基于流媒體技術(shù)的遠(yuǎn)程聽力教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張維維

(長春師范大學(xué)國際交流學(xué)院，吉林長春130032)

1 流媒體

流媒體(Streaming Media)技術(shù)是指連續(xù)時基媒體，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和客戶端播放并行。使用流媒體的客戶端采用邊傳送邊播放的形式，無需等待整個文件下載完畢就能播放，不占用本地存儲空間，同時縮短了客戶端等待時間。流媒體數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式和播放方式是“流”，流格式是數(shù)據(jù)及其相關(guān)控制信息的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)包是按照流格式形成的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流由一個多媒體文件的所有數(shù)據(jù)包構(gòu)成[1]。流媒體由特殊編碼方式壓縮后的數(shù)據(jù)包形成，能夠?qū)崿F(xiàn)流媒體技術(shù)需要的軟硬件環(huán)境和控制協(xié)議。在播放器開始播放到達(dá)的第一組數(shù)據(jù)的同時，后續(xù)數(shù)據(jù)則源源不斷地“流”向客戶端。流媒體采用了數(shù)據(jù)壓縮和傳輸技術(shù)發(fā)布較長的聲音和視頻片斷。

2 流媒體技術(shù)原理

2.1 緩存

流媒體文件傳輸需要緩存，因特網(wǎng)進(jìn)行斷續(xù)的異步傳輸，傳輸基礎(chǔ)是包[2]。一個實(shí)時音頻/視頻源或存儲的音頻/視頻文件在傳輸中要被分解為多個包，各個包選擇的路由不盡相同，到達(dá)客戶端的時間延遲也不相等。緩存系統(tǒng)可以彌補(bǔ)延遲和抖動，并保證數(shù)據(jù)包不會因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)暫時擁塞出現(xiàn)播放停頓的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)到達(dá)流媒體播放器后先進(jìn)入緩存，從緩存中提取數(shù)據(jù)后進(jìn)行播放。只要緩存中有數(shù)據(jù)余量，媒體播放器就能夠開始播放媒體文件。

2.2 流媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

通信協(xié)議支持流媒體在Internet上傳輸?shù)娇蛻舳耍饕髅襟w傳輸協(xié)議有RTP(實(shí)時傳輸協(xié)議)、RTCP(實(shí)時傳輸控制協(xié)議)、RTSP(實(shí)時流協(xié)議)、RSVP(資源預(yù)定協(xié)議)等[3]。RTP和RTCP配合使用能夠?yàn)橛脩籼峁┝髁靠刂坪蛽砣刂频姆?wù)，適用于網(wǎng)上數(shù)據(jù)的實(shí)時傳送。RTSP定義了通過網(wǎng)絡(luò)如何有效地使多媒體數(shù)據(jù)在一對多應(yīng)用程序之間進(jìn)行傳送。其中，RTSP使用RTP完成數(shù)據(jù)傳輸，RSVP預(yù)留一部分帶寬為流媒體傳輸提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。

2.3 流媒體的傳輸

流式傳輸過程為:用戶選擇某一流媒體服務(wù)，HTTP/TCP檢索需要傳輸?shù)膶?shí)時數(shù)據(jù);客戶機(jī)啟動客戶端的流媒體播放器，流媒體服務(wù)器檢索相關(guān)參數(shù)，程序初始化[4]。Audio/Video Player程序及流媒體服務(wù)器之間通過運(yùn)行RTSP可以操縱播放、快進(jìn)、快倒、暫停及錄制等交換控制信息。流媒體服務(wù)器使用RTP/UDP將數(shù)據(jù)流傳輸給客戶端的流媒體播放器，數(shù)據(jù)抵達(dá)客戶端后由Audio/Video播放輸出。流式傳輸需要專用服務(wù)器和播放器，國外比較有影響的流媒體播放器有Real System、Windows Media和QuickTime。

2.4 流媒體技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程教學(xué)的意義

互聯(lián)網(wǎng)是中低帶寬網(wǎng)，在網(wǎng)上傳輸?shù)拇蠖鄶?shù)信息是靜態(tài)的，流媒體技術(shù)解決了多媒體信息在中低帶寬網(wǎng)上的傳輸問題。流媒體技術(shù)豐富了互聯(lián)網(wǎng)/內(nèi)部網(wǎng)上的信息資源，是遠(yuǎn)程教學(xué)多媒體課件和網(wǎng)絡(luò)課程傳輸?shù)淖罴逊绞剑瑫r流媒體技術(shù)也提高了信息資源的應(yīng)用效率。

3 遠(yuǎn)程教學(xué)的特點(diǎn)

遠(yuǎn)程教學(xué)是將教學(xué)資源傳送給校外一處或多處學(xué)生的教學(xué)活動形式。伴隨現(xiàn)代媒體技術(shù)的發(fā)展而迅速成長，遠(yuǎn)程教學(xué)已成為適應(yīng)社會發(fā)展需要的教學(xué)形式。在教學(xué)過程中，師生采取多種媒體進(jìn)行通信聯(lián)系。遠(yuǎn)程教學(xué)有特定的教學(xué)信息傳輸和交流手段、特定的教學(xué)信息資源。與常規(guī)學(xué)校教學(xué)相比，遠(yuǎn)程教學(xué)具有以下特點(diǎn)。

3.1 參與性

常規(guī)教學(xué)是封閉的，教學(xué)資源被封閉在校園內(nèi)，接受教學(xué)的是本校學(xué)生;而遠(yuǎn)程教學(xué)則面向整個社會，教學(xué)形式是終生學(xué)習(xí)，遠(yuǎn)程教學(xué)為有學(xué)習(xí)意愿的人提供普遍的受教育機(jī)會，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)信息資源的共享。

3.2 擴(kuò)展性

常規(guī)的學(xué)校教學(xué)教育者對受教育者實(shí)施面對面的教學(xué)活動;而遠(yuǎn)程教學(xué)借助多媒體技術(shù)將教學(xué)資源向外擴(kuò)散，把教學(xué)功能延伸至整個社會。

3.3 便捷性

遠(yuǎn)程教學(xué)在課程設(shè)置方面較常規(guī)的學(xué)校教育更具靈活性。

3.4 媒介性

與常規(guī)教學(xué)相比，遠(yuǎn)程教學(xué)對媒體工具和傳輸手段具有高度的依賴性，需要經(jīng)常用到信息資源和現(xiàn)代信息技術(shù)工具。

4 基于流媒體技術(shù)的遠(yuǎn)程聽力教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

硬件系統(tǒng)包括4個基本部分如表1所示，其在互聯(lián)網(wǎng)上流式傳輸?shù)幕驹砣鐖D1所示。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)上流式傳輸?shù)幕驹?/p>

(1)流媒體信息生成系統(tǒng):流媒體信息分為實(shí)時流媒體信息(直播)和非實(shí)時流媒體信息(點(diǎn)播)。能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)播流媒體課件、直播音視頻節(jié)目源等功能。

(2)服務(wù)器系統(tǒng):由Web服務(wù)器和流媒體服務(wù)器組成。其中，Web服務(wù)站點(diǎn)管理和服務(wù)需要使用Web服務(wù)器;流媒體的存儲和發(fā)布需要使用流媒體服務(wù)器。遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)采用安裝在Windows.Net Enterprise Server 3647或以上版本的Windows Media服務(wù)器組件。

(3)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng):采用路由設(shè)備支持組播協(xié)議，以及交換式以太網(wǎng)、TCP/IP協(xié)議。

(4)客戶端系統(tǒng):用戶通過Internet(或Intranet)訪問流媒體信息。客戶端需要安裝瀏覽器及流媒體播放器。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)作流程

(1)用戶瀏覽遠(yuǎn)程教學(xué)的指定網(wǎng)頁，點(diǎn)擊一個流媒體內(nèi)容的地址鏈接，由遠(yuǎn)程流媒體服務(wù)器提供該鏈接。

(2)在遠(yuǎn)程流媒體服務(wù)器收到請求后，生成播放文件，送到用戶的web瀏覽器中。

(3)用戶端瀏覽器下載播放文件，也可在用戶機(jī)的流媒體播放器接收播放文件。

(4)在用戶端流媒體播放器讀取播放文件中的鏈接時，流媒體播放器同時向流媒體服務(wù)器發(fā)出請求。

(5)遠(yuǎn)程流媒體服務(wù)器將內(nèi)容傳送給用戶機(jī)流媒體播放器的方式是流式傳輸，用戶機(jī)流媒體播放器會一邊播放，一邊接收。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)作流程圖

4.3 軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程聽力教學(xué)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程聽力教學(xué)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程聽力教學(xué)系統(tǒng)模塊，分為學(xué)生作為家庭作業(yè)完成分配的聽力模塊、教師指定學(xué)生在課堂完成聽力模塊、教師制作視頻或練習(xí)作為平時成績完成聽力模塊。通過這些功能模塊，學(xué)生能夠進(jìn)行課程學(xué)習(xí)和考核、查找和下載教學(xué)資源，與教師和其他同學(xué)進(jìn)行離線交流，教師指定學(xué)生在課堂上完成聽力模塊的練習(xí)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 多媒體音頻點(diǎn)播與廣播

多媒體音頻點(diǎn)播與廣播服務(wù)類型有點(diǎn)播和廣播兩種。點(diǎn)播，是指可以向服務(wù)器申請播放特定的節(jié)目，播放進(jìn)程例如暫停、快進(jìn)、快退等操作，用戶在播放過程中可以控制播放的進(jìn)程，在流點(diǎn)播過程中，建立用戶與服務(wù)器之間連接點(diǎn)播的單獨(dú)的節(jié)目，用戶進(jìn)行點(diǎn)播，其他的網(wǎng)絡(luò)用戶不接收此節(jié)目流。廣播，是節(jié)目在網(wǎng)絡(luò)上廣播。網(wǎng)絡(luò)上的所有用戶都可以收到廣播的節(jié)目流，但在廣播過程中不能控制節(jié)目的播放進(jìn)程。

5.2 多媒體課件庫

多媒體課件庫的主要任務(wù)是保存課件，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況，隨時地訪問學(xué)習(xí)課件庫中課程內(nèi)容以及習(xí)題等。課件服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲課件內(nèi)容，保證遠(yuǎn)程教學(xué)中教學(xué)內(nèi)容的傳輸應(yīng)具有并發(fā)特性、可靠性、穩(wěn)定性。每兩臺課件服務(wù)器互為鏡像，這樣可以避免用戶集中點(diǎn)播某一課件時產(chǎn)生的輸出瓶頸問題。

5.3 作業(yè)和測試模塊

根據(jù)聽力材料的內(nèi)容，教師布置作業(yè)或組卷測試，進(jìn)行訓(xùn)練和測試，對學(xué)習(xí)者的測試結(jié)果評分并給出反饋。教師對題量和分值可進(jìn)行自定義，對試題進(jìn)行再編輯。

5.4 流媒體課件制作模塊

同步設(shè)計授課者的影音播放和電子教案或教學(xué)課件。Windows Media允許在ASF流媒體文件中加入“標(biāo)記”(Marker)和“腳本”(Script)。例如有一個教案網(wǎng)頁，它的 URL是“HTTP://host/緒論.HTML”，標(biāo)記的標(biāo)題可以是“緒論”，時間是10秒，腳本命令的類型是“URL”，參數(shù)是“HTTP://host/緒論.HTML”，時間也是10秒。

5.5 安全性設(shè)計

采用Microsoft windows DRM數(shù)字版權(quán)保護(hù)系統(tǒng)，使得學(xué)生從遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中下載媒體文件后能夠獲取一個包含解鎖密鑰的許可證播放媒體文件。由此可以保證學(xué)校對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行監(jiān)控，同時保證教學(xué)資源不被非法使用。

6 結(jié)語

本遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)成功試運(yùn)行并取得較好的效果。目前，基于流媒體技術(shù)和本教學(xué)系統(tǒng)平臺建設(shè)的“雅思聽力題庫”“英美文學(xué)選讀”等多媒體課件分別獲得“教育部教育管理信息中心舉辦的全國多媒體課件大賽高教文科組優(yōu)秀獎”。先進(jìn)性、集成性、低費(fèi)用是流媒體技術(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于流媒體技術(shù)的遠(yuǎn)程聽力教學(xué)系統(tǒng)，有利于充分利用教學(xué)資源，也有利于終身教育體系和未來開放教育的構(gòu)建。

[1]沈敬偉，周廷剛，溫永寧，等.基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的空間數(shù)據(jù)管理[J].西南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013(4):132－137.

[2]鐘玉琢，向哲，沈洪.流媒體和視頻服務(wù)器[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[3]關(guān)博.基于FMS的流媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013(12):146－147.

[4]姜繁.流媒體傳輸技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2013.

[5]王廷璇.P2P課堂直播系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2009(14):122－124.