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中小学信息科学知识:多媒体与多媒体技术



                   第一章 多媒体总论


一、信息与媒体
  简单地说,信息是“有关事物运动状态和方式的知识,它用于消除不确 定性”。比如:招生的广告、股票的价格表、一幅香港的地图、一段录像内 容、一个呼机的响声都是信息,它们都向人们传递着关于特定事物的知识。 一般讲,信息是通过编码形成的可加以识别处理的数据。信息已成为当今世 界的一项重要资源,与物质和能源一样受到人们极大的重视。信息产业被称 作“现代社会的先驱产业”,在发达国家将其视为第一产业,信息科学技术 革命已成为现代科学技术革命的主流。
  信息不是物质,它必须依附于一定的载体,表示、传输、存储信息的载 体也称作媒体。信息的媒体可分为表示媒体、存储媒体和传输媒体。
  表示媒体是用于表征信息内容的媒体,例如图书中的文字;存储媒体是 记载信息的媒体,例如图书的纸张;传输媒体是传递信息时的媒体,例如看 书时需要有光线,光线就是图书信息的传输媒体。

二、多媒体技术
  多媒体技术是随着计算机的发展而发展起来的。早期的计算机以科学计 算为主。随着计算机的发展,人机的交流大大增加,人们希望机器能说话, 能看东西,与人有更好的交流,为人们提供更多的信息。多媒体技术实际上 就是音频技术、视频图像技术及通讯传输技术在计算机上的实现。通过多媒 体计算机可以处理声音、视频图像(静态、动态)并在与人交互的方式下进 行工作,为人类提供更大的方便,帮助人们记忆巨大的文字信息、图像信息、 声音信息并能快速地提取为人类服务。

三、多媒体计算机
  多媒体计算机又称为 MPC,对于多媒体计算机,人们要求它是能处理多种 感觉的媒体,一般包括文字、图形、图像、声音、动画、活动影像,前三种 称为静态媒体,后三种称为动态媒体,而在所说的多媒体计算机中至少包括 一种是动态媒体,并且各种媒体协同动作以达到同一目的。比如:一个最简 单的儿童英语教学的软件,在屏幕上有一个老虎,当鼠标点击老虎后,会出
现 tiger 这个英文单词和一个老虎的动画镜头,同时从音箱里发出老虎的叫
声。一般来讲多媒体只有在计算机中才能实现,因为只有计算机技术可以将 文字、图形、图像、声音、动画、活动影像综合处理,并且有人机的交互性, 而录像机、电视机不可以称为多媒体。 MPC (Multime- dia Personal Computer)即多媒体个人计算机,1990 年 11 月,由 Microsoft 公司联合、 AT&T、NEC 等全球十多家计算机厂商提出的一个新概念,并制定了相应的标 准,MPC 是未来高性能多媒体应用的最佳机种,可用来作为电子图书、地图 等的工作平台,未来的 windows 操作系统将具备 TV/PC 多任务功能,使 MPC 既可作 PC 使用,又可作 TV 的 Control Box,甚至可自行通过 PC 附加多媒体 信息到电视节目上。

四、多媒体技术发展简史
在多媒体技术的发展过程中,1984 年 Apple 公司推出的 Macintosh 机被

认为是多媒体计算机的开始。Macintosh 机使用 Bitmap(位图)和 Icon(图 标)作为用户界面,在此基础上,Apple 公司又于 1987 年使用了 HyperCard
(超级卡),使 Macintosh 机成为当时极为流行的多媒体计算机,直到今日 Macintosh 机在多媒体计算机界仍占很重要的地位。
  美国 Commodore 公司 1985 年推出 Amiga 计算机也是多媒体计算机的早期 产品。
  1986 年 Philip(菲利普)和 Sony(索尼)两家公司联合推出了交互式光 盘系统——CD-I(Compact Disc Interactive)系统,将文字、图像、声音 存贮于 650 兆的只读光盘介质上,用户能以交互的方式同时播放光盘中的文 字、图像、声音等内容。
  1987 年 3 月,美国 RCA 公司展示了交互式数字影像系统——DVI(Digital Video Interractive)系统。这是一个使用 PC 技术、光盘技术来存储和检索 活动景象、静止图像、声音和其它数据的系统。之后,Intel 公司买下了 DVI 技术,Intel 公司于 1989 年 3 月宣布将把 DVI 开发成普及的大众化商品,并
将 DVI 芯片用于 IBM PS/2 机主板上。在 1991 年的美国计算机展览会上,DVI 系统获“Comdex91”最佳奖。
  1990 年 11 月,由 Philips 等 14 家厂商组成的多媒体市场协会成立,制 定了 MPC 这个计算机标志及技术规范。MPC 标准的第一级为 MPC1,随后又制 定了 MPC2 及以后的一系列标准。这标志着多媒体技术的发展必然产生了相应 的国际标准。
1991 年,第六届国际多媒体技术和 CD—ROM 大会标志着多媒体技术进入
新的发展阶段,大会宣布的 CD——ROMXA 标准是对原有 CD—ROM 标准在音频 方面的扩充。
1993 年发布的 2 级 MPC 标准包括了全活动的视频图像,使用 16 位的音频
信号采样。JPEG 成为 ISO/IEC 的 10918 号标准。
1994 年 11 月,MPEG—1 成为国际标准。

五、多媒体技术的应用与发展
多媒体技术主要有以下几个方面的应用:
  (1)教育。多媒体技术特别适应于教学,多媒体在教学中的应用,丰富 了人们学习时的感觉,特别是声音和视频动画等给人的印象极深。许多的软 硬件厂商都看好这一领域,如《CSC 电脑家庭教师》、《Studio Classroom on CD—ROM 空中英语》以及多种计算机的交互式教程:如《中文版 NT4.0 教程》 等。
  (2)家庭娱乐。家用电脑进入家庭还是近二三年的事,但多媒体电脑却 已成为购买的对象。一台配置齐全的多媒体电脑,在家庭中相当于一台 CD 唱机、一台 VCD 影碟机、配上电视卡还可以当作电视机、配上视频捕捉卡和 CCD 镜头相当于一台数字照相机、加装正版游戏软件就是一台高档次的 3D 级 游戏机,更不用说多媒体电脑还可以加工人的声音、图片、制作电子 MIDI 音乐等等。
  (3)商业展示、广告业及公用设施。多媒体在商业及传媒业中的应用也 极其广泛。许多厂商利用多媒体技术展示自己的产品;许多部门将多媒体引 入原有系统,使其更加生动丰富并有吸引力;在公用设施方面我们也会见到 商场的指示图变成了触摸屏,破烂不堪的邮局的邮政编码本变成了及其方便
  
的触摸屏,指点江山便会得到邮政编码??
  (4)电子出版。由于光盘的超大储存容量,莎士比亚全集、伊索寓言、 安徒生童话、世界博物馆、世界美术馆、贝多芬交响乐等等,从纸上出版品 到音像出版品,都已经以多媒体方式呈现在读者眼前。除了一般图书外,字 典、百科、期刊、报纸也都有了光盘版。它那声色俱全的形式很快吸引住出 版人的眼光,他们纷纷和计算机界结合,试图在这新的出版领域中抢得先机。
  (5)专业影视制作与音频制作。我们见到的《侏罗纪公园》、《灭绝者 Ⅱ》、《玩具总动员》等影视作品中饱含制作人员的多媒体技术,影片中的 许多精彩镜头都是利用多媒体技术制作出来的,这些镜头不可能用通常的摄 制方法获得,是人类想象利用多媒体技术的完美再现。在音响方面,许多的 发烧友利用 32 位或 64 位的声卡创造着迷人的 MIDI 音色组合,体验古典音 乐、现代流行音乐的听觉感受。
今后多媒体的发展主要在以下技术领域:
①视频的硬件与软件技术;
②音频的硬件与软件技术;
③多媒体演示系统的制作工具;
④支持多媒体的数据库及其管理系统;
⑤支持多媒体的操作系统;
⑥数据压缩与还原技术;
⑦支持多媒体的外部设备(CD—ROM 与触摸屏);
⑧支持多媒体 A/V 功能的芯片;
⑨多媒体信息的网络传输;
⑩多媒体计算机的体系结构;
⑾动画、广告与可视化技术。

第二章 多媒体信息的计算机表示


一、文字
  文字是计算机中的一种最常用的表达方法,多媒体信息也少不了使用文 字。西文文字通常用 ASCII 码表示。ASCII是美国信息交换标准代码(American Standard Code for Infor- mation Exchange)的缩写,是由 7 位二进制编 码组成的字符集,包括大小写字母、标点、数字、数字符号及控制字符等共
128 个字符。
中文文字目前使用的是 1980 年制定的国家标准 GB2312—80,分二级字库
共 6763 个汉字和 850 个符号。采用双字节编码,即两个 ASCII 码大小表示一 个汉字。港台地区与海外使用的另一种汉字编码标准是 BG5,它的字符集更 大一些,但仍不能满足对古今所有汉字的编码。目前,国际计算机界已开始 采用了共同的标准,即 ISO10646,该标准有 2 万多汉字,也可处理日本、韩 国等许多国家的文字。

二、音频
  音频(Audio)就是声音的信息表示,通常指在 15~2000Hz 的频率范围 的声音信号。声音进入计算机的前提是对各种声音进行数字化。这个数字化 过程有对声音采样和对声音加以量化两个步骤。采样就是把模拟声音信号变 换成数字信号,采样的频率(一定时间内采样的数量)越高,声音“回放” 的质量就会越好,但要求的记录空间也越大。量化就是把采样所得的值用二 进制表示,一般可用 8 位、16 位、32 位、64 位二进制数表示(也叫分辨率), 位越多声音的质量越好,但存储空间也成倍增加。下表表示采样的速率、分 辨率与存储空间的关系。
采样频率 分辨率(位) 立体声或单声道 1 分钟( Mbyte ) 44.1kHz 32 立体声 21 44.1kHz 32 单声道 10.5 44.1kHz 8 立体声 5.2 44.1kHz 8 单声道 2.6 22.05kHz 32 立体声 10.4 22.05kHz 8 单声道 1.3


因此,要获得优秀的音质必然会占用大量的存储空间,所以声音信号需
要压缩存储,这将在后面的章节中讨论。 还有一种声音是电子合成的声音,它分为音乐合成和语音合成。音乐合
成一般采用 MIDI 标准,语音的合成没有统一标准。
MIDI(Musical Instrument Digital Interface,乐器数字接口)标准
是 80 年代初制定的,它描述一段音乐的音符、音调、使用什么乐器等,并通 过音乐或声音合成器(Synthesizer)解释播放,产生音乐或语音。MIDI 与 数字化声音各有优势,数字化声音比较自然,但会占用大量的存储空间,同 样播放时间长度的 MIDI 音乐要比数字化音乐的存储空间小 200~1000 倍。 MIDI 可以比较方便地修改、处理细节,比较适合于音乐创作。


三、图像
  图像是多媒体信息的重要组成部分,它再现了人们的视觉。一般静态图 像分为两种:位图(Bitmap)和矢量图(Vector—Drawn)。位图适用于逼真、 精细的照片式图像,而矢量图则适用于直线、方框、圆圈、多边形以及其它 可用角度、座标和距离来进行数量化表示的图形。上述两种图像按不同文件 格式存储,并且可以相互转换。
  位图:位图一般是用矩阵来表示,单色的图像可用一维矩阵,即 1 位的 位图表示。16 色的图像用二维矩阵,即 4 位的位图表示,256 色的图像用 8 位的位图表示,32768 色的图像用 16 位表示,24 位则可以表示 1670 多万种 颜色,即我们常在计算机中说的真彩色。
  位图一般可用 Windows 中的画笔一类的程序画出,也可以用程序从屏幕 上直接抓取,甚至用扫描仪或数字化设备获取照片、电视、电影图像。比如 我们经常在大商场见到的“电脑画像”、“电脑婚纱摄影”等均属后者。
  抓取来的图像,可在很多程序中进行编辑,替换颜色、插入文字等。位 图编辑软件主要有 Windows 下的画笔,Micin- tosh 机的 HyperCard,Aldus 公司的 Photoshop,或 Hijaak Pro 等。
矢量图:是一种描述性的图像,它存储的是量化后的数字。矢量图的元
素有直线、矩形、椭圆形、多边形、正文等。矢量图多用于计算机辅助设计
(CAD)、三维动画等一些电脑创作。 对于一个特定的元素(如一种颜色的正方形),矢量图比位图在存储空
间上要省很多,但对于复杂的图形,矢量图要用许许多多的元素来描述,并
且要将他们还原到屏幕上,就会占用很多的系统资源和时间,位图的刷新速 度则相对要快一些。矢量图与位图之间可以进行转换。
不论用哪种表示方法,图像都要按一定的格式存储在软盘或硬盘上。
Windows 平台下最通用的图像格式有以下几种:
文件扩展名 图像格式 BMP BitMap DIB Microsoft Windows DIB PAL Microsoft Palette DRW Micrografx Designer/Ddraw
GIF CompuServe GIF JPG JPEG
PCX PC Paintbrush
PIC Lotus1-2-3Graphics
TGA Truevision TGA(Targa) TIF Tiff
WMF Windows Metafile

四、动画
  人在观察过物体时,物体的影像会在视网膜上保留一段的时间。当人们 看到一系列每次改变很小交替速度很快的图像,就会有物体是连续运动的感 觉,动画就是利用这种原理制作出来的。
计算机动画研究始于 60 年代初,1963 年 BELL 实验室制作了第一部计算

机动画片。当时主要致力于研制二维动画。70 年代初期开始研究三维计算机 动画,直至 80 年代中后期才进入实用阶段。随着具有实时处理能力的超级图 形工作站的出现,以及三维造型技术、真实感图形生成技术的迅速发展,开 发出了一些实用化、商品化的三维动画系统。到 90 年代初,计算机动画技术 成功地应用于电影特技,取得了轰动性的效果。如电影《终结者Ⅱ》、《侏 罗纪公园》等影片,均采用计算机动画制作了大量现实生活中没有或用传统 技术无法获得的镜头,与真人表演天衣无缝,给人耳目一新的感觉,前者获 奥斯卡最佳电影特技奖,后者成为 90 年代世界最卖座片,标房收入高达数亿 美元,由此可见计算机动画技术的重要作用。

五、视频(Video)
  视频是多媒体技术的重要组成部分。全世界广播视频标准有 NTSC、PAL、 SECAM 三种。
  NTSC 制式:由美国国家电视系统委员会(National Tele- vision Systems Committee)于 1953 年制定的一种兼容的彩色电视制式,美国、日本等国家 广为使用。这一制式又称为正交平衡调幅制。每一帧视频由 525 行水平扫描 线构成,分辨率为 525 行水平扫描线。传输速率为每秒 30 帧,每帧由两次扫 描完成,每一次扫描画出一个场 1/60 秒,两个场构成一帧。由两个场构成一 帧的过程称为隔行扫描,可以防止荧光屏的闪烁。
PAL 制式:是原西德 1962 年制定的一种兼容的彩色电视制式。PAL(Phase
Alternate Line)是指“相位逐行交变”。我国和大部分西欧国家使用这种 制式。它是把彩色加到黑白电视中去的一种集成方法。水平扫描 625 行、每
秒 25 帧、隔行扫描、每场需要 1/50 秒。
SECAM 制式:法国及俄罗斯等东欧国家使用的彩色电视制式。 SECAM
(Sequential Color and Memory)也是 625 行,50Hz,但其基本技术及广播 的方法与 NTSC 和 PAL 有很大区别。
除以上广为使用的广播视频标准以外,目前许多国家和厂商正致力于开
发新的视频技术。
1.高清晰度电视 HDTV(High definition Television) 国际学术界也使用 ATV、HRV 等其它简称。国际无线电咨询委员会 CCIR
将高清晰度电视定义为:当观看距离为屏幕高度的三倍时,系统显示效果等
于或接近于一名正常视力者在观看原视景物或演示时的临场印象的一种新型 电视系统。通俗地说,HDTV 就是画面高度清晰、音响高度逼真的电视。与传 统电视相比,主要有四大特点:
  (1)高清晰度画面。电视画面的清晰度主要取决于单位时间内所接收到 的横向扫描线的条数。普通彩电的扫描线是每秒 525/625 条,而 HDTV 的横向 扫描线则高达 1125/1250 条,因此,HDTV 能提供相当于普通彩电 4 倍~5 倍 的高清晰度画质。
  (2)新的电视显示手段。传统的彩色电视的阴极管显示 CRT 技术带有明 显的局限性,无法用来制作 76.2 厘米以上的超大屏幕彩电。
(3)近于人类自然视域的画面结构。HDTV 的画面纵横比由现在普通彩电
的 3∶4(近似于正方形)变为 9∶16(长方形),这种长方形屏幕与现代电 影院的电影屏幕非常相近,避免了现代宽银幕影片转为电视片播出时的画面 损失。

  (4)HDTV 采用数字高频广播(DAB)技术作为电视音响传播手段,突破 了原有电视传音的模拟声道限制,使收听、收看效果大大提高。
2.视频会议系统(Video Conferencing System) 视频会议系统是多媒体网络的重要应用,不同地点的人员,可以通过显
示器或电视屏幕来传达文件、进行讨论、协调工作、共享信息等。人们无需 关心地理位置上的差异,只需把自己的方案、档案资料准备好,就可以随时 交与“与会”各方,“面对面”地讨论问题。

第三章 多媒体技术


  多媒体技术涉及面很广泛,基本技术包括有信息的光存储技术、图像输 入和输出技术、图像压缩技术、音频技术、视频技术、网络传输技术等。

一、多媒体信息的光存储技术
  光盘是一种大容量的存储介质,它成功地解决了计算机存储容量问题。 和磁盘相比,光盘的主要优点是:
(1)存储信息量大,每片可保存 680MB 信息。
  (2)记录介质磨损小,受环境污染的影响小,读写信息时光头不接触光 盘表面,信息保存时间可达 50 年之久。
  (3)存取速度快。一般光盘采用随机存取方式,平均寻道时间低于 0.1 秒。
(4)单位成本低。光盘单位存储量的制造成本要大大低于磁盘。 光盘主要只读型光盘 CD—ROM、一次写入型光盘 WORM 和可抹型光盘三
类。CD—ROM 是多媒体系统中的主要支持产品。有关光盘的内容将在第五章 内予以详细介绍。

二、图像输入和输出技术
1.多媒体系统的图像来源
多媒体应用中所需要的图像主要有以下几种来源:
  (1)直接购买的数字化图像。它可以存储在 CD—ROM 光盘、磁盘或磁带 上。
(2)通过计算机和专门软件所创作的图像。可利用 Paintairbrush
paintbrush 等软件生成一些图形、屏幕上的图符、动画等。
  (3)用彩色扫描仪将照片或艺术作品扫描后得到数字的图像。可以将照 片、艺术作品变换为全彩色的位图图像。
(4)利用电视摄像机捕获的图像。摄像机与插在计算机内的数字化板相
连接。将来自摄像机的模拟信号转换成数字数据,从而获得所需的图像。
2.图像的输入设备
计算机输入图像的设备有扫描仪、电视摄像机、光盘和磁带放像机。
  (1)扫描仪。扫描仪在图像处理领域有广泛的应用。扫描仪的主要技术 性能指标有分辨率和灰度等级。无论是正片还是负片扫描仪,其分辨率均用 每英寸点数 DPI 表示。高档扫描仪分辨率可调,调节范围较宽,最低为 30DPI, 最高达 600DPI。分辨率越高,识别最小细节的能力越强,产生的图像越清晰。 单色扫描仪的灰度等级是指识别和反映像素点明暗程度的能力。灰度等级越 高,产生的图像越逼真。彩色扫描仪扫描图像时,要对像素点分色,把一个 像素点分解为红(R)、绿(G)和蓝(B)三基色的组合。对第一个基色的深 浅程度也用灰度等级表示,这就是采色精度。扫描仪还有其它技术性能指标, 如扫描区域的尺寸、速度等。
  (2)电视摄像机、录放像等视频设备。电视摄像机、录放像机等视频设 备所产生的摸拟图像在垂直方向有固定的分辨率,即每帧 625 行扫描线。数 字化图像的精度由视频信号捕捉卡决定,但是每帧画面的水平和垂直方向≤
625 线。电视画面的高宽比为 3∶4,为了保证画面的水平和垂直方向有相同

的分辨率,因而水平方向的精度=4/3×垂直精度≤4/3×625=833 列。
3.图像的采集和存储
  输入的图像可分为静态图像和动态图像。静态图像的输入只须考虑分辨 率、彩色精度和数字化后的数据量。对于动态图像,则还要着重考虑图像的 数字化速度和输入计算机中的速度。
  数字化的图像产生大量的数据,尤其是动态图像,数字化后数据量大得 惊人,这给计算机存贮图像带来了困难。尽管光存贮技术已使计算机外存容 量激增,但与图像的数据量相比,存贮容量仍相差甚远。例如,以 512×512 的分辨率和 24bit 精度量化动态电视画面,每分钟产生的数据为:512×512
×24×25×60/8=2300M 即使光盘容量为 1200M,一片光盘也只能存贮半分钟 的电视节目。降低图像数据量的最简单办法就是牺牲图像的分辨率和彩色精 度。在多媒体系统中,图像的分辨率和彩色精度要根据应用需求确定。减少 图像数据量的另一个有效措施就是数据压缩。图像数据有很大的冗余度,采 用压缩编码技术可以大大降低图像的数据量。
4.图像的处理和应用
  图像输入到计算机后,应对它进行各种处理,例如对图像进行滤波、增 强、特征抽取等信号处理手段以及旋转、放缩、剪裁、着色、与文本声音混 合等编辑手段,以满足各种应用需求,因此,配备有一系列的图像的编辑软 件与处理软件。
5.图像的输出设备
  (1)打印机。图像的打印输出由打印驱动程序完成,打印机的技术指标 与扫描仪相同,主要有分辨率和彩色精度,分辨率也用 DPI 表示,一般为200~
300DPI。彩色精度最高可达 16777216 种彩色。
  (2)监视器。大多数监视器能接收 RGB 基色信号,因而可将数字图像信 号转换为 RGB 模拟信号。有些监视器也接收复合视频信号或 S—视频信号, 此时就需要将数字化的 RGB 信号转换为模拟的复合视频信号或 S—视频信 号。
图像信号经显示卡转变为 VGA 或其它显示标准的信号,就可以在计算机
屏幕上显示。显示卡有 EGA、VGA、SV- GA 和 XGA 等多种标准,它们提供了不 同的显示分辨率和彩色精度。CGA 的分辨率为 640×200,EGA 为 640×350, 其它为 640×400,640×480,800×600,1024×768,1280×1024 不等,彩 色精度有 16 色,256 色,32 768 色至 1677 万色。

三、音频技术
  多媒体系统产生声音的方法主要有数字音响、CD 唱片重放、通过 MIDI 驱动内置或外置的合成器三种。
1.数字音响
  数字音响是计算机技术与音响相结合的产物。通过 A/D 转换对声音采样。 重放时,作 D/A 转换,把数字再变回波形。数字化采样要占用很大的存储空 间,采样频率越高、比特(bit)数越多,声音质量越好。一般来说,采样频 率要高于被采样波形最高频率一倍以上,可获得满意的音质。由于人耳的听 觉上限大约在 20kHz,因此,采样频率达到 CD 唱片的采样频率为 44.1kHz, 要求 40kHz 以上即可能够达到最佳听觉效果。比特数(位长)也是衡量采样 质量的一个参数,它是指每次采样用几个 0 或 1。8 比特的采样能描绘 28=256
  
种变化,16 比特的采样则能描绘 216=65536 种变化。其声音质量比前者要高 得多。多媒体系统声音采样的比特数有 8 和 16 两种。采样时可以选择单声道 或立体声。采样数据存入光盘或硬盘。
  音频信号的数字化方法一般有下列三种:①脉冲编码调制(PCM);②差 分脉冲编码调制(DPCM);③自适应差分编码调制(ADPCM)。这三种方法的 差别在于采样频率和采样精度相同时,数字化音频数据量有所不同,前者方 法比后者要多。
2.CD 唱片重放
多媒体系统的 CD—ROM 驱动器可以直接放送 CD 唱片。
3.通过 MIDI 驱动内置或外置的合成器
  MIDI 是乐器数字接口(Musical Instrument Digital Inter- face)的 缩写,它是一个通过电缆将电子音乐设备联接起来的协议。这个协议现已成 为设计人员共同遵守的一个标准。它规定了电子乐器与计算机之间进行连接 的电缆与硬件方面的标准,以及电子乐器之间、电子乐器与计算机之间传送 数据的通信协议。以下介绍与 MIDI 有关的几个主要概念:
  (1)MIDI 设备。它包含了处理 MIDI 信息的微机及有关硬件接口。一台 MIDI 设备可以有 1~3 个端口,它们分别称之为 MIDI IN,MIDI OUT,MIDI THRU。MIDI IN 接收来自其它 MIDI 设备的 MIDI 信息,MIDI OUT 发送本设备 生成的 MIDI 信息,MIDI THRU 将从 MIDI IN 端口传来的信息转发到相连的另 一台 MIDI 设备上。
(2)MIDI 合成器。合成器是一种用数字信号处理器或其它类型的芯片产
生音乐和声音的电子设备。它产生波形,通过声音发生器送往扬声器。
  (3)MIDI 软件音序器。是用于记录、编辑和播放 MIDI 文件的软件。音 序器可以帮助专业音乐工作者和音乐爱好者通过 MIDI 文件进行作曲,也可以 帮助计算机作曲,用于乐曲修改及播放。计算机作曲软件一般用高级语言编 程,按照特别的作曲和算法,设置各种音乐参数(如音高、节、拍、音量、 接合、音色等)写出乐曲程序。这样产生的乐曲程序还不能直接在合成器上 演奏。必须经过编译,把乐曲程序文件变换成 MIDI 文件,才可以通过音序器 作进一步的加工,或在合成器上播放出乐曲。
(4)MIDI 文件。MIDI 信息用一种标准的格式记录,并作为文件而存储,
这个文件称为 MIDI 文件。MIDI 文件实际上就是数字形式的乐谱,它由一系 列的乐符组成,还包括每个乐符的键,通道号、音高、音长、音量、键落下 的速度,以及乐器的配置等。

四、视频技术
下表说明计算机监视器显示的图像与电视机显示图像的区别:

接收的图像 信号形成


屏幕显示

产生彩色 方式


扫描方式

计算机图像 数字信号单位为 BIT VGA 监视器分为横向
640 个像素点,纵向
480 个像素点,光强一 个点一个点地变化, 它经过 640 个点

256 种彩色 通过扫描

电视机图像 模拟信号,连续变化。通

512 线。光强有强有弱 可显示任意高 隔行扫描

过频率和强度的变化来 之分,从无到最亮,信 度的彩色

承载信号,改变信号的波 形则表示不同的彩色和 亮度

号连续经过屏幕




从上表可知,监视器显示图像与电视机显示图像有明显的差别,通过视
频技术可以使 PC 显示技术与 TV 显示技术完美地结合到一起,彼此通用,发 挥更大的功效。
视频技术包括有视频数字化和视频编码技术两个方面。
  视频数字化就是指将模拟视频信号经模数转换和彩色空间变换转换为计 算机可处理的数字信号,使计算机可以显示和处理视频信号。视频编码技术 则是将数字化的视频信号经过编码成为电视信号,从而可以录制到录像带中 或在电视上播放。

五、网络传输技术
  计算机网络是计算机技术和通信技术二者相结合的产物。计算机网络的 突出特点是综合利用了当代所有重要信息技术的研究成果,通过信息的收 集、识别、存储、交换、传输和处理技术,把分散在广泛区域中的许多信息 处理系统有机地连接起来,组合成一个规模更大、功能更强、可靠度更高的 信息综合处理系统。
压缩技术的发展,为多媒体信息网络传输提供了基本条件。图像压缩技
术使电话网传输图像成为可能,若与视频技术结合还能实现半动态传输小窗 口的视频图像。例如在 aboo 波特率的电话网上实现每秒 1 帧的小窗口视频图 像的传输。
  目前,技术水平已发展到可在综合业务数字网 ISDN 上实现可视电话和电 视会议系统。
  ISDN 的建立为活动图像和电视电话开辟了广阔的前景。由于彩色活动图 像要求 25 帧/秒~30 帧/秒,因此对压缩比要求很高,运算速度要求更快。 图像压缩编码解码器是电视电话的关键器件。随着多媒体技术的进步,电视 电话将成为多媒体通信终端而获得巨大的发展。
  真正解决多媒体的传输,还需要更高速的网络支持。高速光缆局域网 FDDI 和双绞线网络已达到 100M 的速度,覆盖距离可达 100 千米,新的 1000M 的网 络也正在逐步趋于成熟。网络传输技术是多媒体发展及应用的基础。

六、触摸屏技术

  触摸屏是指一种能对触摸产生反应的屏幕。当人的手指或其他物体触到 屏幕不同位置时,计算机能接收到触摸信号并按照软件要求进行相应的处 理,这种技术就是触摸屏技术。触摸屏设备由软件和硬件组成。一般的触摸 屏是在手指触到显示器屏幕时,将手指的屏幕位置坐标传给计算机。这种输 入方法具有直观、方便、快速的特点。触摸屏主要有以下四种类型:
1.电阻膜式触摸屏
  将一个两层导电且高透明度的物质薄膜涂层涂在玻璃或塑料表面上,再 按将到屏上,或直接涂到屏上。当手指触到屏幕时,在接触点处产生电接触, 使电阻发生改变,在屏幕的 X、Y 方向上分别测出电阻的变化量则可确定触摸 位置,属早期产品。
2.电容式触摸屏
  将一个接近透明的金属性涂层覆盖在一个玻璃涂层上,当用户接触这个 涂层时,电容会改变,使连接的震荡器频率发生变化,测量频率变化的大小 即可确定触摸位置。这也是早期的产品。
3.红外线触摸屏
  通常在屏幕的一边用红外器件发射红外光,在另一边设置接收装置来检 查光线的遮挡情况。这有两种方式:一种是利用互相垂直排列的两列红外发 光器件在屏幕上方与屏幕平行的平面内组成一个网格,而在相对应的另两边 用光电器件接收红外光,检查红外光的遮挡情况。当手指指在屏幕上时,部 分光束被接收,光电器件因接收到光线减少而发生电平改变。另一种是用扇 开的光束从屏幕两角照射屏幕,在与屏幕平行的平面内形成一个光平面,人 手触摸时,通过测量投射在屏幕其余两边的阴影覆盖范围来确定手指的位 置。
4.表面声波触摸屏
  表面声波(Surface Acoustic Wave 缩写为 SAW)又称为表面弹性波。SAW 触摸屏由压电传感器、反射器、触摸屏器件组成,它们可以固定在一块用环 氧化物做在平的或弯曲的玻璃表面上的小型压力楔块上,也可直接固定在一 台显示器的玻璃表面上,传感器和反射器一起工作,当发射的声波穿过玻璃 表面时,一只手触到 SAW 触摸屏,则被触之处使声波发生衰减,这一信号的 衰减被接收到并被转换成 XY 轴的坐标传给计算机。

七、多媒体信息的压缩技术
  多媒体信息的数据量是非常庞大的,不仅在网络上进行实时传输时需要 的传输速率大大超过了当前网络的数据传输率,而且对网络服务器的存储容 量及多媒体信息的同步也都提出了很高的要求。为了解决这些矛盾,在不断 改善多媒体网络环境的同时,更重要的是必须对多媒体数据进行压缩。一幅
500×500 的 24bit 真彩色图像约需 6MB 的存储量,如用传输速率为 64kbps
的 ISDN 信道进行传送,需要 94 秒才能完成,但用 JPEG 进行压缩后,存储量 可降低近 20 倍,用同样的信道进行传输只需 5 秒。由此可见数据压缩的重要 性。
  多媒体数据压缩技术研究的主要问题包括:数据压缩比、压缩/解压缩速 度、简洁的算法。
  根据对压缩数据进行解压缩后的数据是否与压缩前的原始数据完全一致 作为标准可把数据压缩方法划分为无失真压缩(可逆压缩)和有失真压缩(不
  
可逆压缩)两类。
  国际通信组织 CCITT 对公用电话和公用网制定了一系列的音频压缩标 准,包括 G.711、G.721、G.722、G.728,主要是采用脉冲编码调制(PCM) 或自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)对采样频率为 8~16kHz 的音频进行压 缩。
  数字化视频中包含有音频信号,所以对视频的数据压缩方法一直很受重 视。主要的视频压缩标准有 JBIG、JPEG、MPEG、H.261 等。
  (1)JBIG(Joint Bilevel Image Group)是国际标准化组织 ISO 制定 的二值图像压缩标准,是一种采用累进操作方式的无失真压缩方法,其压缩 比可达 10∶1。该方法也可用于灰度值或彩色图像。
  (2)JPEG(Joint Photograph Expert Group)是 ISO 和 CCITT 联合制 定的对连续色调、多级灰度、彩色或单色静态图像进行压缩的标准,采用顺 序(Sequential)和累进两种工作方式。其压缩比为 10∶1~100∶1,当压 缩比小于 40∶1 时,基本上可以认为是无失真的。
  (3)MPEG(Moving Picture Expert Group)是 ISO 制定的用于数字存 储媒体运动图像及其伴音的压缩编码,包括三个部分即:MPEG 视频(MPEG— Video),它研究视频信号的压缩算法、MPEG 音频(MPEG—Audio),它研究 音频信号的压缩算法和 MPEG 系统(MPEG—System),它研究音/视频信号的 同步和复用问题。MPEG 图像采用 CIF 图像格式,视频动态速率为 30 帧/秒。 由于视频和音频需要同步,所以 MPEG 压缩算法要兼顾对视频和音频。目前已 制定出 MPEG—1、MPEG—2 和 MPEG—4 标准。MPEG—1 最后产生一个电视质量 的、视频和音频压缩形式的、位速率约为 1.5Mbps 的 MPEG 单一位流;MPEG
—2 基于 3Mbps~4Mbps 或 4Mbps 以上速率压缩存储活动图像,质量可达广播
级和 HDTV 级;MPEG—4 以 9Mbps~40Mbps 速率压缩存储活动图像,质量为基 本级。MPEG 标准的平均压缩比为 50∶1,是一种失真压缩方法。
(4)H.261 是 CCITT 为可视电话和电视会议制定的压缩标准,也称为 p
×64kbit/s 标准(p=1,2,?,30),在低速时(p=1 或 2,速度为 64 或
128kbit/s)只支持四分之一中间格式 QCIF(Quarter Common Intermediate Format)图像格式,此时可采用亚帧(Sub—frame)技术,即隔 1(或 2,3) 帧处理一帧;当 p>6 时,支持通用中间格式 CIF,其压缩比可达 48∶1,压 缩比虽较 MPEG 稍低,但实时性很好。

第四章 多媒体系统的图像压缩技术


  在多媒体系统中,数字视频技术中的核心是图像压缩技术,这是因为图 像的采集、存储、显示、传输等都涉及到大容量存储技术和实时传输等问题。 例如,在 VCA 显示中,幅中分辨率为 640×480,256 色的图像,若每个像素
占 24 位,则需要 7.37Mbits。一个 100M 字节的硬盘只能存放约 100 帧的图 像数据,若要达到每秒 25 帧的全动态显示要求,则无压缩的数据传输率一般 应为 184kB/s。这样,数据压缩比必须达到数十倍以上,这还不包括音频数 据及其它信息。
  人们通过多年的对数据压缩进行的研究,用软件、硬件以及软、硬件结 合的技术,实现了压缩算法。本节主要介绍数据压缩的基本原理、图像压缩 标准等内容。

一、图像压缩原理
  可以把黑白数字图像看作一个矩阵,其行和列的交点标识为图像中的一 个点,相应的矩阵单元则表示该点的灰色梯度。这种数字陈列的单元称为图 像单元或象素。数字转化视频就是由这样的一连串单元组成的。
对于彩色图像来说,每个象素由红(R)、绿(G)和蓝(B)三种颜色表
示。为了有效地编码,彩色象素可分成灰度(Y)和色度(U 和 V)。因此可 以将彩色图像看作是对应于三个成分的三个矩阵。为得到高的压缩比,U 和 V 的处理不同于 Y 外,各个矩阵都可以用与黑白图像相同的方法进行编码。
图像压缩可以分成两种类型:无失真的压缩和有失真的压缩。前者即能
够精确地生成原始图像;后者则有某些不太容易引起注意的失真。因为数据 的压缩都可以看成是一种变换,所以解压缩(数据恢复)被看作是一种反变 换。实现变换的方法称为编码技术。
无失真编码在图像帧序列的压缩中有较大的潜力,各帧图像之间有关相
同的部分,原则上可以只存储相邻帧之间的差异部分。 图像压缩技术指标主要有三个:(1)图像压缩比,指压缩前后所需的图
像存储量之比;(2)实现压缩的算法难易程度或速度;(3)重现精度,指
重现时的图像与原图像相比较有多少失真。第三个指标涉及到人们的主观判 断,可以区分两幅图像的优劣,在多数场合下,则还需要有其它的客观指标 来区分。

二、彩色视频信号的编码
1.彩色视频信号
  一般来说,可以通过三基色红、绿、蓝(即 RGB)表示图像中的彩色。RGB 构成了一个三维的彩色。此外,还有其它的彩色空间表示,它们可以通过坐 标变换而相互变换。不同的电视制式和多媒体系统采用不同的彩色空间。例 如,PAL 制式采用 Y、U、V 彩色空间,NTSC 制式采用 Y、I、Q 彩色空间。在 YUV 表示中,Y 表示亮度信号,U 和 V 是色差信号。
  黑白电视机可以接收它的亮度信号 Y,它是一种与黑白电视兼容的彩色电 视信号。由于人的眼睛对亮度信号敏感,对色差信号 U、V 不敏感,因此可以 降低表示 U、V 的数据量,一般 Y、U、V 采用 4∶2∶2 或 4∶1∶1 格式,可以 压缩彩色电视的传输带宽及压缩彩色图像的数据量。
  
  从摄像机、录像机、视盘等视频信号源输出的标准彩色全电视信号,经 过同步分离和锁相回路产生一致的时钟信号,再由彩色译码电路、A/D 变换 器分出 RGB 或 YUV 信号,并将模拟量转换成数字的信号。数字信号 R、G、B
或 Y、U、V 可以存储在帧存储器里。
2.电视信号的帧内预测编码
  点的亮度值为数字化的 RGB 或 YUV 信号,可以通过编码减少在一个画面 内的空域冗余信息,达到数据压缩的目的。
  差分脉冲编码调制(DPCM)编码方法属于一种预测编码,它通过画面上 坐标为(m,n)的像素点的三个相邻点(m,n-1)、(m-1,n-1)、(m-1, n)的数值,来预测(m,n)点上的数值。若记(m,n)像素点的亮度值为
Ymn,它从邻域像素点的亮度值得到的预测值以 Ymn 表示,Ymn 的预测公式为:
Ymn=a1Ym(n-1)+a2Y(m-1)(n-1)+a3Y(m-1)n
其中 a1,a2,a3 是选定的参数,它们可以通过使误差
emn=Ymn-Y(m-1)(n-1)
达到数字期望为零、均方误差最小,或通过最小二乘法得出。
对误差信号 emn 进行量化、编码,必然比对原来的图像信号进行量化、编
码需要的比特数要小得多。在量化的过程中引起信息损失,使图像失真。但 是,如果合理地选择量化步长,使量化误差不超过人眼的可见阈值,图像质 量还是可达到主观保真度的要求。
在 DPCM 编码中,如果对量化步长及预测公式的参数能根据图像的局部特
征作自适应的调整,就称为自适应差分脉冲码调制(ADPCM)编码。
3.电视信号的帧间编码
  电视图像由沿时间轴的帧序列组成,每秒传送 25 帧或 30 帧画面。相邻 帧的时间间隔只有 1/25 秒或 1/30 秒,大多数像素点的亮度及色信号帧间变 化都不大。可以通过减少帧序列内时域的冗余信息,采用帧间编码技术,达 到数据压缩的目的。
根据人眼的视觉特性,对于静态图像的空间分辨率高,但在图像切换时,
视觉灵敏度降低。传送帧内画面时,要有足够的空间分辨率,但不必每帧都 传送,这样,可增大帧传送的间隔。依靠帧存储器把未传送的帧补充进去, 对于画面中的运动部分,可以降低空间分辨率传送。
如果只传送帧间相对应像素点的亮度(或色差)差值超过阀值的像素,
而且只传送差值。这样,一帧图像只需传送较少部分的像素。

三、JPEG 静态图像压缩标准
  JPEG(Joint Photographic Experts Group)是联合图片专家小组的缩 写。在图像采集、处理与传输的硬件中,为了使不同厂商的产品具有图像压 缩共同的依据和兼容性,各公司都重视建立通用的图像压缩标准。1986 年由 CCITT 和 ISO 两个国际组织联合成立了一个联合专家小组简称 JPEG,致力于 建立适合于彩色和单色多灰度的连续色调静态图像的压缩标准,1991 年形成 ISO/IEC10918 文件,1992 年正式成为一个适用于连续色调、多级灰度、彩色 或单色静态图像数据压缩国际标准。
JPEG 标准采用了混合编码方法。它定义了二种基本压缩算法:
(1)基于空间线性预测技术,即差分脉冲码调制(DPCM)的无失真压缩

算法。
(2)基于 DCT 的有失真压缩算法。并进一步应用游程编码和熵编码。 JPEG 标准的应用目标是:
(1)压缩比及图像保真度可在较大的范围内调节,供用户选择;
(2)可用于任何连续色调数字图像,不限制图像的内容;
(3)在一定能力 CPU 上即可实现,复杂的软件本身要易于操纵。
1.无失真预测编码压缩算法
  JPEG 选择了一种简单的线性预测编码方法,具有重建图像质量好的优 点。对于中等复杂程度的彩色图像,无失真预测编码、解码可达到大约 2∶1 的压缩比。
2.基于 DCT 的有失真压缩
  基于 DCT 的压缩编码算法包括两种层次的系统:基本系统和增强系统, 而且这种算法还定义了二种工作方式:顺序方式和累进方式。基本系统采用 顺序工作方式,只采用哈夫曼编码,解码器中只存储两套哈夫曼表。增强系 统除包含基本系统外,还可采用自适应二进制算术编码。
  DCT 编码的基本过程:首先进行 DCT 正变换,再对 DCT 系统进行量化,并 分别对量化后的系数进行差分编码或游程编码,最后再进行熵编码。
(1)离散余弦变换(DCT)。JPEG 采用 8×8 大小的子块进行二维离散余
弦变换。编码器的输入端以原始图像的 8×8 子块作为输入。除了对原始图像 进行顺序的分割外,还将原始图像的采样数据从无符号整数变成有符号整 数。
解压缩编码的过程是一个逆过程,DCT 正变换可以看成一个谐波分析仪,
而逆变换看成一个谐波合成器。8×8 数据块输入分解至 64 个正交基信号, 每个基信号对应于 64 个二维空间频率中的一个。输出的 64 个基信号的幅值, 称作 DCT 系数。这 64 个变换系数中包括一个代表直流分量的“DCT 系数”和
63 个代表交流分量的“AC”系数。
  DCT 逆变换把 64 个 DCT 系数经逆变换重建 64 点的图像。由于在计算过程 中不可避免的精度损失以及系数的量化,这个 64 点的图像不能完全恢复到原 始图像。
(2)量化。对 DCT 系数作量化处理,可以减少幅值,增加零值,达到压
缩数据的目的。
  JPEG 采用线性均匀量化器,将 64 个 DCT 系数除以量化步长,四舍五入取 整。量化步长是量化表的元素。量化表元素与 DCT 系数在 8×8 矩阵中的位置 有关。JPEG 给出了供参考用的量化表,也可以由用户来确定量化表。
  量化的目的是在使图像质量达到一定的保真度前提下舍弃些次要的信 息。不同频率的余弦函数对人类视觉的效果不同,可根据不同频率的视觉阈 值来选择量化表中元素的大小。量化的结果一般都是频率低的分量系数大, 而频率高的分量系数大多为零。
  (3)DC 系数差分编码与 AC 系数游程编码,64 个变换系数中,DC 系数是 处于左上角的,它实际上等于 64 个图像采样值的平均值。相邻的 8×8 子块 之间的 DC 系数有较强的相关性。JPEG 对于量化后的 DC 系数采用差分编码, 二相邻块的 DC 系数的差值为 DCi-(DCi-1)。
  其余 63 个 AC 系数量化后通常出现较多零值,JPEG 算法采用游程编码, 并建议在 8×8 矩阵中按照“Z”形的次序进行,可增加零的连续次数。
  
  系数编码后都采用统一的格式表示,包含二个符号的内容:第一符号占 一个字节,对于 DC 系数而言,它的高 4 位总为零;对于 AC 系数而言,它表 示到下一个非零系数前,所包含的连续为零的系数个数。第一字节的低 4 位 表示 DC 差值的幅值编码所需的比特数,或表示 AC 系数中下一个非零幅值编 码所需的比特数。第二个符号字节表示 DC 差值的幅值,或下一个非零 AC 系 数的幅值。
  还需要指出,由于第一字节中只有 4 位表示游程长度,量大值为 15。当 游程长度大于 15 时,可以插入一个至多个(10)字节,直至剩下的零 AC 系 数个数小于 15 为止。
因此,63 个 AC 系数表示为由二个符号对组成的序列,其中也可能插入
10 个字节,快结束字节以全零表示。
  (4)熵编码。对于上面给出的码序列,再进行统计特性的熵编码。这仅 对于序列中每个符号对中的第一个字节进行,第二个幅值字节不作编码,仍 然直接传送。
  JPEG 建议使用二种熵编码方法:哈夫曼编码和自适应二进制算术编码。 对于哈夫曼编码,JPEG 提供了针对 DC 系数、AC 系数使用的哈夫曼表(包括 对于图像的亮度值与色度值二种情况),在编码和解码时使用。JPEG 解码器 能够同时存储最多 4 套不同的熵编码表。
3.基于 DCT 的增强型系统
  增强系统增加了二种累进操作的方式,它们在编码方法和步骤上与顺序 方式基本相同,不同的是它们采取多次扫描的方式,实现对每个图像分量的 编码。第一次扫描得到粗糙的压缩结果,根据粗糙的压缩数据,重建一幅质 量较低的可识别图像。通过多次扫描,作进一步的压缩,直至最后全部所需 的压缩。在这个过程中,由于不断增加的信息,使重建图像的质量达到满意 的结果。
由于不是一次完成压缩编码,在量化器的输出之后,有一个缓冲区,用
以存储量化后的 DCT 的全部系数。对此缓冲区存储的系数进行多次扫描,分 批完成压缩编码。
二种累进方式分别为:
  (1)按频段累进。对 64 个 DCT 系数,每次只对其中一些频率的系数进 行压缩编码、传送,然后再逐渐增加其它频率的系数,直到全部系数传送完 毕。
(2)按位逼近。对量化后的 DCT 系数按照其数位由高至低分成若干段,
然后依次对各段进行压缩编码。首先对量高有效的 n 位进行压缩编码、传送, 再依次对下面的段进行。
4.基于 DCT 的分层操作方式
  JPEG 提供了一种分层操作方式。它是对原始图像的空间分辨率的不同层 次之间加以转换而编码。空间水平分辨率与垂直分辨率都以 2 为倍数降低, 形成一个金字塔形。它的编码过程为:
(1)把原始图像的空间分辨率降低。
  (2)对降低分辨率的图像采用基于 DCT 的压缩编码(可为顺序方式、累 进方式或无失真编码)。
  (3)对低分辨率的图像解码,重建图像,然后,用手动的方法恢复图像 的水平与垂直分辨率。
  
  (4)把分辨率已升高的图像的预测值与原图像的差值采用基于 DCT 的压 缩编码。
(5)重复步骤(3)、(4),直至达到图像的完全的分辨率。
5.压缩比和图像质量
  JPEG 标准的压缩编码与解码是有失真的,主要原因是变换后系数的量化 而引起失真。压缩的效果与图像内容本身有较大的关系,高频成份少的图像 比高频成份多的图像可获得更高的压缩比,而图像仍有较好的质量。对于给 定的质量因子(分为 1~255 级),采用相应的编解码参数,达到相应的压缩 效果。
  JPEG 没有专门规定彩色图像的编码算法。可以对彩色空间中各个分量分 别进行压缩编码。当彩色空间各分量彼此独立时,可获得最好的压缩效果。

四、MPEG 动态图像压缩标准
  “声音”和“图像”是多媒体计算机技术处理的两种新媒体,都具有数 据量庞大的特点,特别是全动态、全屏幕的活动图像,数据量更大。如果将 未经压缩的活动图像直接记录在 CD 光盘上的话,一张 650GB 的 CD 光盘只能 记录 40 秒钟的信号,一部 90 分钟的影片需要用 1500 张光盘来保存,这是不 可想象的事情。同时,要想处理这样大的数据量,就要求硬件能够处理庞大 的数据流,对硬件提出很高的要求,这是目前硬件难以做到的。为了解决这 一困难,必须对图像数据进行大规模的压缩,减少图像数据的冗余度。目前
的 VCD 和 DVD 即是分别采用 MPEG1、MPFG2 标准来实现活动图像及其伴音数据
的压缩和还原的。
  MPEG 是活动图像专家组(Moving Picture ExpertsGroup)的缩写。该专 家组成立于 1988 年,现属于 ISO/IEC 信息技术联合委员会第 29 分委员会的
第 11 工作组,缩写为 JTCI/SC29.WG11。
  MPEG 专家组的工作项目在开始时分 MPEG1(码率达 1.5MB/s 的编码)、 MPEG2(码率达 10MB/s 的编码)、MPEG3(码率达 40MB/s 的编码)共 3 个项 目。MPEG3 项目于 1992 年 7 月撤消,因为当时 MPEG2 的工作内容及进展已包 括了 MPEG3。随着技术发展的需要,1993 年 7 月正式成立了 MPEG4 项目组, 它的目标是甚低码率小于 64kB/s 的视频音频编码。目前,MPEG1、MPEG2 标 准已正式公布执行。
1.MPEG1 数据压缩标准
  MPEG1 标准制定于 1991 年,是目前所采用的最有效的电脑视频影像、声 音数据压缩标准。MPEG1 标准包括视频、音频和系统(音频和视频同步)三 部分。完整的视频要求视频和音频同步,MPEG1 将具有电视质量的视频、音 频数据合为一个数据流,并将数据流的速率降至 1.5MB/s(其中图像数据率
占 1.2MB/s,立体声伴音占 0.25MB/s 左右)。
  MPEG1 压缩的基本方法为:在单位时间内首先采集并保存第一帧图像的信 息,此后在对单帧进行有效压缩的基础上,只存储其余帧图像中相对第一帧 图像发生变化的部分,以达到图像数据压缩的目的。它包括时间上的压缩和 空间上的压缩两个方面。
(1)时间上的压缩(即帧间压缩)
  MPEG1 视频压缩算法减少时间冗余量的方法主要是以 16×16 的块作为运 动补偿单元的运动补偿技术,即对比视频影像的前、后两张画面,如果两者
  
完全一样或接近一样,便可去除其中一帧画面。去除的判断阈值视所要求的 质量而定。较好的 MPEG 算法可在 2 帧~3 帧画面间作一次对比运算,而一般 较差的算法只能在 12 帧~30 帧画面间作一次对比运算。对比运算做得越频 繁,压缩效率越高,但运算量也越大,因此要求有更高性能的硬件设备。
(2)空间上的压缩(即帧内压缩) 在视频影像的同一帧画面中,往往有许多完全重复的部分或几乎相同的
部分,这就可以只记录一次其相同或相近的部分,而去除其余部分,以达到 节省存储空间的目的。MPEG 标准通常采用变换编码、矢量量化编码以及混合 使用变化编码、视图加权标量量化、游程编码等技术来降低空间冗余度。
  MPEG1 采用有损图像质量的非对称压缩算法,压缩时间(大约几十小时) 远远大于解压时间(1 个多小时)。压缩只有一次,需大量运算,进行图像 的比较分析,而解压可有上千次,运算量较少。
2.MPEG2 数据压缩标准
  MPEG2 是建立在 MPEG1 的基础上、以提高图像质量为目标的通用国际编码 标准,共包括系统、视频、音频、符合性测试、软件、数字存储媒体的指令 和控制、非向后兼容音频、10 比特视频、实时接口等 9 个项目。其中第 1 到
3 部分作为 MPEG2 的核心,已在 1994 年 11 月正式公布执行,其它的部分将
在 1995 到 1997 年陆续公布。
  MPEG2 的压缩方法与 MPEG1 的方法相似,基本算法相同,但增加了场间预 测。MPEG2 的传输码率可以调整,支持从可视电话到 HDTV 多种应用,针对不 同的用途,MPEG2 标准又分为 4 个等级和 5 个档次。
(1)MPEG2 等级。
  低等级(Low):这是最低层,是 CCIR601 图像格式的 1/4,GI 则采用这 种图像格式;
主要等级(Main):图像质量达到广播级,相当于 CCIR6- 01 图格式;
高 1440 等级(High1440):相当于每行 1440 取样的 HD 图像质量; 高等级(High):相当于每行 1920 取样的 HDTV 图像质量。
(2)MPEG2 档次。
  简单档次(Simple):除了没有内插图像帧以外,与主要档次(Main) 相同。简单档次的目的是为了节省 RAM;
主要档次(Main):没有分级性,但质量最高;
  信噪比可分级档次(SNR):相对主要档次有所改进,在信噪比方面有分 级性;
空间域分级档次(Spatially):在图像空间清晰度方面有分级性; 高档次(High):支持 4∶2∶2 格式和全部分级性。
  (3)MPEG2 图像档次和等级的组合依据 MPEG2 标准的 4 个等级和 5 个档 次,可组成 20 种不同的图像格式和压缩化,有定义可采用的只有 11 种。
  
第五章 光盘


  光盘是采用光学方法进行信息存取的盘形介质。光盘存储是多媒体技术 中最重要的一种技术,自其问世以来,受到各界极大的重视,成为当今最重 要的一种信息存储方法。
  光盘具有存储密度高、容量大、稳定性好、保存时间长等许多优点。激 光的相干性很好,用聚光系统可以聚焦成极少的光点,因而光盘上每位信息 占的空间仅有 1 微米左右,光盘的记录密度为 5×105 位/毫米 2 是目前录像 磁带存储器的 40 倍,计算机磁盘的 100 倍。光盘的容量大,普通的 CD—ROM 可存储 680GB 的数据,只需要 100 张直径 30 厘米的双面光盘就可以记录藏书
量 2000 万册的美国国会图书馆的全部藏书。而且光盘为非接触式读写,不会 发生机械损伤,载体保存时间长达几十年甚至上百年。光盘存取数据时间短, 数据传输率高,现代的光盘驱动器的速度仅次于硬盘。
  光盘的应用范围相当广泛,从商业广告、文件存储到音乐影视节目的播 放、图书资料的发行等等。自 70 年代以来,光盘产业在与信息记录和处理的 各个领域得到了世界范围的迅速发展,应用前景令人振奋。

一、光盘的种类
光盘可分为:只读光盘、一次写入/多次读取光盘、可擦写光盘三大类。
1.只读光盘
  全称是只读光学存储器(Optical Read Only Memory),其代表性产品 又分为以下几个小类:
(1)LD(Laser Video Disk)直径 30 厘米的大光盘,记录信息一般为
影视信息,又称大影碟;
  (2)CDA(Compact Disk—Digital Audio)音乐光盘,记录信息为数字 声频信息;
(3)CD—ROM 一般记录与计算机软件相关的信息;
  (4)VCD(Video—CD)记录用 MPEG1 标准压缩的动态音像信息,又称为 小影碟;
(5)DVD(Digital Video Disk)记录用 MPEG2 标准压缩的动态音像信
息,容量比 VCD 大许多。
  (6)CD—I(Compact Disc Interactive)交互式光盘,一般记录静态 图像及同步音频信息;
(7)CD—G 记录音频信息及静态图像。
2.一次写入/多次读取光盘
英文名称是 WORM,Write Once Read Multiple。其代表性产品是 CD—R
(CD Recordable)。
3.可擦写光盘
英文名称是 R/W,Rewritable 代表性产品有: 磁光盘(MO:Magneto—Optical) 相变盘(PC:Phase Change)

二、只读光盘 CD—ROM
只读光盘在多媒体技术中占有举足轻重的地位,因为它容量大、稳定性

高、非接触式读写、占空间小易保存、载体保存时间长。但只读光盘的最大 特点是厂商制造出产品后,用户不能对其内容进行修改,只可以读取。只读 光盘的驱动器叫 CD—ROM 驱动器,已成为多媒体计算机 MPC 必须配置的外设。 下面我们先介绍 CD—ROM 的原理、结构及制作过程,再介绍各种格式的光盘, 然后探讨 CD—ROM 驱动器。
1.只读光盘结构、原理及制作
(1)只读光盘的结构。 光盘是由基片、记录介质、保护层等几部分组成。
  基片材料一般为金属(如铝片)、玻璃(如硼硅酸玻璃)或塑料(如聚 碳酸酯)。基片介质要厚度均匀、有较高的透光性和足够的光学均匀性,并 且还要有足够的强度和抗热变形性,以及不会受腐蚀。
  记录介质材料有 Te、TE—c、Te 合金、Te—Se、卤化银膜,非晶半导体 膜,非晶硫硒碲化合物,热塑材料,光磁材料,光色材料等。记录介质要有 一定的记录敏度、高分辨率、高信噪比,能够实时记录和瞬时读出,并且容 易制成长期稳定且均匀完好的记录膜。
  记录介质是光盘组成分中最重要的部分,它直接关系到光盘片的质量, 一般地说,记录介质的结构有四种:
①单层结构:就是把记录介质直接涂在基片上,这种结构的光盘较难获
得充分的对比度;
  ②二层结构:使用电介质膜和金属膜二层结构,提高光盘记录灵敏度, 并可用于可擦写光盘;
③三层结构:用铝反射膜、透明的电介质层和记录层三层形成记录介质
层,三层结构比二层结构记录灵敏度更加提高。
  ④液晶结构:液晶结构可用在可擦写型光盘中,由于液晶在比室温稍高 的温度下可以改变其状态,故利用此特点,可进行对光盘信息的改写。
保护层一般使用树脂材料,它直接涂在介质表面上以保护记录介质。保
护层需要坚硬牢固,既可防擦伤又可防潮,以达到保护记录介质的作用。
(2)光盘数据的制作。
  ①准备数据:包括对数据的处理和数据的调制编码,也就是说,将信息 按照它们要在光盘上存储的形式划分成以 2048 个字节为一个单元的许多数 据块,在每一块数据块上再附加 288 个字节作为系统数据供系统使用,如 ECC 错误检测等。
用户数据追加同步模式、标头、EDC 码、ECC 码后,就可进行数据的调制
过程。调制的目的是为了使数据均衡,使得在保持分辨率的同时提高字节密 度,保证一块数据中出现的错误不会影响其它数据块,同时还要降低 EDC 信 号量的频率以符合伺服装置的要求。为了达到以上要求,8 位二进制数据被 转换为 14 位调制数据,同时在每 14 位字节之间再追加 3 个字节称为归并位, 使得在 0 和 1 代码中,符合下列规定:在“1”之间至少有两个“0”,在“1” 之间至多有 11 个“0”。当然这是由处理过程自动计算出的。
  ②母盘制作:先在抛光盘玻璃主盘上涂上光敏抗蚀材料,然后在记录台 上用激光对抗蚀涂层进行刻制,沿着螺线状导向槽由盘心逐渐向外,直至完 全占据整个记录区。采用所需要的调制码来调节激光束的通、断。对已曝光 的有抗蚀涂层的主盘进行蚀刻,并放在蒸发箱内,然后在主盘表面上涂一薄 层导电层。把盘放进电镀槽内,在玻璃主盘上生成一层镀镍层。将镍层从玻
  
璃上分离开,用它制成模版,母盘便作好了。
  ③盘片的制作:把由主盘制成的模版放进成型机,注入熔化的丙烯树脂 材料,冷却凝固后就可以复制出与原主盘刻制特征完全一致的盘片。在盘片 信息记录面一侧,用蒸发法或溅射法把记录层和光吸收层连续地涂敷、镀制, 使其厚度为 30 微米。蒸发镀制记录层之后,再涂上保护层,使之与盘基相粘 合,便完成对盘片的制作。
(3)光盘的读取。 光盘信息记录方式有许多种,因此信息读出的方法也各不相同。比较常
见的是凹坑记录信息的读出。这是对于采用凹坑记录信息方式的光盘,照射 到光盘信息径迹上的激光波长约 0.8 微米,接近激光波长。当激光落在无信 息坑的平面上,光能量会大致全部反射回(80%);当光点落在小坑上时, 只有少量的光被反射(10%),这样使得光敏二极管输出强度变化的比例达
到 10∶1 以上,就可读出信号。 对于可擦写光盘,激光头输出的光分两种,一种是强光,一种是弱光。
强光用于记录信息,弱光用于读取信息。
(4)光盘格式的标准。
①CD—DA 标准:红皮书标准——数字音频(适用于记录或播放音频 CD)。
  1981 年为 CD—DA 制定的规格,称为红皮书。这是最先建立的规格。它采 用脉冲编码调制 PCM,用 44.1kHz 的采样频率对音频信号进行采样和编码, 记录在 CD—DA 盘片上。CD—DA 可以得到超级 Hi Fi 的音响效果。
②CD—ROM 标准:黄皮书标准——CD—ROM(适用于 CD—ROM 的读写)。
  1985 年为 CD—ROM 制定的规格,称为黄皮书。它对光盘的物理格式和盘 地址作了规定。
1986 年又制定了它的逻辑格式,在 1987 年正式作为国际标准 ISO9660。
③CD—I 标准:绿皮书标准。
  1988 年 Philips 公司和 Sony 公司联合推出 CD—I 系统,并对其软、硬件 部分作了详细的规定,称为绿皮书。它是所有规格中最复杂的一种,采用了 多种压缩编码技术,完成对各种数据的编码。对于音频信号采用 PCM 和 ADPCM 技术进行压缩编码,可获得四种不同音质的信号。绿皮书中的 ADPCM 技术使 CD—I 光盘的容量较红皮书规格扩大 16 倍。
④CD—ROMXA 标准。
  这是 1989 年 Philips 和 Microsoft 合作推出的、并在 1991 年国际多媒 体和 CD—ROM 大会上宣布为扩展结构体系标准。它减少了数字化音频信号的 光盘存储空间,是对原 CD—ROM 规格的扩充。具体是用 ADPCM 作为压缩编码,
使用三种不同的采样频率。CD—ROMXA 规格是黄皮书和绿皮书规格的结合。
⑤Photo—CD 标准。
  1992 年 Kodak 公司推出,等待计算机厂商的确认。Photo—CD 光盘用于 记录数字化照片信息。
③CDTV 标准。
  1991 年由 Commodore 公司专门设计并规定了它的格式,由于 CDTV 没有采 用 CD—I 标准,只能在指定的系统中使用。
⑦DVI 标准。
  1990 年由 IBM 和 Intel 公司联合推出,DVI 光盘只能在 DVI 系统环境下 使用,但 DVI 技术具有很强的功能,将全屏幕全动态视频图像、高清晰度静
  
态图像、双声道高保真间频信号及传统的图形和文本集成到一个交互的环 境,可实现动态视频/音频数据的实时采集、实时压缩存储/反压缩播放,成 为全数字化多媒体技术的代表。
⑧VCD 标准:白皮书标准。
视频光盘 Video CD(适用于播放 MPEG 解码视频)
⑨橙皮书标准。
多对话式 Multi—Session(适用于在可记录 CD 上增加文件)
2.几种常见的只读光盘
(1)CDA(Compact Disk—Digital Audio)又称“激光唱盘”。
1981 年,Philips 公司和 Sony 公司制定了关于 CD—DA(Compact Disc
—Disc—Digital Audio)的红皮书标准,至此激光唱盘有了统一的标准。标 准规定:CDA 的直径为 12 厘米,厚为 1.2 毫米。一张 CDA 盘可记录 74 分钟 的以 44.1kHz 采样、16 位的数字立体声信息。
  CDA 盘是早期的 CD 标准,它虽然可以在计算机的 CD—ROM 中进行播放, 但由于不符合 ISO9660 标准,所以不可以象普通的 CD—ROM 光盘一样用 DIR 命令来显示其内容。CDA 自 1982 年大量进入市场后,以其高清晰度的音质, 成为录音盒带的主要替代品,CD 机成为家庭音响的主要组成部分。
(2)LD(Laser Video Disk)通称“大影碟”。
  LD 是由 Philips 公司于 70 年代初推出。直径 30 厘米的大光盘,记录信 息一般为影视信息。它的分辨率为 425 线,采用 MPEG1 标准进行图像压缩。
LD 有“主动放演”和“慢放演”两种规格。“主动放演”为每秒 25 转恒角
速度,每面可放演 30 分钟带宽 5MHz 的 PAL 制电视节目;“慢放演”为每秒
11 米左右的恒线速度,每面可放演 60 分钟全带宽 PAL 制式的电视节目。 从旋转速度上分,LD 有常线速(CLV)型和常角速(CAV)型。
CLV 型以恒定的线速旋转。从内圈至外圈,轨道的长度有所不同,因而
LD 在读不同的圈时,盘的旋转速度不一样。在读中心轨道时,每分钟为 1800 转,读最外圈轨道时每分钟为 600 转。采用 CLV 格式,每个轨道可以存储多 一帧的图像。它使得每个盘面的播放时间比 CAV 格式多一倍。12 英寸盘每面 可播放 60 分钟,8 英寸盘每面可播放 20 分钟。
CAV 型 LD 以恒定的角速旋转。对于 NTSC 制式,CAV 盘的旋转角速度为每
分钟 1800 转。对于 PAL 制式 CAV 盘的旋转角速度为每分钟 1500 转。每帧图 像存储于一个轨道上,轨道的长度从内圈至外圈逐渐增加。12 英寸的 CAVLD 每面可播放 30 分钟,8 英寸盘面 14 分钟。
  LD 视盘一般都具有交互功能,概括地说,对视盘的交互控制有四个不同 的级别:
  第一级的交互性最低。第一级程序只能控制在某章停下来,或在预先编 号的帧停住。视盘的每章都有一个相连的代码编号。这一级别的交互不接受 来自微机系统的控制,原则上由给定的逻辑顺序而定。
  第二级交互控制的程度较高。当视盘播放时,交互命令被转储到视盘播 放机内嵌式微处理器中。当用户进行选择时,程序转移到选定的帧位置,并 根据存储的命令播放一个帧序列。由于控制程序是事先存储在视盘内,因此, 二级程序的视盘只适用于不需经常改变、使用期限较长的节目。
  第三级交互是目前多媒体平台使用的一种典型方式。视盘上不存储程序 代码,只存放音频和视频数据。微机通过与视盘播放机之间的通信控制视盘
  
的操作,可以达到更高程度的交互性。在这一级交互中,用户不必受给定的 帧序列的限制,可以通过触摸屏输入进行选择,还可将计算机内存储的数据 与视盘中的数据合并后再显示在屏幕上。目前它是多媒体应用中采用的主要 方式。
  第四级交互将程序或命令与 LD 数据结合起来存储在单一的光存储介质 上。这种新的光盘称为 LD—ROM,它能同时存储高保真的模拟视频、音频信 号和数字数据。
(3)CD—ROM 又称为“电脑光盘”。
  CD—ROM 一般记录与计算机软件相关的信息,一般用于计算机的外部存储 器,可以记录数字数据及音频、图像等信息。现代的 CD—ROM 有两种格式, 格式 1(Moudel1)格式可提供 680MB 的存储容量,格式 2(Moudel2)格式可 存储 780MB 的信息。
电脑光盘的内容极其丰富,大致可分为以下几大类
  ①计算机软件类:包括计算机操作系统,大公司为了发行操作系统软件 而制作的光盘,如 Microsoft 公司的 NT Serv-er 4.0,SUN 公司的 Soloris 2.5 等等,都以电脑光盘形式发售。其它的计算机软件也可以通过电脑光盘载体 发售,如 Mi- crosoft 公司的语言开发工具 VC++4.2、VB5.0 等,再就是电 脑厂家发放的随机光盘,一般其中软件的内容是 OEM 厂家提供的随机软件及 配套的硬件的驱动程序以及一些随机赠送的游戏软件等。
②多媒体教学系统:包括计算机软件的教学系统如:NT4.0 互动式教程;
Learn By Yourself 系列,Access,VisualBasic,PowerPoint 等软件的学习 指导;
③图像专辑:如 3DS 图像库、背景图库、矢量图形库、曲线字型库等,
是计算机辅助设计的最佳工具盘;
  ④百科全书类光盘:如:中国少儿百科全书光盘版,京华揽胜,天文学 百科等;
⑤语言教学系统:如:空中英语教室,大家学英语等;
  ⑥家庭娱乐性光盘:如微软的 HOME 系列光盘,从西餐烹调到飞机百科, 从图书书架到百科全书,从高尔夫球到旅游地图,极富娱乐性;
⑦图书类:如《计算机世界·微电脑世界光盘版》、《中国计算机用户
光盘版》;
⑧纯游戏类光盘:如天龙八部、命令与征服、红色警报等。
(4)VCD(Video—CD)小影碟。
  VCD 最早源于 Philips 和 JVC 公司 1992 年 10 月推出的“卡拉 OK CD”规 格,在这个规格的基础上,1993 年 3 月,又联合了 Sony 公司和 National 公 司制定了 VCD1.0,同年 10 月,经改进制定了 VCD1.1,1994 年 7 月又完成了 VCD2.0 规格的制定,为 VCD 产品的标准化奠定了基础。
①VCD 的主要特点
  制造工艺简单 VCD 盘的制造工艺流程与普通的 CD 唱盘相同,现在的 CD 生产厂商无需增加设备投资,即可生产 VCD 盘;VCD 播放机的生产也很简单, 只需在普通的 CD 唱机上加 VCD 视频/音频解码电路即可。
  适应面广 VCD 盘既可以在 VCD 播放机上播放,也可以在带有 MPEG1 解压 卡的多媒体计算机(MPC)、CD 唱机、LD 视盘机上播放。由于目前 MPC、CD 唱机、LD 视盘机的普及面越来越广,商品化的 MPEG1 解压卡也很多,价格也
  
很便宜,许多已购买上述设备的用户只需少量投资,即可欣赏 VCD 盘上的节 目。
  性能价格比高 从性能方面来看,VCD 的图像质量低于 LD,与 VHS 相当, 但在实际播放时要优于 VHS;VCD 的音质与 LD 相当,优于 VHS。VCD 盘片略低 于录像带的价格,大大低于 LD 盘的价格。VCD 盘体积小,易于保存,反复、 多次播放也不会造成损伤。
②VCD 播放系统的原理与构成
  VCD 播放系统的构成主要有 3 部分:CD 驱动器、MPE- G1 解码器、微处理 机。CD 驱动器用于读取 VCD 盘上经压缩的图像和音频数据;MPEG1 解码器用 于将压缩的图像和音频数据还原;微处理机用于控制整个播放过程。
  VCD 播放系统的基本工作原理为:CD 驱动器首先从 VCD 光盘上读取被压 缩的串行数据流信号(由图像数据和音频数据组成)和控制信息,然后经 MPEG 数据流分析器将串行数据流信号分解为图像数据信号和音频数据信号,这些 被压缩的图像和音频数据信号再分别经 MPEG 视频译码器和 MPEG 音频译码器 进行还原,最后再经过各自的数模转换器(DAC)变成模拟的图像信号和音频 信号;这些模拟的图像信号和音频信号经过相应的放大即可在有关的图像设 备和语音设备上播放。由于 VCD 采用的是 MPEG1 的有损图像质量的非对称压 缩算法,在对图像数据进行压缩时即有数据丢失,因此用 VCD 播放系统播放 的图像将达不到原始图像的水平。
(5)DVD(Digital Video Disk)。
①DVD 的标准
  由于 CD 的容量仅有 650MB,难以满足高质量影视和大数据量多媒体应用 的要求。这些年来,由于众多厂商的努力,CD、激光光学、反射材料和盘片 制造等技术都取得了巨大进步,数字编码和压缩算法已达到相当高的水平, 集成电路和伺服机构也有了相当大的发展,使制造更高容量、更高速度的激 光存储介质成为可能。
1995 年 9 月 18 日 Toshiba/Time Warner 和 Sony/Philips 为主的两大阵
营制定出一个单一标准 DVD 标准。DVD 包括用于存储音乐的唱片 DVD—Audio、 用于存储电影和视盘的 DVD—Video,以及用于存储计算机数据的 DVD—ROM 等分支。其标准主要分为以下三种:DVD 容量标准、DVD 视频标准、DVD 音频 标准。
②DVD 系统的构成和相关技术
DVD 系统的构成主要有 DVD 驱动器、MPEG2 解码器和 DVD 盘三部分。
  DVD 盘是用来存储高清晰度活动图像及其伴音数据的。由于 DVD 对图像质 量要求很高,必须达到广播级水平。相对 VCD 来讲,DVD 的数据量将是 VCD
的 4 倍,要想在一张光盘上装下 135 分钟活动图像的数据,要求 DVD 盘的存 储量必须是 VCD 盘容量的 7 倍~8 倍。为了增大光盘容量,在 DVD 盘的生产 工艺上采用了一种新的技术:即采用波长为 635 毫米~650 毫米的红激光刻 盘,由于红激光波长短,轨道的道间距减少,可以大大增加光盘的存储容量。
  DVD 驱动器是用来读取 DVD 盘上数据的设备。为了达到读取广播级图像数 据的目的,DVD 驱动器的速度必须提高到原来 CD 驱动器速度的 4 倍以上。另 外,要读取 DVD 盘上比 VCD 更小的数据孔径,必须采用波长更短的激光器, 目前 DVD 驱动器采用的是波长为 635 毫米~650 毫米的红激光。
MPEG2 解码器的作用是将经 MPEG2 标准压缩的数据进行还原。目前世界上
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