（计算机系统结构专业论文）分布式多媒体远程教学系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 住远程教育领域 基于i n t e m e t 的分布式多媒体远程教学系统成本低 且能真 正突破课堂时空限制 j 下得到越来越广泛的应用 如何将教师上课的音视频等媒 体信息通过i n t e m e t 实时有效的传送到远端的学生机并进行同步连续播放是多媒体 远程教学系统需要解决的关键问题 为了实现媒体流在i p 网上的实时传输 本文存分析流媒体网络传输与控制咖 议的基础上 提出一种i p 上的多媒体数据实时传输方案 将资源预约协议r s v p 和实时流协议r t s p 结合起来设置和管理保留带宽的流会话 用实时传输协议r t p 承载多媒体的传输 该方案通过采用r t s p 建立和控制媒体流会话 r s v p 预约传 输所需的资源 并依据r t c p 数据包判断网络状态并动态调整数据传输速率来保 证传输质量从而实现远程教学系统媒体数据在i p 阌上实时有效的传输 其次本文提出了一种可动态适应网络传输延时变化的同步调整算法来实现媒 体数据在客户端同步连续的播放 该算法利用r t p 的时间戳和序列号信息 根据 网络延时的变化动态调整媒体单元的播放时间来维持实时数据的同步 满足用户 对播放质量的要求 通过仿真测试程序得出的同步性能分析结果证明了该算法的 可行性 关键词 远程教学多媒体传输多媒体同步服务质量 a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t r i b u t e dm u l t i m e d i ad i s t a n c e l e a r n i n gs y s t e m i s b e c o m i n gm o r ea n d m o r e w i d e l yu s e di nt h ef i e l do f d i s t a n c ee d u c a t i o nb e c a u s eo fl o wc o s ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c t h a te n a b l es t u d e n t st ol e a r na ta n yt i m e sa n dp l a c e s t h e nh o wt ot r a n s p o r tm u i t i m e d i a d a t as t r e a m si n v o l v i n gv i d e oa n da u d i oo fac l a s s r o o mi n s t r u c t o rv i ai n t e r n e tq u i c k l y a n de f f e c t i v e l ya n dm a n a g et h el i v es y n c h r o n i z a t i o np r e s e n t a t i o no fd i f f e r e n tm e d i aa t r e m o t ec l i e n ta r e k e y i s s u e st oi m p l e m e n tt h ed i s t a n c el e a r n i n gs y s t e m f i r s t l y as o l u t i o no fr e a l t i m em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o nf o rt h ed i s t a n c el e a r n i n g s y s t e mi sp r o p o s e d i nt h i st h e s i sb a s e do nt h ea n a l y s i so f t r a n s p o r ta n d c o n t r o lp r o t o c o l s o ns l x e a m i n gm e d i at o s u p p o r tt h ee f f e c t i v e l ym u l t i m e d i at r a n s m i s s i o no v e rap a c k e t s w i t c h e dn e t w o r k i tc o m b i n e sr t s pw i t hr s v pt os e tu pa n dm a n a g em u l t i m e d i a s e s s i o n st h a ta r ec a r r i e db yr t p r s v pc a nr e s e r v ei n t e m e tr e s o u r c ea n dr t c pc o n t r o l p a c k e t sc a nb e u s e dt od e t e r m i n et h en e t w o r k c o n g e s t i o ns t a t ea n dm o d i f yt r a n s m i s s i o n r a t ed y n a m i c a l l yi nt h es o l u t i o nt og u a r a n t e e q u a l i t yo f s e s s i o n s e c o n d l nas y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mw a sp r o p o s e dw h i c h c a na d j u s te v a l u a t i o n s b a s e do nt h en e t w o r kd e l a yt oi m p l e m e n tt h el i v es y n c h r o n i z a t i o np r e s e n t a t i o no ft h e r e m o t ec l i e n t s i d e t h e p r o p o s e dm e t h o dc a ne s t i m a t et h en e t w o r kd e l a yb yu s i n g c o n t r o li n f o r m a t i o ns u c ha st i m e s t a m pa n ds e q u e n c en u m b e rp r o v i d e db yr t pa n d a d j u s te v a l u a t i o n ss i m u l t a n e o u s l yt og u a r a n t e et h er e q u i r e ds e r v i c ef o rs y n c h r o n i z e d p r e s e n t a t i o ni n t h em u l t i m e d i ad i s t a n c e l e a r n i n gs y s t e m a na n a l y s i s o fe m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t e st h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo f t h em e t h o d k e y w o r d s d i s t a n c e l e a r n i n g m u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n m u l t i m e d i a s y n c h r o n i z a t i o nq o s 创新性卢明 y 6 9 5 8 3 i 创新性声明 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中所罗列的内容以外 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安电了科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我同工作的同志对本研究所做 的任何负献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位沦文与资料若有不实之处 本人承担一切相关责任 本人签名 彻鹚o f i l 期j 印f j 伊 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位沦文的规定 即 研究 7 卜存校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 本人保证毕 业离校后 发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学 学校有权保留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全 部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 保密的论 文在解密后遵守此规定 本学位论文属于机考 在一年解密后适用本授权书 本人签名 仞 瓦 日期廊上 如 导师签名 2f j日期生 王 丑兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 当社会步入二十一世纪的时候 以计算机技术 多媒体技术 网络技术为代表 的一系列高新技术突飞猛进地发展彻底改变了人们传统的信息观念 人类的学习 生产和生活的方式也随之而改变 以知识和信息的生产 分配 传播和利用为基 础 以创造性的人力资源为依托 以高科技产业为支持的知识经济观念里 人才 是社会发展的主要因素 技术是社会发展的主要力量 知识是社会发展的主要动 力 教育是一种进程 通过教育可以把信息转化成为知识 理念和智慧 但是传 统的教学模式由于其对教学时间和空间的限制 不适合当前知识型社会对教育灵 活化 大众化 终生化的要求 社会己经迫切需要一种新的获取知识的方式 远 程教育就是随着现代信息技术的发展和当前社会对知识的需求应运而生的 现代 远程教育充分利用计算机网络技术和多媒体技术 打破了传统教学模式中时间 空间等条件的限制 已经成为教育体系的重要组成部分 远程教学 d i s t a n c el e a m i n g 是指师生分离并采用媒体手段进行教学的教育活 动形式 和传统教学相比 远程教学具有教学层次的多样性 教学方式的灵活性 教学时空的延拓性 学习资源的共享性 教学手段的交互性和教学对象的 泛性 等特点 由于这些传统教学不具备的优点 远程教学的发展对于我国的经济和社 会的发展具有重要的意义 我国幅员辽阔 但是由于自然环境和地区发展的不平 衡性 教育资源的分布也呈现出不均衡的现象 经济落后地区由于教育经费和教 育资源贫乏 无法对教育对象进行必要和充分的教育 使得社会经济缺乏发展的 动力 从而进一步阻碍了教育资源的发展 加大与经济发达地区的差异 由于网 络远程教学通过网络传输教学信息 因此教学资源可以通过网络共享 教育资源 的共享使教育水平落后地区的学生可以享受到大城市名校 名师的教育 从而迅 速提升落后地区的整体教育水平 促进落后地区的经济发展 另一方面 现代社 会的发展速度越来越快 知识经济的时代要求人们只有不断地学习新的知识 技 能 才能跟上时代的步伐 学习已经转变成一个伴随每个人一生的过程 由于每 个学习者的知识背景 学习水平都各不相同 仅通过学校进行后续教育有较大的 限制 在网络化的电子环境中 由于教学层次多样 教学资源丰富和教学方式灵 活以及不受时空限制等特点 学习者可以不受年龄 职业或其他条件的影响 社 会所有成员都有均等接受教育的机会 同时远程教学的内容易于更新 易于传递 克服了传统教科书难以迅速更新的缺点 可以用最快的速度为学习者提供最新信 息和最先进的技术知识 在提倡学习型社会和终身教育的趋势下 网络学习是实 分布式多媒体远程教学系统关键技术研究 现终身教育的最好手段 我国有1 3 亿人口 网络学习的市场是1 e 常巨人的 现代 远程教育作为 个产业已变为中国互联网的新热点 促使了互联 c 9 发展的第i 次 浪潮 所以远程教学的发展对我国具有明显的社会效益和经济效益 1 2 远程教学的发展及研究状况 远程教学的发展经历了二个阶段 3 1 第一代是函授教育 其技术的代表和特征 是邮政通信和印刷技术 第二代是在第一代技术基础上 利用 播电视 卫星和 微波 录音录像 电话 电传等现代大众个人和电信传播媒体 展的远程教育 第三代引入了多媒体技术和网络技术建立一个虚拟的教学环境 称为现代远程教 育 又称为远程多媒体教学 从上个世纪九十年代开始 国外先进国家纷纷进行了网络远程教学的研究工 作 如斯坦福大学的约2 0 0 个在线电视广播课程和电视节目中 远程教学占2 5 这些课程各个方面都与校园教学的课程相同 随着网络远程教学的发展 s u n m i c r o s o f t 等国际著名大公司都加盟现代远程教育 为这个新的领域注入资本和活 力 同时一些关于远程教育的组织机构也相继成立 如加拿大远程教育协会 c a n a d i a na s s o c i a t i o nf o rd i s t a n c ee d u c a t i o n 美国远程学习协会 u n i t e ds t a t e s d i s t a n c el e a n i n g a s s o c i a t i o n 等 国外网络远程教育的发展主要体现在教育信息的 融合 教学资源的共享以及交流和协作等多方面 在国际现代教育思想的影响下 国内的远程教育近年来也取得了很大的发展 1 9 9 5 年底中国教育科研网c e r n e t 正式建成和投入使用 标志着开始进行网络远 程教学的探索 1 9 9 8 年初 教育部选定清华大学 北京邮电大学 湖南大学 浙 江大学率先进行远程教育试点 并授权进行本科学历教学 2 0 0 2 年 教育部批准 全国6 7 所高校开展远程研究生教育 成人专升本教育 行业内本科教育 4 1 同时 远程教育进一步向中 小学延伸 立n i l 京1 0 1 中学网校 目前国内实施的远程教学大体有以下几种方案 1 基于卫星线路的多媒体远程教学系统 由网络主站和分布在全国各地的 卫星小站组成 小站可通过i n t e m e t 访问主站提出申请 主站将小站需要的多媒体 文件传到卫星上 通过卫星中继向全国各地广播 小站从数据流中取出自己需要 的文件 如清华远程教育就采用的这种方式 通过亚卫二号卫星 k u 波段转发器 视音频信号采用压缩编码 传输速率为2 m b p s 2 基于专用线路的多媒体远程教学系统 以多点控制单元 m c u 汇接终 端设备组成视频会议网络 通过租用的专用数字通信线路进行多媒体远程教学 图像质量和语音质量较高 会议终端设备安置于会议室中 通常配有大屏幕显示 器 摄像机 扬声器和麦克风等 各个会议点的多媒体计算机将反映会场主要场 第一章绪沦 景的人物图像和相关资料同步进行数据压缩 根据视频会议的控制模式通过数字 通信系统向指定的方向传输 同时各会议点的多媒体计算机通过数字通信系统进 行实时接收 解压缩多媒体会议的信息 并在蛉视器屏幕上实时显示出指定会议 参加方的会议场景 人物图像和语音等 通过这种形式可以高质量的进行多点的 媒体数据的交互 如北京邮电学院的远程教学就采用的这种形式 3 基于i n t e r n e t 的多媒体远程教学系统 通过普通的i n t e m e t 线路传输教学 的内容 授课时学生只要通过任意一台接入i n t e m e t 的多媒体电脑就可以接收远程 的现场授课实况和教师讲课的电子教案 还可以实现实时文本讨论和音频交瓦 此外 通过点播方式学生可以随时选择自己需要的课程来学习和复习 利用w w w 方式 系统还呵为远程的学生提供远程测试 远程答疑等功能 基于i n t e m m 的远 程教学系统能够完全突破时空限制实现以学生为中心的学习并且实现成本低 正 在得到越来越广泛的使用 1 3 课题的意义和本文的主要工作 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 降低教学成本 共享优秀教学资源 实现学科优势互补和建设终身教育体系 学习者可以在自己方便的时间 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 这也是目前知识型社会发展的需要 以西安电 子科技大学网络教育学院为例 作为2 0 0 2 年教育部批准的全国6 7 所丌展远程教 育的高校之一 目前西安电子科技大学网络教育学院注册学生已有三千多人 除 陕西外 学习中心分布于北京 上海 福建 湖南 广西 广东 浙江 河南 河北 江西 辽宁 山西等省 学员在家里就可以访问西安电子科技大学的优秀 教学资源 扩展自身的知识面 多媒体远程教学系统作为远程教学的支撑平台 实现了以网络为基础的远程教学活动 所以研究多媒体远程教学系统就变得非常 有意义 通过1 2 节中对目前国内远程教学实现方案的分析来看 基于卫星和专用线路 的远程教学系统由于通过卫星信道或者a t m i s d n d d n 等专用线路进行网络 传输线路代价高 费用比较昂贵 同时学生仍需到当地配备专门设施的教室才能 上课 授课地点仍然受到局限 时空限制使得学员无法进行自主学习 而基于 i n t e m e t 的分布式多媒体远程教学系统具有低成本并且真正地突破了课堂的时空限 制的特点 在现代远程教育中具有的独特优势 奉文主要讨论了基于i n t e r n e t 的分布式多媒体远程教学系统的关键实现技术 从技术上讲 基于i n t e r n e t 的分布式远程教学系统是建立在现代多媒体技术和网络 技术基础上的多媒体应用系统 为了让远端参与远程教学活动的学生具有身临其 分布式多媒体远稗教学系统关键技术研究 境的感觉 分布式多媒体远程教学系统需要通过i n t e r n e t 网络将教师的图像 声音 和电子教案等多媒体信息传送给学生 也可以根据需要将学生的图像 声音等多 媒体信息回送给教师 从而模拟出学校教学的授课方式 所以在网卜开展远程教 学活动 需要解决两个基本问题 音频 视频流信息在i n t e r n e te 的实时有效的传 输和音频视频流与电子教案在学生端的同步播放 为此本文蕈点讨论了可提供动 态服务质 诗控制的多媒体远程教学系统媒体数据的i p 实时传输技术和适应网络时 延变化的分布式多媒体远程教学系统客户端自适应动态同步控制机制 1 4 论文的结构安排 全文分为六章 绪论部分介绍了远程教学的特点和发展远程教学的意义 分析 了远程教学的发展及研究状况 最后给出了本文需要做的工作 第二章首先分析了基于i n t e m e t 的分布式多媒体远程教学系统的总体结构及功 能模块 并结合系统的实际需求 引入了流媒体实时传输的关键实现技术分析 第一章讨论了分布式远程教学系统中媒体数据的i p 实时传输控制技术 本章 在分析实时媒体数据在i n t e m e t 传输面临问题的基础上 根据系统的实际应用需求 结合对流媒体相关传输控制协议的分析 提出一个可提供动态服务质量控制的多 媒体远程教学系统媒体数据的i p 实时传输方案 将r t s p 和r s v p 结合起来以建 立和管理预约带宽的流会话 用r t p 来承载实时数据的传输 并利用r t c p 数据 包判断网络状态并动态调整数据传输速率来控制传输质量 从而保证了媒体数据 低延迟 高实时性和有保证的传输 并实现了对媒体流传输的控制 第四章讨论了分布式多媒体远程教学系统中的媒体同步技术 本章首先讨论了 多媒体同步的相关概念和网络环境下影响媒体同步的因素 在此基础上重点讨论 了客户端媒体同步的实现机制 提出适应网络时延变化的自适应动态同步调整算 法 可以有效的实现分布式远程教学系统中媒体的流内和流间同步控制 在前面讨论的基础上 第五章论述了西安电子科技大学网络教育学院的多媒体 远程教学系统的实现方案 主要讨论了系统的构成和流媒体服务器与客户端的软 件模块结构 最后讨论了实现同步机制的系统的性能 结论中总结了本文所做的工作和取得的技术成果 提出了以后需要进一步研究 的问题 最后按照引文出现的顺序给出了参考文献 第二章分布式远程教学系统总体结构及相关实现技术分析i 第二章分布式远程教学系统总体结构及相关实现技术分析 通过上一章对目前现有的几种远程教学系统的比较 可以看到基于i p 的多媒 体远程教学系统在现代远程教育中具有的独特优势 低成本并且真正地突破了课 堂的时空限制 本章主要分析符合远程教学实际要求的分布式远程教学系统的总 体结构 结合系统的实际需求 论述了流媒体实时传输的关键技术 2 1 基于i p 的多媒体远程教学系统的总体结构 2 1 1 系统的组成 基于i n t e r n e t 的分布式多媒体远程教学系统拓扑结构如图2 1 示 幽2 1 远程教学系统拓扑结构图 系统采用了典型的服务器 客户端模式 服务器端有直播教室 w e b 服务器 音视频服务器和存储设备等 在直播教室实时采集的视频和音频信号编码后形成 的媒体数据既可以存入存储设备也可以直接送给媒体服务器 由媒体服务器通过 网络传送给远端的学生 媒体服务器中的数据 可以是从采集卡直接采集的实时 数据 也可以是存储设备中的媒体数据 甚至还可以是别的服务器中传来的数据 媒体服务器负责将这些数据在网络上以点播或广播方式发布 w e b 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 提供了多媒体课件点播 远程测 试 作业发布与答疑 网上讨论及教学管理的功能 远端的学生可以通过l a n 或 分布式多媒体远程教学系统关键技术研究 通过i n t e r n e t 接入剑该系统之r f l 访问卡h 关的教学资源 2 1 2 系统的功能结构介绍 分布式远程教学系统以网络为平台实现了相关的教学活动 远程教学活动的参 与者主要包括教师 学生和教学与系统管理人员 图2 2 显示了从教师 学生 管 理人员和技术四个层面 二分布式远程教学系统实现的功能 g 露 l 抽 j 匿蓊习 縻蓼 震黧 图2 2 分布式远程教学系统功能模块结构图 从远程教育的技术实现角度来看 远程教育的教学模式可分为实时在线远程教 学模式和自主式异步远程教学模式 相应的系统可以分为实时教学子系统和非实 时教学子系统 实时教学子系统主要包括实时授课系统 流广播系统 非实时教 学子系统主要包括多媒体课件制作系统 论系统 远程考试系统等教学辅助系统 2 1 2 1 实时授课系统 课件点播系统和网上答疑系统 网上讨 此外还包括教学管理系统 实时授课系统为时空上分离的老师和学生提供一个虚拟多媒体课堂教学环境 是多媒体远程教学中最重要的组成部分之一 它通过网络实时传输授课教师的音 视频信息和电子教案 实现教学现场的直播 从而解决了传统课堂教学的时空制 约问题 扩大教学规模 实现名师授课的共享 教学者事先在i n t e m e t i n t r a n e t 上发出通知 学生在讲课开始前访问某u r l 地 址 授课开始后 直播教室端采用摄像头 麦克风和音频视频采集卡采集教师的 视频和爵频信息 编码后传送给音频视频服务器 音视频服务器将教师机传送过 来的实时音视频数据按照传输协议打包后通过网络传输给远端的学生机 远端的 第二章分布式远程教学系统总体结构及相关实现技术分析 学牛机通过播放器进行解码播放 同时教师的音频视频信息也可以按照相应的编 码格式存储下来 以供以后按需播放 实时授课系统需要服务器端预先发布教学 安排 按安排播发教学内容 学生则须在指定时州听课 2 1 2 2 流广播系统 对于学校的大型活动 如名人讲座 文艺晚会等 由于场地空间的限制而将部 分学生拒之门外 通过远程教学系统的实时广播功能可以让每个同学从校园网上 看到实况 播 实时广播时 流媒体服务器端的编码器将视 音频设备采集到的源信号进行压 缩编码 生成流格式文件送给媒体服务器 服务器将这些文件数据转发给 组预 定的用户 广播时 用户只能被动地接收流媒体服务器发来的具有时间特性的媒 体文件 这样 学生就可以在计算机上观看实时节目了 也可以将节目事先制作 成媒体文件 通过校园网进行广播 这样可以不受节目源的播放时间限制 在合 适的时间进行广播 2 1 2 3 课件点播系统 实时授课系统解决了模拟课堂教学问题 但是只是在一定程度上打破了空间的 限制 学生仍然需要在指定的时州听课 课件点播系统可以让学生在方便的时候 学习 形式更加灵活自由 将事先制作好的多媒体课件按照一定的组织方式存放到流媒体服务器上 用户 可以向服务器请求特定课件的播放 点播系统中流媒体服务器和用户端的流媒体 播放器之间的交流是双向的 在发送数据的同时接收用户端发送来的反馈信息 实现了对播放流程的v c r 控制 如跳跃 快进 倒退等 课件点播是远程教学的主要形式 使得学生可以自行选择学习内容 不受时间 地点的限制 为学生提供一个可以自主上网点播学习的环境 满足学生个性化 自主式 随时随地学习的愿望 2 1 2 4 多媒体课件制作系统 多媒体课件制作系统提供教学课件的制作工具 使教师或教学课件的制作人员 可以方便的制作大量的教学课件 并上传到相应的课件服务器 课件是面向学习 者的 用于个别化学习的 生动的教学内容和丰富的表现形式可以适应不同层次 的学习者 对于增加学生的学习兴趣 提高学生的学习效率有很重要的作用 分布式多媒体远程教学系统关键技术研究 2 1 2 5 教学辅助系统 非实时教学辅助系统中包括课后辅导 答疑 网上讨论和远程考试系统 通过课后辅导答疑系统教师可定期针对授课情况发布课后作业 将作业内容 要求及提交时州等内容公布于相关课程的网页上 该网页山专门的系统管理员或 相关教师进j j 二更新 学生也可以通过电子邮件方式与教师交流 网上讨论系统具有基丁w e b 的b b s 讨论系统的功能 学生可在当前所有的讨 论组中挑选任意一组加入讨论 而且每一名学生的发言均能实时地显示在系统留 苦板卜 通过这种方式 町以使学生在课余时间对自己感兴趣的问题进行讨论 极大地调动了学生学习的积极主动性 远程测试系统按课程提供了分阶段的测试题 学生可以选择难度自行组题 然 后进行自我测试 考试完毕后系统会登记本次测试 学生端可以立即得到成绩 还可以看到参考答案 以巩固学习的知识 达到循序渐进学习的月的 同时教师 可以统计 分析网上考试的学生成绩以了解学生学习情况 从而确定以后讲课的 重点 教学辅助系统为学生利用课余时间进行自学和课后复习交流提供了有效的手 段 是对实时教学和课件点播学习的必要补充 2 1 2 6 教学管理系统 教学管理系统提供了系统维护 成员信息管理 安全认证 系统数据库维护等 功能 可以综合管理教师 学生以及各类课程的信息 并且对上述各功能模块的 功能讲行协调 2 2 流媒体技术的引入 在远稗教学过程中 需将信息从教师端传递给远程的学生 所要传递的信息是 多元化的 比如教师上课的录像资料 实验演示录像和教师制作的p o w e r p o i n t f l a s h 和a u t h o r w a r e 等课件甚至实时采集的教师上课的音视频信息 这其中包括视 频 声音 文本 图片 文字等各种类型的数据 如何将这些信息资料有效的组 合起来从一端传递到另一端以达到更好的教学效果 是远程教学系统需要解决的 问题 过去 由于受到网络带宽的限制 i n t e r n e t 上的数据都是以文字 图片之类的 静态内容为主 播放音视频文件时 用户只能将多媒体文件从服务器上完全下载 爿能播放 但a f v 文件一般都较大 需要的存储容量也较大 同时由于网络带宽 第二章分布式远程教学系统总体结构及相关实现技术分析 的限制 下载常常要花数分钟甚至数小时 如 个典型的m p e g 一1 编码视频节日 1 分钟的数据为1 1 3 m b 利用5 6 k b p s 调制解凋器至少需要2 7 分钟进行下载 所 以这种处理方法延迟很大 为了解决媒体信息在网络上的实时传输 流媒体技术 r s t r e a m i n gm e d i at e c h n o l o g y 应运而生 流媒体技术是为解决以i n t e m e t 为代表的 中 低带宽网络上多媒体信息传输问题而发展起来的一种网络新技术 将整个a 及3 d 等多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包 由视频服务器向用户 计算机连续实时传送 在采用流式传输方式的系统中 用户不必像采用下载方式 那样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在用 户的计算机上利用解压设备 硬件或软件 对压缩的a v 3 d 等多媒体文件解压后 进行播放和观看 此时多媒体文件的剩余部分将在后台从服务器内继续f 载 由 于边下载解压缩边播放 所以流式传输适合动画 视音频等媒体信息在网上的实 时传输 为了让远程教学更加生动形象 达到更好的教学效果 远程教学内容中包括了 视频 声音 图像等多媒体信息 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 为此远程教学系统中也可 以引入流媒体技术在网上传输多媒体课件信息和教师上课的实时音视频信息 目 前而言 能够在互联网上进行多媒体交互教学的技术多为流媒体 除了能够实现 网络的实时授课 通过使用流媒体中的v o d 视频点播 技术 更可以达到因材施 教 交互式的教学目的 2 2 1 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 流化是指根据客户机和服务器之间的可用带宽将数据分成许多数据分组 当客户机收到足够多的数据分组 用户软件就可以播放一个数据分组 解压缩一 个数据分组 同时接收下一个数据分组 流媒体实现的关键是流式传输 实现流 式传输有顺序流式传输和实时流式传输两种方法 顺序流式传输是顺序下载 下载文件的同时用户可观看在线媒体 在给定时刻 用户只能观看己下载的部分 而不能跳到还未下载的部分 并且在传输期问不会 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 所以用户在观看前 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 演说与演示也不 分布式多媒体远程教学系统关键技术研究 支持现场广播 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接配匹 可实时观看媒体 实时流 与h t t p 流式传输不同 需专用的流媒体服务器与传输协议 实时流式传输适合 现场事件 也支持随机访 u j 用 o 可快进或后退以观看前面或后而的内容 实 时流式传输必须匹配连接带宽 以调制解调器速度连接时图像质量较差 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 实时流式传 输需要流媒体服务器 流服务器可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 实时流式传输还需特殊网络协议 如 r t s p r e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 r t p r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 这些协议 在有防火墙时可能会出现问题 导致用户不能看到一些地点的实时内容 2 2 2 流媒体在远程教学系统中的播放方式 媒体服务器和客户端之间的媒体数据传输有单播 u n i c a s t 广播 b r o a d c a s t 和组播 m u l t i c a s t 三种方式一j 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 当 发送相同的数据给多个目标 服务器必须依次将相同的拷贝发给每一个接收者 所以单播传输网络资源利用率较低 同时要求服务器具有较高的处理能力 2 广播 信息源将媒体数据发向网络中所有主机 广播在子网内部实现比 单播容易 但在广域网范围内其路由实现起来比较困难 并且通过路由器传送的 广播数据包无法知道在其他网络上的主机是否需要广播的数据 即使在子网内部 广播也会造成网络资源的无效浪费 并且可能引起安全隐患 3 组播 信息源将信息发向所有网络节点的每个特定子集的一点到多点的 通信方式 特定子集是一个特殊的i p 地址 i p v 4 中的d 类地址就是组播地址1 标识 的组 组播的特点是高效率 当源站发送i p 包时 多个目的站均可收到 而网络 拓扑上到达某一个组的给定链路只使用一次 节省了网终带宽资源 可以把单播 和广播看成是组播的两个特例 组播对于连续媒体多点通信是一种非常高效的通 信方式 但是为支持i p 组播 发送 接收节点的网络适配器及网络线路上的路由 器和网络设施必须是支持组播的设备 图2 1 3 比较了单播 广播和组播三种传输方 式 第二章分布式远程教学系统总体结构及相芙实现技术分析 b 广播 路由 数据包 通信链路 c 组播 图2 3 单播 广播和组播传输方式比较 多媒体远程教学系统为用户提供课件点播服务和实时授课服务 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 点播过程中 每个用户与服务器之间均要建立单独的连接 点播的 节目也只送给进行点播的用户 其他的网络用户无法接收此点播者点播的节目流 在点播方式中 学生可以自由点播自己感兴趣的课件内容 并根据自己的实际情 况随时随地进行学习 学生在点播过程中还可以对点播的节目进行控制 但是由 于在节目点播过程中 每增加一个用户就需要增加一个连接 所以系统允许并发 访问的用户数目要受到网络带宽和服务器性能的双重限制 广播时用户被动接收媒体流 在广播过程中 学生只能被动地听课 不能选择 听课的时间 在听课过程中也不能对节目流进行控制 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 会造成网络资源的浪费 所以实时授课系 统 般采用组播方式 在组播过程中只需要播出一个节目流 网络负担较轻 组 播方式能否实现与网络中路由器的配置有关系 目前很多的路由器在配置时均不 允许组播方式的i p 包通过以减少网络流量 为了解决这个问题 可以考虑采用多 台媒体服务器 如图2 4 所示 分布式多媒体远程教学系统关键技术研究 图2 4 利用多台媒体服务器实现局域网中的组捅 通过单播方式 将媒体服务器a 中的媒体资源通过i n t e m e t 传送给媒体服务器 b 再山媒体服务器b 通过组播方式发给本地局域网中的学生机 2 2 3 几种流媒体实时传输的关键技术 教师音视频和多媒体课件等媒体信息使参加远程教学的学生有身临其境的感 觉 为了保证分布式远程教学系统中多媒体信息在i n t e m e t 上的实时传输 需要采 用流媒体实时传输技术 其中的关键技术主要包括编码技术 流媒体的实时传输 协议 差错控制技术 拥塞控制技术和媒体同步技术 2 2 3 1 高效的编码技术 多媒体应用走向实用化的一个前提是必须具备高效率的压缩编码方法 但是传 统的视频编码方式不适合网络传输 原因在于传统视频编码的目标是将视频压缩 成为适合一个或几个固定码率的码流 是面向存储的 由于网络的异构性和缺乏 q o s 保证 带宽在很大的范围内变化 所以面向网络传输的视频编码的目标是将视 频压缩成适合一个码率范围的码流 从1 9 8 6 年起 i t u i s o i e c 等国际组织开 始致力于制定图像压缩编码的国际标准 目前己制订的压缩编码国际标准包括视 频编码的c c i t t 即后来的i t u t 第1 5 研究组 s g x v 的h 2 6 1 h 2 6 3 h 2 6 3 h 2 6 3 和h 2 6 l 系列 i s o 的j e g j p e g l s 和j p e g 2 0 0 0 系列 i s o 的m p e g 一1 m p e g 2 m p e g 4 m p e g 一7 和m p e g 2 1 系列 其中m p e g 4 是运动图像专家组m p e g 于1 9 9 9 年出台的数字视频最新的帧间 压缩和存储标准 m p e g 一4 为多媒体数据压缩提供了一个更为j 阔的平台 它更多 的是定义一种格式和框架 而不是具体的算法 它将各种多媒体技术充分应用于 编码其中除压缩本身 些工具外 还包括图像分析和合成 计算机视觉 计算机 第一二章分布式远稗教 尹系统总体结构及相关实现技术分析旦 图形学 虚拟现实和语音合成等技术 m p e g 一4 提供了许多新的性能 基于内容的 交叵性和基于内容的分级扩展 空域分级和时域分级 定义了音视频对象 可以 对任意形状的视频对象编码 可以高效地对自然或合成的多媒体数据编码 m p e g 一4 具有高效的压缩性 更高的编码效率 与已存在的其它标准相比 在相同 比特率下具有更高的视觉听觉质量 提供了易出错环境中的稳健性 保证其在许 多无线和有线网络以及存储介质中的应用 8 h 2 2 3 2 流媒体的实时传输协议 计算机网络及其通信协议是用以完成多媒体实时传输的基础 传统的t c p 协 议是面向连接的传输协议 采用数据重传机制保证数据的正确传送 这不适用于 要求高实时性的多媒体数据 u d p 是面向无连接的传输协议 效率高 但u d p 不 提供可靠性措施 多媒体通过u d p 传输可能丢失或乱序 从而影响用户的观看效 果 为此 在传统i p 网络的基础上有必要引入新的传输协议如实时传输协议r t p r e a l t i m e t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 它也是现在几乎所有基于传统i p 网络的多媒体应 用的基础协议 r t p 提供端到端的数据传输服务 包括载量标识 数据序列 时 间戳和传输控制 r f c 3 0 1 6 定义了m p e g 一4 的r t p 的负载格式 这样就可以不使 用m p e g 4 的系统标准 直接把音频和视频比特流映射到包 2 2 3 3 差错控制技术 传统i p 网络由于分组交换网络所固有的缺点 如网络拥塞时有发生 网络带 宽经常变动 造成数据包传输过程中的丢失 时延和抖动 从而严重影响业务质 量 现有的视频压缩编码标准为了提高编码效率 尽量减少数据中携带的冗余信 息 但是编码的数据流中携带的冗余信息越少 数据之间的相互关联就越紧密 从而传输差错 误码和包丢失 对图像质量所造成的损伤也就越大 在视频传输中 差错控制的目的是通过提供丢失恢复 l o s sr e c o v e r y 能力减少分组丢失对接收 端视频质量的影响 为恢复丢失的分组 可采用自动重复请求a r q a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t 前向差错修 ef e c f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 以及混合f e c a r q 技术 a r q 技术的关键在于重新发送丢失的分组 但重传需要花费一定的传输和 等待时阳j 滞后的重传媒体数据对接收端没有任何意义 因此 实时媒体应用无 法依赖重传获得无差错传输 通用的错误处理技术在原理上并不依赖于所传送的 数据的具体特征 可应用于视频数据的分组传输 例如纠错编码 交错传输等 除了通用技术以外 针对视频据的具体特点 还存在一 些专用的差错防护和补偿 措施 如鲁棒编码 差错隐藏等 差错控制需要解决分组传输丢失问题 对于 l 2 6 x 或m p e g 中的编码方法 1 4 分布式多媒体远程教学系统关键技术研究 个分组的丢失可能会造成大量帧的质量下降 直到下一个帧内编码的帧被正确 接i 叟为止 然而 在一个育一定程度拥塞的或低速的网络当巾 接收到两个帧内 编码的帧的时间间隔也许较氐 为此可以采取以下的方法 1 减少帧内编码的问隔 极端情况是一帧的间隔 在m o t i o n j p e g 中采用 这个方法后 带宽的需求随之明显增人 2 仅对那些变化量超过某一门限的块进行编码和传输 3 同时使用帧内编码和帧问编码 而且对于帧内编码的间隔根据网络状况 动态地进行调整 上述力法通过调整帧内编码和帧间编码的帧的混合程度来使包丢失对视频效 果的影响最小化 实验证明 采用了动态调整帧间间隔的办法来适应实际的网络 状况 即根据报告包的丢失情况动态调整帧间间隔 增强了视频系统对网络丢包 情况的适应性 2 2 3 4 拥塞控制技术 通信子网中由于分组过多来不及处理导致其性能降低的情况就为拥塞 拥塞会 导致恶性循环 造成更严重的分组丢失 因此 对于实时i n t e m e t 视频传输来说 拥塞对视频传输的质量会造成严重的影响 为适应i n t e r n e t 音视频传输 需要根据 网络的状态来调整编码器的输出速率 从而避免因拥塞而导致的传输延迟及分组 丢失 满足i n t e m e t 音视频传输的实时性及传输质量等方面的要求 可以采用反馈 控制和基于信道模型的速率控制两种方法 由于网络的传输状态是变化的 反馈 控制的方法采用网络状态的反馈信息来控制分组的发送速率 一般采用分组的传 输延时作为反馈信息 反馈控制方法算法结构较为简单 但容易造成速率波动 随着控制理论与通信技术的结合 产生了基于信道模型的速率控制方法 与传统 的速率控制方法相比 能更加有效的利用网络资源 1 并可保证速率控制的稳定 胜 2 2 3 5 媒体同步技术 在多媒体传输中 多媒体信息通常由多个媒体流构成 如视频 音频和文本 等 各媒体流之间通常满足一定的时间关系 如远程教学实时授课系统中 教师 的音频流和视频流在学生端必须满足同步播放的要求 这种同步被称为媒体间同 步 而教师的音频流和视频流的顺序播放则需要流内同步过程 由于流媒体数据 间有着严格的时间关系 流媒体同步是由流媒体数据的时间特性而引发出的问题 所以媒体 步技术是实现媒体信息实时传输的一项关键技术 第一二章分布式远程教学系统总体结构及相关实现技术分析旦 2 3 本章小结 本章首先分析了基于i n t e m e t 的分布式多媒体远程教学系统的总体结构及功能 模块 根据系统的实际应用需求 引入了流式传输的关键技术 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i 叮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 所以在网上开展远程教学活 动 需要解决两个基本问题 音频 视频流信息在i p 网络上的实时传送以及它们 与数据在学生端的同步播放以保证远程教学系统应用的质量 避免造成播放端画 面的抖动 声音的不连续等问题 这些问题的解决方案直接影响到远程多媒体远 程教学的开展 所以本文在第三章详细论述了可提供动态服务质量控制的多媒体 远程教学