基于流媒技术的远程教育系统的设计与实现(论文)

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1、邮电大学通达学院毕 业 设 计论 文题 目：基于流媒体技术的远程教育系统的设计与实现 专 业： 网 络 工 程 学生： 甘 超 班级_ 06004516 指导 许 岚 指导单位： 通信与信息工程学院 日期：20XX11月16日至20XX06月11日摘 要网络以其丰富的信息资源、友好的交互性能以及优良的开放性等特点越来越受到人们的青睐,在网上开展远程教学己成为现代教育的热点。随着计算机网络技术和数字技术的迅速发展,远程教育己经进入了数字化、智能化、个性化的发展阶段,新的网络技术为传递最新的教学信息与知识提供了更多的途径。近年来,人们对多种媒体信息的需求不断增加,不再满足于只是简单的文本浏览、下载

2、等,而需要能承载实时交互的音视频信息资源。本文首先介绍了基于流媒体技术的远程教育系统产生的背景；接着阐述了流媒体技术的概念与原理,流媒体技术在远程教育中的应用等；然后分析系统的主要模块功能；最后通过Windows Media Encoder软件制作出流媒体课件,同时实现PowerPoint的同步功能。接着通过Windows Media Services服务器和Web服务器的架设在较低配置的电脑上也可以实现在线播放功能。关键词：流媒体技术,远程教学,Windows Media Series,在线点播AbstractNetwork has its excellent features such a

3、s rich information resources, and friendly interactive performance and open capability;more and more people favor it.Distance learning has become the hotspot of modern education. With the computer network technology and rapid development of digital technology, distance learning has entered the digit

4、al, intelligent and individualized development stage; the new network technology delivers and provides more ways to the latest information and knowledge of teaching .In recent years, multi-media information is on the increasing demand, no longer with just a simple text browsing, downloading .It need

5、s capacity to carry live interactive audio and video information resources. This paper starts from introducing the background of distance educationsystem,simultaneously;it describes the concept and principles of streaming media technology. Then,applications and main modules of the system are analyze

6、d; Finally, streaming media courseware which can achieve the synchronization of PowerPoint is made and the function of computer playback can be implemented with the Windows Media Services server and Web server set up in the lower configuration.Key Words: Streaming Media Technology, Distant Education

7、, Windows Media Series, On-line Player41 / 46目 录第一章绪论11.1课题产生的背景11.2研究现状与存在的问题21.3课题研究的目的与意义21.4课题研究容与论文结构3第二章流媒体技术概述42.1流媒体技术概念42.2流媒体技术原理52.3流媒体的传输模式62.3.1流媒体的传输模式62.3.2流媒体的播放方式72.3.3流媒体传输协议82.4流媒体文件的压缩格式92.4.1 AVI格式92.4.2 MPEG格式92.4.3 RealVideo格式102.4.4 QuickTime格式102.4.5 ASF和WMV格式102.5流媒体技术在远程教育

8、中的应用112.5.1课程在线点播112.5.2实时授课堂广播11第三章系统设计与分析123.1系统总体设计分析123.1.1系统功能模块总体设计思想123.1.2系统结构设计163.2系统设计的目标183.3系统实现的主要工作19第四章流媒体课件的制作与发布204.1 Windows Media Encoder 9.0制作课件204.1.1 Windows Media Encoder的编码配置204.1.2音视频课件的录制214.1.3捕捉屏幕录制课件234.2自制课件与PowerPoint的同步244.2.1 PowerPoint课件的转换254.2.2 PowerPoint与音视频课件的

9、关联254.2.3同步的实现264.3流媒体课件的发布27第五章基于流媒体技术远程教育系统实现295.1系统开发的软、硬件环境295.1.1系统开发的硬件环境295.1.2系统开发的软件环境295.2流媒体服务器的配置295.2.1 安装Windows Media Services305.2.2 Windows Media Services服务器设置315.3 IIS架设Web网页服务器34结束语39致40参考文献41第一章 绪论1.1课题产生的背景随着知识经济时代的到来,传统的教学模式已经难以满足现代社会对高等教育的需求,教育资源因受时间和空间的限制造成了一定程度上的浪费。信息技术,特别是计

10、算机网络和多媒体技术已经渗透到现代社会的各个领域当中,并且为教育资源的优化与共享提供了广阔的发展空间。在这样的背景下,现代远程教育显示了其巨大的优越性和可行性。远程教育模式经过不断发展,现已经发展成为以互联网和多媒体为主要媒介的现代远程教育, 真正突破了学习时间和地点的局限。 远程教育突破了传统教育在时间和空间上的局限,扩展了教育环境, 从真正的意义上实现了教育资源的共享。目前的远程教育系统是基于 B/S模式的教育系统,采用协议, 系统只有一个Web服务器, 为整个网络提供服务信息, 该系统的结构模型如图 1.1所示。图1.1 传统的远程教育系统体系结构系统由数据层、 服务层和客户端层构成。传

11、统的教育系统存在以下问题：不能实现现场广播。现场广播是一种流媒体数据,只能够使用单独的流媒体协议进行数据传输,不能够用 协议传输。而现代教育一般都提供了直线交流,这就要求远程教育系统必须提供实时交流。特别是数据量大的多媒体数据的实时传输就成为数据传输的重点和瓶颈。空间资源要求大。因为传统的下载方式要求将所有的数据到下载后保存到本地机器,这样对本地机器的空间要求比较高,特别是视频和音频等多媒体数据。 不支持动态多媒体数据传输。传统的 协议支持静态的图像、文本等多媒体数据,而不支持音频、视频等动态多媒体数据传输。而动态多媒体数据是现代远程教育的基本信息。采用单纯的流媒体技术实现远程教育系统,可以能

12、够克服上边问题。但是又存在以下的问题： 媒体服务器带宽占用大。不同于电台和电视台使用广播形式发送节目,流媒体业务使用了单播形式,即一个用户一份流,即使有两个用户在观看同一个节目时亦然,所以用户越多,需要带宽就越多。当用户到达一定规模后,带宽就会成为业务发展的瓶颈,这时就需要投入大量费用购买带宽以满足要求。流媒体服务器处理能力要求高。用户多了,流媒体服务器处理能力也会成问题,这时候需要购置服务器以支持更多用户。流媒体负载均衡要求高。为减少骨干网络带宽占用、保证服务质量和就近提供服务,一般流媒体服务都需要部署复杂容分发系统。这样就大大增加了系统投资和管理复杂度。而现代的远程教育是一种动态的同步教学

13、模式,要求教师的授课容都要动态地进行传输,而且还要进行面对面的交流,为此,必须引进一种新的技术流媒体技术,该技术能很好地解决异步教学模式存在的问题。1.2研究现状与存在的问题于异地的教育机构的学习,或参加提供时间上不同步学习的教育机构的学习的过程。远程教育是随着现代信息技术的发展而产生的一种新型教育技术形式,它的突出特点包括:不受空间和时间的限制；受教育对象扩大到全社会；有更丰富的教学资源供学习者选用；教学形式由原来的以教为主变为以学为主。远程教育系统是建立在现代传媒技术上的多媒体应用系统,现代通讯将含有图片,声音和视频的课件传递给学生,也可将学生的图像,声音和视频回送给教师,从而模拟传统学校

14、教育的授课方式。现代远程教育是在学生与教师、学生与教育组织之间采取多种媒体进行系统教学和通信联系的教育形式,是将教育资源传送给校外一处或者多处学生的教育活动形式。远程教育的现代化是适合社会发展需要,伴随现代媒体技术的发展而迅速成长壮大的教育活动形式。它由特定的教育信息传输和交流手段、特定的教育信息资源。与常规的学校教育相比,现代远程教育有开放性、延伸性、灵活性和媒介性的特点。1.3课题研究的目的与意义虽然在近20年来,我国远程教育无论在规模层次上还是在技术层面都取得了长足的进步,然而与发达国家相比,我们还有很大的差距。为了缩短与发达国家在现代远程育领域的距离,为了实施面向21世纪教育振兴行动计

15、划,为了适应我国高等教育大众化趋势的需要和为社会成员提供终身学习的机会,为给农村和边远地区提供适应当地需要的教育,进行基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的研究工作十分必要。因此,如何通过调查、研究,进一步认识流媒体、挖掘流媒体的优势,构建出一个合理的将流媒体技术应用到远程教学中的教育支持平台,并通过这个平台使流媒体技术能得以发挥其应有的特点和优势,更好的为教育服务,是本课题研究的目标。1.4课题研究容与论文结构本课题的目标是要建立一个整合了硬件、软件、媒体资源和教学管理的基于流媒体技术的远程教育视频教学系统平台,在现有的各种远程多媒体教学模型的基础上,结合流媒体传输技术基础,实现便于操作

16、,易于管理发布的课件制作和点播系统。远程教学的一个难点是如何高质地、高效地发布教学音视频流,其中涉及音视频课件采集、压缩技术、传输协议与应用层QOS技术、课件与PPT授课文档同步等关键技术。本课题根据远程多媒体教学存在的需求与特点,对其中涉及的部分关键技术进行研究并设计实现适合于目前Internet状况的远程多媒体教学系统。论文的结构安排如下：第一章绪论,简述论文的研究背景,对基于流媒体技术远程教育系统课题的研究现状以及存在的问题的概述。第二章流媒体技术概述,主要对流媒体相关技术进行分析与介绍。首先对流媒体概念与流媒体相关技术进行了介绍,接着对实时传输协议RTP/RTCP与MIME协议进行了介

17、绍,最后对基于流媒体技术在远程教育方面的应用进行了分析。第三章基于流媒体技术远程教育系统的分析设计,本章提出了系统总体设计方案,对系统设计过程中的各模块进行了分析和功能设计,并着重介绍了系统设计的基本思想,系统设计的目标以及设计任务,同时还详细介绍了系统主要实现容等。第四章流媒体课件的制作与发布,本文的技术难点,主要是详细介绍了流媒体课件的制作方法,包括音视频课件的录制,与PPT的同步以及PPT自动翻页功能的实现方法。第五章基于流媒体技术远程教育系统的实现,主要是介绍系统硬件、软件配置；流媒体服务器的配置和IIS架设Web网页服务器。第二章 流媒体技术概述随着现代网络技术的发展,网络带给人们更

18、多形式的信息模式。从图片到各种形式的网络视频、三维动画,人们的视听觉感官在网络上得到了很大的满足。而同时面临的是另外一种不可避免的尴尬:正是由于人们需求的不断提高,上网人数的不断增加,加之网络硬件设备的局限性,使得网络下载速度和下载文件大小成为网络传输不可忽视的参数。近年来,为了解决文件下载时间过长的问题,适应网络多媒体化的发展趋势,一种新兴技术-流媒体Streaming Media应运而生。流媒体技术采用边下载,边输出的方式,只需几秒种或十几秒钟的启动延时即可在客户端上利用相应的解压缩设备对压缩的视频、音频等多媒体文件解压后进行播放。与过去的那种先下载、后输出相比,流式传输方式不仅使启动延时

19、大幅降低,对系统缓存的需求也大大降低；而且流媒体运用了特殊的数据压缩和传输技术,可以使得声音和视频文件变得很小,通常只有WAV和AVI文件的3%5%,非常适合在网络上发布比较长的声音和视频片断。从前,多媒体文件需要从服务器上下载后才能播放,一个1分钟的较小的视频文件,在56K的窄带网络上需要几十分钟时间进行下载,这限制了人们在互联网上大量使用音频和视频信息进行交流。流媒体不同于传统的多媒体,它的主要特点就是运用可变带宽技术,以流Stream的形式进行数字媒体的传送,使人们在从28K到几Mb/s的带宽环境下都可以在线欣赏到连续不断的高品质的音频和视频节目。在互联网大发展的时代,流媒体技术的产生和

20、发展必然会给我们的日常生活和工作带来深远的影响。2.1流媒体技术概念流媒体技术的核心就是流媒体本身,而所谓流媒体是指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体。流式传输将文字、图像、动画、音频、视频等多媒体信息源经过特殊的编码、压缩、分割等方式分成一个个压缩包,然后由视频服务器向终端计算机连续、实时传送这些包。在采用流式传输方式的系统中,终端用户不必像非流式技术那样,须等到整个多媒体文件全部下载完毕后才能播放其容,而是只须经过几秒至几十秒的启动延迟后即可在终端用户的计算机上利用相应的播放器,对流媒体文件进行解压播放。在播放的同时,流式媒体文件的剩余部分在后台服务器的支

21、持下继续下载,由于这个过程是动态的,多媒体在网络上的传输像流水一样,延绵不断,故形象地称之为流媒体。而流媒体技术就是把连续的影像和声音经过压缩处理后放到网络服务器上,让浏览者一边下载一边观看、收听,而不需要等到整个多媒体文件下载完成就可以即时观看的技术。实际上流媒体技术并不是单一的技术,它是融合很多网络技术之后所产生的技术,它会涉及到流媒体数据的采集、压缩、存储、传输以及网络通信等多项技术。流媒体Stream Media技术的出现使得在窄带互联网中传播多媒体信息成为可能。在Internet产生的很长的一段时间,网上的应用一直局限于下载使用的模式,但自从1995年Progressive Netw

22、orks公司,也就是后来的RealNetworks公司推出的第一个流产品以来,Internet上的各种流应用迅速涌现,逐渐成为网络界的研究热点。随着这项技术的不断发展,现在已经有越来越多的开始采用流式技术作为传播信息的方式,从而使的容变得丰富多彩。而对于用户来讲,观看流媒体文件与观看传统的音视频文件在操作上几乎没有任何差别。唯一有区别的就是影音品质上,由于流媒体为了解决带宽问题以及缩短下载时间,而采用了较高的压缩比,因此用户感受不到很高的图像和声音质量。但随着网络带宽的不断增加,以及压缩格式的不断改进,用户最终可以欣赏到满意的效果。2.2流媒体技术原理实现流式传输需要使用缓存机制。因为音频或视

23、频数据在网络中是以包的形式传输的,而网络是动态变化的,各个数据包选择的路由可能不尽相同,到达客户端所需的时间也就不一样,有可能会出现先发的数据包却后到。因此,客户端如果按照包到达的次序播放数据,必然会得到不正确的结果。使用缓存机制就可以解决这个问题,客户端收到数据包后先缓存起来,播放器再从缓存中按次序读取数据。使用缓存机制还可以解决停顿问题。网络由于某种原因经常会有一些突发流量,此时会造成暂时的拥塞,使流数据不能实时到达客户端,客户端的播放就会出现停顿。如果采用了缓存机制,暂时的网络阻塞并不会影响播放效果,因为播放器可以读取以前缓存的数据。等网络正常后,新的流数据将会继续添加到缓存中。虽然音频

24、或视频等流数据容量非常大,但播放流数据时所需的缓存容量并不需要很大,因为缓存可以使用环形链表结构来存储数据,已经播放的容可以马上丢弃,缓存可以腾出空间用于存放后续尚未播放的容。图2.1 流式传输基本原理当传输流数据时,需要使用合适的传输协议。TCP虽然是一种可靠的传输协议,但由于需要的开销较多,并不适合传输实时性要求很高的流数据。因此,在实际的流式传输方案中,TCP协议一般用来传输控制信息,而实时的音视频数据则是用效率更高的RTP/UDP等协议来传输。流媒体传输的基本原理如图2.1所示。在图2.1中,Web服务器只是为用户提供了使用流媒体的操作界面。客户机上的用户在浏览器中选中播放某一流媒体资

25、源后,Web服务器把有关这一资源的流媒体服务器地址、资源路径及编码类型等信息提供给客户端,于是客户端就启动了流媒体播放器,与流媒体服务器进行连接。客户端的流媒体播放器与流媒体服务器之间交换控制信息时使用的是RTSP协议,它是基于TCP协议的一种应用层协议,默认使用的是554端口。RTSP协议提供了有关流媒体播放、快进、快倒、暂停及录制等操作的命令和方法。通过RTSP协议,客户端向服务器提出了播放某一流媒体资源的请求,服务器响应了这个请求后,就可以把流媒体数据传输给客户端了。需要注意的是,RTSP协议并不具备传输流媒体数据的功能,承担流媒体数据传输任务的是另一种基于UDP的RTP协议,但在RTP

26、协议传输流媒体数据的过程中,RTSP连接是一直存在的,并且控制着流媒体数据的传输。一旦流媒体数据到达了客户端,流媒体播放器就可以播放输出了。流媒体的数据和控制信息使用不同的协议和连接时,还可以带来一个好处,就是播放流媒体的客户机和控制流媒体播放的客户机可以是不同的计算机。2.3流媒体的传输模式流式传输的定义很广泛,现主要指通过网络传送媒体的技术的总称。以下将会从流媒体的传输模式、流媒体的播放方式以及流媒体的传输主要协议三个方面对流媒体的传输进行介绍。2.3.1流媒体的传输模式实现流式传输有两种方法,分别为顺序流式传输Progressive Streaming和实时流式传输Real-time S

27、treaming。顺序流式传输流媒体顺序流式传输采用Web服务器,支持一边下载一边播放。但在给定时刻,用户只能播放已下载部分,而不能跳到还未下载的后继部分。顺序流式传输只支持匀速传输,不支持变速传输。顺序流式传输能保证较好的传输质量,但延迟较大,适合需要高质量的短片段。实时流式传输流媒体实时流式传输,需要在服务器端安装专用的媒体服务器,采用RTP、RTCP、RTSP等实时传输协议,它不仅支持一边下载一边播放,而且支持任意顺序的播放。由于实时流式传输的时延很短,所以特别适合实时性要求高的场合,如：视频会议、网络直播等现场事件。实时流式传输支持变速传输,这就意味着不同带宽的网络都可以用实时流式传输

28、技术。在传输质量上,实时流式传输一般不如顺序流式传输稳定,尤其在低带宽时,图像质量较差,现在的主流做法是以带宽换质量,宽带网的普及将为实时流式技术的应用提供更加广阔的天地。2.3.2流媒体的播放方式流媒体服务器可以提供多种播放方式,它可以根据用户的要求,为每个用户独立地传送流数据,实现VODVideo On Demand的功能；也可以为多个用户同时传送流数据,实现在线电视或现场直播的功能。下面介绍一下这些播放方式的特点。流媒体的网络发布主要有两种形式：点播、广播和组播。1点播：当采用单播方式时,每个客户端都与流媒体服务器建立了一个单独的数据通道,从服务器发送的每个数据包都只能传给一台客户机。对

29、用户来说,单播方式可以满足自己的个性化要求,可以根据需要随时使用停止、暂停、快进等控制功能。但对服务器还说,单播方式无疑会带来沉重的负担,因为它必须为每个用户提供单独的查询,向每个用户发送所申请的数据包复制。当用户数很多时,对网络速度、服务器性能的要求都很高。如果这些性能不能满足要求,就会造成播放停顿,甚至停止播放。2广播：又可分为实时广播和非实时广播两种。承载流数据的网络报文还可以使用广播方式发送给子网上所有的用户,此时,所有的用户同时接受一样的流数据,因此,服务器只需要发送一份数据复制就可以为子网上所有的用户服务,大大减轻了服务器的负担。但此时,客户机只能被动地接受流数据,而不能控制流。也

30、就是说,用户不能暂停、快进或后退所播放的容,而且,用户也不能对节目进行选择,广播示意图如下图2.2所示。图2.2 广播示意图3组播方式单播方式虽然用户提供了最大的灵活性,但网络和服务器的负担很重。广播方式虽然可以减轻服务器的负担,但用户不能选择播放容,只能被动地接受流数据。组播吸取了上述两种传输方式的长处,可以将数据包复制发送给需要的多个客户,而不是像单播方式那样复制数据包的多个文件到网络上,也不是像广播方式那样将数据包发送给那些不需要的客户,保证数据包占用最小的网络带宽。当然,组播方式需要在具有组播能力的网络上使用。2.3.3流媒体传输协议流媒体在因特网上的传输必然涉及到网络传输协议,其中包

31、括Internet本身的多媒体传输协议,以及一些实时流式传输协议等,只有采用合适的协议才能更好的发挥流媒体的作用,保证传输质量QOS。IETF是Internet规划与发展的主要标准化组织,已经设计出几种支持流媒体传输的协议。主要有用于Internet上针对多媒体数据流的实时传输协议RTP、与RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务的实时传输控制协议RTCP、定义了一对多的应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据的实时流协议RTSP。除上述协议之外 ,流媒体技术还包括对于流媒体类型的识别。1RTP/RTCP:RTP国交互式音频、 视频等具有实时特征的数据提供端到端的传送服务。如果底层网络支持多播

32、,RTP还可使用多播向多个目的端点发送数据RTP协议包含两个密切相关的部分,即负责传送具有实时特征的多媒体数据的RTP和负责反馈控制、监测QOS和传递相关信息的RTCP。在RTP数据包的头部中包含了一些重要的字段使接收端能够对收到的数据包恢复发送时的定时关系和进行正确的排序以及统计包丢失率等。RTCP是RTP的控制协议,它周期性地与所有会话的参与者进行通信 ,并采用和传送数据包相同的机制来发送控制包。值得注意的是,RTP协议本身并不提供任何QOS,必须由下层网络来保证。但是通过 RTCP控制包可以为应用程序动态提供网络的当前信息 ,据此可对 RTP的数据收发作相应调整使之最大限度地利用网络资源

33、。2 RSVP:IETF的资源预留协议RSVP是网络中预留所需资源的传送通道建立和控制的信令协议,它能根据业务数据的QOS要求和带宽资源管理策略进行带宽资源分配 ,在IP网上提供一条完整的路径。通过预留网络资源建立从发送端到接收端的路径,使得IP网络能提供接近于电路交换质量的业务。即在面向无连接的网络上,增加了面向连接的网络;它既利用了面向无连接网络的多种业务承载能力,又提供了接近面向连接网络的质量保证。但是RSVP没有提供多媒体数据的传输能力,它必须配合其它实时传输协议来完成多媒体通信服务。3 RTSP:实时流协议 是用于控制具有实时特征数据传输的应用层协议。它提供了一个可扩展的框架以控制、

34、按需传送实时数据,如音频、视频等,数据源既可以是实况数据产生装置,也可以是预先保存的媒体文件。该协议致力于控制多个数据传送会话,提供了一种在 UDP、组播 UDP和 TCP等传输通道之间进行选择的方法,也为选择基于RTP的传输机制提供了方法。RTSP可建立和控制一个或多个音频和视频连续媒体的时间同步流。虽然在可能的情况下,它会将控制流插入连续媒体流 但它本身并不发送连续媒体流。因此, RTSP用于通过网络对媒体服务器进行远程控制。尽管 RTSP和 有很多类似之处,但不同于, RTSP服务器维护会话的状态信息,从而通过 RTSP的状态参数可对连续媒体流的回放进行控制。4 MIME: MIME是因

35、特网SMTP的扩展,用于电子,不能用来标记在Internet上传输的任何文件类型。通过它,Web服务器和Web浏览器才可以识别流媒体并进行相应的处理。Web服务器和Web浏览器都是基于协议,而建有MIME, 正是通过MIME标记Web上繁多的多媒体文件格式。为了能处理一种特定文件格式,需对Web服务器和 Web浏览器都进行MIME类型设置。对于标准的MIME类型,如文本和JPEG图像,Web服务器浏览器提供建支持;但对 Real等非标准的流媒体文件格式,则需设置audio/x-pn-real audio等MIME类型。浏览器通过MIME来识别流媒体的类型 ,并调用相应的程序或Plug-in 来

36、处理。在IE和Netscape这两个最常用的浏览器中 ,都提供了很多的建流媒体支持。2.4流媒体文件的压缩格式数据压缩技术也是流媒体技术的一项重要容,由于视频数据的容量往往都非常大,如果不经过压缩或压缩得不够,则不仅会增加服务器的负担,更重要的是会占用大量的网络带宽,影响播放效果。因此如何在保证不影响观看效果或对观看效果影响很小的前提下,最大限度地对流数据进行压缩,是流媒体技术研究的一项重要容。下面介绍一下几种主流的音视频数据压缩格式。2.4.1 AVI格式AVIAudio Video Interleave,音频视频交错是符合RIFF文件规的数字音频与视频文件格式,由Microsoft公司开发

37、,目前得到了广泛的支持。AVI格式支持256色和RLE压缩,并允许视频和音频交错在一起同步播放。但AVI文件并未限定压缩算法,只是提供了作为控制界面的标准,用不同压缩算法生成的AVI文件,必须要使用相同的解压缩算法才能解压播放。AVI文件主要应用在多媒体光盘上,用来保存电影、电视等各种影像信息。2.4.2 MPEG格式MPEGMoving Picture Experts Group,动态图像专家组是运动图像压缩算法的国际标准,已被几乎所有的计算机平台共同支持,它采用有损压缩算法减少运动图像中的冗余信息,同时保证每秒30帧的图像刷新率。MPEG标准包括视频压缩、音频压缩和音视频同步3个部分,MP

38、EG音频最典型的应用就是MP3音频文件,广泛使用的消费类视频产品如VCD、DVD其压缩算法采用的也是MPEG标准。MPEG压缩算法是针对运动图像而设计的,其基本思路是把视频图像按时间分段,然后采集并保存每一段的第一帧数据,其余各帧只存储相对第一帧发生变化的部分,从而达到了数据压缩的目的。MPEG采用了两个基本的压缩技术：运动补偿技术预测编码和插补码实现了时间上的压缩,变换域离散余弦变换DCT技术实现了空间上的压缩。MPEG在保证图像和声音质量的前提下,压缩效率非常高,平均压缩比为501,最高可达2001。2.4.3 RealVideo格式RealVideo格式是由Real Networks公司

39、开发的一种流式视频文件格式,包含在Real Media音频视频压缩规中,其设计目标是在低速率的广域网上实时传输视频影像。RealVideo可以根据网络的传输速度来决定视频数据的压缩比率,从而提高适应能力,充分利用带宽。后面介绍的Real Server软件就是由Real Networks公司提供的,使用的就是Real Video格式的视频文件。RealVideo格式文件的扩展名有3种,RA是音频文件、RM和RMVB是视频文件。RMVB格式文件具有可变比特率的特性,它在处理较复杂的动态影像时使用较高的采样率,而在处理一般静止画面时则灵活地转换至较低的采样率,从而在不增加文件大小的前提下提高了图像质

40、量。2.4.4QuickTime格式QuickTime是由Apple公司开发的一种音视频数据压缩格式,得到了Mac OS、Microsoft Windows等主流操作系统平台的支持。QuickTime文件格式提供了150多种视频效果,支持25位彩色,支持RLE、JPEG等领先的集成压缩技术。此外,QuickTime还强化了对Internet应用的支持,并采用一种虚拟现实技术,使用户可以通过鼠标或键盘的交互式控制,观察某一地点周围360度的景像,或者从空间的任何角度观察某一物体。QuickTime以其领先的多媒体技术和跨平台特性、较小的存储空间要求、技术细节的独立性以及系统的高度开放性,得到业界

41、的广泛认可。QuickTime格式文件的扩展是MOV或QT。2.4.5 ASF和WMV格式ASFAdvanced Streaming Format,高级流格式和WMV是由Microsoft公司推出的一种在Internet上实时传播多媒体数据的技术标准,提供了本地或网络回放、可扩充的媒体类型、部件下载以及可扩展性等功能。ASF的应用平台是Net Show服务器和Net Show播放器。WMV也是Microsoft公司推出的一种流媒体格式,它是以ASF为基础,升级扩展后得到的。在同等视频质量下,WMV格式的体积非常小,因此很适合在网上播放和传输。WMV文件一般同时包含视频和音频部分,视频部分使用W

42、indows Media Video编码,而音频部分使用Windows Media Audio编码。音频文件可以独立存在,其扩展名是WMA。2.5流媒体技术在远程教育中的应用随着电子技术、计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展,远程教学系统可以借助新的传输技术和传播媒体进行动态交互式教学。由于当前网络带宽的限制,流媒体无疑是远程教学的最佳选择,因为流媒体的出现可以说是为网络远程教育注入了新的生机和活力。流媒体既有利于教师的教,也有利于学生的学。学生在家里通过计算机、线、调制解调器Modem就可以轻松地参加到远程教学当中来。教师也无须做过多的准备,就可以进行授课。授课方法与教师平时的授课方法也

43、基本相同。只不过这时的教师面对的不是学生而是摄像头和计算机而已。流媒体在远程教学中的应用,极提高了教学资源和师资的利用率,缓解了教学资源和师资不足的问题。流媒体在远程教学中的应用主要体现在课程在线点播和实时广播等领域。2.5.1课程在线点播在流媒体技术出现以前,远程的学生要点播某个多媒体课件必须先将它下载到本地的计算机,一个很小的多媒体课件或一小段教学录像都需要很长的下载时间,并且需要占用本地计算机的系统存储资源,这对于接入速率低和系统存储资源有限的学习者来说,根本无法忍受。而采用流媒体技术以后,它只需在播放前下载约几秒的多媒体信息后即可播放,并不需要下载整个文件,即可实现在线播放。流媒体技术

44、可以针对不同的网络环境生成不同数据传输速率的流文件,一台普通的服务器可允许100人左右并发点播。另一方面,在播放过程中,它还可以根据网络带宽的变化而动态地调整,确保始终处于最佳播放速率,避免信息流的中断。因此,利用流媒体技术可以很容易地在远程教学系统中实现多媒体课件点播功能。我们可以将教师上课的过程压缩编码成多媒体流文件,然后放置到相应的服务器,供学习者浏览点播。2.5.2实时授课堂广播远程课堂教学是现代远程教育的一个重要环节,在Internet上利用流媒体技术能较好地实现课堂教学广播。学习者可以不受地点的限制,在任何一台多媒体计算机上接受课堂教育,创建一种面对面的教学环境,缩短教学双方的空间

45、距离,教师采用的教学手段也不仅局限于语言、文字,而是更多地辅之以图形、图像、动画、视频等多媒体信息,给学习者提供多重感官刺激,激发学习兴趣,调动学习者的深层次思维,加深对所学容的理解,从而学会某种知识,掌握某种技能。第三章 系统设计与分析本章将会详细的介绍在系统设计过程中,对整个系统架构的设计思想以及总体架构的设计方案,对系统设计过程中的各模块的分析和功能设计,同时还将详细介绍了系统现实功能的容。3.1系统总体设计分析基于流媒体技术远程教育系统涉及到大量种类繁多的视频课件,如何有效管理这些视频讲学课件,并且如何将这些课件分类直观的呈现在学生面前,是系统在进行总体设计时首要考虑的问题。因此系统设

46、计的主要目标是在网络环境下,对于教师上传的音视频课件进行有效管理,为学生在线点播学习提供一个方便快捷的查询管理系统。本系统的设计的重点也是难点就是对后台管理系统上的设计。同时对于系统的使用者也就是终端用户而言,如何更好的展示本系统的资源,使终端用户能很直观的浏览到所需的资源,也是本系统在进行系统设计时考虑的一个重要因素。综合以上考虑,本系统设定通过ASP网页的形式呈现,资源信息以HTML进行描述,利用Widows Media文件编辑器实现视频、音频、文本等信息的采集处理,实现教学资料片制作以及存储等。3.1.1系统功能模块总体设计思想综合各方面因素,系统功能流程如所述:图3.1 系统功能流程图

47、用户登录系统后,首先会对用户的身份进行识别,根据用户身份的不同,进入不同的页面。如为学生身份就会进入系统主页；如为管理员则会进一步判断是系统管理员身份还是教师身份,根据老师和系统管理员的工作任务不同,在本系统中系统管理员和教师拥有不同的权限,具体系统功能流程图如图3.1所示。系统功能模块设计说明:课件信息管理设计正如上文所说,如何有效的管理科目种类繁多的课件,是系统设计实现的关键,本系统在设计时考虑到各个学校的学科都按照院系有着明确的分类,故采用院系分类的方法,将各类课件按照院系不同进行一次分类。同时在各个院系的部,根据院系中各学科的设置,对同院系的不同学科的课件进行二次分类。这样课件的管理与

48、学校院系学科的设置进行对应,一方面有利于学生可以有效的查询到所需课程,一方面也有利于课件信息管理。用户权限设计权限设置在系统系统设计时也相当重要,不同的用户根据在系统中操作的不同应该需要有相应的权限,如果权限设置不明确将会导致系统数据的混乱与丢失。因此本系统在进行用户权限设计的时,根据用户进入系统后的操作不同,将用户的权限进行了明确的分类。分别为管理员权限,教师权限,用户权限和游客权限。对于一般用户,进入系统后的操作一般是课件查询和课件观看,因此对应的只需要有读的权限。在这里如果仅仅是游客那么就只具有浏览页面的权限,并不能对教学课件进行在线观看。如想在线观看课件,必须在主页的会员注册栏目中进行

49、注册,提交个人相应信息。这样利于管理员对会员进行管理,增强系统安全性。而对于各位老师,需要进入系统对课件进行增加和删改,因此老师在系统中需要具有读和写的权限。老师用自己的账号和密码登录系统,进入自己的管理页面,对课件进行管理。当然,老师只能对自己所上传的课件进行修改不能对其他老师的课件进行修改。在这里为了保证课件数据的安全,教师的注册和学生会员的注册并不相同。教师的注册需要教师将相应的信息递交给管理员,管理员单独在后台管理系统中进行添加。对于管理员而言,工作主要是整个后台数据的管理,因此权限也是最大的,可以对系统会员信息以及教师信息进行管理,对系统里院系栏目设置和学科设置进行管理,课件信息管理

50、以及教学公告的发布等。课件查询设计如何实现准确与快速的课件查询功能直接关系着整个系统功能好坏,本系统根据各个功能模块设计的特性,设计了三种查询方式:方式一:按院系查询用户在进入系统后,可以根据系统中的院系导航进入各个院系,同时可以在相应的学科栏目中找到自己所需的课件。此查询方式可以快速,准确的查找到所需课件,但适合已经明确了解所需课件的学科分类。方式二:按教师查询用户进入系统,进入教师列表页面,在相应教师信息中找到所需课件。此方式也可以提供快速,准确的查询,但需要已经明确了解课件所属教师信息。方式三:按关键字查询用户进入系统后,在首页或者之页面,都可以在搜索模块进行关键查询,查询时,只需要输入

51、所查课件关键字,即可查到相关课件。此类查询方式查询结果并不如以上两种方式精确,但并不需要对所查课件有明确的了解。以上三种查询方式,虽然各有利弊,但在查询的过程中可以相互补充,用户在进行查询的时候可以根据自己对所查课件的了解情况,选择合适的查询方式,达到很好的查询效果。在整个总体架构下,系统分为前端显示页面和后端管理系统,其中前端显示页面功能原理图如图3.2所示。图3.2 页面功能原理图前端显示页面功能设计说明:栏目列表显示在对系统栏目进行设计的时候,考虑到进入本系统的用户一般都是教师或者学生,因此对栏目的设计采用的是与学校学科设置对应的方案。这样不仅有利于教师可以很熟悉的对自己所属院系和专业的

52、课件进行管理,而且也有便于学生很直观的对自己所需专业的课程进行查询。在本系统中栏目列表显示采用的是我校的部分院系分类的设置方案,用户在进入系统后就可以在首页看到各个院系,如珠宝学院、材料学院、信息工程等,点击进入各个院系之后,在各院系根据院系的专业或学科设置进行了二次分类。如信息工程学院下面就分为计算机科学应用技术专业、数学专业和自动控制专业三个子栏目。而外语系下面则是按照学科进行的分类,分为英语、日语、法语、意大利语等。教师列表显示考虑到学生在进行学习的时候,会对某个教师的课程比较关注,或者对某个教师所讲授的课程会有所疑问,需要与教师进行交流,故在对前端显示页面进行设计时,提供了教师列表这一

53、入口。通过此入口能快捷的找到所需教师的个人信息,包括所属院系专业,个人详细信息,个人联系方式以及个人上传的所有资源的列表。学生可以通过点击教师得到教师所有个人信息,也可以点击所提供的地址连接直接给教师发进行交流,或者通过点击课程列表里面的课件名称进行该课程的在线学习。会员登录和注册模块考虑到系统安全,以及对登录本系统进行学习的学生信息的管理,任何需要观看本系统资源的学生都需要在系统中进行注册。在系统中会员账号是唯一标识用户身份的特征代码,会员只需要在注册界面中提供用户输入账号信息,以及个人信息,提交注册信息后系统将判断用户提交的信息是否有效,比如用户名是否已经存在,所输入的密码和验证密码是否一

54、致,用户的是否有效。如果所输入的信息无效,错误信息中将会提示出错。用户注册成功将会跳转到系统首页,并显示出欢迎字面。根据前端需要提供的各项功能以及系统所需管理功能后端管理平台设计主要分为四大功能模块,分别为:会员管理模块、教师管理模块、栏目管理模块、课件信息管理模块。各模块功能设计分别如图3.3所示。图3.3 模块功能设计图后台管理系统功能模块设计:会员管理模块管理员进入后台管理系统后,需要对整个会员的信息进行管理,比如对会员信息的管理,会员密码的修改以及会员的删增等。这样如会员忘记密码,会员信息失效等,管理员都可以通过此模块来进行统一的管理。教师管理模块在本系统中,考虑到教师的权限比较大,不

55、仅可以上传课件而且可以删除自己的课件,因此在如果有需要在本系统中拥有教师权限的用户需要管理员在后台中进行添加,而不能像会员一样个人填写注册表就可以了。从而防止恶意删除和上传数据的情况,达到保护系统数据的目的。课件信息管理模块课件信息管理模块主要是提供课件的增加,删除以及修改的功能,拥有此功能的只能是教师或者管理员。在此处,对于管理员教师赋予不同的课件信息管理权限。对于教师而言,只能对教师本人上传的课件来进行删除和修改,而管理员可以对所有的课件进行管理。这样就可以有效的避免了教师之间的一些误操作,从而达到保护课件数据的安全。栏目管理模块后台管理将栏目分为一级栏目和一级子栏目来进行管理,与前端实现

56、的功能来进行对应,一级栏目对应的是院系列表,二级子栏目对应各院系下的学科分类。在此栏目中管理员可以很方便的对栏目进行添加和删除操作。3.1.2系统结构设计系统平台环境中的对象及其关联称为基本元素。对系统结构模型的分析主要是确定对象和对象属性以及对象之间的关联,明确事件以及事件之间的关联,给出系统中的结构模型,从而把握系统的整体架构特性。本系统由客户端,服务器端和网络传输组成,系统架构相应为:客户端模块、服务器模块以及网络传输模块。根据系统各个模块的位置关系系统结构示意图如图3.4所示。图3.4 模块关系系统结构示意图 客户端在本系统中客户端是一个基于Web浏览器的应用程序,通过点播提出媒体请求

57、,接收来自流媒体服务器的视频流或音频流,对音/视频具有倒退、前进、暂停、重播等控制功能。同时也可以通过进入课程实况广播页面,对课程进行同步观看。在进行课程实况广播同步观看时,客户端不能对广播容进行倒退、前进、暂停、重播等控制。客户端示意图如图3.5所示。图3.5 客户端示意图服务器端服务器端架构有Web服务器,流媒体服务器和媒体数据库服务器,其中Web服务器用来实现系统的中央控制,发布教师提供的教学信息,负责注册和验证学生身份。根据学生的请求和注册信息,为客户机定位媒体数据库服务器或者流媒体服务器,选取流媒体文件。流媒体服务器,在教师录制辅导课件或进行实时教学广播时,负责实时采集视频,捕捉屏幕

58、,进行压缩处理,形成流媒体数据,使用网络接口建立与客户机之间的流媒体通道,向客户机传送。媒体数据库服务器主要是对媒体数据进行存储与管理,对存储媒体数据向Web服务器提供一个,Web服务器通过此定位该数据。可以说服务器端是整个系统的中枢神经,是实现功能的关键所在。所有前端功能的实现和后台管理的功能的完善都要基于一定的服务器设置。本系统将后端服务器的所有功能进行了分类,由如上所述三类不同的服务器角色来完成各自的功能。其中不同服务器角色的逻辑结构图如图3.6所示。图3.6 服务器逻辑结构图 网络传输端,网络传输示意图如图3.7所示。图3.7 网络传输示意图基于流媒体技术远程教学系统是建立在互联网的基

59、础上,由以上所介绍的三大模块构成一套基于流媒体技术的远程教学管理系统,可以管理大量的多媒体教学资源。学生登陆到后,可以根据自己的需要来点播多媒体教学课件。本系统采用B/S结构,通过ASP网页的形式呈现,资源信息以HTML进行描述,整个流媒体服务器平台采用Windows Media Server解决方案,实现视频、音频等信息的采集、编辑和同步呈现。3.2系统设计的目标系统设计的目标:视频相关说明性信息的同步呈现用户选定视频后,系统将从数据库中提取视频的说明性文本的地址,用户在观看视频的同时,同步呈现此说明性文本,这样也可对视频和音频中不能详细描述的容进行补充,以更深刻的理解视频的容。多媒体信息动

60、态合成技术的应用以往的远程教育教学视频系统大多基于静态加工,在文件存放于资源库的时候即已将要组合的资源源文件视频、相应的说明文档等合成一个文件。这不仅浪费存储空间,还会破坏原始资源素材,导致可重用性降低。本系统使用多媒体同步技术动态合成多媒体,仅在逻辑上将需要共同展示的文件连接在一起,有利于保护和重用多媒体信息,也有利于多媒体信息的有效存储和维护。提供快捷查询功能系统可以为学习者提供快捷的查询功能,不仅可以通过关键字查询的方式进行的快速查询方式,也可以根据课件所属教师或者课件所在的院系以及专业进行定位查询。提供安全后台管理功能基于流媒体技术远程教育系统涉及到大量的多媒体课件,对课件数据的安全管

61、理十分重要,本系统通过在后台管理中教师,管理员对课件处理功能的明确划分,使得教师独立处理各自课件,管理员进行统一维护来减少误操作风险。在前台对系统用户进行会员式注册登录管理,降低恶意访问的风险。实现实况广播功能实现授课场景实时广播播放功能,对于流媒体服务器进行广播方式设置,同时配置好音视频采集器件,如摄像机、摄像头、话筒等。用户在登入系统后通过系统提供的,在线同步观看教师授课情景。实现在线点播功能实现在线点播功能,系统用户登录系统,选中相应课件,可以根据自身的需要,下载或在线观看课件。3.3系统实现的主要工作本系统的重点工作在于服务器端,主要包括：音视频数据的采集与制作；课件与PowerPoi

62、nt同步处理,PowerPoint自动翻页功能实现；Web服务器的配置；实况广播功能流媒体服务器的配置各个模块的功能实现；系统的开发与发布。第四章 流媒体课件的制作与发布流媒体课件的制作是本文的技术难点,本章详细介绍了流媒体课件的制作方法,包括音视频课件的录制,与PPT的同步以及PPT自动翻页功能的实现方法,最后介绍了进行系统流媒体服务器的发布方式。4.1 Windows Media Encoder 9.0制作课件课件的制作可以使用Microsoft Windows Media Encoder 9.0,此系列是一个功能强大的制作工具,可以用于将实况录制和将预先录制的音频和视频转换为Windows Media文件或流文件。是一套容易使用,而且功能强大的软件,提供使用者自行录制影像的功能,可以从影像捕捉设备或桌面画面录制,亦提供文件格式转换的功能。Windows Media Encoder 9.0软件主要的特点如下：1