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1、第四章 多媒体系统组成结构 第一节 一多媒体计算机基本组成构成 多媒体系统是指能对数据、文本、图形、图像、动画、声音、视频等多媒体信息载体进行逻辑互联、获取、编辑、存储和播放的一个计算机系统。它要求计算机交互式地综合处理以上各种媒体信息，尤其是对于图像和声音数据，如果要实现多媒体应用要求的实时处理，多媒体系统必须速度高、功能强。为了较好地完成多媒体系统所需求的交互处理声音、文字、图像等数据的任务，通常有以下三种途径：一是选用专用芯片来设计专用接口板卡。例如可以用声霸卡解决声音的输入、输出以及实现编码和解码的问题；采用视频采集卡可以 视频的采集和压缩功能。二是选用直接设计和实现的专用多媒体系统，
2、如 philips 公司和 sony 公司的 CD-I 系统、Commodore 公司的 Amiga 系统、Apple 公司的 Hypercard 以及 Intel 公司的 DVI 系统等。三是在已有的计算机基础上通过增加多媒体升级套件而成为多媒体系统，如增加声卡、视频采集卡、扫描仪、数码相机、数码摄像机等 现在一个很明显的趋势是把各种多媒体功能集成到计算机中去。例如，现在很多计算机主板都集成了声卡、视频采集卡和网卡，有些多媒体数据计算已经融合到 CPU 中。从总体而言，一台多媒体计算机是由多媒体硬件系统和多媒体软件系统肉构成的，其中多媒体软件系统又包括多媒体操作系统、多媒体创作工具和多媒体应
3、用系统等几部分（我们将在本书后面部分进行介绍）。下面我们讨论多媒体计算机硬件系统。一个功能较齐全的多媒体计算机系统从处理的流程来看，包括输入设备、计算机主机、输出设备、存储设备等几个部分；而从处理过程中的功能作用来看，则可分为以下几个部分：1.音频部分。负责采集、加工、处理波表、MIDI 等多种形式的音频素材，需要的硬件有录音设备、MIDI 合成器、高性能的声卡、音箱、话筒、耳机等。2.图像部分。负责采集、加工、处理各种格式的图像素材，需要的硬件有静态图像采集卡、数字化仪、数码相机、扫描仪等。3.视频部分。负责采集、编辑计算机动画和视频素材，对机器速度及存储要求较高，需要的硬件设备有动态图像采
4、集卡、数字录像机，以及海量存储器等。4.输出部分。可以用打印机打印输出或在显示器上进行显示。5.存储部分。可以用刻录机刻录成光盘保存。在多媒体硬件系统中，计算机主机是基本型部件，也是关键部件，如果没有它，其他多媒体功能就无所谈起。计算机主机一方面控制输入输出以及数据存储设备，另一个重要的方面是对输入的各种音频、视频等数据进行处理和变换，得到最终我们想要的结果。衡量一台计算机的性能的主要因素是 CPU（中央处理器）、内存、主板等的性能，其中处理器的好坏直接影响到多媒体系统的性能。自 1971 年 Intel 公司推出世界上第一个微处理芯片 4004 以来，至今微处理器的发展经历了五个阶段，从 I
5、ntel 4004 到 80 x86 再到 Pentium（奔腾），如今已经发展到 Pentium4，时钟频率已达 2.4GHZ。除了时钟频率以外，位长也从最初的 4 位发展到如今的 64 位，整数和浮点运算能力都大为加强。同时，为了更好地扩展功能以满足用户的需求，大多数微处理器都集成了一些特殊功能模块，如图形部件、数字信号处理部件、图像处理部件、向量矩阵处理部件等。因此，目前的通用处理器有足够的就算能力支持用软件方式完成某些标准所要求的功能。例如，在高档微型计算机（如 Pentium 4）或工作站上可以对 MPEG 4 序列进行实时解码。对于 H.261 视频协议而言，仅使用软件就可以对 Q
6、CIF 图像近似实时软件编码或解码。但是要让目前的多媒体计算机完成多媒体的所有功能还不太现实，这有待于数据压缩等相关学科的技术进步。输入设备是多媒体系统的先导硬件，完成数据导入的功能。输入设备分为数字输入和模拟输入，数字输入一般是通过扫描仪、数码相机或数码摄像机获得的；模拟图像信号（如普通；录像机、电视机等视频信号或通过电话线等模拟网络传过来的模拟数据）要通过图像采集卡经数字化后才能输入给计算机，话筒、录音机等的模拟音频数据是通过音频采集卡来完成相似的数字化过程的。经过计算机处理以后的数据可以由相应的设备输出，也可以存储起来。由于多媒体的数据量通常是很大的，所以像软盘这样的存储设备已不适用，我
7、们要把数据通过编码后存储在大容量的存储设备中，如硬盘（IDE 硬盘、SCSI 硬盘等）。现在 100GB 以上容量的硬盘已经出现，硬盘的转速也提高很快，目前已经达到 10000r/min。另外，用得较多的存储设备还有数据磁带和光存储设备。数据磁带的主要优点是存储数据量大，但是有可能断裂和霉变；光盘存储器由光盘驱动器和盘片组成。一张 CD-ROM 光盘可以容纳大约 650MB 的信息内容，它适于存储如文本、图形、图像、动画、视频或音频等多媒体信息。目前，计算机播放的多媒体信息内容和安装的应用程序大多来自于 CD-ROM 光盘。对不同的媒体信息输出和不同的应用目的则有不同的输出设备，比如显示器可以
8、用来实现显示图像、文本等，但是不能长期保存数据，更不能播放声音。声音需要放大器、扬声器、音响或 MIDI 合成器等设备才能回放。显示器关机后信息就会丢失，称为软输出设备，投影仪、电视机等都属于此类；而打印机、胶片记录仪、图像定位仪等则是硬输出设备，它们的输出可以长期保存。二、多媒体个人计算机（MPC）标准 多媒体个人计算机（Multimedia Personal Computer，简称 MPC）是指具有特定多媒体功能的个人计算机。实际上，MPC 并不是全新的个人计算机，它是在现有个人计算机基础上加上一些硬件卡及软件，使其具有综合处理声音、文字、图形、图像等信息的功能。为了推广多媒体计算机，19
9、90 年 11 月，以 Microsoft 公司为主的主要多媒体开发厂商联合成立了“多媒体个人计算机市场协会（Multimedia PC Marketing Council）”，该协会后来改组为“多媒体个人计算机工作组（Multimedia PC Working Group）”，涉及到全世界数千家重要的计算机生产厂家，负责制定和推广各种 MPC 标准。MPC 要完成的一个很重要的工作就是解决不同厂家生产的计算机产品之间的标准化和兼容性问题，以及它们能够方便地组成多媒体个人计算机。为此，必须解决以下两个关键问题：一是如何能使应用软件和工具软件在各种操作系统和硬件平台上都能够运行，既在各种软、硬件
10、平台运行时的兼容性问题；二是数据交换兼容性问题，尤其是使用不同编码方法的硬件设备之间这个问题更加突出，需要完成数据格式之间的转换。MPC 标准不仅仅是对硬件系统的要求，它规定了一个以 Intel 处理器芯片为基本的计算机，转变成为多媒体计算机的最低软、硬件规范。MPC 标准中明确规定了多媒体计算机必须配备的主机设备、多媒体扩展设备和操作系统等量化的数据。到目前，实际上已经有三个相互延续的 MPC 标准问世，既 MPCLevel 1,MPGLeve3，分别用 MPC 1,MPC 2 和 MPC 3 来标记。（一）MPC1 MPC 1 于 1991 年发布，它规定的最小工作平台如下：80386SX
11、 处理器、至少 2MB 内存、30MB 硬盘、16 色 BGA 显示器、单速 CD-ROM 驱动器、8 位声卡以及带有多媒体扩展的 Windows 操作系统，具体数据如表 4-1 所示 MPC 1 的功能较差，不足以用来开发或播放较好的多媒体软件，现在早已过时，但是作为多媒体计算机的第一个系统规范仍具有十分重要的地位。（二）MPC 2 在制定 MPC 1 标准时由于对多媒体的发展估定不足，致使新标准刚刚实施，有的指标就已经落后了。对开发有较高要求的多媒体应用，8 位声音采样和 256 色图形显然是远远不够的，而且当时市场上的多媒体产品已经超过了 MPC1 标准规定的指标。于是，多媒体个人计算机
12、市场协会在 1993 年 5 月公布了 MPCLevel 2 标准，符合这个标准的个人计算机将带有 MPC 2 的标志。除了对 CPU 主频、内存和硬盘等主要部分做了改进外，MPC 2 更增强了对声音、图像、视频动画播放和 photo CD 的支持。MPC 2 的具体配置情况见表 4-2（二）MPC 3 1995 年 6 月，由更名为多媒体个人计算机工作组（Multimedia PC Working Group）的多媒体计算机市场协会公布了最新的 MPC 3 标准，它反映了 Pentium CPU,MPEG 视频压缩技术和 Windows95 的出现给多媒体带来的巨大冲突。MPC 3 标准要达
13、到的一个重要目标是使多媒体计算机在 CD 级音响伴奏下播放全屏幕 MPEG 视频（不使用“硬压缩”方法）。MPC 3 技术规范的详细配置见表 4-3 由上面的分析可以看出，MPC 平台标准的特点是兼容性、个人化和家庭化，其任务是让每个个人计算机推广到家庭，使个人计算机连接到每个家庭的电视、电话和立体声音响设备，个人计算机组成为家庭管理和娱乐的中心，这样就会使个人计算机产业应用有一个突破性的发展。在 MPC 标准公布以前，多媒体软、硬件的开发没有共同遵循的规格，软、硬件厂商各自为政，无法制作出可适合于不同计算机使用的多媒体产品。在 MPC 推出以后，MPC平台标准与开发者、用户和销售商都有关系密
14、切：对计算机应用开发者来说，MPC 是开发先进的多媒体应用系统的标准，正是由于这个标准所确定的统一的多媒体运行和开发环境，促成了各种多媒体产品和软件如雨后春笋般地涌现出来，极大地带动了多媒体 CD 出版物的流行；其次，对用户来说，MPC 是建立能支持多媒体应用的个人计算机系统或者已有的个人计算机升级为多媒体系统的指南；最后，对销售商而言，MPC 是一个组织的标志，这个组织的总之是尽可能的使个人计算机用户拥有多媒体功能，因此他们乐于销售。得到 MPC 的办法有两种，要么购买成套的 MPC，要么在原有计算机基础上购买其他部件进行升级。实际上，由于 MPC 是一个标准而不是计算机，所有我们可以从任何
15、地方购买零部件来装配自己的 MPC，只要符合该标准就可以了。值得一提的是，MPC 标准只限定可组成多媒体计算机的最低配置，它留下了足够的空间，使零售商可以增加系统和外部设备的功能，用户可以随时升级到更高的配置。比较 MPC 与普通个人计算机的组成可以发现，MPC 的 CPU、内存、外存、输入输出以及各种接口等两者都有，但是MPC的指标常常要高一些，我们通常需要扩展的是CD-ROM驱动器、音频卡和其他标准需要的配件。MPC 具有以下几个特点：1.CD-ROM 光盘驱动器必不可少。CD-ROM 是多媒体时代最重要的外部存储设备之一，不仅音乐、动画和电影节目可以预先录制在光盘上，而且工业、农业、文教
16、卫生等众多领域的文献资料均可预先录制到光盘上。例如 Microsoft 公司的百科全书光盘中，包括了 21000篇文章和图画，并伴有动画和诗人的朗读，其声音有几种语言效果，现在出版的著作很多都附带同步光盘，极大地提高了读者阅读和学习的效率。另外有些杂志，常在年终的时候把本年度的所有期刊制作成多媒体盘片，这使得查阅检索信息非常方便。CD-ROM 的特点是数据存储容量大、具备移动存储能力、数据交换方便、盘片数据保存时间上。也正是由于CD-ROM 的出现才极大地推动力计算机多媒体技术的发展，因此被称为多媒体时代的“发动机”。随着技术的发展，CD-ROM 已经成为个人计算机的标准配置，并且有的用户已经
17、开始配置 DVD-ROM 或具有 CD-ROM 功能的刻录机。2.高质量的声卡和数字音响。MPC都具有语音变成数字信号和数字信号变成语音的A/D和 D/A 功能，并可以把数字信号记录到硬盘上从硬盘上重放。没有声音的计算机不但谈不上多媒体计算机，而且给我们的生活也带来不了多少乐趣，学习效率也会大打折扣。因此，我们需要一套高质量的声音处理和回放系统，声卡和音响（或耳机）是必不可少的。就技术而言，声卡已基本完成了由 ISA 接口向 PCI 接口的过渡，增强 3D 音效尤其是多声道，是现在声卡产品的重要特点。而且很多主板中已经集成了声卡，但是集成声卡的效果肯定不是最好的。3.图文并茂的现实。MPC 的
18、图形显示卡（简称显卡）允许在同一画面上显示清晰的图形、图像和文字，因此能够显示来自视频采集卡、光盘、互联网等数据源的动画、影视材料、文字等，并且具备使画面、字幕和声音同步的能力。静态图像和运动视频信号数字化存储到帧存储器中，要解决如何把它们变成标准文件存入内存或外存，如何对不同的图像文件格式进行转换，最后又如何在显示器的屏幕上显示的问题。这些问题的解决都需要显卡来完成。随着微型计算机 CPU 性能的不断提高，显示系统也不断推出新的标准，目前显卡的发展速度甚至超过了 CPU 的发展速度、图 4-2 所示为旌宇 SP7300 显卡的照片 作为计算机的重要组成部分，显卡的作用是不容忽视的，几乎每一个
19、应用程序都会使用到显卡。简单地说，显卡的作用就是控制显示器上的每一个点的亮度和颜色，使显示器描绘出我们想看到的图像。早期的显卡并没有受到太多的重视，它的作用无非是如实地将处理器输出的数据转换后显示在显示器上。当然，那时屏幕上看到的多是一些简单的文本文件。随着图形软件的不断增多，尤其是图形操作系统的逐渐普及，单单依靠 CPU 去处理所有的数据会极大地影响系统的整体性能，因此产生了图形加速卡。此时的图形加速卡的作用更像一个协处理器，它的作用就是对图形软件进行加速处理，而空闲出的 CPU 则可以处理更多的数据。如果没有加速卡，那么 CPU 必须计算每一个像素的色彩和位置，这无疑是对宝贵的 CPU 资
20、源的极大浪费。事实上，现在所有的显卡都是加速卡，而且如今它们大多具有 3D 加速功能。显卡的核心部件是显存，它是用于存储计算机生成图像信息的帧存储器。目前应用最多的显存是 SDRAM，使用 SDRAM 的原因不是因为它速度高，而是由于成本上的限制。真正为显卡设计的存储气是 VRAM 和 WRAM，但是由于其成本过高而很少应用，比较常见的还是 SDRAM。上面提到的 VRAM 和 WRAM 都是双端口存储器，数据的读写都有各自的通道，不会因为等待数据传输而影响性能，而 SGRAM 则是单端口，但是它可以在较低的成本上提供接近于 VRAM 和 WRAM 的性能。影响数据传输的不但是显存，显卡的总线
21、也会对其造成很大的影响。对于 2D 加速卡来说，PCI 总线 133Mb/s 的最高数据传输速率不会限制其性能发挥，但是 3D 加速卡在工作时要进行的大量“图形材质处理”，会以 100-150Mb/s 速率传输大量的位图数据，而 PCI 总线是无法满足需要的。另外，众多的 PCI 设备也会与加速卡争夺有限的数据带宽。Intel 公司给出了一个解决方案，即在 PCI2.1 版本上推出的 AGP 图形界面，它是为 3D 加速卡所量身定做的廉价解决方案。AGP 2X 的传输速率就已经达到了 533Mb/s。AGP 的主要目的还是为了降低 3D 加速卡的成本，使 3D 加速卡在运算时可以直接对系统内存
22、进行操作。目前很多3D 加速芯片都可以对内存进行读和写的操作，使 3D 加速芯片一次可以处理更多的数据，减少了等待时间。要注意，目前市场上的很多 AGP 显卡实际上都无法实现对内存的直接操作，而另一些 3D 加速芯片（例如，Voodoo Banshee）根本不支持 AGP 的特性。AGP 3.0 是 Intel 公司兼容计算机的第三代显卡接口规范，已在 2002 年公布。从理论上来说，AGP3.0 是不兼容 AGP 2.0 的。在 Intel 公司宣布 AGP 2.0 规范时，让它兼容 AGP 1.0是很重要的，除了信号电压降低了以外，AGP 2.0 规范仅仅是在 AGP 1.0 规范的基础上
23、作了一些改良。在使用“通用 AGP 主板”标准以后，AGP 2.0 对旧显卡也提供了良好的支持。而 AGP 3.0 注重的是专业用户和工作站。AGP 3.0 将信号电压降低了 47%，新的标准电压只有 0.8V，不再对 AGP3.3 显卡提供支持。不过，主板生产商可以通过“通用 AGP 3.0 主板”标准对 3.3V 信号电压提供支持。AGP 3.O 规范最特别的一点就是可以支持多个 AGP 接口。主板生产商可以在主板上提供多个 AGP 插槽，一些用户需要将图像输出到两个甚至三个显示器上，有时候就不得不增加一块 PCI 显卡。但是使用 PCI 显卡会影响到系统的显示性能。即使是在一块显卡上连接
24、多台显示器也会影响到显卡的性能。使用另外一块 AGP 显卡是解决这个问题的最好办法。即使同时连接四台显示器也不会导致显卡的性能下降。显示卡到目前为止已经经历了四个主要发展阶段，其中前三个是关于显示卡的典型标准。（1）CGA 图形标准。在 IBM 公司于 1981 年推出 IBM 个人计算机不久，就推出了CGA 彩色图形适配器标准。CGA 图形卡的核心部件是 16kb 帧存储器，它的图形控制器是广泛用于字符显示的 CRT 控制器 6845CRTC 芯片。CGA 的图形分辨率较低，但它兼容的硬件较多，价格便宜，配套软件丰富，因而曾经被广泛使用。（2）DGA 图形标准。1984 年，IBM PC/A
25、T 研制成功，相应的显示的系统 EGA 增强型彩色图形板也应运而生。EGA 标准分辨率为 640*350。它可以姜戎 CGA和 MDA 的各种显示方式，并扩充了 640*350 点阵、16 种颜色的图形方式，可以得到较理想的显示效果。（3）VGA 图形标准。VGA 是 IBM 公司于 1987 年推出的计算机图形标准，它具有多种图形显示分辨率可供选择，最大为 640*480，可显示 16 种颜色。VGA 是计算机图形标准中影响最大的一种，至今仍为计算机图形显示卡的最主要品种，生产 VGA 的图形显示卡的厂家就多达 100 多家，品种更是琳琅满目。由VGA 派生出多种兼容标准如 SVGA,SVG
26、A 引入了 800*600 图形分辨率。各类兼容产品提供了不同图形分辨率、颜色种类、扫描方式、刷新频率以及不同总线标准等。VGA 不再采用通用字符终端用的 CRTC，而采用超大规模集成电路做成的芯片，便于实施多种显示模式的兼容和转换，同时达到减少使用芯片数目、降低成本、提高可靠性和可维护性的目的。另外，帧存储器的组织也从 CGA 仅采用的像素图结构发展到同时采用像素图结构和位平面结构。（4）XGA 图形标准。XGA 是 IBM 公司于 1990 年推出的，踏实第一个具有处理功能即具有协处理器的图形处理器标准。XGA 引入 1024*768 图形分辨率，它的帧存储器的基本容量为 512KB，可扩
27、充到 1MB。同时，它还引入了图形协处理器以支持图形元素、像素块和位块传送等加速功能。4.具有管理多媒体的窗口软件。现在的多媒体软件很多，但一般是指基于 Microsoft 公司 Windows 9X,Windows NT,Windows 2000 或 Windows XP 开发的多媒体工具。例如，播放流式媒体的主要有 Apple 公司的 Quick Time,Microsoft Media Player 和 RealNetworks 公司的Real Player,这些软件不但可以播放声音、视频等常规数据，而且由于近年网络技术的飞跃发展，这些软件都不约而同地增加了对网络流式媒体数据播放的支持，而且有进一步增强的趋势。