媒体技术的远程教学系统研究与实现.pdf
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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 基于流媒体技术的远程教学系统研究与实现 姓名:张小刚 申请学位级别:硕士 专业:情报学 指导教师:丁振国;任志纯 20050101 摘要 摘要 在网上开展远程教育突破时空限制 频教学是远程教育的一个重要组成部分 为广大学习者提供极大的方便。网络视 它主要实现师生在网络上的视音频交流。 本文基于流媒体技术设计了一个视频交互的远程教学系统,对涉及的基本技术做 了深入的探讨,并进行了软件实现。 本文首先阐述流媒体技术的工作原理,重点讨论视音频数据的同步问题,提 出一套同步方法,证明该方法有较好的效果。综述M P E G 一4 标准的系统结构和 M P E G 4 视频
2、编码技术。分析T C P I P 协议对实时传输的局限性,对R T P R T C P 协 议、M P E G 4 码流在R T P 中的包结构、反馈控制算法进行了深入研究,并对拥塞 反馈控制算法进行了改进。最后,采用D i r e c t S h o w 技术,给出了远程教学系统方 案,对视频的实时采集、编码、传输和回放进行了编码实现。本文对视频传输在 其他行业的应用也有较大的借鉴意义。 关键字:远程教学M P E G 一4 R T PR T C P D i r e c t S h o w A b s t r a c t A b s t r a c t T e a c h i n gi nt
3、 h eI n t e r a c tb r e a k st h o u g ht h el i m i t m i o no f t h es p a c e t i m ea n db r i n g s g r e a tc o n v e n i e n c et ot h el e a r n e r s T h en e t w o r k v i d e oe d u c a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h ed i s t a n c ee d u c a t i o n I tr e a l i z e
4、st h ec o m m u n i c a t i o no ft h ev i d e o a u d i oo nt h e n e t w o r kb e t w e e nt e a c h e r sa n ds t u d e n t s T od e s i g na n dd e v e l o pd i s t a n c et e a c h i n gs y s t e m b a s e do ns t r e a m i n gm e d i ai sd i s c u s s e di nt h i st h e s i s T h er e l a t i
5、v et e c h n o l o g yh a v eb e e n r e s e a r c h e da n dt h es y s t e mh a sb e e nr e a l i z e dw i t hs o f t w a r e T h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fs t r e a m i n gm e d i at r a n s p o r t a t i o n H o wt O s y n c h r o n i z et h ev i d e oa n da u d i
6、od a t ai se m p h a s i z e d ,s e v e r a lm e t h o d s a r ei n t r o d u c e dt O s o l v et h i s p r o b l e m ,w h i c hh a v eag o o de f f e c t I t s u m m a r i z e ss y s t e ma r c h i t e c t u r eo f M P E G - 4 ,a sw e l la se n c o d i n gt e c h n o l o g y T h i st h e s i sd i s
7、 c u s s e st h el i m i to f t h eT C P , R T P R T C Pp r o t o c o la n dR T Pp a y l o a df o r m a tf o rM P E G 一4v i s u a ls t r e a m s ,i th a s c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ha b o u tf e e d b a c kc o n t r o la l g o r i t h ma n di m p r o v e si t F i n a l l y , a f e a s i
8、 b l ep r o j e c to fd i s t a n c et e a c h i n gs y s t e mi sd e s i g n e d I t d e p e n d so n D i r e c t S h o w t e c h n o l o g y T h ec o m p o n e n t s ,s u c h a st h er e a l t i m e s a m p l e ,v i d e oe n c o d i n g ,v i d e o d e c o d i n ga n dd i s p l a y , a r ep r o g r
9、 a m m e da n dt e s t e d T h i s a r t i c l ei sag o o dr e f e r e n c e l i t e r a t u r ef o rt h ev i d e ot r a n s p o r t a t i o na p p l i c a t i o ni no t h e rf i e l d s K e y w o r d s :D i s t a n c eT e a c h i n gM P E G - 4 R T PR T C PD i r e c t S h o w 声明 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个
10、人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致渤中所罗列的内容以外,论文 中不包含其他人已发表或撰写的研究成果i 也不包含为获得西安电子科技大学或 其他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所做的任何贡 献均已在论文中做了说明并表示了谢意。 本人签名:址盟 关于论文使用授权的说明 F 1 j 胡:逆! 篁! ! ! 盟 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:学校 有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文:学校i ,以公厕】沦文的全部或 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
11、密后遵守此规定) 本人签名: 丛! 二旦| j1 ,o 一 同期:望! L 丛 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着人类的进步,社会的发展,知识经济时代的到来,人们越来越深刻地认 识到只有通过不断地学习新的知识技能习能跟上时代的步伐。旧的知识传播途径 已经不能满足更多人的需求,而远程教育突破了传统教学在时间和空间上的限制, 增加学习机会,降低学习成本,学生可以按照自己的需要进行学习,从而提高教 学质量。远程教育已经成为学校教育的补充和扩展,国家教育部在全国6 7 所高校 设立了网络教育学院,为教育事业服务。 远程教学系统是能够继承传统教学模式的优点,再现课堂真实场景基础上的 有着更多优点
12、的系统,其功能中最重要的部分是教学授课功能部分。目前,可以 通过现代通信网络传输教师的图像、声音和电子教案给学生,同时回送学生的声 音和图像给教师,来完成授课和师生之间的交互功能。 对远程教学系统而言,最关键的是对视音频信号的实时编解码和实时传输, 其次要关注的问题是对传输的控制以及接收端的视音频同步等。目前的解决方案 可以分别从硬件和软件两个方面考虑【2 J ,虽然硬件方案是较多采用的一种方案,但 是纯硬件的产品投资比较大,性价比不高,容易出现故障且不易维护,硬件系统 的升级换代也不容易。因而,纯软件的实现方案代表着远程教学系统的发展方向。 在系统的设计与实现中,不可回避的问题是需要传输的视
13、音频信息体积庞大, 除了采用视音频的压缩这种方式之外,必须采用先进的网络播放技术来实现边发 送边播放。不久前发展起来的流媒体技术为网上实现视音频的开发、传输提供了 强大的支持。本文的主要工作就是研究流媒体及其相关技术,并在此基础上开发 纯软件的远程教学系统。 1 2 目前研究现状 目前的纯软件远程教学系统方案多使用的是多媒体视频会议的软件系统,代 表性的有:N e t s c a p eC o n f e p e n c e 、W h i t e P i n eC U s e e m e 、M i c r o s o RN e t M e e t i n g 等。 其中,N e t M e e
14、 t i n g 在功能实现上更为全面。 N e t M e e t i n g 实现在两个I P 之间建立视音频数字会议,双方或者多方可以交换 文件,使用白版交流,视音频交互以及共享桌面等。N e t M e e t i n g 支持I T U 的H 3 2 3 标准和T 1 2 0 标准,以及I E T F 的L D A P 目录服务标准。由于N e t M e e t i n g 是基于 C O M 组件技术实现的,提供的大量编程接口使得N e t M e e t i n g 的二次开发变得非常 容易。N e t M e e t i n g 把所有的底层技术都封装在C O M 组件里,只
15、要通过访问接口就 基于流媒体技术的远程教学系统研究与实现 可以实现全部功能。N e t M e e t i n g 的组件构成如图1 1 所示。 互互 圃 oDoo l望竺!j 圈1 ,1N e t M e e t i n g 组件构成 但是,在实际的运用中,N e t M e e t i n g 有很多不足之处:N e t M e e t i n g 使用的视 音频标准主要针对低码率编码,所以视音频的质量不高;N e t M e e t i n g 只能实现点 对点的通讯模式,参与教学的个体如果是多个,则只有两个点能进行视音频的交 互【3 1 :N e t M e e t i n g 在视音
16、频捕获时采用的是V F M ( V i d e o F o rW i n d o w ) 这种已经被 淘汰的技术,不能适应最新的发展需要:另外,N e t m e e t i n g 不支持异步教学所需要 的视频点播功能。正因为存在这些不足,需要设计丌发新的远程教学系统来解决 这些问题。 另一方面,为了使网络视频传输更加流畅,近年来,流媒体( S t r e a m i n g M e d i a ) 技术得到了广泛的关注。流媒体技术是一种可以使视频、音频积其它多媒体在 I n t e m e t 及I n t r a n e t 上以实时的、无需下载等待的方式进行播放的技术。流媒体技 术发端
17、于美国,国际上主要厂商有M i c r o s o f t 、R c a l N e t w o r k s 和A p p l e 公司,相应 的产品是W i n d o w sM e d i a 、R e a lS y s t e m 和Q u i c k T i m e 【4 川。 R e a lN e t w o r k s 公司的所制定R e a l S y s t e m 由媒体内容制作工具、服务器端和客 户端软件组成,所采用的自适应流技术可以自动并持续地调整数据流量以适应实 际应用中各种不同带宽需求。R e a lN e t w o r k s 的视音频压缩规范称为R e a lM
18、 e d i a 是目前在I n t e r n e t 上相当流行的跨平台客户,服务器结构的多媒体应用标准,它采用 音频视频流和同步回放技术来实现在I n t r a n e t 上全带宽地提供最优质的多媒体,同 时也能够在I n t e m e t 上以2 8 8 K b p s 的传输速率提供立体声和连续视频。R e a l M e d i a 包括三类文件:R e a lA u d i o 、R e a lV i d e o 及R e a l F l a s h 。 A p p l e 计算机公司的Q u i c k T i m e 是数字媒体领域事实上的工业标准,可咀通过 I n t
19、 e r n e t 提供实时的数字化信息流、工作流与文件回放功能,它由三个不同部分所 第一章绪论 组成:Q u i c k T i m e 电影( M o v i e ) 文件格式、Q u i c k T i m e 媒体抽象层以及Q u i c k T i m e 内置媒体服务系统。 M i c r o s o f t 公司也推出一整套包括流媒体制作、发布和播放的信息流式播放方 案M i c r o s o f tM e d i aT e c h n o l o g y 。M e d i aT o o l s 提供了一系列的工具帮助用户生成 A S F ( A d v a n c e d
20、S t r e a m i n gF o r m a t ) 格式的多媒体流。A S F 是一个独立于编码方式 的、在I n t e m e t 上实时传播多媒体的技术标准,M i c r o s o f t 公司希望用A S F 取代 Q u i c k T i m e 之类的技术标准以及W A V 、A V I 之类的文件扩展名,并打算将A S F 用 作将来的W i n d o w s 版本中所有多媒体内容的标准文件格式。 另外, K e y n o t eS y s t e m s 和I B M 等公司也分别利用各自的优势向流媒体领域 扩张。据统计,目前I n t e m e t 上每
21、周约有4 8 0 0 0 小时的广播节目,近半数的跨国企 业公司在内部使用流媒体实现W e b 广播。英国N T LB r o a d c a s t 公司对流媒体发展 潜力进行的调查发现,8 0 以上的广播机构和节目提供者对流媒体的未来充满信 心,大多数认为采用流媒体是一种获得新的观众和听众的途径。 在网上开展远程教学活动,需要解决的一个主要问题是视频数据的传输。由 于视频数据的大量信息和有限的传输带宽使得视频的压缩编码、传输信道和网 络协议的选择成为视频传输应用中的关键技术。流媒体技术为网上实现视频、音 频的开发和传输提供了有利的支持,己逐渐成为互联网中视频、音频传输的核心 技术。在国内市
22、场上,对于I E G S 推荐R T P R T C P 协议和M P E G 一4 基础上的视频 编码的研究和应用比较少,国内的媒体播放通常采用微软的多媒体编程接口,这 也是需要改进的地方。 1 3 论文研究的意义和所做的工作 本文从远程教学的实际应用着手,聚焦于改进教学系统中的视音频直播方面, 结合流媒体的开发平台- - D i r e c t S h o w ,实现纯软件的远程教学系统。文章首先分析 网络多媒体应用中常用的流媒体技术,对流媒体的技术原理和播放方式进行了深 入探讨,重点研究视音频数据的同步问题,提出一套同步的方法,并证明该方法 有较好的效果。其次分析M P E G 一4 系
23、统和视频编码方式与编解码器结构,因为系 统涉及到网络上的传输,因而也对适合网络传输的视频编码做了综述。理论研究 部分最后讨论的是视频传输的控制技术文章在指出T C P I P 支持多媒体传输的不 足之后深入分析R T P 的特点、内容,认为该协议非常适合视频信息的网上传输。 而后给出视频传输框架,对传输的M P E G 4 视频流做了结构上的分析,提出R T P 组帧算法。对网络传输不可避免的拥塞控制,提出一种拥塞反馈控制算法。 文章研究的另外一个方面是系统的设计和实现部分。首先介绍设计实现系统 的技术基础D i r e c t S h o w 以及涉及到的C O M 技术,研究D i r e
24、 c t S h o w 体系结构、基 基于流媒体技术的远程教学系统研究与实现 本原理和基本构件,并对丌发的关键部分F i l t e r 开发做了分析。然后按照视音频采 集、编码、传输、回放这一顺序,依次进行逻辑上的设计和代码上的实现。本文 的理论研究和实际开发有着重要的价值,使用D i r e c t S h o w 技术,以纯软件方式实 现的远程教学系统,降低了远程教育成本,增加了配置灵活性、兼容性以及扩展 性。另外,视频传输的理论部分研究,对于视频直播系统在其他行业中的应用也 有一定参考价值。 1 4 论文的结构 论文的结构安排如下: 第一章绪论,简述论文的研究对象、研究目的和所完成的
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- 关 键 词:
- 媒体 技术 远程教学 系统 研究 实现
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