流媒體技術(shù)及其教育應(yīng)用

流媒體技術(shù)及其教育應(yīng)用

摘要

本文在引言部分闡述了流媒體技術(shù)的基礎(chǔ)：流媒體的一般概念及相關(guān)的概念。在正文部分介紹了流媒體技術(shù)的原理以及媒體服務(wù)器的硬件平臺(tái)。最后主要的介紹了流媒體技術(shù)了兩種教育應(yīng)用：校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)的解決方案和遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)方案。

關(guān)鍵字:流媒體流式傳輸媒體服務(wù)器校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)

一、引言

在網(wǎng)絡(luò)上傳輸音／視頻等多媒體信息目前主要有下載和流式傳輸兩種方案。A/V文件一般都較大，所以需要的存儲(chǔ)容量也較大；同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，下載常常要花數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)，所以這種處理方法延遲也很大。流式傳輸時(shí)，聲音、影像或動(dòng)畫等時(shí)基媒體由音視頻服務(wù)器向用戶計(jì)算機(jī)的連續(xù)、實(shí)時(shí)傳送，用戶不必等到整個(gè)文件全部下載完畢，而只需經(jīng)過(guò)幾秒或十?dāng)?shù)秒的啟動(dòng)延時(shí)即可進(jìn)行觀看。當(dāng)聲音等時(shí)基媒體在客戶機(jī)上播放時(shí)，文件的剩余部分將在后臺(tái)從服務(wù)器內(nèi)繼續(xù)下載。流式不僅使啟動(dòng)延時(shí)成十倍、百倍地縮短，而且不需要太大的緩存容量。流式傳輸避免了用戶必須等待整個(gè)文件全部從Internet上下載才能觀看的缺點(diǎn)。

流媒體指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術(shù)的連續(xù)時(shí)基媒體，如：音頻、視頻或多媒體文件。流式媒體在播放前并不下載整個(gè)文件，只將開(kāi)始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，流式媒體的數(shù)據(jù)流隨時(shí)傳送隨時(shí)播放，只是在開(kāi)始時(shí)有一些延遲。

在這篇文章中，主要是討論流媒體的技術(shù)基礎(chǔ)，以及流媒體技術(shù)在教育中的應(yīng)用。

二、流媒體技術(shù)基礎(chǔ)

1、流媒體技術(shù)的原理

流式傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)需要緩存。因?yàn)镮nternet以包傳輸為基礎(chǔ)進(jìn)行斷續(xù)的異步傳輸，對(duì)一個(gè)實(shí)時(shí)A/V源或存儲(chǔ)的A/V文件，在傳輸中它們要被分解為許多包，由于網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，各個(gè)包選擇的路由可能不盡相同，故到達(dá)客戶端的時(shí)間延遲也就不等，甚至先發(fā)的數(shù)據(jù)包還有可能后到。為此，使用緩存系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)延遲和抖動(dòng)的影響，并保證數(shù)據(jù)包的順序正確，從而使媒體數(shù)據(jù)能連續(xù)輸出，而不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)暫時(shí)擁塞使播放出現(xiàn)停頓。通常高速緩存所需容量并不大，因?yàn)楦咚倬彺媸褂铆h(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：通過(guò)丟棄已經(jīng)播放的內(nèi)容，流可以重新利用空出的高速緩存空間來(lái)緩存后續(xù)尚未播放的內(nèi)容。

流式傳輸?shù)倪^(guò)程一般是這樣的：用戶選擇某一流媒體服務(wù)后，Web瀏覽器與Web服務(wù)器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)從原始信息中檢索出來(lái)；然后客戶機(jī)上的Web瀏覽器啟動(dòng)A/VHelper程序，使用HTTP從Web服務(wù)器檢索相關(guān)參數(shù)對(duì)Helper程序初始化。這些參數(shù)可能包括目錄信息、A/V數(shù)據(jù)的編碼類型或與A/V檢索相關(guān)的服務(wù)器地址。

A/VHelper程序及A/V服務(wù)器運(yùn)行實(shí)時(shí)流控制協(xié)議，以交換A/V傳輸所需的控制信息。與CD播放機(jī)或VCRs所提供的功能相似，RTSP提供了操縱播放、快進(jìn)、快倒、暫停及錄制等命令的方法。A/V服務(wù)器使用RTP/UDP協(xié)議將A/V數(shù)據(jù)傳輸給A/V客戶程序，一旦A/V數(shù)據(jù)抵達(dá)客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。

需要說(shuō)明的是，在流式傳輸中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP兩種不同的通信協(xié)議與A/V服務(wù)器建立聯(lián)系，是為了能夠把服務(wù)器的輸出重定向到一個(gè)不同于運(yùn)行A/VHelper程序所在客戶機(jī)的目的地址。實(shí)現(xiàn)流式傳輸一般都需要專用服務(wù)器和播放器，其基本原理如圖1所示。

圖1.流式傳輸?shù)幕驹?/p>

2、媒體服務(wù)器硬件平臺(tái)

視頻服務(wù)器把存儲(chǔ)在存儲(chǔ)系統(tǒng)中的視頻信息以視頻流的形式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給相應(yīng)的客戶，響應(yīng)客戶的交互請(qǐng)求，保證視頻流的連續(xù)輸出。視頻信息具有同步性要求，一方面必須以恒定的速率播放，否則引起畫面的抖動(dòng)，如MPEG-1視頻標(biāo)準(zhǔn)要求以/s左右的速度播放視頻流。另一方面，在視頻流中包含的多種信號(hào)必須保持同步，如畫面的配音必須和口型相一致。另外，視頻具有數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，一個(gè)經(jīng)MPEG-1壓縮的90min的電影，長(zhǎng)度約為1GB，它在存儲(chǔ)系統(tǒng)上的存放方式，直接影響視頻服務(wù)器提供的交互服務(wù)，如快進(jìn)和快倒等功能的實(shí)現(xiàn)。視頻服務(wù)器必須解決視頻流特性提出的要求。

視頻服務(wù)器的工作模式是當(dāng)服務(wù)器響應(yīng)客戶的視頻流后，從存儲(chǔ)系統(tǒng)讀入一部分視頻數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)于這個(gè)視頻流的特定的緩存中，然后此緩存中的內(nèi)容送入網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送到客戶。當(dāng)一個(gè)新的客戶請(qǐng)求視頻服務(wù)時(shí)，服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)資源的使用情況，決定是否響應(yīng)此請(qǐng)求。系統(tǒng)的資源包括存儲(chǔ)I/O的帶寬、網(wǎng)絡(luò)帶寬、內(nèi)存大小和CPU的使用率。

三、流媒體技術(shù)的應(yīng)用

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和普及為流媒體業(yè)務(wù)發(fā)展提供了強(qiáng)大的市場(chǎng)動(dòng)力，流媒體業(yè)務(wù)正變得日益流行。流媒體技術(shù)廣泛用于多媒體新聞發(fā)布、在線直播、網(wǎng)絡(luò)廣告、電子商務(wù)、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)電臺(tái)、實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)的方方面面。流媒體技術(shù)的應(yīng)用將為網(wǎng)絡(luò)信息交流帶來(lái)革命性的變化，對(duì)人們的工作和生活將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

一個(gè)完整的流媒體解決方案應(yīng)是相關(guān)軟硬件的完美集成，它大致包括下面幾個(gè)方面的內(nèi)容：內(nèi)容采集、視音頻捕獲和壓縮編碼、內(nèi)容編輯、內(nèi)容存儲(chǔ)和播放、應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)容管理發(fā)布及用戶管理等。

下面就介紹流媒體技術(shù)在教育上的兩個(gè)具體的應(yīng)用方案。

1、校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)

校園網(wǎng)的建設(shè)隨著教育產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展也逐漸呈現(xiàn)出蓬勃向上的態(tài)勢(shì)。隨著多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是多媒體傳輸技術(shù)的突破，使網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多的成熟的產(chǎn)品可以用來(lái)組建網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)的解決方案。

一般一個(gè)校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)的要求有：

通過(guò)校園網(wǎng)實(shí)現(xiàn)音、視頻實(shí)況轉(zhuǎn)播、視頻預(yù)訂，制作并存儲(chǔ)節(jié)目。

在校園網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)VOD教學(xué)。

圖2.校園網(wǎng)系統(tǒng)方案

每個(gè)教室安裝相應(yīng)的軟件及視頻卡，攝像頭，麥克風(fēng)，可以把教室實(shí)時(shí)的聲音和圖象通過(guò)校園網(wǎng)傳到監(jiān)控中心。在存儲(chǔ)服務(wù)器安裝SERVER軟件，可以存貯傳輸過(guò)來(lái)的實(shí)時(shí)圖象。在點(diǎn)播服務(wù)器安裝SERVER軟件，存儲(chǔ)視頻節(jié)目。

雖然現(xiàn)在校園網(wǎng)絡(luò)硬件水平和質(zhì)量現(xiàn)在都非常高，但是，困惑也隨之而來(lái)，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

A、校園網(wǎng)投入大，但沒(méi)有用在教育主業(yè)上。

B、網(wǎng)絡(luò)僅用在辦公自動(dòng)化中，投資效益低。

C、無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分共享。即享受好的教育資源的學(xué)生很有限；同樣的課程需要年復(fù)一年的教授；同樣的問(wèn)題需要一次次重復(fù)回答；材質(zhì)差異明顯的學(xué)生按同一模式接受教育，做不到因材施教。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在教育產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和由此產(chǎn)生的問(wèn)題引起了教育界和計(jì)算機(jī)界對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)條件下教學(xué)模式的思考。教學(xué)模式在網(wǎng)絡(luò)條件下最終會(huì)變化成什么樣子？目前和將來(lái)一段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到底能導(dǎo)致產(chǎn)生哪些更富成效的教育手段，逐步推動(dòng)教學(xué)模式的改變？

2、遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)

知識(shí)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代需要人們不斷的學(xué)習(xí)新的知識(shí)、技能，才能跟上時(shí)代的步伐。學(xué)習(xí)必須轉(zhuǎn)變成一個(gè)伴隨每個(gè)人一生的過(guò)程。網(wǎng)上教育突破了傳統(tǒng)"面授"教學(xué)的局限，為求知者提供了時(shí)間分散、資源共享、地域廣闊、交互式的教學(xué)新方式，因而廣受人們觀注。

從遠(yuǎn)程教育的定義可以看出它有下列三方面的內(nèi)涵:學(xué)生與教師的分離，學(xué)生與學(xué)生的分離，利用傳播媒體和傳輸系統(tǒng)組織教學(xué)。從技術(shù)上講，遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)是建立在現(xiàn)代傳媒技術(shù)基礎(chǔ)上的多媒體應(yīng)用系統(tǒng)，它通過(guò)現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡(luò)將教師的圖象、聲音和電子教案?jìng)魉徒o學(xué)生，也可以根據(jù)需要將學(xué)生的圖象、聲音回送給教師，從而模擬出學(xué)校教育的授課方式；同時(shí)還可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件建立虛擬的班級(jí)，加強(qiáng)學(xué)生之間的交流。

鑒于遠(yuǎn)程教育的深遠(yuǎn)意義，我們的遠(yuǎn)程多媒體教學(xué)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)現(xiàn)教學(xué)課件的點(diǎn)播，教學(xué)直播，網(wǎng)絡(luò)課堂等等。

在IP網(wǎng)上開(kāi)展遠(yuǎn)程教學(xué)活動(dòng)，需要解決兩個(gè)基本問(wèn)題：音頻、視頻流信息的傳送以及它們與數(shù)據(jù)之間的同步。由于音頻、視頻信息的帶寬比較寬，不可能讓學(xué)生將所有的節(jié)目下載到本地計(jì)算機(jī)上后再播放，必須要采用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)播放技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)邊發(fā)送邊播放。此外，由于在教學(xué)過(guò)程中教師會(huì)經(jīng)常使用電子教案來(lái)輔助教學(xué)，比如用PowerPoint，而電子教案的展示與音頻、視頻流之間有嚴(yán)格的時(shí)間同步關(guān)系，這就要求在傳輸過(guò)程中我們?nèi)匀灰３炙鼈冎g的同步關(guān)系。

圖3.遠(yuǎn)程教育網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作過(guò)程輸入的視頻和音頻信號(hào)將送給MPEG4的編碼器進(jìn)行編碼，編碼器輸出的節(jié)目流既可以存入存儲(chǔ)設(shè)備也可以直接送給MediaServer，MediaServer的主要功能是完成節(jié)目流的播出。MediaServer播出的節(jié)目有三個(gè)來(lái)源，它可能是保存在存儲(chǔ)設(shè)備中的ASF文件，也可以是編碼器實(shí)時(shí)傳送來(lái)的節(jié)目，它播出的節(jié)目還可以