基于JPEG2000的校園網數字錄像教學平臺的構建

【摘 要】闡述應用JPEG2000編碼，構建基于校園網絡的數字錄像教學系統，介紹了系統的原理、結構功能、設計思路及實現方法等，并將該系統運用到實際實驗教學中。

【關鍵詞】JPEG2000 校園網 數字錄像教學平臺

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2012）04C-0191-02

基于校園網的JPEG2000數字錄像教學平臺，是一個構建在校園網硬件基礎之上的、集軟硬件于一體的系統。軟件組成部分包括具有點播管理、錄像資源存儲管理、賬戶管理等功能的軟件平臺。硬件組成部分除校園網基礎設施外，還包括軟件平臺服務器、JPEG2000錄像存儲服務器（或磁盤陣列）、攝錄設備、JPEG2000編碼器等。這一個教學平臺構建主要有三個技術關鍵：JPEG2000編碼技術、基于校園網搭建硬件、軟件平臺建設。

一、JPEG數字錄像編碼技術的基本原理及性能

JPEG2000采用的編碼方式，是以小波變換為主的多層次編碼方式，它代替了離散余弦變換(DCT)為主的區塊編碼方式；同時，還將彩色靜態畫面JPEG編碼方式與二值圖像JBIG編碼方式結合起來，形成對應各種圖像的通用編碼方式。

經典的JPEG2000編碼運算法則包含三個部分：圖像區域與分量劃分、小波變換、EBCOT編碼。其一，圖像區域與分量劃分。先對原始圖像進行畫布坐標標定，然后在畫布坐標的基礎上進行劃分：先把圖像劃分為不同的分量，再將畫布劃分為大小相同的矩形“片”，這兩個步驟的執行順序可以調換。其二，離散小波分析（DWT）階段。小波分析被直接運用于各個片，這樣每個片區域都被DWT分析，形成不同的分辨率級別，每個分辨率級別中含有四個子帶。其三，嵌入式優化截斷編碼（EBCOT）階段：首先將各個子帶進行量化，量化對圖像信息有損。但此過程可有可無，從而使JPEG2000有“有損壓縮”和“無損壓縮”之說法。量化后，進行EBCOT編碼，編碼分為兩次，第一次編碼主要是碼塊劃分和熵編碼，第二次編碼主要是分層打包的過程。最后，碼流將會以封包流（pack-stream）的形式傳輸，包的主頭描述了原始圖像和不同的分解及編碼類型以便查找、提取、解碼和重構指定分辨率級、保真度、感興趣區域和其他特點的圖像部分。

作為一種新型圖像編碼系統，JPEG2000與JPEG相比，具有五點性能優勢：其一，JPEG2000可以方便地實現漸進式傳輸。它先傳輸圖像的大體輪廓，然后逐步傳輸其他數據，不斷地提高圖像質量。這樣圖像就由朦朧到清晰顯示出來，從而節約、充分利用有限的帶寬。傳統的JPEG無法做到這一點，只能是從上到下逐行顯示。其二，JPEG2000既支持有損壓縮，也支持無損壓縮方式，既能不丟失原始信息，又能使文件容量較小。JPEG只能做到有損壓縮，壓縮后數據不能還原。其三，JPEG2000支持對特定區域進行特別的壓縮處理。其四，JPEG2000的壓縮率比JPEG高20%～40%，在同樣的網絡帶寬下，傳輸時間將大大縮短。其五，JPEG2000與JPEG相比，可以用來處理多達256個通道的信息。而JPEG僅局限于RGB數據。

因有上述優勢，JPEG2000錄像系統在基于校園網進行教學應用中，就在資源存儲、教學傳輸速度、校園網帶寬資源利用等方面具有很大的優勢。

二、基于JPEG2000的校園網數字錄像教學平臺的硬件構建

基于JPEG2000的校園網數字錄像教學平臺的硬件總體結構如圖1所示。主要組成包括：教室（實驗室）攝錄現場部分、教學視音頻非線性編輯部分、系統服務器及存儲磁盤陣列、校園網及用戶終端部分。

各部分基本工作情況如下：

（一）教室（實驗室）攝錄現場及顯示部分

教室（實驗室）攝錄現場的硬件有彩色攝像機、JPEG2000編碼器、存儲主機、交換機、液晶投影機、幕布、專業功放機、有源音箱和無線胸麥等。攝像機攝錄教師下的教學過程，經過JPEG2000編碼器將模擬視頻轉成數字信號，形成數字錄像并保存在存儲主機上。然后，通過校園網把JPEG2000數字錄像傳輸到校園網服務器（帶磁盤陣列）上。

（二）音、視頻非線性編輯部分

這部分主要是錄像非線性編輯系統：它主要對錄像進行剪輯；對選定圖像進行放大、移動、亮度調節；或可進行畫質增強、抓取及儲存所抓取圖像等處理。

在這一部分，可通過比較教師授課水平、特點，進行節選和整合，形成因材施教的特點課程、完整高質的精品課程。

（三）系統服務器及存儲磁盤陣列

系統服務器是教學資源平臺服務器，采用server/brower方式，包括：錄像資源管理、錄像資源點播、師生用戶管理、課程管理、作業考試、成績管理等模塊。師生用戶可在電腦終端訪問教學資源平臺，點播視音頻錄像，等等。存儲磁盤陣列主要用來保存教學錄像，存儲按專業按方向按課程的方式。

（四）校園網終端部分

校園終端部分有：網絡多媒體教室的電腦、師生住宅電腦、辦公室電腦等，師生通過這些網絡終端訪問平臺，點播視音頻錄像。由于教學資源平臺采用B/S方式，用戶直接用網頁瀏覽器（如Internet Explorer）訪問、點播。

三、基于JPEG2000的校園網數字錄像教學平臺的軟件功能設計

數字錄像教學平臺的模塊結構如圖2所示：

第一，平臺信息管理：用于管理錄像課程相關的公告通知、管理規定、評選信息等網上發布的信息。

第二，課程點播：錄像課程由系統在平臺上向全校師生開放，用戶通過管理平臺選擇合適的課程來學習，其下有七個子模塊：（1）課程介紹：教學目的與要求、教學內容、教學方法。（2）課程特色。（3）教學內容：理論課程內容設計、實驗課程內容設計、教學內容安排、實踐教學。（4）教學資源：教材、教學大綱、教案、習題、實驗指導、參考文獻目錄。（5）講課錄像：用于點播播放的教學錄像。（6）效果評價：校內外同行評價、教師評價、學生評價、社會調查評價。（7）教學成果：與本課程有關的課程榮譽、教學與科研成果、優秀教師論文、學生競賽、優秀畢業論文、學生表文章、學生實習報告。

第三，課程管理。（1）課程申報：申報錄像課程的教師通過平臺在線填寫相關信息、提交《申報書》等資料，平臺將該申報的所有信息記錄到數據庫中為課程評審做好數據準備。（2）課程評審：評審專家通過平臺進行在線評審。管理平臺根據專家的打分情況，按照一定的算法對課程進行綜合評分，按照分值的高低對所有參評的課程進行排序，推薦錄像課程。（3）課程年審：每年采用使用率、好評率等對錄像課程進行統計、評審，對不能與時俱進、不能適應使用的課程進行淘汰。

第四，課程維護。教師對平臺上個人所屬課程進行更新維護。

第五，平臺管理。管理平臺將用戶劃分為四種類型：管理員、評委、教師、學生，并對這四類用戶添加、編輯、刪除、權限設定等管理。

四、結論

數字錄像教學平臺應用于課堂和實驗教學，有以下特點：一是錄像效果清晰，且對網絡帶寬要求不高，傳輸播放流暢。二是軟件平臺采用B/S模式，對用戶端沒有特殊要求，使用方便。三是有利于學生的自主學習，有助于提高教學質量。學生在課后可在網上回放教師課堂授課過程，進行復習提高；或回放實驗課示范操作過程，重溫沒完全掌握的操作，甚至選播符合自己學習特點的教師錄像。四是有利于教師改進教學和進行教學管理和評估。教師通過回放講課錄像，發現自己在教學中的缺點及不足，以便能更好地開展教學活動。學校通過回放教師講課錄像，檢查教師的授課情況、教學效果，評估學校的教學思路等。

【參考文獻】

［1］David S.Taubman，Michael W.Marcellin.JPEG2000圖像壓縮基礎、標準和實踐［M］.北京：電子工業出版社，2004

［2］劉正光，劉子曉，申旭剛.JPEG2000算法原理及實現框架［J］.計算機工程，2004（20）

［3］ISO/IEC JPEG2000 Part I，Final draft international standard［S］.

［4］李斌.JPEG2000標準的分析與評價［J］.數字電視與數字視頻.2001（10）

［5］肖曉梅.網絡教學平臺在高校教學中的應用研究[J].中國教育信息化，2008（9）

［6］岳江紅，杜建萍.網絡教學平臺應用探索［J］.教育技術資訊，2007（4）

［7］張京彬等.網絡教學的非量化評價［J］.中國遠程教育，2000（10）

（責編 黎 原）