多媒體通信：原理、技術及應用（簡體書）

本書全面系統地介紹了多媒體通信技術的基本原理和z新應用成果，深入分析了音頻、圖像、視頻等多媒體技術的理論基礎，從通信系統的角度梳理了多媒體信號的產生、壓縮、編/解碼、存儲、傳輸及主要應用。內容涵蓋了多媒體通信技術的基本原理、系統結構、關鍵技術、協議標準、應用領域等。全書共分為11章，主要內容為： 多媒體通信技術概述、音頻技術基礎、圖像技術基礎、視頻技術基礎、多媒體數據的編碼與壓縮、多媒體數據存儲技術、多媒體通信網、流媒體通信技術、超媒體技術、分布式多媒體系統、多媒體通信安全。 本書可用作高等院校計算機類、信息類、通信類相關專業高年級本科生的教材，也可以作為計算機和通信等相關專業的選修教材及各類培訓教材。對於希望學習多媒體技術、從事計算機領域相關工作的技術人員和愛好者，本書也是一本實用的自學參考書。

本書是重點高校“多媒體通信”課程改革的代表性作品！內容齊全系統，配套了完整的教學課！既適合作為教材，又尤其適合工程技術人員作為基本參考書。教學資源 ? 教學課件 配書教案（PPT）可到清華大學出版社網站本書頁面下載。 本書特色 本教材在總結作者多年從事通信系統和多媒體技術教學經驗的基礎上，結合本科生教育教學的特點編寫，內容安排由淺入深、循序漸進，語言通俗易懂，緊密結合當前技術的新發展，在闡述理論的同時側重實用性，力求讀者能夠透徹掌握多媒體通信的基本概念、原理和方法，初步運用所學知識解決實際問題。 ? 易教易學：結合工科應用型學生的特點，力求在概念和原理的闡述上嚴格、準確、精煉，內容講解上深入淺出、圖文並茂，便於學習。 ? 層次分明：采用循序漸進的方式，在理解音頻、圖像、視頻等多媒體基本技術原理的基礎上，逐步分析介紹多媒體通信系統的組成結構、關鍵技術、協議標準、應用領域和新發展，做到由淺入深、系統全面。 ? 系統有機：在系統介紹多媒體技術及其相關知識的基礎上，以通信過程為應用背景，詳細分析多媒體信息的采集、編碼、壓縮、傳輸、存儲、處理、應用等關鍵技術，建立起多媒體信息通信系統的整體框架。 ? 前沿應用：緊密結合各章節內容擴展新的行業應用，幫助讀者了解多媒體通信技術的新進展，激發學習興趣，啟迪創新思想。

目錄
第1章多媒體通信技術概述
1.1多媒體通信的概念
1.1.1多媒體
1.1.2多媒體通信
1.1.3多媒體通信系統
1.2多媒體通信的業務種類
1.3多媒體通信的關鍵技術
1.3.1多媒體數據的獲取與顯示
1.3.2多媒體數據壓縮與編解碼
1.3.3多媒體通信網
1.3.4多媒體數據存儲及檢索
1.4多媒體通信的典型應用
1.4.1多媒體視頻會議系統
1.4.2交互式信息點播系統
1.4.3多媒體監控與報警系統
1.4.4多媒體電子郵件
1.4.5虛擬現實
1.5多媒體通信技術的發展趨勢
1.5.1多媒體通信與IP的進一步融合
1.5.2多媒體通信的寬帶化
1.5.3多媒體通信業務的移動化
本章習題
第2章音頻技術基礎
2.1音頻信號概述
2.1.1音頻信號特性
2.1.2人耳聽覺感知特性
2.1.3話音基礎
2.2音頻信號的產生與存儲
2.2.1音頻信號的采集
2.2.2音頻信號的存儲
2.2.3音頻信號的評價
2.3音頻信號的數字化
2.3.1音頻信號的采樣
2.3.2音頻信號的量化
2.3.3音頻信號的編碼
2.4行業應用： 音頻技術實踐
2.4.1語音合成技術
2.4.2語音識別技術
2.4.3音頻檢索技術
本章習題
第3章圖像技術基礎
3.1圖像信號概述
3.1.1人眼的結構
3.1.2視覺成像原理
3.1.3視覺特性
3.2圖像的表示與存儲
3.2.1顏色的基本概念
3.2.2圖像信號的表示
3.2.3圖像文件存儲格式
3.2.4圖像質量的評價
3.3圖像信號的數字化
3.3.1圖像信號的采樣
3.3.2圖像信號的量化和編碼
3.4行業應用： 圖像技術實踐
3.4.1基於內容的圖像檢索
3.4.2全息影像技術
本章習題
第4章視頻技術基礎
4.1視頻信號概述
4.1.1視頻技術發展概況
4.1.2視頻信號的基本類型及特點
4.1.3數字視頻的應用
4.2視頻信號的產生與存儲
4.2.1視頻圖像的基本特征參數
4.2.2數字視頻信號的產生
4.2.3視頻信號的存儲
4.3電視技術基礎
4.3.1電視信號的攝取與重現
4.3.2電視信號掃描
4.3.3電視信號頻譜分配
4.3.4彩色電視信號數字化
4.4數字電視系統
4.4.1數字電視的特點
4.4.2數字電視系統的結構
4.4.3數字電視系統的標準
4.5行業應用： 視頻技術實踐——基於內容的視頻檢索技術
本章習題
第5章多媒體數據的編碼與壓縮
5.1多媒體數據編碼技術概述
5.2音頻數據編解碼技術
5.2.1音頻數據編解碼分類
5.2.2音頻數據壓縮編碼
5.2.3音頻壓縮編碼標準
5.3圖像數據編碼技術
5.3.1圖像信息中的冗餘
5.3.2無失真圖像壓縮編碼
5.3.3限失真圖像壓縮編碼
5.3.4圖像壓縮編碼新技術
5.4視頻壓縮編碼技術
5.4.1視頻壓縮編碼的方法
5.4.2視頻壓縮編碼的國際標準
5.4.3視頻壓縮編碼新標準
5.5行業應用： 多媒體信息處理的利器——GPU
5.5.1GPU簡介
5.5.2GPU工作原理
5.5.3GPU特點及優勢
5.5.4GPU的研究領域
本章習題
第6章多媒體數據存儲技術
6.1基於磁介質的存儲技術
6.1.1磁盤的物理結構及工作原理
6.1.2磁盤存儲系統
6.1.3存儲系統面臨的挑戰
6.2基於光介質的存儲技術
6.2.1光盤存儲技術的產生與發展
6.2.2光存儲技術的基本概念
6.2.3光盤存儲系統
6.3其他存儲設備
6.3.1存儲卡
6.3.2USB移動存儲設備
6.4多媒體數據庫
6.4.1多媒體數據庫的概念與特點
6.4.2多媒體數據庫系統的層次結構
6.4.3多媒體數據庫的關鍵技術
6.5行業應用： 多媒體數據的網絡存儲
6.5.1網絡存儲技術的主要種類
6.5.2云存儲技術
本章習題
第7章多媒體通信網
7.1多媒體業務對通信網絡的要求
7.1.1多媒體通信的綜合性要求
7.1.2多媒體通信網絡的性能指標
7.1.3多媒體通信的服務質量（QoS)
7.1.4傳統通信網絡對多媒體業務的支持
7.2多媒體通信協議
7.2.1IPv6
7.2.2RSVP
7.2.3RTP/RTCP
7.2.4RTSP
7.3典型的多媒體通信網絡
7.3.1基於電信網的多媒體通信
7.3.2基於計算機網絡的多媒體通信
7.3.3基於有線電視網絡的多媒體通信
7.4行業應用： 多媒體通信網絡的發展趨勢——三網融合
7.4.1三網融合的含義與特點
7.4.2三網融合的發展現狀
7.4.3三網融合的發展策略
7.4.4三網融合所面臨的問題
7.4.5多媒體技術在三網融合中的發展前景
本章習題
第8章流媒體通信技術
8.1流媒體技術簡介
8.1.1流媒體的基本概念
8.1.2常見的流媒體業務形式
8.2流媒體傳輸原理
8.2.1流媒體實現原理
8.2.2流媒體傳輸方式
8.2.3流媒體傳輸過程
8.2.4流媒體播放方式
8.3流媒體通信系統
8.3.1流媒體通信系統的基本構成
8.3.2流媒體通信的關鍵技術
8.3.3典型流媒體通信系統
8.4行業應用： 流媒體通信新技術
8.4.1P2P流媒體
8.4.2移動流媒體
本章習題
第9章超媒體技術
9.1超媒體的基本概念
9.1.1超文本
9.1.2超媒體
9.1.3超文本與超媒體的區別與聯系
9.2超媒體技術的主要應用
9.2.1多媒體信息存儲與管理
9.2.2多媒體輔助辦公與學習
9.2.3商業應用與休閑娛樂
9.3超媒體系統
9.3.1超媒體系統結構
9.3.2超媒體系統的組成要素
9.3.3超媒體系統的特性
9.3.4超媒體通信技術
9.3.5超媒體系統存在的問題
9.4行業應用： 超媒體技術的其他發展
9.4.1開放超媒體系統
9.4.2智能超媒體系統
9.4.3自適應超媒體系統
9.4.4超媒體與人機交互
本章習題
第10章分布式多媒體系統
10.1分布式多媒體的基本概念
10.1.1分布式系統
10.1.2分布式多媒體
10.1.3分布式多媒體業務類型
10.2分布式多媒體系統
10.2.1分布式多媒體系統的概念
10.2.2分布式多媒體系統的特征
10.2.3分布式多媒體系統的結構
10.2.4分布式多媒體系統的關鍵技術
10.3典型分布式多媒體系統
10.3.1視頻點播系統(VOD)
10.3.2計算機支持的協同工作(CSCW)
10.3.3數字圖書館(DL)
10.4行業應用： 從分布式多媒體到全媒體融合
10.4.1全媒體融合的發展之路
10.4.2全媒體融合的特點
10.4.3全媒體發展的模式
10.4.4全媒體融合的未來趨勢
本章習題
第11章多媒體通信安全
11.1多媒體信息的內容安全
11.1.1加密技術
11.1.2信息隱藏
11.1.3數字簽名
11.1.4數字取證
11.2多媒體信息的存儲安全
11.2.1多媒體數據庫的安全
11.2.2訪問控制
11.2.3入侵檢測
11.3多媒體信息的傳輸安全
11.3.1多媒體內容分發
11.3.2基於SSL協議的多媒體通信安全
11.3.3基於SIP的多媒體通信安全
11.4行業應用： 多媒體技術在安全領域的實踐
11.4.1多媒體保安監控系統
11.4.2多媒體智能家居系統
本章習題

第3章 CHAPTER 3 圖像技術基礎 圖像是可視的多媒體信息，是用各種觀測系統以不同形式和手段從客觀世界獲得的、可以直接或間接作用於人眼並產生視知覺的實體。科學研究和統計表明，人類從外界獲得的信息約有75%來自視覺系統。因此，圖像是人們體驗到的最重要、最豐富、信息獲取量最大的媒體形式。本章在介紹視覺成像原理和圖像相關知識的基礎上，對圖像信號的表示方法及常見圖像存儲格式進行了較為詳細的描述； 此外還介紹了模擬圖像數字化轉換的具體過程和圖像技術的應用新領域。 本章的重點內容包括： 圖像信號的相關概念 人眼的視覺特性 圖像的表示與存儲 圖像信號的數字化 圖像技術的行業應用 圖像是人類視覺器官感受到的形象化媒體信息，例如周圍的環境、景物、圖畫等。自然界中的大多數此類信息都屬於模擬圖像信息，因此需要借助數字化轉換和分析技術對模擬圖像進行數字化處理，以便實現圖像信息的計算機存儲和分析。數字圖像處理技術是多媒體應用的重要組成部分，數字圖像處理過程必須符合人眼的視覺特性，圖像數據的應用領域已經遍及科學技術和日常生活的各個方面。本章主要介紹視覺成像原理和圖像的基礎知識，分析圖像信號的表示方法以及常見圖像的存儲格式，討論模擬圖像數字化轉換的具體過程，展望圖像技術的最新應用。 3.1圖像信號概述 人類獲取信息的能力主要來源於視覺系統，而數據量巨大的圖像信息處理技術是多媒體技術中最重要、最困難和代價最高的部分。隨著圖像技術的廣泛應用，尤其是通信實時性的要求，多媒體圖像處理技術的要求也越來越高，而很多圖像處理方法都是從人眼視覺系統的研究中得到啟發。因此，本節重點介紹人眼的結構、視覺成像原理和人眼視覺特性。 3.1.1人眼的結構 眼睛是一個可以感知光線的器官，能夠辨別不同的顏色、不同的光線，再將這些視覺形象轉變成神經信號傳送給大腦。人眼的解剖結構如圖31所示，其中角膜是眼睛最前面突出的透明部分，呈高度透明的新月形切面結構。角膜富含感覺神經，其前房是折射率為1.0的空氣，後房是折射率為1.336的房水，這使得角膜產生很大的屈光力。角膜是眼睛主要的折光介質，承擔眼睛三分之二以上的折光度。 圖31人眼解剖圖 虹膜位於晶狀體前面，其中央有一個2.5~4mm的圓孔，稱為瞳孔。瞳孔主要有兩個功能： 一是限制到達視網膜的通光量； 二是限制眼睛成像系統的數值孔徑。 晶狀體位於虹膜之後，是由多層薄膜構成的一個雙凸鏡，它是眼睛的又一個重要屈光介質。晶狀體前、後表面的曲率半徑及折射率隨著年齡的增長會產生變化。眼睛處於不同的調節狀態時，晶狀體的形狀發生變化，折射率的分布狀態亦有所變化，從而改變眼睛的光焦度，將不同距離的物體都能成像在視網膜上。 玻璃體是晶狀體後表面到視網膜的空間，是眼睛屈光系統終末的屈光介質。除了具有屈光的功能，它還起到對晶狀體、視網膜等周圍組織支持的減振和代謝作用。 眼睛後方的內壁與玻璃體緊貼的部分，是由視神經末梢組成的視網膜，它是眼睛光學系統成像的接收器，猶如相機中的底片，是一個凹形的球面。 黃斑是視網膜後部一個直徑約為2mm的淺漏斗狀凹陷區，其中心約0.3mm×0.2mm的凹部稱為中心凹。中心凹密集了大量感光細胞，是視網膜上視覺最靈敏的區域。 視網膜上的視神經細胞是第一級神經元，分為視錐細胞和視桿細胞兩種。視錐細胞感受強光明視覺和色覺，視桿細胞感受弱光暗視覺和無色視覺。視錐細胞有三種感受不同波長的細胞，相應波峰值分別對應藍（440nm)、綠（530nm)、紅（560nm)三種顏色。視桿細胞只有一種，相應波峰值在500nm。視桿細胞在感光敏感度上要比視錐細胞高，因此在低照度下，視桿細胞仍能提供視覺響應，而且它對形狀比較敏感，常稱為暗感覺； 視錐細胞卻只能在高照度下提供視覺響應，也就是明視覺。另外，視桿細胞分布面廣，幾乎布滿整個視網膜，而視錐細胞主要集中在眼睛的中央凹區，而且它局限性大，只能識別景物的細節。與此同時，視錐細胞對顏色很是敏感，可以區別彩色，視桿細胞卻無法區別，這也是在低照度下人們無法分辨彩色的景物，而只能將其視為灰色輪廓形狀的原因。 3.1.2視覺成像原理 視覺是由眼球接收外界光刺激，通過視神經、大腦視覺中樞的共同活動來完成的復雜過程。外界物體發出或反射的光線，從眼睛的角膜、瞳孔進入眼球，穿過仿佛放大鏡一般的晶狀體，使光線聚焦在眼底的視網膜上，形成物體的像。圖像刺激視網膜上的感光細胞，產生神經衝動，沿著視神經傳到大腦的視覺中樞，在那裡進行分析和整理，產生具有形態、大小、明暗、色彩、運動的視覺。由於晶狀體的凸度可以由睫狀肌調節，因此在一定範圍內不同遠近的物體都可以形成清晰的圖像落在視網膜上。 但是，由於人的兩眼相距58～72mm，因此，用雙眼同時觀看同一物體時，左、右兩眼視線方位不同，物體在左、右兩眼視網膜上所成的像亦稍有差異，這種差異稱為雙眼視差。當用雙眼觀看一個立方體時，可能左眼只看到立方體的前平面和上平面，而右眼除了能看到這兩個平面外，還能看到立方體的右側平面。此外，即使是左、右兩眼都能看到前平面和上平面，在左、右視網膜上所成的像也稍有差異，即呈現二重像。這時眼睛會做旋轉運動，使兩眼視網膜上的成像落在同一點上，從而使二重像變為單像。眼球的這種旋轉動作被稱為輻輳，它能給出不同的深度感覺，從而產生立體視覺。用單眼觀看空間物體時，通過睫狀肌的調節作用，可以使不同距離的景物在視網膜上呈現清晰的影像，即通過分辨其深度來產生立體視覺。人眼觀看景物時產生的立體視覺是單眼和雙眼立體視覺綜合的效果。 3.1.3視覺特性 1. 視覺靈敏度 人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度響應，不同人的眼睛對波長靈敏度響應也有差異。為了了解人眼的視覺特性，國際照明委員會（CIE)推薦使用標準視度曲線（人眼視覺光譜靈敏度曲線)，如圖32所示。 圖32人眼視覺光譜靈敏度曲線 從圖32中可以看出，隨著波長的變化光譜顏色不同，人眼亮度感覺也不相同。換句話說，只有采用不同的照明功率才能使人眼對不同波長的光產生相同的亮度感覺。反之，當射入人眼的光具有完全相同的輻射功率時，人眼對不同波長的光的亮度感覺是不相同的。其中，明視覺響應是人眼適應大於或等於3cd/m2的視場亮度時，視覺由視錐細胞起作用。暗視覺響應是人眼適應小於或等於3×10-5cd/m2的視場亮度時，視覺由視桿細胞起作用。當視場亮度發生突變時，人眼的適應主要包括明暗適應和色彩適應。 2. 光度測量參數 由於無法直接使用輻射光功率來描述光源的照明效果，因此實際中使用兩套參數來分別描述輻射光和照明光。前者與人眼的視覺特性無關，後者則考慮了人眼的視覺特性。下面介紹幾種主要的光度量單位。 (1) 輻射功率(P)： 指輻射體在單位時間內所輻射出的總能量，它與輻射的功率頻譜分布有關。 (2) 輻射強度(I)： 指點輻射源沿單位立體角所輻射出的功率，其單位為瓦/立體角弧度。 輻射功率和輻射強度是與人眼視覺的光譜靈敏度無關的物理量。 (3) 光通量： 表示光源在單位時間內發出的光能量，單位為流明，用lm表示。人眼感受到的光輻射功率不僅與光本身輻射的功率大小有關，還與人眼對不同波長光的視敏度有關。國際照明協會定義： 輻射功率為1W的波長為555nm的單色綠光產生的光通量為680流明（1W=680lm)。對可見光以外的電磁波，無論輻射功率有多大，光通量都為零。光通量與人眼的特性有關，相同的光通量表示視覺的亮度感覺相同。因此，可以用光通量對可見光的亮度進行計量。 (4) 發光強度： 定義為光源在單位立體角內發出的光通量，簡稱光強，單位為坎德拉，用cd表示。1lm指1cd的光源相距單位距離，並與入射光垂直的單位面積上每秒鐘流經的光通量。物體發出的光通量大，不一定發光強度大。 (5) 照度： 受光源照射的面上的照度，是指光通量與被照射表面面積之比，即光通量的密度或單位面積上的光通量。照度的單位是勒克斯，用lx表示。照度為1lx是指在1m2的面積上照射1lm的光通量，它是描述環境受光源照射情況的量。 (6) 亮度： 亮度是用來表征發光表面的明亮程度的物理量，定義為光源單位面積在法線方向上的發光強度，稱為光源亮度。亮度是客觀的物理量，它與觀察的角度無關。 需要注意的是，發光強度、亮度和照度參量都是考慮到人眼的視覺特性之後的結果。 3. 亮度敏感性 在定義亮度時雖然考慮了人眼的光譜靈敏度，但實際觀察景物時所獲得的亮度感覺並不僅由景物的亮度決定，它與景物所處的周圍環境亮度也有關。亮度感覺是指能分辨出不同的亮度層次。亮度敏感性可以反映人眼對某一個背景亮度下噪聲的敏感程度，一般用該背景下可察覺的噪聲門限來表達。 人眼對不同的亮度具有不同的敏感性，在平均亮度大的區域，人眼對亮度誤差噪聲敏感度較低； 而在亮度變化平緩的區域，亮度的少量變化就容易被人眼覺察到。這說明，處於較低亮度背景下的噪聲要比較高亮度背景下的噪聲更容易被察覺。實驗表明，人眼覺察亮度變化的能力非常有限。例如，在某一亮度下，亮度發生變化並且人眼剛好能夠覺察出此變化，這個變化值就是最小亮度變化量，如果稱此變化量為一級亮度級差，則每增加一個最小亮度變化量，就增加一級亮度級。 人眼在適應平均亮度的情況下，能夠感受的相對亮度比較小，且主觀亮度感覺存在相對性，這給圖像的傳送和再現帶來了方便。亮度敏感性在圖像處理方面有很大的應用價值，一方面，它使得重現圖像的亮度無須等於實際圖像的亮度，而只要保持兩者的最大亮度和最小亮度比值不變即可； 另一方面，人眼不能辨別的亮度差別在圖像復現時沒有必要復制出來，所以只要復現圖像和實際圖像具有相同的亮度層次，就會給人以真實的感覺。 通常將景物或重現圖像的最大亮度Lmax與最小亮度Lmin之比稱為對比度，用符號C表示，即 C=LmaxLmin (31) 畫面的最大亮度與最小亮度之間所能分辨的亮度感覺級數稱為亮度層次，也稱為灰度。由於人眼的亮度感覺是相對的，即同一亮度在不同的環境下給人的亮度感覺是不同的，因此當人們看電視時，在考慮到環境亮度後電視圖像的對比度可以表示為 C=Lmax+LφLmin+Lφ (32) 其中，Lφ為環境亮度。 ……