（电路与系统专业论文）基于多媒体的在线协作学习系统.pdf

摘要 m i i ii ii i i ii l uli ii ii i y 2 0 6 6 5 3 6 以互联网为代表的信息技术的飞速发展 改变了人们获取信息 传播知识的 渠道 传统的课堂教学模式由于缺乏交流互动与个性化的学习 已经不能满足现 代终身学习的需求 而以w e b 2 0 为核心的在线学习方式为学习者提供跨时空的学 习环境以及丰富的教育资源 促进学习者之间协作学习与资源分享 指引着未来 教育的发展方向 本文在分析学习者对在线学习平台的需求的基础上 确定了基于多媒体的在 线协作学习系统的功能和目标 将系统划分为基于内容的视频检索子系统和在线 学习社区两部分 本文首先研究了基于内容的视频检索中的视频结构化关键技术 根据教育视频的特点 以颜色直方图为特征 通过计算相邻视频帧的帧间差来进 行镜头分割 然后利用幻灯片上文字区域和灰度跳变特征完成关键帧的提取 用 x m l 数据构建结构化的视频数据模型 实现基于内容的视频检索 同时本文介绍 了a s p n e t c 撑语言 s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库 a j a x 等开发技术及工具 给出了 系统的功能设计和数据库设计 完成了系统的开发 本系统能为学习者提供基于 内容的教育视频检索并支持学习者以创造知识 交流共享为中心的在线学习 经 过测试 系统在交互性及稳定性上都达到了预期的效果 最后本文对系统的扩展 提供了思路 并指出了今后工作的研究方向 关键词 在线学习w e b 2 0 协作学习基于内容的视频检索视频结构化 a b s t r a c t 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 e c h n o l o g y t h es t y l e so fo b t a i n i n g i n f o r m a t i o na n ds p r e a d i n gk n o w l e d g eh a v eg r e a t l yc h a n g e d d u et ot h el a c ko f c o m m u n i c a t i o n i n t e r a c t i o na n dl e a r n e r s i n d i v i d u a ll e a r n i n g t h et r a d i t i o n a lc l a s s r o o m t e a c h i n gm o d e n ol o n g e rs a t i s f i e st h en e e d so fm o d e ml i f e l o n ge d u c a t i o n w h i l eo n l i n e l e a r n i n gb a s e do n t h ew e b 2 0t e c h n o l o g yp r o v i d e sal e a r n i n ge n v i r o n m e n t 衙t h a b u n d a n te d u c a t i o nr e s o u r c e sw i t h o u tr e s t r i c t i o no ft i m ea n ds p a c ef o rl e a r n e r s a n d p r o m o t e st h ec o l l a b o r a t i v el e a r n i n ga n dr e s o u r c es h a r i n gb e t w e e nt h e m w h i c hp o i n t s o u tt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fe d u c a t i o ni nt h ef u t u r e t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n t so fo n l i n el e a r n i n gp l a t f o r mf o rl e a r n e r s t h i s p a p e ri l l u s t r a t e st h ef u n c t i o n sa n dt a r g e t so ft h em u l t i m e d i ab a s e do n l i n ec o l l a b o r a t i v e l e a r n i n gs y s t e m w h i c hi sd i v i d e di n t ot w op a r t s c o n t e n t b a s e dv i d e or e t r i e v a la n d o n l i n e l e a r n i n gc o m m u n i t y f i r s to fa l l w ef o c u so nv i d e os t r u c t u r i n g t h ek e y t e c h n o l o g yi nc o n t e n t b a s e dv i d e or e t r i e v a l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fl e c t u r e v i d e o s s h o ts e g m e n t a t i o ni sa c h i e v e db yc a l c u l a t i n gn e i g h b o rf r a m ed i f f e r e n c ev v i n lt h e c o l o rh i s t o g r a m a n dk e yf r a m ee x t r a c t i o ni sa c c o m p l i s h e dt h r o u g ht h er e g i o ns h a p eo f e l e c t r i cs l i d e sa n dt h eg r e yc h a n g ep r o p e r t y b a s e do nt h es t r u c t u r e dv i d e om o d e l c o n s t r u c t e db yx m l d a t a t h ec o n t e n t b a s e dv i d e or e t r i e v a li sr e a l i z e d m e a n w h i l e t h e t e c h n o l o g i e st od e v e l o pt h es y s t e m s u c ha sa s e n e t c 撑l a n g u a g e s q ls e r v e r2 0 0 5 d a t a b a s ea n da j a x a r ei n t r o d u c e d t h ef u n c t i o n sa n dd a t a b a s eo ft h i ss y s t e ma r e d e s i g n e d o fw h i c hd e v e l o p m e n ti sc o m p l e t e d t h es y s t e mf o c u s e so no n l i n el e a r n i n g p r o v i d i n gc o n t e n t b a s e dl e c t u r ev i d e or e t r i e v a l f o rl e a r n e r sa sw e l la s s u p p o r t i n g k n o w l e d g ec r e a t i o n c o m m u n i c a t i o na n ds h a r i n g a f t e rt h et e s t t h ei n t e r a c t i v i t ya n d s t a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e de f f e c t i nt h ee n d s o m et h o u g h t sf o r t h ee x p a n s i o no ft h es y s t e ma r ep r e s e n t e da n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hi sp u tf o r w a r d k e y w o r d s o n l i n el e a r n i n g w e b 2 0c o l l a b o r a t i v el e a r n i n g c o n t e n t b a s e d v i d e or e t r i e v a lv i d e os t r u c t u r i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景与意义 随着计算机与网络技术的发展 人类社会已经进入信息化时代 信息技术是 当今最活跃 最具革命性的技术 它已经深入到人们的工作 学习和生活中 不 仅使得经济增长更加迅速 文化传播更加快捷 更改变了人类获取知识的途径i l j 信息技术的迅猛发展为教育事业带来前所未有的发展机遇 同时也带来新的挑战 传统 课堂学习 的教学模式远远满足不了现代人的需求 人们必须在实践中学 习 在学习中更好地实践 终身教育 终身学习 活到老 学到老 已经成为 世界教育改革和发展的共同趋势 人们的学习过程也逐步向没有时间和空间限制 的网络化 个性化 群体化发展 以网络技术为基础的在线学习将成为未来教育 的发展方向 2 在2 0 1 1 年中国国际远程教育大会上 教育部政策法规司长在主题 为 终身学习与社会发展 的报告中指出 目前社会的发展和科技的进步日新月 异 仅仅靠学校中的教育 已经远远不能满足人们在工作中对各种知识的需求 所以终身学习也必将伴随着社会的发展而共同进行 传统的课堂教育主要采用以教师为中心的教学方式 教师是知识的传授者 通过课堂讲授 书写板书把知识灌输给学生 学生长期处于被动接受的地位 这 样的教学方式不利于发挥学生的主观能动性和创造性 学习过程中缺乏讨论与合 作 不利于培养学生的合作精神和团队意识 3 虽然在传统教学过程中教师与学生 之间仍有 教与学 问与答 的交流 却是在教师主导下的交流 忽略了学生 的学习主体作用 缺乏主动性 学生之间的交流也受到限制 师生之间难以碰撞 出思维的火花 课堂教学活动必须在特定的时间 特定的地点进行 如果学生错 过了某次学习活动或者在学习中没有学懂课堂内容 那么也没有机会再重复进行 同样的学习过程 不利于学习者个性化地参与学习活动 以网络技术为核心的在线学习为学习者提供多种交互方式与丰富的教育资 源 是一种全新的学习方式 具有诸多优点 学习方式由以教师为中心转变为以 学生为中心 学习过程也强调互动 协作 交流 学生由知识的被动接受者转变 为知识的主动构建者 教师则帮助学生完成知识构建 指导学生自主地学习知识 激发学生求知欲望和学习潜能 3 1 学生可以不受时间和空间的限制 结合自身特点 和学习目标 做出个性化的学习计划 掌握学习进度 随时评价学习效果并查漏 补缺 不断加强薄弱环节 3 1 学生可以利用丰富的网络资源下载文件 传递信息 获取学习材料 知识的载体不再是当初枯燥的教学笔记 课件p p t 考试试题等 2基于多媒体的在线协作学习系统 文字材料 而是在形式上以文本 图像 音频 动画 视频等多种方式呈现的多 媒体资源 教学素材更具直观性 2 0 0 1 年4 月美国麻省理工学院通过媒体向世界 公布其o c w o p e nc o u r s e w a r e 项目 免费开放本校的优质课程供全球的学习者学 习 开放课件包括课程大纲 讲授笔记 课外作业 考试试卷 电子书 学习指 南 学习视频等各种类型的教育资源 随后耶鲁大学 伯克利大学 斯坦福大学 等也陆续免费推出开放课程资源 4 在我国 教育部于2 0 0 3 年4 月提出建设 高 等学校教学质量和教学改革工程 的规划 明确提出建设国家精品课程项目 利 用现代化的教育信息技术手段将精品课程的相关内容上网并免费开放 实现优质 教学资源共享 提高高等学校教学质量和人才培养质量 到2 0 1 0 年底 已累计建 设国家精品课程3 7 0 0 余们 覆盖了全国近千所高校 并带动起近1 0 0 0 0 门省级精 品课程和校级精品课程的建设 5 丰富的多媒体教学资源为学习者 终身学习 提 供了保证 然而许多单个的学习者面对海量化的互联网信息资源依然容易迷失方 向 在浩瀚的网络海洋里所获得的知识更多的处于 游离 状态 缺乏信息分类 与管理 因此推进教育信息化的同时 还需要构建教育学习平台 支持学习者的 个性化学习以及社群协作式学习 支持学习者的知识管理 支持教育资源的分类 与聚合 近年来 互联网进入了w e b 2 0 时代 其核心就是以用户为中心 让用户积极 主动地参与到网络内容的构建与传播中去 各种w e b 2 0 的应用技术如w i k i b l o g t a g 及s n s s o c i a ln e t w o r ks e r v i c e s 等接踵而至 开放 协作 分享与群体智慧的 理念在不同层面上推动着教育的发展 在线学习社区伴随着w e b 2 0 应运而生 它 更强调学习者的参与性 原本不相识的学习者可以结成学习伙伴群体 获得群策 群力的学习体验 针对学习中遇到的问题进行探讨 合作寻求答案 开展讨论相 互启发 弥补个体学习带来的弊端 加强学习者之间的信息共享和知识传播 提 高学习效率 在社区化的学习中 学习者在彼此的互动互助中既是知识的传授者 又是知识的吸收者 利用在线学习社区提供的标签 搜索引擎等工具 学习者能 获得最热门或者最有帮助的信息 学习社区中问答和收藏的功能 在帮助学习者 提供解决方案的同时 问题和收藏都能被 分享 评论 打分 让学习者在 社区中搜索问题时能够很容易地找到 分享最多 评论最多 打分最高 的知识 并多元评价和共享知识 让知识不断产生价值 因此以丰富的网络学习资源和社 区化学习为基础的在线学习将会是今后终身教育和学习的重要方式 第一章绪论 1 2 在线学习的进展与研究现状 1 2 1w e b 2 0 的发展现状 w e b 2 0 是相对w e b l 0 的新一类互联网应用的统称 是一次从核心技术到外部 应用的革命 w e b 2 0 是以b l o g t a g s n s r s s w i k i 等社会软件的应用为核心 依据六度分隔 x m l e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 可扩展标志性语言 a j a x a s y n c h r o n o u sj a v a s c r i p ta n dx m l 异步的j a v a s c r i p t 和x m l 等新理论和技 术实现的互联网新一代模式 2 1 w r e b l 0 与w e b 2 0 的不同之处由下表所示 表1 1w e b l 0 与w e b 2 0 的比较 w e b l ow e b 2 o 模式被动接受主动创造 基本构成单元 网页发表 记录的信息 工具互联网浏览器各类浏览器 r s s 阅读器 运行机制c l i e n ts e r v e rw e bs e r v e r 作者程序员所有普通用户 w e b 2 0 时代更关注用户的交互与体验 每个用户都可以成为网络中的细小节 点 通过信息分享 参与到编织互联网的工作中 把信息不断地传递下去 使互 联网的价值最大化 w e b 2 0 时代的核心理念就是让用户参与到内容创造 并更好 地变革互联网的内容组织和信息传播 创造关联性和社会性 3 1 w e b 2 0 以其个性 共享 开放等特点为传统教育的改革提供了一种全新的解 决方法 从教育的角度来说 学会互动 分享能更有效地帮助学习的进步 在w r c b 2 0 模式下 学习者不但能够收集 吸收和消化知识 还可以分享 创造和传播知识 他们是信息加工与情感体验的主体 是知识意义的主动构建者 具有更强的主动 性和自主性州 1 2 2 在线学习平台的发展现状 在线学习平台是在线学习过程中支持学习活动所需的各种应用子系统和工 具 它是在线学习的支撑平台 是体现在线学习优势的关键 一个优秀的学习平 台 不仅能使学习者方便地搜索到自己所需要的学习资源 更能使其通过自主探 究 协作分享的方式获取知识 促进学习 支持学习者之间的信息交流与互动反 思 目前国内有不少的教育类网站 主要分为以下几类 4 基于多媒体的在线协作学习系统 第一类是传统资源型网站 即就某一学习课程提供丰富的多媒体网络资源 供学习者浏览学习 例如西电精品课程网 h t t p j p k c x i d i a n c c 西安交通大学资 源共享网 h t t p o c w x j t u e d u e n i n d e x h t m 等 大部分精品课程网站通过提供教 学视频和课件辅助学习者学习 但是网站资源库中大量资源只是简单堆积 内容 更新慢 共享性差 资源库缺乏智能搜索功能 用户无法对资源进行标签分类 网站内容的更新只能通过技术人员通过后台管理的方式完成 没有真正做到 以 学生为中心 学习者只能被动地接受和学习 网站功能单一 缺乏交流 反馈和 评价或者只有简单的评论功能 缺乏个性化和智能化的学习支持 第二类是论坛型网站 例如c s d n h t t p w w w c s d n n e t 等 这类网站主要 通过学习者发帖提问 其他学习者进行解答的方式去辅助学习者学习 从而最大 限度的促进学习者之间的交流与资源共享 但是这种交互与协作只表现在浅层次 使得学习手段单一 对社会化学习支持不够 依旧缺乏对教育资源的有效搜索 第三类是结合以上两种类型的网站 例如学习港 h t t p w w w x u e x i g a n g c o m 弘成教育 h t t p w w w c h i n a e d u n e t 等 网站既提供丰富的教育资源 也有学习 者之间交流互动的讨论区 但是仍然没有体现w e b 2 0 的核心精神 即只注重信息 的提供 缺少用户的参与性与创造性 虽然学习资源 讨论 留言等功能能为学 习者所用 但是各功能模块之间却不能有效地协同与整合 学习者难以有效地参 与到协作学习中 在线学习网站缺乏工具和手段来支持学习者创造知识以及管理 自己在学习过程中积累的知识 由于缺少社区服务 学习者缺乏社群认同感和归 属感 难以从虚拟的学习环境中体验协作学习带来的帮助 学习者之间缺乏信任 度与凝聚力 1 3 论文的主要内容与章节安排 本文基于微软亚洲研究院基金项目 结合当前w 曲2 0 理念以及学习者对在线 学习平台的需求 设计开发了基于多媒体的在线协作学习系统 它既能帮助学习 者搜索到想要的教育资源 还提供在线学习社区 让学习者体验协作 共享式的 社会化学习 本文的主要内容如下 1 采用颜色直方图特征对基于内容的视频检索技术中的视频结构化技术进 行了研究 针对教育视频实现了基于内容的视频检索 面对网络上大量的多媒体资源 如何快速寻找所需的视频片段变得日益迫切 传统的数据库检索采用基于关键词的检索方式 但是视频内容非常丰富 单靠几 个关键字无法描述清楚 本文研究基于内容的视频检索 突破传统基于关键词检 索的局限 根据教育视频的特点 结构化教育视频 抽取特征和高层语义内容 第一章绪论 5 并建立索引 为学习者提供基于内容的视频检索 2 开发实现了基于多媒体的在线协作学习系统 本系统集教育视频检索与在线学习社区于一体 社区中的学习者能够建立个 人 学习笔记 记录学习心得 建立学习伙伴圈 与其他学习者分享知识和经验 进行协作 分享式的在线学习 有助于学科领域的知识共享和丰富 提高在线学 习的效率 本文从软件工程角度对该检索系统进行了详尽的描述 其中包括用户 需求分析 系统设计 数据库设计 系统实现和性能测试等方面 本文的章节安排如下 第一章 介绍当前教育模式的发展状况以及在线学习相比于传统学习的优势 以及发展现状 第二章 从软件工程的角度阐述了在线学习系统的任务需求 功能模块划分 以及软件开发的技术基础 第三章 介绍了目前视频结构化技术的方法与特点 结合教育视频的特点 利用颜色直方图特征实现教育视频的结构化 完成基于内容的教育视频检索 第四章 详细阐述了系统的设计与实现 从系统总体架构 功能设计 数据 库设计等方面给出了设计方案 完成系统设计 并对系统的测试情况进行了简要 的介绍 第五章 全面总结本文的成果以及存在的不足 指出今后工作的方向 6 基于多媒体的在线协作学习系统 第二章系统需求分析 7 第二章系统需求分析 2 1 引言 软件需求分析工作是软件开发过程中的关键点 通过软件需求分析 确定系 统必须完成哪些工作嘲 对系统目标和功能作进一步的准确 详细的论述 从而奠 定软件开发的基础 保证系统目标的实现 2 2 系统目标概述 2 2 1 基于内容的视频检索功能 系统后台处理数据库的视频 将教育视频结构化 抽取语义内容并建立索引 学习者只要给出视频的内容描述的关键字 系统就能对数据库中的视频进行检索 返回学习者所需的视频片段 2 2 2 基于社群的在线学习功能 学习者能够申请注册自己的用户名 添加其他用户为自己的好友 结成学习 伙伴 学习者可以搜索其他用户 或者以伙伴的伙伴为基础 扩展自己的伙伴圈 子 与其他的学习者共同学习 分享心得 用户可以加入由教师建立关于特定课 程的电子教室 与更多的学习者以小组的形式参与某些话题的讨论 与教师进行 交流互动 2 2 3 知识管理与扩展功能 学习者都有专属的个人学习空间 记录自己的成长过程和学习心得 对知识 进行整理与归类 通过添加标签分类学习资源 方便信息的间接搜索 学习者可 以参与学习资源的建设与共享 在获取到某一主题的知识材料后 消化吸收这些 知识的同时还可以对知识进行加工 传播 促进用户间的信息交换和知识分享 2 3 系统功能模块划分 基于以上需求分析 可将基于多媒体的在线协作学习系统分为基于内容的视 基于多媒体的在线协作学习系统 频检索子系统和在线学习社区两大子系统 如图2 1 所示 基于多媒体的在线协作学习系统 基于内容的视频检索子系统 视 频 结 构 化 模 块 文 字 识 别 模 块 语 音 识 别 模 块 视 频 检 索 引 擎 程 序 管 理 模 块 在线学习社区 注 册 登 录 模 块 图2 1 系统功能模块划分 2 3 1 基于内容的视频检索子系统 视 频 检 索 浏 览 模 块 电 子 教 室 模 块 伙 伴 群 组 模 块 学 习 笔 记 模 块 基于内容的视频检索子系统分为视频结构化模块 文字识别模块 语音识别 模块 视频检索引擎和程序管理模块 视频结构化模块 根据教育视频的特点 利用镜头分割和关键帧提取等算法 将教育视频结构化 构建以镜头为单位的结构化视频数据模型 文字识别模块 教育视频的内容主要是教师利用幻灯片讲授知识 而幻灯片 上的文字信息更容易反映视频的知识内容 该模块利用光学字符识别的方法提取 视频关键帧中幻灯片上的文字信息 语音识别模块 视频中不但有图像信息 还有语音信息 即教师课堂上的音 频讲解 也包含了重要的知识内容 该模块利用语音识别方法将视频镜头中的语 音信息识别成文字信息 视频检索引擎 将视频中的文字信息和语音信息建立索引 学习者通过输入 关键字就能检索到所需要的视频片段 程序管理模块 管理算法的工作流程 实现视频中文字信息的检测 提取和 识别以及算法执行过程中的内存管理 保证子系统中各模块的正常运行 2 3 2 在线学习社区 在线学习社区分为注册登录模块 视频检索浏览模块 电子教室模块 伙伴 群组模块 学习笔记模块 第二章系统需求分析 9 注册登录模块 学习者填写注册资料 提交后成为在线学习社区的注册用户 利用登录页面登录社区 学习者登录后拥有视频检索 发表话题 参与讨论 添 加伙伴等权利 未登录的用户只能以游客身份进入在线学习社区 只拥有视频检 索的权利 视频检索浏览模块 学习者输入需要检索的关键词 视频检索子系统完成检 索后 返回检索结果列表 学习者可以结构化地浏览视频进行在线学习 与其他 学习者分享学习体会 浏览视频内容相关的w i k i 百科知识 为视频添加标签分类 学习资源 电子教室模块 电子教室中的成员分为教师和学生两种角色 学习者可以创 建电子教室成为教师 其他学习者以学生角色加入 在教师的带领下 学生在虚 拟的教室环境下针对某一课程问题展开互动式的交流讨论 在电子教室中 教师 定期发布学习资源 进行相关课程的讨论 学习者可以浏览学习并向教师提出学 习中遇到的各种问题 也可以发表学习心得 与其他学习者一起分享 伙伴群组模块 通过此模块构建社区的社会化网络 学习者可以根据搜索条 件寻找其他学习者 添加成为自己的学习伙伴 建立开放 互动而又紧密相连的 寸 学习圈子 了解学习伙伴的学习动态 分享群体知识 充分调动学习者的学习积 极性 学习笔记模块 学习笔记相当于学习者在社区中的 个人学习空间 此模块 设计的重点是支持学习者的个性化学习 为学习者提供各种知识管理的工具 有 效的帮助学习者构建自己的知识库 学习笔记还记录了学习者添加的学习伙伴 参加的电子教室 发表的学习心得等信息 学习者在学习笔记模块中记录学习体 会 总结学习收获 发表学习心得的过程就是知识积累与消化的过程 在学习笔 记的首页中可以看到其他学习伙伴的学习活动情况 与好友分享学习动态 2 4 系统开发技术基础 本系统采用基于m v c m o d e l v i e w c o n t r o l l e r 设计模式 在w i n d o w s 操作 系统i i sw e b 服务器下 采用a s p n e t 技术和m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 5 数据库 建立一个基于b s 架构的在线学习系统 2 4 1m v c 设计模式 m v c 是一种广泛应用的结构设计模式 m v c 设计模式将一般的应用程序根 据功能的不同 划分为3 个主要部分 分别是模型 m o d e l 视图 v i e w 及控制器 c o n t r o l l e r 主要目的是降低系统的耦合性 提高重用率 提高系统的可维护性盯1 1 0 基于多媒体的在线协作学习系统 所谓模型 就是在m v c 设计模式中需要被显示的数据 一般情况下 模型需 要处理业务逻辑以及数据库的交互 对于数据库中的一个数据表来说 可以根据 数据表中的元素建立一个对象 即一个模型 该对象需要读取数据库中的信息 并对该数据表进行查询 添加 修改等操作 并且应用于模型的代码只需要写一 次就可以被多个视图重用 所以减少了代码的重复性 所谓视图 就是用户看到并与之交互的界面 主要用于显示数据和提交数据 对于w e b 应用程序来说 视图可以理解为由h t m l 元素组成的界面 所谓控制器 主要用于捕获请求并控制请求转发 改变模型的状态 选择适 当的视图来显示对应模型的数据 图2 2 表示的是m v c 各组件的关系 当用户在浏览器中输入浏览地址 到获 得页面的反馈结果 一般要经历以下5 个步骤 1 当用户在浏览器中输入浏览地址 发出页面请求时 实际上就是向控制 器发出相关命令 2 控制器接收用户的请求命令后 向模型请求获得相关的数据 3 模型将对应的数据返回给控制器 4 控制器将有关数据发送到指定的视图 5 指定的视图呈现被指定的数据 1 彳回 图2 2 m v c 各组件关系 m v c 设计模式的主要特点有 低耦合性 模型与控制器和视图的分离 很容 易改变应用程序的数据层和业务规则 高重用性和可适用性 多个视图能共享一 个模型 最大化地重用代码 可维护性 分离视图层和业务逻辑层使得w e b 应用 更易于维护和修改 2 4 2a s p n e t a s p n e t 是由 n e t 框架提供的类库构建的 它提供了一个w e b 应用程序模型 第二章系统需求分析 在介绍a s e n e t 之前 先认识一下m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k n e tf r a m e w o r k 是 n e t 的核心部分 它提供了 n e t 应用程序所需的核心服 务 是开发配置和运行分布式的w e b 服务和w e b 应用的基础平台 n e tf r a m e w o r k 是用于生成 部署和运行x m lw e bs e r v i c e 以及其他应用程序的环境 主要有两 个组件 公共语言运行库和 n e tf r a m e w o r k 类库 公共语言运行库是 n e t f r a m e w o r k 的基础内容 它提供内存管理 线程管理和远程处理等核心服务 还实 施代码的安全性策略 通常将在公共语言运行库控制下运行的代码称为托管代码 嘲 公共语言运行库先编译源代码 再执行它们 在 n e t 中 编译分为两个阶段 即把源代码编译为m i c r o s o f t 中间语言 然后公共语言运行库把m i c r o s o f t 中间语言 编译为平台专用的代码 这两个阶段的编译过程非常重要 因为m i c r o s o f t 中间语 言可以非常快速地转换为内部机器码 这种设计具有平台无关性 高性能和语言 的互操作性等诸多优点1 9 1 a s p n e t 作为 n e tf r a m e w o r k 的一部分提供 当编写a s r n e t 应用程序代码 时 可以任意访问 n e tf r a m e w o r k 中的类 可以使用与公共语言运行库兼容的任 何语言 包括v b n e t c 拌 j s c r i p t n e t 和j 拌等 来编写应用程序的代码 使用i 这些语言 可以开发利用公共语言运行库 类型安全 继承等方面的优点的 a s e n e t 应用程序 s j a s r n e t 的主要优点有f 1 0 l 1 高效性 a s e n e t 把首次在服务器上运行的程序编译成公共语言再运行 同时提供功能强大的缓存引擎技术 减少从w e b 服务器和数据库处理加载的次数 改善应用程序的性能 2 强大的工具支持 a s p n e t 架构可以用m i c r o s o f t 公司的v i s u a ls t u d i o 开发环境进行开发 3 强大性和适应性 由于a s p n e t 是基于公共语言编译运行的程序 可以 将它运行在w e b 应用软件开发的大部分平台上 具有强大功能和很好的适应性 4 简单性和易用性 a s e n e t 改变了过去w e b 页面编写时将程序代码和 h t m l 代码混合在一个页面中使得更新和维护非常不便的状况 a s p n e t 采用代 码隐藏技术将程序代码和h t m l 代码分离 代码采用c 群或v b n e t 编写 编写的 代码放在服务器端运行 避免了程序员在客户端和服务器端来回切换 同时它还 提供一种新的w e b 窗体的编程模式 编程者可以将控件拖放到页面上 完成对控 件的编程 从而提高了易用性 2 4 3c j 6 语言 c 撑是微软发布的一种全新且简单 安全 面向对象的程序设计语言 是专门 为 n e t 的应用而开发的语言 它包含了c j a v a 等语言的优点 体现了当今最 1 2 基于多媒体的在线协作学习系统 新的程序设计技术的功能和精华 c 群除了集成了c 语言的语法风格和c 的面向 对象特性 还有自己独特的性能 c 撑使用了统一的类型系统 抛弃了c 中流行的指针 禁止直接的内存操作 c 群不允许多重继承 但可以通过接口的继承来实现这一功能 c 撑可以与 n e t 平台 中的其他语言 v b n e t v c n e t 进行交互 体现了兼容性 n e t 与c 拌对x m l 的支持提到了更高的层次 可以通过c 群内含的类来使用x m l 技术 n e t 平台集 成了w e b 应用开发模型和w e b 服务模型 从而利用c 群不但可以开发w i n d o w s 应 用程序 而且也可以开发w e b 应用程序 如a s p n e t 应用程序等 n e t 框架为 c 提供了一个强大的 易用的 逻辑结构一致的程序设计环境 同时公共语言运 行库为c 撑程序语言提供了一个托管的运行时环境 使程序比以往更加稳定 安全 i l l 2 4 4s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库 s q ls e r v e r2 0 0 5 是微软开发的新一代企业级数据库产品 它提供了集成的数 据解决方案 增强了企业数据的安全性和可伸缩性 更易于创建 部署和管理 s q ls e r v e r2 0 0 5 集成了分析 报表和通知的功能 使企业可以构建和部署商业智 能解决方案 s q ls e r v e r2 0 0 5 超越传统意义上的数据库管理系统 已经发展成为 用于大规模联机事务处理 数据仓库和电子商务应用的数据库和数据分析平 台 s q ls e r v e r2 0 0 5 数据库引擎为关系型数据和结构化数据提供了更安全 更可 靠的存储功能 实现了与m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 的紧密集成l l 引 2 4 5a j a x a j a x 技术 作为w r e b 2 0 时代的产物和核心技术 从严格意义上说 它并不是 一种新技术 更不是一种语言 而是多种已有的技术的综合 传统的w e b 应用程 序中 h t t p 的请求和响应是同步的 由于网络带宽和服务器的处理速度有限 并 且数据传输的延迟 使用户不得不在请求页面后 等到服务器的响应才能提交第 二次请求 用户发出的请求总是提交整个页面 传输大量数据 给网络带宽带来 了很大的负担 a j a x 技术很好的解决了这一问题 通过x m l h r r p r e q u e s t 对象 异步于服务器进行交互 提交的数据只是页面的一部分 即每次刷新的数据 只 是页面的一部分 不像传统应用程序那样 提交整个页面 缩短了网络的延迟 大大地节约了用户的时间 s a j a x 中常用的技术包括 x h t m l e x t e n s i b l e h y p e r t e x tm a r k u pl a n g u a g e 可扩展的超文本标记语言 c s s c a s c a d i n gs t y l e s h e e t 级联样式表 d o m d o c u m e n to b j e c tm o d e l 文档对象模型 j a v a s c f i p t 第二章系统需求分析1 3 x m l h t t p r e q u e s t x m l 等 x h t m l 是一种基于x m l 的标记语言 表现跟h t m l h y p e r t e x tm a r k u p l a n g u a g e 超文本标记语言 相似 用于描述网页文档的一种标记语言 也是构成 网页文档的主要语言 用来说明文字 图形 动画 声音 表格 链接等 c s s 用来定义元素样式 可以将文档的结构和表现完全分开 通过设立样式 表 可以统一地控制h t m l 中各标识的显示属性 例如颜色 边框 背景图片 透明度和大小等 它能定义元素相互之间的布局以及简单的用户交互功能 有效 地控制网页的外观 d o m 用于表示文档结构 以一种独立于平台和语言的方式访问和修改一个 文档的内容和结构 d o m 技术使得用户页面可以动态地变化 如可以动态地显示 或隐藏一个元素 改变它们的属性 增加一个元素等 d o m 技术使得页面的交互 性大大地增强 j a v a s c f i p t 一种基于浏览器运行的解释性语言 不需要集成开发环境 只要 有文本编辑器即可编写j a v a s c r i p t 脚本程序 通过把j a v a s c f i p t 程序嵌入到客户端 的h t m l 页面中 能够最大限度地把静态的w e b 页面变成交互的 智能的页面 暑 语句由w e b 浏览器执行 从而减小了服务器的负担 x m l h t t p r e q u e s t 一个j a v a s c r i p t 对象 用于处理所有服务器通信 可以根 据需要自行与服务器进行交互 可以在不重新加载页面的情况下更新网页 在页 面加载后在客户端向服务器请求数据 在页面加载后在服务器端接受数据 在后 台向客户端发送数据 l3 1 x m l 用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言 可以用来标记数据 定义数据类型 x m l 非常适合w e b 传输 它提供统一的方法来描述和交换独立于 应用程序或供应商的结构化数据 具有良好的扩展性 内容与形式分离 便于与 不同系统之间信息传输等诸多优点蛹 2 5 本章小结 本章从软件工程的角度对基于多媒体的在线协作学习系统的需求进行了描述 与分析 该系统为学习者提供充分交流互动 分享学习心得的在线协作学习社区 能实现基于内容的视频检索功能 帮助学习者在浩如烟海的网络资源中有效地搜 索到想要的学习视频 本章最后还介绍了w e b 开发的软件技术与开发工具 1 4 基于多媒体的在线协作学习系统 第三章基于内容的视频检索技术 第三章基于内容的视频检索技术 3 1 引言 现代信息技术在教育上的应用 是当前终身教育发展的一个重要特征 特别 是网络技术的进一步发展和运用 让学习者告别时空限制 发展个性化学习的在 线学习方式受到广大学习者的青睐 学习者除了需要能够交流 互动 分享的学 习平台外 还需要充分利用网络学习资源 针对自己感兴趣的课程进行在线学习 互联网上的资源不再表现为单一的文字形式 而是采用文字 图像 音频 视频 等多媒体信息的形式存储和发布 学习者在搜索多媒体信息时 往往关心视频中 感兴趣的视频段 而不想浏览整个视频 通常学习者在获得整段视频后 只能通 过快进快退的方式寻找需要的视频段 大大影响了利用多媒体资源学习的效率 1 4 1 面对浩如烟海的多媒体信息海洋 学习者望 洋 兴叹 很难准确地找到 自己所需的信息 随着多媒体数据的日益丰富 学习者寻找感兴趣的视频片断的 需求变得日益迫切 如何自动地对多媒体资源进行分析 组织管理并建立索引 从而快速 有效地获取感兴趣的内容成为目前必须解决的问题 视频检索就是要从大量的视频数据中找到所需的视频片段 传统的视频检索 是基于关键词的检索方式 依靠人工方式对每一个视频文件采用描述性文本进行 标注 添加标签 然后对标签进行检索 将视频检索转化为基于标签的检索 搜 索结果的浏览方式一般是在播放器中顺序浏览 提供快进快退的功能 由于视频 数据内容丰富 单靠几个关键词无法描述清楚 这些标注信息靠浏览者加上去 受主观因素影响很大 不同的浏览者在不同条件下对同一视频可能给出不同的描 述 没有客观的标准 而且人工标注需要很大的工作量 这显然无法满足多媒体 数据库的要求i l6 j 1 7 1 学习者希望给出视频的特征描述或者内容描述 系统就能自动找到所需的视 频片段并把结果返回给他们 因此基于内容的视频检索技术成为关注的热点 即 根据视频的内容以及上下文关系对视频进行检索 学习者浏览教育视频时 主要 从视觉信息和听觉信息上来获取知识 这些信息主要包括视频帧中文字内容以及 教师讲课的语音内容 为了提取视频视觉信息和听觉信息中的高层语义内容 实 现基于内容的视频检索 其关键在于视频结构化处理 1 6 基于多媒体的在线协作学习系统 3 2 视频结构化技术简介 让计算机自动处理这种非结构化的图像流 分析包含的视频内容 对视频内 容进行归纳 使之成为结构性的数据 从而方便用户检索 这个过程称为视频结 构化 1 引 主要包括镜头分割和关键帧提取 3 2 1 视频结构模型 视频由连续的图像组成 它比文本 图片包含更丰富的信息 但是却无法像 文本那样直接给出它的内容或者直接对内容进行比较 它是一种非结构化的数据 流 在内容上却具有很强的逻辑结构和可分性 为了便于直接管理和检索 需要 对视频序列进行结构化 1 9 帧是视频数据的最小单元 表示一幅静态的图像 镜头是指摄像机在一个连 续的时间和空间内拍摄到的视频序列 表示一个摄像机的运动或者一个事件 是 相邻帧的短序列 任何视频都是由镜头衔接起来的 镜头是视频中的最小语义单 元 所谓场景 是由一组语义相关 内容相近的镜头组成 是一段视频的语义组 成单元 视频数据中的图像帧之间存在冗余 因此需要从视频数据中找出一帧或 多帧具有代表性的视频帧 即关键帧 来描述一个镜头 去除镜头内的冗余信息 反映镜头的主要内容1 1 9 j 一般说来 若干连续的视频帧构成了镜头 若干语义相关的镜头构成了场景 若干描述独立故事单元的场景最终构成了视频 视频的层次结构如图3 1 所示 视 频数据按其结构化分析从高层到底层可以分为视频 场景 镜头 关键帧 相当 于文本文件分析中所具有全文 段落 句子和单词一样类似的层次结构 视频 场景 镜头 关键帧 口口口口口口 形黝劬劬锄形 图3 1 视频层次结构 第三章基于内容的视频检索技术 1 7 3 2 2 视频特征分析 由于视频的视觉内容是视频主要信息来源 选取合适的特征能够比较明显的 体现出帧与帧之间的视觉差异性 在结构化分析时得到比较好的结果1 2 0 l 常用的 视频底层特征主要有 1 颜色特征 颜色特征是图像的基本特征之一 也是视频检索中应用最为广泛的视觉特征 颜色特征与其他视觉特征相比 具有对图像本身的尺寸 方向和视角依赖较小 提取相对容易等优点 提取图像颜色特征首先需要选择一个合适的颜色空间 不同的颜色空间具有 不同的性质 常见的颜色空间有r g b h s v 和y u v 等 r g b 颜色空间是目前运 用最广的颜色系统之一 它使用红 绿 蓝三基色的相互叠加表示各种颜色 几 乎包括了人类视力所能感知的所有颜色 h s v 颜色空间是用色度 h u e 饱和度 s a t u r a t i o n 和亮度 v a l u e 来表达颜色 j v 颜色空间是从r g b 产生一个亮度通 道和两个色度通道变换得到的 是针