網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用論文
[摘要]網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)可以突破傳統(tǒng)教學(xué)的時間和空間的限制，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)的實際應(yīng)用出發(fā)，對網(wǎng)絡(luò)視頻的關(guān)鍵技術(shù)進行了簡單的剖析和介紹，并對網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)在現(xiàn)代實際應(yīng)用中的實現(xiàn)方式做了簡單闡述。
[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，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。后者在播放的穩(wěn)定性和播放畫面質(zhì)量上可能沒有前者優(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(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻點播、網(wǎng)絡(luò)演示、遠(yuǎn)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(xù)時基媒體。目前在internet上傳輸視頻還有許多困難，其根本原因在于internet的無連接每包轉(zhuǎn)發(fā)機制主要是為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的，不適用于對連續(xù)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(yīng)用層qos技術(shù)、連續(xù)媒體分布服等。其中，原始視/音頻經(jīng)過視/音頻壓縮算法的預(yù)壓縮存儲在存儲設(shè)備中。響應(yīng)客戶請求時，流服務(wù)器從存儲設(shè)備中獲得視/音頻數(shù)據(jù)，應(yīng)用層qos控制模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和qos要求來改變視/音頻比特流。然后通過傳輸協(xié)議把壓縮過的比特流打包并且發(fā)送到網(wǎng)上。由于擁塞數(shù)據(jù)包可能出現(xiàn)丟包或者過度時延，為了提高視/音頻的傳輸質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)中配置了連續(xù)流媒體分布式服務(wù)。對于成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，它們首先通過傳輸層，然后在進行視/音頻解碼前經(jīng)過應(yīng)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。以下介紹的六個關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)視頻架構(gòu)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(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)上，用戶通過解壓后像先前發(fā)送那樣流暢播出。因為目前網(wǎng)絡(luò)是異構(gòu)性的，缺乏qos質(zhì)量控制，并且?guī)捯苍诤艽蠓秶鷥?nèi)變化。所以傳統(tǒng)的不可擴展性視頻編碼不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，面向傳輸?shù)目蓴U展性編碼的思想應(yīng)運而生�？蓴U展性編碼就是將多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼成多個流，其中一個可以獨立解碼，產(chǎn)生粗糙質(zhì)量的視頻序列，它適應(yīng)最低的網(wǎng)絡(luò)帶寬，稱為基本層碼流；其他的碼流可以按層為單位在任何地點截斷，稱為增強層，用來覆蓋網(wǎng)絡(luò)帶寬變化的動態(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，用來提高觀看效果。因此，可擴展性碼流具有一定的網(wǎng)絡(luò)帶寬適應(yīng)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(yīng)對和避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，降低時延和丟包率。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是通過在傳輸?shù)拇a流中加入用于糾錯的冗余信息，在遇到包丟失的情況時，利用冗余信息恢復(fù)丟失的信息。它的不足是增加了編碼時延和傳輸帶寬。(2)延遲約束的重傳。通常流的播放有時間限制，因此，僅有當(dāng)重傳的時間小于正常的播放時間時，重傳才是有價值的。(3)錯誤彈性編碼（error-resilientencoding）：在編碼中通過適當(dāng)?shù)目刂剖沟冒l(fā)生數(shù)據(jù)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，每個流對應(yīng)一種描述，都可以提供可接受的視覺質(zhì)量。多個描述結(jié)合起來提供更好的質(zhì)量。該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)丟失的魯棒性和增強的質(zhì)量。其缺點是相比單描述編碼（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(dāng)錯誤已經(jīng)發(fā)生后，接受端通過一定的方法盡量削弱對人的視覺影響。主要的方法是時間和空間的插值（interpolation）。近年來的研究還包括最大平滑恢復(fù)，運動補償時間預(yù)測等。
3.連續(xù)媒體分布服務(wù)
連續(xù)媒體分布服務(wù)的目的是在internet盡力服務(wù)的基礎(chǔ)上提供qos和高效的音/視頻傳輸，包括網(wǎng)絡(luò)過濾、應(yīng)用層組播、內(nèi)容復(fù)制等。
網(wǎng)絡(luò)過濾: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)過濾通常采用的是丟幀過濾器，其基本方法是客戶端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)丟包率向過濾器發(fā)送請求來增減丟幀速率，以調(diào)節(jié)媒體流的帶寬。這種速率整形可以在擁塞點進行，這樣可以提高速率控制的效率和擁塞控制的'響應(yīng)時間。
應(yīng)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(yīng)用的支持等屏障。應(yīng)用層組播機制打破了ip組播的一些障礙，其目的在于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)上的組播服務(wù)，以更靈活的方式實現(xiàn)組播控制，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)帶寬。
內(nèi)容復(fù)制：內(nèi)容/媒體復(fù)制是提高媒體傳輸系統(tǒng)可擴展性的一項重要技術(shù)。內(nèi)容復(fù)制具有以下優(yōu)點:(1)降低網(wǎng)絡(luò)連接的帶寬消耗。(2)減輕流服務(wù)器負(fù)荷。(3)縮短客戶端時延。(4)提高有效性。
4.服務(wù)器
當(dāng)視頻服務(wù)器響應(yīng)客戶的視頻流請求以后，它從存儲系統(tǒng)讀入一部分視頻數(shù)據(jù)到對應(yīng)于這個視頻流的特定緩存中，再把緩存的內(nèi)容通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給相應(yīng)客戶，保證視頻流的連續(xù)輸出。目前存在三種類型的視頻服務(wù)器結(jié)構(gòu)：(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(shù)據(jù)。缺點是系統(tǒng)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門功能的硬件單元組合成的專用系統(tǒng)級聯(lián)起來，就構(gòu)成了緊耦合多處理機實現(xiàn)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(diào)諧視頻服務(wù)器。這種服務(wù)器主板上有一個獨特微碼的嵌入式仿真器控制。通過在主板中插入更多的服務(wù)通路，可以方便地進行擴展。
5.媒體同步
所謂媒體同步是指保持一個數(shù)據(jù)流或者不同媒體流之間的時間關(guān)系。通常有三種類型的同步控制：流內(nèi)（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)實時傳輸協(xié)議（rtp）與實時傳輸控制協(xié)議（rtcp），rtp和rtcp都是基于ip的應(yīng)用層協(xié)議。(2)實時流協(xié)議（rtsp）是由realnetworks和netscape共同提出的一個應(yīng)用層協(xié)議。(3)資源預(yù)留協(xié)議（rsvp）資源預(yù)留協(xié)議是運行于傳輸層的一個網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。
二、網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)的實現(xiàn)方式
1.教學(xué)視頻素材的存儲及網(wǎng)上發(fā)布
通過全程數(shù)字化的設(shè)想錄制及編輯，利用現(xiàn)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(jié)目和現(xiàn)場教學(xué)或課件有選擇的進行存儲，并對存儲的節(jié)目進行編目、檢索，最終實現(xiàn)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，必須全部下載下來后才能使用。由于目前我國許多地區(qū)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)點播系統(tǒng)
根據(jù)各專業(yè)的特點，將部分有價值的教學(xué)課件和經(jīng)典課程進行數(shù)字化存儲，并在此基礎(chǔ)上建立課件點播系統(tǒng)，根據(jù)教學(xué)需要進行實時或非實時單一廣播（Unicast）或組播（Multicast），并對這些課件或課程進行編目和網(wǎng)上發(fā)布，以利于師生隨時點播或網(wǎng)上補課，滿足不同層次用戶的需求�，F(xiàn)代“流媒體”技術(shù)的應(yīng)用，使得在線點播得以順暢實現(xiàn)。因為音視頻文件是一種時間性的連續(xù)數(shù)據(jù)，因此采用“流媒體”技術(shù)后可以無需等待全部數(shù)據(jù)下載完畢就可以開始瀏覽或播放數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)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(jié)省網(wǎng)上資源。
3.視頻教學(xué)網(wǎng)絡(luò)直播
利用實時視頻壓縮、大數(shù)據(jù)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，通過先進高效的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將采集到的視頻數(shù)據(jù)，向整個網(wǎng)域內(nèi)實時直播，達到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一臺客戶機均可同步觀看電視節(jié)目、現(xiàn)場直播、攝像頭視頻、視頻文件等。真正的基于Web應(yīng)用的全新視訊直播系統(tǒng)，是按照國際標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-4圖像編解碼技術(shù)和實時數(shù)據(jù)流傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)，可穩(wěn)定運用于基于IP協(xié)議的任何網(wǎng)。采用軟件技術(shù)實現(xiàn)視頻通信，文件直播，字幕及圖片的顯示遠(yuǎn)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(yuǎn)程教育、校園電視臺等。
4.遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)——可交互的多路實時視頻的線性教學(xué)
早期的網(wǎng)絡(luò)教育主要以課件下載、視頻下載、視頻點播等方式為主，相對于真實的課堂教學(xué)，在教與學(xué)之間音視頻互動方面的表現(xiàn)力仍有一些缺陷，因此在教學(xué)效果上交互的效果較差。而在真實的課堂中，為了達到良好的學(xué)習(xí)效果，往往需要教師能夠及時的與學(xué)生進行溝通，及時的答疑解惑、指點迷津。遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)一直以來更側(cè)重于多媒體交互技術(shù)，在處理多方多層次交互方面有著更多的技術(shù)處理手段和應(yīng)用積累，網(wǎng)上家教、網(wǎng)上輔導(dǎo)有一對一和一對多兩種模式。為遠(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程培訓(xùn)真正的打造出了基于網(wǎng)絡(luò)的互動課堂，使網(wǎng)絡(luò)視頻教育更加生動和具體。
網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)技術(shù)是建立在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)傳媒技術(shù)基礎(chǔ)上的多媒體應(yīng)用，學(xué)校和機構(gòu)可以解決跨地區(qū)的教學(xué)和培訓(xùn)，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(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用.北京郵電大學(xué)出版社
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