流媒体技术及其教育应用

流媒体技术及其教育应用

一．引言

在网络上传输音/视频等多媒体信息目前主要有下载和流式传输两种方案。A/V 文件一般都较大，所以需要的存储容量也较大；同时由于网络带宽的，下载常常要花数分钟甚至数小时，所以这种处理方法延迟也很大。流式传输时，声音、影像或动画等时基媒体由音视频服务器向用户计算机的连续、实时传送，用户不必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进行观看。当声音等时基媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内继续下载。流式不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部从 Internet 上下载才能观看的缺点。流媒体指在Internet/Intranet中使用流式传输技术的连续时基媒体，如：音频、视频或多媒体文件。流式媒体在播放前并不下载整个文件，只将开始部分内容存入内存，流式媒体的

数据流随时传送随时播放，只是在开始时有一些延迟。

“流媒体”的概念包括以下两个层面。其一，流媒体是计算机网络尤其是中低带（Internet/Intranet）上需要实时传输的多媒体文件，比如声音、视频文件。在传输前需要压缩处理成多个压缩包，并附加上与其传输有关的信息（比如，控制用户端播放器正确播放的必要的辅助信息），形成实时数据流。数据流最大的特点是允许播放器及时反应而不用等待整个文件的下载。其二，流媒体是对多媒体信息进行 “流化”处理，是一种解决问题的方式，可以使视频等对实时性要求严格的多媒体文件在上在Internet/Intranet既无下载等待需求又不占用客户端硬盘空间的情况下保证实时播放。

流媒体技术是综合的技术, 包括采集、编码、传输、储存、解码等多项技术。流媒体应用系统一般由分编码端、服务器端、用户终端三部分组成。流媒体技术在教育或学校的应用前景广阔, 可用于课件点播、交互教学、电视转播、远程监控、视频会议等。

二．流媒体技术基础

1.流媒体技术原理

流式传输的实现需要缓存。因为 Internet 以包传输为基础进行断续的异步传输，对一个实时 A/V 源或存储的 A/V文件，在传输中它们要被分解为许多包，由于网络是动态变

化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到达客户端的时间延迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃已经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的内容。流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，Web 浏览器与 Web 服务器之间使用 HTTP/TCP 交换控制信息，以便把需要传输的实时数据从原始信息中检索来；然后客户机上的 Web 浏览器启动 A/VHelper 程序，使用HTTP从Web服务器检索相关参数对Helper程序初始化。这些参数可能包括目录信息、A/V 数据的编码类型或与 A/V检索相关的服务器地址。A/VHelper 程序及 A/V 服务器运行实时流控制协议RTSP），以交换 A/V 传输所需的控制信息。与 CD 播放机或 VCRs 所提供的功能相似，RTSP 提供了操纵播放、快进、快倒暂停及录制等命令的方法。A/V 服务器使用 RTP/UDP协议将 A/V 数据传输给 A/V 客户程序（一般可认为客户程序等同于 Helper 程序），一旦 A/V 数据抵

达客户端，A/V客户程序即可播放输出。

需要说明的是，在流式传输中，使用 RTP/UDP 和RTSP/TCP 两种不同的通信协议与 A/V 服务器建立联系，是为了能够把服务器的输出重定向到一个不同于运行A/VHelper 程序所在客户机的目的地址。实现流式传输一般都需要专用服务器和播放器。

2.媒体服务软硬件平台

（1）硬件： 视频服务器把存储在存储系统中的视频信息以视频流的形式通过网络接口发送给相应的客户，响应客户的交互请求，保证视频流的连续输出。视频信息具有同步性要求，一方面必须以恒定的速率播放，否则引起画面的抖动，如 MPEG-1视频标准要求以 1.5Mb/s 左右的速度播放视频流。另一方面，在视频流中包含的多种信号必须保持同步，如画面的配音必须和口型相一致。另外，视频具有数据量大的特点，一个经 MPEG-1 压缩的 90 min 的电影，长度约为 1GB，它在存储系统上的存放方式，直接影响视频服务器提供的交互服务，如快进和快倒等功能的实现。视频服务器必须解决视频流特性提出的要求。

视频服务器的工作模式是当服务器响应客户的视频流后，从存储系统读入一部分视频数据到对应于这个视频流的特定的缓存中，然后此缓存中的内容送入网络接口发送到客户。当一个新的客户请求视频服务时，服务器根据系统资源的使用情况，决定是否响应此请求。系统的资源包括存储 I/O的带宽、网络带宽、内存大小和 CPU 的使用率。

（2）软件：媒体服务器的软件平台网络视频平台包括媒体内容制作、发行与管理模块、用户管理模块、视频服务器。内容制作涉及视频采集、编码。发行模块负责将节目提交到网页, 或将视频流地址邮寄给用户。内容管理主要完成视频存储、查询; 当节目不多时可用

文件系统, 当节目量大时就须编制数据库管理系统。用户管理可能包括用户的登记和授权。视频服务器将内容通过点播或直播的方式播放。对范围广用户多的播放, 可在不同区域的中心(如中国华东上海、华北北京、华中武汉等) 建立相应的分发中心, 协同完成播放。此外, 对商业站点, 还应包括计费系统等。

3. 实现流式传输有两种方法: 顺序流式传输 ( Progressive Stream ing)和实时流式传输 ( Rea ltim e Stream ing) 。

( 1) 顺序流式传输 ( P rogressive Stream ing)顺序流式传输是下载, 在下载文件的同时用户可观看在线媒体, 在给定时刻, 用户只能观看下载的那部分, 而不能跳到还未下载的前头部分, 顺序流式传输不像实时流式传输在传输期间根据用户连接的速度做调整。标准的 HTTP服务器可发送这种形式的文件, 也不需要其他特殊协议, 因而它经常被称作 HTTP流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的短片段, 如片头、片尾和广告, 该文件在播放前观看的部分是无损下载的, 这种方法保证电影播放的最终质量, 这意味着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是放在标准 HTTP 或 FTP服务器上, 易于管理, 基本上与防火墙无关, 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, 它也不支持现场广播, 严格说来它是一种点播技术。

( 2) 实时流式传输 ( Realtmi e Stream ing)实时流式传输总是实时传送, 特别适合现场事件,也支持随机访问, 用户可快进或后以观看前面或后面的内容, 在理论上实时流一经播放就不可停止, 但实际上可能发生周期暂停。实时流式传输必须匹配连接带宽, 这意味着在以调制解调器速度连接时图像质量较差, 而且, 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, 如欲保证视频质量, 顺序流式传输也许更好。实时流式传输需要特定服务器, 如 Quick T mi e Streaming Server、R ea l Server与 W indow sM ed ia Server, 这些服务器允许你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

HTTP服务器更复杂, 实时流式传输还需要特殊网络协议, 如 RTSP ( Realtmie Stream ingP rotoco l) 或 MM S( M icroso ft M edia Server), 这些协议在有防火墙时有时会出现问题, 导致用户不能看到一些地点的实时内容。

三．流媒体技术的教育应用

流媒体技术广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联息服务等方面。下面仅介绍流媒体技术在教育方面的两个具体应用方案。

1．校园网视频系统

校园网的建设随着教育产业的兴起和发展也逐渐呈现出蓬勃向上的态势。随着多媒体技术的不断发展，特别是多媒体传输技术的突破，使网络多媒体教学得以实现。现在已经有许多的成熟的产品可以用来组建网络多媒体教学的解决方案。一般一个校园网视频系统的要求有：

（1）通过校园网实现音、视频实况转播、视频预订，制作并存储节目。

（2）在校园网上实现 VOD 教学

每个教室安装相应的软件及视频卡，摄像头，麦克风，可以把教室实时的声音和图象通过校园网传到监控中心。在存储服务器安装 SERVER 软件，可以存贮传输过来的实时图象。在点播服务器安装 SERVER 软件，存储视频节目。虽然现在校园网络硬件水平和质量现在都非常高，但是，困惑也随之而来，具体表现为以下几个方面：

A、校园网投入大，但没有用在教育主业上。

B、网络仅用在办公自动化中，投资效益低。

C、无法实现充分共享。即享受好的教育资源的学生很有限；同样的课程需要年复一年的教授；同样的问题需要一次次重复回答；材质差异明显的学生按同一模式接受教育，做不到因材施教。

计算机网络技术在教育产业中的应用现状和由此产生的问题引起了教育界和计算机界对于计算机网络条件下教学模式的思考。教学模式在网络条件下最终会变化成什么样子？目前和将来一段时间内网络技术发展到底能导致产生哪些更富成效的教育手段，逐步推动教学模式的改变？

2．远程多媒体教学系统

知识经济的时代需要人们不断的学习新的知识、技能，才能跟上时代的步伐。学习必须转变成一个伴随每个人一生的过程。从远程教育的定义可以看出它有下列三方面的内涵:学生与教师的分离，学生与学生的分离，利用传播媒体和传输系统组织教学。从技术上讲，远程教育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象、声音和电子教案传送给学生，也可以根据需要将学生的图象、声音回送给教师，从而模拟出学校教育的授课方式；同时还可以利用现有的网络条件建立虚拟的班级，加强学生之间的交流。鉴于远程教育的深远意义，我们的远程多媒体教学系统所要实现的功能有：实现教学课件的点播（VOD），教学直播，网络课堂等等。在 IP 网上开展远程教学活动，需要解决两个基本问题：音频、视频流信息的传送以及它们与数据之间的同步。由于音频、视频信息的带宽比较宽，不可能让学生将所有的节目下载到本地计算机上后再

播放，必须要采用先进网络播放技术来实现边发送边播放。此外，由于在教学过程中教师会经常使用电子教案来辅助教学，比如用 PowerPoint，而电子教案的展示与音频、视频流之间有严格的时间同步关系，这就要求在传输过程中我们仍然要保持它们之间的同步关系。系统的工作过程如下：输入的视频和音频信号将送给

MPEG4 的编码器进行编码，编码器输出的节目流既可以存入存储设备也可以直接送给 MediaServer，MediaServer的主要功能是完成节目流的播出。MediaServer 播出的节目有三个来源，它可能是保存在存储设备中的 ASF 文件，也可以是编码器实时传来的节目，它播出的节目还可以从其它的 MediaServer 上获取。普通的用户可以通过 LAN 或通过无线网络接入到该系统之中。

四． 未来属于流媒体

宽带网络的竞争最终将是宽带应用的竞争, 由此诞生的基于中速网络的流媒体(StreamingMedia) 技术正在日益受到人们的关注。流媒体增值业务平台的构筑将使其应用更加广泛, 潜在的客户群体包括电信、广电、智能小区、智能楼宇、校园网、酒店、企业、等。应用领域涵盖教育、金融、证券、会议、电子商务、娱乐、监控等。它们推动了互联网整体架构的革新, 转变了传统互联网呆板的表现形式, 赋予宽带应用更多的娱乐性和互动性, 必将成为未来宽带网络的主流技术。日前从微软、思华、威盛、杭州网通等厂商在杭州联合举办的关于流媒体技术与运营策略的论坛再次传来了令人惊喜的信息———流媒体, 够得着的金苹果。