流媒體網絡教學平臺構建關鍵技術

郎 非

（南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京 210003）

0 引 言

流媒體指在IP網絡中傳輸的連續時基媒體，如音頻、視頻或多媒體文件。流媒體區別與其它媒體的最主要特征：首先，流媒體的播放與演示需要一段時間間隔，故流媒體是“連續時基媒體”；其次，流媒體具有時刻不停地運轉于網絡中的特點，并有能直接在網絡終端節點進行播放的功能，而無需在終端播放前下載整個流媒體文件再進行播放。故流媒體對網絡系統實時性能提出了很高的要求。

如今在信息與通信技術快速發展的浪潮中，特別是以多媒體和新型網絡為代表的新技術分別在日常教學與各類教育中得到廣泛快速的應用。其中包含音、視頻等多媒體技術的引入，使得知識表達方式更豐富，課堂教學交互性更強；網絡技術的引入使得傳統教學走出課堂和校園，使得知識傳播在不限時間地點的情況下向普通大眾傳遞。

為了使教學能夠同時吸納多媒體和網絡兩方面的技術優勢，多媒體與網絡結合的“流媒體技術”應運而生。在進入主題討論之前，有必要對“多媒體”這一概念進行定義，因為當前確有對此概念“濫用”的現象。

文中所提及的“多媒體”概念在無特殊說明的條件下，指至少要包含一種音頻或視頻的連續時基性媒體，更多情況下特指包含視頻媒體。這樣的多媒體在IP網絡中傳輸就稱為“流媒體”。

目前，基于流媒體技術的教學平臺系統仍未見到真正意義上的應用，即使有類似的原型系統，無論性能還是服務質量都遠達不到教學基本要求。文中致力于對這樣一個基于流媒體技術的教學平臺的實現給出一個基本的解決策略。首先給出多媒體的基本概念及其分類，在此基礎上，說明媒體結合技術在課堂教學中的運用以及產生的教學效果。然后主要針對流媒體技術在教學中的應用所涉及到關鍵技術進行討論，包括寬帶多媒體接入、音頻視頻媒體對網絡傳輸服務質量的要求和教學中雙向交互對網絡服務質量的要求。

文中首先給出音頻、視頻等連續時基性媒體在教學尤其是網絡教學中的應用意義。

1 基本概念

1.1 流媒體教學

流媒體教學是對傳統多媒體教學的擴展與延伸，指利用計算機、投影儀、音響等數字媒體設備，進行采集、處理、傳輸、存儲和播放等操作，操作的對象除傳統的符號、文字和圖形之外，還包括聲音和視頻等流媒體信息。我們把包含流媒體的各要素按教學需要進行有機組合，并通過屏幕或投影儀最終顯示出來，同時按需要加上聲音、動畫等進行配合，此外，在使用者與計算機之間可加上有事先設計好的人機交互操作，完成教學過程［1－3］。

1.2 網絡教學

網絡教學是相對于傳統的圍墻式的課堂和校園教學來說的。中國大陸自從90年代初開始，廣播、電視教學便應用于各類教育中，突破了封閉式圍墻式傳統教學模式。自21世紀初以來，隨著網絡技術的不斷發展和快速應用普及，網絡教學開展徹底改變了傳統“學校”、“教室”的概念，使學校成為開放、虛擬，甚至是社會化的學校。不僅能夠重新整合互補各類學校課堂教學資源，也進一步為全民教育和終身教育創造了條件［4］。

具體來說，網絡課堂教學是利用已經普及的計算機和寬帶網絡等硬件環境，依托專業的網絡現場教學平臺，實現異地、實時、互動教學和學習的教學模式，是“實地現場教學”模式強有力的補充，是教育信息化和網絡化的總體趨勢和目標。在網絡教學模式下，教師講課工作像以往一樣準備電子講稿（word，ppt，pdf等文件格式），一樣按照約定的時間上課。所不同的是上課的地點不再是集中于一固定地點，比如學校的固定班級，而是在網絡教學系統平臺上開設的一個虛擬化的網絡班級。上課的內容仍然是教師備課好的內容，只需要將講課稿文件“打開”到講課板上，借助多種媒體設備和網絡，整個網絡班級的學生都能在異地同時且實時地看到講課內容，當然前提是學生在規定的時間登陸到了指定班級。在網絡教學模式下，學生完全可以在家里參加學校開設的課程，免去了路途奔波，節省了時間和精力，極大地增加了學習的方便性，同時不乏現場教學中的互動和交流。

1.3 流媒體與網絡結合教學

網絡如果承載多媒體信息并應用于教學中，從教學效果上看，顯然會兼顧多媒體和網絡的兩方面優勢。但是，由于流媒體不同于普通文本字符數據，它具有類型多、數據量大、數據不定長等特點，如果再引入音頻、視頻數據還要考慮時間上的同步性。正是由于這些因素的存在，使得流媒體傳輸對網絡通信的服務質量提出了更高的要求，切實地將多媒體與網絡兩種技術融合為一個流媒體技術，需要有很多關鍵技術得到解決才行。然而就目前的實際情況而言，網絡課堂教學中的流媒體信息還遠不能進行雙向自由交互，學生一般只能在網絡的一端被動地接收另一端由老師傳過來的視頻圖像，甚至只能傳送提前錄制好的課堂影像資料。這種沒有有效地使用流媒體的網絡教學還遠遠達不到傳統教學中師生實時交互交流的效果。

2 多種表示媒體在教學中的應用

當前對媒體種類的劃分可謂五花八門，各種涉及組織團體幾乎都有其不同的劃分方式。在電子化教學領域中對此仍然沒有明確定義。概念的模糊很容易導致教學對技術的需求和多媒體技術的提供兩方面相互脫節，這對多媒體教學應用技術的發展非常不利。

2.1 媒體分類與媒體功能

國際電信聯盟（ITU－T）規定了媒體的5種分類準則：

1）感覺媒體，包括人的視覺、聽覺、觸覺等；

2）表示媒體，包括信息表示，如文字、聲音、語音、圖形、圖像、視頻、動畫等；

3）顯示媒體，指表現和獲取信息的物理設備，如打印機、顯示器、揚聲器、鍵盤、攝像機等；

4）存儲媒體，包括磁盤、磁帶、光盤等；

5）傳輸媒體（媒介），包括光纜、電纜、電磁波等。

在課堂教學中，顯示媒體、存儲媒體和傳輸媒體設備都已經被廣泛使用，我們將這3種媒體作為課堂教學中的輔助媒體，它們都是用于承載“表示媒體”的物理設備。值得注意的是，當表示媒體增加了音頻、視頻，它們以流媒體的形式在網絡中進行傳輸，此時流媒體對顯示、存儲和傳輸媒體設備的性能提出了更高的要求。

表示媒體可以看成是通信領域中的信息、信號或消息，在教學中指承載教師備課授課內容的表示符號，是知識最直接的“電子信息表達”。能否有效地使用多媒體，使其產生正面的教學效果全系于媒體的表示，如可以把Powerpoint軟件看作是表示媒體的容器。表示媒體中不同的類別會有不同的表現形式，在課堂上會產生不同的教學效果。例如，字符文本擅長表現概念和刻畫細節；圖形信息擅長表達思想的輪廓以及那些蘊含于大量數值數據內的數學幾何信息；視頻媒體則適合于表現真實場景等。顯然，在教學中這些表示媒體都被期望使用到，這能夠觸動各種不同的人類感官經驗。比如文本、圖像等與時間無關的“靜媒體”和音頻視頻等與時間相關的“動媒體”，一靜一動的結合會對學生聽課產生十分迥異的心里感覺，會刺激學生的腦部神經，加深對知識的理解和記憶。

2.2 媒體結合在教學應用中的作用

“多媒體”不同于“多種媒體”概念，“多種媒體”并沒有考慮不同媒體之間的相關性。只有把多種媒體進行結合，才能真正顯示出多媒體的意義，課堂教學亦如此。如教學中應把多種媒體的信息圍繞一個單一的主題而相互關聯在一起，共同主題是這些不同種類媒體相互聯系的紐帶，否則就是互不相干的共存而已。

在教學中，不同種類媒體有不同的展示知識的能力，而單一媒體對某一知識的表達總可能是蹩腳的。多媒體的核心價值就在于各種形態的信息通過各展所長，從不同的側面調動不同的感官充分展示一個事物。不同的信息形態被用于傳播與之相適應的信息，才能夠形成信息互補，這是多媒體應用的精髓所在。

交互性強是實現多媒體核心價值的形式環節，課堂上師生之間的交互性提高是多媒體應用的根本目的。只有產生好的交互性，才能使得學生對知識內容理解的更深刻。這種效果可以反映在理解程度和記憶駐留效果上。根據文獻［5］，由視頻傳遞的信息能被理解83%，由聽覺傳遞的信息能被理解11%，由觸覺傳遞的信息能被理解的占3%，其余的只占3%。從記憶駐留效果來看，以談話方式傳遞信息，2h能記住70%，72h能記住10%；以觀看的方式傳遞信息，2h后能記住的占72%，72h能記住的占20%；而以視聽并舉的方式傳遞的信息，2h后能記住85%，72h能記住65%。很明顯，視覺和聽覺的相互影響，起到了關鍵的作用，這就是所謂“感覺相乘”的效應。

3 流媒體網絡教學平臺模型

流媒體教學平臺的部分網絡結構如圖1所示。

圖1 流媒體網絡教學平臺架構

圖1采用的是帶有無線節點接入的分布式網絡結構［6］，其中，網絡教學現場位于學校的多媒體演播廳，將采集到的多媒體信息先匯集到流媒體服務器中，然后通過Portal端口接入到校園網絡。學生利用便攜式多媒體終端設備，通過無線信道的網絡AP（Access Points）節點接入到校園網絡。此外，校園網與外部Internet設有網絡關口（Gateway），可以為非本地校園網的用戶提供遠程教學服務。

4 無線寬帶流媒體接入技術

4.1 流媒體無線接入技術在網絡教學中的應用

隨著異構網絡的大量涌現，大學校園網絡不再僅局限于傳統的有線局域網（LAN），采用各種技術的無線局域網（WLAN）已經得到廣泛的使用，而且這一趨勢逐漸被推廣到一些城市的社區當中。無線網絡和無線接入技術的應用，使得用戶可以隨時隨地使用網絡，極大地提高了用戶對信息獲取的方便性。相信不久以后使用無線接入方式的用戶數量很快會超過有線接入方式，就如同在過去十年間手機用戶數量超過固定電話用戶數量。可以肯定的是不論在校園、社區，還是在乘車行駛路上或飛馳火車上，無線接入方式是便攜式終端最佳接入核心網絡的方式。我們有理由相信無線接入技術很快會在網絡課堂教學中得到應用，那么針對網絡教學，尤其是多媒體的網絡教學所采用的無線接入技術有如下特殊的設計要求。

基于無線接入技術的網絡教學平臺應用先要弄清楚兩個基本問題：第一，網絡教學不僅傳輸簡單的文本、字符、圖形和圖片信息，還要傳輸大量的音頻、視頻等流媒體信息，流媒體其數據結構特點是數據傳送持續時間長，且單位時間占用帶寬大，這對接入網的傳輸技術指標提出了很高的要求；第二，無線網絡和傳統有線網絡相比，無線信道含噪聲大，頻率資源有限，所能提供的傳輸帶寬相對較少。這造成了一方面音頻、視頻等流媒體信息對網絡帶寬有很高需求；另一方面無線帶寬資源又很有限的矛盾。那么如何利用現有資源爭取最佳的網絡接入帶寬便是無線寬帶流媒體接入技術要解決的核心問題。

4.2 當前流行的無線接入技術及其特點

無線接入技術標準舉例見表1。

表1 無線接入技術標準舉例

目前，無線接入技術包括WLAN（WiFi－IEEE 802．11，WAIP，HiperLAN）、GPRS、3G／4G、WAP（構成WPAN）、Bluetooth（藍牙，構成WPAN）、IrDA（紅外，構成WPAN）、HomeRF（構成WPAN）、UWB（超寬帶，構成WPAN）、Wi－Max（802．16，構成WWAN，WMAN）、衛星（構成WWAN）等［7］。

依據表1，在選擇無線網絡接入技術標準進行實際應用時，需要考慮如下因素：

1）傳輸速率；

2）傳輸誤碼率；

3）傳輸的距離；

4）不同接入點的切換速度；

5）每個區域服務的用戶數目；

6）為音頻、視頻等流媒體所能提供的服務質量（QoS），如延時抖動。

“延時”指數據從網絡的發送端到達網絡的接收端所經歷的時間，即端到端通信的時間。“延時抖動”指數據包在網絡傳輸的過程中，未在事先指定的時間點上到達，或遲或早。抖動越大，遲或早的時間間隔就越大。

4.3 多媒體教學與WLAN的流媒體接入技術

在目前的無線接入技術標準中，筆者認為IEEE關于WLAN的一系列標準更值得關注，尤其看好該標準在多媒體網絡教育平臺構建中的應用。IEEE 802．11是IEEE最初制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中用戶終端的無線接入，業務主要限于普通數據存取，速率最高只能達到2Mbps。2Mbps帶寬意味著只能為一個用戶提供標清的壓縮視頻服務，不能滿足多用戶接入和稍遠距離接入的要求。IEEE 802．11a（Wi－Fi5）標準傳輸可達25Mbps，支持語音、視頻業務，同時一個扇區可接入多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。IEEE 802．11e是為滿足多媒體服務質量（QoS）方面的要求而制訂的WLAN標準，它的分布式控制模式可提供穩定合理的服務質量，而集中控制模式可靈活支持多種服務質量策略，保證影音傳輸及時性，定量保證多媒體的順暢應用。IEEE 802．11g是為了更高的傳輸速率而制定的標準，通過采用OFDM（正交頻分復用）技術支持高達54Mbps的數據流，該技術被應用3G終端標準中，可獲取多路實時影音信息。IEEE 802．11n標準速率已經超過100Mbps，此外，IEEE 802．11p被用于汽車通信等特殊的領域，無線接入技術向更廣闊的應用領域延伸。最終能夠真正實現隨時隨地的多媒體信息的接入。

在各種媒體中，與視頻媒體相比，其它媒體數據量很小，占用傳輸帶寬也非常小［8］。然而在網絡教學中，對視頻圖像的單畫幅尺寸以及質量的要求都比較高。比如視頻中要顯示清晰的文字信息需要對圖像的分辨率和保真度有比較高的要求，視頻的壓縮倍數不能太高，否則信息丟失過多，影響知識的準確傳達。當然，即使是經過壓縮的視頻對帶寬資源的消耗也非常大。一般對于電視會議系統，視頻壓縮之后的帶寬在2Mbps左右就可以滿足使用。

3G網絡最初宣稱有2Mbps的速度，這足以傳送高質量的視頻，但是UMTS（Universal Mobile Telecoms System）網絡的速度現在已經被降低不到400kbps，一旦大規模使用，速度可能只有400kbps的三分之一，只能勉強傳送高質量音頻。GPRS是一種用于2．5G網絡的過渡技術，目前，由于在中國大陸地區3G業務剛剛開展，無線數據業務仍然依賴于GPRS。由于GPRS提供的數據帶寬仍然很低，雖然可以用于手機終端低分辨率地進行視頻播放，但這種媒體播放并不是真正意義上的實時展現，更不用說實時傳送高質量的視頻流。筆者比較看好WLAN的應用前景，在美國已廣泛實現了IEEE 802．11用于家庭、咖啡廳、機場和辦公室的連接，正在掀起下一代寬帶無線城域網建設的浪潮。在中國很多企業、高校和部分的城市已經率先應用WLAN技術接入到我們的商業和教育網絡中。WLAN所能提供的帶寬以及業務的種類在不斷地增多，相信不遠的將來，網絡教育很快就能成為WLAN的新業務之一。

5 流媒體對網絡傳輸服務質量的要求

5.1 流媒體在時間上的連續實時性特征

在多媒體網絡教學中，對音頻、視頻等流媒體的傳輸是必不可少的。同時應注意到各種媒體具有不同特點和性質，在現代教學中文字、照片、繪畫、圖表、音響、音樂、語音、視頻和動畫等媒體表達幾乎都會用到，應根據教學的需要將其靈活組合應用。現代網絡傳輸媒介幾乎可以承載所有媒體類型數據，這是相比較于廣播電視等傳統媒體的優勢所在。但同時考慮到不同媒體類型在網絡系統中實現采集、處理、傳輸、存儲和顯示等處理過程所需要采取的技術策略是不同的，要綜合這些技術應用于教學平臺實現是一個復雜的系統工程，其中，音頻視頻等時間連續型媒體數據傳輸是多媒體系統實現最為關鍵的核心問題，同時音視頻媒體也是多媒體網絡教學中知識表達的亮點。

前面曾對媒體類型作了分類，這里根據與時間的關系將媒體重新劃分為兩類：一是靜態媒體，信息的再現與時間無關，如文本、圖形、圖像等；二是連續媒體，具有隱含的時間關系，如聲音、動畫、視頻等。其中，音頻、視頻等連續媒體需要依賴一定的播放時間才能得以展現，如視頻需要播放25幅／s圖像，聲音采集的時候也需要滿足一定的采樣頻率，才能使用戶最終得到滿意的服務質量，此外連續媒體以流媒體的方式在網絡中進行傳輸。

流媒體被處理時有如下特點。音頻和視頻數據流包括了連續媒體數據中簡單而周期性變化的數值，例如音頻采樣或者視頻幀。每一個媒體的邏輯數據單元都必須通過一個嚴格定義的截止時間來表示［9］，例如，必須按照恒定的速度播放一段音樂。此時，必須將一些實時技術運用于網絡系統中所有參與連續媒體數據處理的設備，即端到端數據通路上的所有資源，如CPU、存儲器、I／O設備、網絡和媒體播放器等。

音頻、視頻在時間軸上這種連續性特征給采集、處理、傳輸、存儲等操作提出新的要求：網絡的各個節點元素信息處理速度要加快；通信帶寬要加大；網絡抖動要低。其中，處理速度和通信帶寬兩項指標是對網絡系統的一個普遍要求，網絡抖動則主要針對音視頻等實時連續型媒體數據的傳輸要求，這一特性會在接下來的同步技術中進一步說明。

5.2 流媒體的同步技術

同步技術也是網絡教學應用平臺實現的關鍵技術之一。多媒體對象的表現允許在正常表現時間基礎上有一定的時間變化，這意味著在一定范圍內的流內延時抖動和流間扭曲是能被人們所接受的（流內指單條媒體流，流間指不同媒體流，流指時間連續性的音視頻媒體）。例如，人的視覺可接受的視頻最大延時抖動為10ms，而可接受的視頻和音頻的最大扭曲是80ms，并且當音頻略超前于視頻時，同步效果反而最好［5］。

5.3 流媒體對網絡服務和協議的要求

多媒體網絡教學平臺在使用音視頻媒體信息時，對網絡的服務和協議提出特殊的要求。首先對定時信息敏感，音頻視頻的數據通信需要處于一定的截止時間限制的界限之內，這一需求意味著端到端的延時抖動必須是有界限的，相互關聯的數據流之間如果有同步相位差，那么這一相位差也應當是有界限的；其次，整個系統對數據吞吐量有很大的需求，需同時滿足視頻傳輸、存儲、處理和演示要求；再次，由于音視頻信息需要一定時間得以展現，因此，在這段時間內有關對媒體的服務都要得到保證，意味著處理和通信服務必須在應用程序處理和傳輸音頻視頻媒體的整個時間范圍內都提供服務保障；最后，非壓縮的音視頻媒體對可靠性的要求不同于傳統媒體，尤其在有很強的延時抖動的要求下，部分可靠也是可以接受的。

6 雙向交互教學對流媒體服務質量的要求

教學中經常會出現教師和學生互動的環節，要實現課堂上師生間自由的交互，需要網絡具備較低的延時。這是因為在網絡教學中，教師和學生以及學生之間分處于不同的地理位置，當通信雙方位置較遠，會使得信息傳播用時很長。如果通信雙方進行頻繁雙向交互（如語音會話），當數據傳輸的延時較長時會造成通信雙方在話語交流過程中有明顯的語音滯留等待的感覺。傳統的網絡廣播電視教學采用單方向廣播式的數據傳輸，缺乏雙向交互，因此不會出現上述問題，但這種方式教學缺陷明顯：教師不會實時得到學生的反饋信息，也就是平常所說的學生啞巴式教學。

6.1 傳輸延時對交互性能的影響

上述分析中，可以看出網絡通信的低延時是實現高質量雙向交互式教學的關鍵。解決網絡延時問題同樣是一個復雜的系統工程，解決策略可通過3方面來降低延時：

1）降低端到端的延時。影響網絡延時的因素很多，它涉及到通信“端到端”網絡路徑上的每一個節點和元素。如網絡鏈路與協議、路由器、交換機、服務器的硬件、軟件體系結構等。只有將端到端上每一個延時環節都盡可能地降低，才能使得整個通信路徑上的延時降低。

2）面向連接，資源預留。在用戶數據傳輸之前，提前搭建好網絡的通信路徑，減少數據包尋址、路由、排序校驗的時間。進一步在連接建立階段對網絡的資源（如帶寬）提前進行預留，這意味著處理和通信服務必須“在應用程序處理和傳輸音頻視頻媒體的整個時間范圍內”都提供服務保障。也就是說，針對音頻和視頻這種對定時敏感和高數據吞吐量的要求要在很長時間范圍內都能得到實現和維持，這一點與一般型的數據傳輸應用有很大不同。

3）優化錯誤控制機制，減少重傳。非壓縮的音視頻連續型媒體傳輸故障恢復需求通常比傳統的數據傳輸的故障恢復需求低。這是因為一方面連續媒體數據之間具有時間冗余性，即使丟失信息，也可以利用時間冗余信息將丟失信息還原；另一方面音頻、視頻等連續媒體在短時間內的故障并不會直接導致整個傳輸過程的中斷，只要音視頻的服務質量沒有降低到用戶無法忍受的地步即可。

6.2 交互同步性

交互同步需要處理用戶在多媒體表現過程中的輸入，而用戶輸入操作本身就具有時間不確定性動態性。因此在整個媒體集成處理過程中，網絡教學平臺都要動態地保持課件的多媒體同步。在分布式的網絡多媒體系統中，影響多媒體同步因素貫穿于端到端通信的整個鏈路中。例如，從一個存儲設備存取多個同步多媒體流，存取延時、媒體流間的存取沖突和競爭都會破壞多媒體同步；當前分時操作系統不支持多媒體同步基于時限的實時處理要求；計算機網絡通信系統具有很強的異步特性，表現在它有較大的隨機延遲和延遲抖動以及會丟失數據，這些均會導致多媒體同步異常。故網絡教學系統平臺需要支持多媒體同步的采集、同步存儲、同步處理、同步通信和同步播放的同步技術。

7 結 語

對流媒體在教學中的應用意義和基于流媒體技術的教學應用平臺實現的關鍵技術展開了討論。基于這些流媒體技術的教學平臺，可以實現跨越空間、時間的教育傳遞過程，實現一種隨時隨地并有較強交互性的教學方式。與傳統教育相比，包含流媒體的網絡教育具有開放性、靈活性、交互性、分散性等特點，打破了傳統封閉式的辦學模式，有利于集中優秀的教學資源，最終能夠為整個大眾教育帶來方便。

［1］ G Abowd，C Atkeson，A Feinstein．Teaching and learning as multimedia authoring：the classroom 2 000project［C］／／Proceedings of the Fourth ACM Multimedia Boston MA USA，1996：224－279．

［2］ X Zhang，Q Gao．The exploration and practice of multimedia teaching in course of microcomputer principle and application［C］／／International Conference on Education Technology and Training，2009：189－191．

［3］ D Qing，Y Lei．Design and implementation of classroom multimedia teaching equipment management system based on embedded system［C］／／International Conference on Industrial and Information Systems（IIS），2010：136－139．

［4］ R Wallace．A framework for understanding teaching with the internet［J］．American Educational Research Journal，2004，41（2）：447－489．

［5］ 張維明，吳玲達．多媒體信息系統［M］北京：電子工業出版社，2002．

［6］ A Leon－Garcia，I Widjaja．Communication etworks fundamental concepts and key architectures［M］．Second edition．［S．l．］：McGraw－Hill，2004：447－489．

［7］ Y M Wang．Competition among wireless access technologies［J］．ZTE Communications Technology，2004（B10）：21－25．

［8］ 張海濤，郭大波．多媒體通信技術的現狀與待解決問題［J］．長春工業大學學報：自然科學版，2011，32（5）：449－452．

［9］ R Steinmetz，K Nahrstedt．Multimedia system［M］．［S．l．］：Springer Press．Ltd．，2004：521－525．