數(shù)字媒體技術(shù)概述

數(shù)字媒體技術(shù)概述課程定位2023/5/18提綱1.1數(shù)字媒體的基本概念1.2數(shù)字媒體處理關(guān)鍵技術(shù)1.3數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)簡介1.4數(shù)字媒體技術(shù)的應(yīng)用1.1數(shù)字媒體的基本概念計算機的社會角色計算信息交流智能服務(wù)信息交流(人類發(fā)展和人的成長/計算機發(fā)展)情感—>語言—>文字—>(—>>簡單化、精確化)情感<—語言<—文字<—(<<—自然化、可覺化)文字信息為主的信息交流時代計算機數(shù)字技術(shù)什么是多媒體●

多媒體定義

多媒體技術(shù)是利用計算機對文字、圖像、圖形、動畫、音頻、視頻等多種信息進行綜合處理、建立邏輯關(guān)系和人機交互作用的產(chǎn)物?！瘛岸嗝襟w”一詞源自“”();;多重、復(fù)合() aa;a,,()的復(fù)數(shù)形式介質(zhì)、媒介和媒體1234多媒體的特性多媒體強調(diào)的是使用多種媒體、綜合表達(dá)信息內(nèi)容并進行交互式處理的技術(shù)。從本質(zhì)上來說，具有三種最重要的特性：媒體的多樣性，其中至少有一種連續(xù)媒體；媒體的集成性（綜合性），多種不同媒體綜合地表現(xiàn)某個內(nèi)容，取得更好的效果；處理的交互性，使人們獲取和使用信息的過程中具有細(xì)粒度的控制和操縱能力。計算機與媒體表示存儲展現(xiàn)采集感覺感覺表示傳輸

什么是多媒體：分類最常見的分類方法是基于感覺文本圖像音頻(語音)視頻基于描述空間中時間維分類時間獨立(離散)文本、圖形時間依賴(連續(xù))音頻、視頻、語音、動畫基于描述空間中空間維分類1D媒體單聲道語音、音樂2D媒體雙聲道音樂、圖像、二維圖形3D及多維媒體三維圖形,全景圖像,空間立體聲音樂媒體分類標(biāo)準(zhǔn)存儲

()展現(xiàn)()表示()感覺

()信息交換

()傳輸()什么是數(shù)字媒體多媒體:文本、圖形、圖像、視頻和音頻的組合形式，使其內(nèi)容更豐富，更便于交流。數(shù)字媒體:以數(shù)字化的形式存儲、處理和傳播信息的媒體，以網(wǎng)絡(luò)為主要傳播載體，并具有多樣性、互動性、集成性等特點。什么是數(shù)字媒體：A圖像文本語音音頻視頻多媒體VirtualworldsStreamingvideoWebpagesStreamingaudioClient-server數(shù)字媒體系統(tǒng)Authoring媒體內(nèi)容管理ToolsFrameworks網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)字媒體系統(tǒng)數(shù)字媒體技術(shù)的研究內(nèi)容核心關(guān)鍵技術(shù)數(shù)字媒體信息處理技術(shù)：視音頻編碼壓縮、圖像/視頻內(nèi)容分析、語音識別等；數(shù)字媒體傳輸技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)流媒體、P2P、無線多媒體傳輸?shù)?；?shù)字媒體內(nèi)容管理技術(shù)：數(shù)字媒體數(shù)據(jù)庫、基于內(nèi)容的檢索、數(shù)字版權(quán)管理、數(shù)字信息保護、數(shù)字媒體集成分發(fā)等。關(guān)聯(lián)支持：數(shù)字媒體信息獲取與輸出技術(shù)：圖像/視頻采集技術(shù)與設(shè)備、三維顯示技術(shù)與設(shè)備等；數(shù)字媒體存儲技術(shù)：海量分布存儲等。擴展應(yīng)用：圖形與動畫技術(shù)：圖形輸入、圖形建模、圖形處理與輸出、復(fù)雜物體造型、表演動畫等；虛擬現(xiàn)實技術(shù)：動態(tài)虛擬環(huán)境建模、實時三維圖形生成、立體顯示與傳感器等。什么是數(shù)字媒體數(shù)字媒體信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的，能夠用計算機記錄和傳播的信息媒體，無論是已經(jīng)應(yīng)用還是將要應(yīng)用的，其共同的一個重要特點就是信息的最小單元是比特——“0”或“1”。數(shù)字信息的最小單元就是比特，通過比特可以表述各種媒體信息。比特是信息的最小單元比特沒有顏色、尺寸和重量，它只是一種存在的狀態(tài)：開或關(guān)、真或假、高或低、黑或白，總之簡記為0或1。比特易于復(fù)制，而且復(fù)制的質(zhì)量不會隨復(fù)制數(shù)量的增加而下降。比特可以以極快的速度傳播，而且在傳播時不受時空的限制。比特可以用來表現(xiàn)文字、圖像、動畫、影視、語音及音樂等信息多媒體與數(shù)字媒體多媒體是混合的比特多媒體（）：文本數(shù)據(jù)、聲音、圖像、動畫等的混合。多媒體技術(shù)：能對多種載體（媒介）上的信息和多種存儲體（媒質(zhì)）上的信息用計算機進行采集、存儲、編輯、顯示、傳播等綜合處理的技術(shù)多媒體信息：通過多媒體傳播的信息。多媒體系統(tǒng)：能夠產(chǎn)生、存儲、傳播多媒體信息的系統(tǒng)。數(shù)字媒體技術(shù)的發(fā)展數(shù)字媒體計算機演變的關(guān)鍵技術(shù)1970198019908位處理器,,,16位處理器桌面32位處理器數(shù)字視音頻圖形操作系統(tǒng)計算、通信、內(nèi)容、消費電子融合(4C)

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1.2數(shù)字媒體處理關(guān)鍵技術(shù)媒體數(shù)字化為什么要數(shù)字化？數(shù)字化過程媒體數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)采樣（）壓縮（）編碼（）為什么要數(shù)字化？模擬的問題：模擬失真，依賴載體數(shù)字化的好處：通用的存儲和傳輸格式，數(shù)字化后處理更方便適用于光盤存儲和遠(yuǎn)距離傳輸準(zhǔn)確可靠，沒有累計失真，可以無損傳輸和存儲數(shù)字化的問題采樣率失真，信息丟失與模擬相比，需要很大的空間，例如35照片需要420萬像素，高清視頻碼率大于1需要壓縮數(shù)字懸崖：馬賽克、畫面暫停丟失數(shù)字化過程三步驟采樣（）量化（）壓縮（）與編碼（）SamplerQuantizer&Coderanalogsignalsampledsignaldigitizedsignal1:采樣與失真通過某種頻率的采樣脈沖將模擬信息的值取出，變連續(xù)的模擬信息為離散信號。采樣定理：采樣頻率>＝原始信號頻率的2倍時，

采樣信號才可以保真地恢復(fù)為原始信號。2:量化與失真將采樣樣本的幅度按照量化級別決定其取值的過程。目的是將采樣樣本的幅度值離散化。量化之前需要規(guī)定量化級，比如8級，16級，256級等。量化是一個對一的映射。例如：畫圖軟件的顏色級別為什么感知很重要？失真評價的基礎(chǔ)3:編碼與壓縮編碼用相應(yīng)位數(shù)的二進制代碼表示量化后的采樣樣本的量級。如果有N個量化級為，那么對應(yīng)的二進制位數(shù)就為2N。當(dāng)N＝16，二進制需要4位。經(jīng)過編碼之后，每個樣本都表示為相應(yīng)的二進制代碼。脈沖編碼調(diào)制（，）,完成模擬信號的數(shù)字化為什么需要數(shù)據(jù)壓縮？壓縮編碼的理論基本原理從信息論的角度來看，壓縮就是去掉信息中的冗余，即保留不確定的信息，去除確定的信息(可推知的)，也就是用一種更接近信息本質(zhì)的描述來代替原有冗余的描述。信息冗余的例子你的朋友，，將于明天晚上6點零5分在上海的虹橋機場接你。(23*2+10=56個半角字符)你的朋友將于明天晚上6點零5分在虹橋機場接你。(20*2+3=43個半角字符）將于明晚6點在虹橋接你。(10*2+7=27個半角字符）結(jié)論：只要接收端不會產(chǎn)生誤解，就可以減少承載信息的數(shù)據(jù)量。多媒體領(lǐng)域中的冗余分類統(tǒng)計冗余空間冗余——規(guī)則物體的物理相關(guān)性時間冗余——視頻與動畫畫面間以及音頻幀間的相關(guān)性信息熵冗余編碼冗余——數(shù)據(jù)與攜帶的信息結(jié)構(gòu)冗余紋理冗余——規(guī)則紋理、相互重疊的結(jié)構(gòu)表面視/聽覺冗余視覺、聽覺敏感度和非線性感覺知識冗余憑借經(jīng)驗識別10110001110010110001110001011010101010111100010111111010224色28色數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)壓縮可分成兩種類型無損壓縮有損壓縮無損壓縮指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)(或者叫做還原，解壓縮)，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來的數(shù)據(jù)完全相同用于要求重構(gòu)的信號與原始信號完全一致的場合。一個很常見的例子是磁盤文件的壓縮。有損壓縮指使用壓縮后的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，重構(gòu)后的數(shù)據(jù)與原來的數(shù)據(jù)有所不同，但不影響人對原始資料表達(dá)的信息造成誤解。適用于重構(gòu)信號不一定非要和原始信號完全相同的場合。壓縮策略無損壓縮()哈夫曼編碼()自適應(yīng)哈夫曼編碼()用于有損壓縮()H.261,1,2無損+有損()2000數(shù)據(jù)壓縮的性能指標(biāo)衡量壓縮算法的三個主要性能指標(biāo)

（1）壓縮比；

（2）壓縮質(zhì)量（失真）；

（3）壓縮與解壓縮的速度。不能兼得時要綜合考慮壓縮質(zhì)量評價主觀評價：平均意見得分（）、五分制（優(yōu)良中差劣）客觀評價：均方誤差、加權(quán)均方誤差、信噪比、峰值信噪比（圖像）、分段信噪比（音頻）、似然比、譜失真測度編碼方式舉例：哈夫曼編碼()編碼屬于信息熵編碼的方法之一，是根據(jù)信源符號出現(xiàn)概率的分布特性而進行的壓縮編碼。也稱為最佳編碼，平均碼長最短。編碼過程：1.初始化:將信源符號按頻率遞減順序排列,輸入L;2.重復(fù)如下操作直至L中只有1個結(jié)點:(a)從L中取得兩個具有最低頻率的結(jié)點，為它們創(chuàng)建一個父結(jié)點；(b)將它們的頻率和賦給父結(jié)點，并將其插入L;(c)將樹的左右孩子賦符號“0”和“1”，并從L中刪除。哈夫曼編碼()示例輸入：“”頻率：4A,2H,2I,1L,1O,1,1W96(8*12)32:AIHL[space]WO0100000111110,100,101,1100,1101,.例子：1.3數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)簡介為什么需要媒體標(biāo)準(zhǔn)？數(shù)字媒體標(biāo)準(zhǔn)是相關(guān)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之基礎(chǔ)！技術(shù)基礎(chǔ)：采用不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字媒體，其壓縮、編碼、傳輸、內(nèi)容分析與檢索等技術(shù)有所不同產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)：五環(huán)相扣——技術(shù)、專利、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用例子：全球電視競爭的轉(zhuǎn)折點在2(1996)數(shù)字媒體領(lǐng)域的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列：2/4/7/21H.26x系列：H.261/3/4()標(biāo)準(zhǔn)(10918)是和聯(lián)合提出的通用靜態(tài)圖像壓縮國際標(biāo)準(zhǔn)。的重要特性設(shè)定壓縮參數(shù)在解碼速度和圖像質(zhì)量間均衡無損壓縮原始圖像重構(gòu)圖像逆向離散余弦變換正向離散余弦變換量化逆量化編碼解碼壓縮圖像量化表編碼表Qualitylevel:90

Filesize:10,582bytesQualitylevel:50

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Filesize:923bytes2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)2000(15444)是的更新?lián)Q代標(biāo)準(zhǔn)，針對應(yīng)用和無線通信等領(lǐng)域。關(guān)鍵技術(shù)：以離散小波變換為主的多解析壓縮方式核心算法：高壓縮比：比壓縮性能提高30%與2000的性能比較標(biāo)準(zhǔn)2000標(biāo)題連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像的數(shù)字壓縮編碼新一代靜態(tài)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)日期1986.3-1992.101996.2-2000.12壓縮比2-30:12-50:1主要技術(shù)離散余弦變換掃描哈夫曼編碼算術(shù)編碼離散小波變換核心算法編碼空間可擴展編碼應(yīng)用場合數(shù)字照相圖像視頻編輯數(shù)字照相打印、掃描、移動通信系列標(biāo)準(zhǔn)系列標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會第一聯(lián)合技術(shù)組(1)制定的。視頻標(biāo)準(zhǔn)1：數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，1992年正式發(fā)布。2：數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)，1994年成為國際標(biāo)準(zhǔn)草案。3：已于1992年7月合并到高清晰度電視(，)工作組。4：多媒體應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)(1999年發(fā)布)。7：多媒體內(nèi)容描述接口標(biāo)準(zhǔn)(2001年發(fā)布)。21：有關(guān)多媒體框架的標(biāo)準(zhǔn)(正在研究)。：多媒體應(yīng)用格式標(biāo)準(zhǔn)(正在研究)。11標(biāo)準(zhǔn)編號11172，標(biāo)準(zhǔn)名稱為“用于碼率約為1.5時用于數(shù)字存儲媒體的動像及伴音的編碼”。1的基本目標(biāo)在音像質(zhì)量上，達(dá)到的放像質(zhì)量在存儲上，可存儲在光盤、數(shù)字錄音帶、硬盤等在傳輸碼流上，為1-1.5，以1.2為宜在網(wǎng)絡(luò)方面，應(yīng)適應(yīng)、等多種網(wǎng)絡(luò)滿足對稱和不對稱應(yīng)用1的基本內(nèi)容幾種伴音壓縮數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的復(fù)用；圖像的壓縮；伴音的壓縮。1的特點使用1的壓縮算法,可將一部120分鐘長的電影壓縮到1.2左右。因此,它被廣泛地應(yīng)用于制作。22是1的擴展。標(biāo)準(zhǔn)編號13818，標(biāo)準(zhǔn)名稱為“運動圖像及其伴音信息的通用編碼”。主要內(nèi)容為：碼率為4-9，最大15;涵蓋1全部內(nèi)容;規(guī)定數(shù)字存儲媒體命令和控制擴展協(xié)議，用于管理數(shù)據(jù)流();先進的聲音編碼方案;規(guī)定系統(tǒng)解碼器實時接口擴展標(biāo)準(zhǔn)，用來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸;一致性擴展測試;先進聲音編碼標(biāo)準(zhǔn)修正。2的特點利用網(wǎng)絡(luò)提供的3～100的數(shù)據(jù)傳輸率，支持具有更高分辨率圖象的壓縮和更高的圖象質(zhì)量；可支持交迭圖象序列（每幀圖像由兩個場組成），支持可伸縮性編碼，多種運動估計方式，提供一個較廣的范圍改變壓縮比；可以適應(yīng)不同畫面質(zhì)量、存儲容量和帶寬的要求，為此定義了不同的功能檔次（，框架），每個檔次又分為不同的等級（）。和1主要區(qū)別隔行掃描制式；變換可在幀內(nèi)，也可在場內(nèi)。用戶可自行選擇，亦可自適應(yīng)選擇。44標(biāo)準(zhǔn)編號14496，標(biāo)準(zhǔn)名稱為“甚低速率視聽編碼”1998年11月公布第一版，1999年12月公布了第二版，共分為6個部分。目標(biāo)是低速率下（<64）的視頻、音頻編碼，更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。引入了視聽對象(，)可以是孤立的人，也可是這個人的語音或一段背景音樂等。具有高效編碼、高效存儲、高效傳播以及可互操作的特性。4對的操作主要有：采用來表示聽覺、視覺或者視聽組合內(nèi)容；生成復(fù)合的；對的數(shù)據(jù)靈活地多路合成與同步；對進行交互操作等。4的特點與1和2相比，4更適于交互視聽服務(wù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)計目標(biāo)使它具有更廣的適應(yīng)性和可擴展性。4能以很低的速率基本實現(xiàn)的質(zhì)量；由于屬于一種高比率有損壓縮算法，其圖像質(zhì)量始終無法和的2相比。舉例：4視聽場景的說明由4個復(fù)合媒體對象（人，背景，家具，音視演示）組成。系統(tǒng)定義了一個場景坐標(biāo)系,然后可以指定組成該場景的媒體對象在該坐標(biāo)系中的位置，并可設(shè)定用戶觀察該場景時所在的坐標(biāo)位置，這些位置信息都會包含在場景的描述中。77是一種用于信息檢索的內(nèi)容表示的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)編號159387將建立各種類型多媒體信息的標(biāo)準(zhǔn)的描述方法。這種描述與內(nèi)容關(guān)聯(lián)在一起，支持對用戶感興趣的材料的快速、高效的檢索。7的目標(biāo)是:規(guī)定a用來描述各種類型的多媒體信息,對描述符及其相互關(guān)系的預(yù)定義結(jié)構(gòu)(稱為)以及用戶定義自己的結(jié)構(gòu)的方法進行標(biāo)準(zhǔn)化，制定一種用于定義新的的標(biāo)準(zhǔn)化的語言(),把描述(a)與內(nèi)容關(guān)聯(lián)在一起,以便用戶快速有效地檢索感興趣的材料，把描述進行編碼表示,以便有效地進行存儲和快速訪問。Automaticextractionoffeatures(or‘descriptors’)Searchengines7音頻標(biāo)準(zhǔn)音頻壓縮的主要依據(jù)是人耳

朵的聽覺特性，利用了“心理聲學(xué)

模型()”。心理聲學(xué)模型的一個基本概念：

聽覺閾值。低于聽覺閾值的聲音

信號聽不到，因此就可以把這部

分信號去掉。心理聲學(xué)模型的另一個概念：聽

覺蔽特性。聽覺閾值會隨聽到

的不同頻率的聲音而發(fā)生變化。音頻標(biāo)準(zhǔn)11：子帶無損壓縮+可選的簡單掩蔽模型。12：更高級的掩蔽模型。13(即3)：增加了對低比特率的處理。2(即4)：壓縮比更大(15:1-20:1)，增加了對立體聲的完美再現(xiàn)、比特流效果音掃描、多媒體控制、降噪等特性。H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)由國際電聯(lián)（）制定的。H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)H.261：針對在窄帶上實現(xiàn)速率P×64的雙向聲像業(yè)務(wù),其中P=1～30。H.263：針對低比特率視頻應(yīng)用H.264：和的共同成立的聯(lián)合視頻小組提出，目的是為視頻編碼應(yīng)用提供下一代的解決方案。VideoCodingSystemControlAudioCodingDataCallControlMultimediaMultiplexandSynchronizationNetworkInterfaceNetworkAdaptationGeneralprotocolstackofH-seriesaudiovisualcommunicationterminalH.261H.261是-T于1984～1989年制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。針對可視和視頻會議等業(yè)務(wù)。目的：在窄帶上實現(xiàn)速率P×64的雙向聲像業(yè)務(wù),其中P=1～30。只支持兩種圖像格式(352×288像素)和(176×144像素)。技術(shù)特征幀包括I幀（）和P幀（）；16×16微塊的運動補償、8×8、標(biāo)量量化、Z-Z掃描、游程編碼和變長編碼的編碼結(jié)構(gòu)。H.261是視頻編碼的一個里程碑，對后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)有較大的影響。現(xiàn)有的一系列視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)的編碼方法都是基于H.261中的混合編碼方法和編碼結(jié)構(gòu)。H.261的特點優(yōu)點：低復(fù)雜度缺點：低壓縮比性能、缺乏靈活性47H.263H.263標(biāo)準(zhǔn)是-T于1996年制定的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。針對低比特率（低于64）視頻應(yīng)用；目標(biāo)：在許多方面上通過視頻編碼算法和處理性能的提高，從而比H.261較大地提高編碼性能。H.263支持圖像的格式有:(128×96像素)、、、4(704×576像素)和16(1408×1152像素)。技術(shù)特征使用了半像素運動矢量和重新設(shè)計的可變長編碼()表；更多的幀大小和可選的編碼模式；運動向量預(yù)測。H.263+：H.263的修改版本修改量化模式；運動向量范圍：取決于幀尺寸；修改半像素插值算法更多的輸入視頻格式等。48H.263H.263+H.263H.264H.264標(biāo)準(zhǔn)是和的共同成立的聯(lián)合視頻小組于2003年公布的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。目標(biāo)：為視頻編碼應(yīng)用提供下一代的解決方案，提供顯著增強的編碼效率,，同時減少H.263中一些混亂的可選模式。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容分三個檔次：基本檔次實現(xiàn)版本的基本功能；核心檔次用于、；擴展檔次用于。技術(shù)特征4×4塊的整數(shù)變換多參考幀預(yù)測多模式高精度幀間預(yù)測多種幀內(nèi)預(yù)測模式統(tǒng)一的熵編碼等。H.264的特點有點：更高的壓縮比和更好的信道適應(yīng)性；缺點：計算復(fù)雜度的大大增加。49標(biāo)準(zhǔn)是我國具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的視音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)進展2002年，數(shù)字音視頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)()工作組成立。2006年1月6日，信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)通過視頻部分。2006年2月，《信息技術(shù)先進音視頻編碼第二部分：視頻》國家標(biāo)準(zhǔn)20090.2-2006發(fā)布。2006年3月1日，20090.2-2006正式實施。走向國際2006年9月，已正式成為國際電聯(lián)的聯(lián)絡(luò)組織，意味著標(biāo)準(zhǔn)已具備選入標(biāo)準(zhǔn)體系的資格,為的國際化道路打開了大門。2007年4月，在新一代標(biāo)準(zhǔn)框架要求支持的第一個非視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)就是。2007年5月，列入的內(nèi)容編碼標(biāo)準(zhǔn)文件，成為與H.264、1并列的選項。國家標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)成部分國家標(biāo)準(zhǔn)計劃號小組草案（）工作組草案()最終草案()標(biāo)準(zhǔn)送審稿（）國家標(biāo)準(zhǔn)（）11（系統(tǒng)-廣播）200513043392003.102003.122006.102007.03

12（視頻-基準(zhǔn)）200322653392003.102003.122004.42004.8

2006.212（視頻-增強）200322653392005.92006.32008.6

13（音頻雙聲道）200513053392004.122005.32005.122006.4

13（音頻-5.1）200513053392005.92005.122005.122006.4

13（移動）200513053392007.032007.62007.92007.1214（一致性測試）200513063392007.3215（參考軟件）20051307339