11.1 多媒体系统简介

1.多媒体的概念

媒体是指信息的载体，客观世界中存在着各种各样不同形式的媒体，如数字、文字、声音、图像和图形等。在计算机领域，多媒体往往是指多媒体技术，即是同时对多种媒体信息进行获取、处理、编辑、存储和展示的理论、技术、设备、标准等规范的总称。

2.多媒体系统的特点

与传统计算机系统相比，多媒体系统具有以下特点:
(1)多样性和集成性。一个多媒体文件中集成了多种媒体文件，如存放一部数字电影的多媒体文件通常包含- -个视频文件，以及对应于多种语言的多个音频文件和多个字幕文本文件，在播放时，需要将视频文件，以及用户选择的音频文件和字幕文件同时播出，而且还应该保持每个子文件之间的同步。
(2)极高的数据率。为了保证有好的视觉和听觉感受，视频和音频都必须具有很高的数据率，相应地，在计算机中储存这些数据需要非常大的存储空间。
(3)实时性。多媒体数据需要实时地传输和处理，才能保证多媒体文件的播放质量。
(4)交互性。多媒体系统具有人一机交互功能，人可以通过键盘、鼠标、触摸屏等人机交互设备控制各种媒体的播放，主动地选择和接收信息。

3.多媒体操作系统

多媒体计算机中所配置的多媒体操作系统，除了具备常规操作系统的功能外，还需要提供针对多媒体环境下任务的调度和管理、文件管理、存储管理、网络及通信的机制和管理、与用户及程序的接口等功能，以满足对多媒体数据处理的需要。

4.多媒体数据压缩

由于多媒体具有极高的数据率，对多媒体文件进行大幅度的压缩，可大大减少存储所占用的空间以及网络传输所需要的时间。在被访问前，被压缩的数据还必须解压缩，而且，压缩算法与解压缩算法间允许存在一定的不对称性。
(1)静止图像的压缩标准。静止图像压缩的国际标准为JPEG(Joint Photographic Experts
Group,联合图像专家小组)，它支持多种压缩级别，通常可获得到20: 1或更好的压缩效果。在运动图像的压缩标准MPEG中，也仍然需要利用JPEG先对每一帧图像进行压缩。
(2)运动图像的压缩标准。运动图像压缩的国际标准为MPEG(Motion Picture Experts Group,运动图像专家小组)。用MPEG压缩后的文件由I帧和P帧组成，其中I帧是利用JPEG对视频中的某个帧进行静止图像的压缩后形成的，它通常每秒至少在视频中出现一到两次;而P帧只需记录与前一帧的差值，因此可大大减少数据量，获得更高的压缩比。
(3)音频压缩标准。最常用的音频压缩标准是有3个独立压缩层次的MPEG音频压缩算法，其中MP3(MPEG音频层3)是功能最强大，也是目前最流行的。

11.2 多媒体的接纳控制和实时调度

1.软实时任务的接纳控制

为了保证服务质量,多媒体系统经常使用接纳控制,当一软实时任务SRT进入系统时，只有当系统有足够的资源来满足它时，系统才接纳该任务。
(1) SRT任务带宽和尽力而为任务带宽。为了能确保SRT任务的实时性，并适当考虑非实时任务的运行，多媒体系统仅将一部分 CPU时间分配给软实时任务，其余的CPU时间则留给非实时任务，这就是所谓的.SRT任务带宽和尽力而为任务带宽。如果SRT任务被接纳了，它将获得(分配到)一部分SRT任务带宽,进程管理便会尽可能地保证其实时性;若SRT任务未能被接纳，系统则有可能将它分配到尽力而为任务带宽中运行，此时系统只是尽可能地让它得到运行的机会，但不做任何保证。
(2) CPU代理进程和接纳控制。进程的接纳控制由CPU代理进程完成。SRT任务在进入系统时，必需向CPU代理给定其定时服务质量参数，其中包含SRT任务的运行周期(p)、每一周期中的运行时间(t)和CPU占有率(u)等。当CPU代理收到请求后，根据一定的接纳策略计算，确定是否可以接纳该任务:如果在接纳后不仅能够保证它所要求的截止时间需求，而且还不会影响到原有SRT任务的运行，则CPU代理便可以接纳该进程，为它预留足够的CPU带宽和其他资源，并将它插入进程就绪队列中等待调度:否则，CPU 代理将拒绝接纳。

2.多媒体实时调度

常用的多媒体实时调度算法有以下几种:
(1)最简单的实时调度方法。在多媒体服务器中，假定所要播放的电影都具有相同的类型，如都采用相同的制式、分辨率和压缩比，那么，为这些电影所建立的各个进程将具有相同的周期和处理时间，此时，可采用最简单的实时调度算法，将这些进程按FCFS原则，排成一个进程就绪队列，并采用定时轮转的策略来调度和运行它们。不幸的是，这种调度算法很难满足实际需要，因为，现实中上述假设很难成立。
(2)速率单调调度RMS(Rate Monotonic Scheduling)算法。RMS算法适用于周期性实时任务，是一种可抢占的静态优先权优先算法。它要求系统中的进程满足下列条件:
①在系统中允许同时存在周期性进程和非周期性进程，所有周期性任务具有固定的周期;
②所有的进程之间相互独立，互不依赖:
③每个周期性进程在一个周期中，所需完成的工作量是相同的;
④非周期性进程无最终时限的限制。
RMS算法中，周期性进程的优先权等于进程的运行频(速)率，周期越短的进程，运行频率越高，其优先权也越高;而非周期性进程被赋予的优先权低于周期性进程，仅在无周期性实时任务时运行。
(3)最早截止时间优先EDF算法。第三章介绍过的EDF算法也经常被用在多媒体实时任务的调度中，与RMS相比，它不要求实时任务是周期性的，并且比RMS算法有更好的CPU利用率，但由于EDF算法使用的是动态优先权，算法的复杂度比RMS算法会更.高一些。

11.3 多媒体存储器的分配方式

1.交叉连续存放方式
多媒体文件通常会被顺序访问，而连续分配方式可大大减少顺序访问时寻道的时间，有效地提高访问的效率。对于由一一个视频、多个音频和多个字幕子文件组成的多媒体文件，即使这些子文件各自都是连续文件，但如果这些子文件之间未连续存储，在传输一帧信息时，仍需要从视频文件跳到音频文件，再从音频文件跳到字幕文件的多次寻道。为了减少上述寻道时间，可采用如图11.1所示的按帧交叉连续存放的方式:首先存放第一帧的视频数据，紧接着存放第一-帧中的各种音频数据，再接着存放它的多个文本数据:然后是第二帧的视频、音频、文本数.....这种方式的缺点是，每次读出的数据中，也包含了用户不需要的音频和文本，这不仅增加了磁盘I/O的负担，也占用了更多的内存缓冲区;此外，由于帧的大小不一，交叉连续存放方式无法实现随机访问、快进和快退等功能。

2.索引存放方式

为了克服交叉连续存放方式的缺点，又引入了下列两种索引存放方式:
(1)帧索引存放方式。帧索引存放方式又称为小盘块法，其中选定的磁盘块的大小远小于帧的大小。采用帧索引方式存放多媒体文件时，将为每个帧分配若千个连续的磁盘块，用来存放帧所对应的视频、音频和文本信息;然后还需为每个多媒体文件建立一个帧索引表，文件中的每个帧占索引表中的一个表项，用来记录帧对应的磁盘空间的首地址和盘块数。图11.2(a)给出了小盘块法的示意图。
(2)块索引存放方式。块索引存放方式又称为大盘块法，其中选定的磁盘块的大小远大于一个帧的大小，因此，一个盘块上可以存放多个帧。采用块索引存放方式时，将为每个多媒体文件配置一个块索引表，索引表中的每个表项对应于文件的-一个逻辑块，用来记录该块对应的磁盘块块号，块中第一个帧的帧号和该块中所存放的帧的个数。大盘块法如图11-2(b)所示。

显然，块索引方式的磁盘空间管理要比帧索引方式简单，索引表所占空间要比帧索引方式小，但其磁盘块碎片要比帧索引方式大，磁盘缓冲管理要比帧索引方式复杂。帧索引方式能很好地支持随机存取，块索引方式虽然也支持随机存取，但因为它需要通过块索引表搜索随机存取的帧位于哪个块中，实现起来比帧索引方式复杂。另外，块索引方式不支持快进快退功能，帧索引存放方式则可以支持效果一般的快进快退功能。

3.近似视频点播的文件存放

采用近似视频点播方式的视频服务器，每隔-定时间开始一次电影的播放。例如，从晚上8点开始第1次播出，到8:05分开始第2次播出，8:10 分点开始第3次播出，....如果某用户想在8:08分看该电影，那他只须等2分钟，到8:10分时便可看到。如图11.3所示，对于一部点播量非常大的NTSC制式(每秒30帧)热门电影,如果电影长度为两小时，则只需要24个数据流(每5分钟-一个)，就能满足所有用户的需要，比普通的点播方式要大大节约系统资源。

如图11.4所示，在采用近似视点播时，可将在同- -时间播放的帧依次放在一起，作为一个记录写入磁盘。如上例中的帧0，9000， 18000， 27000， .... 207000, 共24个帧;然后是帧1, 9001, 18001， 27001， .... 207001; .... 在播放时，同时播放的帧可以一起读出，能有效减少寻道时间，提高系统效率。

4.多部电影的存储方法

1)单个磁盘的情况
现在来考虑一个磁盘存储多部电影的情况。通常，根据每一部电影的流行程度，其点击率是不同的，考虑到这个情况，可将多部电影按管风琴算法储存在磁盘上，即:将第1流行的电影存储在磁盘的中央，第2、3流行的电影存储在第1流行的电影的两边，第4、5流行的电影又存储在第2、3流行的电影的外面两边，如图11.5 所示。该算法尽可能把磁头保持在磁盘的中央，以减少平均寻道的时间，实践证明它的确能取得较好的效果。

2)多个磁盘情况
通常，视频服务器会采用多个磁盘来储存多部电影。例如，某个利用四个磁盘来存放A、B、C、D四部电影的系统，可按图11.6(a)的方式，将每部电影分别存放在不同的磁盘上，这种方式的缺点是，各个磁盘上的负荷与电影的流行程度有关，可能会很不均衡。第二种方式如图11.6(b)所示，它将一部电影按帧或按块分为若千个条带，再将这些条带分别存入多个磁盘中，因此可以在所有的磁盘间分散负荷，从而更好地利用总的磁盘带宽，但由于每部电影都是从头开始，故该方式可能会引起磁盘1的负荷增加。进-步的改进是采取交叉存放方式，即将每一部电影的起始部分放入不同的盘中，如图11.6(c)所示。第四种存放方式是采取随机存放，如图11.6(d)所示。

11.4 多媒体磁盘调度

1.静态磁盘调度

假如视频服务器中仅有一个磁盘，有10个用户在观看不同的电影，而这些电影又具有相同的帧频、分辨率，这时，系统可以为每一部电影建立一个进程，在进程调度时可采用轮转方式。首先让第一个进程运行，当它运行完后调度第二个进程运行，直至最后一个进程运行完毕。这里的关键问题是,所有进程运行- -次的时间应小于每帧之间的时间间隔，对于NTSC制式，该时间间隔为33.3 ms;对于PAL制式，该时间间隔为40 ms。
对上述情况，每一轮的磁盘请求个数是固定的，可采用按磁道顺序排序的静态磁盘调度算法，即将每轮的所有磁盘请求按磁道号进行排序，并以此顺序对它们进行处理。这样的优化，可以大大减少平均寻道时间，从而使得视频服务器可以同时传送更多的电影，或者有更多的剩余时间处理非实时任务。

2.动态磁盘调度

当用户所看的多部电影不具有相同的帧频、分辨率时，所播放的电影对磁盘的请求会带有一定的随机性。此时，一可采用SCAN-EDF算法来进行磁盘调度，它将多个截止时间相近的磁盘请求，放在一个组中，由此可以形成若千个组，在每一个组中再按照SCAN算法进行调度。组可以按请求的个数，例如10个请求为一组来划分;也可以按截止时间的时间段来划分，如隔100ms为-组。SCAN算法能有效降低平均寻道时间，但有可能错过最终时限; EDF算法则满足了最终时限，但又会增加总寻道时间: SCAN-EDF算法将SACN和EDF结合起来，既能基本上满足实时性要求，又可获得较好的性能。

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11.2 多媒体的接纳控制和实时调度

1.软实时任务的接纳控制

2.多媒体实时调度

11.3 多媒体存储器的分配方式

2.索引存放方式

3.近似视频点播的文件存放

4.多部电影的存储方法

11.4 多媒体磁盘调度

1.静态磁盘调度

2.动态磁盘调度

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