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流媒体技术在多媒体远程教学支撑环境系统中的应用
发布日期:2007-3-22 23:12:53   作者:林世洪 郝建英 郭玉成 刘聪 (北方交通大学)   出处:helixapp
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〖摘要〗本文简单介绍了流媒体技术和基于该技术的一个产品—Windows Media Service,给出了利用该技术实现的一个多媒体远程教学支撑环境系统,它能够实现实时授课,点播和在线交互等功能。

〖关键词〗流媒体 多媒体 远程教学 ASF 服务器 客户机 点播 单播 广播 实时


The Application of Streaming Media Technology in Multimedia
Distance education Environment System

〖Abstract〗 In this paper ,we introuduce the streaming
media technology and a production – windows media service.
With this production ,we developped a multimedia distance
teaching environment system with which we can realize real
time teaching, order programming and online intercourse,
and so on.

〖key words〗streaming media; multimedia; distance
education; ASF(Advanced Streaming Format); server; client;
order programme unicast; broadcast; real time

前言
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集电视为主要媒介的广播电视阶段,发展到了今天的以计算机网络为主要媒介的现代远程教育阶段。随着计算机网络软硬件技术的发展和普及,远程教育将逐渐向网上教学的方向发展。

应时代需求,教育部推出了“远程教学支撑环境”项目,北方交通大学于2000年7月承担了的开发任务。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了有力的支持,我们开发的这套远程教学支撑环境系统中成功地应用了该技术。

流式媒体技术
原理
流媒体技术的关键在于网络数据传输和客户端播放并行。

流媒体传输技术是一种基于时间的连续实时传输技术,在网上传输的数据可以是包括音频、视频、文本、图片等在内的多媒体文件。客户端在播放前并不等待整个文件都下载完,而是采用数据流边传送边播送的方式。客户端仅在播放开始前感到有一些延迟,即在开始前把文件的部分内容已存入客户机的内存中。由于多媒体文件信息量大,在普通用户接入速率较低的情况下,采用边传送边播送的方式可以节省客户端的计算机资源。

显然,要实现整个过程,还要有一种数据文件的标准,即媒体文件格式。数据在传输前要先按着这种格式制作或转化成该格式,接受方可以用特定的播放器将其解压并播放。

2.现状

流媒体技术是RealNetWorks 公司首先推出的,但现在许多厂商都有成熟的基于Stream的产品,除了该公司Real systemG2外,还有Mircosoft的Windows Media Service,著名的VTEL公司也于1999年12月宣布即将在该领域推出若干新产品的计划。除了现有产品的支持,基于Stream媒体的国际标准也已经提出。W3C提出了基于Stream的媒体语言SMIL(Synchronized Multimedia Integration Language)。SMIL是一种类似于HTML的标记语言,可以描述演示的实时行为、屏幕上演示的版面以及协同媒体之间的超链接,可以演示流式视频、音频、图象、文本等多种类型,允许在一个同步多媒体演示中集成一系列的独立多媒体对象。利用SMIL语言可以方便的同步多个基于Stream的多媒体对象。成熟的现有产品和国际标准语言为基于Stream开发合适于Internet环境的多媒体远程教学环境提供了有力的保障。

微软开发的Windows Media Service 是一种能适应多种网络带宽的流式多媒体信息的发布平台,可以提供包括流失媒体的制作、发布、播放和管理的解决方案,而且其成套产品集成在Windows 2000 Server 中,所以我们选取它来作为开发工具,下面对它做一下简单介绍。

三、 Windows Media Service 产品技术


Windows Media 的应用框架


上图描述了该产品的构成、遵循的协议、服务方式和使用的流媒体格式文件—ASF,下面作一下简单介绍。

ASF(Advanceed Streaming Format)
Windows Media 服务使用 ASF,这是一种支持在各类网络和协议下进行数据传递的公开标准。任何压缩 - 解压缩运算法则(编解码器)都可用以编码 ASF 流。在 ASF 流中存储的信息可用于帮助客户决定应使用何种编解码器解压缩流。另外,ASF 流可按任何基础网络传输协议传输。同时作为一种文件类型,ASF文件专门用于 IP 网上传送有同步关系的多媒体数据。

系统的构成
由三部分构成:媒体服务器(Windows Media Server)、客户端媒体播放器(Windows Media Player)、媒体文件制作工具(包括媒体编码器—Windows Media Encoder、ASF文件制作工具—Media author 和未列出的 ASF文件管理工具—Media Index)

2.1 Windows Media Server 对外提供ASF流式媒体的网络发布服务,有两个模块组成:Windows Media Unicast Service 和Windows Media Station Service。其中Unicast Service可谓用户提供用户可控点播服务(On-denamd Unicast)和用户不可控点播(Broadcast)功能。Windows Media Station Service对外提供广播式服务。

2.2 ASF文件制作工具

a) Windows Media Encoder 用于实现将模拟信号数据制作成ASF文件或ASF数据流。

b) Windows Media Author 用于将录制好的音视频信息、图片、PowerPoint制作的幻灯片(电子教案)、各种Word文档、Script等各种信息合成到一起,形成单一的ASF流媒体文件。在制作过程中,可以使多种不同的信息之间建立同步关系。

c) Media ASF Indexer 对ASF 添加标记(Marker)和描述(Script)。Marker可用于对 ASF流的快速搜索和定位,课件制作者使用每个标记对应的名称说明该标记对应的内容。当ASF流开始播放前,远程教育客户机端的播放器可以显示全部标记相关的信息,通过标记浏览器可以快速的跳转到指定的位置开始播放,为学习者选择学习内容提供了方便。

2.3 Windows Media Player 用来从 Windows Media Server接收 ASF 流并解压播放。

四、基于流媒体技术的多媒体远程教学支撑环境系统

我们利用流媒体技术开发了这套多媒体远程教学支撑环境系统。它由服务器端、教师端、学生端构成,具有实时授课,点播和在线交互等功能。

系统组成: 本系统包括一个主要用VC 编制的网络教学支撑环境,由服务器端、教师端、学生端构成。它不但支持多个学生同时上课,而且支持多个教师端同时授课。
2.硬件配置: 由于本系统具备音视频功能,所以至少要在教师端配备摄像头、视频采集卡、麦克风、声卡等设备,要实现教师和学生、学生和学生之间的交互,学生端也要配备相应设备。

软件配置:系统运行在TCP/IP网络上,如果要使用多播方式还需要相应的路由器支持。同时系统需要访问数据库来获得用户身份信息,故还需要相应Microsoft SQL Server数据库支持。
服务器端:Microsoft Windows 2000 Server + Microsoft
Media Server + Microsoft Internet Information Server 5.0

教师端:Microsoft Windows2000 Professtional /
Windows95 / Windows98 + Microsoft Media Encoder 7.0
+ Microsoft SQL Server ODBC Driver + IE4.0

学生端:Microsoft Windows2000 Professtional /
Windows95 / Windows98 + Microsoft Media Player 6.4
+ Microsoft SQL Server ODBC Driver + IE4.0

4.系统各部分功用

服务器端用Microsoft Media Server为系统提供音/视频广播服务。
教师端运行Microsoft Media Encoder对教师的声音及图像进行编码并发送到服务器进行广播。教师端同时运行讨论程序服务端和白板程序服务端,为讲课提供提问、白板等功能的支持。教师端运行网络教学支撑平台的教师端程序,通过ODBC数据源验证教师身份后,为讲课提供前端支持。
网络教学支撑平台主界面的最顶端是主菜单和工具栏。左上角的较大区域是教案区,教师的超文本教案可以在这里方便的浏览,在教师浏览的同时学生端会自动同步。左下角是提问和讨论区,提供学生讨论和提问以及教师发布信息用。右上角是几个功能按钮。第一个是“电子白板”。第二个按钮是“补充/回主教案”,教师可以随时从这里转到临时补充的教案页面或回到主教案。第三个按钮是“允许提问”按钮,在缺省状态下学生只能听课,不能提问,当教师点击该按钮后学生端的“举手提问”按钮会自动打开,学生此时才可以向教师提问。右边中部的列表框显示的是在线用户,同时用“教师”、“学生”区分用户身份。右下区域是Media区,显示的是教师的实时授课图像,并播放相应声音。
学生端运行网络教学支撑平台的学生端程序,通过ODBC数据源验证学生身份并正确选课后进入网络教学支撑平台主界面,为讲课提供前端支持。学生可以收听教师的实时授课或广播,可以点播课件内容,也可以和教师进行在线交互。
5.系统主要功能的其实现
5.1 点播单播

该功能使得学生可以向服务器请求特定课件数据流的播放,学生可以自行选择学习内容,不受时间地点的限制,并且可以控制开始、暂停、前进和后退等播放过程。其实现如下:

首先要制作课件。这里,课件的制作有两种方式,一种是在教师端用Windows Media Encoder 将教师的授课实况直接制作成ASF文件;另一种是在任意配备相关软件的PC机上用Windows Media Author 将录制好的其它格式的音视频数据文件转换成ASF文件。这两种方式都需要用Mdia ASF Indexer 对ASF 添加标记(Marker)和描述(Script),并在事后将其放到媒体服务器的发布点上。

然后,发布ASF文件。这时,媒体服务器启动Media Unicast Service服务模块,并且工作在On-Demand Unicast 模式下,用MMS协议发布ASF文件。

最后,客户端用内嵌的Windows Media Player接受和播放信息。

5.2 实时授课

服务器端预先发布教学安排,按安排播发教学内容。学生定时被动的听课。

教师端用摄像机和麦克风等采集教师的实时授课现场信息,并用Windows Media Encoder直接制作成ASF流,用MSBD协议送到媒体服务器的广播站上进行实时广播。

同时,Media Server的启动Station Service服务模块,直接发布ASF流;客户端用内嵌的Windows Media Player接受和播放ASF流。

5.3在线交互

学生可以进行电子举手,教师可以向学生发出和收回发言权。由于实时答疑涉及到网上音视频交互问题,本系统采用了与H.323协议有关的其它技术,在此不再详述。


五、结束语

网上音视频实时传送和点播的技术正处于不断的开发和发展时期,流媒体的出现无疑为该领域注入了新的生机。本系统成功地应用该技术,其应用前景必将十分广大,它不仅可用于远程教学,也可用于其他任何部门进行多媒体信息的发布和交流。另外本系统还会在不断的改进,以实现更广更新更实际的功能,以适应时代的需求。

〖参考文献〗

1. 微软公司网站提供的有关Windows Media Service的电子文档

2. 《因特网上的媒体流传输-媒体服务器》许耀昌(北京科技大学) 中国数据通讯网络 2000.3

3.《基于IP 网的视频会议系统》皮富涛等(华中理工大学)电子工程师2000.2

4.《基于IP 网的音频通信系统系统设计》朱利等 (西安交通大学)西安建筑科技大学学报 2000.6

5.《IP电话-基于分组的多媒体通信系统》[美]Olivier Hersent, David Gurle,Jean_Pierre Petit 著;邝坚 等译 人民邮电出版社 2000.11版

6. 《多媒体远程教育技术的发展现状及问题初探》刘洁(西安交通大学)电化教育研究 2000.8

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