（计算机应用技术专业论文）基于流媒体技术的远程教学系统设计研究.pdf

靴m a s t e 矩r s t 舣ii e s i 。 摘要 | f 随着信息传播技术的迅猛发展，人类现有的教育内容、教育手段和教育 方法等f 受到极大的挑战。而计算机多媒体技术、网络技术等的同趋成熟， 使人类的信息资源实现了高度共享，从根本上改变了以往人们进行信息交流 的模式，也为传统教育的改革和发展提供了十分有利的条件。网络以其丰富 的信息资源、友好的交互性能以及优良的开放性等特点而越来越受到人们的 ： 青睐，在网上丌展远程教学已成为教育的发展趋势。 当前，网络传输速度普遍偏低，对于体积庞大的多媒体文件，在网上传 输存在诸多问题。应用流媒体技术在网络上传输多媒体文件是目前使用的较 先进的技术，它使得网上多媒体远程教学的实现成为可能。本文阐述了“流” 技术对网络多媒体传输的重要意义，介绍了流媒体技术的工作原理及实现网 上教学的方法，给出了利用该技术实现多媒体远程教学的设计方案。它能够 实现实时授课，课件点播和在线交互等功能。具体而言，系统有如下特点： j 采用流媒体技术，边下载边观看，无需等待整个文件下载后才播放： 2 在点播过程中，学生端可发出播放控制请求，有利于实现以学生为中心的 学习； 3 通过组播的功能，可以实现实时授课； 4 支持丌放式学习，能够实现在线交互，学生主动、积极地学习。 这些特点对实现远程教学而言，有着重要的意义。 k 关键词目流媒体多媒体远程教学点播单播广播实时a s f u ， v ， ， y 、 硕士学位论文 m a sf e r sl i i e s i s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt r a n s f e r t e c h n o l o g y t h ec o n t e n t ，i n s t r u m e n t sa n dm e t h o d si nt h ee x i s t i n ge d u c a t i o nf a c e h u g ec h a l1 e n g e s t h ec o m p u t e rm u lti m e d i at e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g ya r ed e v e l o p i n ga tv e r yf a s ts p e e d ，t h e yh a v em a d et h e i n f o r m a t i o nr e s o u r c eb es h a r e dl a r g e l y ，c h a n g e dt h eo l dc o m m u n i c a t i o n m o d e l t h o r o u g h l y ，a n dp r o v i d e da d v a n t a g e dc o n d i t i o nf o rr e f o r m a t i o n a n dd e v e o p m e n to ft h et r a d i t i o n a le d u c a t i o n n e t w o r kb e c o m e sm o r ea n d m o r ef a v o r a b l ew i t hi t sr i c hi n f o r m a t i o nr e s o u r c e ，f r i e n d l y i n t e r a c t i v ep e r f o r m a n c ea n de x c e l l e n to p e n i n g t h ed is t a n c ee d u c a t i o n o nn e t w o r kw i llb et h et r e n do fe d u c a t i o n n o w t h et r a n s f e rs p e e do fd a t ao ni n t e r n e ti sq u i t es l o w t h e r e a r em a n yt r o u b l e st ot r a n s f e rt h eh u g em u lti m e d i af il e so nt h en e t w ec a nd oi tw i t hs t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y ，i ti sa na d v a n c e d t e c h n o l o g y ，a n di tm a k e st h em u l t i m e d i ad is t a n c el e a r n i n go ni n t e r n e t b e c o m et r u e i nt h is p a p e r ，w ec o n c e i v e dad i s t a n c ei e a r n i n gs y s t e m w i t hw h i c hw ec a nr e a l i z er e a lt i m et e a c h i n g ，o r d e rp r o g r a m m i n ga n d o n l i n e1 e a r n i n g ，a n ds oo n t h es y s t e mh a sf o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： 1 w i t hs t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y ，w ec a nw a t c ht h ep r o g r a mw h i l ei t b e i n gd o w n l o a d e d ，a n dn on e e dt ow a i tf o rw h o l ed o w n l o a d i n g ： 2 t h es t u d e n t sc a l ls e n dc o n t r o lr e q u e s t sw h i l eo n d e m a n du n i c a s t i n g i tm a k e st h es t u d e n t sb e 1 e a d i n gr o l e i n s t u d y ： 3 i tc a nr e a l i z er e a lt i m et e a c h i n gb yb r o a d c a s t i n g ： 4 i ts u p p o r t so p e ns t u d ya n dc a nt e a l i z eo n li n ei e a n i n g t h i sp r o m o t e s s t u d e n t ss t u d yo nt h e i ro w ni n i t i a t i v e t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r ev e r yi m p o r t a n tt or e a li z et h ed i s t a n c e i e a r n i n g k k e yw o r d s 日s t r e a m i n gm e d i a ，m u l t i m e d i a ，d i s t a n c ee d u c a t i o n ， o n d e m a n du n i c a s t ，u n i c a s t ，b r o a d c a s t ，r e a lt i m e ，a s f ( a d v a n c e d s t r e a m i n gf o r m a t ) 硕士学位论文 刖昂 知识经济时代需要人们不断地学习新的知识、技能，彳能跟上时代的步 伐。学习必须转变成一个伴随每个人一生的过程。远程教学突破了传统“面 授”教学的局限，为求知者提供了时间分敞、资源共享、地域广阔、交互式 的教学新方式，因而广受人们关注。 传统的基于课本( 文本资料) 的、少量的、实验的、课堂式教学是线性 的。这种方式本质上是把立体的、交叉的、综合的知识体系用一个线形的模 型束描述、传递、感知，进而再在学习者中重新构建立体的、交叉的、综合 的知识体系。这种知识的传递方式是低效、不完善的。一种可能的改进方式 应该是立体的、非线形的、多种体验的、基于超链接的教学，也就是基于多 媒体的教学方式。 远程教学是指任何一种师生分离的，不能面对面组织的教学。从远程教 学的定义可以看出它有下列三方面的内涵：学生与教师的分离，学生与学生 的分离，利用传播媒体和传输系统组织教学。从技术上讲，远程教学系统是 建立在现代传媒技术基础上的多媒体应用系统，它通过现代的通信网络将教 师的图像、声音和电子教案传送给学生，也可以根据需要将学生的图像、声 音回送给教师，从而模拟出学校教学的授课方式。 概括地说，远程教学的优势在于它突破了时空限制，增加了学习机会， 有利于扩大教学规模、提高教学质量、降低教学成本。学习者可以在自己方 便的时问，适合的地点，按照自己需要的速度和方式，运用更加丰富的教学资 源来进行学习。因此，从发展的眼光看，远程教学会成为学校教育的补充和 扩展，同时会促进学校的教育改革。 论文 l i i e s i s 远程教学经历了传统的两个阶段，即以印刷品为媒介的函授阶段和以广 播及电视为主要媒介的广播电视阶段。教育电视具有”提供多种感官刺激、具 有丰富的表现力、教学过程的可分离性”等多方面优点，传统教育电视是传统 远程教育的排头兵，同时在学校教育中也起到过重要的作用。但在另一方面， 传统教育电视系统也存在明显的不足：缺乏双向沟通的渠道，师生问往往不 能进行多方面交流，在课程难易程度、学习的时间、地点等方面，学习者很 难真正具有深层次的主动选择权。计算机网络技术可采用”多维、非线性”结 构，改变传统教育电视的”单向、线性”结构，使计算机网络上传输的视频信 号集视频信息的直观性、计算机的交互性、网络的分布性及有关的通信技术 的优势于一体，实现了视音频信号的数字化、网络化存储、处理、传输，可 以拓宽电视服务领域、丰富电视服务项目、深化电视服务层次，最终使学习 者能够真诈实现主动地、有选择地获取视音频信息，增强了学习者的主动性 和视频信息本身的可控制性，能更好地满足学习者的学习需求。随着计算机 网络软、硬件技术的发展和普及，远程教学将逐渐向网上教学的方向发展。 在网上丌展远程教学活动，需要解决两个基本问题：音频、视频流信息 的传送以及它们与数据之问的同步。由于音频、视频信息的体积庞大，不可 能让学生将所有的节目下载到本地计算机上后再播放，必须要采用先进的网 络播放技术来实现边发送边播放。此外，由于在教学过程中教师会经常使用 电子教案来辅助教学，比如用p o w e r p o i n t ，而电子教案的展示与音频、视频 流之间有严格的时间同步关系，这就要求在传输过程中我们仍然要保持它们 之间的同步关系。而且，将优秀教师的教学过程在网上做现场直播，可以让 更多的学生受益，但同时也存在着延迟及直播连贯性等问题。这些问题的解 决方案直接影响到远程多媒体教学的开展。 不久前发展起来的流媒体技术为网上实现音频、视频的开发和传输提供 2 硕士学位论文 m 、s f e r s i e s i s 了有力的支持，已逐渐成为互联网中视、音频传输的核心技术，这一新技术 的出现影响着人类的学习和生活，给网络教育带来了新的动力和生机，流媒 体业务丁f 变得f 1 益流行。它使得网络用户在浏览存储在服务器上的媒体文件 时，不用象以耵那样，要等到整个文件都传输到用户端彳开始播放，而是当 第一组数据到达时，流媒体播放器就开始播放媒体文件，在播放的同时，后 续数据源源不断地“流”向用户端，直到传输结束。流媒体运用了特殊的数 据压缩和传输技术，可以使声音和视频文件变得很小，非常适合在网络上发 布比较长的声音和视频片段。 为了实现多媒体教学资源的共享，比如将电子教案、课章教学录像、实 验演示录像等提供给学生点播，就需要借助流媒体技术来更好地实现。我们 应用了流媒体技术，采用m i c r o s o f tw i n d o w sm e d i a 产品作为系统的丌发工 具，给出了一个多媒体远程教学系统的解决方案。由于底层软件在w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 中已经内置，所以，不需要额外投资昂贵的视频服务器软件和某 些专用的硬件就可以提供高质量的多媒体教学服务。 在本文中，第一章说明了该课题的背景和远程教学系统的基本情况；第 二章介绍了远程教学系统的核，c - 技术流媒体技术；第三章介绍了系统所 使用的w i n d o w sm e d i as e r v i c e 产品技术工具，为基于流丌发适合于网络环 境的多媒体远程教学提供了有力的技术保障；在第四章中，结合远程教学情 况，介绍了系统框架及组件，重点阐明了多媒体教学系统对流媒体的要求； 第五章介绍了基于w i n d o w sm e d i as d k 的程序丌发模式：第六章解释了基于 流媒体技术的远程教学系统的主要功能及其实现，展示了系统的应用前景。 全文围绕着流媒体技术及其在远程教学中的应用展开，给出了一个基于流媒 体技术的远程教学解决方案。 硕士学位论文 m a s ie r s1 e s i s 第一章概述 1 1 课题背景 为培养学生的创新能力及提高学生的综合素质，目前高校的教育模式和 教学方式值得我们作更深入的思考。我们需要利用多媒体远程教学系统来实 现效率更高的教学，提供给学生更加灵活的学习方式，同时也统一规划多媒 体教学资源，减轻老师的负担。多媒体远程教学，无论是作为高校在校学生 的知识强化及扩充手段，还是作为社会在职学员的继续教育方式，都起着重 要作用，与我们的教学工作是密切相关的，这也是我选择这个课题的原因。 就我目前的工作环境和所遇到的问题为例来分析。武汉大学计算中心主 要承担全校非计算机专业的计算机基础课程的教学任务。课程内容庞杂，工 作量大，重复性多，应用性强，要求进行演示教学，基于这些特点，我们的 授课全部安排在多媒体教室上课，一般使用多媒体课件进行课堂教学，这些 课件大都是老师们自己制作的，制作方式多样，有p o w e r p o i n t 课件、f l a s h 课 件、a u t h o r w a r e 课件等，还有部分录像带，比如课堂教学录像、实验演示录 像等，其中不乏优秀之作。 对于教师而言，各种各样的多媒体课件无不饱含了老师们的心血，希望 这一劳动成果能够充分地被学生所应用。然而，目前的状况是：大多数课件 只在上课的时候使用，学生受条件所限，不能在网络环境下自由点播。如果 将这些多媒体课件资源以一定的形式在校园网上发柿，供学生随时点播学习， 则充分提高了教学资源的利用率，降低了教师的工作强度。 对于学生而占，对某些知识领域的兴趣很浓厚，而课堂学习时间是有限 的，这就需要一个开放式的环境来提供更加自主自由的学习，而校园网就是 最好的选择。但目前的大部分课件需要完全从网上下载到本机后才能观看， m 触a s t e r s f i i e 文s i 由于这类多媒体文件较大，下载等待的时间长，还要受到本机硬盘容量的限 制，学生很少能从中受益，如果采用流媒体技术，自由地对课件进行点播， 这些不足可以得到有效的克服。 对于学校而氤校园主干网几乎遍布全校，而且带宽也比以前提高很多， 完全能够满足流媒体播放的带宽要求，这为多媒体远程教学提供了良好的硬 件环境。但是，目前学生上网主要是查阅资料、聊天、娱乐、电子邮件等， 真f 应用在学习方面的并不多，校园网利于教学的一面还没有充分展现出 来。 对于社会而占，教育直是人们所关注的，然而接受教育的机会却受到 时f 日j 、地点、工作等各种因素的限制。要突破这种局限性，最好的方式是远 程教学，不受时空的限制，自由、自主地学习。而目前远程教学的形式比较 单调，w e b 服务器和用户端的联系是单向不连续的，在处理体积较大或是具有 时间特性的多媒体文件( 如视频、动画等) 时，效果不佳，使得远程教学过 程不够生动形象，这也让教学效果不如人意。 从以上的分析可见，进行远程教学的软件资源和硬件环境都已经具备， 要克服上述的缺点，使教学成为整个校园网的核心，让远程教学更加生动形 象，则采用流媒体技术的远程教学f 是师、生、学校和社会所共同期待的， 可以解决目前的问题。 本文将提供一个基于流的多媒体远程教学系统( 后文将简称其为m d e s ， m u l t i m e d i ad i s t a n c ee d u c a t i o ns y s t e m ) 解决方案。首先，将各种类型的多媒 体教学资源( 比如电子教案、课堂教学录像、实验演示录像等) 制作成统一 格式的流媒体文件。当然，也可以通过音、视频采集设备进行现场实时采集； 然后，把它们按一定的组织方式存放到流媒体服务器上；最后，通过流媒体 服务器将其在网络上以点播或广播的方式发布。用户端只需要较小的缓存区， e 硕士学位论文 等待很短的时间就可以观看流畅的多媒体节目了。而且，流媒体服务器和用 户端的流媒体播放器之问的交流是双向的，在发送数据的同时，还在接收用 户端浏览器发送来的反馈信息，可以通过流媒体播放器上的按钮来控制播放 流程，如跳跃、快进、倒退等。 这样，在校园网上，就可以实现在线点播，学生可以根据需要复习、预 习上课的内容，或者进行知识点的扩充：学生因病或因事而落下的课，也可 以在课外的时间从网上观看教学录像而补课；著名教授的授课、演讲等过程 还可以同时在网上直播，让更多的学生自由观看；学校的大型文艺等活动， 能够实时广播给全校师生。这样，校园网的基础建设就可以更好地为教学活 动服务了。 我们的设想是，首先在学校内部的局域网实现浚功能，将学校丌设的重 要课程、公共课程、著名教授的演讲等教学内容与教师音、视频流快速同步 录制合成，并在校园网上点播发布，供全校师生随时点播学习，充分提高教 学资源的利用率，降低教师工作强度，进而降低学校总体运行成本，提高教 学质量。这一阶段f 在实现。下一个阶段，我们将把该系统推广到整个i n t e m e t ， 让家庭、社会的网络学习者享受到真f 的多媒体远程教学。 1 2 多媒体远程教学系统简介 在远程教学过程中，最基本的要求是将信息从教师端传递到远程的学生 端，需要传递的信息可能是多元化的，比如教师上课的录像资料、实物照片 等，这其中包括各种类型的数据：如视频、声音、文本、图片、文字等。将 这些资料从一端传递到另一端是远程教学需要解决的问题，而如何将这些信 息资料有效的组合起来以达到更好的教学效果，f 是我们思考的重要方面。 我们基于流媒体技术，给出了一套多媒体远程教学系统的解决方案，本系统 6 硕士学位论文 m a s l e r s 1 i i e s l 5 由服务器端、教师端、学生端构成。它能够支持多个学生同时上课，还具有 课件点播，实时授课和在线交互等功能。 1 2 1 系统平台 网上音频、视频信息流的播放最常用的系统有：微软公司的w i n d o w s m e d i a ，r e a ln e t w o r k s 公司的r e a ls y s t e m 和苹果公司的q u i c kt i m e ，其中 q u i c kt i m e 在国内应用不多。 w i n d o w sm e d i as e r v i c e 是m i c r o s o f t 提出的流信息播放方案，其主要 目的是在i n t e r n e t 和i n t r a n e t 上实现包括音频、视频信息在内的多媒体流 信息的传输。微软公司推出的w i n d o w sm e d i a 技术以其方便性、先进性、集 成性、低费用等特点，逐渐被人们所认识。 基于m i c r o s o f t 的w i n d o w sm e d i as e r v i c e 建立远程教学系统投入少， 建设时间短，使用简单，易于维护。我们选择m i c r o s o f t 的w i n d o w sm e d i a s e r v i c e 为内核，通过s d k 进行丌发，来建立基于网络的远程教学系统。 1 2 2 系统结构 我们规划的远程教学系统的网络结构如图1 所示。系统的主要构成有： 远程教学服务器，视频服务器，视频音频编辑计算机、教师机和学生机等。 其中，视频音频编辑计算机需要安装视频采集卡，主要用于将各种音频 和视频源编辑成流媒体格式，音频和视频源可以是通过声音和视频采集设备， 如摄像机和麦克风实时采集到的，也可以是预先录制好的，比如说录像带、 d v d 等，还可以是已经数字化的标准计算机音、视频文件，如w a v 、a v i 、m o v 和m p e g 格式的文件。 视频服务器负责将视频音频编辑计算机已经制作好的流媒体文件，在网 络上以点播或广播方式发布。需要安装w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 和w i n d o w sm e d i a s e r v i c e 服务。 7 论文 | f i e s i s 。! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ? ! ! ! ! ! ! ! 竺 图1远程教学网络结构 远程教学服务器管理整个远程教学系统，存放并规划所有的教学资源。 安装w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，i i s ，s q l 数据库等。 教师机和学生机作为远程用户计算机，需要安装流媒体播放器，如 w i n d o w sm e d i ap l a y e r ，以便于观看流媒体节目。远程用户根据各自的网络 情况。可以通过校园网，i n t e r n e t 或远程专线网来点播流媒体课件；如果要 实现在线实时交互的功能，则还需要安装摄像头、视频采集卡和声卡及相应 的软件来进行师生间的信息反馈。 系统的核心在于微软媒体服务体系，主要应用了 f e d i as e r v i c e ，它是 由一系列的工具构成的，主要由m e d i a t o o l s ，m e d i as e r v e r 和m e d i ap l a y e r 三个部分组成。m e d i at o o l s 提供一系列的流处理工具，它们完成流信息的生 成，编辑等功能。m e d i as e r v e r 的主要功能是完成流信息的播放，m e d i as e r v e r 既支持流信息的点播功能，也支持流信息的组播功能。m e d i ap l a y e r 是客户 端的播放应用程序，它负责流信息的播放，目前m e d i ap l a y e r 已经集成在 r 硕士学位论文 m a sr e r s 1 l i e s i s i e 5 0 中，是标准插件。如果用户使用其它版本的浏览器，则需要安装该播放 器以接收并播放流信息。 1 3 本文研究的内容及意义 本文以流媒体技术为核，h 在分析传统远程教学存在不足的基础上，利 用微软的w i n d o w s m e d i a s e r v i c e 产品技术，引入流媒体来解决问题，提出了 一个远程教学模型，并设计了一套基于流媒体技术的多媒体远程教学系统解 决方案。其中，重点讨论了流媒体课件点播的设计和实现。 下面，我们将围绕该多媒体远程教学系统展开比较详细的论述。该系统 主要是在w i n d o w s 环境下设计的，采用了微软的流媒体解决方案，能够提供 课件点播，实时授课和在线交互等远程教学环境。 流媒体技术是近年来新兴的一种网络多媒体形式，也是该多媒体远程教 学系统得以实现的核心技术，在下一章中我们将介绍它的形式、原理及有关 的协议和其发展现状。 9 位论文 s 1 i l e s i s 第二章远程教学系统的关键技术一流媒体技术 以前，由于受到网络带宽的限制，互联网上的数据都是以文字、图片之 类的静念内容为主，而那些音频、视频数据很难在网上发布，因为一般非压 缩的广播级品质视频需要1 6 0 m b p s 的网络带宽；非压缩c d 音质的音频则需要 大约2 8 m b p s 的网络带宽。目前，部分网络用户的带宽还只是5 6 k b p s ，这与 音频、视频的传播要求相差甚远。网络带宽很难在短期内得到迅速提升，因 此要实现网上音频、视频传播就必须在传播文件本身下功夫，这样就出现了 流媒体技术( s t r e a m i n g ，即把音频、视频数据经过压缩存放在网络服务器上， 然后其他计算机就可以边下载解压缩边播放) 。 流媒体技术的核心在于所采用的编解码系统c o d e c ，c o d e c 起源于 “c o m p r e s s o r ”和“d e c o m p r e s s o r ”两个概念，它主要实现对音频、视频文 件的压缩和解压缩，从而实现在低速网络上的传播。 由于采用了流媒体这一最新的网络多媒体形式，近期浏览一些比较知名 的传媒网站，如美国的n b c 、a b c 以及我国的中央电视台( w w w c c t v c o m ) 等， 你会发现，它们所提供的在线视频点播的播放效果要比原来好得多，播放前 的等待时间也没有那么长了。同样，在远程教学中，我们也可以引入流媒体 技术在网上传输多媒体课件信息，可以达到更好的播放效果。与多媒体播放 相比，流媒体技术更注重实时性。在流媒体出现之前，用户只能将音、视频 文件完全下载才能播放，缓慢的网速让用户无法接受。采用了流媒体技术就 可以边下载边播放，用户端与流媒体服务器建立连接后，只需等待很短的数 据缓冲时间，用户就可以收看或收听在线节目了。 流媒体，即无须下载，可在线即时收听收看的媒体。它有很大的压缩比， 因此可消耗更少的带宽和存储空间，并且有很大的压缩范围。从几k b p s 到几 硕士学位论文 m a sr e l k s t i i e s i s m b p s ，可适应从窄带到宽带任意的网络带宽。 流媒体技术( s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y ) 是为解决以i n t e r n e t 为 代表的中、低带宽网络上多媒体信息( 以视音频信息为重点) 传输问题而产 生、发展起来的一种网络新技术。采用流媒体技术，能够有效地突破低比特 率接入i n t e r n e t 方式下的带宽瓶颈，克服文件下载传输方式的不足，实现多 媒体信息在i n t e r n e t 上的流式传输。 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。流媒体应用系统般由编码端、服务器端和用户终端三部分组 成。流媒体技术在学校的应用前景广阔，可用于课件点播、交互教学、电视 转播、远程监控、视频会议等，尤其在远程教学方面有着极大的优势。 2 1 流式传输 在网络上传输音视频等多媒体信息目前主要有下载和流式传输两种方 案。音视频文件般都较大，所以需要的存储容量也较大；同时由于网络 带宽的限制，下载常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟也很 大。流式传输时，声音、影像或动画等多媒体由音、视频服务器向用户计算 机连续、实时地传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几 秒或十数秒的启动延时即可进行观看。当声音、影像或动画等多媒体在客户 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。流式传输不仅 使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输避 免了用户必须等待整个文件全部从网络上下载后爿能观看的缺点。 流媒体实现的关键技术就是流式传输。 流式传输定义很广泛，现在主要指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。其特定含义为通过i n t e r n e t 将影视节目传送到p c 机。实现流 硕士学位论文 m a s i e r st i 比s l s ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ? ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 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，如视频为实时广播，或使用流式传 输媒体服务器，或应用如r t s p 的实时协议，即为实时流式传输。如使用h t t p 服务器，文件即通过顺序流发送，采用哪种传输方法依赖你的需求。当然， 流式文件也支持在播放阿完全下载到硬盘。 2 1 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在 给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分，顺 序流式传输和实时流式传输不同，在传输期间不会根据用户的连接速度做调 整。由于标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，并不需要其他特殊协议， 它经常被称作h t t p 流式传输。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的部分是无损下载的，这种方法保证 了电影播放的最终质量。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。 顺序流式文件放在标准的h t t p 或f t p 服务器上，易于管理。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。它不 支持现场广播。 2 1 2 实时流式传输 远程教学系统中的实时授课的功能就要用到实时流式传输。实时流式传 输指保证媒体信号带宽与网络连接配匹，使媒体可被实时观看到。实时流与 h t t p 流传输方式不同，它需要专用的流媒体服务器与传输协议。实时流式传 输一般是实时传送，特别适合现场事件，如现场转播、实时授课等。理论上， 实时流一经播放就可不停止，但实际上，如果带宽不够则可能发生暂停。 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 1 2 硕士学位论文 m a s q l e r s1 11 e s i s 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w i n d o w sm e d i as e r v e r 、r e a ls e r v e r 与q u i c k t i m e s t r e a m i n gs e r v e r 。这些服务器可以用来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，在远程教学系统中要用到这些协 议，如实时传输协议r t p 与r t c p ，实时流协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n g p r o t o c 0 1 ) 及常用的应用层协议h t t p 等。r t p 是针对网络上传输多媒体数据流 的传输协议，适用于在一对一或一对多的传输情况下工作，可以提供时f 、日j 信 息并实现流同步；实时传输控制协议r t c p 和r t p 配合工作，提供流量控制和 拥塞控制服务：r t s p 是由r e a ln e t w o r k s 和n e t s c a p e 共同提出的，r t s p 定 义了一对多应用程序如何应用i p 网络传输多媒体数据，r t s p 在协议体系结构 上位于r t p 和r t c p 之上，与h t t p 相比，r t s p 是双向的，使用r t s p 时，客户 端和服务器都可以发出请求。 2 2 流媒体技术原理 流式传输的实现需要缓存。因为i n t e r n 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币确，从而使媒体数 据能连续输出，而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 硕士晕伍论文 i 、jr l j 、i 、i 播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空白j 来缓存后续尚未播放的内 容。其效果如图2 所示： 图2 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 需要较多的丌销，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，而用r t p u d p 束传输实时多媒体数据。 流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务器的连接后， w e b 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；然后客户机上的w e b 浏览器启动一个与 媒体播放相关的h 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。这些参数可能包括目录信息、a v 数据的编码类型或与m v 检索 相关的服务器地址。 仞始化后，a v h e l p e r 程序与流媒体服务器之间运行实时流协议( r t s p ) ， 以交换a v 传输所需的控制信息，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、快进、快倒、暂停及录制等命令的方法。同时，a v 服务器使用r t p u d p 协议将媒体数据源源不断地传送给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 客户 程序即可播放输出。 4 硕士学位论文 、1 i f l l 、1 i 【i 、i 、 需要说明的是，在流式传输中，使用r t p u d p 和r t s p t c p 两种不同的通 信协议与a v 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 同于运行a vh 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，其基本原理如图3 所示。 图3 流式传输基本原理 2 3 流媒体在教学系统中的播放方式 2 3 1 单播 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。每个用 户必须分别对媒体服务器发送单独的查询，而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，甚至停止播放：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 3 2 点播与广播 点播连接是客户端与服务器之间的主动连接。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 - ，i # 二、 鬈軎a 硕士学位论文 墨需州h h 停流。点播连接提供了对流的最大控制，但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，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。 2 3 3 组播 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，随着用户的增多，这种传输方式会非常浪费网 络带宽。而使用广播方式发送，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存在一定的弊端。组播 吸收了上述两种发送方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，将数据 包的单独一个拷贝发送给需要的那些客户。组播不会复制数掘包的多个拷贝 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。但技术实现也相应复杂些。 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制 到多个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时发送 连续数据流而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个；所 有发出请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机， 减少网络上传输的信息包的总量。网络利用效率大大提高，成本大为下降。 组播传输可在数据链路层( 第二层) 和网络层( 第三层) 实现，支持的 网络类型包括以太网、f d d i 和a t m ，大多数路由器提供商支持i p 组播。 硕士举垃论文 、1 ir i j 、f 、i 、 2 4 流媒体文件格式 2 4 1 压缩媒体文件格式 压缩格式又被称为压缩媒体格式，与标准媒体文件一样包含了描述声音 和图像的信息，但它的文件被处理得更小。显然，压缩过程改变了数据位的 编排，该过程如图4 所示。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。表l 列举些视频和音频文件格式。 大型文件 国 i 蚕蚕f j 圜 l i 褒乎文 压缩工其 件格式 压目日j _ 丹 较小的文件 j 圄 压缩媒体文 件格式 图4 文件压缩过程 表l 常用视频、音频压缩文件类型 l 毫譬格式扩展等 媒体类型与名称 l( v i d e o a u d i o )i “。 。1 。1 v ，。_ 。- 1 ， _ 。、。 _ v _ 。_ 。 压缩情况 j m o v j q u i c k t i m ev i d e ov 2 0 | 可以 厂、f 一厂1 面丁而i 厂_ r m p 3 m p e gl a y e r3a u d i o有 w a vw a v ea u d i 0 没有 a i fa u d i 0i n t e r c h a n g ef o r m a t 没有 s n ds o u n da u d i 0f i l ef o r m a t没有 a ua u d i 0f i l ef o r m a t ( s u no s ) 没有 v a u d i 0v i d e oi n t e r l e a v e dv 1 0 a v l ( m ie r o s o f tw i n ) j 可以 硕士肇位沧文 、1 、l l r 、1 1 1 i 、 2 4 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。编码过程如图5 所示。表2 列举了常用的流式文件 类型。 大型文件 标准媒体文 件格式 厍三兰a睦兰至i 匡三兰l 流媒体文件格式 图5 流式文件编码过程 表2 常用流式文件格式 文件格式扩展 媒体类型与名称 ( v i d e o a u d i 0 ) a s fa d v a n c e ds t r e a m n gf o r m a t ( m i c r o s o f t ) r mr e a l v i d e o a 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 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 l p 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 l t 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 l vv i v om o v i e 文件( v i v os o f t w a r e ) 硕士学位论文 m a s 1 e r st ii e s i s 2 4 3 媒体发布格式 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。它可以为应用不同压缩标准和媒体文件格式的媒体 发布提供一个统一的标准。在这里，媒体发布格式起到播放列表的作用。播 放列表是我们想观看或聆听的文件的自定义列表。播放列表可以将不同媒体 内容集中在一起，按所指定的任意顺序播放。而r e a l 和m i c r o s o f t 就各自定 义了自己的播放列表格式。 媒体发布格式是视听数据安排的唯一途径，并不包括媒体的物理数据， 我们仅需要知道数据类型和安排方式。大多数的这种文件都可以用文本编辑 器随意打开和修改。这样就为应用不同压缩标准和媒体文件格式的媒体发布 提供了一个事实上的标准方法。 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 放的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 件格式的媒体发布提供一个事实上的标准方法。我们也可从以相同格式同步 不同类型流中获益。 表3 常用媒体发布格式 媒体发布格式扩展媒体类型和名称 a s fa d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t s m l l s y n c h r o n i s e dm u l t i m e d i ai n t e g r a t i o nl a n g u a g e r a m r a mf i l e r p i ne m b e d d e dr a mf i l e a s x x 【f l l 硕士学位论文 m a s - i e r st l i e s i s 目前，媒