（计算机应用技术专业论文）多媒体电子教室的设计与实现.pdf

彩蝉抓1 1 2 了敷盔的设计o 实j l j l 摘要 随着多媒体技术和网络技术的飞速发展，以及国家对教育的越来越重视，教 育信息化已经成为现代教育发展的主要方向。为了适应现代化教学的需要，多媒 体网络电子教室日益得到人们的重视。 本文主要研究了计算机网络技术和多媒体技术在现代多媒体网络教学系统 中的应用，并针对目前多媒体电子教室的实现方式，提出了一种软、硬件技术相 结合的解决方案。该方案在局域网范围内构建了一个能满足各种教学需求的多媒 体教学系统。系统采用图文并茂、声音和视频相结合的教学方式，着重于提高教 师与学生在教学过程中的交互性和灵活性，从而彻底突破传统课堂教学中“粉笔 + 黑板”的枯燥模式，极大提高了教师的教学效率和学生的学习兴趣和学习效果。 关键词：童攫健曳王童嬉s o c 。k e t 、季播、乏燃件卡、v o d 、皇亍白板 塑皇堕! 堕墨：! 兰竺! 兰竺鎏兰 一 a b s t r a c t t om e e tt h en e e d so fm o d e r ne d u c a t i o n m u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m r e c e i v e si n c r e a s i n gr e s e a r c ha t t e n t i o n sr e c e n t l y t h i sp a p e rs t u d i e st h e a p p li c a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d l at e c h n o l o g y i n t h ef i e l do fm o d e r nm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m a n da c c o r d f n g t ot h ec o m m o n l yr e a l i z i n gw a yo fm u l t i m e d i ae l e c t r o n i cc l a s s ，t h i sp a p e r p r o p o s e sas o l u t i o nw h i c hc o m b i n e s s o f ta n dh a r d w a r et e c h n o l o g y ，a n d r e a l i z e sae f f i c i e n ta n de f f e c t i v em l l l t i m e d i at e a c h i n gs y s t e mu n d e r c o n d i t i o no fl o c a l a r e an e t w o r k a n dt h i ss y s t e mc a ns a t i s f yv a r i o u s t e a c h i n gd e m a n d s t h ed e t a i i so ft h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i ss y s t e mi sd e s c r i b e d i nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：m u l t i m e d i ae l e c t r o n i cc l a s s ，s o c k e t ，m u l t i c a s t ，m u l t i m e d i a h a r d w a r ec a r d ，v o d ，e l e c t r o n i cw h i t eb o a r d l i 多媒体l 也丁敦，空的设计tj 典岘 1 1 多媒体电子教室概述 第一章绪论 随着计算机应用的普及，越来越多的学校开始重视开展计算机教育。多媒体电 子教室是目前的一种较好的解决方案。 多媒体电子教室事实上代表着教育信息化的一个发展方向，它涵盖了电脑教室、 语音教室及电脑视听教室的大部分功能，已成为目前现代化电子教室的主体配置。 那么到底什么是多媒体电子教室呢? 通俗地讲，“多媒体电子教室”，是一种全 新理念的多媒体应用软件，它是一种结合了现代计算机技术、网络技术、多媒体技术 和现代教学思想，能协助学校教师进行教学和i n t e n e t 浏览，具备多媒体演示、辅导、 讲评等功能的一体化教学解决方案。 1 2 项目的背景和意义 随着多媒体技术和网络技术的飞速发展，以及国家对教育的越来越重视，教育 信息化已经成为现代教育发展的主要方向： 1 、中共中央、国务院在第三次教育工作会上颁布了关于深化教育改革全面 推进素质教育的决定。全面推进素质教育培养具有创新精神和能力的建设人才，需 要应用现代教育技术，经过长期的课堂教学来实现。课堂教学是实现素质教育的主渠 道，多媒体电子教室是实现素质教育的理想教学环境。 2 、信息技术课程是我国中小学校的必修课，让学生了解信息技术的基础知识； 具有收集、传输、处理、应用信息的能力；具有多媒体计算机和网络技术学习和工作 的能力；保证学生有8 0 课时上机操作，必须有多媒体电子教室的支持。 3 、实施素质教育，培养创造性人才要充分发挥学生的学习主动性，积极探索， 体现学生的主体地位。多媒体电子教室丰富的教学功能，有利于学生主动发展、有利 于贯彻因材施教，组织多种形式的教与学活动、教师及时获得学习反馈，控制与管理 教学过程建立新的教学模式，深化教学改革，多媒体电子教室是不可缺少的重要设备。 可见，多媒体电子教室的开发，对于我国的现代化教育事业的建设具有重要的 意义和作用。 目前，多媒体电子教室的实施主要有两种方式：一是纯硬件方式；二是纯软件 方式。 纯硬件方式，是指在每台机器中安装一块音、视频传输卡，通过多股传输线来 实现音、视频的传输。所有的多媒体数据，都是通过专用多媒体高速线缆传输到工作 站，不依赖于原有网络的操作系统。因此，纯硬件方式具有操作简便直观，与网络操 i 新京航窄航灭入学坝i j 学位论艾 作系统无关，音、视频传输性能好的优点。即使学生机死机了，系统也可继续。 但是纯硬件方式具有如下不足： 投资较大，性价比低； 不易升级、更新； 由于其所有信号均以硬件方式实现，不仅接管了视频、音频信号，还接管 鼠标、键盘的控制信号，因此安装比较烦琐，易出故障，不易维护。 因此，纯硬件方式目前已基本淘汰。 纯软件方式，是指通过网络操作系统来实现音、视频的传输。所有音、视频信 号以数字方式进行传输。纯软件多媒体教学网具有以下显著优势： 投资成本低、性能价格比较高； 安装维护简单，易升级。 虽然纯软件网络教室具有许多优点，但在设计上却差强人意，而且由于纯软件 方式特别依赖计算机网络的性能，特别是在当有大量多媒体数据传输的情况下，数据 传输的延迟、数据包的丢失是不可避免的。因此，纯软件方式也存在着较大的不足。 针对以上两种实施方案所存在的问题，本文提出了一个软、硬件技术相结合的 多媒体电子教室的实施方案。 该方案利用一块多媒体硬件卡专门用于音、视频的传输，而其它的功能，都采 用软件技术实现，如鼠标、键盘的控制信号、教师发出的各种教学指令等，都是通过 软件在局域网络上进行传输实现的。 该方案综合了纯硬件、纯软件方案的优点，较之纯硬件方式具有成本低、维护、 升级简单；较之纯软件方式则具有优异的多媒体性能。 同时，由于纯软件方式对微机和网络的性能要求较高，对一些不发达地区的用 户来说，计算机和网络设备的投入还是一个比较重的负担。因此，在计算机档次比较 低的情况下，基于网络设计的软、硬结合的方案也是目前最实用的方案。 1 3 论文的研究工作 本文主要研究了计算机网络技术和多媒体技术在现代多媒体网络教学系统中的 应用，并针对目前多媒体电子教室的实现方式，提出了一种软、硬件技术相结合的解 决方案。 该方案在局域网范围内构建了一个能满足各种教学需求的教学系统，该教学系 统能够提供一种全新的教学工具，它采用图文并茂、声音和视频相结合的教学方式， 力求提高教师与学生在教学过程中的交互性和灵活性，从而彻底突破传统课堂教学中 “粉笔+ 黑板”的枯燥模式；同时该教学系统具有的网络功能还可利用网上丰富的教 学资源，极大的丰富教学内容，开阔学生视野，从而大大提高教师的教学效率和学生 的学习兴趣和学习效果。 多雌作l 乜j ：毂室的歧汁。j 其蚍 同时，由于其完备的功能也使该教学系统不仅适用于学校的多媒体教学，而且 电适用于各级机关和企事业单位的电脑教育、职业培训。 本文的新颖之处在于： 1 、构建了一个基于软、硬件技术相结合的多媒体电子教室的通信平台。 2 提出了一个多媒体信息流与控制信息流的协同控制协议( m c c p ) ，该协议 定义了一个封装多媒体数据流和控制信息流的数据格式，通过这个协议，可以实现服 务器与客户机的交互控制。 3 提出了一种实时语音、视频的解决方案。 4 设计了一种基于局域网的视频点播系统。 5 实现了一种基于d c o m 技术的电子白板系统。 本文的研究工作在解决目前局域网领域中多媒体数据的传输及控制中存在的一 些问题，以及对电子白板中的有关计算机协同控制等技术进行了些探讨，对推动我 国现代信息教育的发展具有一定的意义。 1 4 论文的组织 本文共分八章。 第一章讨论了多媒体电子教室的概念及在现代信息教育中的作用，分析了目前 多媒体电子教室的实现方式并提出采用软硬件相结合技术实现该系统，并综述了论文 的研究工作及组织； 第二章详细探讨了多媒体信息的网络传输技术； 第三章总体介绍了多媒体电子教室的结构及其所具有的功能，并对本系统所基 于的两个主要网络编程技术：w i n s o c k 技术和i p 多播技术进行了介绍； 第四章详细讲述了本系统的核心部分一系统整体通信平台的设计思想和实现 方法，并提出了个用于多媒体教学中协同控制的多媒体信息流与控制信息流的协同 控制协议( m c c p ) ： 第五章总体介绍了本系统关键技术一实时语音、图象的传输解决方案； 第六章详细介绍了本系统的一个重要功能一视频点播系统的实现方法，并详 细介绍了局域网环境下的v o d 技术原理及微软的d i r e c t s h o w 播放技术原理： 第七章总体介绍了本系统的另一个重要功能一电子白板的实现方法，并对其 中的关键技术一一连接点技术进行了简要的介绍。 第八章整体评价了本系统的优点及存在的局限性，并简要介绍了实现本系统纯 软件版本所涉及到的一些关键技术。 第二章多媒体信息传输技术探讨 现代社会中，多媒体信息无所不在，这些信息媒体包括文字、声音、图形、图 像、动画、视频等。本章将从多媒体的概念入手，介绍多媒体信息传输技术的基本概 念。 2 1 多媒体技术概要 多媒体是融合两种或者两种以上媒体的一种人一机交互式信息交流和传输媒 体，使用的媒体包括文字、图形、图像、声音、动域和视频( v i d e o ) 等。 2 1 1 多媒体的概念 “多媒体( m u t t i m e d i a ) ”是指能够同时获取、处理、编辑、存储和展示两个以 上不同类型信息媒体的技术，这些信息媒体包括文字、图形、图像、声音、动画和视 频等。在这个定义中需要明确以下几点： 多媒体是信息交流和传播媒体。 多媒体是人一机交互媒体，这里所指的“机”，目前主要是指计算机，或者 由微处理器控制的其他终端设备。因为计算机比较容易实现人一机交互功 能。从这个意义上说，多媒体和目前大家所熟悉的模拟电视、报纸、杂志 等媒体是大不相同的。 多媒体信息都是以数字的形式而不是以模拟信号的形式存储和传输的。 传播信息的媒体种类很多，如文字、声音、电视、图形、图像、动画等。 虽然融合任何两种以上的媒体就可以称为多媒体，但通常认为多媒体中的 连续媒体( 声音和视频) 是人与机器交互的最自然的媒体。 从这个意义上可以看到，我们常说的“多媒体”最终归结为一种技术，它不是 指多媒体本身，而是指处理和应用它的一整套技术，我们可以把多媒体看成是先进的 计算机技术与视频、音频和通信等技术融为一体而成的新技术或新产品。因此我们认 为多媒体是计算机综合处理文字、图形、图像、音频、视频等多种媒体信息，使多种 媒体建立逻辑连接，集成为一个系统并具有交互性。简单地说，多媒体是计算机综合 处理声、文、图、像信息，并具有集成性和交互性。 多媒体技术目前已成为人们关注的热点之一。它是种迅速发展的综合性电子信 息技术，给人们的工作、生活和娱乐带来了深刻的革命。 2 1 2 多媒体的特点 多媒体技术的特征主要包括信息载体的多样化、集成性和交互性三个方面，此 多垛件l u 了牧空的吐汁。峡i 皑 外还有非循序性、非纸张输出形式等。 1 ) 多样性 信息载体的多样化是相对于计算机而占的，指的是信息媒体的多样化。把计算 饥所能处理的信息空间范围扩展和放大，而不再局限于数值、文本或特定的图形或图 像，这是计算机变得更加人性化所必须的条件。人类对于信息的接收和产生主要在五 个感觉空间内，即视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉，其中前三者占了9 5 以上的信 息量。借助于这些感觉形式的信息交流，人类对于信息的处理可以说是得心应手。但 是，计算机以及与之相类似的一系列设备，都远远没有达到人类的水平。在许多方面 必须把人类的信息进行变形后才可以使用。信息只能按照单的形态才能被加工处 理，才能被理解。可以说，在信息交互方面计算机还处于初级水平。多媒体就是要把 机器处理的信息多样化或多维化，使之在信息交互的过程中，具有更加广阔和更加自 由的空间。多媒体的信息多维化不仅仅是指输入，而且还指输出，目前主要包括视觉 和听觉两个方面，触觉、味觉、嗅觉信息有待于将来在虚拟现实系统中进步研究。 通过对多维化的信息变换、组合和加工，可以大大丰富信息的表现力。 2 ) 集成性 多媒体的集成性是在系统级的一次飞跃。早期多媒体中的各项技术都可以单一 使用，但很难有很大的作为，因为它们是单一的、零散的，如单一的图像、声音、交 互技术等。信息空间的不完整( 例如，仅有静态图像而无动态视频，仅有语音而无图 像等) 都将限制信息空间的信息组织，限制信息的有效使用。同样，信息交互手段的 单调性也会限制应用的进一步需求。因此，多媒体的集成性主要表现在两个方面，即 多媒体信息媒体的集成和处理这些媒体的设备的集成。对于前者而言，尽管各种信息 媒体可能会是多通道的输入或输出，但应该成为一体。这种信息的集成包括信息的多 通道统一获取，多媒体信息的统一存储与组织，多媒体信息表现合成等各方面。对于 后者而言，多媒体的各种设备成为一体。从硬件来说，应该具有能够处理多媒体信息 的高速及并行的c p u 系统、大容量的存储、适合多媒体多道的输入输出能力及外设、 宽带的网络通信接口。对于软件来说，应该有集成一体化的多媒体操作系统，适合于 多媒体信息管理、使用的软件系统、创作工具、高效的各类应用软件等。同时还要在 网络的支持下，集成构造出支持广泛信息应用的信息系统，1 + l 2 的系统特性将在 多媒体信息系统中得到充分的体现。 3 ) 交互性 多媒体的交互性将向用户提供更加有效控制和使用信息的手段，同时也为应用 开辟了更加广阔的领域。交互可以增加对信息的注意力和理解，延长信息保留的时间。 但在单一的文本空间中，这种交互的效果和作用很差，只能使用信息，很难做到自由 地控制和干预信息的处理。当交互性引入时，“活动”本身作为种媒体介入了信息 转变为知识的过程。借助于活动我们可以获得更多的信息，改变现在使用信息的方法。 因此，交互性一旦被赋予了多媒体信息空间，可以带来很大的作用。从数据库中检录 柯泉航窄航灭人学坝l j 学位l e 艾 出某人的照片、声音和艾字利料，这是多媒体的仞级交互应用i 通过交互特 = _ l = 使川，1 介入到信息过程中( 不仅仅是提驳信息) ，达到了中级交互应用水平。当我们完全地 进入到一个信息环境体化的虚拟信息空间自由邀游时，爿是交互应用的高级阶段， 这有待于虚拟现实和临境技术的进一步研究和发展。 4 ) 非循序性 非循序性是多媒体的另一个特性。般而言，使用者对非循序性的信息存取需 求要比对循序性存取大得多。以前的查询系统都是按线性方式检索信息，不符合人类 的联想记忆方式，多媒体信息系统克服了这个缺点，它用非线性的结构构成表达特定 内容的信息网络，使人们可以有选择地查询自己感兴趣的多媒体信息。 5 ) 非纸张性 非纸张输出形式是多媒体应用系统区别于传统出版模式的一个特点。传统的出 版模式是以纸张为输出载体，通过记录在纸张上文字和图形来传递和保存知识，但此 种方式无法将有关的图像及声音记录下来。多媒体系统的出版模式中强调的是无纸输 出形式，以光盘( c d r o m ) 为主要的输出载体，这不仅使存储容量大增，而且提高 了它保存的方便性。 总之，多媒体有许多特点，但其最显著的特点是具有媒体的多样性、集成性和 交互性。 2 2 多媒体网络技术 多媒体技术与网络技术的结合不仅极大地提高了人们的工作效率，而且改变了人 们工作、生活、娱乐和教育方式。多媒体网络系统是多媒体技术、网络技术和通信技 术的综合。 2 2 1 多媒体网络技术概要 一般地，我们可以认为多媒体网络是可以综合、集成地运行多种多媒体数据的网 络。网络上的任意节点都可以共享运行于其中的多媒体信息，可以对多媒体数据进行 获取、存储、处理、传输等操作。多媒体网络系统本质上是种计算机网络系统，可 以是局域网，也可以是广域网。多媒体网络技术关注的内容包括多媒体网络的传输机 制、网络模型、通信协议和网络结构等。 多媒体网络应同时具备如下几个基本特征： 集成性：多媒体网络节点应能同时处理两种以上的多种表示媒体，并且应 能同时显示两种以上的多种显示媒体，对这些媒体的处理和传输是集成、 综合地以一体化的方式进行的。 交互性：用户应能灵活地控制和操纵通信的全过程。 同步性：多媒体数据的音频、视频具有很强的时间相关性，只有表现统一 多雌作i u 了敦空们i 9 汁。i 央j 对象的不同媒体在时问上同步才能自然、有效地表达关于对蒙的完整信息。 多媒体网络对同步性要求极高，即要求节点能够同步地显示图、文、声、 视等信息。 实时性：多媒体网络要求信息的传输不能有延迟。目 i 网络的传输速j 每受 到限制、多媒体网络通信的数据量又非常庞大，实时性的要求很难满足。 2 2 2 多媒体网络技术基础 多媒体网络技术的技术基础主要包括三个方面的内容，即多媒体的网络环境、多 媒体信息的传输机制、多媒体数据压缩技术。 1 ) 网络环境 多媒体网络技术对网络环境具有较高的要求。首先多媒体网络通信的数据量极 大：其次多媒体网络要求能同步、实时地传输音、视频文件。因此多媒体网络对网络 带宽的要求极高。 同时，多媒体网络的实时性要求多媒体网络能够采用相应的控制机制和技术来保 证网络延迟尽可能的小。 2 ) 传输机制 多媒体信息的传输机制主要涉及三方面的内容：即多媒体网络模型、通信服务质 量和多媒体的同步技术。 有两种主要的多媒体网络模型，种是i s o 制定的开放系统互联参考模型 ( o s f a m ) ，另一种是多媒体服务器模型。o s i 参考模型是一种分层模型，强调有组织 地在网络上传输数据；服务器模型则检查实际操作和存储的多媒体数据，定义了网络 终端操作多媒体数据和通过服务器存储、存取和共享多媒体数据的方法。 通信服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 是对多媒体网络效果的主要表示参数， 主要用于描述通信双方的传输质量。它涵盖了多种针对不同应用的特殊需求而尽量合 理使用网络资源的智能技术。怎样实现q o s 呢? 首先，要精确甄别每个网络应用的类 型。其次，要恰当地分配网络资源，如带宽和相对优先级等。o o s 基本参数包括系统 吞吐率、网络传输稳定性、可用性、可靠性、传输延迟、传输速率、出错率、传输失 败率、安全性等。传输速率是其中最重要的参数，但不同的系统强调的参数往往不 问而且q o s 参数的设置一般采用分层方式、不同层的参数有不同的表现形式。用户 层中，针对音频、视频信息的采集和重现，q o s 参数表现为采样率和每秒帧数：网络 层中、q o s 表现为传输速率、传输延迟等表示传输质量的参数。多媒体网络的o o s 同 时还应强调多媒体的时间关系，即同步性。 多媒体的同步技术是多媒体网络的一种重要机制。多媒体系统中的“同步”，一 般是指系统中不同媒体对象之间的时间关系。 3 ) 数据压缩 多媒体信息的数据量十分大。一般网络环境下，在网络上进行实时传输时需要的 传输速率都超过了当前网络的数据传输率。为了解决这些矛盾，在改善多媒体网络环 南京航窀航凡人学坝l 学位论丑 境的同时还必须对多媒体数据进行压缩。 多媒体数据压缩技术目前研究的主要问题包括：数据压缩比、压缩解压缩速度 及高效的算法。根据比较压缩数据进行解压缩后的数据是否与压缩前的原始数据完全 一致，可以把数据压缩划分为无失真压缩( 可逆压缩) 和有失真压缩( 不可逆压缩) 两 类。 2 2 3 多媒体网络要求 发展多媒体网络有两种途径，是在现有通信网络的基础上进行改进，使其能 适应多媒体网络的要求；二是另行开发能满足多媒体网络要求的高速网络。 2 2 3 1 多媒体网络需求 多媒体网络需求主要表现在以下几方面： 1 ) 吞吐量 网络吞吐量指网络在单位时间能接收和发送二进制信息的数量，常用比特率表示， 也称为带宽。目前网络带宽，主要通过压缩的方法来加以改善，例如数字视频如果不 经过压缩，那么需要1 4 0 m b p s 以上的带宽才能传输，而目前大部分的网络都还达不到 这种要求，所以多媒体数据必须以压缩形式传输。 目前常用的压缩标准主要有以下两种： h2 6 l 标准 m p e g 标准 从实际应用效果来看，使用m p e g 一1 压缩，音频通道带宽只需2 0 0 k b p s 到2 5 0 k b p s 就可以达到c d 质量，视频通道带宽1 5 m b p s 就可以达到较为满意的视听效果。如果使 用h 2 6 1 压缩标准，那么一般只需要6 4 k b p s 的带宽就可以了。 2 ) 传输延迟 网络传输延迟是多媒体网络传输中最为重要的个参数。网络传输延迟是指从发 送端发送数据的第一位到接收端接收到数据位之间的这段时间的大小。不同的网络， 其传输延迟是不一样的。 圉络传输延迟对多媒体的交互有较大影响，多媒体系统应尽可能的减少延迟。 3 ) 延迟变化 网络延迟变化是指在一段时间内最长和最短传输延迟之问的差值。般用统计方 法来度量，网络延迟变化又称为网络传输延迟“方羞”。网络延迟变化主要表现为以 下三种： 网络线路延迟变化。i s d n 服务网络或租用线路网络的传输延迟是随时间发生 变化的，其延迟变化主要表现为物理抖动。所谓物理抖动是指由传播装置产 生的延迟变化。任何网络都会产生抖动现象，只是延迟变化的大小不同。 # 媒体i u r 教室的吐汁，实j 岵 局城网络的延迟变化。局域网络的延迟变化，表现为物理抖动和媒体存取时 间的大小两部分。媒体存取时间是指多媒体发送端系统等待传输媒体空闲的 时间。 广域网分组交换网络的延迟变化。广域网分组交换网络，例如x 2 5 或帧中继 网络，它们的延迟变化由固有的物理抖动、流程控制等待时间、存储一转发 交换延迟以及查找内部节点信息的延迟变化构成。其中固有的物理抖动比较 小：流程控制等待时间是指发送源在允许发送之前必须等待网络准备的时 间：存储一转发交换延迟是延迟变化的主要部分。 4 ) 等时性 等时性是多媒体网络的基本特征。“等时”是指每个分组具有恒定的传输延时， 当源以某速率发送实时音频、视频连续媒体流时，网络应能以同一速率接收这个连续 媒体流，这就是等时性的概念。等时性实际上是网络传输延迟和网络延迟变化这两个 基本特征的综合。 5 ) 差错率 差错率是指网络在发送数据过程中，对数据发生改变、数据丢失、数据复制、数 据接收失序的度量。差错率也是对网络错误恢复能力的度量。其主要表现在以下几方 面： 数据改变。网络的些错误可能会改变传送的媒体流，从而导致传送的媒体 流与源媒体流不一致。最常见的数据改动是数据块和信息包末尾或题头部分 丢失。 数据丢失。连续的音频、视频数据在网络传输的过程中，可能发生数据丢失。 导致这一错误主要有三个原因：一是，数据改变导致传输的位数减少；二是， 网络检测到错误时可能把数据和数据包丢失：三是，在交换网络分组中，由 于节点或传送线路内部的网络拥塞，从而导致信息包的丢失。 数据复制。数据复制是指接收端多次收到同样的数据包。 数据接收失序。数据接收失序是一种较为常见的错误现象，特别是在远距离 分组交换网络中，两个端系统常常需修改路径，如当i n t e r n e t 网络信息出 现差错或拥挤时就需要选择路由，这就可能产生路由振荡，从而导致数据的 接收失序。 网络传送数据发生错误是常见的现象，因此网络必须要有与其实际错误相匹配的 错误处理机制，这样才可能构造出最为有效的多媒体网络环境。 2 2 3 2 多媒体传输特性分析 为了定量地满足多媒体的传输特性，表l 给出了f l e e c e 要的信息媒体业务对传 输与网络的要求( 见表1 ) ： 最大延迟最大时滞速率可接受位错率包错率 ( s )( m s )( m b s )( b e r )( p e r ) 语音o 2 5 1 00 0 6 4 1 0 1 1 0 1 1 静止图像l2 1 0 1 0 4 1 0 9 活动图像o 2 5 l ol o o 1 0 2 1 0 3 压缩后活动图像 0 2 512 1 0 1 0 6 x 坐标：取鼠标在屏幕的当莳x 坐标的值 y 坐标：取鼠标在屏幕的当前y 坐标值； 缺省：为协议将柬的扩展留下空问。 这罩给出实现陔协议的一个简单数据结构： s t f u c t , m c c p i u n s i g n e ds h o r tm c c p f l a g ：标志位 u n s i g n e d i n t m c c p c t r l w o r d ：控制字 i n t m c c p _ p o i n t x ：x 坐标 i n t m c c p _ p o i n t y ：y 坐标 4 3 通信系统的设计与实现 本系统对教师机和学生机之间的通信性能要求较高，例如，教师能随时看到某学 生机的屏幕显示，并在教师机上对学生的操作进行指导，这种通信对系统的通信核心 层提出了一个关键的性能要求，即实时性，要求教师能够立即看到学生的当前屏幕， 学生也能立即看到教师的操作指导( 鼠标信息流和键盘指令流等) 。因此本系统通信 平台要求具有良好的性能，以满足系统的教学需求。 4 3 1 通信系统设计思想 通过分析多媒体电子教室的数据传输流可以知道，教师机和学生机之间存在两 种类型的通信，一是指令信息，二是多媒体数据。系统的关键在于多媒体数据的传输， 例如教师机、学生机屏幕的传输。 对屏幕的传输，一种办法是对屏幕进行截图，将当前屏幕保存为图像文件的形 式，通过局域网进行传输，到达目的机后再进行显示，这种方法的缺点是图像文件一 般较大，所以对网络的性能要求比较高，否则很难达到满意的实时效果，并且存在不 同显示精度显示效果不同的问题，因此这一方法并不可行。为了解决这一问题，本设 计将指令流和多媒体数据流分开传输，用专门的显示控制硬件卡来直接获取计算机显 存中的当前屏幕信息，然后通过专用的通讯线路来传输显存内容，最终在目的机上用 同样的修改显存内容的方式进行屏幕显示，获得了较好的效果。 多媒体, i tj 教室的l 址i 。j 其蜕 系统的通信馍型如图4 1 所示 图4 一l ：多媒体传输通信模型 图中，通信控制核心层是本系统通信模型的关键部分，它本质上实现了一个通信 控制协议，为上层应用提供数据和指令的传输服务，对下层，一方面利用局域网传输 协议( 此处是t c p i p 标准协议) 进行指令信息传送，另一方面管理和控制硬件显存 传输卡进行屏幕信息传输。 4 3 2 通信控制核心层的设计和实现 通信控制核心层的主要任务是利用局域网传输协议和专用显存信息传输硬件 为上层应用提供多媒体通信服务功能。当上层应用( 如教师机要查看学生机当前屏幕) 需要通信时，首先要建立通信双方的通信连接，然后进行数据传输，最后关闭连接。 因此，通信核心层的主要任务就是为上层应用提供建立连接、连接保持和多媒体数据 传输及断开连接三大功能。 4 3 2 1 通信实体 t c p i p 网络通信中进程采用端口的概念来标识，因此系统中通信实体( 指 个教师机服务器程序创建的s o c k e t 对象或个学生机客户程序创建的s o c k e t 对象) 在通信之前必须建立相应的端口号，本文设定通信实体的端口号均为6 6 6 6 ( 由于每 台计算机上仅允许一个客户程序或一个服务器程序运行，故不会造成冲突) 。一条通 信连接可以表示为一个形如( 协议，本地地址，本地端口号，远地地址，远地端口号) 的五元组。一个完整的s o c k e t 连接可以用象这样的一个五元组来描述。 本设计从m i c r o s o f tv i s u a lc + 十基本类库( m f c ) 提供的c s o c k e t 类派生出一个 新类c c o r t n e c t s o c k e t 类，并对其进行扩充，加入姓名、学号、性别、网络标识( 胆 地址) 、i 硐络连接：状态标识等属性，重载o n r e c e i v e 函数，使该类含育教帅秽c 与学尘 ”l 进行通信的所有必要信息，系统中所有通讯实体都是该类的一个实例。 4 3 2 2 连接的建立 学生机与教师机建立连接的步骤如下： 1 ) 学生机向教师机发出登录连接服务器请求： m - p c o n n e c t s o c k e t 一 c o n n e c t ( 1 p a d d r e s s ，n p o r t ) 其中m _ p c o t m e c t s o c k e t 是学生机创建的一个c c o n n e c t s o c k e t 类的套接字对象， p a d d r e s s 是教师机服务器的i p 地址，n p o r t 是约定的通信端口号。 2 ) 教师机每监听到该端口的一个连接请求后，就新建一个相同的学生套接字对 象，即c c o n n e c t s o c k e t 类的对象，来建立与该学生机的连接。 由于一个教室有多个学生机存在，因此需要一个组织形式，以便对多个学生套接 字对象进行管理保存，以保持每一个连接，为此本系统定义一个指针链表对象 m s o c k e t l i s t ，当教师机每建立了一个新的学生套接字对象时，就将其添加到 m s o c k e t l i s t 链表中，这样系统便保存了所有登录学生机与教师机服务器的连接。 3 ) 如果学生机连接成功，就立即发送该学生套接字对象的属性的具体值。 4 ) 教师机接收后将赋值给m s o c k e t l i s t 中对应的学生套接字对象。这样在以后 的通信传输控制过程中，教师机根据每台学生机对象的某个关键属性( 它的值是唯一 的) 的值，就可以在连接链表中匹配出要求的学生套接字对象，从而完成与指定学生 机的通信。 4 3 2 3 数据传输控制 由上面的讲述可以知道，数据的传输包括指令流和多媒体数据两种。在多媒体网 络教学过程中，教师机需要向所有的学生机或指定的学生机发送各种指令控制，以完 成各种复杂的教学活动。总的说来通信控制核心层需要处理以下两种情况： 1 一般指令流传输 系统中有些教学活动( 如提交作业) 只需传输单纯的指令命令来进行控制，这时 情况就比较简单，通信核心层只需要根据上层应用的要求利用下层局域网传输协议进 行指令的传输。为了支持此类信息传送，本文首先定义了一个指令类c i n s t r u c t i o n 类， 对系统所有的指令项进行封装，然后在派生的c c o n n n e c t s o c k e t 类中实现了三个基本 功能。 1 ) 发送指令操作：v o i ds e n d l n s t r u c t i o n ( c l n s t r u c t i o n * p i n s t r 、： 2 ) 接受指令操作：v o i d r e c e i v e i n s t r u c t i o n ( c l n s t r u c t i o n * p i n s t r ) ： 3 ) 重载函数：v i r t u a lv o i do n r e c e i v e ( i n tn e r r o r c o d e ) ； 由于系统中的指令项数量众多，本系统采用c s o c k e t 类的串行化技术，与归档对 多戏f k 】u j 教室的垃汁- ，实观 象c a r c h i v e 类和套接字文件对象c s o c k e t f i l e 类一起来管理指令数据的发送和接收。 c s o c k e t 类提供了对于同步操作c a r c h i v e 对象十分重要的阻塞功能，结合c s o c k e t f i l e 类，将会具有较好的传输性能，并可以减少“死锁”( 芨送和接收套接字处于相互等 待对方或一个通用资源的状念) 的危险。更重要的在于c s o c k e t 类支持模块化的后台 信息处理，能解决c a s y n c s o c k e t 中较难克服的多线程处理，这对于本系统的实现尤 为重要。这样系统的通信体系构架将更加健壮，收发数据的操作也会更加明了，并能 实现指令数据收发的统管理，也便于系统功能的扩充。当系统需要扩充功能时，只 需增加相应的指令项，并加入到封装的可以串行化的指令类c l n s t r u c t i o n 类中，再在 服务器和客户两端进行相应解释即可。 网络数据收发工作原理如下： c s o c k e t f i l e 对象连接一个c s o c k e t 对象，而一个c a r c h i v e 对象将负责管理一个 缓冲区。当发送归档对象的缓冲区被填满时，相关的c s o c k e t f i l e 对象将缓冲区的内 容取出，清空与套接字相关的归档缓冲区；当接收归档对象的缓冲区被填满时， c s o c k e t f i l e 对象停止读出直到缓冲区可用。 以下以发送指令函数为例说明具体指令发送的实现方法： 类型定义 c s o c k e t f i l e + mp s o c k e t f i l e ；套接字文件对象 c a r c h i v e + m _ j o a r c h i v e i n ；用于数据接收的套接字归档对象 c a r c h i v e + m _ p a r c h i v e o u t ；用于数据发送的套接字归档对象 初始化文件对象 m _ p s o c k e t f i l e = n e wc s o c k e t f i l e o h i s ) ； m - p a r c h i v e i n 。n e wc a r c h i v e ( m - p s o c k e t f i l e ，c a r c h i v e ：l o a d ) ； m p a r c h i v e o u t = n e wc a r c h i v e ( mp s o c k e t f i l e ，c a r c h i v e ：s t o r e ) ； 发送指令函数的实现如下 i f ( m _ p a r c h i v e o u t ! = n u l l ) p i n s t r 一 s e r i a l i z e ( + mp a r c h i v e o u t ) ；调用函数s e r i a l i z e 进行发送操作 m _ p a r c h i v e o u t - f l u s h ( ) ；清空与套接字相关的归档缓冲区 ) 其中s e r i a l i z e 函数是指令类c i n s t r u c t i o n 类的重载函数。 结合其它的一系列函数和操作就可方便的发送和接收网络数据了。 2 多媒体数据传输 当教学活动涉及到多媒体数据的传输与接受时，例如查看学生的屏幕、教师给学 生演示自己的操作或教师指导学生的操作等教学活动，都需要实时的传送与接收屏 幕。本系统多媒体数据的传输是通过多媒体硬件卡在通信核一心层的协调控制下传输 的。多媒体信息传送的具体工作流程如下： 南京航窄航天人学f l j j ! 。学位论卫 1 ) 仞始化硬件卡， v o i di n i t c a r d 0 ；初始化，设置相关参数。 2 ) 发送屏幕方调用硬件卡控制函数使硬件卡处于发送状态： w r i t e c a r d ( s e n d _ v g a l ： 该函数原型如下： v o i dw r i t e c a r d ( u n s i g n e ds h o r tc t r l w o r d ) ； 参数c t r l w o r d 可取三个值： k e e pv g a ：恢复初始屏幕，使硬件卡处于初始状态； s e n dv g a ：发送自己的屏幕，使硬件卡处于发送屏幕状态； r e c vv g a ：接受屏幕，使硬件卡处于接受屏幕状态。 3 ) 同时通信核心层利用局域网通信协议向接受方发送接受图像的指令： p l n s t r - mb r e c v = t r u e ：设置“接收屏幕”的指令mb r e c v 为“真”。 p s o c k 一 s e n d l n s t r u c t i o n ( p l n s t r ) ：向接收屏幕方发送接受图像指令。 4 ) 接受方收到指令后调用硬件卡控制函数接受图像： w r i t e c a r d ( r e c v v g a ) ； 这样便完成了屏幕的传输与接受。 5 ) 当发送方要停止传送图像时，控制过程基本类似，只是双方调用的硬件卡控 制函数的参数设置为k e e pv g a ，即： w r i t e c a r d ( k e e p v g a ) 对于多媒体硬件卡的具体设计，我们将在第五章中讲述。 4 3 2 4 连接的断开 当学生机与教师机的连接断开时，教师机需要将该学生机通讯对象从全局链表中 删除，然后释放连接。 4 3 3 具体控制实例 本系统实现的教师机服务器主界面见图4 2 ： 图4 2 ：教师机服务器主界面 这里给出通信核心层控制多媒体数据传输的个实例。 本多媒体网络教学系统中一个典型功能是“协同示范”，其中通信核心层起着协 调般指令流和多媒体数据流的传输与接收的作用。其功能简介如下：教师首先选定 某学生为其他学生做示范；当开始后，示范源学生机的屏幕将被传送到教师机和所有 其它学生机上，其它学生都只能观看，而对自己的键盘、鼠标操作无效，同时教师可 以随时接管该生并针对该生的屏幕进行示范或退出接管；结束后，全部学生机和教师 机恢复到示范前的状态。 通信核心层的协调控制过程如下： 1 ) 初始学生示范 首先教师机应用程序在通信核心层控制下调用硬件卡控制函数使硬件卡处于接收 状态： w r i t e c a r d ( p , _ e c vv g a ) ；接收状态。 同时通信核心层利用局域网通信协议向其它学生机发送“接收图象”的指令；向 选定的示范源学生机下达“发送图像”的指令。 其它学生机接收到“接收图象”指令后，在通信核心层控制下调用函数： w r i t e c a r d ( r e c vv g a ) ，准备接收图象。 示范源学生机接收到“发送图象”指令后，调用函数： w r i t e c a r d ( s e n dv g a ) ：发送图象。 当通信核一i i , 层确认所有机器都接收到正确的指令后，硬件卡开始工作，示范源学 生的屏幕将被传送到教师机和其它的学生机上，示范开始。 2 ) 教师协同示范 当教师想接管学生示范时，通信核心层响应上层要求，向示范学生机发送“教师 订柬航卒航天人学坝i 学位沦义 接管”指令，示范学生机接收到后，它的操作( 鼠标、键盘) 被禁止，并启动一个用 于接收鼠标、键盘指令流的线程准备接受教师的控制：同时通信核一d 层启动教师机端 的一个线程，用于：睁一切活动( 鼠标、键盘) 转化为一系列的鼠标指令流或键盘指令 流并利用下层基于t c p i p 标准的传输协议传送给示范学生机，示范学生机收到后调 用底层a p i 函数响应鼠标、键盘的操作，这样教师机完全接管学生进行示范。 当教师机要退出接管让学生机继续示范时，只需发送“退出接管”指令。 3 ) 退出 当学生示范结束或教师发送指令要求退出时，所有机器在各自的通信核心层控制 下，调用w f i t e c a r d ( k e e pv g a ) 函数，恢复自己的屏幕。 4 4 系统性能 本章提出的多媒体网络电子教学系统通信平台由于多媒体数据的传输采用了软 硬件相结合的技术，所以用户不但可以获得高质量实时图像、声音，同时也可减轻系 统的网络负载，提高整个系统的性能。其通信核心层在协调控制软硬件进行数据的传 输方面起了关键的作用。在实际的应用中，证明该通信模型具有稳定、高效的优点， 能够满足实际教学活动的需求。 该模型稍加修改就可以作为系统纯软件版本的通信平台。 多媒体f u 了救室设汁，o 实啦 第五章实时语音、图像传输的实现 5 1 实时语音、图象传输解决方案 多媒体( 声音、图像) 实时数据在网络中的传输量十分惊人，要得到高质量的实 时图像声音，限于网络传输速率，目前很难实现。即使