多媒體網絡教學系統的研究

摘要：多媒體網絡教學是把計算機技術、多媒體技術、網絡技術和現代教學方法有機結合起來的一種全新模式的教學活動。近幾年，國內外涌現了大量的多媒體教學軟件，大多數都具有幾個基本的功能模塊。如音／視頻交互、電子白板、教學廣播、教學資源讀取、具有特定的用戶角色和權限控制等，為人們的學習、教育活動帶來了極大的便利。本文基于交換式網絡結構，詳細分析了RTP(Real-time Transport Protoc01)。以及視音頻數據的采集、壓縮、傳輸機制。闡述了構建多媒體網絡教學系統的要素。

關鍵詞：多媒體網絡教學 RTP 視音頻 信息傳輸

0 引言

隨著計算機技術的發展，多媒體網絡教學已經成為與傳統教學同等重要的一種教學模式，網絡教學既能有進行集體協作型教學，又可以進行個別化教學。給學生明確的教學目的、鮮明的教學目標、豐富的教學內容和靈活的學習方法，具有多樣化的教學形式，更可以把文字、圖形、圖像、聲音、動畫、視頻等多媒體信息集合于一體，信息處理能力強，信息處理速度快，激發學生的學習興趣，調動學生的積極性，實行網絡監控，并在教師容許情況下，可以讓學生查閱和運行各種教學軟件，讓學生充分發揮自己的才能，拓展自己的智慧。其在資源共享，時間、空間利用率、可重復性操作上有著不可比擬的優越性。然而多媒體數據流量大，在傳輸過程重，極容易引起網絡擁塞與延遲，影響正常的教學活動，因此必須要采取多種技術，充分利用各種資源來進行高效的網絡數據傳輸，可從兩個方向入手，一方面對待傳輸的視音頻數據進行壓縮編碼，降低數據冗余率：另一方面是根據不同的網絡拓撲結構應用不同的傳輸協議優化傳輸算法。

1 視音頻數據的壓縮

通過視音頻數據采集設備采集到的數據含有大量的冗余信息，需要對其進行壓縮處理。對于視屏數據，目前廣泛采用H.264規范，H.264，是由ITU-T視頻編碼專家組(VCEG)和ISD／IEC動態圖像專家組(MPEG)聯合組成的聯合視頻組(JVT，Joint Video Team)提出的高度壓縮數字視頻編解碼器標準。它最大的優勢是具有很高的數據壓縮比率，在同等圖像質量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。舉個例子，原始文件的大小如果為88GB，采用MPEG-2壓縮標準壓縮后變成3.5GB，壓縮比為25：1，而采用H.264壓縮標準壓縮后變為879MB，從88GB到879MB，H.264的壓縮比達到驚人的102：11 H.264為什么有那么高的壓縮比?低碼率(Low Bit Rate)起了重要的作用，和MPEG-2和MPEG-4 ASP等壓縮技術相比，H.264壓縮技術將大大節省用戶的下載時間和數據流量收費。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時還擁有高質量流暢的圖像。H.264是在MPEG-4技術的基礎之上建立起來的，其編解碼流程主要包括5個部分：幀間和幀內預測(Estimation)、變換(Transform)和反變換、量化(Quantiza-tion)和反量化、環路濾波(Loop Filter)、熵編碼(Entropy Coding)。H.264／MPEG-4 AVC(H.264)是1995年自MPEG-2視頻壓縮標準發布以后的最新、最有前途的視頻壓縮標準。H.264是由ITU-T和JSO／IEC的聯合開發組共同開發的最新國際視頻編碼標準。通過該標準，在同等圖象質量下的壓縮效率比以前的標準提高了2倍以上，因此，H.264被普遍認為是最有影響力的行業標準。

2 音頻數據的壓縮

對于音頻數據，自1995年以后，普遍采用G.729壓縮標準。其壓縮原理是電話線路上的模擬語音信號，經話路帶寬濾波(符合I-TU-T G.712建議)后，被8kHz采樣，量化成16bit線性PCM數字信號輸入到編碼器。該編碼器是基于線性預測分析合成技術，盡量減少實際語音與合成語音之間經聽覺加權后差分信號的能量為準則來進行編碼的。編碼器的其主要部分有：線性預測分析和LPC系數的量化；開環基音周期估計；自適應碼本搜索；固定碼本搜索；碼本增益量化。對應解碼算法也是按幀進行的，主要是對符合G.729協議的碼流進行解碼，得到相應的參數，根據語音產生的機理，合成語音。解碼過程主要分為：參數解碼：后濾波處理。

3 應用RTP協議

RTP(Real-time Transport Protocol)是用于Intenret上針對多媒體數據流的一種傳輸協議。RTP被定義為在一對一或一對多的傳輸情況下工作。其目的是提供時間信息和實現流同步。RTP通常使用UDP來傳送數據，可以在TCP或ATM等其他協議之上工作。當應用程序開始一個RTP會話時將使用兩個端口：一個給RTP一個給RTCP。RTP本身并不能為接順序傳送數據包提供可靠的傳送機制。也不提供流量控制或擁塞控制。它依靠RTCP提供這些服務。通常RIP算法并不作為一個獨立的網絡層來實現。而是作為應用程序代碼的一部分。實時傳送控制協議RTCP(Real-time Transport Control Protocol)和RTP提供流量控制和擁塞控制。在RTP會話期間，各參與者周期性地傳送RTCP包。RTCP包中含有已發送的數據包的數量、丟失的數據包的數量等統計資料。因此，服務器可以利用這些信息動態地改變傳輸速率，甚至改變有效載荷類型。RTP和RTCP配合使用，它們能以有效的反饋和最小的開銷使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送網上的實時數據。

4 多媒體網絡教學系統的架構

物理實體層：體現為實現多媒體網絡的各種物理實體。就一個教室而言，包括服務器、教師用機、學生用機、網絡設備：就編輯中心而言，包括視頻采集卡、錄像機、數碼相機、掃描儀、多媒體編輯和圖形、動畫工作站等。

網絡層：相當于OSI的數據鏈路層、網絡層和傳輸層。它們為高層應用提供可靠的網絡保證。

多媒體網絡層：由于一般網絡層較難支持對多媒體的實時傳輸，因此我們在此基礎上再附一層，這是一個面向實時傳輸和QOS的層次，使上層能透明調用。

編輯制作層：網絡教學內容編輯器是一個基于網絡的在線收集、分類、編輯軟件系統，可以對課件的總體框架進行構思，同時應有提綱描述語言到課件語言的自動轉換工具。課件應有自己的文件描述語言，同時課件編輯器應是一個可視化的編輯環境，除了表現手段外，課件編輯系統還應能很方便地表示控制流，并能實現面向對象的課件編輯。

教學環境層：處于最頂層的教學環境是基于Client／Server(Browser／Server)的分布式系統，它能完成以下功能：異步(當然也能同步)地為每個學生提供相同或不同的課件學習服務；保持對學生學習過程的記錄：感知學生當前的學習狀態和遇到的困難，并能對常見問題進行分析、引導、提示。

5 總結與展望

本文在網絡技術的基礎上，針對多媒體網絡教學交互性的特點，深刻分析了交互式多媒體網絡教學系統的機理以及構建多媒體網絡教學系統的要素，目的是為實現多媒體網絡教學的功能并建立起一個交互式應用平臺提供一個良好的基礎，使得用戶可以根據自己的需求搭建不同的交互式多媒體網絡教學應用。

科學技術的發展是永無止境的，嵌入式系統的逐漸成熟以及智能手機、無線設備的普及，為移動學習提供了很好的硬件環境，將移動學習平臺與有線多媒體網絡教學系統進行集成，多媒體網絡教學技術逐漸走向成熟。另外，在智能化、全球化的大趨勢下，多媒體網絡教學仍然有非常大的發展空間，隨著流媒體技術、分布式操作系統、數字有機體等技術的發展，多媒體網絡教學最終會向著智能化、全球化方向發展，形成一個巨大的國際網絡學園。