第9章多媒体数据库

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1、多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所第第9 9章多媒体数据库章多媒体数据库n9.1 多媒体数据管理的问题n9.2 多媒体数据库体系结构n9.3 多媒体数据模型n9.4 多媒体数据库的用户接口多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.1 9.1 多媒体数据管理多媒体数据管理的问题的问题多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.1.1 9.1.1 概述概述n数据管理技术已经经历了3次重大的变革u数据用文件直接存储u数据库系统u多媒体数据库系统n依据独立性原则,DBMS按层次划分为3种模式:u物理模式：定义数据存储组织方法u概念模式：定义抽象现实世界的方法

2、u外部模式：是概念模型对用户有用的那一部分n多媒体数据对数据库的影响多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.1.2 9.1.2 多媒体数据管理的问题多媒体数据管理的问题n1.传统的数据管理u层次型u网络型u关系型采用关系框架来描述数据之间的关系，通过把数据抽象成不同的属性和相互的关系，建立起数据的管理机制在数据库市场上占有明显的主导地位多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.1.2 9.1.2 多媒体数据管理的问题多媒体数据管理的问题图关系型数据库的应用实例工号姓名 年龄 性别月工资部门编号001张三28男1500001部门编号部门名称部门经理001销售科004

3、关系雇员关系部门多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所n2.多媒体带来的问题u数据量巨大且媒体之间量的差异也极大，从而影响数据库的组织和存储方法u媒体种类的增多增加了数据处理的困难u数据库的多解查询，非精确匹配和相似性查询将占相当大的比重u用户接口的支持u多媒体信息的分布对多媒体数据库体系带来了巨大的影响。u短事务处理与长事务处理u服务质量的要求u多媒体数据管理还有考虑版本控制的问题多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.1.3 9.1.3 多媒体数据与数据库管理多媒体数据与数据库管理n字符数值n文本数据u关键字检索u全文检索n声音数据uMIDI、波形n图形数据u

4、描述图形数据的关键是要有可以描述层次结构的数据模型。u图形数据可以分解为点、线、弧等基本图形元素n图像数据u图像数据库较早就有研究，已提出许多方法，包括属性描述法、特征提取、分割、纹理识别、颜色检索等。n视频数据u对视频的管理还要在时间空间上进行。检索和查询的内容可以包括镜头、场景、内容等许多方面，多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2 9.2 多媒体数据库体多媒体数据库体系结构系结构多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.1 9.2.1 多媒体数据库的一般结构形式多媒体数据库的一般结构形式n联邦型结构u针对各种媒体单独建立数据库，每一种媒体的数据库都有

5、自己独立的数据库管理系统。虽然它们是相互独立的，但可以通过相互通信来进行协调和执行相应的操作。图像数据库图像DBMS声音数据库声音DBMS文本数据库文本DBMS视频数据库视频DBMS用户的应用程序用户多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.1 9.2.1 多媒体数据库的一般结构形式多媒体数据库的一般结构形式n集中统一型结构u只存在一个单一的多媒体数据库和单一的多媒体数据库管理系统；u各种媒体被统一地建模；u对各种媒体的管理与操纵被集中到一个数据库管理系统之中；u各种用户的需求被统一到一个多媒体用户接口上；u多媒体的查询检索结果可以统一地表现。用户用户多媒体数据库管理系统多媒

6、体数据库管理系统声音数据声音数据文本数据文本数据视频数据视频数据图像数据图像数据其它媒体其它媒体多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.1 9.2.1 多媒体数据库的一般结构形式多媒体数据库的一般结构形式n客户/服务型结构u各种单媒体数据仍然相对独立，系统将每一种媒体的管理与操纵各用一个服务器来实现；u所有服务器的综合和操纵也用一个服务器完成；u与用户的接口采用客户进程实现；u客户与服务器之间通过特定的中件系统连接。n超媒体型结构u这种多媒体数据库体系结构强调对数据时空索引的组织，在它看来世界上所有的计算机中的信息和其它系统中的信息都应该连接一体，而且信息也要能够随意扩展和

7、访问。u不必建立一个统一的多媒体数据库系统，而是把数据库分散到网络上，把它看成为一个信息空间，只要设计好访问工具就能够访问和使用这些信息。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.1 9.2.1 多媒体数据库的一般结构形式多媒体数据库的一般结构形式图 客户/服务器体系的多媒体数据库视频数据库视频服务器声音数据库声音服务器文本数据库文本服务器多媒体数据库服务器及中件用户接口客户进程用户用户接口客户进程用户用户接口客户进程用户用户接口客户进程用户多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.2 9.2.2 多媒体数据库的层次结构多媒体数据库的层次结构n传统数据库的层

8、次u物理模式，概念模式和外部模式u物理模式：又称内部模式、存储模式，定义数据存储组织方法,如数据库文件的格式、索引文件组织方法、数据库在网络上的分布方法等。它对用户是透明的。u概念模式：描述了数据库的逻辑结构，隐藏了数据库的物理存储细节，借助数据模型来描述,它定义抽象现实世界的方法。数据库模型先后经历了网状模型、关系模型和面向对象模型等阶段。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.2 9.2.2 多媒体数据库的层次结构多媒体数据库的层次结构u外部模式又叫视图,它是概念模式对用户有用的那一部分。外部模式描述了一个特定用户组用户所关心的数据的结构，这些数据可以是数据库所有数据的

9、一个子集，也可以是数据库所存数据经过加工整理后得到的数据。数据库物理模式 概念模式外部模式用户用户用户图 DBMS的三层模式多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.2 9.2.2 多媒体数据库的层次结构多媒体数据库的层次结构n多媒体数据库的层次划分u媒体支持层u存取与存储数据模型层u概念数据模型层u多媒体用户接口层多媒体用户接口层概念数据模式层存取与存储数据模型层媒体支持层用户第4层第3层第2层第1层多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.2 9.2.2 多媒体数据库的层次结构多媒体数据库的层次结构n媒体支持层u针对各种媒体的特殊性质，在该层中要对媒体进

10、行相应的分割、识别、变换等操作，并确定物理存储的位置和方法，以实现对各种媒体的最基本数据的管理和操纵。n存取与存储数据模型层u完成多媒体数据的逻辑存储与存取。u在该层中，各种媒体数据的逻辑位置安排、相互的内容关联、特征与数据的关系以及超链的建立等都需要通过合适的存取与存储数据模型进行描述。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.2.2 9.2.2 多媒体数据库的层次结构多媒体数据库的层次结构n概念数据模型层u对现实世界用多媒体数据信息进行的描述，也是多媒体数据库中在全局概念下的一个整体视图。u在该层中，通过概念数据模型为上层的用户接口、下层的多媒体数据存储和存取建立起一个在逻辑

11、上统一的通道。n多媒体用户接口层u完成用户对多媒体信息的查询描述和得到多媒体信息的查询结果。u用户首先要能够把他的思想通过恰当的方法描述出来，并能使多媒体系统所接受。u次之，查询和检索到的结果需要按用户的需求进行多媒体化的表现，甚至构造出“叙事”效果。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3 9.3 多媒体数据模型多媒体数据模型多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n所有的关系数据库中的关系必须满足最低的要求，这个要求就是第一范式，简称1NFu满足在表中不能有表n由于多媒体数据库中具有各种各样的媒体数据，这些媒体数据

12、又要统一地在关系表中加以表现和处理，就不能不打破关系数据库中关于范式的要求，要允许在表中可以有表，这就是所谓的NF2(Non First Normal Form)方法。nNF2数据模型是在关系数据库中引入抽象数据类型，使得用户能够定义和表示多媒体信息对象。uFoxPro的General字段，Paradox for Windows的动态注释、格式注释、图形和大二进制对象(BLOB)等。n具有很大的局限性。主要是建模能力不够强多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n扩充的关系数据模型u扩充的原因：传统的关系模型结构简单,是单一的二维表,数

13、据类型和长度也被局限在一个较小的子集中,又不支持新的数据类型和数据结构,很难实现空间数据和时态数据,缺乏演绎和推理操作,因此表达数据特性的能力受到限制。u在MDBMS中使用关系模型,必须对现有的关系模型进行扩充,使它不但能支持格式化数据,也能处理非格式化数据。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n模型扩充主要有3种策略u使关系数据库管理技术和操作系统中文件系统功能相结合,实现对非格式化数据的管理。其主要方法是以存放非格式化数据的文件名代替。u将关系元组中格式化数据和非格式化数据装在一起形成一个完整的元组,存放在数据页面或数据页面组中

14、,统一管理(大系统采用)。u将元组中非格式化数据分成两部分,一部分是格式化数据本身,另一部分是对非格式化数据的引用(小系统采用)。n3种策略的关键是要扩充数据类型,解决非格式化数据的语义解释。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n新的数据类型：u面对各种新的数据类型，只能处理字符和数值的传统数据库显得力不从心了，这就要求产生一个专用于多媒体数据的新字段。该字段可以存储大数据量、非结构化数据对象，并且同其它字段一样通过DBMS可进行存储、查询、备份、恢复等操作。u当前，一些通过扩充关系型数据库而实现的多媒体数据库使用一类新的数据类型,

15、即二进制大对象Binary Large OBject(BLOB)来定义记录中的非格式化数据。OpenBASE数据库就采纳了SQL3标准的BLOB数据类型的定义，其定义如下：多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n:=BLOB right paren n:=|K|M|Gn说明：中为可选项，为(，为)。K表示KB，M表示MB，G表示GB。n例如，描述一个班级学生的数据库可以如下定义：CREATE TABLE students(code INTEGER PRIMARY KEY,name CHAR(20)NOT NULL,age INTEGE

16、R,photo BLOB(50K)n这样就定义了每个学生有一张大小为50K(也可以更小)的照片。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n由于BLOB数据类型本身的特点，因此对于它的操作也具有特殊性。OpenBASE数据库采用了标准的SQL语言，对于BLOB数据类型的操作也尽量保持原来的语法定义。在对BLOB字段的插入、修改等操作中，文件是作为操作的基本单位。下面就对于一些操作加以说明：n1）插入（）插入（INSERT）uINSERT INTO students VALUES(201,“王强”，25，“/usr1/wangq/photo

17、.gif”)u该操作将学生王强的信息插入数据库的students表中，其中/usr1/wangq/photo.gif就是包括路径在内的文件名，其内容就是学生王强的照片。u在插入的过程中如发现用户指定的文件名不存在将出错退出，插入操作失败。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.1 9.3.1 NF2数据模型数据模型n2）删除（）删除（DELETE）u删除操作与普通字段的操作一样，成功后BLOB字段的内容与其它字段一样将被删除，但应注意的是被删除的内容是无法恢复的。uDELETE FROM students WHERE age20u该操作删除所有年龄大于20的学生。n3）修改

18、（）修改（UPDATE）uU P D A T E s t u d e n t s S E T a g e=2 3，photo=“/usr1/wangf/photo1.gif”WHERE code=201u该操作将学号为201的学生的年龄改为23，照片改为/usr1/wangf/photo1.gif。这正如前面所提到的，对BLOB类型的修改是以文件为基本单位的，无非是用一新文件取代旧文件。与删除操作一样，修改操作一旦成功执行便不可恢复。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.2 9.3.2 面向对象数据模型面向对象数据模型n面向对象方法论的一些基本概念u对象：现实世界中所有概

19、念实体被模型化为对象u属性：组成对象的数据u方法：定义在对象属性上的一组操作u消息：对象间的通讯和请求对象完成某种处理工作是通过消息传递的u对象类：类似的对象组合在一起形成对象类u类层次：具有概括关系的对象类型成一个层次结构u继承性：子类可以继承超类的部分或全部属性多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.2 9.3.2 面向对象数据模型面向对象数据模型图 多媒体文件系统多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.2 9.3.2 面向对象数据模型面向对象数据模型n语义关联的描述u聚集关联(Aggregation association，简称A关联)：定义一个实

20、体类的一组属性，这些属性的域既可以是实体类也可以是域类u概括关联(Generalization association，简称G关联)：表示实体之间的子类与超类的继承性关系。u相互作用关联(Interaction association，简称I关联)：类似于ER模型中的实体间的relation关系，用来表示两个实体类之间的相互作用或关系。u示例关联(Instance association)：表示一个具体对象与所述实体类之间的关系，用来对具体对象建模uhas_method和has_rule关联多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.2 9.3.2 面向对象数据模型面向对象数据

21、模型n运算体系u在数据库系统中运算基本上有三种：定义、查询和操纵。u定义包括类的创建和对象的创建两部分。u查询包括通过类名查询类结构、通过对象名或对象标识查询对象或对象的属性值、通过类名查询该类中满足某些约束条件的对象或对象的属性、对对象操作的查询等。u操纵运算包括插入、删除和修改，其中每种都有类和对象两个操纵对象。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.3 9.3.3 其它数据模型其它数据模型n超媒体数据模型u超媒体是利用关系链来表示离散数据片断(nodes)的方法。超媒体的数据片断(节点)可以是任何媒体形式的数据，如文本、图象、图形、声音、视象等。用户通过链由一个信息结

22、点转移到另一个信息结点。从而实现信息的查询。n文献模型u文献模型的基本结构是层次状的，其主结构是树形的。多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.3 9.3.3 其它数据模型其它数据模型图 文献模型逻辑结构和布局结构的对应关系节标题小节子标题段落段落段落内容内容内容内容内容块块块块块框架框架框架页页逻辑结构布局结构多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.3 9.3.3 其它数据模型其它数据模型n专有媒体数据模型u象图像数据库、视频数据库、全文数据库等针对特定领域的数据库，往往根据自己的需要建立符合自己特性的体系结构和数据模型，以完成特定的任务。多媒体技术

23、2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.3.3 9.3.3 其它数据模型其它数据模型模式及映射模式及映射用户视图语义特征视图图像特征视图特征表示特征组织任务任务空间推理图像知识形成结构图像理解图像数据形成结构图像数据存储检索查询的例子查询的例子查询带轮子的物体查询（image_object,wheel）查询（image_object,circle）查询（image_object,color_of_circle）图 图像数据库的五级模式四级映射多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.4 9.4 多媒体数据库的多媒体数据库的用户接口用户接口多媒体技术 2008 西安交通大学 新

24、型计算机研究所9.4.1 9.4.1 字符数值型接口字符数值型接口n表示类查询u用于复合对象的检索n关键字描述u按内容进行关键字描述，并随媒体一起输入到数据库中u查询时，输入关键字，可以检索到相应的媒体n自然语言查询u共同性u抽象性u模糊性多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.4.2 9.4.2 示例型接口示例型接口n示例的含义u对于无法用形式化方法描述的查询，可以给出一个示例，使系统自动获取其特征，然后根据这些特征进行查询。n示例的种类u文本示例u图像示例u声音示例u视频示例u结构示例u混合示例多媒体技术 2008 西安交通大学 新型计算机研究所9.4.3 9.4.3 用户表现接口用户表现接口n多媒体表现u字符、文本与图形u图像u视频u声音u混合表现u概念n叙事表现u未来多媒体数据库对查询结果的一种处理方法