多媒體教育信息通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

靳亞敏

關(guān)鍵詞： 多媒體; 教育信息; 通信平臺(tái); 多終端呼叫; 壓縮編碼; 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP399 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）24?0057?04

Design of multi?media education information communication platform

JIN Yamin

（Anyang University， Anyang 455000， China）

Abstract： In allusion to the long?term existing problems of poor communication effect and large time?consumption of the traditional communication platform for multi?media education information， a multi?media education information communication platform based on multi?terminal calls is proposed and designed. On the basis of analyzing the compression coding principle of multi?media educational information， the structure diagram for hardware of the overall multi?media education information communication platform is given， block design is conducted for the main communication modules， and also the software design process of the platform is given. The experimental results show that the improved communication platform has high communication efficiency and small time?consumption， which has a certain advantage over the traditional communication platform.

Keywords： multi?media; education information; communication platform; multi?terminal call; compression coding; software design

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展，以計(jì)算機(jī)、投影機(jī)等多媒體教學(xué)設(shè)備為核心的多媒體教學(xué)已經(jīng)在多數(shù)院校普及[1]。由于多媒體教學(xué)設(shè)備種類較多，操作復(fù)雜，多媒體教育信息的高效通信成為了該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)通信平臺(tái)將底層通信規(guī)范應(yīng)用于多媒體教育信息通信平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了各級(jí)用戶間的開(kāi)放式數(shù)據(jù)通信，但是忽略了中央控制器在控制過(guò)程中對(duì)通信造成的影響，存在通信效率低的問(wèn)題[2]。對(duì)此提出并設(shè)計(jì)基于多終端呼叫的多媒體教育信息通信平臺(tái)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)通信平臺(tái)，其通信效果較高，耗時(shí)較短，相比傳統(tǒng)通信平臺(tái)，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

1 ?多媒體教育信息壓縮編碼原理分析

多媒體教育信息通信平臺(tái)對(duì)信息進(jìn)行處理時(shí)需要經(jīng)過(guò)一系列流程，該流程主要包括模擬信息、數(shù)字化、壓縮編碼、存儲(chǔ)或傳輸以及解碼再現(xiàn)。其中最重要的環(huán)節(jié)為壓縮編碼，因?yàn)槎嗝襟w信息數(shù)量不計(jì)其數(shù)，所以需要對(duì)其進(jìn)行壓縮處理，經(jīng)處理后不僅可以達(dá)到用最少的數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確表達(dá)信息的目的，還可以達(dá)到減少存儲(chǔ)和傳輸開(kāi)銷的效果。雖然多媒體教育信息壓縮編碼算法的種類眾多，但是其結(jié)構(gòu)基本相同，如圖1所示。多媒體教育信息壓縮編碼算法中包含一些關(guān)鍵方法，例如：碼率控制方法、DCT變換方法、信息補(bǔ)償方法、量化方法和熵編碼方法等。

通過(guò)碼率控制方法編碼出來(lái)的比特流可以達(dá)到不同應(yīng)用環(huán)境的帶寬要求，主要是因?yàn)樵谶\(yùn)用碼率控制方法時(shí)，通過(guò)對(duì)圖像內(nèi)容復(fù)雜情況和緩沖區(qū)域占空比的檢測(cè)來(lái)反映控制量化補(bǔ)償?shù)拇笮?，從而完成?duì)編碼器輸出碼率的有效控制。DCT變換方法最重要的目的是把空域上的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)換到鄰域上，完成對(duì)多媒體信息的集中處理，處理后有利于對(duì)其進(jìn)行壓縮。DCT變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)多媒體教育信息進(jìn)行二維DCT變換，這一環(huán)節(jié)也是對(duì)變換編碼方法的應(yīng)用。

信息補(bǔ)償?shù)淖罱K目的是對(duì)多媒體教育信息進(jìn)行壓縮，通過(guò)查找多媒體教育信息彼此之間的關(guān)聯(lián)信息來(lái)對(duì)其時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行消除，這一環(huán)節(jié)是對(duì)預(yù)測(cè)編碼方法的運(yùn)用。量化方法是依據(jù)多媒體的視覺(jué)特性對(duì)經(jīng)過(guò)DCT變換后的系數(shù)進(jìn)行量化處理，其中，選取量化因子時(shí)要注意緩沖區(qū)占空比和編碼碼率。熵編碼方法的原理是依據(jù)出現(xiàn)的概率給不同符號(hào)搭配不同長(zhǎng)度的碼字，使最后的平均碼長(zhǎng)達(dá)到最小值，其具體過(guò)程是將DCT變換和量化之后的系數(shù)進(jìn)行可變長(zhǎng)編碼，這一環(huán)節(jié)是對(duì)統(tǒng)計(jì)編碼方法的應(yīng)用。

2 ?硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

多媒體教育信息通信平臺(tái)主要由控制模塊、射頻讀卡模塊、通信模塊、信息采集模塊組成，而控制模塊則主要由控制面板、音頻切換和開(kāi)關(guān)控制組成。硬件系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

在多媒體教育信息通信平臺(tái)中，控制面板輸入操作信息，音頻切換主要根據(jù)鍵盤操作將系統(tǒng)切換到相關(guān)的音頻和視頻源，開(kāi)關(guān)控制電路主要控制設(shè)備電源、投影機(jī)、電動(dòng)投影幕、音響等。三者構(gòu)成了設(shè)備的控制模塊，并最終達(dá)到對(duì)多媒體教育相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理的目的。射頻讀卡模塊主要利用射頻IC卡來(lái)確認(rèn)使用者使用多媒體設(shè)備的權(quán)限。網(wǎng)絡(luò)通信模塊則主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程監(jiān)控多媒體教育設(shè)備中控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信，通信平臺(tái)控制芯片以及嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)嵌入式Internet功能。為了采集教室內(nèi)部全部多媒體設(shè)備的工作狀態(tài)，信息采集模塊通常會(huì)安裝在教室適當(dāng)位置。

2.1 ?FLASH存儲(chǔ)器選擇及應(yīng)用

為了保存用戶設(shè)定的參數(shù)和基礎(chǔ)系統(tǒng)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器選擇與應(yīng)用通信終端設(shè)備的存儲(chǔ)器都必須具有容量大、易修改、不容易丟失等特點(diǎn)，而具有成本低、集成度高等特點(diǎn)的NOR FLASH正是一個(gè)好選擇。按照目前的需求，主要選擇Spansion公司的S29GL064ANOR FLASH。這款容量為8 MB的FLASH主要分為8位、16位兩種操作模式，除了大小為8 kB的8個(gè)扇區(qū)之外，剩下的127個(gè)都是大小為64 kB的扇區(qū)。VM600和FLASH的連接詳情見(jiàn)圖3。

2.2 ?多媒體通信終端程序的實(shí)現(xiàn)

多媒體通信終端程序主要在Linux操作系統(tǒng)中運(yùn)行。該系統(tǒng)依托函數(shù)庫(kù)支持，能夠進(jìn)行豐富的系統(tǒng)調(diào)用。按照各自實(shí)現(xiàn)的功能，程序中各個(gè)模塊主要可以分為主控單元、媒體控制單元和附加功能單元，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 ?軟件設(shè)計(jì)過(guò)程

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)備終端在服務(wù)器上呼叫過(guò)程是依靠SIP信令控制模塊實(shí)現(xiàn)的。在SIP信令控制模塊控制下達(dá)到對(duì)呼叫過(guò)程的發(fā)起、呼叫過(guò)程的應(yīng)答以及媒體格式進(jìn)行調(diào)節(jié)。在SIP協(xié)議棧中主要實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)狀態(tài)機(jī)，這幾個(gè)狀態(tài)機(jī)可以推動(dòng)SIP信令控制模塊對(duì)終端設(shè)備在服務(wù)器上發(fā)生的各種事件做出相應(yīng)的處理，見(jiàn)圖5。

在SIP呼叫與注冊(cè)的流程信令模塊中，由于SIP消息建立在純文本格式基礎(chǔ)上，其僅僅能滿足幾個(gè)狀態(tài)機(jī)推動(dòng)SIP信令控制模塊的事物處理流程，而其他流程還需要SIP消息的解析與生成模塊。SIP消息的解析與生成模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)收到的SIP消息中的各字段的內(nèi)容進(jìn)行分析，并按照需求對(duì)SIP消息進(jìn)行新的構(gòu)造。而在SIP中INVITE和ACK消息上的會(huì)話描述部分是由SDP信令模塊負(fù)責(zé)生成與分析。SDP信令模塊可以向服務(wù)器終端的對(duì)象列舉己方支持的媒體類型和傳輸格式，由終端對(duì)象進(jìn)行選擇并最終確定通信所采用的媒體格式。

通過(guò)調(diào)用上述的函數(shù)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器終端用戶系統(tǒng)地址的自動(dòng)獲取、自動(dòng)捕獲、網(wǎng)卡數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送以及自動(dòng)維護(hù)并更新終端主機(jī)的ARP高速緩存的關(guān)鍵技術(shù)。服務(wù)器的終端用戶系統(tǒng)分為設(shè)置本機(jī)信息模塊、注冊(cè)模塊、發(fā)起呼叫模塊、接收呼叫模塊和結(jié)束通信模塊5個(gè)功能模塊。各個(gè)模塊間的順序及關(guān)系如圖6所示。

當(dāng)完成了服務(wù)器終端用戶系統(tǒng)的相關(guān)信息設(shè)置、注冊(cè)成功之后，該終端可以利用呼叫模塊向其他注冊(cè)成功的終端發(fā)出呼叫，還可以通過(guò)該模塊監(jiān)聽(tīng)接收其他注冊(cè)成功的終端發(fā)出的請(qǐng)求。當(dāng)成功完成整個(gè)呼叫過(guò)程之后，兩個(gè)終端便可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交流與通信。在完成了通信數(shù)據(jù)的交流與通信后，終端的用戶系統(tǒng)便利用通信模塊關(guān)閉對(duì)外通信功能。不過(guò)在通信中，當(dāng)定時(shí)器未能在相應(yīng)的時(shí)間內(nèi)接收到其他終端發(fā)送的數(shù)據(jù)或者是服務(wù)器發(fā)出了連接失敗的反饋時(shí)，終端將會(huì)再次發(fā)出連接呼叫，詳細(xì)過(guò)程見(jiàn)圖7。

通過(guò)注冊(cè)模塊完成注冊(cè)之后，子線程會(huì)一直監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)卡中的數(shù)據(jù)。如果收到了呼叫到達(dá)信令，就會(huì)進(jìn)入到接收呼叫模塊之中。終端主機(jī)也會(huì)處于被叫狀態(tài)。而主線程則會(huì)通過(guò)網(wǎng)卡給適配網(wǎng)關(guān)下發(fā)響應(yīng)信令，完成定時(shí)器的設(shè)置。當(dāng)子線程收到了連接建立成功信令后會(huì)提取被叫主機(jī)的IP地址和主機(jī)號(hào)信息，然后將成功信息發(fā)送至主線程。通信結(jié)束模塊：當(dāng)子線程返回時(shí)，會(huì)釋放對(duì)網(wǎng)卡的控制，相關(guān)ARP表項(xiàng)也會(huì)隨之刪除，最終發(fā)送呼叫釋放信令至適配網(wǎng)管。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法的通信性能，采用本文方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行通信性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過(guò)Matlab呈現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)一對(duì)本文方法改進(jìn)的通信效果進(jìn)行驗(yàn)證;實(shí)驗(yàn)二對(duì)本文方法改進(jìn)的通信耗時(shí)情況進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 ?實(shí)驗(yàn)一：通信效果

通信效果的對(duì)比也就是通信質(zhì)量的對(duì)比。將本文方法與傳統(tǒng)方法的通信質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖8所示。分析圖8可得，隨著載波節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，傳統(tǒng)方法的通信效果有下降的趨勢(shì)，而本文方法的通信質(zhì)量基本保持平穩(wěn)。由此說(shuō)明，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，本文方法改進(jìn)的通信平臺(tái)通信質(zhì)量較高，通信效果更好。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)二：通信耗時(shí)

通信耗時(shí)長(zhǎng)是傳統(tǒng)方法存在的重大弊端，將本文方法和傳統(tǒng)方法的通信耗時(shí)情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖9。

分析圖9可得，傳統(tǒng)方法所用通信耗時(shí)曲線處于本文方法所用通信耗時(shí)曲線的上方，隨著載波節(jié)點(diǎn)的增加，傳統(tǒng)方法耗時(shí)與本文方法耗時(shí)的差距越來(lái)越大，傳統(tǒng)方法的通信耗時(shí)更高。由此說(shuō)明，相較于傳統(tǒng)方法通信耗時(shí)，本文方法的通信耗時(shí)較低。

5 ?結(jié) ?論

針對(duì)傳統(tǒng)通信平臺(tái)存在的通信效果差、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出并設(shè)計(jì)了基于多終端呼叫的多媒體教育信息通信平臺(tái)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)通信平臺(tái)，其通信效果及耗時(shí)均有提高，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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