摘要：根據(jù)多媒體通信技術(shù)中的同步技術(shù)，衍生到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多媒體系統(tǒng)表述的三類關(guān)系，給出多媒體同步更廣泛的定義。根據(jù)同步對(duì)象的相互關(guān)系，將多媒體同步進(jìn)行分類；總結(jié)了分布式多媒體系統(tǒng)的特征；分析了實(shí)現(xiàn)分布式多媒體系統(tǒng)的四類同步通信方案；最后對(duì)不同結(jié)構(gòu)中影響分布式多媒體系統(tǒng)保持同步的主要因素進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：多媒體同步；分布式多媒體同步；同步技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）15-3625-03

多樣化、交互性和集成性是多媒體信息的基本特征，分布式多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使多媒體能力不再局限于單機(jī)范圍，而是與分布在不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)協(xié)同工作，集計(jì)算機(jī)的交互性和多媒體信息的集成性于一身給計(jì)算機(jī)的信息處理能力帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。

分布式多媒體計(jì)算機(jī)應(yīng)用除了傳統(tǒng)上遍及教育、醫(yī)學(xué)、金融、游戲、出版、玩具、辦公、旅游等各個(gè)領(lǐng)域，目前基于它人機(jī)交互的最大特點(diǎn)提出了更高的要求。那就是要使計(jì)算機(jī)成為真正的能聽、會(huì)說(shuō)、會(huì)看且具有意識(shí)和思維的真正的智能體。這也是未來(lái)人機(jī)交互研究的最終目標(biāo)。

1 多媒體同步技術(shù)

1.1 多媒體同步的定義

“同步（synchronization）”是一個(gè)與時(shí)間有緊密關(guān)聯(lián)的詞匯。按照不同作用，在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中將同步分為以下四類：載波同步、位同步（碼元同步）、群同步（幀同步）和網(wǎng)同步。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多媒體系統(tǒng)而言有它更廣泛意義，實(shí)質(zhì)上表述的是以下三類關(guān)系的所有場(chǎng)合：媒體之間的內(nèi)容關(guān)系、媒體之間的空間關(guān)系和媒體之間的時(shí)間關(guān)系。

內(nèi)容關(guān)系的實(shí)質(zhì)就是一種約束關(guān)系，復(fù)雜多樣的媒體對(duì)象代表同一內(nèi)容的不同表現(xiàn)形式，它們之間所具有的約束關(guān)系即內(nèi)容關(guān)系。大多數(shù)情況下在多媒體系統(tǒng)中，是利用那些用來(lái)表現(xiàn)不同媒體對(duì)象的公用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或?qū)ο蠼涌趤?lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容關(guān)系的。例如，在處理數(shù)據(jù)圖表時(shí)在數(shù)據(jù)圖形與生成圖形的一個(gè)填好的表格數(shù)據(jù)之間的依賴性。那么同樣的數(shù)據(jù)以表格和數(shù)據(jù)圖形兩種不同的方式表示。體現(xiàn)多媒體系統(tǒng)一個(gè)最大的特性集成性的多媒體文檔，清楚的表述內(nèi)容關(guān)系有利于對(duì)相同數(shù)據(jù)的不同表現(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)更新。

空間關(guān)系也就是布局關(guān)系，某一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)（temporal point）是在一個(gè)時(shí)間多媒體表現(xiàn)中的。任意媒體對(duì)象在一個(gè)輸出設(shè)備上的表現(xiàn)就是空間關(guān)系。

時(shí)間關(guān)系是多媒體系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。媒體之間的時(shí)間依賴性也就是時(shí)間關(guān)系。多媒體系統(tǒng)中處理的數(shù)據(jù)大都是時(shí)間相關(guān)媒體對(duì)象，所以必須處理好時(shí)間關(guān)系。在多媒體對(duì)象被表現(xiàn)的時(shí)候，要求其制作時(shí)的時(shí)間關(guān)系對(duì)應(yīng)于表現(xiàn)期間的時(shí)間關(guān)系。總之我們更多處理是多媒體數(shù)據(jù)對(duì)象集成派生出來(lái)的時(shí)間關(guān)系，該文中我們給出以下對(duì)多媒體同步的定義。

我們直觀地定義為：多媒體同步就是一種控制機(jī)制，也是一種控制策略，在滿足用戶交互的同時(shí)使多個(gè)媒體對(duì)象按照一定的時(shí)間序列進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)、平滑、并行地傳輸和表現(xiàn)。

1.2 多媒體同步的分類

根據(jù)同步對(duì)象的相互關(guān)系，將多媒體同步分為以下三類：媒體內(nèi)同步、媒體間同步和人機(jī)交互同步。

1.2.1媒體內(nèi)同步

傳輸?shù)亩嗝襟w對(duì)象具有等時(shí)–isochronism特性，多媒體系統(tǒng)需要一個(gè)對(duì)媒體設(shè)備的流控制–flowcontrol機(jī)制，即媒體內(nèi)同步。由一系有時(shí)間上關(guān)聯(lián)關(guān)系的媒體單元構(gòu)成的多媒體對(duì)象，必須保持在時(shí)間上的連續(xù)性來(lái)實(shí)現(xiàn)媒體表現(xiàn)，例如，時(shí)間線上數(shù)字視頻的各個(gè)幀畫面。

在分布式系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員需要考慮到共享資源的實(shí)時(shí)需求。因?yàn)樵诜植际江h(huán)境下，多個(gè)數(shù)據(jù)流并行運(yùn)行，一定要涉及到數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)時(shí)需求。這就需要保證媒體內(nèi)同步，解決的方案就是操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)地調(diào)度相應(yīng)的進(jìn)程，設(shè)計(jì)一個(gè)資源管理和保護(hù)方案，確保數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)需求。

1.2.2媒體間同步

為了維護(hù)并行表現(xiàn)的多個(gè)媒體流間的時(shí)間序列關(guān)系，就需要媒體間同步，并且要限制媒體流之間的扭曲–skew。相互的時(shí)間約束發(fā)生在不同媒體之間的傳輸和表現(xiàn)上，例如多道立體聲同步和唇同步等。要是媒體流在一個(gè)非實(shí)時(shí)環(huán)境–non RTE，NRTE中表現(xiàn)，它的進(jìn)程是被操作系統(tǒng)的調(diào)度策略控制；若是在一個(gè)實(shí)時(shí)環(huán)境–real- time environment，RTE中，媒體流的表現(xiàn)執(zhí)行將被有完整定義的時(shí)間規(guī)范所約束。

1.2.3人機(jī)交互同步

人機(jī)交互同步，又被稱為時(shí)態(tài)交互–temporal interaction。表示不同媒體對(duì)象和交互對(duì)象之間的同步。交互性是多媒體系統(tǒng)的一個(gè)主要特征，其主要特點(diǎn)是同步發(fā)生時(shí)間的隨機(jī)性。在用戶和多媒體系統(tǒng)之間的交互實(shí)質(zhì)就是交互對(duì)象，即用戶和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信，例如當(dāng)用戶利用輸入設(shè)備控制多媒體系統(tǒng)的跳轉(zhuǎn)、停止、變速和暫停等，系統(tǒng)應(yīng)該及時(shí)響應(yīng)用戶的操作。

在分布式多媒體系統(tǒng)中，上文中提出的三種類型的同步是密切相關(guān)聯(lián)的，但是它們的同步粒度是不同的。媒體內(nèi)同步是媒體間同步的前提和基礎(chǔ)，也是同步粒度最小的。媒體內(nèi)同步和媒體間同步都由分布式多媒體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。而在上述兩種同步的基礎(chǔ)之上的是人機(jī)交互同步，因?yàn)槭怯脩艉头植际蕉嗝襟w系統(tǒng)間交互的同步，所以它的同步粒度是最大的。

2 分布式多媒體同步

2.1 分布式多媒體系統(tǒng)

通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展為實(shí)現(xiàn)分布式多媒體應(yīng)用系統(tǒng)提供了條件，在不同地理位置通過網(wǎng)絡(luò)相連的一個(gè)和一個(gè)以上的多媒體工作站上進(jìn)行分布式合作，實(shí)現(xiàn)分布式多媒體系統(tǒng)的多樣應(yīng)用。同時(shí)多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也就成為今天人們研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。以實(shí)現(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)通訊和共享多媒體數(shù)據(jù)為目的，利用通信設(shè)備將多個(gè)在不同地理位置的多媒體計(jì)算機(jī)連接起來(lái)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，我們稱之為分布式多媒體系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下支持的多媒體對(duì)象就是分布式多媒體，它有下列兩個(gè)基本特征：

1）通過網(wǎng)絡(luò)互連的節(jié)點(diǎn)一定是多媒體計(jì)算機(jī)，它能夠?qū)崟r(shí)的處理文本、圖像、聲音和視頻動(dòng)畫等多種媒體，并且對(duì)多媒體數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合和集成。作為通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)必須能夠?qū)崿F(xiàn)多媒體數(shù)據(jù)的通訊和共享。

2）高速網(wǎng)絡(luò)是確保分布式多媒體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。要確保大容量的文本、圖像、聲音和視頻動(dòng)畫等多種媒體數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)高速的傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)就提出了相應(yīng)的要求。必須具備高傳輸速率和較大帶寬的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)。

分布式多媒體通信不僅要滿足實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)量龐大的多媒體數(shù)據(jù)流，并且在傳輸過程中要保證媒體的播放質(zhì)量，不能造成嚴(yán)重失真。這就需要在多媒體數(shù)據(jù)之間和多媒體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步。

2.2 分布式多媒體同步

分布式多媒體信息系統(tǒng)–DMIS就是全新的應(yīng)用服務(wù)之一。DMIS中的媒體源相互獨(dú)立，同時(shí)它提供文本、圖像、音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)的綜合和引用。所以DMIS中不但要在媒體源相互獨(dú)立的幾種流間保持相互的同步，同時(shí)為了解決與時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)元素在傳輸和恢復(fù)中存在隨機(jī)的延遲與丟包，實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用中必須用同步來(lái)確保以合適的時(shí)間關(guān)系播放媒體。這就使DMIS的同步問題更為棘手。除了要解決綜合同步，對(duì)數(shù)據(jù)源是存儲(chǔ)介質(zhì)的媒體流人為的在各種媒體的數(shù)據(jù)單元中加入時(shí)間關(guān)系；并且要面對(duì)實(shí)況數(shù)據(jù)流–Live data stream，需要同步外，因?yàn)樗芯o密的時(shí)間關(guān)系。例如，在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)多媒體工作站上，可以刻意安排解說(shuō)語(yǔ)音和演示圖片同步播放。總之，在復(fù)雜的、異構(gòu)的多媒體網(wǎng)絡(luò)體系中提供一種可靠的、通用的同步服務(wù)，這個(gè)方面仍面臨很多技術(shù)難題以待解決。

多媒體同步方案的選擇與設(shè)計(jì)應(yīng)該在考量其它同步要求的同時(shí)，從多媒體同步體系結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行選擇。分布式多媒體系統(tǒng)中的不同層次中都涉及到同步功能，包括多媒體通信同步、多媒體表現(xiàn)同步和交互多媒體同步等。這就應(yīng)用而生共同來(lái)支持分布式多媒體應(yīng)用的同步要求的多媒體同步體系結(jié)構(gòu)。作為系統(tǒng)的底層服務(wù)，分布式多媒體系統(tǒng)最基本的要求就是實(shí)現(xiàn)多媒體通信同步，它是其它同步功能的基礎(chǔ)，同時(shí)又受其它同步的影響，它們之間互相制約，互相影響。

3 分布式多媒體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和影響多媒體同步的主要因素

既要在媒體內(nèi)部保持同步，同時(shí)也要在媒體間保持同步是實(shí)時(shí)多媒體必須要解決的問題。保持媒體內(nèi)部的同步，其實(shí)就是保持在單一連接下單一媒體的時(shí)間關(guān)系；保持媒體間的同步，即保持多點(diǎn)連接下的時(shí)間關(guān)系或單一連接下的多個(gè)媒體交錯(cuò)的時(shí)間關(guān)系。

3.1 分布式多媒體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

多媒體應(yīng)用在以下四個(gè)結(jié)構(gòu)中需要同步：

1）一對(duì)一–unicast：一個(gè)用戶傳輸與時(shí)間相關(guān)的媒體單元，另一個(gè)用戶接收這些媒體單元序列并且在輸出設(shè)備上播放。一對(duì)一結(jié)構(gòu)的實(shí)例：可視電話。

2）一對(duì)多–multicast：一個(gè)用戶發(fā)送與時(shí)間相關(guān)的媒體單元給多個(gè)用戶。一對(duì)多結(jié)構(gòu)的實(shí)例：電視會(huì)議。

3）多對(duì)一：多個(gè)用戶發(fā)送與時(shí)間相關(guān)的媒體單元，而接收方用戶只有一個(gè)。多對(duì)一結(jié)構(gòu)的實(shí)例：用戶可以從兩個(gè)不同的庫(kù)中得到聲音和影像。

4）多對(duì)多–group：在一個(gè)組中的每一個(gè)用戶都可以是發(fā)送者、接收者或兩者都是。

也可以認(rèn)為，一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一結(jié)構(gòu)都是多對(duì)多結(jié)構(gòu)的特例。

3.2 分布式多媒體同步的影響因素

在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與分布式環(huán)境下，主要有以下因素影響多媒體的同步：

3.2.1傳輸信道所產(chǎn)生的延遲、抖動(dòng)和扭曲

網(wǎng)絡(luò)通信信道的延遲、抖動(dòng)和扭曲是不可避免的。利用多個(gè)傳輸信道傳輸多媒體數(shù)據(jù)時(shí)，由于不同的媒體信息要求的業(yè)務(wù)品質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)帶寬和信息量大小都有差異，尤其是不同的傳輸信道可能經(jīng)過不同的中間節(jié)點(diǎn)，各個(gè)中間節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷與擁塞程度又有差異，必然會(huì)產(chǎn)生不同的延遲。

3.2.2 源點(diǎn)和目的點(diǎn)時(shí)鐘偏移

通信網(wǎng)絡(luò)傳輸多媒體數(shù)據(jù)流時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的時(shí)鐘頻率必定不同，這樣發(fā)送端傳輸?shù)拿襟w流和接收端消耗的媒體流會(huì)隨著時(shí)間而失衡。如果不采取同步技術(shù)解決，最終會(huì)導(dǎo)致接收終端緩沖的溢出或枯竭。

3.3.3 其它因素

還有很多影響同步的其它因素。例如在組通信環(huán)境中，不可能為系統(tǒng)提供統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘，這樣每個(gè)終端不能保持精確的同步關(guān)系，就會(huì)產(chǎn)生有差異的初始采集時(shí)間與有差異的的初始演示時(shí)間。這些同樣都是影響多媒體同步的重要因素。

當(dāng)前分布式多媒體同步的研究重點(diǎn)是采用某種同步機(jī)制以盡量減少一對(duì)一、一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多這四種因素的影響。通過延遲阻塞和時(shí)間偏移解決一對(duì)一方式下的同步，在一對(duì)多和多對(duì)一方式下除了延遲阻塞和時(shí)差外還可以利用不同的初始采集時(shí)間。在多對(duì)多方式下四種情況都有。

4 小結(jié)

多媒體技術(shù)和高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，產(chǎn)生了分布式多媒體技術(shù)，使得多媒體信息的共享變得更加普遍。隨著當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，分布式多媒體系統(tǒng)將為人們提供更加廣闊的應(yīng)用前景，如多媒體視頻會(huì)議、分布式多媒體視頻點(diǎn)播（distributed video-on-demand）、遠(yuǎn)程教育（distance-education）等。多媒體通信需要提供對(duì)連續(xù)媒體流（continuous stream）的支持功能。具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、交互性和等時(shí)性（isochroniam）。為了滿足實(shí)時(shí)交互操作的需要。多媒體系統(tǒng)必須能夠克服在數(shù)據(jù)演示過程中的由存儲(chǔ)、通信和計(jì)算所引起的系統(tǒng)延遲（delay）、抖動(dòng)（jitter），所有這些都需要多媒體同步技術(shù)加以解決。

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