網絡視頻教學技術及其應用

[摘要] 網絡視頻教學可以突破傳統教學的時間和空間的限制，新穎而又靈活多變的教學模式、模擬課堂的教學環境、方便的網絡溝通。本文從網絡視頻教學的實際應用出發，對網絡視頻的關鍵技術進行了簡單的剖析和介紹，并對網絡視頻教學在現代實際應用中的實現方式做了簡單闡述。

[關鍵詞] 視頻教學 流媒體 網絡教育

一、網絡視頻的關鍵技術

在計算機軟硬件技術和寬帶互聯網技術迅猛發展的同時，各種影像視頻的錄制和后期制作技術也得到了突飛猛進的發展。目前，視頻格式可以分為適合本地播放的本地影像視頻和適合在網絡中播放的網絡流媒體影像視頻兩大類。后者在播放的穩定性和播放畫面質量上可能沒有前者優秀，但前者文件一般體積較大，不利于網絡傳輸。所以因為后者的廣泛傳播性正被廣泛應用于網絡視頻點播、網絡演示、遠程教育、網絡視頻廣告等互聯網信息服務領域。本文著重解釋一下后者。

所謂流媒體就是指在 internet中使用流式傳輸技術的連續時基媒體。目前在internet上傳輸視頻還有許多困難，其根本原因在于internet的無連接每包轉發機制主要是為突發性的數據傳輸而設計的，不適用于對連續媒體流的傳輸。為了在internet上有效、高質量地傳輸視頻流，還需要多種技術的支持，例如基于視頻的壓縮編碼技術、應用層qos技術、連續媒體分布服等。其中，原始視/音頻經過視/音頻壓縮算法的預壓縮存儲在存儲設備中。響應客戶請求時，流服務器從存儲設備中獲得視/音頻數據，應用層qos控制模塊根據網絡狀態和qos要求來改變視/音頻比特流。然后通過傳輸協議把壓縮過的比特流打包并且發送到網上。由于擁塞數據包可能出現丟包或者過度時延，為了提高視 /音頻的傳輸質量，網絡中配置了連續流媒體分布式服務。對于成功傳輸的數據包，它們首先通過傳輸層，然后在進行視/音頻解碼前經過應用層處理。為了獲得在播放中的視頻和音頻的同步，還需要媒體同步機制。以下介紹的六個關鍵技術是網絡視頻架構的主要組成部分。

1.網絡教學視頻的壓縮及編碼

網絡視頻教學的視頻文件的傳輸就是把數據包發送到網上，用戶通過解壓后像先前發送那樣流暢播出。因為目前網絡是異構性的，缺乏qos質量控制，并且帶寬也在很大范圍內變化。所以傳統的不可擴展性視頻編碼不適合網絡傳輸。為了適應網絡帶寬的變化，面向傳輸的可擴展性編碼的思想應運而生。可擴展性編碼就是將多媒體數據壓縮編碼成多個流，其中一個可以獨立解碼，產生粗糙質量的視頻序列，它適應最低的網絡帶寬，稱為基本層碼流；其他的碼流可以按層為單位在任何地點截斷，稱為增強層，用來覆蓋網絡帶寬變化的動態范圍，它們不可以單獨解碼，而只能與基本層和它以前的增強層聯合在一起解碼，用來提高觀看效果。因此，可擴展性碼流具有一定的網絡帶寬適應能力。

2.擁塞控制技術和差錯控制技術

擁塞控制技術的目的是采用某種機制應對和避免網絡阻塞，降低時延和丟包率。常用的擁塞控制機制有速率控制和速率整形。對于視頻流，擁塞控制的主要方法是速率控制。

差錯控制技術包括：(1)前向糾錯（fec）：fec是通過在傳輸的碼流中加入用于糾錯的冗余信息，在遇到包丟失的情況時，利用冗余信息恢復丟失的信息。它的不足是增加了編碼時延和傳輸帶寬。(2)延遲約束的重傳。通常流的播放有時間限制，因此，僅有當重傳的時間小于正常的播放時間時，重傳才是有價值的。(3)錯誤彈性編碼（error-resilient encoding）：在編碼中通過適當的控制使得發生數據的丟失后能夠最大限度的減少對質量的影響。在internet環境下，最典型的方法是多描述編碼（mdc）。mdc把原始的視頻序列壓縮成多位流，每個流對應一種描述，都可以提供可接受的視覺質量。多個描述結合起來提供更好的質量。該方法的優點是實現了對數據丟失的魯棒性和增強的質量。其缺點是相比單描述編碼（sdc），它在壓縮的效率上受到影響。而且由于在多描述之間必須加入一定的相關性信息，這進一步降低了壓縮的效率。(4)錯誤的取消（concealment）：錯誤的取消是指當錯誤已經發生后，接受端通過一定的方法盡量削弱對人的視覺影響。主要的方法是時間和空間的插值（interpolation）。近年來的研究還包括最大平滑恢復，運動補償時間預測等。

3.連續媒體分布服務

連續媒體分布服務的目的是在internet 盡力服務的基礎上提供qos和高效的音/視頻傳輸，包括網絡過濾、應用層組播、內容復制等。

網絡過濾:是擁塞控制的一種，不僅可以提高視頻質量，還可以提高帶寬利用率。網絡過濾通常采用的是丟幀過濾器，其基本方法是客戶端根據網絡丟包率向過濾器發送請求來增減丟幀速率，以調節媒體流的帶寬。這種速率整形可以在擁塞點進行，這樣可以提高速率控制的效率和擁塞控制的響應時間。

應用層組播：ip層的組播存在諸如可擴展性、網絡管理和對高層應用的支持等屏障。應用層組播機制打破了ip組播的一些障礙，其目的在于構建網絡上的組播服務，以更靈活的方式實現組播控制，節約網絡帶寬。

內容復制：內容/媒體復制是提高媒體傳輸系統可擴展性的一項重要技術。內容復制具有以下優點:(1)降低網絡連接的帶寬消耗。(2)減輕流服務器負荷。(3)縮短客戶端時延。(4)提高有效性。

4.服務器

當視頻服務器響應客戶的視頻流請求以后，它從存儲系統讀入一部分視頻數據到對應于這個視頻流的特定緩存中，再把緩存的內容通過網絡接口發送給相應客戶，保證視頻流的連續輸出。目前存在三種類型的視頻服務器結構：(1)通用主機方法。采用計算機主機作為視頻服務器。它的主要功能是存儲、選擇、傳送數據。缺點是系統成本高而且不利于發揮主機功能。(2)緊耦合多處理機。把一些可以大量完成某指令或者專門功能的硬件單元組合成的專用系統級聯起來，就構成了緊耦合多處理機實現的視頻服務器。這種服務器費用低、性能高、功能強，但是擴展性較差。(3)調諧視頻服務器。這種服務器主板上有一個獨特微碼的嵌入式仿真器控制。通過在主板中插入更多的服務通路，可以方便地進行擴展。

5.媒體同步

所謂媒體同步是指保持一個數據流或者不同媒體流之間的時間關系。通常有三種類型的同步控制：流內（intra-stream）同步、流間（inter- stream）同步和對象間（inter-object）同步。

6.相關協議

(1)實時傳輸協議（rtp）與實時傳輸控制協議（rtcp），rtp和rtcp都是基于ip的應用層協議。(2)實時流協議（rtsp）是由realnetworks和netscape共同提出的一個應用層協議。(3)資源預留協議（rsvp）資源預留協議是運行于傳輸層的一個網絡控制協議。

二、網絡視頻教學的實現方式

1.教學視頻素材的存儲及網上發布

通過全程數字化的設想錄制及編輯，利用現有的網絡平臺，采用.MPEG/.MPG/.DAT /.AVI/.RA/.RM/.RAM/.WMV等影像格式將接收的節目和現場教學或課件有選擇的進行存儲，并對存儲的節目進行編目、檢索，最終實現網上發布。在這種模式中，信息的采集與獲得都是基于Download and Play的模式，必須全部下載下來后才能使用。由于目前我國許多地區網絡條件還很不發達，這種方式可使網絡教學正常化。

2.視頻教學點播系統

根據各專業的特點，將部分有價值的教學課件和經典課程進行數字化存儲，并在此基礎上建立課件點播系統，根據教學需要進行實時或非實時單一廣播（Unicast）或組播（Multicast），并對這些課件或課程進行編目和網上發布，以利于師生隨時點播或網上補課，滿足不同層次用戶的需求。現代“流媒體”技術的應用，使得在線點播得以順暢實現。因為音視頻文件是一種時間性的連續數據，因此采用“流媒體”技術后可以無需等待全部數據下載完畢就可以開始瀏覽或播放數據，從而實現網絡教學中學生與教師同步。而且“流媒體”處理的信號壓縮比很大，這樣可以大大減少存儲體積，節省網上資源。

3.視頻教學網絡直播

利用實時視頻壓縮、大數據量網絡直播，異步視頻控制等流媒體技術，在Internet環境中，通過先進高效的數據傳輸技術，將采集到的視頻數據，向整個網域內實時直播，達到網絡內任何一臺客戶機均可同步觀看電視節目、現場直播、攝像頭視頻、視頻文件等。真正的基于Web應用的全新視訊直播系統，是按照國際標準的MPEG-4圖像編解碼技術和實時數據流傳輸的網絡協議開發，可穩定運用于基于IP協議的任何網。采用軟件技術實現視頻通信，文件直播，字幕及圖片的顯示遠程管理等功能，可廣泛適用于教育行業的多媒體教學、遠程教育、校園電視臺等。

4.遠程教育系統——可交互的多路實時視頻的線性教學

早期的網絡教育主要以課件下載、視頻下載、視頻點播等方式為主，相對于真實的課堂教學，在教與學之間音視頻互動方面的表現力仍有一些缺陷，因此在教學效果上交互的效果較差。而在真實的課堂中，為了達到良好的學習效果，往往需要教師能夠及時的與學生進行溝通，及時的答疑解惑、指點迷津。遠程教育系統一直以來更側重于多媒體交互技術，在處理多方多層次交互方面有著更多的技術處理手段和應用積累，網上家教、網上輔導有一對一和一對多兩種模式。為遠程教育和遠程培訓真正的打造出了基于網絡的互動課堂，使網絡視頻教育更加生動和具體。

網絡視頻教學技術是建立在現代網絡傳媒技術基礎上的多媒體應用，學校和機構可以解決跨地區的教學和培訓，為教育教學改革做出貢獻。

參考文獻：

[1]王春海:網絡視頻技術及應用標準教程.人民郵電出版社

[2]吳國勇邱學剛:網絡視頻流媒體技術與應用.北京郵電大學出版社