（教育技术学专业论文）信息化教学系统的设计与实现.pdf

天津师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 人类社会进入信息时代以后，伴随着教学环境的变化，教学工作对教师提出 了新的要求，教师不仅要完成传统教学的内容，还必须学会利用和组织各种多媒 体资源。信息化教学系统是指具有多媒体课件录制、编辑和播放功能的教育软件， 是信息化教学手段的重要组成部分。研发信息化教学系统不仅可以提高教师制作 课件的效率和质量，还可以为学生提供更便利的学习环境。本文设计并实现了一 套信息化教学系统，其具有课件容量小、课程录制范围广、课件制作效率高、课 件内容丰富和性价比高等特点。本文按照该系统的设计与实现依次展开。第一章 主要概括介绍项目背景和前人已经取得的研究成果，以及本项目所研发的信息化 教学系统与国内外现有相关软件的异同点。第二章的内容包含了系统的简介、运 行环境、特点、适用的领域以及所划分的子系统。第三章首先介绍了系统描述， 包括系统开发环境、系统整体架构和系统数据流图等，然后重点介绍了各个子系 统的设计。第四章介绍了系统涉及的主要核心技术以及对这些技术的使用与实 现。第五章为总结与展望，在总结本项目优缺点的基础上，提出了下一步工作的 建议。 关键词：信息化教学系统d s o h wx v i ds m i lh 2 6 4 天津师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a f t e r c o m i n gi n t ot h ei te r a ，w i t ht h ec h a n g i n go ft e a c h i n ge n v i r o n m e n t ， t e a c h i n gw o r kr e q u i r e st e a c h e r st od e a lw i t hal o to fn e wt h i n g s t e a c h e r sn o to n l y n e e dt oa c c o m p l i s ht r a d i t i o n a lw o r k , b u ta l s on e e dt ol e a r nh o wt ou i t i l i z ea n do r g n i z e a l lk i n d so fm u l t i m e d i ar e s o u r c e s a sa ni m p o r t e n tc o m p o n e n to fm o d e m t e a c h i n g m e a n s ，i n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc a l lr e c o r dc o u r s e w a r e s ， e d i tc o u r s e w a r e sa n dp l a yc o u r s e w a r e s i n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y c a nn o t o n l yi m p r o v e t h e e f f i c i e n c y a n d q u a l i t y o fc o u r s e w a r e m a n u f a c t u r i n g ，b u ta l s oh e l pt e a c h e r st og e tt h eb e t t e re f f e c to ft e a c h i n g t h i sp a p e r d e s i g na n di m p l e m e n ta ni n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e s y s t e mh a sal o to fc h a r a c t e r i s t i c s ：i tm a k et h ec o u r s e w a r es a m l l e r , i tc a nr e c o r dm a n y d i f f e r e n tk i n do fl e s s o n s ，i th a sm o r ee f f i c i e n c y , i te n r i c ht h ec o u r s e w a r e ，i th a sh i g h e r p e r f o r m a n c ea n dl o w e rc o s t , e t c t h i sp a p e rw a sw r i t t e na c c o r d i n gt ot h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fi n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i nc h a p t e r1 w er e c o g n i z et h e b a c k g r o u n d o ft h e s y s t e m a n di t sd i f f e r e n c ew i t ho t h e r i n t e r n a l i n t e r n a t i o n a li n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y c h a p t e r2 i sa ni n t r o d u c t i o no ft h es y s t e m i n c l u d i n g i t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee n v i r o n m e n ti t d e p e n d so n ，t h ef i e l d sw h e r ei tf i t sa n di t ss u b s y s t e m s i nc h a p t e r3w ec o n s i d e rh o w t h es y s t e mi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gs y s t e mr e q u i r e m e n t s ，s y s t e m sw h o l ef r a m e w o r k ， a n de a c hp a r to ft h es y s t e m c h a p t e r4w i l ls t a r tw i t hi n t r o d u c t i o n so ft h ec o r e t e c h n i q u e si nt h es y s t e m ，f o l l o w e db yh o ww eu t i l i z et h e s et e c h n i q u e s i nc h a p t e r5 w em a k eas u m m a r ya n dt h e nw eb r i n gf o r w a r dt h en e x tw o r kw es h o u l dd ob a s e do n t h ed i s a d v a n t a g eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：i n s t r u c t i o ns y s t e mb a s e do ni n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d s h o w , x v i d ，s m i l , h 2 6 4 i i 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 人类社会进入信息时代以后，伴随着教学环境的变化，教学工作对教师提 出了新的要求，教师不仅要完成传统教学的内容，还必须学会利用和组织各种 多媒体资源。研发信息化教学系统可以提高教师制作课件的效率和质量，还可 以为学生提供更便利的学习环境： 本章主要介绍研发信息化教学系统的项目背景及论文的研究内容。 1 1 信息化教学系统简介 在传统的教学模式中，学生和教师之间的交流媒介单一、枯燥、乏味，只能 依靠一块黑板、一只粉笔和教师不厌其烦的灌输。信息化教学手段打破了这一 传统的教学模式，教师可以采用多媒体组合方式，生动形象地进行课堂教学。即 将录音、录像、投影、d v d 、计算机、多媒体课件、校园网及闭路电视系统等 不同的教学手段和媒体设备进行优化组合，教师可根据不同专业的特点进行课 程设计，灵活机动地运用相关媒体，进行教学实践活动。通过运用声、影、图、 文的有机组合，使教学形式互动活泼，富有乐趣，从而全方位、多视角地激发和 调动学生的学习积极性。 信息化教学系统是指具有多媒体课件录制、编辑和播放功能的教育软件， 是信息化教学手段的重要组成部分。如下图所示，通过使用信息化教学系统， 教师可以灵活地整合各学科的教学资源，将教师的教学过程录制下来制作成多 媒体课件。在课件录制完毕后课件可被上传至课件服务器或刻录成教学光盘。 学生可从课件服务器上下载或从教学光盘中获得需要的课件，使用信息化教学 系统提供的播放器播放课件，从而可以不受时间空间限制地学习。 图1 1 信息化教学系统 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 信息化教学系统的优点 使用信息化教学系统具有以下优点： 扩大了课堂教学的信息量，有利于提高课堂效率。应用多媒体课件可以节 省书写板书和悬挂教学挂图的时间，使教师能在单位时间内向学生传递更 丰富的教学信息，可以大大提高学生在有限的单位时间内获取更多的信息。 这是传统教学手段无法达到的。 促进了教师表达方式的多样性。传统教学模式主要是粉笔加黑板再加口授， 往往显得单一、呆板。应用多媒体则可以使教师在教学过程中将教学内容 直接表现出来，减少信息在大脑中从形象到抽象，再由抽象到形象的加工 转换过程，充分传达教学意图。这对于提高教学效果有着语言文字无法替 代的作用，增强了教学方式的活泼多样性，提高了学生学习的积极性和创 造性。 增强了课堂教学内容的生动性与形象性。多媒体课件利用多媒体计算机的 信息综合功能，将图、文、声、像及视频剪辑整合为一体，有序、生动地 在课堂上展示各个直观素材，一定程度上提高了学生的感性认识，激发了 学生的学习兴趣。 增强了教学过程中的互动性。人机交互、立即反馈是计算机的显著特点， 应用多媒体技术可以产生出一种图文并茂的、丰富多彩的人机交互方式， 而且可以立即反馈。这样一种交互方式对于教学过程具有重要意义，它能 够有效地激发学生的学习兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，从而形成学 习动机。 有利于知识的获取与保持。实验心理学家赤瑞特拉( t r e i c h e r ) 的两个著名 心理实验表明，人类各种感官配合思维都具有吸收知识的功能，其中视听 并用的学习效果最高。多媒体教学利用这种优势，通过声、光、形、色、 音等多种信息作用于学生，加深学生对所学知识的理解，提高了学生理解 记忆课堂所学内容的质量。多媒体技术应用于教学过程不仅非常有利于知 识的获取，而且非常有利于知识的保持，其效果远远大大传统教学。 因此，研发一套优秀的信息化教学系统成为一件紧迫而且意义重大的事情， 国内外的众多公司纷纷加入了信息化教学系统的研发行列。 2 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外信息化教学系统的研发现状 1 3 1 国内的研发状况 目前国内有多家公司正在从事信息化教学系统的研发工作，其中比较有代 表性的产品有： ( 1 ) 北京网动科技有限公司的多媒体课件录编播系统( a c t i v ep r o d u c e r ) 。 该系统是一套专门用于实现多媒体课件的录制、编辑和播放的软件系统。 它由多媒体课件录制器( a c t i v er e c o r d e r ) 、多媒体课件编辑器( a c t i v ee d i t o r ) 和多 媒体课件播放器( a c t i v ep l a y e r ) _ 三部分组成。通过课件录制器，教师可以将讲课 过程中所用到的屏幕、视频、声音、教材等多媒体流实时录制下来；然后导入 课件编辑器中进行课后编辑，可添加章节索引、新的视频流、音频流、文字、 图片等多媒体内容、经过剪辑、整合等编辑工作，最终形成所需的多媒体课件。 课件发布到网上后，学生可以使用课件播放器进行播放。 网动多媒体课件录编播系统具有以下主要功能： 同步录制所有多媒体流。 剪辑、插入、合并、配音等非线性编辑。 多种点播认证方式：密码认证、远程服务器认证。 播放器支持文件、h t t p 、流媒体等多种播放协议。 播放器支持下载、播放和本地缓存同步功能，二次点播无需联网 ( 2 ) 北京东方金乌电子科技发展有限公司的东方智慧m s t 教育软件。 东方智慧m s t 教育软件分为服务器软件、制作工具软件和客户播放软件三 部分，提供多媒体课件制作、播放和课件管理的功能，其主要特点如下： 静态教案制作方便，教案可以来自h t m l 文件，m so f f i c e 文件，图像文件等。 全面支持讲课过程，支持教师在写字板上手写输入。 支持讲课过程同步摄像，视频音频高效率压缩复原。 可插入视频j p g b m p f l a s h 声音但删l 文件多媒体资源。 支持对服务器课件库的管理；支持流媒体服务和下载方式服务。 1 3 2 国外的研发状况 许多国际知名教育软件公司比如g e o l e a m i n g 、k n o w l e d g e p l a n e t 、 l e a r n c o m 、s k i l l s o f t 、t h o m s o r t n e t g 等都在其推出的教育软件中包含信息化教 学系统的功能。其中比较有代表性的有： ( 1 ) g e o l e a r n i n g 公司的g e o m a e s t r o 学习管理系统。 3 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 g e o l e a m i n g 是全球a s p 式传送学习管理系统和e l e a r n i n g 内容组织的晟 主要提供者。g e o m a e s t r o 是一个基于互联网的、主机服务的人力资源管理和发 展平台，为用户提供了捕获、制作、管理、集中和自动化管理整个学习管理进 程的平台，并且为用户培训和发展的管理达到高效率和效力。这个系统还可以 允许导入2 5 0 0 0 门符合a i c c 和s c o r m 标准的课程，并可以制作客户化的在 线学习内容、进行同步教学和管理混合培训的环境、跟踪学习过程和评价学习 结果。 ( 2 ) s k i l l s o f t 公司的开放式学习系统0 l s a 。 该系统功能强大，能将多种学习资源和学习应用软件进行无缝整合，学生 只需要花更少的学习时间和更少的努力就能取得更好的效果。 1 4 对国内外信息化教学系统的研发现状的分析 从国内外的信息化教学系统的研发现状可以看出，目前各种信息化教学系 统虽然各有特点，但也存在一些不足。这些不足之处大致可归纳为以下几点： ( 1 ) 视频编码器性能不够理想。有些信息化教学系统虽然能够录制视频， 但是使用的编码器性能不够理想，在长时间连续录制课件时会出现课件容量过 大的情况，导致课件传输与刻制都非常不便。 例如，如下图所示，一段未经压缩的c i f 格式( 分辨率为3 5 2 2 8 8 ) 的视 频在每秒1 5 帧的情况下视频数据速率高达1 4 1 7 k b p s ，按此数据速率1 小时候 后视频文件的容量将达到4 9 g 左右，而且视频文件还仅是课件的一部分，这么 大的文件容量显然不符合信息化教学系统要求。即便采用了视频压缩，如果使 用性能不够理想的视频编码器对上面那段未压缩的视频文件进行压缩的话，1 小时左右的文件容量仍然可能达到3 0 0 m 以上，录制3 个小时后的视频文件的 容量将会超过1 g ，这对于课件传输与刻制仍然非常不方便。所以信息化教学系 统必须需要选择一个高性能的视频编码器对录制的视频数据进行实时压缩。 4 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 未经压缩的c i f 格式视频文件的视频数据速率超过1 0 0 0 k b p s ( 2 ) 课程录制范围有一定局限性。有些信息化教学系统的课程录制范围 有一定的局限性，不适合录制某些无需板书的课程。例如计算机软件操作类课 程主要讲授如何使用某种软件的课程，如3 dm a x 制作、p l a o t o s h o p 制作等，在 录制这些课件时教师需要示范如何使用该软件，而有些信息化教学系统却只能 提供给教师教案和电子白板功能，教师的需求无法得到满足。事实上，此类课 程适合使用屏幕内容捕获( s c r e e nc a p t u r e ) 软件录制。屏幕内容捕获软件是一 种专门捕捉计算机屏幕图像以及声音并压缩存储为视频文件的工具软件( 具体 介绍请参阅本文4 5 1 节) 。但是多数信息化教学系统并不提供与屏幕内容捕获 软件类似的功能。 5 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 图1 3 对于录制p h o t o s h o p 制作这样的软件使用类课程，仅提供教案和电子白板 功能显然无法录制课件 ( 3 ) 课件录制时插入的多媒体资源需要编辑。有些系统在录制课件时虽 然能够插入各种多媒体资源，但是由于教师往往只需要资源的某一部分，所以 需要事先使用剪辑软件对资源进行剪辑。如果需要在录制课件的时候多次插入 多媒体资源，教师就需要大量的时间和精力对各个资源进行剪辑，因而降低了 课件制作的效率。 ( 4 ) 课件播放时无法同时播放在不同服务器上的多媒体资源。有些系 统在播放课件时虽然可以播放存储在服务器上的多媒体资源，但是无法同时播 放存储在不同服务器上的多媒体资源，因而无法将最佳的多媒体资源整合在一 起。 ( 5 ) 价格高。有些信息化教学系统功能虽然强大，但是由于某些原因造 成了研发成本偏高( 比如采用第三方的商业组件) ，导致了软件价格昂贵。 1 5 项目的提出 在借鉴国内外同类产品优缺点的基础上，本文提出并实现了一套信息化教 学系统( 以下简称本系统) 。其主要优点为： ( 1 ) 课件容量小。本系统使用了基于m p e g 4 标准的x v i dc o d e c 作为视频编 6 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 码器，不但获得了良好的画质更降低了课件的容量。x v i dc o d e c 是一种高性能 的m p e g 4 c o d e c ，具有很高的压缩比。例如，如图1 4 所示，一段c i f 格式( 分 辨率为3 5 2 2 8 8 ) 的视频使用x v i dc o d e c 压缩后，在每秒1 5 帧的情况下视频 数据速率会仅有3 1 k b p s ，按此数据速率录制1 小时，视频数据容量仅为1 0 8 m 。 通过使用x v i dc o d e c 这种高性能视频编码器，本系统极大地减少了录制的课件 的容量，进而在课件传输时降低了对网络带宽的占用量。不仅如此，本系统在 实时压缩录制课件的情况下仍可以实现教师声音、图像、动作的同步。 图1 4 采用x v i d 压缩的c i f 格式视频文件的视频数据速率只有几十k b p s ( 2 ) 课程录制范围广。本系统在支持经典的录制功能基础上，增加了屏幕内 容捕获( s c r e e nc a p t u r e ) 功能，扩大了可以录制的课程的范围。 本系统支持经典的录制功能。教师在使用经典录制功能录制课件时，系统 为教师提供了类似于w i n d o w s 画图板的电子白板工具，教师可以使用文档或图 片作为教案显示在电子白板上、可以使用录制子系统提供的工具在电子白板上 书写或绘画、可以通过摄像设备录制教师或讲授现场的视频、还可以插入各种 多媒体资源。教师可以使用经典的录制功能录制需要板书的课程( 比如语文、 数学等) 的课件。 在支持经典的录制功能基础上，本系统还增加了屏幕内容捕获( s c r e e n 7 天津师范大学硕士学位论文第一章绪论 c a p t u r e ) 功能。如图1 5 所示，教师在使用屏幕内容捕获功能时，系统会记录 一段时间内计算机的屏幕图像以及声音并将它们实时压缩，最终存储为a v i 格 式的文件。教师可以使用此功能来录制计算机软件操作等无需板书的课程( 比 如p h o t o s h o p 、3 d m a x 等) 的课件，从而扩大了可以录制的课程的范围。 图1 5 播放使用本系统屏幕内容捕获功能录制的p h o t o s h o p 课件 ( 3 ) 课件制作效率高。使用本系统录制课件时插入的多媒体资源无需剪辑。 本系统使用了同步多媒体集成语言s m i l 来描述课件信息。s m i l 能够控制多媒 体文件的播放方式，即能够直接指定多媒体文件从何时开始播放到何时停止， 无需对多媒体文件进行剪辑。由于教师在录制课件时插入的多媒体资源无需事 先剪辑，只需简单设定多媒体文件的播放的起始时间和结束时间，从而节约了 教师的时间和精力，提高了课件的制作效率。 ( 4 ) 课件内容丰富。本系统在课件播放时可以同时播放在不同服务器上的多 媒体资源，丰富了课件的内容。s m i l 语言具有异地并联功能，即能够同时播放 在不同服务器上的多媒体文件。由于本系统的课件描述文件采用s m i l 格式，在 课件播放时就可以同时播放在不同服务器上的多媒体资源，从而丰富了课件的 内容。 ( 5 ) 较高的性价比。本系统的实现使用的全部为免费的甚至是开放源码的技 术( 例如在视频编码器方面采用了开放源码的x v i dc o d e c ) ，这使得系统在研 发成本降到最低的同时仍然不失较高的性能。 天津师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 6 论文的主要内容和创新点 1 6 1 论文的主要内容 论文的组织方式主要按照本项目所研发的信息化教学系统的设计与实现依 次展开。 全文共分五章。第一章主要概括介绍项目背景和前人已经取得的研究成果， 以及本项目所研发的信息化教学系统与国内外现有相关软件的异同点。第二章 的内容包含了系统的简介、运行环境、特点、适用的领域以及所划分的子系统。 第三章首先介绍了系统描述，包括系统开发环境、系统整体架构和系统数据流 图等，然后重点介绍了各个子系统的设计。第四章介绍了系统涉及的主要核心 技术以及对这些技术的使用与实现。第五章为总结与展望，在总结本项目优缺 点的基础上，提出了下一步工作的设想。 1 6 2 论文的创新点 本文提出并实现了一套信息化教学系统，它具有以下创新点： ( 1 ) 在支持经典的录制功能基础上增加了屏幕内容捕获( s c r e e n c a p t u r e ) 功能。 教师不但可以使用经典的录制功能录制需要板书的课程，还可以使用屏幕内容 捕获功能来录制计算机软件操作等无需板书的课程，扩大了可以录制的课程的 范围。 ( 2 ) 使用了同步多媒体整合语言s m i l 来描述课件的信息。在录制课件时插入 的多媒体资源无需事先剪辑，提高了课件的制作效率；课件播放时可以同时播 放在不同服务器上的多媒体资源，丰富了课件内容。 ( 3 ) 使用了基于m p e g 4 标准x v i d c o d e c 作为视频编码器。通过使用高性能 且开放源码的x v i dc o d e c 作为视频编码器，不但有效地减少了课件的容量，而 且降低了系统的研发成本。 9 天津师范大学硕士学位论文第二章系统概述 第二章系统概述 本章的内容包含了系统的简介、运行环境、特点、适用的领域以及所划分 的子系统。 2 1 系统简介 本系统是使用m i c r o s o f tv c 6 0 开发的具有多媒体课件的录制、编辑和播放 功能的教育软件。本系统的研发横跨视音频压缩、屏幕内容捕获( s c r e e n c a p t u r e ) 、x m l 、s m i l 、w i n d o w s 核心编程、组件化编程等多个领域，涉及包 括d s h o w 、m p e g 一4 、x v f d 、m p 3 、t s c c 、x m l 、d o m 、s m i l 、虚拟打印和c o m 等技 术在内的多项核心技术。 如图2 1 所示，通过使用本系统，教师可以将视频、音频、操作记录和各 种多媒体资源整合成多媒体课件。在课件录制完毕后教师将课件上传至课件服 务器或刻录成教学光盘。学生可以使用系统提供的播放器播放获得的课件，从 而可以不受时间空间限制地学习。 图2 1 本项目所研发的信息化教学系统 1 0 天津师范大学硕士学位论文第二章系统概述 2 2 系统运行环境 本系统的运行环境为： ( 1 ) 软件： 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 x p 2 0 0 3 ( 2 ) 硬件： c p u ：不低于5 8 6 内存 显存 声卡 其他 不低于1 2 8 m b 不低于3 2 m s o u n db l a s t e r 兼容声卡 u s b 摄像头一个、麦克风及耳机一个 2 3 系统特点 本系统的主要特点如下： ( 1 ) 采用了基于m p e g 。4 标准的x v i dc o d e c 作为视频编码器，录制的课件容 量小。 ( 2 ) 在支持经典的录制功能基础上增加了屏幕内容捕获( s c r e e nc a p t u r e ) 功能， 录制的课程范围广。 ( 3 ) 插入的多媒体资源无需剪辑，课件制作的效率高。 ( 4 ) 可以同时播放在不同服务器上的多媒体资源，课件内容丰富。 ( 5 ) 使用的全部为免费的甚至是开放源码的技术，性价比高。 2 4 系统的应用领域 本系统的应用领域较为广泛，可用于以下领域： 学校教学。教师将录制好的课件上传到校园网课件服务器上或刻制成教学 光盘。学生可以在多媒体教室点播课件或者播放光盘进行学习。 远程教育。教师将录制好的课件上传至互联网上的课件服务器。学生可以 从远程下载课件进行自学。 企事业单位培训。单位可以将要培训的素材录制成课件，然后刻制成光盘 组织员工集体播放。 企业产品演示发布。企业可以将需要发布的产品的相关资料配以讲解录制 成课件，然后将课件放到网上或刻成光盘进行产品推介。 1 1 天津师范大学硕士学位论文第二章系统概述 2 5 系统所包含的子系统 由于本系统主要具有课件录制、播放和编辑三个功能，本系统可划分为录 制、播放和编辑子系统。 2 5 1 录制子系统 录制予系统负责将教师教学过程录制下来制作成多媒体课件。录制子系统 为教师提供了经典录制功能和屏幕内容捕获功能，它们分别适合录制需要板书 的课程和无需板书的课程： 如图2 2 所示，教师在使用经典录制功能录制课件时，系统为教师提供了类 似于w i n d o w s 画图板的电子白板工具和用于快速导航的索引文件。教师可 以使用文档或图片作为教案显示在电子白板上、可以使用录制子系统提供 的工具在电子白板上书写或绘画、可以通过摄像设备录制教师或讲授现场 的视频、还可以插入的各种多媒体资源。最终的课件由教案、板书、声音、 视频和插入的各种多媒体资源构成。经典录制功能提高了教师课件制作的 效率和质量。 图2 2 使用经典录制功能录制课件 天津师范大学硕士学位论文第二章系统概述 如图2 3 所示，教师在使用屏幕内容捕获功能录制课件时，系统会记录一段 时间内的屏幕图像以及声音并将它们实时压缩存储，最终生成a v i 格式的 文件，作为课件的一部分。屏幕内容捕获功能扩大了可以录制的课程的范 围。 2 5 2 播放子系统 图2 3 使用屏幕内容捕获功能录制课件 播放子系统负责为学生播放从课件服务器上或从教学光盘中获得需要的课 件。播放子系统使学生的学习不受时间和空间限制，为学生提供了更便利的学 习环境。 天津师范大学硕士学位论文 第二章系统概述 2 5 3 编辑子系统 图2 4 播放使用经典录制功能录制的课件 编辑子系统负责为教师提供编辑功能。使用编辑子系统，教师可以修改课 件名称，修改课件内各个多媒体资源的播放的起始时间和终止时间，从课件中 删除、添加多媒体资源，还可以预览正在编辑的多媒体资源。 图2 5 编辑使用屏幕内容捕获功能录制的课件 1 4 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 第三章系统设计 本系统的研发较为复杂，其横跨了视音频压缩、屏幕内容捕获( s c r e e n c a p t u r e ) 、x m l 、s m i l 、w i n d o w s 核心编程、组件化编程等多个领域，所以做 好系统的总体设计对项目的顺利进行有非常重要的意义。 本章首先介绍了系统描述，包括系统开发环境、系统整体架构和系统数据 流图等，然后重点介绍了各个子系统的设计。 3 1 系统描述 3 1 1 系统开发环境 本系统的开发环境为： ( 1 ) 软件： 操作系统：m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 开发平台：m i c r o s o f tv c 6 0 相关开发包： m i c r o s o f td i m c t x 9 0 s d k c a m t a s i as c r e e nr e c o r d e rs d k m i c r o s o f tx m l s d k m i c r o s o f tw i n 2 k d d k 系统依赖的第三方软件： x v i dc o d e c t s c cc o d e c l a m em p 3c o d c c ( 2 ) 硬件： c p u ：i n t e lp e n t i u m1 7 3 g h z 内存：5 1 2 m 其他：u s b 摄像头一个、麦克风及耳机一个 3 1 2 系统功能需求描述 视音频实时采集、压缩和存储 屏幕内容捕获( s c r e e nc a p t u r e ) 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 提供类似于w i n d o w s 画图板的电子白板功能 记录教师在电子白板上的操作并生成自定义格式的文件 将教案虚拟打印成自定义格式压缩文件和j p e g 文件 将虚拟打印生成的压缩文件呈现在电子白板上作为教案 使用虚拟打印生成的j p e g 文件创建x m l 格式的索引文件 在课件录制过程中插入多媒体资料 生成s m i l 格式的课件描述文件 将录制过程中产生的各种文件整合成课件 课件编辑功能 课件播放 课件内容打印 3 1 3 系统架构 如图3 1 所示，系统分为录制、播放和编辑三个子系统。各子系统又划分 为多个模块，这些模块由各子系统的主程序统一调度管理。 1 6 天津师范大学硕士学位论文 第三章系统设计 3 1 4 系统数据流图 图3 1 系统架构图 如图3 2 所示，系统能够将教师的视音频、教师在电子白板上的操作记录、 屏幕上的影音、作为教案的文档和图片以及插入的各种多媒体资源整合为课件， 1 7 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 并且能够编辑录制好的课件；学生可以从课件服务器或教学光盘中获得课件进 行播放。 资源库 图3 2 系统数据流图 3 1 5 本系统课件类型的划分 ( 1 ) 划分课件类型的原因 本系统在支持经典的录制功能基础上增加了屏幕内容捕获( s c r e e nc a p t u r e ) 1 8 尹 j 恕 ￥ 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 功能。使用这两种功能录制的课件内容有较大的差异性：前者主要包含教师在 电子白板上的操作信息和存储着教师视音频的a v i 文件( 视频数据采用x v i d 格 式，音频数据采用m p 3 格式) ；后者主要包含使用屏幕内容捕获功能生成的a v i 文件( 视频数据采用x v i d 格式，音频数据采用m p 3 格式) 。为了方便课件的播 放和编辑，有必要对本系统录制的课件类型进行划分。 ( 2 ) 本系统的课件类型 本系统能够录制的课件可划分为两种类型：使用经典录制功能录制的经典 型和使用屏幕内容捕获( s c r e e nc a p t u r e ) 功能录制的增强型。 ( 1 ) 经典型课件 i 经典型课件简介 经典型课件是指教师使用经典录制功能录制的课件，即教师在本系统提供 的类似于w i n d o w s 画图版的客户区( 称为电子白板) 上录制的课件。其中电子 白板可以使用空白教案也可以使用任意文档( 如w o r d 文档、b m p 图片等) 作为 教案；教师可在电子白板上进行绘画、书写、复制粘贴等操作；如果教师使用 的电脑配备有视频捕获设备( 如摄像头、d v 等) 和音频捕获设备( 麦克风) ， 教师还可以录制自己的声音和图像。 本类型课件适合于需要板书的课程的录制。 i i 经典型课件的组成 如图3 3 所示，经典型课件主要包括下面几部分： 已记录课件的相关信息的课件描述文件( 半s m i l 格式) 。 纪录教师在电子白板上的操作信息的自定义格式文件( $ r e c 格式) 。 存储着教师视音频的a v i 文件( 木a v i 格式) 。文件的视频数据采用x v i d 格 式，音频数据采用m p 3 格式。 用于呈现在电子白板上作为教案的自定义格式的压缩文件( b g 格式) 。 用于快速导航的索引文件( 木x m l 格式) 及其样式表( x s l 格式) 索引文件使用的j p e g 图片( j p g 格式) 1 9 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 图3 3 经典型课件的构成 ( 2 ) 增强型课件 i 增强型课件简介 增强型课件是指教师使用屏幕内容捕获功能录制的课件。在录制增强型课 件时，系统会记录一段时间内屏幕图像以及声音并将它们实时压缩存储，最终 生成a v i 格式的文件并作为课件的一部分。 本类型课件适合于无需板书的课程特别是计算机软件操作课程的录制。 i i 增强型课件的组成 如图3 4 所示，增强型课件课件主要包括下面几部分： 已记录课件的相关信息的课件描述文件( 木s m i l 格式) 。 使用屏幕内容捕获功能录制的a v i 文件( a v i 格式) 。文件的视频数据采 用t s c c 格式，音频数据采用m p 3 格式。 存储着教师视音频的a v i 文件( 术a v i 格式) 。文件的视频数据采用x v i d 格 式，音频数据采用m p 3 格式。 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 3 2 录制子系统的设计 3 2 1 录制子系统简介 图3 4 增强型课件的构成 录制子系统负责课件的录制。由于本系统的课件类型分为经典型课件和增 强型两种，故课件的录制操作也相应地分为两类，即录制经典型课件的操作和 录制增强型课件的操作。 3 2 2 系统外部接口描述 ( 1 ) 输入接口 插入来自本机或资料库的多媒体资源的接口：此接口接收各种多媒体资源， 使教师可以使用来自外部的视频文件、音频文件和动画等多媒体资源。 虚拟打印接口：接收用来作为教案的多种格式的文档或图片，系统利用虚 拟打印技术将这些文档或图片转换成自定义格式的压缩文件以及j p e g 格式 的图片。自定义格式的压缩文件用于呈现在电子白板上作为教案；j p e g 格 式的图片用于创建索引文件。 ( 2 ) 输出接口 输出课件接口：该接口输出课件，课件是对录制过程中产生的各种文件的 整合，系统在教师制作完成或重新编辑课件之后通过此接口输出课件。 2 1 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 3 2 3 录制课件的流程 ( 1 ) 录制经典型课件的流程 如图3 5 所示，录制经典型课件的典型流程如下： 打开程序。 教师选择是否使用文档或图片作为教案。如果教师选择是，则弹出打开文 件对话框让教师选择相关文件，然后使用虚拟打印技术将其转换为系统自 定义格式的压缩文件和j p e g 图片，并且将压缩文件呈现在电子白板上作为 教案，同时使用生成的j p e g 图片创建x m l 格式的索引文件；如果教师选择 否，则电子白板上显示空白教案。 教师选择是否录制教师视频。如果选择是，则打开视频预览窗口；如果选 择否，则执行下一步。 等待教师录制课件。 录制课件。 课件录制完毕后等待教师保存课件。如果教师选择保存则提示教师输入课 件名称，然后整合相关文件为课件并生成课件描述文件；如果教师放弃保 存则删除录制的文件。 退出程序。 天津师范大学硕士学位论文 第三章系统设计 图3 5 录制经典型课件流程图 无津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 ( 2 ) 录制增强型课件的流程 如图3 6 所示，录制增强型课件的典型流程如下： 打开程序。 教师选择是否录制教师视频。如果选择是，则打开视频预览窗口；如果选 择否，则执行下一步。 教师设置屏幕内容捕获区域的面积，可以全屏捕获，可以指定屏幕部分区 域捕获，还可以指定某个窗体进行捕获。 等待教师录制课件。 教师录制课件。 课件录制完毕后，等待教师保存课件。如果教师选择保存则提示教师输入 课件名称，然后整合相关文件为课件并生成课件描述文件；如果教师放弃 保存则删除录制的文件。 退出程序。 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 图3 6 录制增强型课件流程图 天津师范大学硕士学位论文 第三章系统设计 3 2 4 录制子系统模块的划分 录制子系统共分为以下几个模块 视音频录制模块：将教师的声音和图像实时采集、压缩并存储在计算机中， 作为课件内容的一部分。其中视频流采用x v i dc o d e c 编码，音频流采用 m p 3c o d e c 编码。 电子白板操作录制模块：将教师在录制子系统提供的电子白板中的鼠标及 键盘操作信息实时存储在计算机中，作为课件内容的一部分。 屏幕内容捕获模块：将一段时间内的屏幕图像以及声音压缩存储为a v i 文 件，并作为课件内容的一部分，其中文件的视频流采用t s c cc o d e c 编码， 音频流采用m p 3c o d e c 编码。 数据存储模块：将采集的数据存放为本系统自定义文件格式的课件并生成 课件描述文件。 3 2 5 系统内部接口( 模块间接口) 描述 录制子系统的模块间共有以下接口： 视音频采集模块与数据存储模块之间的接口：通过此接口将采集和压缩好 的教师视音频文件以a v i 文件格式传递给数据存储模块。 屏幕内容捕获模块与数据存储模块之间的接口：通过此接口将采集好的一 段时间内屏幕图像以及声音并压缩存储并以a v i 文件格式传递给数据存储 模块。 电子白板操作录制模块的电子白板子模块与数据存储模块之间的接口：通 过此接口将采集好的教师在电子白板中的操作( 鼠标键盘等输入设备的位 置和动作) 以自定义格式的文件形式传递给数据存储模块。 电子白板操作录制模块的虚拟打印子模块与数据存储模块之间的接口：将 虚拟打印生成的文件以自定义格式压缩文件和j p e g 图片形式传递给数据存 储模块。自定义格式的压缩文件用于呈现在电子白板上作为教案；j p e g 格 式的图片用于创建索引文件。 3 2 6 视音频录制模块 a v i 文件是一种遵循r i f f 格式的文件，简单的说，a v i 文件就是一种能够 存放多个流( 比如视频流和音频流) 以及这些流的同步控制信息的容器。一个 a v i 文件可以由各种压缩格式的视频和音频组成，而且并非一定要包含视频， 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 或者一定要包含音频。由于在录制的课件中存储着教师视音频的a v i 文件的容 量占课件大小的6 0 以上，如果音频流和视频流所占的带宽过大，将会直接影 响到课件的容量和传输，所以视音频录制模块是本子系统中非常重要的组成部 分。 视音频录制模块负责将教师的声音和图像实时采集、压缩并存储在相应的 a v i 文件中，并作为课件内容的一部分。视音频录制模块生成的a v i 文件视频 采用x v i d 压缩格式，音频采用m p 3 压缩格式。此外，在录制课件的时候教师可 以选择是否录制视频，因此生成的a v i 文件中有可能只有音频数据。本模块使 用m i c r o s o f td s h o w 技术实现( 有关d s h o w 的内容请参阅本文4 1 节) 。 ( 1 ) 视音频录制模块主要功能： 如图3 6 所示，视音频录制模块的主要功能为： 视频数据采集 音频数据采集 视频预览 视频数据压缩 音频数据压缩 视音频数据混合生成a v i 格式文件 图3 7 视音频录制模块的数据流图 天津师范大学硕士学位论文第三章系统设计 ( 2 ) 视音频录制模块的主要架构 如图3 7 所示，视音频录制模块主要由采集、压缩、生成a v i 文件以 及其它辅助功能的四部分f i i t e r 组成。各个f i i t e r 的功能如下： 视频采集f i i t e r ( 根据视频采集设备不同名称会发生变化) ：负责 采集视频，输出未经压缩的a v i 格式视频流，可以在其输出p i n 上 设定视频采集的帧率和分辨率。 音频采集f i l t e r ( 根据音频采集设备即声卡不同名称会发生变化) ：负 责采集音频，输出p c m 格式的音频流。 s m a r tt e c ：负责将输入的视频流分成预览流和捕获流并输出。 x v i d m p e g 4 c o d e c ：负责压缩s m a r tt c e 输出的视频捕获流，输出x v i d 格式的视频流。 v i d e or e n d e r e r ：负责在屏幕上创建一个视频预览窗体，显示s m a r t t e e 输出的视频预览流。 g a l m em p 3 ：负责将音频采集