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基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 基于流媒体技术的现代远程教育 视频教学系统的设计与实现 研究生：王建国 指导教师：王健 学科专业：教育技术学 中文摘要： 随着计算机网络技术和数字技术的迅速发展，远程教育已经进入了数字化、智能化、 个性化的发展阶段，新的通讯技术为传递最新的教学信息与知识提供了更多的途径。近 年来人们对多种媒体信息的需求不断增加，不再满足于只是简单的文本浏览、下载等， 而需要有能承载实时交互的视音频信息资源。因此，“边下载边播放”的流媒体技术应 运而生：并且得到了快速发展。流媒体技术解决了以视音频信息为代表的多媒体信息资 源在中低带宽网上的传输问题，使得学习者在课程的难易程度、学习的时间、地点等方 面可以真正具有深层次的主动选择权，使得教师和学习者实现真正的实时在线协作和交 互，使得视音频资源实现真正的数字化管理，增强了学习者的主动性和视音频资源的可 控制性，更好地满足了学习者的学习需求。本文致力于研究现代远程教育中的基于流媒 体技术的视频教学系统的构架与开发，为学习者提供一个“以学习者为中心”的网络化 学习环境。 出于集成、易用和易维护等方面的考虑，本系统的开发是基于微软的w i n d o w sm e d i a 平台实现的。在系统设计中主要应用了a s p 技术实现动态网页的制作。 本文在阐述了流媒体技术和系统开发的教育技术理论基础上，详细地说明了从系统 需求分析到系统设计，再到流媒体数据的制作、发布，以及网页的制作、发布的整个系 统开发过程。 关键词：流媒体现代远程教育视频教学系统 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 第一章引言 在当今社会，经济的全球化导致竞争全球化，终身学习是国家未来发展的前提，也 是个人发展的关键。在相对发达的西方国家，终身学习、学习组织、学习社会的思想已 经得到广泛地接受。江泽民同志指出“终身学习是当今社会发展的必然趋势”，强调“要 以远程教育网络为依托，形成覆盖全国城乡的开放教育系统，为各类社会成员提供多层 次、多样化的教育服务”。 美国一位著名学者曾经指出：“从来没有任何事物能够比万维网( w o r l dw i d ew e b ， w w w ) 更强烈、更持续地吸引全球教育工作者的想象力和兴趣”。随着信息技术的飞 速发展及其在社会各领域的广泛应用，人类迈入了信息时代，从此，人 | 、j 的生活、工作、 学习等各方面都发生了极大的变化，而信息技术对教育领域的渗透更为深刻，远程教育 正借助于信息技术引发教育领域的一场深刻革命。信息技术的支持、互联网平台的建立、 多媒体的综合运用和学习型社会的形成都为现代远程教育的兴起创造了良好条件。现代 信息技术所创造的数字化学习环境正在改变着人们的教育思想和教育观念，为教育的改 革和发展提供了广阔的空间。 1 1 国内外远程教育发展现状 现代远程教育是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型的教育方式。计算机技 术、多媒体技术以及通信技术的发展。尤其是i n t e m e t 的迅速发展，使远程教育有了质 的飞跃。世界上许多国家都对网络教育给予高度重视，并积极采取措施，努力扶持和发 展这种全新的教育方式，提高网络教育的普及化程度。根据世界经合组织调查研究表明， 到2 0 0 2 年，世界上已经有1 0 0 多个国家开展了现代远程教育，全世界8 5 的大学在网上 拥有自己的网站，其中有1 4 己推出现代远程教育课程”1 。 美国是世界上网络在线教育和虚拟大学开展最先进、最广泛的国家。美国政府1 9 9 6 年提出了“教育技术规划( e d u c a t i o nt e c h n o l o g yi n i t i a t i v e ) ”，这一教育规划极人地改 变了美国基础教育领域内教与学的方式、手段和过程，为美国教育界抢占教育国际化新 的制高点做了准备。时至今日，美国己经发展成为世界上网络教育规模最大、水平最高 的国家。据美国联邦教育部国家教育统计中心的调查，1 9 9 7 1 9 9 8 年，美国5 0 2 0 所火学 中1 6 9 0 所提供远程教育课程，占高等学校总数的3 4 ，约1 6 6 万学生注册接收各种形 式的远程高等教育，占所有类型高校在校生总数的11 6 口j 。到2 0 0 0 年，美国已有6 0 左右的高等学校向全社会提供各种远程教育，接受远程高等教育的学生约占全日制在校 学生的3 2 。美国远程教育开设的学历、学位课程达到4 9 万门，基本覆盖了美国高等 学校的所有学科和专业。据统计，在美国通过网络进行学习的人数正以每年3 0 0 以上 的速度增长，目前己有超过7 0 0 0 万的美国人通过e - l e a r n i n g 方式获得知识和工作技能， 超过6 0 的企业通过e l e a r n i n g 方式进行员工的培训和继续教育。 在英国，把普及网络化教育作为保证英国人才培养紧跟世界潮流的战略性措施。从 1 9 9 8 年到2 0 0 4 年，“英国国家学习网”项目总共投入专项资金1 8 亿英镑，建立了一个 全民学习的社会资源网，对推进教育信息化进程所投入的资金数额十分巨大。2 0 0 0 年， 英国政府教育和就业大臣戴维- 布伦斯特宣布要建新型网上“电子大学”，力争在全球 2 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 教育市场的激烈争夺中抢得先机。至今，英国全国各级学校都建立了自己的网上学校p 】。 现代远程教育在我国较之发达国家起步较晚，尚有很大差距。1 9 9 4 年，我国开始建 设中国教育科研网，教育部在全国教育事业第十个五年计划中指出：“要把教育信 息化工程列入国家重点建设工程，以信息化带动教育现代化。重点支持并加快以中国教 育科研网和卫星视频系统为基础的现代远程教育网络建设，建成一批网络学校，【”。1 9 9 8 年，教育部首先在清华大学、浙江大学、北京邮电大学、湖南大学等四所全日制大学进 行远程教育试点。以后，北京大学和中央广播电视大学加入了远程教育试点行列。2 0 0 0 年，教育部批准建立网络学院进行现代远程教育试点的高等院校数量达到3 1 所，以期依 托重点高等院校实现现代远程教育的跨越式发展1 5 1 。到2 0 0 3 年，教育部己批准6 7 所普 通高校开展现代远程教育试点工作，全国以远程方式接受高等教育的学生己超过8 0 万 人。 随着接受高等教育的人越来越多，就业已经成为严重的社会问题，另外“入世”之 后的诸多效应不断显现，这些因素都促使人们需要不断学习，以适应不断发展的社会需 求。当前中国经济持续平稳发展、社会稳定，也为建设学习化社会提供了一个良好的发 展环境。目前中国的教育资源在总体上处于匮乏状态，我国高等教育毛入学率只有1 9 ， 国民对教育的需求揖非常大。中国的教育资源在空间上分布极其不均衡，极少数地区占 有了极人多数的优秀教育资源。现代远程教育具有不受时空限制的特性，任何人在任何 时间在任何地点可以学习任何内容，这是现代远程教育产业存在和发展的本质特性，也 为现代远程教育提供了广阔的发展空间。随着网络的不断延伸，现代远程教育也随之不 断延伸。据c n n i c 2 0 0 5 年1 月发布的中国互联网络发展状况统计报告，学习时间 灵活、自由掌握进度、学习地点灵活、提高专业技能是学习者选择现代远程教育的四人 因素。 1 2 国内外流媒体应用现状与前景 自1 9 9 5 年推出第一个i n t e m e t 流媒体播放器以来，流媒体技术在世界范围内己有一 定的应用。i n t e m e t 的迅速发展推动了流媒体的应用。今天流媒体己是i n t e m e t 上传输视 音频信息的一种重要方式。 从全球范围看，主要是商业网站利用流媒体播放新闻，企业和机构也利用流媒体进 行员工培训、信息发布、开展音乐直播和点播服务。据统计，目前有近半数的跨国公司 在内部使用流媒体实现w e b 广播，通过流媒体的应用提高了效率，节约了开支。 1 9 9 9 年1 2 月，在加利福利亚圣何塞市举行的西方流媒体会议上，微软董事长盖茨 在主题演讲中宣称，“流媒体是微软真正看好的发展方向，它必将成为个人电脑和网络 设备应用的主流。”盖茨指山，未来的工作场所将发生巨大的变化，流媒体的出现t n ) “ 泛应用将为企业节省大量的资金，因为视频会议和员工职业训练都可以通过观看网上录 像的方式进行。 据收视率调查的权威机构尼尔逊( n i e l s e n n e t r a t i n g s ) 统计：自2 0 0 0 年以来网上访 问流媒体内容的人数增加了6 5 ，网上视频流媒体技术应用增长达2 5 1 ，在美国约7 9 的家庭网络用户在电脑上安装了流媒体播放器m j 。据英国a n a l y s y s 公司2 0 0 4 年1 月1 6 日公布的针对视频流式媒体市场的调查结果表明，随着视频流式媒体逐渐成为企业的一 种比较现实的选择，2 0 0 6 年西欧市场规模将从2 0 0 1 年的约2 5 0 0 万美元增长为约2 亿美 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 元，规模将扩人1 0 倍。该公司并且透露，在今后，视频流式媒体市场主要将受到公司内 部通讯、研修和营销活动以及对投资家提供信息等用途的拉动1 6 j 。到2 0 0 6 年，传输量 将以年均9 0 ，营业额将以年均5 0 的速度增长。 2 0 0 0 年1 2 月，a p p l e 、c i s c o 、k a s e n n a 、p h i l i p s 和s u n 宣布成立互联网流媒体联盟 ( i s m ，意在共同推动流媒体市场，并制定相应的开放标准和实施协议。一个全球化的 流媒体市场和竞争格局已经初步形成。 在国内，以中央电视台、中国国际广播电台、新华网、北方网等为代表的主要传播 机构，早在1 9 9 9 年就开始关注流媒体技术的发展及应用，并积极尝试流媒体在网络直播， 视音频新闻播出、视频广告等领域的应用。根据2 0 0 5 年7 月完成的第1 6 次中国互联 网络发展状况统计报告显示，在当前网络用户上网的最主要的目的中，经常上网休闲 娱乐( 包括网络游戏和在线点播) 的网民人数已经占到了总上网人数的3 7 9 ，列居第 一的位置；而在用户经常使用的网络服务功能一项中，在线音乐( 含下载) 和在线影视 ( 含下载) 的使用人数也分别占到了总人数的4 5 6 和3 7 8 。这些数字说明，目前已 经有1 ，3 甚至更多的网民开始认同并津津乐道于网络“流”媒体的传播与使用p l 。 雅虎的创始人杨致远认为，现在，“流媒体技术的发展己经达到了从量变到质变的 关键时刻。”欧洲e l e a r n i n g 中心推荐的当前e ，l e a r n i n g 的十四种最有潜力的技术应用 趋势，流学习( s t r e a m i n gl e a r n i n g ) 就是其中种。b o s t e r 等人2 0 0 2 年发布的“流教育 应崩效果报告”显示，在超过1 4 0 0 人参加的控制组试验中，接受使用了按需视频流的教 学的学生表现出学习成绩上极大的进步，比控制组的学生成绩高出1 2 6 。鉴于流媒体 技术在教育领域应用所显现出来的巨大威力，很多世界一流的高校和研究机构都对流媒 体技术表现出浓厚的研究兴趣，象英国开放大学、加州大学柏克利分校、斯坦福大学等 都开发了自己的教育视频流媒体播放平台1 7 】。2 0 0 5 年4 月份，山东大学的山大视点 网上直播p p l i v e 频道就已开通，并且实现了实时的校内重要活动直播；而1 1 月间，光 芒国际传媒网络技术有限公司也携手戴尔英语，在其r o x 网站上开通戴尔英语频道，向 广大网民提供免费的英语视频课程。此外，近期北京高维视讯科技公司也在其网站 m y s e e 免费网络电视网上转播了李开复博士的中国大学校园巡讲。 1 3 课题的提出 流媒体是近年来新兴的一种网络多媒体形式，用户不需要等到整个文件全部下载完 才进行播放，而是边f 载边播放。流媒体技术运用特殊的数据压缩和传输技术，使音频 和视频文件体积变得很小，很适合在网络上发布。目前，远程教育已经在全国范围内广 泛开展，随着流媒体技术的发展，网络课堂的形式变得更加丰富多彩，如何利用流媒体 技术为远程教育服务，提高网络课堂的质量，增强网络课堂的交互性，成为今后远程教 育发展的一个重要课题 8 - u o 。 因此，如何通过调查、研究，进一步认识流媒体、挖掘流媒体的优势，构建出一个 合理的将流媒体技术应用到远程教学中的教学支持平台，并通过这个平台在远程教学中 的应_ j ，一方面流媒体技术能得到合理的应用，发挥其应有的特点和优势，更好地为教 育服务；另一方面，。能使远程教育以立体的、交叉的、非线性的、可交互的、多种体验 的、基于超媒体、超连接的种种教学模式来向学习者传授知识、指导学习、实时交互， 进而更充分地发挥现代远程教育的优点，培养出德智体全面发展的、具有高度创薪能力 4 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 和很强信息能力( 包括信息获取能力、分析能力与加工能力) 的新型人才，这是本课题所 要研究的目标。 视频教学系统即管理者将v c d 或d v d 格式的教学课件放在数字化教学资源库中或 利用流媒体解决方案实现课堂直播，学习者利用与视频服务器网络相通的计算机，可在 任何时间、任何地点调用视频服务器中感兴趣的内容进行自主学习。从某种意义上说， 这是信息的接受者根据自身需要进行自我完善和自我发展的方式。视频教学系统是现代 远程教育最基本、最核心的教育形式，而现代远程教育视频教学系统的设计与实现是其 最为关键的一环。其大大增加了学习者在信息服务中的主动性，学习者可以主动挑选自 己感兴趣的教学内容。这从一定程度上实现了按需教育，且打破了传统教育手段的时间 和空间上的局限性，教师和学习者可以分别在不同地方，在相同或不同的时间进行教育 活动。但由于教育的特殊性，现在的视频教学系统还存在着不足之处，主要体现在以下 几个方面： ( 1 ) 难以提供准确、快速的定位方式 传统的视频定位往往是通过快进或者快退等顺序的方法进行人工查找，不仅耗时、 繁琐，。且准确性不高，这显然无法满足大容量的视频数据库的要求。而用户则希望只要 给出关键字的描述就可以直接定位到所需要的视频的确切位置，并通过片断的描述来进 一步判断是不是自己所需要的信息。 ( 2 ) 缺乏其它媒体的同时展现 除视频和音频外无其它媒体，文字等媒体信息在概念等内容的表述上具有其它媒体 无法达到的精确效果。如在视频中播放文字则文字信息很模糊无法看清楚，但如在视频 音频播放的同时能够使学习者看到视频相关的信息，比如学习中应该注意的要点，主要 内容等等，从而更好地理解视频的内容。现有的系统还没有很好的实现这一功能。 ( 3 ) 个性化设计弱 如学习者想把针对视频教学内容提出的问题及解答保存下来供复习时使用，现有的 教学系统还无法做到。基于上述对现有的视频教学系统存在的问题的研究，本文提出了 “基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统”的设计方案。 1 4 论文主要任务和研究意义 1 4 1 论文主要任务 本课题的目标是要建立一个整合了硬件、软件、媒体资源和教学管理的基于流媒体 技术的远程教育视频教学系统平台，论文的主要研究内容为： 1 ) 研究流媒体技术在远程教育系统中的作用，实现基于流媒体技术传输视音频信 息的远程教育支撑平台。探讨使用流媒体解决方案实现课堂直播，具有实时交互功能的 网络教室以及各种视频教学课件点播的具体实现方法。探索一种课堂直播加文字交互的 实时在线互动教学模式。 2 ) 实现远程教育支持系统的主要辅助功能，包括b b s 留言板、在线聊天室和资源 检索、版权保护等。 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 l 4 2 研究的目的与意义 虽然在近2 0 年来，我国远程教育无论在规模层次上还是在技术层面都取得了长足 的进步，然而与发达国家相比，我们还有很大的差距。为了缩短与发达国家在现代远程 教育领域的距离，为了实施面向2 1 世纪教育振兴行动计划，为了适应我国高等教育 大众化趋势的需要和为社会成员提供终身学习的机会，为给农村和边远地区提供适应当 地需要的教育，进行基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的研究工作十分必要。 第二章流媒体技术概述 随着现代网络技术的发展，网络带给人们更多形式的信息模式。从图片到各种形式 的网络视频、三维动画，人们的视听觉感官在网络上得到了很大的满足。而同时面临的 是另外一种不可避免的尴尬：正是由于人们需求的不断提高，上网人数的不断增加，加 之网络硬件设备的局限性，使得网络下载速度和下载文件大，j 、成为网络传输不可忽视的 参数。t - 一方面，人们希望能在网络上看到生动清晰的媒体演示，另一方面，人们义不得 不去面对在如此慢的网络速度下下载文件传输所需的大量时间。近年来，为了解决文件 下载时间过长的问题，适应网络多媒体化的发展趋势，一种新兴技术应运而生，这就是 遵守特定网络协议的流媒体技术， 2 ，1 流媒体技术概述 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 是指互联网上以数据流的方式实时发布音、视频多媒体 内容的媒体，而流媒体技术则是用于在i p 网络上发布多媒体数据流的技术。流媒体实现 的关键技术就是流媒体传输j 。随着技术的发展，流媒体的定义己不再是单指流式传输 技术，而是建立在很多基础技术之上的技术，如适合流式传输的网络通信技术和多媒体 数据采集、压缩、存储、传输技术等。 流媒体技术采用“边f 载。边播放”的方式，当声音等实时媒体在客户机上播放时， 文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。这种方式舱好处在于，崩户观看的节目 是通过网络实时流动传输的，保证了节目的实时性，同时也节省了用户的等待时间。流 式传输不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且对系统缓存的需求也大大降低：流媒 体技术还运用了特殊的数据压缩和传输技术，可以使得声音和视频文件变得很小，通常 只有w a v 和a v 文件的3 5 ，非常适合在网络上发布比较长的声音和视频片断。 流式传输还可避免用户必须等待整个文件全部从i n t e r n e t 上下载才能观看的缺点。现在， 以“流”( s t r e a m i n g ) 的形式进行数字媒体的传送，使人们在从2 8 k b p s 到几m b p s 的带 宽环境下都可以在线欣赏到连续不断的高品质的音视频节目。 相对于传统的网络媒体播放方式，流媒体技术有如下特点： i ，启动延时短。当用户点击播放链按时只需要一段较短的预置时间( 凡秒钟或十 几秒钟) ，文件就开始播放了。 2 存储空间小不需要将多媒体文件全部下载到本地再播放，而是采用边传输边播 放方式，播放过的信息即予以丢弃，因此，只需在本地启用个很小的临时存储空间即 6 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 口】。 3 所需带宽小。由于多媒体文件经压缩后体积大大缩小，所以传输的带宽要求也较 低，在网络环境f 甚至用m o d e m 拨号上网的用户也可进行视频点播。 4 可双向交流。流媒体服务器与用户端媒体播放器之间的交流可以是双向的，服务 器在传送数据时还可接收用户发送来的反馈信息，在播放期闻双方一直保持联系。用户 可以发出播放控制请求( 跳跃、快进、后退和暂停等) ，服务器可自动调接数据发送。 5 保护知识产权。在保护知识产权方面，流媒体技术使得用户不能随意下载网络 媒体资料文件，不能随意传播独特的媒体内容，这对于媒体资源的产权达到了一定的安 全保护作用。 随着新技术的发展，流媒体技术解决了传统网络媒体播放方式的弊端，它不仅在速 度上优于传统方式，更重要的是在保护知识产权，弥补远程教学不足方面提供了有效的 解决方案。 2 ，2 流媒体传输方法 流媒体实现的关键技术就是流式传输，实现流式传输有两种方法：实时流式传输 ( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 和顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。一般说来，视频为实 时广播，或使用流媒体服务器，或应用如r t s p 的实时协议，即为实时流媒体传输。如 使用h t t p 服务器，文件即通过顺序流发送。采用哪种传输方式取决于用户的需求。当 然，流式文件也支持在播放前完全下载到硬盘。 2 2 1 实时流式传输 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到。实时 流与h t t p 流式传输不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传输总是 实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退己观看前面或后面 的内容。理论上，实时流一经播放就永不停止，但实际上，可能发生周期性暂停”“。实 时流式传输必须匹配连接带宽，这意味着在以调制解调器速度连接时图像质量较差。而 且，由于出错丢失的信息被忽略掉，网络拥挤或出现问题时，视频质量会很差。如欲保 证视频质量，顺序流式传输也许更好。实时流式传输需要特定服务器，如q u i c k t i m e s t r e a m i n gs e r v e r 、r e a ls e r v e r 与w i n d o w sm e d i as e r v e r 。这些服务器允许对媒体发送进 行更多级别的控制，因而系统设置、管理比标准h t t p 服务器更复杂。实时流式传输还 需要特殊的网络协议，如：r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 或m m s ( m i c r o s o 竹m e d i a s e r v e r ) 。这些协议在有防火墙时有时会出现问题，导致用户不能看到一些地点的实时 内容。 2 ，2 2 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序f 载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给定时刻， 用户只能观看己f 载的那部分，而不能跳到还未下载的那部分，顺序流式传输不象实时 流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。由于标准的h t l p 服务器可发送这种 形式的文件，也不需要其他特殊协议，它经常被称作h t t p 流式传输i l “。顺序流式传输 比较适合高质量的短片段，如片头、片尾和广告，由于该文件在播放前观看的部分是无 7 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 损下载的，这种方法保证视频播放的最终质量。这意味着用户在观看前，必须经历延迟， 对较慢的连接尤其如此。 对通过调制解调器发布短片段，顺序流式传输显得很实用，它允许用比调制解调器 更高的数据速率创建视频片段。尽管有延迟，毕竟可以发布较高质量的视频片段。 顺序流式文件是放在标准h 丁p 或f t p 服务器上，易于管理，基本上与防火墙无关。 顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频，如：讲座、演说与演示等。它也 不支持现场广播，严格地说，它只是一种点播技术。 2 ，3 流媒体技术原理 流式传输的实现需要缓存。因为i n t e m e t 以包传输为基础进行断续的异步传输，对 一个实时a ，v 源或存储的a v 文件，在传输中它们要被分解为许多包，由于网络是动态 变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等，甚至先 发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据 包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，丽不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。 通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃 已经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。其 效果如图2 1 所示。 篓全篓慧詈 的文件数据 吕f 一 = 进入播放器 7 的文件数据 = = 图2 - i 数据的缓冲效果 流式传输的实现需要合适的传输协议。由于t c p 需要较多的开销，故不太适合传输 实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用h t t p t c p 来传输控制信息，而崩 r t p u d p 来传输实时声音数据。流式传输的基本原理如图2 - 2 所示，具体传输过程如下： ( 1 ) 用户选择某一流媒体服务后，w 曲浏览器与w e b 服务器之间使用h t t p t c p 交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索出来。 ( 2 3 客户机上的w e b 杖! f 览器启动a nh e l p e r 程序，使用h t t p 从w e b 服务器检 索相关参数对h e l p e r 程序初始化，a n 播放器进行初始化。这些参数可能包括目录信息、 a n 数据的编码类型或与a v 检索相关的服务器地址。 ( 3 ) 用从w e b 服务器检索出来的相关服务器的地址定位a ，、，服务器。 ( 4 ) a v 搔放器与a n 服务器之间交换a n 传输所需的实时控制协议( r t s p ) 。 与c d 播放机或v c r s 所提供的功能相似，r t s p 提供了操纵播放、快迸、快倒、暂停 及录制等命令的方法。 ( 5 ) a v 服务器使用r t p u d p 协议将a v 数据传输给a v 客户程序( 一般可认为 客户程序等同于h e l p e r 程序) ，一旦a v 数据抵达客户端。a v 播放器即可播放输出。 需要说明的是，在流式传输中，使用r t p , r o d p 和r t s p t c p 两种不同的通信协议 与a n 服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同丁运行a n h e l p e r 程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。 8 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 w e b 浏览器 眉翟竺 ia v 播放器 r t s p ，t c p ( u d p ) ( 4 ) w e b 服务器 数据流r t p f t j d p ( 5 ) 一 图2 2 流式传输基本原理 定位( 3 ) a n 服务器 2 ，4 流媒体播放方式 2 ，4 ，1 草播( u n i c a s t ) 在客户端与媒体服务器之间需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每 个数据包只能传送给一个客户机，这种传送方式称为单播。单播是服务器和客户端之间 的一对一连接( 如图2 - 3 所示) ，这意味着每个客户端都接收不同的流且只有那些请求 流的客户端才接收流。每个用户必须分别对媒体服务器发送单独的请求，面媒体服务器 必须向每个用户发送所申请的数据包拷贝。这种巨大冗余首先造成服务器沉重的负担， 响应需要很长时间，甚至停止响应，管理人员也被迫购买硬件和带宽来保证一定的服务 质量。 2 4 2 多播( m u t t c a s t ) 多播的前提是构建一个具有多播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多个 通道上。采用多播方式，流媒体在源端只需传输一份，组内所有具有流媒体业务的客户 端均可以接收到，减少不必要的重复发送，从而大大减少网络上传输的信息包的总量( 如 图2 - 4 所示) 。需要注意的是，若要在网上使异j 多播，网络路由器必须支持多播。 2 4 3 点播与广播 点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接。在点播连接中，用户通过选择内容 项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、快进或暂停流。点播连接提供 了对流的最大控制，碴这种方式由于每个客户端各自连接服务器，会迅速用完网络带宽。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控制流。例如， 9 基于流堞体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的 所有用户。使用单播发送时，需要将数据包复制多个拷贝，以多个点对点的方式分别发 送到需要它的那些用户，而使用播方式发送，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上 的所有用户，而不管用户是否需要，上述两种传输方式都会非常浪费网络带宽。组播吸 收了上述两种发送方式的长处，克服了它们的弱点，将数据包的单独一个拷贝发送给需 要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不会将数据包发送给 不需要它的那些客户，保证了网络上多媒体应用占用网络的最小带宽。 2 5 流媒体文件格式 2 5 1 压缩媒体文件格式 压缩格式有时被称为压缩媒体格式，包含了描述一段声音和图像的同样信息，尽管 它的文件大小被处理得更小。很明显，压缩过程改变了数据位的编排。在压缩媒体文件 再次成为媒体格式前，其中数据需要解压缩。由于压缩过程自动进行，并内嵌在媒体文 件格式中，通常我们在存储文件时没有注意到这点。该过程如图2 - 5 所示。表2 - 1 列举 了些视频和音频文件格式。 体 文件格式 2 - 5 文件压缩过暑件格式 表2 - i 常用视频、音频压缩文件类型 文件格式扩展名 媒体类型与名称压缩情况 ( v i d e o a u d l 0 ) m o v q u i c k t i m ev i d e o2 0可以 口e g l v i d e o有 m p g m p 3 m p e g l a y e r 3a u d i o有 f 物y w a v ea u d i o没有 a i f a u d i oi n t e r c h a n g ef o r m a t没有 s n d s o u n d a u d i of o r m a t没有 a u a u d i of i l ef o r m a t ( s u no s )没有 a u d i ov i d e oi n t e r l e a v e dv 1 0 可以 a v l ( m i c r o s o f tw i n ) 1 0 一唱一 翳 一目一 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 2 5 2 流式文件格式 流式文件格式经过特殊编码，使其适合在网络上边下载边播放，而不是等到下载完 整个文件才能播放。可以在网上以流的方式播放标准媒体文件，但效率不高。将压缩媒 体文件编码成流式文件，必须加入一些附加信息，如计时、压缩和版权信息等。编码过 程如图2 - 6 所示。表2 2 列举了常用的流式文件类型。 国一口一手三j e 三至| e 三至| 口流式数据 标准媒体 文件格式 鎏编罾 流媒体文件格式 工具 一、 图2 - 6 流式文件编码过程 表2 - 2 常用流式文件格式 文件格式扩展名 ( d e o a u d i o ) 媒体类型与名称 a s fa d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( m i c r o s o f t ) r m r e a la u d i o v i d e o 文件p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r ar e a la u d i o 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r p r e a lp i x 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) r tr e a lt e x t 文件( p r o g r e s s i v en e t w o r k s ) s w fs h o c kw a v ef l a s h ( m a c r o m e d i a ) v i vv i v om o v i e 文件( v i v os o f t w a r e ) 2 5 3 流媒体发布格式 流媒体发布格式不是压缩格式，也不是传输协议，其本身并不描述视听数据，也不 提供编码方法。流媒体发布格式是视听数据安排的唯一途径，物理数据无关紧要，我们 仅需要知道数据类型和安排方式。以特定方式安排数据有助于流式多媒体的发展，因为 我们希望有一个开放媒体发布格式为所有商业流式产品应用，为应用不同压缩标准和媒 体文件格式的流媒体发布提供一个事实上的标准方法。实际视听数据可位于多个文件中， 而由流媒体发布文件包含的信息控制流的播放。常用流媒体发布格式如表2 - 3 所示。 表2 - 3 常用媒体发布格式 媒体发布格式扩展媒体类型与名称 a s f a d v a r i c e ds t r e a m i n gf o r m a t s m i l s y n c h r o n i z e dm u l t i m e d i ai n t e g r a t e dl a n g u a g e 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 r a mr a m f i l e r p m e m b e d d e dr a mf i l e 26 流媒体采集制作流程 该制作流程包括一系列的工具，从独立的视频、音频、图片、文字组合到制作丰富 的流媒体，这些工具产生的流文件可以存储为固定的格式，供服务器发布使用。它还可 以利用视频采集设备，实时向媒体服务器提供各种视频流，提供实时的多媒体信息发布 服务。流媒体采集制作的流程如图2 7 所示。 1 通过摄像( 影) 机、电视机、d v d v c d 采集视频与音频素材： 2 使用流媒体编码器软件进行制作，把刚才的实时输入或其他源文件变为流式文件 ( r m 格式、r a 格式或者w m v 格式) ； 3 再把流式文件传输到流媒体服务器上供用户点播； 4 用户在i n t e m e t 上使用相应的解码器打开流媒体文件边下载边播放。 图2 7 流媒体采集制作流程 2 7 流媒体技术解决方案 流媒体技术是一个综合的技术，它包括采集、编码、传输、储存、解码等多项技术。 因此，一整套完整的流媒体技术解决方案，包括编码_ t 具( 创建、捕捉和编辑多媒体数 据，转化成流媒体格式) 、流媒体数据、服务器( 存放和控制流媒体数据) 、网络( 适 台多媒体传输协议、实时传输协议的网络) 和播放器( 供客户端浏览流媒体文件) 5 个 部分。这5 个部分有些位于服务器端，有些位于客户端。不同的流媒体标准和不同公司 提供了不同的解决方案。 到目前为i r ，i n t e m e t 上使用较多的流媒体格式主要有r e a ln e t w o r k s 公司的r e a l s y s t e m 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s m e d i a t e c h n o l o g y 和a p p l e 公司的q u i c k t i m e 。它们 具有组成的一致性和工具的成熟性等共同点，又在质量与带宽、流文件类型、传输协议 上有所区别。我们将从流媒体方案的完整性和产品功能、兼容性和第三方支持等儿个方 面考察，选择出一种优化的方案。 2 7 1r e a ls y s t e t l l r e a ln e t w o r k s 公司发展流媒体时间最久，因而拥有最齐全的流媒体产品群。从开始 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与霓观 的创作、传送、伺服、到后端的下载、播放，r e a ln e t w o r k s 在每一个环节都有相对应的 产品，而且每个产品都有两种版本：b a s i c 版和p l u s 版。b a s i c 版为免费下载，具备有限 的基本功能，如果若需要完整的功能就要购买p l u s 版，p l u s 的功能完整，足够提供专业 的使用者使用。产品的完整度对于专业的开发人员和大网站来说非常重要。 r e a l n e t w o r k s 的产品线完整且功能齐全，能提供专业使用者全面的解决方案。该方案是唯一 一个可以横跨w i n d o w s 、m a c 及l i n u x 等操作系统使用流媒体服务的平台，可以满足最 广泛的用户需求。 但是，r e a l n e t w o r k s 产品高昂的价格也是一般非专业使用者所不能轻易负担的，一 套最基本的“流媒体入门方案”( s t r e a m i n gm e d i as t a r tk i t ) 售价2 9 9 9 美元。而方案中 包含的r e a ls e r v e rp l u s 最大同时伺服的人数限制于六十人，对于网站来说肯定不够，而 继续升级，则需继续付费。 r e a ls y s t e m 支持w 3 c 组织制定推广的s m i l 语言( s y n c h r o n i z e dm u l t i m e d i a i n t e g r a t i o nl a n g u a g e ：同步多媒体集成语言) ，这为媒体程序开发者提供了极大的便利。 r e a ls y s t e m 由媒体内容制作工具r e a lp r o d u c e r 、服务器端r e a ls e r v e r 、客户端软件 r e a l p l o y e r 三部分组成。其流媒体文件包括r e a l a u d i o 、r e a lv i d e o 、r e a lp r e s e n t a t i o n 和 r e a lf l a s h 四类文件，分别用于传送不同的文件。r e a ls y s t e m 采用s u r e s t r e a m 技术，自 动并持续地调整数据流的流量以适应实际应用中的各种不同网络带宽需求，轻松在网上 实现视音频和三维动画的回放。目前客户端播放器r e a l p l a y 的全球注册人数已经超过了 1 6 亿人，占据了6 0 的网上视频流点播市场。 m i c r o s o f t 的w i n d o w sm e d i a 流格式平台也提供了较为完整的流媒体产品群，与r e a l n e t w o r k s 相比，所有的产品都免费提供，但各个产品功能的专业程度不足。 w i n d o w sm e d i a 为用户考虑的相当周到，在服务端提供了负载监控器 l o a d 。s i m u l a t o r ，可以让系统模拟实际用户上线的负载情况，以避免太多用户涌入使系统 无法负荷。w i n d o w s m e d i a e n c o d e r 提供了屏幕录制的功能。可以把计算机屏幕上操作者 的鼠标动作和图像录制成流格式视频，这项功能特别适用于教育和培训用途。 w i n d o w s m e d i a t e c h n o l o g y 由m e d i a t o o l s 、m e d i a s e r v e r 和m e d i a p l a y e r 工具构成。 m e d i at o o l s 是整个方案的重要组成部分，它提供了一系列的工具帮助用户生成a s f 格 式的多媒体流( 包括实时生成的多媒体流) ，分创建工具和编辑工具两种，创建工具主 要用于生成a s f 格式的多媒体流，包括m e d i ae n c o d e r 、a u t h o r 、v i dt oa s f 、w a vt o a s f 、p r e s e n t e r 五个工具；编辑工具主要对a s f 格式的多媒体流信息进行编辑与管理， 包括后期制作编辑工具a s fi n d e x e r 与a s fc h o p ，以及对a s f 流进行检查并改正错误 的a s fc h e c k 。m e d i as e r v e r 可以保证文件的保密性，不被下载，并使每个使用者都能以 最佳的影片品质浏览网页，具有多种文件发布形式和监控管理功能。m e d i ap l a y e r 则提 供强大的流信息的搔放功能。 w i n d o w sm e d i a 方案仅仅支持w i n d o w s 和m a c 操作系统，不支持l i n u ) ( 。m i c r o s o f t o f f i c e2 0 0 0 对w i n d o w sm e d i a 方案提供了支持，因此用户可以很容易的在w o r d 、 f r o n t p a g e 中加入流媒体的播放控件，而且微软也宣称w i n d o w sm e d i a 比其它流平台更能 充分发挥w i n d o w s 2 0 0 0 的系统性能。w i n d o w sm e d i ap l a y e r 支持的媒体格式有m i d i 、 基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现 m p 3 、电影文件m p e g 、m i c r o s o f t 流式文件、q u i c k t i m e 文件、r e a l 媒体等。 2 7 3q u i c k t i m e a p p l e 的流平台缺乏完整性，如果服务器端要做实时广播的话，需要使用第三方公 司出品的s o r e n s o nb r o a d c a s t e r ，如果要做智6 2 流处理的话，需要使用t e r r a ni n t e r a c t i v e 出品的m e d i a c l e a n e r p r o ，但其媒体效果是三套方案中最佳的。q u i c k t i m ev r 能够制作 交互式的虚拟现实流媒体，q u i c k t i m ep l a y e r 能够播放，这项功能非常适用于教育和培 训用途。 q u i c k t i m e 包括服务器q u i c k t i m es t r e a m i n gs e r v e r 、带编辑功能的播放器q u i c k t i m e p l a y e r ( 免费) 、制作工具q u i c k t i m e4p r o 、图像谢览器p i c t u r ev i e w e r 以及使i n t e r a c t 浏览器能够播放q u i c k t i m e 影片的q u i c k t i m e 插件。q u i c k t i m e 是面向专业视频编辑、 w e b 网站创建和c d r o m 内容制作领域开发的多媒体技术平台。 a p p l eq u i c k t i m e 方案支持w i n d o w s 和m a c 操作系统，其用户群主要集中于m a c 用户。q u i c k t i m e p l a y e r 能够直接播放的格式有q u i