基于流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

熊劍

(西南民族大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 四川 成都 610041)

基于流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

熊劍

(西南民族大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心, 四川 成都 610041)

根據(jù)流媒體技術(shù)的相關(guān)原理, 結(jié)合開發(fā)和應用實踐, 構(gòu)建了一個集網(wǎng)絡直播和視頻點播的校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng). 介紹了系統(tǒng)的工作原理, 討論了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵技術(shù). 實踐應用表明, 該系統(tǒng)播放過程流暢且響應用戶交互時間短, 達到了預期效果.

校園文化建設(shè); 流媒體; 網(wǎng)絡直播; 視頻點播; 微軟流技術(shù)WMT

1 引言

校園文化建設(shè)是當今高校教育的重要內(nèi)容. 實踐表明, 校園文化具有導向、激勵、約束、凝聚、輻射和塑造等功能, 對于優(yōu)良教風、學風和工作作風的形成, 都發(fā)揮著不可替代的積極作用[1].

西南民族大學作為西南地區(qū)最大的一所民族院校, 秉承“和合偕習, 自信自強”的優(yōu)良校訓, 在培養(yǎng)專業(yè)知識人才的基礎(chǔ)上, 更強調(diào)構(gòu)建一個和諧、健康、積極的大學校園文化體系, 讓各族學生感受到大學校園文化所塑造的價值觀念、理想信念和行為規(guī)范; 更著重培育“?；辍毙途裎拿? 促進學生全面發(fā)展.

學校教育電視臺的建設(shè), 正是順應了這種培育趨勢. 教育電視臺開辟的“校園新聞”、“人文民大”、“直播間”等欄目, 宣揚物質(zhì)文化、制度文化、行為文化和精神文化, 極大地陶冶學生的情操、啟迪心智、增進交流、促進發(fā)展. 此外, 學校還開設(shè)有影視表演、新聞傳播等專業(yè), 教育電視臺更是學生不可或缺的學習場所與實訓平臺,有利于提高學生的專業(yè)素質(zhì).

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展, 各大高校都將組建校園網(wǎng)作為學校發(fā)展的一項基礎(chǔ)工程, 這給傳輸音視頻文件的教育節(jié)目提供了便利條件. 傳統(tǒng)的電視媒體面對網(wǎng)絡的沖擊, 自然也要融入其中, 發(fā)展成為校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng).

本文所要闡述的校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng), 是基于流媒體技術(shù)的. 流媒體技術(shù)是一種由網(wǎng)絡技術(shù)和多媒體技術(shù)結(jié)合的新興技術(shù), 其發(fā)展非常迅猛, 已廣泛應用于電臺廣播、視頻會議、遠程教育、網(wǎng)絡商店等, 前景可觀.

2 流媒體技術(shù)概述

2.1 流媒體技術(shù)簡介

流媒體技術(shù), 就是將原始獲取的音視頻文件素材編碼壓縮后, 放在網(wǎng)絡服務器上, 讓用戶在下載的同時進行播放, 而不需要等待整個文件下載完成就能即時觀看的技術(shù). 用戶可以利用流媒體技術(shù)進行實時廣播. 此外,流媒體服務器端管理程序允許用戶對“流文件”的控制, 支持人機交互方式[2].

流媒體實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是流式傳輸, 其傳輸協(xié)議主要包括RTP(實時傳輸協(xié)議), 提供端對端傳輸服務, 負責

將流媒體數(shù)據(jù)傳輸給流媒體播放器; RTCP(實時傳輸控制協(xié)議), 負責提供流量控制以及擁塞控制服務; RTSP(實時流傳輸協(xié)議), 傳輸控制信息, 提供人機交互的途徑, 可操縱播放、快進、快退、暫停等命令.

流媒體技術(shù)使用緩存機制. 其目的是在數(shù)據(jù)傳輸過程中消除數(shù)據(jù)包延遲和抖動帶來的不流暢影響, 使媒體數(shù)據(jù)能連續(xù)輸出, 不會因為網(wǎng)絡暫時的擁塞而出現(xiàn)播放停頓現(xiàn)象.

2.2 流媒體制作平臺

目前, 流媒體的主流產(chǎn)品有：Microsoft公司的Windows Media Technology技術(shù)、RealNetworks公司的RealSystems技術(shù)和Apple公司的QuickTime技術(shù), 這三種產(chǎn)品約占99%的市場份額[3].

本系統(tǒng)在對制作平臺的選擇上, 作了一次可行性比較分析. 三大流媒體制作平臺都提供了頗為完整的產(chǎn)品線. Apple公司的產(chǎn)品價格昂貴且需要多方配合, 不利于推廣, 經(jīng)濟性上欠缺一點, 被首先否決. RealNetworks公司的產(chǎn)品基本編碼器免費, 高級功能仍需購買, 而且其支持的并發(fā)用戶數(shù)越多, 費用會越高, 實用性上也受到限制. Microsoft公司的產(chǎn)品被捆綁在Windows系統(tǒng)中, 從制作端的Windows Media Author等, 到編碼端的Windows Media Encoder, 再到服務器管理端的Windows Media Server, 整個制作平臺完全免費. 鑒于校園網(wǎng)用戶大多為Windows平臺, 對跨平臺要求不高, 我們從開發(fā)周期、性能操控、經(jīng)濟實用上考慮, 最終選擇了Microsoft公司的Windows Media Technology技術(shù)作為制作平臺.

3 工作原理及解決方案

3.1 網(wǎng)絡直播系統(tǒng)工作原理

2011年是西南民族大學建校60周年校慶年, 學校舉辦了隆重的慶典活動. 然而, 能夠親臨現(xiàn)場體驗盛況的學生和校友畢竟是少數(shù). 如何能讓其他群體通過視頻直播及時欣賞慶典盛況, 領(lǐng)略母校在60年間的變化與成長,創(chuàng)造身臨其境的感受, 成為現(xiàn)場直播解決“海量信息需求”的重大技術(shù)問題.

校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng)充分利用已有的網(wǎng)絡資源, 有效地解決了直播難題, 并在以后的實際應用中, 使其技術(shù)性能進一步提升.

網(wǎng)絡直播系統(tǒng)的工作原理是：利用多路高清攝像機拍攝到的原始音視頻信號, 輸入到音視頻切換云臺中進行切換處理, 增加字幕、電視臺標、配音解說等, 生成合成好的單路音視頻信號, 再通過視頻采集卡儲存在直播編碼工作站中, 信號經(jīng)編碼器實時編碼壓縮后, 轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡傳輸?shù)牧髅襟w格式文件, 再利用直播視頻服務器將流文件通過校園網(wǎng)向終端用戶傳播. 如圖1所示.

圖1 網(wǎng)絡直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Network broadcast system structure

3.2 網(wǎng)絡直播系統(tǒng)解決方案

通過對圖1的分析, 我們發(fā)現(xiàn), 在確保校園網(wǎng)帶寬和原始輸入的音視頻信號穩(wěn)定的條件下, 本系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于解決直播編碼工作站的編碼壓縮問題, 以及直播視頻服務器的數(shù)據(jù)流傳輸問題.

在之前的可行性比較分析中, 我們選擇Microsoft公司的Windows Media Technology作為制作平臺, 于是,整個網(wǎng)絡直播系統(tǒng)的具體解決方案為：輸入的原始音視頻信號經(jīng)過切換云臺初期合成, 傳輸給直播編碼工作站,使用Windows Media Encoder軟件對采集到的音視頻信號編碼壓縮, 生成流媒體格式文件ASF, ASF文件以拉傳遞技術(shù)傳輸給直播視頻服務器, 直播視頻服務器利用Windows Media Services提供的流媒體管理服務, 配置一點到多點組播技術(shù), 通過校園網(wǎng)向用戶端發(fā)送ASF文件. 如圖2所示.

圖2 WMT網(wǎng)絡直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 WMT Network broadcast system structure

3.3 視頻點播系統(tǒng)工作原理

西南民族大學校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng)除了實時直播學校舉辦的各類節(jié)目活動、學術(shù)報告、重大會議外, 還為學生提供了非實時的多媒體課件點播、名師精品課程、影視藝術(shù)賞析、各期校園新聞等, 從而有效地利用了校園網(wǎng)絡提供的便利條件, 充分地共享了優(yōu)質(zhì)的教學資源.

一個典型視頻點播系統(tǒng)的工作原理是：利用節(jié)目采編工作站處理音視頻文件; 利用媒體服務器解決數(shù)據(jù)流傳輸問題; 在Web服務器上運行IIS(Internet Information Server, 互聯(lián)網(wǎng)信息服務), 發(fā)布資源網(wǎng)站; 在數(shù)據(jù)庫服務器上保存資源數(shù)據(jù), 管理用戶信息、提供節(jié)目檢索等; 在客戶端安裝必須的播放器, 實現(xiàn)與服務器端的通訊.

3.4 視頻點播系統(tǒng)解決方案

為了使系統(tǒng)簡潔實用, 我們?nèi)匀贿x用Microsoft公司的Windows Media Technology作為制作平臺. 因此, 整個視頻點播系統(tǒng)的具體解決方案為：該系統(tǒng)在Windows 2003 Server操作系統(tǒng)平臺上運行, 使用Windows Media Server服務器組件構(gòu)建流媒體服務器, 在Web服務器上運行IIS, 在數(shù)據(jù)庫服務器上采用安全可靠性高的Microsoft SQL Server 2008進行系統(tǒng)設(shè)置和數(shù)據(jù)管理, 在客戶端安裝瀏覽器和播放器Windows Media Player發(fā)出服務請求, 收看節(jié)目(ASF流文件). 其中, Web服務器開發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio 2008, 創(chuàng)建基于

ASP.net的動態(tài)網(wǎng)站, 應用B/S三層體系結(jié)構(gòu), ASP.net通過ADO.net訪問數(shù)據(jù)庫[4]. 如圖3所示.

圖3 視頻點播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 3 Video on demand system structure

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 網(wǎng)絡直播系統(tǒng)的實現(xiàn)

本網(wǎng)絡直播系統(tǒng)是在Windows 2003 Server操作系統(tǒng)下調(diào)試運行的, 然后安裝Windows Media Encoder編碼器. 在安裝之前, 計算機系統(tǒng)必須插入視頻采集卡, 用于接收從切換云臺端傳輸過來的音視頻文件.

4.1.1 直播編碼工作站配置

其配置方法具體如下：

第一步, 下載Windows Media Encoder軟件, 單擊它, 在彈出的“向?qū)А睂υ捒蛑羞x擇“廣播實況事件”, 單擊“確定”.

第二步, 在彈出的“設(shè)備選擇”對話框中, 選擇需要的視頻和音頻輸入設(shè)備.

第三步, 在彈出的“廣播方法”對話框中, 選擇“自編碼器拉傳遞”. 在這一步驟中, 編碼器提供了“推傳遞”和“拉傳遞”兩種方式, 我們應該根據(jù)自己的需要選擇. 推傳遞是編碼器向服務器主動發(fā)起連接, 屬于一對一關(guān)系;拉傳遞是服務器向編碼器提取視頻流文件, 可以支持多臺服務器同時從一臺編碼器進行流檢索. 由于我們的網(wǎng)絡直播系統(tǒng)希望校園網(wǎng)以外的校友也能看到實況, 所以選擇“拉傳遞”的方式.

第四步, 單擊“下一步”, 在對話框中設(shè)置服務器訪問流時所使用的端口號.

第五步, 單擊“下一步”, 在“編碼選項”對話框中選擇編碼方式等內(nèi)容. 經(jīng)過我們多次試驗發(fā)現(xiàn), 采用320×240的屏幕大小規(guī)格, 可以有效地縮減數(shù)據(jù)量, 在硬件條件允許的情況下, 獲得最佳的畫面質(zhì)量. 此外, 還可以有效地避免隔行掃描的問題. 如果涉及到領(lǐng)導講話、新聞專題等慢動作節(jié)目的直播, 可以采用15fps的幀速率, 提高畫面保真度.

第六步, 一路點擊“下一步”直至到“完成”, 結(jié)束編碼器的配置, 出現(xiàn)Windows Media編碼器窗口. 如圖4所示.

圖4 編碼器開始編碼Figure 4 Start code encoder

4.1.2 直播視頻服務器配置

Windows Media Services是Windows Server 2003操作系統(tǒng)的組件之一, 在安裝光盤中可以找到. 如果在安裝系統(tǒng)時沒有添加這個服務, 可以在“添加/刪除程序”里選擇添加這個服務.

第一步, 添加WMS組件. 以管理員身份登錄, 從“資源管理器”中找到“控制面板”, 單擊“添加/刪除程序”,在彈出的對話框中單擊“添加/刪除Windows組件”, 在界面中選擇“用于Web的Windows Media Services管理器”復選框. 此外, 還需安裝IIS和ASP.net組件.

第二步, 服務器配置. 在“控制面板”中找到“管理工具”, 進入后選擇“配置服務器”, 出現(xiàn)“配置您的服務器向?qū)А睂υ捒? 在其中的“配置選項”中, 選擇“自定義配置”選項, 自行定義所需的網(wǎng)絡服務. 設(shè)置完成后, 單擊“下一步”, 在“服務器角色”對話框中, 選擇“流式媒體服務器”.

第三步, 發(fā)布站點. WMS組件和服務器配置完成之后, 從“控制面板”進入“管理工具”, 打開“Windows Media Services”, 在“控制協(xié)議”中確認“WMS HTTP服務器控制協(xié)議”處于啟動狀態(tài). 在WMS中, 默認創(chuàng)建了一個“點播”和“廣播”的發(fā)布點. 我們把剛才在編碼器上編碼得到的信號發(fā)布到直播視頻服務器上, 也需要建立一個新的發(fā)布點. 之后, 流媒體服務就啟動了.

4.1.3 直播客戶端配置

在直播客戶端, 只要是Windows系統(tǒng)的用戶, 一般不需要進行任何設(shè)置, 只需在“開始”菜單的“所有程序”中找到Windows Media Player播放器, 選擇“文件| 打開URL”, 在彈出對話框的地址欄中輸入mms:// 218.194.80.249:20000, 就可以接收到從服務器端發(fā)送過來的直播畫面了. 如圖5所示.

4.2 視頻點播系統(tǒng)的實現(xiàn)

整個視頻點播系統(tǒng)涉及到節(jié)目的采集編輯、存儲備份、編碼壓縮、傳輸方式、網(wǎng)站設(shè)計、后臺管理等多項技術(shù), 而實現(xiàn)的關(guān)鍵, 依然是媒體服務器的設(shè)計和管理.

4.2.1 視頻點播系統(tǒng)服務器配置

考慮到視頻點播系統(tǒng)的主要服務對象是校園網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)師生, 同時在線的連接請求有限, 一臺性能優(yōu)良的服務器, 其吞吐量和響應速度基本能滿足內(nèi)網(wǎng)用戶要求, 故不需配備多個媒體服務器集群.

基于以上情況分析, 筆者在一臺服務器上同時配置Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器, 開啟WMS和IIS服務, 從而構(gòu)建出一臺視頻點播流媒體服務器. 為此, 不同服務應各自使用不同的端口號. WMS的單播、廣播服務均綁定為默認端口, 為IIS分配端口80, 而WMS服務也須80端口可用的IP地址, 通過HTTP協(xié)議傳送ASF流文件,從而造成沖突, 使Web服務器無法正常運行. 解決方案為在綁定端口80時, IIS服務留出至少一個在80端口可

用的IP地址給WMS用于分流ASF流文件.

圖5 客戶端接收到的直播畫面Figure 5 Live pictures of clients received

4.2.2 服務器端的技術(shù)

首先, 開發(fā)技術(shù). 視頻點播系統(tǒng)最終是以網(wǎng)站的形式發(fā)布的, 為使系統(tǒng)簡潔, 筆者使用微軟的ASP.net技術(shù)用于創(chuàng)建動態(tài)網(wǎng)站, 采用Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫, 并根據(jù)系統(tǒng)功能建立了節(jié)目信息表、節(jié)目分類表和人員權(quán)限表. ASP.net通過ADO.net訪問數(shù)據(jù)庫, 從而使Web服務器和數(shù)據(jù)庫服務器建立了聯(lián)系.

其次, 設(shè)計平臺. 網(wǎng)站的前臺頁面使用Adobe Dreamweaver CS4安排布局, 圖片的處理則使用Adobe Photoshop CS4完成. 最終效果如圖6所示.

4.3 系統(tǒng)網(wǎng)頁集成

圖6 點播系統(tǒng)界面Figure 6 Video on demand system interface

校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng)的兩大功能模塊最終實現(xiàn)集成, 以動態(tài)網(wǎng)站的形式發(fā)布出去. 網(wǎng)站首頁如圖7所示.

圖7 教育電視臺網(wǎng)站首頁Figure 7 Educational television website home page

筆者通過網(wǎng)頁技術(shù), 將直播系統(tǒng)的客戶端Windows Media Player界面嵌入到網(wǎng)頁中接收直播畫面. 這個功能主要是通過將Object標簽嵌入到HTML代碼中, 并使用ActiveX控件實現(xiàn)的.

其具體代碼為：

直播網(wǎng)頁頁面如圖8所示.

圖8 直播系統(tǒng)首頁Figure 8 Broadcast system home page

5 結(jié)束語

基于流媒體技術(shù)的校園網(wǎng)教育電視臺系統(tǒng)從實現(xiàn)到運行至今已五年有余. 實踐應用表明, 該系統(tǒng)播放過程流暢且響應用戶交互時間短, 達到了預期效果, 使全校師生借助現(xiàn)有高效、穩(wěn)定的校園網(wǎng)絡, 便可以輕松實現(xiàn)在線直播、異地授課、網(wǎng)絡辦學、資源共享等, 對充分利用教學資源、促進校園文化建設(shè)起到良好的作用.

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Design and realization of educational TV station system of campus network based on streaming media technology

XIONG Jian
(Modern Educational Technology Center, Southwest University for Nationalities, Chengdu 610041, P.R.C.)

Combined with the practice of development and application, according to the relevant principles of streaming media technology, this article builds a educational TV station system of campus network, including network broadcast part and video on demand part, introduces how it works and discusses the key technology of the system. The experimental results show that this system works well in processing smoothly and is quick to response to users’ interaction.

construction of campus culture; streaming media; network broadcast; video on demand; Windows Media Technology.

TN948.64; TP393.18

: A

: 1003-4271(2014)03-0443-08

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.03.22

2014-03-10

熊劍(1981-), 男, 漢族, 四川宜賓人, 實驗師, 研究方向: 教育技術(shù)應用.