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摘要

本文在引言部分闡述了流媒體技術的基礎：流媒體的一般概念及相關的概念。在正文部分介紹了流媒體技術的原理以及媒體服務器的硬件平臺。最后主要的介紹了流媒體技術了兩種教育應用：校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)的解決方案和遠程多媒體教學方案。

關鍵字:流媒體流式傳輸媒體服務器校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)遠程多媒體教學系統(tǒng)

一、引言

在網(wǎng)絡上傳輸音／視頻等多媒體信息目前主要有下載和流式傳輸兩種方案。A/V文件一般都較大，所以需要的存儲容量也較大；同時由于網(wǎng)絡帶寬的限制，下載常常要花數(shù)分鐘甚至數(shù)小時，所以這種處理方法延遲也很大。流式傳輸時，聲音、影像或動畫等時基媒體由音視頻服務器向用戶計算機的連續(xù)、實時傳送，用戶不必等到整個文件全部下載完畢，而只需經(jīng)過幾秒或十數(shù)秒的啟動延時即可進行觀看。當聲音等時基媒體在客戶機上播放時，文件的剩余部分將在后臺從服務器內(nèi)繼續(xù)下載。流式不僅使啟動延時成十倍、百倍地縮短，而且不需要太大的緩存容量。流式傳輸避免了用戶必須等待整個文件全部從Internet上下載才能觀看的缺點。

流媒體指在Internet/Intranet中使用流式傳輸技術的連續(xù)時基媒體，如：音頻、視頻或多媒體文件。流式媒體在播放前并不下載整個文件，只將開始部分內(nèi)容存入內(nèi)存，流式媒體的數(shù)據(jù)流隨時傳送隨時播放，只是在開始時有一些延遲。

在這篇文章中，主要是討論流媒體的技術基礎，以及流媒體技術在教育中的應用。

二、流媒體技術基礎

1、流媒體技術的原理

流式傳輸?shù)膶崿F(xiàn)需要緩存。因為Internet以包傳輸為基礎進行斷續(xù)的異步傳輸，對一個實時A/V源或存儲的A/V文件，在傳輸中它們要被分解為許多包，由于網(wǎng)絡是動態(tài)變化的，各個包選擇的路由可能不盡相同，故到達客戶端的時間延遲也就不等，甚至先發(fā)的數(shù)據(jù)包還有可能后到。為此，使用緩存系統(tǒng)來彌補延遲和抖動的影響，并保證數(shù)據(jù)包的順序正確，從而使媒體數(shù)據(jù)能連續(xù)輸出，而不會因為網(wǎng)絡暫時擁塞使播放出現(xiàn)停頓。通常高速緩存所需容量并不大，因為高速緩存使用環(huán)形鏈表結構來存儲數(shù)據(jù)：通過丟棄已經(jīng)播放的內(nèi)容，流可以重新利用空出的高速緩存空間來緩存后續(xù)尚未播放的內(nèi)容。

流式傳輸?shù)倪^程一般是這樣的：用戶選擇某一流媒體服務后，Web瀏覽器與Web服務器之間使用HTTP/TCP交換控制信息，以便把需要傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)從原始信息中檢索出來；然后客戶機上的Web瀏覽器啟動A/VHelper程序，使用HTTP從Web服務器檢索相關參數(shù)對Helper程序初始化。這些參數(shù)可能包括目錄信息、A/V數(shù)據(jù)的編碼類型或與A/V檢索相關的服務器地址。

A/VHelper程序及A/V服務器運行實時流控制協(xié)議（RTSP），以交換A/V傳輸所需的控制信息。與CD播放機或VCRs所提供的功能相似，RTSP提供了操縱播放、快進、快倒、暫停及錄制等命令的方法。A/V服務器使用RTP/UDP協(xié)議將A/V數(shù)據(jù)傳輸給A/V客戶程序（一般可認為客戶程序等同于Helper程序），一旦A/V數(shù)據(jù)抵達客戶端，A/V客戶程序即可播放輸出。

需要說明的是，在流式傳輸中，使用RTP/UDP和RTSP/TCP兩種不同的通信協(xié)議與A/V服務器建立聯(lián)系，是為了能夠把服務器的輸出重定向到一個不同于運行A/VHelper程序所在客戶機的目的地址。實現(xiàn)流式傳輸一般都需要專用服務器和播放器，其基本原理如圖1所示。

圖1.流式傳輸?shù)幕驹?/p>

2、媒體服務器硬件平臺

視頻服務器把存儲在存儲系統(tǒng)中的視頻信息以視頻流的形式通過網(wǎng)絡接口發(fā)送給相應的客戶，響應客戶的交互請求，保證視頻流的連續(xù)輸出。視頻信息具有同步性要求，一方面必須以恒定的速率播放，否則引起畫面的抖動，如MPEG-1視頻標準要求以1.5Mb/s左右的速度播放視頻流。另一方面，在視頻流中包含的多種信號必須保持同步，如畫面的配音必須和口型相一致。另外，視頻具有數(shù)據(jù)量大的特點，一個經(jīng)MPEG-1壓縮的90min的電影，長度約為1GB，它在存儲系統(tǒng)上的存放方式，直接影響視頻服務器提供的交互服務，如快進和快倒等功能的實現(xiàn)。視頻服務器必須解決視頻流特性提出的要求。

視頻服務器的工作模式是當服務器響應客戶的視頻流后，從存儲系統(tǒng)讀入一部分視頻數(shù)據(jù)到對應于這個視頻流的特定的緩存中，然后此緩存中的內(nèi)容送入網(wǎng)絡接口發(fā)送到客戶。當一個新的客戶請求視頻服務時，服務器根據(jù)系統(tǒng)資源的使用情況，決定是否響應此請求。系統(tǒng)的資源包括存儲I/O的帶寬、網(wǎng)絡帶寬、內(nèi)存大小和CPU的使用率。

三、流媒體技術的應用

互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和普及為流媒體業(yè)務發(fā)展提供了強大的市場動力，流媒體業(yè)務正變得日益流行。流媒體技術廣泛用于多媒體新聞、在線直播、網(wǎng)絡廣告、電子商務、視頻點播、遠程教育、遠程醫(yī)療、網(wǎng)絡電臺、實時視頻會議等互聯(lián)網(wǎng)信息服務的方方面面。流媒體技術的應用將為網(wǎng)絡信息交流帶來革命性的變化，對人們的工作和生活將產(chǎn)生深遠的影響。

一個完整的流媒體解決方案應是相關軟硬件的完美集成，它大致包括下面幾個方面的內(nèi)容：內(nèi)容采集、視音頻捕獲和壓縮編碼、內(nèi)容編輯、內(nèi)容存儲和播放、應用服務器內(nèi)容管理及用戶管理等。

下面就介紹流媒體技術在教育上的兩個具體的應用方案。

1、校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)

校園網(wǎng)的建設隨著教育產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展也逐漸呈現(xiàn)出蓬勃向上的態(tài)勢。隨著多媒體技術的不斷發(fā)展，特別是多媒體傳輸技術的突破，使網(wǎng)絡多媒體教學得以實現(xiàn)?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多的成熟的產(chǎn)品可以用來組建網(wǎng)絡多媒體教學的解決方案。

一般一個校園網(wǎng)視頻系統(tǒng)的要求有：

（1）通過校園網(wǎng)實現(xiàn)音、視頻實況轉播、視頻預訂，制作并存儲節(jié)目。

（2）在校園網(wǎng)上實現(xiàn)VOD教學。

圖2.校園網(wǎng)系統(tǒng)方案

每個教室安裝相應的軟件及視頻卡，攝像頭，麥克風，可以把教室實時的聲音和圖象通過校園網(wǎng)傳到監(jiān)控中心。在存儲服務器安裝SERVER軟件，可以存貯傳輸過來的實時圖象。在點播服務器安裝SERVER軟件，存儲視頻節(jié)目。

雖然現(xiàn)在校園網(wǎng)絡硬件水平和質量現(xiàn)在都非常高，但是，困惑也隨之而來，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

A、校園網(wǎng)投入大，但沒有用在教育主業(yè)上。

B、網(wǎng)絡僅用在辦公自動化中，投資效益低。

C、無法實現(xiàn)充分共享。即享受好的教育資源的學生很有限；同樣的課程需要年復一年的教授；同樣的問題需要一次次重復回答；材質差異明顯的學生按同一模式接受教育，做不到因材施教。

計算機網(wǎng)絡技術在教育產(chǎn)業(yè)中的應用現(xiàn)狀和由此產(chǎn)生的問題引起了教育界和計算機界對于計算機網(wǎng)絡條件下教學模式的思考。教學模式在網(wǎng)絡條件下最終會變化成什么樣子？目前和將來一段時間內(nèi)網(wǎng)絡技術發(fā)展到底能導致產(chǎn)生哪些更富成效的教育手段，逐步推動教學模式的改變？

2、遠程多媒體教學系統(tǒng)

知識經(jīng)濟的時代需要人們不斷的學習新的知識、技能，才能跟上時代的步伐。學習必須轉變成一個伴隨每個人一生的過程。網(wǎng)上教育突破了傳統(tǒng)"面授"教學的局限，為求知者提供了時間分散、資源共享、地域廣闊、交互式的教學新方式，因而廣受人們觀注。

從遠程教育的定義可以看出它有下列三方面的內(nèi)涵:學生與教師的分離，學生與學生的分離，利用傳播媒體和傳輸系統(tǒng)組織教學。從技術上講，遠程教育系統(tǒng)是建立在現(xiàn)代傳媒技術基礎上的多媒體應用系統(tǒng)，它通過現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡將教師的圖象、聲音和電子教案傳送給學生，也可以根據(jù)需要將學生的圖象、聲音回送給教師，從而模擬出學校教育的授課方式；同時還可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡條件建立虛擬的班級，加強學生之間的交流。

鑒于遠程教育的深遠意義，我們的遠程多媒體教學系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能有：實現(xiàn)教學課件的點播（VOD），教學直播，網(wǎng)絡課堂等等。

在IP網(wǎng)上開展遠程教學活動，需要解決兩個基本問題：音頻、視頻流信息的傳送以及它們與數(shù)據(jù)之間的同步。由于音頻、視頻信息的帶寬比較寬，不可能讓學生將所有的節(jié)目下載到本地計算機上后再播放，必須要采用先進網(wǎng)絡播放技術來實現(xiàn)邊發(fā)送邊播放。此外，由于在教學過程中教師會經(jīng)常使用電子教案來輔助教學，比如用PowerPoint，而電子教案的展示與音頻、視頻流之間有嚴格的時間同步關系，這就要求在傳輸過程中我們?nèi)匀灰３炙鼈冎g的同步關系。

圖3.遠程教育網(wǎng)絡結構

系統(tǒng)的工作過程如下：輸入的視頻和音頻信號將送給MPEG4的編碼器進行編碼，編碼器輸出的節(jié)目流既可以存入存儲設備也可以直接送給MediaServer，MediaServer的主要功能是完成節(jié)目流的播出。MediaServer播出的節(jié)目有三個來源，它可能是保存在存儲設備中的ASF文件，也可以是編碼器實時傳送來的節(jié)目，它播出的節(jié)目還可以從其它的MediaServer上獲取。普通的用戶可以通過LAN或通過無線網(wǎng)絡接入到該系統(tǒng)之中。

參考文獻

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