網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用

[摘要] 網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)可以突破傳統(tǒng)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(yīng)用出發(fā)，對(duì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻教學(xué)在現(xiàn)代實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)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。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?yàn)楹笳叩膹V泛傳播性正被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)視頻點(diǎn)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(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(zhuǎn)發(fā)機(jī)制主要是為突發(fā)性的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的，不適用于對(duì)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(guò)視/音頻壓縮算法的預(yù)壓縮存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中。響應(yīng)客戶請(qǐng)求時(shí)，流服務(wù)器從存儲(chǔ)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(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(shù)據(jù)包可能出現(xiàn)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(xù)流媒體分布式服務(wù)。對(duì)于成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(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(jī)制。以下介紹的六個(gè)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(guò)解壓后像先前發(fā)送那樣流暢播出。因?yàn)槟壳熬W(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(kuò)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(kuò)展性編碼的思想應(yīng)運(yùn)而生?？蓴U(kuò)展性編碼就是將多媒體數(shù)據(jù)壓縮編碼成多個(gè)流，其中一個(gè)可以獨(dú)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(diǎn)截?cái)?，稱為增強(qiáng)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(dú)解碼，而只能與基本層和它以前的增強(qiáng)層聯(lián)合在一起解碼，用來(lái)提高觀看效果。因此，可擴(kuò)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(cuò)控制技術(shù)

擁塞控制技術(shù)的目的是采用某種機(jī)制應(yīng)對(duì)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(jī)制有速率控制和速率整形。對(duì)于視頻流，擁塞控制的主要方法是速率控制。

差錯(cuò)控制技術(shù)包括：(1)前向糾錯(cuò)（fec）：fec是通過(guò)在傳輸?shù)拇a流中加入用于糾錯(cuò)的冗余信息，在遇到包丟失的情況時(shí)，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(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(dāng)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(cuò)誤彈性編碼（error-resilient encoding）：在編碼中通過(guò)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(duì)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(duì)應(yīng)一種描述，都可以提供可接受的視覺質(zhì)量。多個(gè)描述結(jié)合起來(lái)提供更好的質(zhì)量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)丟失的魯棒性和增強(qiáng)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(cuò)誤的取消（concealment）：錯(cuò)誤的取消是指當(dāng)錯(cuò)誤已經(jīng)發(fā)生后，接受端通過(guò)一定的方法盡量削弱對(duì)人的視覺影響。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(fù)，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)間預(yù)測(cè)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(guò)濾、應(yīng)用層組播、內(nèi)容復(fù)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，其基本方法是客戶端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)丟包率向過(guò)濾器發(fā)送請(qǐng)求來(lái)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(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(yīng)時(shí)間。

應(yīng)用層組播：ip層的組播存在諸如可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)管理和對(duì)高層應(yīng)用的支持等屏障。應(yīng)用層組播機(jī)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(shí)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(kuò)展性的一項(xiàng)重要技術(shù)。內(nèi)容復(fù)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(fù)荷。(3)縮短客戶端時(shí)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(qǐng)求以后，它從存儲(chǔ)系統(tǒng)讀入一部分視頻數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)于這個(gè)視頻流的特定緩存中，再把緩存的內(nèi)容通過(guò)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(jī)方法。采用計(jì)算機(jī)主機(jī)作為視頻服務(wù)器。它的主要功能是存儲(chǔ)、選擇、傳送數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本高而且不利于發(fā)揮主機(jī)功能。(2)緊耦合多處理機(jī)。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(jí)聯(lián)起來(lái)，就構(gòu)成了緊耦合多處理機(jī)實(shí)現(xiàn)的視頻服務(wù)器。這種服務(wù)器費(fèi)用低、性能高、功能強(qiáng)，但是擴(kuò)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(gè)獨(dú)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(kuò)展。

5.媒體同步

所謂媒體同步是指保持一個(gè)數(shù)據(jù)流或者不同媒體流之間的時(shí)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(duì)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(yīng)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(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(yùn)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(xiàn)方式

1.教學(xué)視頻素材的存儲(chǔ)及網(wǎng)上發(fā)布

通過(guò)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(tái)，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(chǎng)教學(xué)或課件有選擇的進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)存儲(chǔ)的節(jié)目進(jìn)行編目、檢索，最終實(shí)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Download and Play的模式，必須全部下載下來(lái)后才能使用。由于目前我國(guó)許多地區(qū)網(wǎng)絡(luò)條件還很不發(fā)達(dá)，這種方式可使網(wǎng)絡(luò)教學(xué)正常化。

2.視頻教學(xué)點(diǎn)播系統(tǒng)

根據(jù)各專業(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(shù)字化存儲(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上建立課件點(diǎn)播系統(tǒng)，根據(jù)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(duì)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(bǔ)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(diǎn)播得以順暢實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橐粢曨l文件是一種時(shí)間性的連續(xù)數(shù)據(jù)，因此采用“流媒體”技術(shù)后可以無(wú)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(shí)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(hào)壓縮比很大，這樣可以大大減少存儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(guò)先進(jìn)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(gè)網(wǎng)域內(nèi)實(shí)時(shí)直播，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一臺(tái)客戶機(jī)均可同步觀看電視節(jié)目、現(xiàn)場(chǎng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-4圖像編解碼技術(shù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)，可穩(wěn)定運(yùn)用于基于IP協(xié)議的任何網(wǎng)。采用軟件技術(shù)實(shí)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(tái)等。

4.遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)——可交互的多路實(shí)時(shí)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(diǎn)播等方式為主，相對(duì)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(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(shí)的課堂中，為了達(dá)到良好的學(xué)習(xí)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(yuǎn)程教育系統(tǒng)一直以來(lái)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(duì)一和一對(duì)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(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(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(jī)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(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[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(guó)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