1.1　多媒體與多媒體技術的構成

1.1.1　多媒體及其構成

多媒體是信息時代伴隨著計算機應用日益普及于社會各個領域而迅速流行起來的專業術語，它來自于英文multimedia，而multimedia則是由multiple和media復合而成，因此，從語言學的角度來看，它分兩部分：“多”和“媒體”（media的音譯）。“多”意味著不止一個；“媒體”的含義是指中介物、媒介物、傳遞信息的工具等，因此它是以某種物質形態為標志的，如報紙、書刊、電視、廣播、電話、錄音、計算機及幻燈片、投影等，具有存儲、處理和傳遞信息的功能。從此意義上可知，常規的“多媒體”是指多種物化的信息傳遞工具和手段組合。

隨著計算機技術和通信技術的發展，使人們有能力把各種非數值媒體信息在計算機內均以數字形式表示，并綜合起來形成一種全新的媒體概念——計算機多媒體。由此把原來只能承擔數值運算任務的計算機發展成為能對文本（Txt）、圖形（Graphic）、圖像（Image）、音頻（Audio）、活動視頻（Motion Video）和動畫（Animation）等多種非數值信息進行加工、處理、呈現和傳輸的綜合性工具。因此，在以計算機為核心的信息技術領域，“媒體”有兩層含義：一是指用以存儲信息的物理實體，如磁帶、磁盤、光盤和半導體存儲器等；二是信息表示和傳播的非實物載體，如數字、文本、聲音、圖形、圖像、活動視頻和動畫等。多媒體計算機技術中的“媒體”通常是指后者，顯然，計算機領域中的“多媒體”就成為有別于常規“多媒體”的專門術語，具體是指文本、聲音、圖形、圖像、活動視頻和動畫等多種非數值信息的表現形態，以及處理、傳遞和呈現這些信息內容的工具和手段的集成。

1.1.2　多媒體技術及主要特性

隨著多媒體和計算機技術的緊密結合，多媒體技術（Multimedia Technology）被賦予更深刻的含義，使人們常說的“多媒體”最終被歸結為一種“技術”。事實上，也正是由于計算機技術和數字信息處理技術的實質性進展，才使人們今天擁有處理多媒體信息的能力，也才使得“計算機多媒體”成為一種現實。所以，現在所說的“多媒體”，常常不是指多媒體本身，而是指處理和應用它的一整套技術。多媒體技術在各行各業的應用越來越廣泛，由于不同的人對多媒體技術應用的要求不同，對多媒體技術的含義解釋也就不同，但就多媒體技術在教育教學中的應用來說，其基本的含義是：多媒體技術是指以計算機為核心，交互地綜合處理文本、圖形、圖像、音頻、活動視頻和動畫等多種媒體信息，并通過計算機進行有效控制，使這些信息建立邏輯連接，以表現出更加豐富、更加復雜的信息表現形式的信息技術和方法。

從以上定義可以看出，多媒體技術是以計算機為核心的，這是最基本的條件，所以開展多媒體教學首先要會用計算機；其次，就是交互性地處理多種媒體信息，這是多媒體技術與其他媒體技術相區別的一個重要特征。多媒體技術能夠非線性地、交互地處理各種信息，使它們建立邏輯連接。但要注意，多媒體表示的并不是信息的多樣性，也不是幾種媒體的簡單組合，它代表一種技術范疇，能將多種信息媒體有機結合和統一處理。可這樣理解：多媒體的“多”是指多種媒體表現、多種感官作用、多學科交匯、多領域應用；多媒體的“媒”是指人與客觀世界的中介；多媒體的“體”是指其綜合集成一體化，包括各種信息及其關系的編碼一體化、設備控制一體化，并具有實時交互控制環境。因此，多媒體技術的關鍵特性主要包括信息載體的集成性、可控性、交互性，以及信息處理的數字化四方面。這也是多媒體技術的4個主要特點。

1.集成性

多媒體技術的集成性主要表現在兩方面：多種信息媒體的集成和處理這些媒體設備的集成。對于前者而言，各種信息媒體應成為一體，而不應分離，這種集成包括信息的多通道統一獲取、多媒體信息的統一存儲與組織、多媒體信息表現合成等多方面。對于多媒體設備的集成而言，則要求處理多媒體的各種設備應該成為一體。從硬件來說，應具備能夠處理多媒體信息的高性能計算機系統，以及與之相對應的具有輸入/輸出功能的外設。從軟件來說，應該有集成一體的多媒體操作系統、適合于多媒體信息管理的軟件系統與創作工具，以及各類應用軟件，并且在網絡的支持下，能集成構造出支持廣泛應用的信息系統。

2.可控性

多媒體技術并不是多種設備的簡單組合，而是以計算機為控制中心來加工處理來自各種周邊設備的多種媒體數據，使其在不同的流程上出現。計算機是整個多媒體系統的控制中樞。多媒體信息可以在時間域上加工處理，如進行信息數據編輯等，也可在空間域上加工處理，如開設窗口等。多媒體技術的可控性也體現在其友好的界面技術上，借此可以充分增強和改善人機界面功能，使其更加形象、直觀、友好，能表達更多的信息。

3.交互性

交互性是多媒體技術的特色之一。交互性是指用戶可以與計算機的多種信息媒體進行交互操作，從而為用戶提供更加有效的控制和使用信息的手段。由于交互可以增加對信息的注意力和理解，延長信息保留的時間，因此，借助于交互性，人們不是被動地接受文字、圖形、聲音、圖像、活動視頻和動畫，而是主動地進行檢索、提問和回答。這種改變除了提供使用者按照自己的意愿來解決問題外，更可借助這種交談式的溝通來幫助學習、思考，進行系統的查詢或統計，以達到增進知識及解決問題的目的。這種功能是一般視聽覺教育技術設備所不能取代的。例如，當今常用的DVD-ROM光盤可以輕而易舉地存儲幾十卷百科全書，讀者可以隨時查詢、瀏覽光盤上的信息，并選取感興趣的內容閱讀，這一特點是普通書籍、錄音帶、錄像帶所不及的。此外，DVD-ROM還被廣泛地應用到教育領域中。

人類對于信息的接收和產生主要在5個感覺空間內，即視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺，其中前三者占了95％的信息量。多媒體技術改變了計算機信息處理的單一模式，使人們能交互地處理多種信息，使得人們的思維表達有了更充分、更自由的擴展空間。

4.數字化

從技術實現的角度來看，多媒體技術必須把各種媒體信息數字化后才能使各種信息融合在統一的多媒體計算機平臺上，才能解決多媒體數據類型繁多、數據類型之間差別大的問題，這也是多媒體技術唯一可行的方法。因此，全數字化是多媒體技術發展的基礎所在。

5.非線性

多媒體技術的非線性特點將改變人們傳統循序性的讀/寫模式。以往人們讀/寫方式大都采用章、節、頁的框架，循序漸進地獲取知識，而多媒體技術將借助超文本鏈接（Hyper Text Link）的方法，把內容以一種更靈活、更具變化的方式呈現給讀者。

6.動態性

“多媒體是一部永遠讀不完的書”，用戶可以按照自己的目的和認知特征重新組織信息，增加、刪除或修改結點。

7.智能性

在當今“互聯網+”時代，多媒體計算機已具有人的某些智慧和能力，特別是思維能力，會綜合，會分析，會判斷，會決策，能聽懂人們所說的話，能識別人們所寫的字，能從事復雜的數學運算，能記憶海量的數字化信息，能虛擬現實中的人和事物。當今發達國家正在聯合研制和開發一種具有人類大腦部分功能的神經網絡個人計算機和用蛋白質及其他大分子組成的生物計算機，這些計算機具有非凡的運算能力、記憶能力、識別能力和學習能力，有些能力（如運算能力和記憶能力），即使是天才的人腦也無法企及。

1.1.3　多媒體技術構成

多媒體技術涉及的范圍相當廣泛，主要包括以下七方面：

1.音頻技術

音頻技術主要包括四方面：音頻的數字化、語言處理、語音合成及語音識別。音頻技術的數字化就是將連續的模擬音頻信號等價地轉換成離散的數字音頻信號，以便利用計算機進行處理。音頻信息處理主要集中在音頻信息壓縮上，例如，目前最新的語音壓縮算法可將聲音壓縮6倍以上。語言合成是指將普通正文合成語言播放。

2.視頻技術

視頻技術包括兩方面：視頻信號的數字化和視頻編碼技術。視頻數字化的目的是將模擬視頻信號經模/數轉換和彩色空間變換，轉換成多媒體計算機可以顯示和處理的數字信號。視頻編碼技術是將數字化的視頻信號經過編碼生成電視信號，從而可以錄制到錄像帶中或在電視系統中播放。

3.數據壓縮和解壓縮技術

數據壓縮技術是多媒體技術發展的關鍵所在，是計算機處理語音、靜止圖像動畫和視頻圖像數據，以及進行數據網絡傳輸的重要基礎。許多多媒體類型的數據文件是非常龐大的。例如，10s的聲音段要占用1720KB的磁盤空間，一段1min的音樂電視圖像則要消耗超過400MB的磁盤空間。如此之大的數據量不僅超出了當前計算機的存儲能力，更是當前通信信道的傳輸速率所無法接受的。因此，為了使這些數據能夠在多媒體計算機中進行存儲、處理和傳輸，必須進行數據壓縮。

數據是信息的載體，它是用來記錄和傳送信息的。真正有用的不是數據本身，而是數據所攜帶的信息。信息量等于數據量加數據冗余量。如何壓縮圖像和語音數據中的冗余量是多媒體數據壓縮技術的主要任務。因此，首先必須弄清楚多媒體數據中數據冗余的類型，從而采取相應的數據壓縮技術與方法。

壓縮有無損壓縮和有損壓縮之分。無損壓縮是指壓縮后的數據經解壓后還原得到的數據與原始數據相同，不存在任何誤差，但壓縮率不是很高。常用的無損壓縮方法有Shannon Fano編碼、Huffman編碼、行程長（Run-Lengte）編碼、LZW（Lempl-Ziv-Welch）編碼和算術編碼等。有損壓縮是指壓縮后的數據經解壓縮后，還原得到的數據與原數據之間存在一定的差異，由于允許存在一定的誤差，因而這類技術往往可以獲得較大的壓縮比。壓縮和解壓縮是一對作用互逆的運算過程。

數據壓縮技術的研究已進行了50多年，到目前為止，在多媒體圖像信息處理中，已產生了JPEG和MPEG等針對不同用途的各種各樣的壓縮和解壓縮算法，并產生了許多實現這些算法的大規模集成電路和軟件。因此，在多媒體CAI課件中比較通用的壓縮標準僅有MPEG（運動圖像壓縮標準）、JPEG（靜態圖像壓縮標準）。

4.超文本和超媒體鏈接技術

多媒體技術和超媒體（Hypemedia）是密不可分的，正是超媒體信息處理技術使得多媒體信息的高效存取和瀏覽成為可能，目前它已廣泛應用于多媒體信息組織的各個方面，也是編制優質多媒體CAI課件所要求的。在介紹超文本和超媒體鏈接技術之前，先簡要了解一下什么是超文本和超媒體。

超媒體概念的前身是超文本（Hypertext），該術語是美國人尼爾森（T.Nelson）在20世紀60年代提出來的。超文本是一種新穎的文本信息管理技術，是一種典型的數據庫技術。它是一個非線性的結構，以結點（Node）為單位組織信息，在結點與結點之間通過表示它們之間關系的鏈（Link）加以鏈接，構成表達特定內容的信息網絡，這種表達信息方式不僅是文字，還包括圖像、聲音等形式，稱為超媒體系統。用戶可以有選擇地查閱自己感興趣的文本。比如，常用的Windows系統中的幫助系統，就是采用超文本方式來有機地組織幫助信息的。只需單擊窗口中處于高亮狀態的術語，就可看到相應的定義描述，這與人類的聯想記憶方式十分類似。

隨著多媒體技術的發展，超文本結點中的文本已經可以是圖形、音頻、視頻等信息，多媒體與超文本的結合產生了超媒體概念。換言之，用超文本方式組織和處理多媒體信息就是超媒體。超媒體的本質是相互作用和探索性，其特征在于所包含的信息是以多種形式出現的，而且以非線性方式進行控制。

圖1-1給出了一個用超媒體組織教學內容的簡單例子。在課程中有一個主題為“超媒體”的教學單元，其中含有兩個已被加了下畫線的關鍵詞和“上文”“下文”按鈕，學習者可以通過單擊關鍵詞來閱讀相應的內容，也可通過單擊“上文”“下文”按鈕來呈現其他的教學單元。

超媒體技術可以十分高效地組織和管理具有邏輯聯系的大容量多媒體信息，例如，MCAI課件、百科全書和參考類CD-ROM光盤的信息都是由超媒體技術來組織的。另外，超媒體也是Internet上流行的信息檢索技術。與普通超媒體有所不同的是，在這里，對于各個網絡結點的鏈接，不但可以是指向同一場所的另一篇文本、圖形、聲音或影像，而且可以是指向網絡上不同地點的資源，這種鏈接又稱超鏈接（Hyperlink）。超媒體技術環境突破了紙張印刷品嚴格的序列形式，也突破了一般視頻技術的線性呈現方式，使學習者可以隨機訪問，并且其多路徑的性質使得學習者能夠隨機地獲取大量的信息。

5.媒體同步技術

在多媒體技術系統所處理的信息中，各個媒體都與時間有著或多或少的依從關系，例如圖像、語音都是時間的函數。在多媒體應用中，通常要對某些媒體執行加速、放慢、重復等交互性處理。多媒體系統允許用戶改變事件的順序并修改多媒體信息的表達。各媒體具有本身的獨立性、共存性、集成性和交互性。系統中各媒體在不同的通信路徑上傳輸，將分別產生不同的延遲和損耗，造成媒體之間協同性的破壞。因此，媒體同步也是多媒體技術中的一個關鍵問題。

多媒體系統中有一個“多媒體核心系統”（即多媒體操作系統）就是為了解決圖、文、聲、像及動畫等多媒體信息的綜合處理，解決多媒體信息的時空同步問題。例如，在視頻圖像以30幀/s的速率播放時，要求聲音實時處理同步進行，使得聲音和視頻圖像的播放不能中斷，這就需要支持對多媒體信息進行實時處理的操作系統。

6.多媒體網絡技術

多媒體信息要占用很大的存儲空間，即使將數據壓縮，對單用戶來說，獲得豐富的多媒體信息仍然有困難。此外，在多個平臺上獨立使用相同數據，其性能價格比較小。特別是在某些特殊情況下，要求許多人共同對多媒體數據進行操作時，如遠程教學、電視會議、遠程醫療會診等，不借助網絡就無法實施。

多媒體網絡通信分同步通信和異步通信。同步通信主要在電路交換網絡的終端設備間交換實時語音、視頻信號，它應能滿足人體感官分辨力的要求。異步通信主要在成組交換網絡上異地提供同步信道和異步信道。

總之，多媒體系統中的視頻、音頻必須依靠數字化技術；多媒體在處理圖、文、聲、像及動畫時，原始信號源數據的大量冗余和人類視聽的不敏感性和人眼的掩蓋效應，使大容量的原始數據的壓縮和解壓縮成為必要和可能；多媒體操作系統較好地解決了圖像、語音的同步處理問題；要充分發揮多媒體技術對多媒體信息的處理能力，必須與網絡技術相結合；圖、文、聲、像及動畫的數據庫處理使超文本、超媒體成為現實。

多媒體網絡技術的使用使多媒體技術在通信技術和廣播電視聲像技術的基礎上飛速發展，日臻成熟。它將數字音頻、數字視頻及其他多種最先進的技術與計算機融合在一起，為計算機對多媒體的處理展現了一個新領域。

1.1.4　多媒體系統的基本組成

多媒體計算機系統是多媒體技術的靈魂，它能靈活地調度和使用多媒體信息，使之與硬件協調地工作。因此，多媒體系統是一種軟硬件結合的復雜系統。作為一個完整的多媒體系統，應包括以下6個層次，如圖1-2所示。

1.多媒體CAI應用系統

多媒體CAI應用系統是用戶與多媒體應用系統的接口。采用交互式界面控制形式將用戶命令轉換成相應的媒體控制信息。

2.多媒體創作系統

多媒體創作系統是利用多媒體操作系統的支持，利用多媒體創作工具，開發多媒體應用系統，用來編輯與制作多媒體CAI課件，控制多媒體的播放。它的設計目標是縮短多媒體應用軟件的制作開發時間，降低對制作人員素質的要求。

3.多媒體核心系統

多媒體核心系統主要是支持對多媒體CAI運動圖像和靜止圖像的處理和顯示，為語言和視頻數據提供所需的實時同步任務調度，支持標準化的桌面型計算機運行環境；目的是減少主機CPU的開銷，以適應多種環境下的執行。

4.多媒體輸入/輸出控制接口

多媒體輸入/輸出控制接口是多媒體硬件和高層軟件之間的橋梁，直接作用于硬件對其進行驅動、控制等操作。

5.多媒體實時壓縮和解壓縮

多媒體實時壓縮和解壓縮主要是指為多媒體計算機附屬硬件提供包括視頻和音頻在內的實時壓縮和解壓縮信號I/O接口，再配以視頻信號I/O接口及對光驅的驅動系統。其主要任務是解決實時地綜合處理圖、文、聲、像信息，實現全動態視像和立體聲的處理。

6.多媒體計算機硬件

多媒體計算機硬件是指多媒體計算機中的硬件設備，包括CPU、內存、硬盤、顯示卡、聲卡及顯示器等計算機必備的硬件設備。