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流媒体技术在网络多媒体教学环境中的应用

　　摘 要 介绍了流媒体技术的概念与特点，深入分析了流媒体系统的关键技术，给出了流媒体技术主要解决方案。最后，提出一个流媒体技术在网络教学环境应用中的解决方案。　关键词 流媒体；多媒体；网络教学
1 引言 随着网络技术、多媒体技术的日臻成熟,基于Internet/Intranet的网络技术为高校的教学实践提供了新的学习平台和教学手段。由于网络传输带宽的不断扩大和校园网的逐步完善，基于IP的流媒体技术得到了广泛的应用，流媒体技术已逐渐成为网络多媒体教学的主流解决方案。
2 流媒体技术简介 流媒体(Streaming Media)技术是一种新兴的网络传输技术，在互联网上实时顺序地传输和播放视频、音频等多媒体内容的连续时基数据流，流媒体技术包括流媒体数据采集、视频、音频编码、解码、存储、传输、播放等领域。一般来说，流包含两种含义，广义上的流是使音频和视频形成稳定和连续的传输流和回放流的一系列技术、方法和协议的总称，我们习惯上称之为流媒体系统；而狭义上的流是相对于传统的下载-回放方式而言的一种媒体格式，它能从Internet上获取音频和视频等连续的多媒体流，客户可以边接收边播放，使时延大大减少。
3 流媒体系统及其关键技术
流媒体系统的组成　流媒体系统包括音/视频源的编码/解码、存储、流媒体服务器、流媒体传输网络、用户端播放器5个部分，原始音/视频流经过编码和压缩后，形成媒体文件存储，媒体服务器根据用户的请求把媒体文件传递到用户端的媒体播放器。
流媒体系统的关键技术　流媒体系统中，影响流媒体播放质量的3个最关键的因素是：编码和压缩的性能与效率、媒体服务器的性能、流媒体传输的质量控制。编码/压缩 流媒体系统中的编码用于创建、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体格式。影响音/视频流的编码性能的因素很多：首先是编码效率，要求在保证一定音/视频质量的前提下，媒体流的码流速率尽量低，以达到压缩流媒体文件的目的。其次是编码的冗余性和可靠性，与普通多媒体文件压缩/编码不同的是，流媒体文件需要在网络上实时传输，因此必须考虑传输中数据丢失对解码质量的影响。在Internet环境下，最典型的方法是多描述编码(MDC)。MDC把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，都可以提供可接受的视觉质量，多个描述结合起来提供更好的质量。最后需要考虑速率调节的能力，可采用可扩展的层次编码，生成多个子位流，其中一个位流是基本位流，它可以独立解码，输出粗糙质量的视频序列，其他的子位流则起质量增强的作用，所有的子位流一起还原出最好质量的视频序列。当网络速率变化时，可以通过调节流输出的层次来控制码流的速率，从而适应网络速率的变化。　　媒体服务器 流媒体系统中的媒体服务器用于存放和控制流媒体的数据。随着流媒体规模的扩大，流媒体服务器的性能成为制约流媒体服务扩展能力的重要因素。流媒体服务器性能的关键指标是流输出能力和能同时支持的并发请求数量。影响流媒体服务器性能的因素很多，包括CPU能力、I/O总线、存储带宽等。因此为了具有更好的性能，目前的高性能流媒体服务器都采用大规模并行处理的结构，例如采用超立方体的结构将各个流媒体服务单元连接起来。还可以采用简单的PC集群的方式，这种方式下多个PC流媒体服务器用局域网连接，前端采用内容交换/负载均衡器将流媒体服务的请求分布到各个PC媒体服务单元。 流媒体传输网络 流媒体传输网络是适合多媒体传输协议甚至是实时传输协议的网络。流媒体在因特网上的传输必然涉及到网络传输协议，这是制约流媒体性能的最重要的因素。为了保证对网络拥塞、时延和抖动极其敏感的流媒体业务在面向无连接的IP网络中的服务质量，必须采用合适的协议，其中包括Internet本身的多媒体传输协议，以及一些实时流式传输协议等。Internet本身的多媒体传输协议RSVP(Resource Reserve Protocol)预留一部分网络带宽，能在一定程度上为流媒体的传输提供质量服务QoS。 目前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。 另外，采用内容分发网络可以实现应用层的质量控制机制。
4 流媒体技术的主要解决方案 到目前为止，Internet上使用较多的流媒体格式主要有Real Networks公司的Real system、Microsoft公司的Windows Media Technology和Apple公司的QuickTime，它们是网上流媒体传输系统的三大主流技术方案。
Windows Media Technology　Windows Media Technology是Microsoft提出的信息流式播放方案，其主要目的是在Internet和Intranet上实现包括音频、视频信息在内的多媒体流信息的传输。其核心是ASF文件，ASF是一种包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等多媒体信息在内的数据格式，通过分成一个个的网络数据包在Internet上传输，实现流式多媒体内容发布。因此，我们把在网络上传输的内容就称为ASF Stream。ASF支持任意的压缩/解压缩编码方式，并可以使用任何一种底层网络传输协议，具有很大的灵活性。Microsoft已将Windows Media技术捆绑在Windows 2000中，并将ASF用作Windows版本中多媒体内容的标准文件格式。 Windows Media Technology由Media Tools、Media Server和Media Player工具构成。Media Tools是整个方案的重要组成部分，它提供了一系列的工具帮助用户生成ASF格式的多媒体流，分创建工具和编辑工具两种，创建工具主要用于生成ASF格式的多媒体流，包括Media Encoder、Author、VidToASF、WavToASF、Presenter五个工具；编辑工具主要对ASF格式的多媒体流信息进行编辑与管理。Media Server可以保证文件的保密性，不被下载，并使每个使用者都能以最佳的影片品质浏览网页，具有多种文件发布形式和监控管理功能。Media Player则提供强大的流信息的播放功能。
Real system　Real System由媒体内容制作工具Real Producer、服务器端RealServer、客户端软件三部分组成。其流媒体文件包括RealAudio、RealVideo、Real Presentation和RealFlash四类文件，分别用于传送不同的文件。Real System采用SureStream技术，自动并持续的调整数据流的流量以适应实际应用中的各种不同网络带宽需求，轻松在网上实现视音频和三维动画的回放。
QuickTime　Apple公司于1991年开始发布QuickTime，它几乎支持所有主流的个人计算平台和各种格式的静态图像文件、视频和动画格式，具有内置Web浏览器插件技术，支持IETF流标准以及RTP、RTSP、SDP、FTP和HTTP等网络协议。QuickTime包括服务器QuickTime Streaming Server、带编辑功能的播放器QuickTime Player、制作工具QuickTime Pro、图像浏览器PictureViewer以及使Internet浏览器能够播放QuickTime影片的QuickTime 插件。除了上述三种主要解决方案外，在多媒体课件和动画方面的流媒体技术还有Macromedia的Shockwave技术和MeataCreation公司的Meta Stream技术。

　　5 网络多媒体教学方案设计与应用 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，所以选取它来作为开发工具。
基于 Windows Media Service 总体技术方案设计 图1 Windows Media 的应用框架 本系统由三部分构成：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ASF文件管理工具—Media Index)。 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可为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。 ASF文件制作工具介绍。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；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；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。 Windows Media Player 用来从 Windows Media Server接收 ASF 流并解压播放。
系统软、硬件配置 本系统包括一个用DELPHI 编制的网络教学支撑环境软件，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。 硬件配置： 由于本系统具备音视频功能，所以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 SQL Server。服务器端用Microsoft Media Server为系统提供音/视频广播服务。 教师端：Microsoft Windows2000 Professtional + Microsoft Media Encoder。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，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，验证教师身份后，为讲课提供前端支持。 学生端：Microsoft Windows2000 Professtional + Microsoft Media Player。学生端运行网络教学支撑平台的学生端程序，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。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。
系统主要功能 学生点播单播。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，学生可以通过校园网自行选择学习内容，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。当然教师首先要制作课件,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站点上。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。 实时授课。服务器端预先发布教学安排，按安排播放教学内容,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。 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。实时答疑涉及到网上音视频交互问题，在此不再详述。
6 结束语 本文对基于流媒体技术的多媒体教学网络平台架构进行了有益的探索，流媒体技术在高校教学活动中的应用具有十分广阔的前景。在不远的将来，基于校园网的网络视频点播VOD(Video On Demand)、视频实时转播(1ivecast)、预定节目广播、网络课程点播COD(Course On Demand)、网络在线电视直播(Webcast)、远程教学等领域都会有更大的发展空间。
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