准。这两个标准给出了分布式多媒体系统中信号的传输和控制这一问题的两种不同的解决方法。此外，还有两个信号传输协议被看作是SIP标准的一部分，它们是SDP（Session Description Protocol，会话说明协议）和SAP（Session Announcement Protocol，会话通告协议）。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 4．IP电话关键技术 • （1）信令技术 • 信令技术保证电话呼叫的顺利实现和话音质量，包括PSTN侧信令，如中国七号信令，以及IP网内的信令技术。 • （2）编码技术 • 话音压缩编码技术是IP电话技术的一个重要组成部分。目前，主要的编码技术有ITU-T定义的G.729，G.723等。 • （3）实时传输技术 • 实时传输技术主要是采用实时传输协议RTP。 • （4）服务质量（QoS）保征技术 • IP电话中主要采用资源预留协议（RSVP）以及进行服务质量监控的实时传输控制协议RTCP来避免网络拥塞，保障通话质量。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • （5）网络传输技术。 • IP电话中网络传输技术主要是TCP和UDP，此外还包括网关互联技术、路由选择技术、网络管理技术以及安全认证和计费技术等。 • （6）静音检测技术和回声消除技术。 • IP电话中的静音检测技术可有效剔除静默信号，从而使话音信号的占用带宽进一步降低到3.5kbit/s左右。回声消除技术主要利用数字滤波器技术来消除对通话质量影响很大的回声干扰，保证通话质量。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 8.6.4 视频点播系统 • 视频点播系统改变了传统的单向传输、用户对视频节目无权选择的状况，使用户不仅能够观看固定节目，而且还可以随时点播自己想看的节目。从长远来看，视频点播具有巨大的潜在市场和深远的发展前景，代表未来全功能网络化和数字交互式信息的应用发展趋势，是一种从内容、形式上更深层次的互动，也是数字影院、交互视频新闻广告等新应用的基础，具有广阔的发展潜力。 • 构成视频点播系统的方案主要有两种：一是以计算机局域网为传输主干线，以PC为点播终端的VOD系统；一是以有线电视网为传输主干线，以机顶盒与电视机为点播终端的VOD系统。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 1．视频点播系统分类 • 根据节目数据发送的方式的不同，VOD系统可以分为NVOD（Near VOD，准VOD）与TVOD（True VOD，实时VOD）两大类。 • （1）NVOD：多个视频流按照一定的间隔时间依次启动，并且发送同样的节目内容， • （2）TVOD：当用户提出请求时，视频服务器将立即向用户端设备发送用户所点播的节目内容，若有多个用户同时点播相同的节目，视频服务器会为每个用户分别启动一个发送进程，只不过每个发送进程所传输的内容相同而己。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 2．视频点播系统的基本构成和工作原理 • 一般地，VOD系统主要由服务器端系统、传输网络、用户端三大块组成，其系统结构如下图所示。

8.6 分布式多媒体典型应用系统 • 3．视频点播系统的关键技术 • （1）多媒体数据压缩技术。 • 数字化视频中一般伴随有音频信号，所以视频的数据压缩方法尤其受到重视。视频数据压缩标准主要有H.267、JPEG和MPEG等。 • （2）多媒体网络技术。 • 多媒体数据的传输对网络环境提出了苛刻的要求，一方面是高带宽，其次是网络的延迟小，所以多媒体网络必须采用相应控制机制和技术，以保证网络能满足系统要求。 • （3）多媒体数据库技术。 • 由于多媒体数据量巨大，随着应用的扩展，系统会积累大量的多媒体数据，VOD的数据库管理系统必须保证用户能迅速方便地找到所需的素材，有效地完成对素材的各种管理任务。

第八章 分布式多媒体及其典型应用