網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)技術(shù)及其應用論文
[摘要]網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)可以突破傳統教學(xué)的時(shí)間和空間的限制，新穎而又靈活多變的教學(xué)模式、模擬課堂的教學(xué)環(huán)境、方便的網(wǎng)絡(luò )溝通。本文從網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)的實(shí)際應用出發(fā)，對網(wǎng)絡(luò )視頻的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的剖析和介紹，并對網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)在現代實(shí)際應用中的實(shí)現方式做了簡(jiǎn)單闡述。
[關(guān)鍵詞]視頻教學(xué)流媒體網(wǎng)絡(luò )教育
一、網(wǎng)絡(luò )視頻的關(guān)鍵技術(shù)
在計算機軟硬件技術(shù)和寬帶互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展的同時(shí)，各種影像視頻的錄制和后期制作技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，視頻格式可以分為適合本地播放的本地影像視頻和適合在網(wǎng)絡(luò )中播放的網(wǎng)絡(luò )流媒體影像視頻兩大類(lèi)。后者在播放的穩定性和播放畫(huà)面質(zhì)量上可能沒(méi)有前者優(yōu)秀，但前者文件一般體積較大，不利于網(wǎng)絡(luò )傳輸。所以因為后者的廣泛傳播性正被廣泛應用于網(wǎng)絡(luò )視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò )演示、遠程教育、網(wǎng)絡(luò )視頻廣告等互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)領(lǐng)域。本文著(zhù)重解釋一下后者。
所謂流媒體就是指在internet中使用流式傳輸技術(shù)的連續時(shí)基媒體。目前在internet上傳輸視頻還有許多困難，其根本原因在于internet的無(wú)連接每包轉發(fā)機制主要是為突發(fā)性的數據傳輸而設計的，不適用于對連續媒體流的傳輸。為了在internet上有效、高質(zhì)量地傳輸視頻流，還需要多種技術(shù)的支持，例如基于視頻的壓縮編碼技術(shù)、應用層qos技術(shù)、連續媒體分布服等。其中，原始視/音頻經(jīng)過(guò)視/音頻壓縮算法的預壓縮存儲在存儲設備中。響應客戶(hù)請求時(shí)，流服務(wù)器從存儲設備中獲得視/音頻數據，應用層qos控制模塊根據網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)和qos要求來(lái)改變視/音頻比特流。然后通過(guò)傳輸協(xié)議把壓縮過(guò)的比特流打包并且發(fā)送到網(wǎng)上。由于擁塞數據包可能出現丟包或者過(guò)度時(shí)延，為了提高視/音頻的傳輸質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò )中配置了連續流媒體分布式服務(wù)。對于成功傳輸的數據包，它們首先通過(guò)傳輸層，然后在進(jìn)行視/音頻解碼前經(jīng)過(guò)應用層處理。為了獲得在播放中的視頻和音頻的同步，還需要媒體同步機制。以下介紹的六個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò )視頻架構的主要組成部分。
1.網(wǎng)絡(luò )教學(xué)視頻的壓縮及編碼
網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)的視頻文件的傳輸就是把數據包發(fā)送到網(wǎng)上，用戶(hù)通過(guò)解壓后像先前發(fā)送那樣流暢播出。因為目前網(wǎng)絡(luò )是異構性的，缺乏qos質(zhì)量控制，并且帶寬也在很大范圍內變化。所以傳統的不可擴展性視頻編碼不適合網(wǎng)絡(luò )傳輸。為了適應網(wǎng)絡(luò )帶寬的變化，面向傳輸的可擴展性編碼的思想應運而生�？蓴U展性編碼就是將多媒體數據壓縮編碼成多個(gè)流，其中一個(gè)可以獨立解碼，產(chǎn)生粗糙質(zhì)量的視頻序列，它適應最低的網(wǎng)絡(luò )帶寬，稱(chēng)為基本層碼流；其他的碼流可以按層為單位在任何地點(diǎn)截斷，稱(chēng)為增強層，用來(lái)覆蓋網(wǎng)絡(luò )帶寬變化的動(dòng)態(tài)范圍，它們不可以單獨解碼，而只能與基本層和它以前的增強層聯(lián)合在一起解碼，用來(lái)提高觀(guān)看效果。因此，可擴展性碼流具有一定的網(wǎng)絡(luò )帶寬適應能力。
2.擁塞控制技術(shù)和差錯控制技術(shù)
擁塞控制技術(shù)的目的是采用某種機制應對和避免網(wǎng)絡(luò )阻塞，降低時(shí)延和丟包率。常用的擁塞控制機制有速率控制和速率整形。對于視頻流，擁塞控制的主要方法是速率控制。
差錯控制技術(shù)包括：(1)前向糾錯（fec）：fec是通過(guò)在傳輸的碼流中加入用于糾錯的冗余信息，在遇到包丟失的情況時(shí)，利用冗余信息恢復丟失的信息。它的不足是增加了編碼時(shí)延和傳輸帶寬。(2)延遲約束的重傳。通常流的播放有時(shí)間限制，因此，僅有當重傳的時(shí)間小于正常的播放時(shí)間時(shí)，重傳才是有價(jià)值的。(3)錯誤彈性編碼（error-resilientencoding）：在編碼中通過(guò)適當的控制使得發(fā)生數據的丟失后能夠最大限度的減少對質(zhì)量的影響。在internet環(huán)境下，最典型的方法是多描述編碼（mdc）。mdc把原始的視頻序列壓縮成多位流，每個(gè)流對應一種描述，都可以提供可接受的視覺(jué)質(zhì)量。多個(gè)描述結合起來(lái)提供更好的質(zhì)量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現了對數據丟失的魯棒性和增強的質(zhì)量。其缺點(diǎn)是相比單描述編碼（sdc），它在壓縮的效率上受到影響。而且由于在多描述之間必須加入一定的相關(guān)性信息，這進(jìn)一步降低了壓縮的效率。(4)錯誤的取消（concealment）：錯誤的取消是指當錯誤已經(jīng)發(fā)生后，接受端通過(guò)一定的方法盡量削弱對人的視覺(jué)影響。主要的方法是時(shí)間和空間的插值（interpolation）。近年來(lái)的研究還包括最大平滑恢復，運動(dòng)補償時(shí)間預測等。
3.連續媒體分布服務(wù)
連續媒體分布服務(wù)的目的是在internet盡力服務(wù)的基礎上提供qos和高效的音/視頻傳輸，包括網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾、應用層組播、內容復制等。
網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾:是擁塞控制的一種，不僅可以提高視頻質(zhì)量，還可以提高帶寬利用率。網(wǎng)絡(luò )過(guò)濾通常采用的是丟幀過(guò)濾器，其基本方法是客戶(hù)端根據網(wǎng)絡(luò )丟包率向過(guò)濾器發(fā)送請求來(lái)增減丟幀速率，以調節媒體流的帶寬。這種速率整形可以在擁塞點(diǎn)進(jìn)行，這樣可以提高速率控制的效率和擁塞控制的'響應時(shí)間。
應用層組播：ip層的組播存在諸如可擴展性、網(wǎng)絡(luò )管理和對高層應用的支持等屏障。應用層組播機制打破了ip組播的一些障礙，其目的在于構建網(wǎng)絡(luò )上的組播服務(wù)，以更靈活的方式實(shí)現組播控制，節約網(wǎng)絡(luò )帶寬。
內容復制：內容/媒體復制是提高媒體傳輸系統可擴展性的一項重要技術(shù)。內容復制具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)降低網(wǎng)絡(luò )連接的帶寬消耗。(2)減輕流服務(wù)器負荷。(3)縮短客戶(hù)端時(shí)延。(4)提高有效性。
4.服務(wù)器
當視頻服務(wù)器響應客戶(hù)的視頻流請求以后，它從存儲系統讀入一部分視頻數據到對應于這個(gè)視頻流的特定緩存中，再把緩存的內容通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口發(fā)送給相應客戶(hù)，保證視頻流的連續輸出。目前存在三種類(lèi)型的視頻服務(wù)器結構：(1)通用主機方法。采用計算機主機作為視頻服務(wù)器。它的主要功能是存儲、選擇、傳送數據。缺點(diǎn)是系統成本高而且不利于發(fā)揮主機功能。(2)緊耦合多處理機。把一些可以大量完成某指令或者專(zhuān)門(mén)功能的硬件單元組合成的專(zhuān)用系統級聯(lián)起來(lái)，就構成了緊耦合多處理機實(shí)現的視頻服務(wù)器。這種服務(wù)器費用低、性能高、功能強，但是擴展性較差。(3)調諧視頻服務(wù)器。這種服務(wù)器主板上有一個(gè)獨特微碼的嵌入式仿真器控制。通過(guò)在主板中插入更多的服務(wù)通路，可以方便地進(jìn)行擴展。
5.媒體同步
所謂媒體同步是指保持一個(gè)數據流或者不同媒體流之間的時(shí)間關(guān)系。通常有三種類(lèi)型的同步控制：流內（intra-stream）同步、流間（inter-stream）同步和對象間（inter-object）同步。
6.相關(guān)協(xié)議
(1)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（rtp）與實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議（rtcp），rtp和rtcp都是基于ip的應用層協(xié)議。(2)實(shí)時(shí)流協(xié)議（rtsp）是由realnetworks和netscape共同提出的一個(gè)應用層協(xié)議。(3)資源預留協(xié)議（rsvp）資源預留協(xié)議是運行于傳輸層的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )控制協(xié)議。
二、網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)的實(shí)現方式
1.教學(xué)視頻素材的存儲及網(wǎng)上發(fā)布
通過(guò)全程數字化的設想錄制及編輯，利用現有的網(wǎng)絡(luò )平臺，采用.MPEG/.MPG/.DAT/.AVI/.RA/.RM/.RAM/.WMV等影像格式將接收的節目和現場(chǎng)教學(xué)或課件有選擇的進(jìn)行存儲，并對存儲的節目進(jìn)行編目、檢索，最終實(shí)現網(wǎng)上發(fā)布。在這種模式中，信息的采集與獲得都是基于DownloadandPlay的模式，必須全部下載下來(lái)后才能使用。由于目前我國許多地區網(wǎng)絡(luò )條件還很不發(fā)達，這種方式可使網(wǎng)絡(luò )教學(xué)正�；�。
2.視頻教學(xué)點(diǎn)播系統
根據各專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)，將部分有價(jià)值的教學(xué)課件和經(jīng)典課程進(jìn)行數字化存儲，并在此基礎上建立課件點(diǎn)播系統，根據教學(xué)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)單一廣播（Unicast）或組播（Multicast），并對這些課件或課程進(jìn)行編目和網(wǎng)上發(fā)布，以利于師生隨時(shí)點(diǎn)播或網(wǎng)上補課，滿(mǎn)足不同層次用戶(hù)的需求�，F代“流媒體”技術(shù)的應用，使得在線(xiàn)點(diǎn)播得以順暢實(shí)現。因為音視頻文件是一種時(shí)間性的連續數據，因此采用“流媒體”技術(shù)后可以無(wú)需等待全部數據下載完畢就可以開(kāi)始瀏覽或播放數據，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )教學(xué)中學(xué)生與教師同步。而且“流媒體”處理的信號壓縮比很大，這樣可以大大減少存儲體積，節省網(wǎng)上資源。
3.視頻教學(xué)網(wǎng)絡(luò )直播
利用實(shí)時(shí)視頻壓縮、大數據量網(wǎng)絡(luò )直播，異步視頻控制等流媒體技術(shù)，在Internet環(huán)境中，通過(guò)先進(jìn)高效的數據傳輸技術(shù)，將采集到的視頻數據，向整個(gè)網(wǎng)域內實(shí)時(shí)直播，達到網(wǎng)絡(luò )內任何一臺客戶(hù)機均可同步觀(guān)看電視節目、現場(chǎng)直播、攝像頭視頻、視頻文件等。真正的基于Web應用的全新視訊直播系統，是按照國際標準的MPEG-4圖像編解碼技術(shù)和實(shí)時(shí)數據流傳輸的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議開(kāi)發(fā)，可穩定運用于基于IP協(xié)議的任何網(wǎng)。采用軟件技術(shù)實(shí)現視頻通信，文件直播，字幕及圖片的顯示遠程管理等功能，可廣泛適用于教育行業(yè)的多媒體教學(xué)、遠程教育、校園電視臺等。
4.遠程教育系統——可交互的多路實(shí)時(shí)視頻的線(xiàn)性教學(xué)
早期的網(wǎng)絡(luò )教育主要以課件下載、視頻下載、視頻點(diǎn)播等方式為主，相對于真實(shí)的課堂教學(xué)，在教與學(xué)之間音視頻互動(dòng)方面的表現力仍有一些缺陷，因此在教學(xué)效果上交互的效果較差。而在真實(shí)的課堂中，為了達到良好的學(xué)習效果，往往需要教師能夠及時(shí)的與學(xué)生進(jìn)行溝通，及時(shí)的答疑解惑、指點(diǎn)迷津。遠程教育系統一直以來(lái)更側重于多媒體交互技術(shù)，在處理多方多層次交互方面有著(zhù)更多的技術(shù)處理手段和應用積累，網(wǎng)上家教、網(wǎng)上輔導有一對一和一對多兩種模式。為遠程教育和遠程培訓真正的打造出了基于網(wǎng)絡(luò )的互動(dòng)課堂，使網(wǎng)絡(luò )視頻教育更加生動(dòng)和具體。
網(wǎng)絡(luò )視頻教學(xué)技術(shù)是建立在現代網(wǎng)絡(luò )傳媒技術(shù)基礎上的多媒體應用，學(xué)校和機構可以解決跨地區的教學(xué)和培訓，為教育教學(xué)改革做出貢獻。
參考文獻：
[1]王春海:網(wǎng)絡(luò )視頻技術(shù)及應用標準教程.人民郵電出版社
[2]吳國勇邱學(xué)剛:網(wǎng)絡(luò )視頻流媒體技術(shù)與應用.北京郵電大學(xué)出版社
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