1.3 多媒體產生的技術背景

一種新技術的產生與發展往往是與其特定的技術背景相聯系的，是以其他有關技術的發展作為基礎的。實際上，多媒體技術之所以能夠在20世紀80年代末期出現，主要得益于下述幾個方面的技術成果。

1.3.1 圖像壓縮編碼技術的成熟

在通信領域中，人人都知道數字通信具有模擬信號通信所無法比擬的優越性。模擬信號在傳輸過程中產生了失真或者混進去噪聲，在接收端難以使其恢復原形。數字信號則不同，因為發送的脈沖信號形狀是已知的，如果在傳輸中產生失真或疊加上噪聲，在接收端經過放大、幅度切割等整形處理，失真和噪聲則被消除，又恢復成原來的形狀。

數字通信的缺點是將模擬信號變為數字信號以后，對信道帶寬的要求大幅度增加。以電話為例，一個模擬話路只需要3.4kHz的帶寬。變成數字信號時，取樣頻率取8kHz（根據取樣定理，取樣頻率的數值最低不得低于被取樣信號的最高頻率的2倍），每個取樣點采用8比特量化，一路數字電話的數據率則為64kb/s。當用二進制碼傳輸時，每赫茲帶寬最高只能傳送2b/s（采用多進制碼傳輸時，這個數字可以高一些）。可見一路電話從模擬傳送改為數字傳送，對信道帶寬的要求提高了很多。彩色電視所遇到的情況則更為困難。我們在1.2節里已粗略地估算了彩色電視信號的數據率。按照國際標準，一路按分量進行編碼的彩色電視信號（不包括伴音）的數據率R＝216Mb/s，而一路模擬彩色電視信號的帶寬只有6MHz。正是由于這個原因，雖然早在1937年A.Reeues就發明了PCM（脈沖編碼調制），但數字通信得到廣泛的應用還是在20世紀70年代之后。

要以數字方式傳輸電視信號，必須解決數據率的壓縮問題。人們對信源壓縮編碼已進行了幾十年的深入研究，進入20世紀80年代，這項技術已經較為成熟，能夠將數字電視信號數據率實時地壓縮到34Mb/s左右。這里所講的技術的成熟是指壓縮方法，而實時是指壓縮與解壓縮的速度跟得上25幀/秒、或30幀/秒的圖像顯示要求。處理速度的高低取決于用以實現壓縮和解壓縮的電子電路的集成化水平。

人們研究數字電視信號的壓縮編碼問題的最初出發點，是要解決電視信號長距離傳輸中的抗干擾（失真、噪聲）問題，也就是說，將電視臺要發出的信號數字化，然后壓縮編碼以求用較低的數據率傳送，傳到目的地以后（如從北京傳到上海），數字信號經過切割整形，再還原為模擬信號，送到本地發射機發射出去。因此在多媒體出現之前的幾十年中，電視信號的壓縮編碼一直是針對通信領域中的應用的。

將圖像壓縮編碼的研究成果應用到計算機領域則導致了新技術的產生。當DVI技術與世人見面時，它已經能夠將圖像信號和伴音信號壓縮100倍以上（包括適當地將電視信號的圖像分辨率降低），其速率為1.2～1.4Mb/s，這使得活動圖像數據能夠在當時的計算機總線上傳輸，從而成為計算機可以處理的數據類型之一。同時也使得1張CD-ROM能記錄74分鐘的電視節目，如果數字電視信號沒有經過壓縮，則只能記錄30秒鐘的電視節目。

1.3.2 大規模集成電路技術的發展

代表大規模集成電路技術水平的主要參數之一是制作在芯片上的線的寬度。線寬做得越窄，一塊芯片上能容納的元件便越多，集成度也便越高。至20世紀80年代末，已經能在芯片上制作線寬小于0.5μm的線了。在多媒體技術發展初期，CPU（如80286）的處理能力還比較低，那時數據的壓縮和解壓縮運算要靠專用的芯片來完成。在Intel公司的DVI技術中，圖像的壓縮、解壓縮是用2個芯片來完成的，其中每個包含有26萬多個晶體管。這個數字清楚地表明，要實時地將彩色電視信號的數據率壓縮到幾個Mb/s以下，電路的集成度不高是無法實現的。

讓我們看一下這幾個數字，286CPU只集成了13.4萬只晶體管，386CPU則有27.5萬只，發展到486、586（P5）和686（P6）時，CPU內集成的晶體管數分別為120萬、300萬和350萬只。這些數字充分說明了大規模集成電路技術發展之迅速，從而也為多媒體技術的發展提供了良好的條件。要使多媒體終端的成本降低到普通家庭的購買力能接受的水平，使之能像現在電話機這樣普及，在很大程度上也要有賴于大規模集成電路技術的發展。

1.3.3 大容量數字存儲技術的發展

激光視盤（LVD，后稱LD）是20世紀70年代研究成功的，能夠在1張直徑12英寸的大盤上記錄大約30分鐘的電視節目。LVD的出現最初并沒有引起太大的重視，人們的注意力還集中在探討究竟光盤機與磁帶錄像機哪一種技術更有發展前途。光盤記錄技術于1982年被用來記錄音樂、流行歌曲，1張5英直徑的小盤CD（Compact Disc）能夠記錄超過70分鐘的數字化的、高質量的音樂節目。CD的出現與迅速發展提醒了人們用它來記錄計算機程序與數據。

用來記錄計算機數據的光盤與記錄音樂的光盤有不同的技術要求。首先，音樂的播放通常是順序進行的，即從頭至尾地播放；當需要從這個曲子跳到另一個時，跳躍的間隔也比較大。計算機數據的讀取則不同，它要求可以從光盤的任何一點取出數據，這通常稱為隨機訪問（Random Access）。其次，個別數據發生錯誤將降低音樂播放的質量，但是CD的誤碼率在不高于10－8時，人們并不容易察覺到播放質量的降低。而對于計算機數據而言，這個錯誤率是不能容忍的。

隨著光盤技術的發展，隨機訪問問題的解決，并且能夠將誤碼率降低至10－12，于1984年出現了記錄計算機數據的CD-ROM（Read Only Memery）。最初1張CD-ROM的存儲容量為660～1080MB，讀取速率是150kB/s，尋道時間（即找到文件的起始位置的時間）為幾百毫秒。至此，光盤的容量已經滿足存儲一個電影節目（1小時左右）的要求，而讀出速率已經足夠支持實時地提取已壓縮的活動圖像數據流的需要（1.2Mb/s），這就為多媒體技術的誕生提供了另一個必要條件。

差不多與CD-ROM迅速得到廣泛應用的同時，只寫一次光盤（Write Once）研究成功。這種12英寸的光盤最初能記錄1GB的數據，后來其容量也迅速擴展到5GB和10GB。

近年來可讀/寫光盤和計算機硬盤的容量迅速增大，并出現了磁盤陣列、光盤陣列等大型數據存儲設備，為多媒體技術的實際應用和全面發展提供了充分的條件。