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1、現(xiàn)代數(shù)字通信網(wǎng)第十三章 多媒體通信網(wǎng)北京理工大學電子工程系劉家康Email: 網(wǎng)頁： 第十三章 多媒體通信網(wǎng)13.1 多媒體通信的特點與原理13.2 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)13.3 語音和圖像壓縮標準13.4 多媒體通信系統(tǒng)主要內(nèi)容本章參考書：黎洪松，“數(shù)字視頻技術(shù)及其應用”，清華大學出版社，1997年。陳顯治，“現(xiàn)代通信技術(shù)”，電子工業(yè)出版社，2001年本章概要：本章是最后一章，從應用的角度給大家描述一下多媒體技術(shù)在通信系統(tǒng)是如何傳輸?shù)模⒔榻B其中涉及的標準。13.1 多媒體通信的特點和原理一、多媒體通信二、多媒體通信的特點 三、多媒體技術(shù)的應用 一、多媒體通信多媒體包括：聲響sound，語音voic

2、e，音樂music，圖像image，圖形graphics，文本text，數(shù)據(jù)data，動畫animation，視頻video等等。二、多媒體通信的特點(1)多媒體通信涉及多媒體的壓縮、集成、交互和同步。1 信息類型復雜各種信息的特性不同：速率、延遲、抖動、誤碼；不同的處理方式：表示、顯示、存儲和傳輸，多種接口。2 業(yè)務類型多樣a) 多媒體會話型業(yè)務(會議電視、電視電話)b) 多媒體電子郵件業(yè)務(文本郵件、音頻郵件、視頻郵件)c) 多媒體檢索型業(yè)務(可視圖文、文件檢索、視頻檢索)d) 多媒體分配型業(yè)務(視頻點播、交互式電視)多媒體通信的特點(2)3 交互性交互控制的能力，分為主題和背景信息。是區(qū)

3、別于傳統(tǒng)廣播式通信的重要特征。例如：在家里看電視，電視的伴音是文本信息，還有節(jié)目預告等其它動態(tài)信息，隨時改變，用戶可以選擇。4 分布性分布性體現(xiàn)在兩個方面：多媒體信息內(nèi)容豐富，多種素材分布在不同的空間和時間；通信網(wǎng)絡的分布性，終端用戶分布在不同的地點。多媒體通信的特點(3)5 同步性 實時的音頻和視頻通信需要“唇同步”； 多媒體信息顯示的同步。6 實時性 音視頻信息實時處理，如交互式操作，編輯，檢索和顯示。三、多媒體技術(shù)的應用1)廣播電視 衛(wèi)星電視、有線電視、交互式電視、高清晰度電視2) 通信 電視電話、VoD、交互式電視，視頻數(shù)據(jù)庫，DVB-C/T/S3) 娛樂業(yè) HDTV，VCD/DVD，

4、電視購物，VoD，視頻游戲。4) 計算機業(yè) 多媒體計算機，CD-ROM,3D, 動畫設計,視頻制作,VR13.2 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) 一、 為什么要進行數(shù)據(jù)壓縮二、 壓縮技術(shù)分類三、 無損壓縮技術(shù)簡介四、 有損壓縮技術(shù)簡介一、 為什么要進行數(shù)據(jù)壓縮多媒體通信中涉及大量的媒體信息，特別是數(shù)字化之后的數(shù)據(jù)量巨大。例如電視視頻信號為8 MHz，fs=28 MHz，每樣點38=24bit，每秒30幀，則數(shù)據(jù)率為16M2430=11.520 Mbps。這樣大的數(shù)據(jù)量只有光纖才能傳送。（另一種計算方法是：亮度fs=13.5 MHz, 兩路色差信號6.75 MHz，則總碼率為 813.586.752216 Mbp

5、s, 一張光盤能存24秒的圖像。）又如HDTV信號的速率1920115225幀/秒16bits/sample884.7 Mbps, 則一張光盤只夠存儲5.87秒的圖像。二、 壓縮技術(shù)分類1. 無損壓縮 Huffman編碼 RLC游程長度編碼 LZW 概率匹配編碼2. 有損壓縮 預測編碼 變換編碼 最佳量化編碼二者的區(qū)別在于能否不失真地恢復原始信息。三、 無損壓縮技術(shù)簡介1.Huffman編碼2.游程長度編碼 （Run Length Code, RLC）3.LZW編碼 Lempel-Ziv-WelchHuffman編碼1952年Huffman提出的一種非等長編碼方案。其實很早以前就有人使用了，如

6、Morse電碼是不等長的。Huffman編碼存在的問題是，只能應用于離散信源，而且必須預先知道各個符號的概率分布。Huffman編碼(續(xù))圖例，5個信源a,b,c,d,e的概率不等，分別是1/4,1/4,1/4,1/8,1/8。等長編碼時至少需要3比特，8中取5的映射，平均碼長是3bits/sample。不等長編碼時，a-00, b-01, c-10, d-110, e-111。則平均碼長為：21/421/421/431/831/82.25bits/sample。如果信源為“aedbbad”，則編碼為00 111 110 01 01 00 110，7個字符共17bits，平均碼長為17/7=2

7、.428 bits/sample。Assume5 symbol information source: a,b,c,d,esymbol probabilities: 1/4, 1/4,1/4,1/8,1/80100011100aa00b01c10d110e111SymbolCodeword01b10c110111deaedbbad. mapped into 00 111 110 01 01 00 110 .Note: decoding done without commas or spaces17 bitsFigure 12.21.00abcde.0.00

8、1234a0b10c110d1110e1111abcde01000111(a) Building the tree code by Huffman algorithm(b) The final tree codeFigure 12.3游程長度編碼 （Run Length Code, RLC） 應用于FAX文檔的壓縮連0和連1的情況比較多。書中的例子存在的問題是，要根據(jù)情況來選擇白長或黑長編碼。改進的方法是，分別對白長和黑長進行編碼。以上討論的是定長編碼。當編碼碼表為可變長度(VLC)時，還可以進一步壓縮。見書中的例子12.7, 12.8?！癰lank” in strings of alphan

9、umeric information-$5-3-$2-$3-1/7/95“0” (white) and “1” (black) in fax documentsFigure 12.4Run Length Codeword Codeword (m=4)1000. 0000001100. 10001001200.1000100001300.110011000014.0000015.00000016. . .000.012m-211.101110000.00run2m -211.111111Inputs:mFigure 12.5Example: Code 1, m=4000 001000 01000

10、 0100 001 137 bits25573615Symbols 14 10 141414 12 1414 6 14 0 1111 1010 1111 1111 1111 1100 1111 1111 0110 1111 0000 44 bitsRuns 15w 10wb 15w 15w 15w 12wb 15w 15w 6wb 15w bFigure 12.6RunLength Codeword Codeword (m=4)1010. 01000001110. 110001001210.10100100001310.1110011000014.0000015.00000016. . .00

11、0. 012m-111.1111111000. 00run2m-100Inputs:m+1Figure 12.7Example: Code 2, m=4000 001000 01000 0100 001 137 bits25573615Symbols 15 9 151515 9 1515 4 15 0 11001 0 0 0 11001 0 0 10100 11111 26 bits Runs 16w 9wb 16w 16w 16w 9wb 16w 16w 4wb 15wbEncodedStreamDecodedStreamFigure 12.8(a) Huffman code applied

12、 to white runs and black runs(b) Encode differences between consecutive linesFigure 12.10LZW編碼 Lempel-Ziv-Welch應用在zip, uucode, v.42bis, MNP壓縮等場合。屬于自適應壓縮法。其基本思想是，收發(fā)兩端各自在以前出現(xiàn)過的文本中搜索重復的碼字。例如：All tall編碼為2,3，表示從第二個字母開始，重復三個字母。更進一步的做法是，雙方各自在本地建立一個固定大小的字典，新出現(xiàn)的字替換掉字典中出現(xiàn)概率最小的字典項。LZW編碼的原理“All tall We all are

13、tall. All small We all are small.”Can be mapped into:“All_ta2,3We_6,4are4,5._1,4sm6,1531,5.”Figure 12.11四、 有損壓縮技術(shù)簡介1.預測編碼2.變換編碼3.最佳量化和矢量量化VQ預測編碼如圖，當信號的樣點之間存在相關性時，則相鄰樣點之間的變化不會很大，則樣點的差分值小于樣點的絕對值。只傳送相對變化的差分值，可以降低數(shù)據(jù)率，但存在誤差積累。DPCM, ADPCM, LPC, CELP, Smooth signalSuccessive differencesFigure 12.21Quantize

14、 the difference between prediction and actual signal:LINEARPREDICTORhDecoderLINEARPREDICTORh+QUANTIZER+Encoder+-to channelThe end-to-end error is only the error introduced by the quantizer!y(n)x(n) x (n) d (n)x(n) d (n)d(n)e(n)x(n)d(n)y(n)x(n)d(n)x(n)Figure 12.24變換編碼子帶編碼 SBC, Subband Coding, 變換到頻域進行

15、處理DCT, Discrete Cosine TransformWavelet 小波變換最佳量化和矢量量化VQX(f)f 0W-WQ(f)X(f)f 0W-WQ(f)(a)(b)Figure 12.2513.3語音和圖像壓縮標準 一、語音壓縮標準二、圖像壓縮標準一、 語音壓縮標準1. LPC-10eDoD FS-10152.4 kbps1975 保密電話2. CELPDoD FS-10164.8 kbps1989 保密電話3. PCMITU-T G.71164 kbps1972PSTN4. ADPCMITU-T G.72132 kbps1984PSTN5. RPE-LTP-LPCGSM13 k

16、bps1988 移動電話6. VSELPIS-958.2 kbps1989 移動電話7. LD-CELPITU-T G.72816 kbps1992 網(wǎng)絡電話8. CS-ACELPITU-T G.7298 kbps1995 網(wǎng)絡電話9. MP-MLQ-ACELP ITU-T G.723.16.3/5.3 kbps1995 網(wǎng)絡電話壓縮方法壓縮標準碼速率年份用途 二、圖像壓縮標準 H.261JPEGMPEG-1MPEG-2MPEG-4MPEG-7H.261圖像壓縮標準ITU-T 1990.12提出， 主要用于電視電話和會議電視。速率為p64 kbps，p=1,2是ISDN的BRI，128 kbp

17、s p=6是384 kbpsCRC errorandFixed-lengthcontrolp x 64I-DCTMotionEstimationQ-1QIntraDCTHuffmanVLCFrameMemory-InterFilterMotion Vector8x8blockFigure 12.32JPEG Joint Photograph Expert Group JPEG 是ITU-T和ISO聯(lián)合組成的研究專家組，1986年成立。目前已經(jīng)制定的標準有：JPEG91是基于DCT和VLC壓縮方法JPEG2000是基于wavelet變換的壓縮方法。壓縮的圖像分為三個等級：基本系統(tǒng)Baseline

18、, 擴展系統(tǒng)Extended, 以及無失真系統(tǒng)Lossless。JPEG標準還可以用于連續(xù)圖像的壓縮，稱為M-JPEG(Motion-JPEG)，應用在數(shù)碼相機中存儲活動圖像。 180150115100100100100100250180128100 100100100100190170120100 100100100100160130110100 100100100100110 100 100100100100100100100100 100100100100100100100100 100100100100100100100100 100100100100100100In image an

19、d video coding, the picture array is divided into 8x8 pixel blocks which are coded separately.DCT8x8 block of 8-bit pixel values1112215510001417104 1000 2 2 10 0000-4-4-2-10000-3-3-1 00000-1-1 0 0 0000 0 0 0 00000 0 0 0 00000Quantized DCT CoefficientsFigure 12.28VLC codingDCTQuantization8x8blockQuan

20、tizationMatricesHuffman TabDC: DPCM VLIAC: O-run/VLISymmetricDCT/I-DCTtransferFigure 12.29MPEG-1標準 即中國的VCD標準，達到家用VHS錄像機的圖像質(zhì)量(約300線)。總速率是1.5Mbps，其中音頻是64、128或192kbps。圖像大小采用H.261標準中的CIF(Common Interface Format)格式，即352288(PAL)，或352240(NTSC)。 (frequency)X(f) (time)x(t)80 103 2 08 21 0 .2 00 .0 0.0 .10095

21、85 .1029970.1018070.957765.(u,v)Frequency(n,m)Space1-D DCT2-D DCT(a)(b)Figure 12.26. . . . . . . . . . . . .8m x 8n pixelcolorpicturem x n blockred componentm x n blockgreen componentm x n blockcomponent signalA scanned color picture produces 3 color component signals Figure 12.27Info = M bits/pixel

22、 x (WxH) pixels/frame x F frames/second.2+30 fps1-1+2-Figure 12.30- Motion Vector- Error Block- Intra BlockIntra- /inter-frameprocessorEncoderFrame bufferFnFn-1FnFn-1(+1,+2)(x,y)Hybrid Encoder:MotionVectorFigure 12.31Fn-1Linear predictionInterpolation1-D examples:FnFn+1FnBi-Direct MCFn-1Fn+1- Intra-

23、 Forward- Backward- Bi-directQuantize individualsamplesxxFigure 12.33Bidirectional Motion CompensationB11Pred 12B1B2B4B5B7B8B10Intra 0Pred 3Pred 6Intra 9- Intra- Forward- Reverse- Bi-direct16 x 16 BidirectionalmacroblocksFigure 12.34DecoderDecoderBase streamEnhancement streamLargeimageSmallimageDeco

24、derDecoderBase streamEnhancement streamHighqualityLowqualitySNR scalabilitySpatial ScalabilityFigure 12.35AudioencoderVideoencoderPacketizerPacketizerPSMultiplexerTSMultiplexerProgramstreamTransportstreamPESstreamsMPEG Systems LayerFigure 12.36MPEG-2標準即通常所說的DVD標準，圖像質(zhì)量很高(約800線)。支持的圖像格式非常多，包括PAL：35228

25、8(CIF)，720576，14401152，19201152等要注意MPEG-2與HDTV和DVB-C/T/S的關系。 MPEG-4標準 即H.263標準，用于低比特率視頻編碼方法(小于64kbps)，非常適合于在移動信道中傳輸。MPEG-4是基于內(nèi)容的編碼方法，應用于多媒體表演和飛行訓練等。MPEG-7標準 是基于內(nèi)容的聲像數(shù)據(jù)庫檢索的圖像壓縮標準。13.4 多媒體通信系統(tǒng)一、 N-ISDN系統(tǒng)二、WWW實現(xiàn)多媒體傳輸?shù)脑砣.32X多媒體通信協(xié)議四、IP電話的實現(xiàn)原理五、軟交換技術(shù)概述一、 N-ISDN系統(tǒng)2B+D時分復用實現(xiàn)電話、可視電話、傳真和數(shù)據(jù)的綜合傳輸。圖？，這是最早實現(xiàn)的多媒體通信系統(tǒng)二、WWW實現(xiàn)多媒體傳輸?shù)脑鞩nternet中采用分組交換實現(xiàn)圖文網(wǎng)頁的傳輸和顯示。三、 H.32X多媒體通信協(xié)議H.324用于PSTN的傳輸，H.323用于分組網(wǎng)的傳輸。IP電話就是基于H.323標準實現(xiàn)的。IP networkPublic telephonenetworkGatekeeperGatewayH.323 termin