深入解析多媒体处理编程实践：第二版

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《深入理解大数据：大数据处理与编程实践完整版》是一本针对多媒体技术领域的教程书籍，由李泽年、Mark S. Drew和Jiangchuan Liu合著，属于Texts in Computer Science系列的一部分。第二版在2014年由Springer出版社发行，旨在提供全面而深入的大数据处理和编程基础知识。该书涵盖了多媒体技术的核心概念，包括但不限于多媒体数据的获取、存储、处理、分析和展示等关键环节。作者们，作为来自加拿大 Simon Fraser University 的学者，结合英文原著，将理论与实践相结合，为读者提供了实用的指导，帮助他们理解和掌握大数据时代的数据处理方法和技术。书中内容涵盖了以下重要知识点： 1. **基础理论**：介绍了多媒体技术的基础概念，如多媒体数据类型（图像、音频、视频等）、多媒体信息模型、以及数据压缩和编码技术，这些是大数据处理的前提。 2. **大数据处理框架**：讲解了Hadoop、Spark等主流大数据处理平台的工作原理，以及如何设计和优化大数据处理算法，如MapReduce和流计算模型。 3. **编程实践**：书中详细阐述了如何使用Python、Java等语言进行大数据处理编程，包括数据清洗、数据分析、机器学习和深度学习等领域的应用示例。 4. **实时和批量处理**：区分并讨论了实时大数据处理与批量处理的区别，以及在实际场景中的应用策略。 5. **隐私和安全**：随着大数据的增长，数据隐私和安全问题日益突出，书中会涉及数据保护和隐私策略，以及如何确保在处理过程中遵循法规。 6. **案例研究**：通过实际项目和案例，让读者了解大数据处理在各种领域（如广告推荐、医疗诊断、社交网络分析等）的应用实例。 7. **版权和授权**：特别强调了版权法律和数字媒体的合法使用，这对于任何从事多媒体技术工作的专业人士来说都是至关重要的法律知识。 8. **版本更新**：该书在第一版的基础上进行了修订和扩展，反映了近年来大数据技术的最新发展，确保读者能获取到最前沿的信息。《深入理解大数据：大数据处理与编程实践完整版》是一本适合对大数据有兴趣的开发者、数据分析师、研究人员和学生阅读的专业教材，通过它，读者可以提升自己的多媒体技术素养，掌握在现代信息社会中至关重要的大数据处理技能。

9.3 The JPEG-LS Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

9.3.1 Prediction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

9.3.2 Context Determination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308

9.3.3 Residual Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

9.3.4 Near-Lossless Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

9.4 Bi-level Image Compression Standards . . . . . . . . . . . . . . . . 309

9.4.1 The JBIG Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

9.4.2 The JBIG2 Standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

9.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

10 Basic Video Compression Techniques ..................... 317

10.1 Introduction to Video Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

10.2 Video Compression Based on Motion Compensation . . . . . . 318

10.3 Search for Motion Vectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

10.3.1 Sequential Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

10.3.2 2D Logarithmic Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

10.3.3 Hierarchical Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

10.4 H.261 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

10.4.1 Intra-Frame (I-Frame) Coding. . . . . . . . . . . . . . . . 326

10.4.2 Inter-Frame (P-Frame) Predictive Coding. . . . . . . . 327

10.4.3 Quantization in H.261 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

10.4.4 H.261 Encoder and Decoder. . . . . . . . . . . . . . . . . 328

10.4.5 A Glance at the H.261 Video Bitstream Syntax . . . 330

10.5 H.263 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

10.5.1 Motion Compensation in H.263 . . . . . . . . . . . . . . 333

10.5.2 Optional H.263 Coding Modes . . . . . . . . . . . . . . . 334

10.5.3 H.263+ and H.263++. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336

10.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

11 MPEG Video Coding: MPEG-1, 2, 4, and 7................. 341

11.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

11.2 MPEG-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

11.2.1 Motion Compensation in MPEG-1 . . . . . . . . . . . . 342

11.2.2 Other Major Differences from H.261. . . . . . . . . . . 344

11.2.3 MPEG-1 Video Bitstream . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

11.3 MPEG-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

11.3.1 Supporting Interlaced Video . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

11.3.2 MPEG-2 Scalabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

11.3.3 Other Major Differences from MPEG-1. . . . . . . . . 358

xviii Contents

11.4 MPEG-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

11.4.1 Overview of MPEG-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

11.4.2 Video Object-Based Coding in MPEG-4 . . . . . . . . 362

11.4.3 Synthetic Object Coding in MPEG-4. . . . . . . . . . . 375

11.4.4 MPEG-4 Parts, Profiles and Levels . . . . . . . . . . . . 383

11.5 MPEG-7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

11.5.1 Descriptor (D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

11.5.2 Description Scheme (DS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

11.5.3 Description Definition Language (DDL) . . . . . . . . 390

11.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

12 New Video Coding Standards: H.264 and H.265 ............. 395

12.1 H.264 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

12.1.1 Motion Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

12.1.2 Integer Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

12.1.3 Quantization and Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

12.1.4 Examples of H.264 Integer Transform

and Quantization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

12.1.5 Intra Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

12.1.6 In-Loop Deblocking Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . 407

12.1.7 Entropy Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

12.1.8 Context-Adaptive Variable Length

Coding (CAVLC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411

12.1.9 Context-Adaptive Binary Arithmetic

Coding (CABAC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

12.1.10 H.264 Profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

12.1.11 H.264 Scalable Video Coding. . . . . . . . . . . . . . . . 417

12.1.12 H.264 Multiview Video Coding . . . . . . . . . . . . . . 417

12.2 H.265 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418

12.2.1 Motion Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

12.2.2 Integer Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

12.2.3 Quantization and Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

12.2.4 Intra Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

12.2.5 Discrete Sine Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425

12.2.6 In-Loop Filtering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

12.2.7 Entropy Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428

12.2.8 Special Coding Modes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

12.2.9 H.265 Profiles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429

12.3 Comparisons of Video Coding Efficiency . . . . . . . . . . . . . . 430

12.3.1 Objective Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

12.3.2 Subjective Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

12.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433

Contents xix

13 Basic Audio Compression Techniques ..................... 435

13.1 ADPCM in Speech Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

13.1.1 ADPCM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

13.2 G.726 ADPCM, G.727-9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437

13.3 Vocoders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

13.3.1 Phase Insensitivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

13.3.2 Channel Vocoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

13.3.3 Formant Vocoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

13.3.4 Linear Predictive Coding (LPC) . . . . . . . . . . . . . . 442

13.3.5 Code Excited Linear Prediction (CELP). . . . . . . . . 444

13.3.6 Hybrid Excitation Vocoders

................ 450

13.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

14 MPEG Audio Compression............................. 457

14.1 Psychoacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

14.1.1 Equal-Loudness Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

14.1.2 Frequency Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

14.1.3 Temporal Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

14.2 MPEG Audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

14.2.1 MPEG Layers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

14.2.2 MPEG Audio Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

14.2.3 MPEG Audio Compression Algorithm. . . . . . . . . . 468

14.2.4 MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding) . . . . . . . 474

14.2.5 MPEG-4 Audio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

14.3 Other Audio Codecs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

14.3.1 Ogg Vorbis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

14.4 MPEG-7 Audio and Beyond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

14.5 Further Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

14.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

Part III Multimedia Communications and Networking

15 Network Services and Protocols for Multimedia

Communications..................................... 485

15.1 Protocol Layers of Computer Communication Networks . . . . 485

15.2 Local Area Network and Access Networks . . . . . . . . . . . . . 486

15.2.1 LAN Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487

15.2.2 Ethernet Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

15.2.3 Access Network Technologies . . . . . . . . . . . . . . . 489

xx Contents

15.3 Internet Technol ogies and Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

15.3.1 Network Layer: IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

15.3.2 Transport Layer: TCP and UDP . . . . . . . . . . . . . . 496

15.3.3 Network Address Translation and Firewall. . . . . . . 501

15.4 Multicast Extension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503

15.4.1 Router-Based Architectures: IP Multicast . . . . . . . . 503

15.4.2 Non Router-Based Multicast Architectures . . . . . . . 505

15.5 Quality-of-Service for Multimedia Communications . . . . . . . 506

15.5.1 Quality of Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

15.5.2 Internet QoS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510

15.5.3 Rate Control and Buffer Management . . . . . . . . . . 514

15.6 Protocols for Multimedia Transmission and Interaction . . . . . 516

15.6.1 HyperText Transfer Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . 516

15.6.2 Real-Time Transport Protocol. . . . . . . . . . . . . . . . 518

15.6.3 RTP Control Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519

15.6.4 Real-Time Streaming Protocol . . . . . . . . . . . . . . . 520

15.7 Case Study: Internet Telephony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522

15.7.1 Signaling Protocols: H.323 and Session

Initiation Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523

15.8 Further Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

15.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528

16 Internet Multimedia Content Distribution .................. 531

16.1 Proxy Caching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

16.1.1 Sliding-Interval Caching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

16.1.2 Prefix Caching and Segment Caching . . . . . . . . . . 535

16.1.3 Rate-Split Caching and Work-Ahead Smoothing. . . 536

16.1.4 Summary and Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

16.2 Content Distribution Networks (CDNs) . . . . . . . . . . . . . . . . 539

16.2.1 Representative: Akamai Streaming CDN . . . . . . . . 542

16.3 Broadcast/Multicast Video-on-Demand . . . . . . . . . . . . . . . . 543

16.3.1 Smart TV and Set-Top Box (STB) . . . . . . . . . . . . 544

16.3.2 Scalable Multicast/Broadcast VoD . . . . . . . . . . . . 545

16.4 Broadcast/Multicast for Heterogeneous Users. . . . . . . . . . . . 550

16.4.1 Stream Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550

16.4.2 Layered Multicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

16.5 Application-Layer Multicast. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

16.5.1 Representative: End-System Multicast (ESM). . . . . 555

16.5.2 Multi-tree Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556

16.6 Peer-to-Peer Video Streaming with Mesh Overlays. . . . . . . . 557

16.6.1 Representative: CoolStreaming . . . . . . . . . . . . . . . 558

16.6.2 Hybrid Tree and Mesh Overlay. . . . . . . . . . . . . . . 562

Contents xxi

16.7 HTTP-Based Media Streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

16.7.1 HTTP for Streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564

16.7.2 Dynamic Adaptive Streaming Over HTTP

(DASH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565

16.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570

17 Multimedia Over Wireless and Mobile Networks............. 573

17.1 Characteristics of Wireless Channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

17.1.1 Path Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

17.1.2 Multipath Fading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574

17.2 Wireless Networking Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576

17.2.1 1G Cellular Analog Wireless Networks . . . . . . . . . 577

17.2.2 2G Cellular Networks: GSM and Narrowband

CDMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578

17.2.3 3G Cellular Networks: Wideband CDMA . . . . . . . 582

17.2.4 4G Cellular Networks and Beyond . . . . . . . . . . . . 584

17.2.5 Wireless Local Area Networks . . . . . . . . . . . . . . . 586

17.2.6 Bluetooth and Short-Range Technologies. . . . . . . . 589

17.3 Multimedia Ove r Wirel ess Channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589

17.3.1 Error Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590

17.3.2 Error Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593

17.3.3 Error-Resilient Coding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597

17.3.4 Error Concealment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603

17.4 Mobility Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

17.4.1 Network Layer Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606

17.4.2 Link-Layer Handoff Management . . . . . . . . . . . . . 608

17.5 Further Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610

17.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612

Part IV Multimedia Information Sharing and Retrieval

18 Social Media Sharing ................................. 617

18.1 Representative Social Media Services . . . . . . . . . . . . . . . . . 618

18.1.1 User-Generated Content Sharing . . . . . . . . . . . . . . 618

18.1.2 Online Social Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618

18.2 User-Generated Media Content Sharing. . . . . . . . . . . . . . . . 619

18.2.1 YouTube Video Format and Meta-data . . . . . . . . . 619

18.2.2 Characteristics of YouTube Video. . . . . . . . . . . . . 620

18.2.3 Small-World in YouTube Videos . . . . . . . . . . . . . 623

18.2.4 YouTube from a Partner’s View . . . . . . . . . . . . . . 625

18.2.5 Enhancing UGC Video Sharing . . . . . . . . . . . . . . 628

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