（计算机应用技术专业论文）校园网屏幕广播教学系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 近年来，随着计算机应用技术的迅速发展与普遍应用，以网络和多媒体技 术为基础的网络教育逐渐改变着传统的教育模式。网络教育技术使得教育资源 得到共享和优化，它扩大了教师的授课面，为求知者提供了丰富的获取知识的 途径，极大地缓解了迅速增长的知识需求与匮乏的教学资源之间的矛盾，已经 成为现代教育体系中不可缺少的重要部分。因此实现一个高效率、稳定、延时 低、可交互的网络教学系统对于推动网络教育的发展具有十分重要的意义。 校园网屏幕广播教学系统是一种具有视频会议特征的实时教学系统，实时 性主要体现在教师机的电脑屏幕、教师视频和教师语音三种多媒体信息实时发 布到学生端上。通过本系统教师能建立在线网络课堂，学生能够通过校园网络 登录进入进来，使得课堂不必限制于传统意义上的物理教室范围，从而拓宽了教 师的授课面。 本文首先调查当前的网络教学系统的现状，阐述了网络教育系统的功能和 特点，分析了现阶段两络教学系统的应用范围局限性，给出了以现阶段常见校 园网络为基础的基于组播树的多媒体数据通信模型，并以此模型为基础设计实 现了屏幕广播教学系统。在设计实现的过程中，综合对比了当前主流的多媒体 技术，选择了目前先进、高效的解决方案对系统进行了实现。最后，本文对整 个工作进行了总结，提出了系统的改进意见。 关键词网络教学；屏幕广播；视频会议；应用层组播 a b s t r a c t d u r i n gt h el a s tf e wy e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa p p l y i n gt e c h n o l o g yi n c o m p u t e rs c i e n c e ，n e t w o r kt e a c h i n gb a s e do nn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g yi s g r a d u a l l yc h a n g i n gt h et r a d i t i o n a lt e a c h i n gs t y l e n e t w o r kt e a c h i n gt e c h n o l o g y e n a b l e ss h a r i n ga n do p t i m i z i n go fl e a r n i n gr e s o u r c e s ，i te x t e n d st h en u m b e ro f s t u d e n t st h a tt e a c h e r sw o r ko n ，i tp r o v i d e sl e a r n e r saw a yt h a th e l p st h e mt oo b t a i n r i c hk n o w l e d g e ，i te x t r e m e l ya l l e v i a t e st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nr a p i di n c r e a s i n g k n o w l e d g er e q u i r e m e n ta n dl a c k i n go ft e a c h i n gr e s o u r c e s n o wn e t w o r kt e a c h i n gi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n ti nm o d e mt e a c h i n gh i e r a r c h y s oi m p l e m e n t i n ga ne f f i c i e n t , s t a b l e ，l o wd e l a y i n ga n di n t e r a c t i v en e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mh a sac r u c i a li m p o r t a n t m e a n i n g c a m p u sn e t w o r k s c r e e nb r o a d c a s t t e a c h i n gs y s t e m i sak i n d o fv i d e o c o n f e r e n c ei i k es y s t e mw i t hr e a l t i m ef e a t u r e b e c a u s em u l t i m e d i ai n f o r m a t i o ns u c h a sd e s k t o ps c r e e n v i d e oa n ds o u n dg e n e r a t e da tt e a c h e r sc o m p u t e rw h e nat e a c h e ri s h o l d i n ga na c t i v ec l a s ss e n d st os t u d e n t sc o m p u t e ri nt i m e b yu s i n go u rs y s t e m t e a c h e rc a nc r e a t en e t w o r ka c t i v ec l a s s ，s t u d e n t sc a l lj o i ni nt h ec l a s sc r e a t e db yt h e i r t e a c h e rv i ac a m p u sn e t w o r k ，s ot r a d i t i o n a lc l a s s e sh a sn ot e a c h i n gl o c a t i o nl i m i t a t i o n a n ym o r e ，i te x t r e m e l ye x t e n d st h en u m b e ro f t a u g h ts t u d e n t s i nt h i sp a p e rw ea n a l y z ef u n c t i o n sa n df e a t u r e so fc u r r e n tp o p u l a rt e a c h i n g s y s t e ma tt h eb e g i n n i n ga n dp o i n to u tt h e i rl i m i t a t i o n a f t e rt h a tw ep r o p o s ea m u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o nm o d e lb a s e do na p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t i n g t e c h n o l o g ) a n dw ed e s i g na n di m p l e m e n tas c r e e nb r o a d c a s tt e a c h i n gs y s t e mb a s e d o nt h et r a n s m i s s i o nm o d e l d u r i n gt h ep r o c e s so fd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t i n gt h e s y s t e m ，w e c h o o s ee f f i c i e n ts o l u t i o n s b yc o m p a r i n g c u r r e n tc o m m o nu s e d m u l t i m e d i at e c h n o l o g i e s f i n a l l y , w em a k eac o n c l u s i o nt h a tl o o kf o r w a r dt of u t u r e e d i t i o no f t h es y s t e m k e yw o r d sn e t w o r kt e a c h i n g ；s c r e e nb r o a d c a s t ；v i d e oc o n f e r e n c e ；a p p l i c a t i o n l a y e rm u l t i c a s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名粒吼趔， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论支的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复铝痒段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 躲雅磊导师虢儡遂盛隅超出7 、 第l 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 网络的迅速发展给现代社会带来了巨大的挑战与机遇，也给教育带来了前 所未有的革命性变化，自2 0 世纪9 0 年代以来世界各国都在不断加快和推进教 育信息化的步伐，我国也于1 9 9 4 年开始推行教育信息化，至今教育信息化已经 取得了巨大成就。 网络教育i 是指学生在教师的引导和协助下，利用多媒体技术，计算机技 术和网络技术获得学习指导和信息资源，并采用最有效的方式实现学习目标的 新型教育模式，它是教育信息化的重要组成部分，同时也是校园网络建设过程 中最具有普遍意义的课题。 多媒体技术、分布式计算技术、人机接口技术、网络通信、现代教学理论 的成熟与推广，为新的网络教学系统的实现提供了技术上的支持，网络教室正 是网络教学当中重要的一种，它充分发挥了计算机辅助教学的功能。 网络教学方式与传统教学方式相比较，体现出了以下的优势【2 】： 一、网络教学方式融入了多媒体素材，图文并茂、丰富多彩，增加了课堂 的表现力，能有效激发学生的求知欲望，有利于发挥学生的认知主题作用。而 传统的教学过程从教学内容、教学策略、教学方法到教学步骤都是由教师事先 安排好的，学生只能被动参与，一个黑板、一盒粉笔的枯燥教学方式已经无法 再提起学生的学习兴趣。而在多媒体网络教室这样的交互式学习环境中，学生 可以按照自己的学习基础、学习兴趣来选择要学的内容和适合自己的水平的练 习。同时，还可以自由的与教师或者其他学生进行各个方面的交流。 二、网络教学方式能有效发挥计算机永久存储的优势，可以把课堂内容录 制保存下来以备学生以后温习。而传统教学方式因难以将课堂内容保存下来， 随着时间的推移往往容易遗忘。 三、网络教学打破了传统教学方式的空间限制，教学地点不必局限于地域 范围的教室内，拓宽了学生教室的范围。 从教育方法学【3 】的角度出发，传统教学方式也具有自身的一些优点，网络 教学毕竟不能完全取代传统教学，但作为传统教学的辅助和补充己经越来越成 为趋势。 目前，校园网络骨干带宽已经发展到了以几个g b p s 为基本单位，桌面接入 端的带宽也已近达到了百兆b p s ，个人计算机的计算能力也达到了数亿次，因 此丌发基于以大量多媒体数据传输为核心的网络多媒体教室的丌发成为了可 能。 1 2 课题研究现状 1 2 1 网络教学的发展 国外从上个世纪九十年代就丌始了网络教学方面的研究( 4 j ，发展至今，网 络教学方面的应用已经十分广泛。美国是目前远程教育规模最大的国家。约有 一半的高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开制 在校学生的三分之一，此外，剩余尚未开展远程教育的高校计划在今后数年内 丌展远程教育。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。英国目前全国各级学校都建立了自己的网 上学校。如今，亚洲、欧洲、美洲、大洋洲的许多国家，也都在积极发展现代 网络教育。w e b c t t s l 和b l a c k b o a r d t 6 网络教学平台使用最为广泛。 国内在这方面的研究起步稍晚一些【”，近年来已经有了很大拓展。1 9 9 5 年 开始，我国开通了教育科研网( c e r n e t ) ，2 0 0 1 年全面实施中小学“校校通” 工程：1 9 9 8 年，四个试点现代远程教育学校：清华大学、北京邮电大学、湖南 大学、浙江大学。1 9 9 9 年又增加了六所学校：中央电犬、北京大学、东南大学、 中国人民大学、同济大学、西南工学院。到目前为止，已有6 7 所大学的网络学 院有权进行学历教育。清华大学已开发了近1 0 0 门网络课程，用于校内及网络 远程教育。 面向中小学的有i o l 远程教育网校、科利华北大附中、联想网校等。同时， 还涌现出来一些提供网络教育服务的网站，如h t t p ：w w w & o o l e a m c o r n 和 h t t p ：f r e e s c h 0 0 1 n e t 。 1 2 2 授课系统的现状 授课系统【8 , 9 1 是辅助教师，r 展教学活动的工具，它是网络教学平台的一个重 要组成部分。近年来，随着多媒体应用技术的大规模应用，这类系统发展非常 迅速，至今已经出现了许多成功的商业化产品，代表性的产品有红蜘蛛多媒体 网络教室、洪思多媒体网络教室。这些授课系统的功能大体上相似，现从以下 几个方面进行介绍： 教学广播功能：将教师的计算机桌面、音视频多媒体信息发送给学生 计算机，这项功能是网络授课系统中最主要的，少了这项功能就失去 2 ；bi 帝结论 了授课系统的意义： 课堂交互功能：为教师和学生提供文本、语音交流等工具，这项功能 也较为重要。 其他辅助功能：比如远程控制学生计算机、文件发布等功能，这类功 能属于辅助性教学工具。 现有的授课系统大体可分为纯软件架构的授课系统和纯硬件实现的系统两 类：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，不依赖于原有的操作系统。因此，纯硬件方式具有操作简单直 观，音、视频性能好的优点。但是，纯硬件方式具有投资大、不易更新升级， 安装维护困难的缺点；纯软件方式，是指通过现有的通信网络来实现，音视频 传输，所有的音、视频信号都通过计算机网络方式传输。纯软件方式实现的网 络教室具有投资成本低、安装维护简单、容易更新升级的优点。这两种解决方 案都能够基本满足现代网络教学要求。但是，根据其实现的技术和市场发展趋 势来看，基于网络设计的纯软件网络教室代表了网络教室的发展方向。采用音、 视频传输卡的纯硬件网络教室会随着微机和网络性能的提高而逐渐淘汰，或保 留极少数专用机房的市场。 1 2 3 应用层组播的研究现状 传统a 孓i p 组播技术需要在路由器上实施，由于存在传输技术和管理上的严 重问题仍然没有普遍采用，近年来，随着p e e r - t o p e e r ( p 2 p ) 吣” l2 】技术提出，出 现了应用层组播 1 3 , 1 4 l ( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) 这样一个研究方向。其的主 要思想是基于点对点的单播模型，尽量不改变原来网络的体系结构，而主要通 过增加端系统的功能来实现组播的功能。由于对网络本身的改变很少，因此应 用层组播具有很好的灵活性，便于实施。 ， 自应用层组播概念推出以来，出现了多种各具特点的算法。从建立应用层 组播的拓扑结构来看，可以将应用层组播算法分为两类l l 副：网层次( m e s h h i e r a r c h y ) 和树层次( t r e eh i e r a r c h y ) ，网层次拓扑会为覆盖接点建立一个分发网 络，然后根据某种路由协议来生成数据路由树，比如n a r a d a r l 6 j 协议，会先构造 一个网，然后通过修改后的d v m r p 协议生成路由树：树层次则是直接建立路 由树，a l m i j 就属于这种系统。一般来说，网结构系统更加稳定，但网结构 引入了一些新的问题，如何解决回路问题就是典型的一个，其结构较树结构更 为复杂，因此在效率和占用网络资源方面树结构占优势。 本文根据校园网络的特殊性，采用效率较高的树层次来建立组播拓扑结构， 树的建立、生成、调整由数掘源根接点负责，每个新的组成员加入时，都要和 根接点协商，直到找到一个距离最近的接点。 1 3 本文研究的内容 当i j 的主流多媒体网络教学系统采用局域网广播方式发送多媒体数据，而 局域网广播数据的优点是实现简单、延时低，其缺点是不能穿过校园网路由器， 这种设计实现方式导致了此类应用程序只限于在机房局域网内部使用而不能在 整个校园网范围部署。为了扩大教学系统的使用范围，突破原有授课系统只能 在局域网内部使用的限制，本文针对校园网的特点，提出了一种基于应用层组 播的网络数据传输模型，并在此基础上对系统使用纯软件方式进行了设计和实 现。本文研究了以下内容： 分析了多媒体数据网络传输的特征及其对网络的需求； 分析网络授课系统的功能需求，进行系统总体方案的设计，并给出系 统的实施方案； 设计并实现了适合校园网络的应用层组播算法： 研究了现有的成熟的多媒体数据编解码技术，在v c 开发平台下使用 d i r e c t s h o w 流媒体技术实现多媒体数据的采集、压缩和回放功能； 1 4 论文结构 本文共分5 章。 第一章首先介绍了课题的研究背景及发展现状，接下来分析了目前网络授 课系统的实现方式并提出了课题研究内容，最后给出了论文的组织。 第二章给出了校园网屏幕广播教学系统的需求，分析了系统的设计目标和 功能。 ， 第三章介绍了系统的理论基础，综合对比了当前的主流通信技术和多媒体 技术，这为系统的设计和实现做了铺垫。 第四章提出了基于组播树的网络通信模型，该是整个系统的数据通信基础。 第五章首先给出了系统的架构，接下来对架构的核心模块进行了设计和实 现，最后介绍了实现系统过程中的所用到的关键技术。 第2 帝系统的需求分析 2 1 系统概述 第2 章系统的需求分析 校园网屏幕广播教学系统是帮助教师在校园网环境中丌展网络教学的辅助 性授课平台，系统分中心服务器、教师端和学生端三个程序，教师端程序在教 师所在计算机运行，学生端程序在学生所在计算机上运行，中心服务器则是一 个独立于教师机和学生机的计算机，它主要负责维护在线课堂列表和辅助学生 加入在线课堂。通过使用本系统教师与学生上课不一定要局限在物理教室或机 房内( 传统的网络教室系统只限机房内使用) ，学生和教师可以在校园网的任意 位置，教师只需登录系统的中心服务器即可建立在线课堂，学生通过中心服务 器的在线课堂列表可以选择想加入的课堂，通过中心服务器验证之后学生计算 机就能接收到实时的课堂信息( 实时信息包括教师上课过程中所产生的计算机 桌面、视频和音频信息) ，从而达到网络教学的目的。图2 1 是系统使用过程中 的一个截图，系统中有两个教师端在线教师端1 和教师端2 ，分别开设了 名称为计算机基础和数据库理论的在线课堂，分别有9 学生在线和7 学生在线。 ! i2 - 1 两个住线课堂的系统 f i g u r e2 - 1s y s t e ms t r u c t u r eo f t w oa c t i v ec l a s s e s 北京t 业人学t 学坝i 。学位论义 2 2 系统设计目标 校园网屏幕广播教学系统的丌发在保证体系结构、开发平台科学、合理、 先进的前提下，更应突出网络教学系统的优势，因此，系统的设计目标如下： 学生端接收到的屏幕、视频画面清晰流畅，语音信号清晰平稳，音视 频同步性好； 系统能长时间稳定运行，具有较快的界面响应速度和较高的运行效率 占用较少的c p u 、网络带宽和内存资源； 具备简单的安全防护机制和一定强度的鲁棒性； 界面直观、友好，方便用户使用： 兼顾以后的功能扩展和维护升级。 2 3 系统的功能 校园网屏幕广播教学系统由教师端、学生端和中心服务器三部分组成，三 部分分别对应教师和学生及中心服务器管理员三类用户。 中心服务器包含下列功能： 能够为教师端开设在线课堂提供权限认证、管理课堂服务； 能够为学生端提供在线课堂信息并辅助学生端寻址教师端； 能够为系统管理员提供管理教师数据库的服务，即提供增、删、查， 改教师信息。 学生端包含下列功能： 能够连接到中心服务器查看当前中心服务器的在线课堂列表； 能够加入在线课堂并接收到在线课堂对应教师端的屏幕、视频、音频 等实时教学信息； 能够查看当前在线课堂学生列表。 教师端包含下列功能： e 能够连接到中心服务器查看在线课堂信息及开设在线课堂； 能够将本地机的计算机屏幕、视频、文本和麦克风音频广播到在线课 堂的学生端计算机上； ，能够查看己加入到本教师端所创建在线课堂的在线学生列表。 2 4 系统兼容性 系统兼容性包括同操作系统的兼容性、同其他软件的兼容性、同自身软 6 第2 荦系统的需求分析 件其他版本的兼容性三方面。 同操作系统兼容性。屏幕广播教学系统的教师端和学生端程序必须兼容当 前主流操作系统，即要支持m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 x p 2 0 0 3 的各利，版本：其中 心服务器程序必须能运行在常见的m i c r o s o f t 服务器操作系统之上，即要支持 w i n d o w s2 0 0 0 和2 0 0 3 操作系统服务器版本。 同其他软件兼容性。教师端的一个典型的用途是演示软件的使用和课件播 放，因此对教师端程序要有很广泛的兼容性，它应该兼容常用的工具软件和教 学软件，比如o f f i c e 软件、软件开发平台、浏览器软件、杀毒防火墙安全类程序、 压缩工具、邮箱程序等。 同自身软件其他版本的兼容性。考虑到学生端程序和教师端程序使用的人 数最多，系统中心服务器软件的最新版本必须兼容老版本的教师端程序和学生 端程序，使得那些还未来得及更新的教师、学生用户仍然能使用系统。 2 5 系统运行环境 对于使用人数较多的教师端和学生端软件应该能在p i l i7 0 0 m h z 以上 c p u ，6 4 m 以上内存的机器上运行，中心服务器应该能在p i i i7 0 0 m h z 以上 c p u ，2 5 6 m 以上内存的机器上运行。 2 6 系统开发环境 硬件环境：c p u ：p e n t i u mi v2 4 0g h z ；内存：5 1 2 m ：硬盘：8 0 g ；摄像 头、麦克风各一个。 软件环境：开发平台安装w i n d o w sx pp r o f l ：s s i o n a l 操作系统、微软d i r e c t x 9 0s d k 、t e c hs m i t hs c r e e nr e c o r d e rs d k 3 o 和v i s u a lc + + 2 0 0 3 开发环境。” 2 7 本章小结 本章首先对系统的功能需求、性能需求等进行了介绍。屏幕广播教学系统 为教师开设网络在线课堂提供一个教学环境，对系统设计目标、功能、兼容性、 性能等设计指标进行了分析，这为设计实现一个健壮、高效、稳定的系统打下 了基础。 第3 章系统的理论基础 第3 章系统的理论基础 校园网屏幕广播教学系统以应用层组播、流媒体技术、音视频压缩编码等 理论为基础，在这一章我们将对这些技术进行简要介绍。 3 1 应用层组播 组播是一种允许一个或多个发送者( 组播源) 发送单一的数据包到多个 接收者( 一次的，同时的) 的网络技术。按照组播的应用逻辑在通信模型分层 中的位置分为i p 层组播和应用层组播。 3 1 1i p 层组播 i p 层组播 2 0 , 2 1 ，2 2 1 解决一点对多点通信问题，是节省网络带宽的有效方法之 一。为了向所有接收主机传输组播数据，i p 层组播使用组播分发树来描述i p 组播包在网络中传输的路径，通过路由器和交换机完成数据的分发和复制。i p 层组播路由协议分为两大类，密集模式协议和稀疏模式协议。密集模式协议假 设组播组成员密集地分布在网络中，也就是说，网络大多数的子网都至少包含 一个组播组成员，而且网络带宽足够大，这种被称作“密集模式”( d e n s e m o d e ) 的组播路由协议依赖于广播技术将数据“推”向网络中所有的路由器。密集模 式路由协议包括距离向量组播路由协议1 冽( d v m r p ：d i s t a n c ev e c t o rm u l t i e a s t r o u t i n gp r o t o c 0 1 ) 、组播开放最短路径优先协议( m o s p f ：m u l t i c a s to p e ns h o n e s t p a t hf i r s t ) 和密集模式独立组播协议( p i m d m ：p r o t o c 0 1 i n d e p e n d e n t m u l t i c a s t - d e n s em o d e ) 等。稀疏模式协议假设组播组成员在网络中是稀疏分散 的，并且网络不能提供足够的传输带宽。在这种情况下，广播就会浪费许多不 必要的网络带宽从而可能导致严重的网络性能问题。于是稀疏模式组播路由协 议必须依赖于具有路由选择能力的技术来建立和维持组播树。稀疏模式主要有 基于核心树的组播协议( c b t ：c o r eb a s e dt r e e ) 和稀疏模式独立组播协议 ( p i m s m ：p r o t o c o l i n d e p e n d e n tm u l t i c a s t - s p a r s em o d e ) 然而，i p 层组播技术已经提出了十多年，但因技术和非技术原因，并没有 广泛的使用【2 ”。首先，i p 层组播需要路由器维护每个组的信息。路由器上的路 由和转发表需要记录组播中的每一个地址。而且不像单播地址，组播组中的地 址不容易聚集从而增加了路由器的负载和复杂性。其次，为i p 层组播增加可 靠性和拥塞控制非常困难，这使得i s p 不愿意在网络层提供组播。第三，i p 层 9 北京工业人学：i ：学坝：学位论义 组播的计费模型还没有很好的定义。最后i p v 4 中组播地址也很有限。 3 1 2 应用层组播 应用层组播f 2 纠( a l m ，a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) 是将组播的功能放在 应用层实现，利用终端计算机而不是网络路由器来进行数据的复制和分发。逻 辑结构上，终端主计算机之间相互连接构成一个覆盖网络，然后再利用应用层 组播算法在覆盖网基础上生成用于传输的树结构，并通过该树结构将数据分发 出去。 应用层组播因有与组播类似的功能而得名，但它们仍然有差异。i p 层组播 中数据包在路由器上复制和分发，而应用层组播中数据包在终端计算机复制和 分发，因此在效率上应用层组播不及i p 层组播。视频直播系统是典型的一对多 通信，而且音视频数据的高带宽要求更需要组播功能。组播技术是解决视频直 播的有效方法。但i p 层组播技术由于3 1 1 中所述的三点原因，至今未并为能 在互联网上广泛部署，为此研究人员提出应用层组播技术来满足应用对组播功 能的需求。在基于应用层组播的视频直播系统中，频道的消费者也同时为结点 提供服务。 在理想情况下，如果一个结点消费一个视频流的同时向其它结点提供一个 视频流，那么系统的用户数目就可以达到无限，这样的系统不需要额外的服务 器，讶时具有较强的扩展性。为此，通过运用应用层组播技术开发人员能研发 出用户规模较大而成本较低的视频直播系统。 3 2 流媒体技术 流媒体技术 2 6 0 7 ，2 8 1 将多媒体文件打散成适合于网络传送和客户端播放的片 段，经封装后源源不断的传送给客户端，并在客户端解压播放，这样，客户端 可以接收、解压、播放同时进行，收到多少数据就回放多少内容，而不必等待 所有数据全部下载完毕。而且通常采用缓存存储流媒体，该缓存是一种环行链 表结构，它通过丢弃已经播放的内容而使其得到重用因此需要的容量不大，在 客户端也不会生成任何临时文件。从某种意义上说，该技术弥补了传统下载播 放技术的不足，更适合多媒体数据尤其是视、音频数据在网络上的传播。实时 多媒体数据从发送方开始经分解、装帧、传送到接收方接收、解压、播放、最 后回放给用户，好比源源不断的流水在一个管道中流动，所以称之为流。 对于普通的多媒体数据如果要使用流式传输，发送方需要对多媒体数据预 先进行处理，预处理是对多媒体数据进行高效压缩和添加流式信息。 1 0 第3 帝系统的理论皋础 3 3m p e g 一4 视频编码 视频信息的数据量大，必须对其进行压缩才能节省存储空间，才能有效利 用信道带宽。视频信号的压缩理论主要依靠两点：视频信号本身具有时| 日j 、空 b j 和统计相关性：人眼视觉系统对视频的主观感知允许定的失真。视频压缩 算法利用这两点可大幅度地压缩数掘量，同时保证较好的主观图像质量。 近年来，m p e g 2 9 3 0 1 系列标准研究的热点集中在m p e g - 4 上。m p e g 4 以 其出色的媒体性能，图形质量接近d v d ，声音品质接近c d ，同时又有较高的 压缩比而引起人们的重视。 m p e g - 4 标准采用基于对象的方法，可以支持基于对象的互操作性。为适 应通用访问，m p e g 4 标准加入了面向功能的传送机制，其中的错误鲁棒性、 错误恢复的处理和速率控制等功能使编码能适应不同信道的带宽要求。m p e g - 4 编码系统是丌放性质的，可随时加入新的编码算法模块，并可根据不同的应用 需求配置解码器。m p e g 4 根据图像的内容将图像分割成不同的视频对象，在 编码过程中对前景对象和后景对象采用不同的编码策略，对于人们所关心的前 景对象，则尽可能的保持对象的细节及平滑，而对人们不大关心的后景对象采 用大压缩比的编码策略。m p e g 一4 按照五个层次组织要编码的图像，从上至下 依次为：视频会话v s ( v i d e os e s s i o n ) 、视频对象v o ( v i d e oo b j e c t ) 、视频对象层 v o l ( v i d e oo b j e c tl a y e r ) 、视频对象平面v o p ( v i d e oo b j e c tp l a n e ) 和视频对象平 面组g v o p ( g r o u po f v i d e oo b j e c tp l a n e ) 。视频对象主要被定义为画面中分割出 来的不同物体，每个视频对象由三类信息来描述：运动信息、形状信息和纹理 信息。视频对象的构成依赖于具体应用和系统所处环境。在要求超低比特率的 情况下，视频对象可以是一个矩形帧( 即传统m p e g 1 中的矩形帧) ，从而与原 来的标准兼容；对于基于内容的表示要求较高的应用来说，视频对象可能是场 景中的某一物体或某一层面：视频对象也可能是计算机产生的二维或三维图形。 v o p 编码主要由两部分组成：形状编码和传统的运动纹理编码，其中形状编码 是m p e g - 4 在编码任意形状的v o p 时所必须的。m p e g - 4 的编码流程如下：第 一步是v o 的形成，先要从原始视频流中分割出v o ，之后由编码控制机制为 不同的v o 以及各个v o 的三类信息分配码率，之后各个v o 分别独立编 码，最后将各个v o 的码流复合成一个位流。其中，在编码控制和复合阶段可 以加入用户的交互控制或由智能化的算法进行控制。m p e g 4 解码流程正好相 反，在此不作赘述。 当前视频会议系统一般可以采用m p e g 4 和l 2 6 4 视频编解码方式。 h 2 6 4 1 圳是最新的编解码方式，可以在l m b p s 左右的带宽下实现高清晰的图像 视频。但是h 2 6 4 获得优越性能的代价是运算复杂度的大幅增加，与m p e g - 4 北京丁业人学t 学帧i 学位论文 相比，h 2 6 4 对硬件的要求很高。根掘大多数用户目前的硬件条件，本系统视 频压缩编解码选用m p e g 4 标准的x v i d p 2 实现，这足一个高效率的丌源的方案 ( h t t p ：w w w x v i d o r g ) 。 3 4g 7 2 3 音频编码 在网络上对语音进行传输时，通常为了提高带宽利用率，和视频一样，需 要对语音数据进行压缩。当i ；i 比较流行的编码方法主要有( 3 7 1 l 、g 7 2 6 、g 7 2 9 、 g7 2 9 a 、g 7 2 3 1 和( 3 7 2 8 ，表3 1 给出了这些算法的性能指标的对比。 表3 - 1 儿种常州音频编码的对比 t a b l e3 - 1c o n t r a s to f s e v e r a lc o m m o na u d i op r o t o c o l s 协议算法 比特率k b p s 复杂度质越( m o s ) 时延( m s ) g 7 1 lp c m6 4 很低4 30 1 2 5 g 7 2 6a d p c m3 2低4 00 1 2 5 g 7 2 9c s a c e l p8高4 01 5 g 7 2 9 ac a a c e l p8中等3 81 5 g 7 2 3 1 a c e l p5 3 非常高 3 盘3 7 5 g 7 2 8l d c e l p1 6 中等 4 02 5 注：m o s ( m e a n so p i n i o ns c o r e ) 是一种评价中、低速语音编码质量的主观评 价方法，采用5 分制，5 分表示很好( e x c e l l e n t ) ，4 分为( g o o d ) ，3 分为中f l a i r ) 。 2 分为差( p o o r ) ，1 分为不可接受( u n s a t i s f a c t o r y ) 。 本系统采用的是m i c r o s o f td i r e e t s h o w 解决方案内置的1 3 7 2 3 1 编码器。 g 7 2 3 1 是i t u 提出的g 7 2 3 双速率编码标准中的低码率方案，g 7 2 3 1 对语音 信号进行压缩，( 3 7 2 3 1 的优点是比特率低，占用只有5 3 k b p s 的网络带宽。该 方案属于参数编码的范畴，参数编码根据语音的形成机理，通过对语音信号特 征参数的提取及编码，力图使重建语音信号具有尽可能高的可懂度，并具有较 低的编码速率。 3 5 屏幕压缩 屏幕指计算机的桌面，屏幕压缩是针对计算机桌面的视频序列进行的，屏 幕数据量非常大，以屏幕分辨率8 0 0 * 6 0 0 颜色数1 6 b i t 每秒6 帧画面为例，每秒 产生韵数据量为8 0 0 * 6 0 0 * 1 6 * 6 b p s = 4 6 m ，这显然不为当前通信网络所接受。因 此，对网络上传输的屏幕数据必须进行高效率的压缩。 计算机屏幕由一帧一帧时间上连续的静念画而序列构成，屏幕压缩和视频 压缩非常相似，连续的屏幕帧之问变化非常小，具有很强的相关性，这点上与 视频压缩相似。与视频压缩不同的是，屏幕压缩通常是实时压缩( 否则计算机 第3 章系统的理论基础 跟不上屏幕的变化) ，为此屏幕压缩方案通常简化或省去视频编码中的某些步 骤，例如不对块进行运动补偿。 现阶段比较通用的压缩方案是 3 4 , 3 5 3 6 l ：将屏幕画面切割成若干个格子，只 对发生变化的格子进行编码，格子的编码方法可以采用r l e 3 7 , 3 8 】，l z w t 3 9 】等方 法。以分辨率为1 0 2 4 * 7 6 8 的屏幕为例，将屏幕划分为3 2 * 2 4 的网格，每个格子 的大小为3 2 * 3 2 的正方形块，将当前编码帧与前面一帧比较，检查格子中像素 的变化情况，如果某个格子发生了变化，则对这个格子进一步编码处理，否则 不需要编码，最后将已编码的格子集中起来保存成帧。当屏幕的变化不是很频 繁时，采取这种方式能取得非常好的压缩率和性能，能满足实时要求，远程控 制类软件大多都采用这类做法，比如著名的u l t r a v n c ，r e a lv r l c 采用的就是这种 方法。 在本系统中，基于项目时问、开发难度以及性能上的考虑，我们采用了t e c h s m i t h 公司( 全球顶级的屏幕压缩方案提供商，其著名的产品为s n a g l t ) 提供的 屏幕捕捉开发包，该方案采用的思想【4 0 】是：检测屏幕帧中每一行的变化，只对 像素有变化的行利用r l e 游程码算法进行编码( 这和划分成格子的思想一致) ， 之后将变化的行组合起来再对整体进行z l i b 4 l 】压缩( z l i b 是一个开放的压缩库， 使用的是l z w 字典算法的一种变型) 。经过反复测试，在不播放高速视频和动 画的情况下( 实际教学过程中通常不播放高速视频或动画) 该算法产生的数据 率保持在2 0 6 0 0 k b p s 之间，拥有非常高的压缩率及性能。 3 6 音频抖动处理 由于人耳对音频数据非常敏感，而计算机网络的一个特征就是网络延时和 抖动，如果音频数据接收后不加入处理直接播放，听起来会断断续续，严重影 响收听效果。因此，必须在接收端加入音频抖g j 女k 理t 4 2 4 3 】，通常的做法是在接 收端设置一个音频缓冲区，使得系统以稳定平滑的速率将语音包从缓冲区取出、 解码并播放，如图2 1 所示。 图3 1 使j j 缓冲区消除音频捌动 f i g u r e3 - ia u d i o j i t t e r i n ge l i m i n a t ev i aar e c e i v i n gb u f f e r 北京1 = 业人学丁学坝j j 学位论义 缓冲区大小的设置是要考虑的重要因素，过小的缓冲区将导致语音包的溢 出和丢失，从而影响语音质量；过大的缓冲区将增加语音的时延。在实现时要 根据网络传输情况对缓冲区的大小进行动态的调整，本系统采用下述实现方式： 初始时缓冲区大小设置为l ，从缓冲区中取音频帧时计算和上一次耿音频帧的 时间间隔t i ，即计算取前后帧之日j 的时问i 、丑j 隔) ，如果t 超出音频帧长度p ( 音 频帧都有一个固定的播放时间，如g 7 2 3 1 的帧长为2 0 m s ) 的幅度大于1 0 m s ， 则将缓冲区长度加1 ( 1 0 m s 对人来说稍微能感觉出有停顿) ，如果缓冲区长度 已经调到了系统规定的最大值则保持不变。 3 7c r c 数据校验 c r c i 4 4 1 ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 是一种在数据通信和数据压缩中广泛采 用的检错校验码，用来测试一个网络数据包是否发生传输错误，它只能检测出 错误，但不能纠正错误。c r c 校验原理实际上就是在一个p 位二迸制数据序列 之后附加一个r 位二进制序列，从而构成一个总长为n = p + r 位的二进制序列。 例如，p 位二进制数据序列d = 【站i d p 2 d , d o ，r 位二进制检验码r = r r 1 r r 2 f i r o 】， 所得到的n 位二进制序列就是m = 【d p , d p a d l d or r o l r r - 2 r , r o ，校验码r ( 即c r c 码) 与数据d 存在某种对应关系，如果由于传输错误导致序列中某些位发生了 改变，那么这种对应关系就被破坏，数据接收方正是利用这个特点对数据进行 校验。 。 校验码是通过数据序列d 进行二进制除法取余运算得到的，它被一个成为 生成多项式的( 什1 ) 位二进制序列g = g ，g r j g l g o 来除，用多项式形式表示为： 等_ q ( x | + 器 ( 3 - - ) 其中，x r d ( x ) 表示将带校验的数据序列d 左移r 位( 即在d 的末尾增加r 个o ) ，q ( x ) 为这一除法所得的商，r ( x ) 即所需要的余使，也就是c r c 码，这一 运算关系还可以用公式( 2 2 ) 来表达： 鼬) - r e 【箬】 ( 3 - 2 ) 其中，r e 口表示对括号内的式子进行取余式运算。 校验码的计算如上所述，校验过程则是对m 序列直接进行除法取余式运 算，即： 掣：q ( 。) + 掣 ( 3 3 ) g ( x ) g ( x ) 第3 帝系统的理论璀础 或者表示为： m ) _ r e 【筹1 m 4 ) 如果所得到的余式若为零则表示数据f 确，否则认为有错误发生。 本文对通信过程中的控制协议数扼采用c r c 校验方式验证网络数据在传 输过程中的完整性。 3 8 本章小结 这一章首先介绍了应用层组播，这是系统网络通信的理论基础。接下来介 绍了流媒体技术、m p e g 一4 视频编码及g 7 2 3 1 音频编码，这些是系统实现时所 用到的多媒体技术基础，随后我们对音频抖动处理和c r c 数据校验进行了介 绍。 第4 章系统的数据通f 占模型 第4 章系统的数据通信模型 屏幕广播教学系统以广播多媒体数据为主要应用，教师机运行过程中产生 的数掘非常大，如果由教师机以c s 模式服务一定数量规模的学生机不大现实， 架设独立的集群服务器耗资巨大，而应用层组播正解决了这一问题，因此屏幕 广播教学系统的数据通信模型采用了基于组播树的应用层组播算法。整个系统 分中心服务器、教师端和学生端三部分：教师端在教师使用的计算机