內容適配系統設計及性能評價研究

童名文，劉清堂，鄧 鶴

華中師范大學 信息技術系，武漢 430079

內容適配系統設計及性能評價研究

童名文，劉清堂，鄧 鶴

華中師范大學 信息技術系，武漢 430079

1 引言

隨著無線通信技術、微電子技術和多媒體編解碼技術的飛速發展，用戶可以在多種服務環境中接受網絡多媒體內容服務。然而，已有的網絡多媒體內容大多數是為特定的服務環境而設計，如個人電腦和有線網絡的服務環境，它們不適合在其他服務環境中訪問。這給多媒體內容服務帶來了新的問題和挑戰。問題主要表現在兩個方面：如果為每種服務環境定制多媒體內容，將極大地增加多媒體內容制作者的工作量；反之，如果為所有的服務環境提供統一的多媒體內容，又可能產生多媒體內容無法訪問或無法處理的問題。事實上在多媒體服務中，服務提供商不可能為同一內容制作眾多不同的版本；另外，用戶也不可能為內容版本選擇特定的服務環境。因此，服務提供商和用戶都希望以通用的方式發布或訪問多媒體內容即：通用多媒體訪問（Universal Multimedia Access，UMA）。UMA是一種多媒體內容服務的服務模式。它的目標是在不同的服務環境中能無縫、平滑地訪問多媒體內容[1]。UMA將成為未來多媒體內容服務的主要服務模式。近年來，國際上一些標準化組織已經開始制定實現UMA的技術框架和標準。其中最具代表性的是ISO/IEC制定的MPEG-21標準。MPEG-21 DIA規范中明確指出通過內容適配技術實現UMA[2]。內容適配技術通過內容適應服務環境的方式實現UMA。內容適配系統是采用內容適配技術實現UMA的多媒體內容服務系統。

近十年來，國內外關于內容適配技術研究已經成為多媒體內容服務領域的研究熱點之一，并出現了一些內容適配系統。研究內容適配技術，并實現內容適配系統，能夠推動多媒體服務業的發展，產生明顯的經濟效益。此外，國內外關于內容適配系統服務質量評價的研究相對較少，而且評價指標多以客觀指標為主，如圖像的信噪比，音頻數據的采樣頻率等。然而，內容適配系統本質是一種內容服務系統，用戶的服務體驗是衡量服務質量的重要指標，而服務體驗具有主觀性。因此，單純的采用客觀指標不符合服務質量的主觀性特征，內容適配系統的服務質量評價問題需要重新考慮。

本文將在前期研究的基礎上[3-5]，基于SOA架構設計并實現內容適配系統，并采用客觀和主觀指標相結合的評價體系，對內容適配系統的服務質量進行評價，為實現UMA打下技術基礎。

2 相關研究

國外已經有一些內容適配系統，以下對五個典型的系統做簡要介紹。

（1）Mophis無線內容轉碼器

Mophis[6]是一個基于java的web內容轉碼、轉換和轉譯的開源框架。它采用XML技術，實現文檔檢索和文檔或圖像轉譯功能，即能夠將XML文檔轉換為HTML或WML，同時也可以在線伸縮、裁剪和轉換圖像。Mophis的特點是輕量、單一，適用于web頁面適配。本質而言它是一個web頁面的轉碼工具，實現不同標記語言之間的轉碼功能，并不是一個完整的內容適配系統。

（2）Cocoon服務器

Cocoon[7]是一個基于java服務器框架的開源項目，它支持動態多通道發布web服務。Cocoon的主要功能是實現包括圖像在內的多種模態和格式轉換。例如：XML，XHTML，PNG，JPEG，SVG和PDF等。此外，Cocoon支持CC/PP和UAProf上下文模型，實現對服務環境信息的獲取功能。Cocoon特點是能夠支持多媒體內容模態之間的轉換，并具有處理服務環境信息的能力。但是它只是獨立的內容適配系統，不能調用其他的適配操作工具，這使得其內容轉換的能力和性能受到限制。

（3）MobiXtar媒體服務中心

MobiXtar[8]是一個移動多媒體傳輸和優化中心。它具有轉碼、優化和消息呈現與傳輸功能，并能夠實現靜態圖像、動畫、音頻和視頻的實時轉換。系統的主要特點是支持移動終端的消息服務和多媒體內容服務。MobiXtar系統本質仍然是多媒體內容的轉碼工具，并不能稱為內容適配系統。此外，內容轉碼過程中只考慮終端的能力，對于網絡特征和用戶偏好未作考慮。

（4）WebSphere轉碼發布器

WebSphere轉碼發布器[9]是IBM開發的基于服務器端的軟件，它能夠根據用戶偏好和設備能力，動態實現多種標記語言文件之間的轉換，還支持不同格式靜態圖像轉碼和文本轉換為語音數據。WebSphere主要特點是將用戶偏好作為服務環境的一部分，以實現個性化內容服務。但是其中用戶偏好模型并未提及，仍需做深入研究。

（5）Oracle無線服務器（Server Wireless）

Oracle無線應用服務器[10]是oracle應用服務器組件，其特點是允許應用通過多種傳輸方式和設備訪問多媒體內容。服務器功能包括自動描述終端設備和網絡特征；為特定設備提供圖像適配和音頻視頻流適配服務。Oracle無線應用服務器是專門為無線應用設計的服務器，其中考慮了對不同的設備和網絡特征進行內容轉換。但是也沒有考慮用戶偏好和不同轉碼工具的互操作問題。

綜合上述內容發現，已有的內容適配系統本質而言是一類轉碼工具，或具有轉碼功能的服務器軟件。它們并沒有考慮內容適配系統的體系結構，以及系統中組件的邏輯關系。此外，適配操作算法（如：轉碼）通常復雜度很高，依靠物理上單一的服務器很難承擔計算負荷，需要多臺服務器（如：云平臺）共同完成。但已有的系統并沒有考慮物理上分離的適配操作組件的互操作機制。最后，已有系統在內容轉碼過程中較少考慮用戶偏好，然而用戶偏好是決定內容服務質量的重要因素，因此內容適配系統中需要考慮用戶偏好。

3 系統設計

內容適配系統是采用內容適配技術，實現UMA的多媒體內容服務系統。它能夠在異構的服務環境中為用戶提供保證質量的內容服務。

3.1 系統功能

本文設計的內容適配系統具有四個主要功能，即：服務管理，適配服務，數據管理和內容服務接口，如圖1所示。

圖1 系統功能模塊

服務管理模塊實現各種內容適配相關服務之間的協調工作。其中主要包含服務發現、服務調用和服務注冊三個子功能模塊。服務注冊模塊用于在注冊中心存儲服務接口相關信息，以向整個網絡發布服務。服務發現負責在服務注冊中心查找所需的服務，例如：適配決策服務和適配操作服務。服務調用實現服務請求者與服務提供者之間的綁定。通過注冊中心存儲的服務描述，服務請求者在代理端可以自動生成調用程序，并通過綁定地址實現服務調用。適配服務模塊用于以服務的方式實現內容適配技術。主要包括適配決策服務和適配操作服務。適配決策服務決定不同服務環境中最優內容版本的屬性，為適配操作服務提供操作目標。適配操作服務實現原始內容向目標內容的變換（包括模態轉換和格式轉碼）。數據管理模塊負責管理服務環境數據，如：服務環境數據的組織、更新和檢索等。服務環境數據主要包括：用戶偏好、設備能力、網絡特征和自然環境等方面的數據。內容服務接口是用戶訪問內容的入口，負責監聽用戶的內容服務請求，并將適配后的內容推送給用戶。

3.2 系統體系結構

根據內容適配系統功能基于面向服務體系結構，設計內容適配服務系統體系結構如圖2。內容適配服務系統從上到下分為四層：內容服務代理層、服務管理層、適配服務層和數據管理層，與功能模塊中的四大功能相對應，層與層之間有控制信息和數據的交換。系統的運行機制如下：數據管理層為適配服務層提供服務環境信息。適配服務層將調用數據管理層的服務環境數據，完成內容適配過程。服務管理層采用面向服務體系架構的運行機制，通過服務注冊、發現和綁定，將不同的適配服務有機地結合，協同工作共同實現內容適配技術。內容服務代理層將用戶和適配服務分離，一方面為用戶提供內容服務的入口，另一方面通過服務管理層調用適配服務，為用戶提供滿足服務環境約束的最優內容。而整個內容適配過程對于用戶是透明的。

圖2 系統體系結構

該系統體系結構的主要特色是：（1）耦合松散但邏輯上彼此關聯。基于面向服務體系架構，將適配決策和適配操作包裝成服務，并公開發布。所有服務之間通過服務發現和服務綁定實現彼此關聯和互操作。（2）能夠承擔計算復雜度高的適配任務。通過將復雜的適配操作任務分解為相對簡單的子任務，在不同的計算節點完成，解決適配操作復雜度高的問題。（3）因為內容適配技術的服務組件可以方便地加入體系結構，也可以從體系中分離，所以該體系結構具有良好的擴展性和伸縮性。

3.3 系統主方法流程

采用面向對象的編程技術實現該內容適配系統。整個系統的核心類是“網關”類（Gateway），它用于封裝內容服務接口行為和屬性。圖3為“網關”類的主方法的流程圖。其中獲取服務環境信息主要有兩個來源，其一是服務上下文知識庫，這可以通過數據庫訪問類（DatabaseAcc）提供的接口實現；其二是超文本傳輸協議（HTTP）請求的首部，通過HTTP請求的首部可以知道瀏覽器和操作系統的相關信息。適配決策負責判斷適合當前的服務環境的最優內容的屬性。決策過程封裝在決策類（MyDecision）中。獲取內容是根據用戶的請求和適配決策的結果，查找相關的內容服務，并綁定服務獲取與決策內容最相似的內容。決策值匹配判斷用于決定是否需要進行適配操作，如果匹配就直接向用戶推送獲取的內容，反之將內容進行適配操作。這一步驟通過決策類中的“匹配”方法（match）實現。最后，適配操作將內容進行變換，以滿足服務環境約束條件。其中包括適配服務發現和綁定，它通過適配服務類（AdapService）實現。所有上述過程都是通過調用已經注冊的相關服務實現。如適配決策通過調用決策服務實現，無需在決策類中實現適配決策算法。因此，系統中的主方法本質是將相關服務進行組合，以實現內容適配過程。

圖3 主方法流程圖

3.4 服務環境知識庫設計

服務環境是開展多媒體內容服務的軟硬件條件，它主要包括用戶偏好、設備能力、網絡特征和自然環境等條件。隨著技術的發展，服務環境正在由單一化變為多樣化。正是因為服務環境的多樣性才產生了通用多媒體訪問的需求。因此，服務環境的信息模型是內容適配系統的基礎。在系統結構中服務環境數據位于最下層，為適配決策服務提供約束條件。本文采用本體對服務環境進行信息建模。本體的理論基礎是描述邏輯（describe logic）?；诿枋鲞壿嫷闹R庫主要包括兩部分：Abox和Tbox。其中Abox代表數據，Tbox代表模式。文獻[5]詳細陳述了服務環境的本體模型，并構建了適合內容適配服務應用的本體知識庫。該模型的特點是除了能夠顯示地表達服務環境信息外，還可以通過推理引擎發現隱式的服務環境信息，有利于適配決策服務做出更準確的判斷，最終提高服務質量。

3.5 適配決策與適配操作

在本系統中，采用了文獻[4]的決策算法，并將其封裝為服務公開發布，系統主方法通過調用該服務完成適配決策。另外，實現了兩種適配操作：字號縮放和圖像伸縮，也將它們以服務的形式發布。主方法通過調用服務完成內容變換。因為，系統基于面向服務體系結構，適配決策和適配操作還可以由第三方提供，通過服務發布和服務綁定技術，它們可以直接加入內容適配系統，并為主方法調用實現不同的決策過程和適配操作。

4 系統評測

為了檢驗內容適配系統能否實現UMA，以及評價系統的服務質量，設計了兩組實驗，具體實驗設計和結果如下。

4.1 功能驗證

第一組實驗用于檢驗系統能否實現UMA。以用戶偏好和服務訪問方式為自變量，訪問內容為因變量，通過實驗觀察自變量變化能否引起因變量的相應變化，驗證系統是否實現UMA。其中用戶偏好有12個不同的值，對應12個不具備多媒體專業知識的用戶被試，他們的用戶偏好保存在服務環境知識庫中。服務訪問方式有2個不同的值，對應2種典型的訪問方式。第一種訪問方式是固定方式，采用個人腦和有線10 Mb/s局域網；第二種訪問方式是移動方式，采用手機和無線GPRS移動網絡。在實驗組1中共設計3個實驗。（1）不同用戶不同訪問方式登錄系統；（2）相同用戶不同訪問方式訪問內容；（3）不同用戶相同訪問方式訪問內容。由于文章篇幅限制原因，本文只給出實驗1和2的結果。

圖4為不同用戶不同訪問方式登陸系統的結果。在登錄操作中，無論用戶采用怎樣的計算環境訪問多媒體內容，用戶輸入的web頁面地址都是相同的，系統能夠根據客戶端程序自動選擇適當的登錄頁面。如果系統檢測到客戶端程序是Internet Explorer，系統將提供HTML登錄界面；如果系統檢測到客戶端程序是M3GATE等WAP瀏覽器，系統將提供WML登錄界面。這一選擇過程對于用戶是透明的。

圖4 用戶登錄界面

圖5是相同用戶以不同訪問方式訪問系統中內容的實驗結果。據圖5可知用戶9在不同的服務環境下訪問到不同模態的內容。當用戶9采用個人第一種訪問方式時，內容模態為靜態圖像，圖像屬性為：jpg圖像，顏色深度8位，分辨率300像素×300像素；當采用第二種訪問方式，內容模態為文本，文字屬性為：color=黑色size=small。這說明多媒體內容模態和格式能夠跟隨計算環境的實時特征而適配，以適應當前的服務環境。另外，這一內容變換過程對于用戶也是完全透明的。

圖5 客戶端呈現內容

通過實驗證明，在內容適配系統中訪問內容能夠隨著用戶偏好和訪問方式的變化而相應變化，而這些變化對于用戶完全透明，系統能夠實現UMA。

4.2 服務質量評估

第二組實驗用于評價系統的服務質量。因為服務質量具有主觀特征，所以設計主觀和客觀指標結合的評價體系。其中，主觀指標選取用戶滿意度（Satisfied Degree，SD）為代表，客觀指標選取服務響應時間（Service Response Time，SRT）為代表。

定義1用戶滿意度（SD）是用戶對服務的滿意程度。

為將SD進行量化，以便于實驗測量和比較。借鑒圖像主觀評價（MOS）的思想，將SD分為五級，分別對應數字1至5。每一級的含義解釋見表1。實驗中SD值由用戶填寫滿意度量表的方式獲得。

表1 服務質量量化表

定義2服務響應時間（SRT）是用戶接受服務的等待時間。其度量單位為秒。

實驗證明，當SRT＜10 s時，用戶能夠有耐心等待服務。當SRT＞10 s用戶將對當前任務失去興趣[11]。因此，本文以10 s為閾值區分服務質量的好壞。實驗中SRT值通過在程序中加入定時器自動獲得。

實驗中，通過測量內容適配系統（Content Adaptation System，CAS）在上述兩個評價指標上的表現，檢驗系統的服務質量好壞。此外，基于比較實驗法的思想，還用另一個系統——普通內容服務系統（Content Service System，CSS）作為參照，比較兩個系統的服務質量指標值，證明內容適配系統比普通內容服務系統有更高的服務質量。選取用戶偏好和服務訪問方式為自變量，分別記為 p和c。其中 p有12個不同的值，對應12種不同的用戶偏好。c 有8個不同的值，對應8種不同服務訪問方式。選取SD和SRT為因變量。通過改變 p，c值，觀察兩個系統中SD和SRT的變化。具體包含2個實驗：（1）p變化，c不變情況下，觀察兩個系統的SD和SRT值的變化；（2）p固定不變，c變化情況下，觀察兩個系統的SD和SRT值的變化。實驗結果如下：

在第1個實驗中將c設定為手機和GPRS移動網絡的訪問方式，p在用戶偏好1至偏好12之間變化。為排除實驗過程中可能存在的隨機因素的干擾，p取每個值時，實驗都重復50次，實驗數據取平均值。實驗數據如圖6和7。

圖6 實驗1服務響應時間比較

圖7 實驗1服務滿意度比較

據圖6可知，兩個系統的SRT都小于3 s，內容服務系統SRT平均值略小于內容適配服務，這是由于內容適配系統可能需要做內容變換所致。盡管如此內容適配服務SRT較內容服務系統沒有明顯增加，并且其值小于10 s。因此，兩種系統在SRT指標上都能為用戶所接受。由圖7可知，在移動計算環境下，內容適配服務的服務滿意度值明顯高于內容服務系統，大于1/2的被試對服務非常滿意，而內容服務系統沒有用戶認為服務非常滿意。其原因是內容服務系統沒有考慮用戶的個人喜好，也沒有考慮用戶的不同計算環境和計算環境特征的實時變化，尤其對于移動計算環境，經?？赡艹霈F內容無法訪問的情況，而用戶對于內容無法訪問的情況主觀體驗最差。與此不同，內容適配服務在提供內容之前，將充分考慮用戶喜好和計算環境的特征，為用戶提供與個人喜好和計算環境特征最匹配的內容。盡管每次服務提供的內容不是總與用戶喜好完全一致，但可以最大程度地滿足用戶需求。即使在最極端的條件下，內容適配系統仍將為用戶提供最底限的內容，而不會出現內容無法訪問的情況。因此可以保證服務滿意度維持較高值。

在第2個實驗中選取4種固定訪問方式和4種移動訪問方式，c值在8種訪問方式中依次取值。P值保持為用戶9。與實驗1相同，為排除隨機因素可能的干擾，每種計算環境下重復50次服務，評價指標值取所有數據的平均值。實驗數據如圖8和9。

圖8 實驗2服務響應時間比較

圖9 實驗2服務滿意度比較

由圖8可知，在不同的計算環境下，同一用戶訪問內容服務系統的SRT與內容適配服務的SRT非常接近，而內容適配服務的SRT平均值略大于內容服務系統的SRT。其原因是內容適配服務可能需要執行內容轉換而多消耗了一定的時間。盡管如此，兩個服務的SRT均小于3 s，都在用戶能夠承受的等待時間范圍內。因此，內容轉換不會對服務的響應時間產生較大影響。

據圖9可知，在不同的計算環境中，相同用戶訪問內容系統系統的服務滿意度高于普通內容服務系統，而且服務滿意度的提高在移動計算環境中尤為顯著。在固定計算環境下，普通內容服務系統SD≥4的頻度為3/4。內容適配服務SD=5的頻度是3/4。這是由于固定計算環境的計算、存儲和通信資源相對充裕且比較穩定，服務環境對于內容的約束較弱，因此大部分情況下內容服務系統可以提供與用戶喜好相符的內容版本。對于內容適配系統，在固定計算環境下同樣因為松約束的原因，所以可以為用戶提供完全符合其個人喜好的內容，使服務滿意度維持最高值。當在移動服務環境下，普通內容服務SD≥4的頻度僅為1/4，而內容適配服務SD≥5的頻度為1/2。原因是移動服務環境對內容產生緊約束，而普通內容服務系統沒有考慮這些約束，所以大部分情況下內容版本與用戶需求偏差較大，服務質量較低。然而，內容適配服務充分考慮了服務環境約束，并將內容在約束條件下進行轉換，保證提供的內容版本與用戶偏好偏差較小，使服務滿意度仍然維持較高的水平值。

上述實驗結果證明，當服務環境變化時，內容適配系統具有較高的服務質量。此外，總體而言內容適配系統比普通內容服務系統服務質量更高。尤其在移動訪問方式時，服務質量的差異更加明顯。

5 結束語

通用多媒體訪問將是未來多媒體內容服務的主要服務模式。目前為止，內容適配技術是實現通用多媒體訪問的常用技術。基于面向服務體系架構，設計并實現了內容適配系統。通過實驗證明，本文設計的內容適配系統能夠實現UMA，并且具有較高的服務質量。

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TONG Mingwen,LIU Qingtang,DENG He

Department of Information Technology,Central China Normal University,Wuhan 430079,China

The content adaptation technology is used to realize universal multimedia access,in which the model of content system is one of the key problems.Based on the SOA,the content adaptation system is designed and complemented,which includes the functions of data management,service management,content adaptation and content service.The combined metrics of subjectivity and objectivity are accepted to evaluate the quality of service of the content adaptation system.

universal multimedia access;content adaptation;satisfied degree;service response time

內容適配技術是實現通用多媒體訪問的主流技術，如何實現內容適配系統是內容適配技術研究中的重要問題?；赟OA架構設計并實現內容適配系統。系統具有數據管理、服務管理、內容適配和內容服務功能。采用客觀和主觀指標結合的評價體系，對內容適配系統的服務質量進行評價。

通用多媒體訪問；內容適配；滿意度；服務響應時間

A

TP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1205-0253

TONG Mingwen,LIU Qingtang,DENG He.Research on content adaptation system design and QoS evaluation.Computer Engineering and Applications,2013,49（5）：27-31.

教育部人文社科基金項目（No.10YJC880113）；湖北省自然科學基金項目（No.2011CDB163）；中央高?；究蒲袠I務費項目（No.CCNU120002040471，No.CCNU10b01003，No.CCNU10C01003）。

童名文（1975—），男，博士，副教授，研究領域為多媒體內容適配、教育資源管理與服務；劉清堂（1969—），男，博士，教授，博士生導師，研究方向為數字版權管理、知識服務；鄧鶴（1977—），男，博士，講師，研究方向為小目標識別。E-mail：tongliuwen@163.com

2012-05-24

2012-10-16

1002-8331（2013）05-0027-05

CNKI出版日期：2012-11-09 http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20121109.1422.002.html