基于DASH的英語(yǔ)自主學(xué)習(xí)流媒體移動(dòng)點(diǎn)播系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滿志慧

(渤海大學(xué) 大學(xué)外語(yǔ)教研部， 遼寧 錦州 121013)

0 引言

流媒體是將媒體數(shù)據(jù)以特定的格式封裝為數(shù)據(jù)包后，以流的方式在網(wǎng)絡(luò)中分段傳輸?shù)囊环N技術(shù)。隨著信息技術(shù)發(fā)展，媒體信息資源不斷豐富，音頻和視頻應(yīng)用越來(lái)越廣泛，流媒體技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與音視頻技術(shù)有機(jī)結(jié)合[1]。流媒體技術(shù)的關(guān)鍵是流式傳輸，客戶端與服務(wù)器建立連接，客戶端不必等待全部文件內(nèi)容接收完畢后再進(jìn)行播放，而是采用邊接收邊播放的方式，具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性的交互性。流式傳輸主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是漸進(jìn)式，按照順序下載，也稱(chēng)為HTTP流式傳輸，不支持實(shí)時(shí)性要求較高的互動(dòng)直播場(chǎng)景；二是實(shí)時(shí)式，允許用戶對(duì)傳輸?shù)拿襟w進(jìn)行控制，需要構(gòu)建特定的流式服務(wù)器，支持實(shí)時(shí)性要求較高的現(xiàn)場(chǎng)直播，比較成熟的協(xié)議包括RTST和MMS。漸進(jìn)式存在延遲，實(shí)時(shí)式部署復(fù)雜，為了解決這些矛盾，目前又出現(xiàn)了自適應(yīng)式流式傳輸。DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)，基于HTTP自適應(yīng)流式傳輸方案，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與接收條件，很好地吸收了漸進(jìn)式和實(shí)時(shí)式的優(yōu)點(diǎn)，又解決了各自存在的問(wèn)題。

傳統(tǒng)英語(yǔ)學(xué)習(xí)重復(fù)播放和重復(fù)聽(tīng)說(shuō)的模式，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。大學(xué)英語(yǔ)的教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)英語(yǔ)綜合應(yīng)用能力，增強(qiáng)自主學(xué)習(xí)能力。新的教學(xué)模式以及現(xiàn)代教育技術(shù)支撐，鼓勵(lì)英語(yǔ)學(xué)習(xí)朝著個(gè)性化方向發(fā)展，為自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造了條件?；谝曨l點(diǎn)播的英語(yǔ)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，將文字、視頻和音頻等資源分布在云存儲(chǔ)系統(tǒng)中，學(xué)生使用移動(dòng)終端，自己安排時(shí)間、地點(diǎn)和學(xué)習(xí)進(jìn)度，在多種感官的刺激下進(jìn)行英語(yǔ)學(xué)習(xí)，提高了學(xué)習(xí)效率和興趣[2]。為了方便學(xué)生開(kāi)展英語(yǔ)自主學(xué)習(xí)，本文基于最新的自適應(yīng)流式傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)點(diǎn)播系統(tǒng)，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供完整的解決方案。

1 DASH框架基本結(jié)構(gòu)

自適應(yīng)流式傳輸技術(shù)包括Microsoft的SS技術(shù)、Apple公司的HLS技術(shù)、Adobe公司的HDS技術(shù)和MPEG組織的DASH標(biāo)準(zhǔn)。前三種技術(shù)由各自公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)完成，媒體封裝格式各不相同，不利于推廣和發(fā)展。DASH是HTTP自適應(yīng)流媒體技術(shù)領(lǐng)域的通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有規(guī)定編解碼器類(lèi)型，可以包含任何類(lèi)型的媒體數(shù)據(jù)，客戶端根據(jù)資源自適應(yīng)地選擇媒體內(nèi)容下載，具有兼容性好、部署便捷和拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？蚣芑窘Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 DASH框架基本結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖1所示的DASH框架基本結(jié)構(gòu)，由HTTP服務(wù)器和DASH客戶端兩部分構(gòu)成。HTTP服務(wù)器存儲(chǔ)兩種內(nèi)容，一種是切片文件，即音視頻文件被分為多個(gè)切片，按切片播放，欲播放某段內(nèi)容時(shí)快速定位到對(duì)應(yīng)的切片；另一種是索引文件，即媒體呈現(xiàn)描述MPD文件，以XML格式保存多媒體文件信息?？蛻舳擞煽蛻舳丝刂颇K、MPD解析模塊、切片解析模塊、媒體播放器和HTTP模塊等構(gòu)成，其中，MPD解析模塊用于解析服務(wù)器傳送來(lái)的MPD文件，切片解析模塊是把切片轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，HTTP模塊用于建立DASH客戶端與HTTP服務(wù)器之間的TCP連接并發(fā)送播放器請(qǐng)求[3]。DASH客戶端對(duì)收到的MPD文件解析后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和緩存情況進(jìn)行評(píng)估，動(dòng)態(tài)調(diào)整合適碼率的視頻切片，并將請(qǐng)求發(fā)送給HTTP服務(wù)器，這個(gè)過(guò)程就是自適應(yīng)機(jī)制，確保音視頻播放流暢[4]。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表明了網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)備的分布情況以及連接狀態(tài)，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由媒體資源服務(wù)器、內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)控制器、Web服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、傳輸媒介和用戶終端等部分構(gòu)成，如圖2所示。

對(duì)于各組成部分功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：一是媒體資源服務(wù)器，用于存儲(chǔ)媒體資源并進(jìn)行相應(yīng)管理，存儲(chǔ)采用磁盤(pán)陣列方式保證數(shù)據(jù)的安全性和訪問(wèn)速度，管理功能包括資源管理模塊、分割模塊和編碼模塊；二是內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器，接受客戶端的請(qǐng)求，用于處理HTTP2.0協(xié)議中的業(yè)務(wù)邏輯，將被請(qǐng)求碼率的媒體文件發(fā)送給客戶端，并針對(duì)推送自適應(yīng)優(yōu)化方案[5]；三是網(wǎng)絡(luò)控制器，用于分發(fā)服務(wù)器和Web服務(wù)器之間的流量控制，改變數(shù)據(jù)包發(fā)送的速率和優(yōu)先級(jí)，用于解決數(shù)據(jù)超載問(wèn)題；四是Web服務(wù)器，向?yàn)g覽器等Web客戶端提供文檔，本系統(tǒng)使用Apache HTTP服務(wù)器[6]；五是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括交換機(jī)、路由器和防火墻等；六是傳輸媒介，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等集中在較小區(qū)域，光纖或雙絞線。固定終端使用互聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)終端使用4G/5G；七是用戶終端，包括Windows的固定終端和移動(dòng)終端，以及Android和iOS等智能終端。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括教師、學(xué)生和管理員三類(lèi)用戶，參照文獻(xiàn)[7-9]，按照這三類(lèi)用戶設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

管理端是為系統(tǒng)管理員用戶提供的功能，通過(guò)系統(tǒng)維護(hù)保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。除了常規(guī)的系統(tǒng)維護(hù)功能外，還提供配置管理功能，用于對(duì)軟件版本進(jìn)行維護(hù)，使軟件變化過(guò)程清晰可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件維護(hù)的精準(zhǔn)化管理[10]。

教師端是為教師用戶提供的功能，教師端的功能較多，除了常規(guī)的教學(xué)管理外，還包括資源管理和學(xué)情分析，以及學(xué)生端英語(yǔ)學(xué)習(xí)功能，圖中只給出了部分核心功能。資源制作可使用本系統(tǒng)的功能，也可以使用第三方軟件。

學(xué)生端是為學(xué)生用戶進(jìn)行英語(yǔ)自主學(xué)習(xí)提供的功能，也是本系統(tǒng)的核心功能。功能設(shè)計(jì)充分考慮了英語(yǔ)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，有利于發(fā)揮學(xué)生的自主性，提高學(xué)習(xí)過(guò)程的娛樂(lè)性，并輔助完成學(xué)習(xí)過(guò)程中的相關(guān)工作。因此，將整個(gè)功能劃分為專(zhuān)項(xiàng)學(xué)習(xí)點(diǎn)播、娛樂(lè)學(xué)習(xí)點(diǎn)播和輔助學(xué)習(xí)三部分。其中，專(zhuān)項(xiàng)學(xué)習(xí)點(diǎn)播，針對(duì)英語(yǔ)學(xué)習(xí)詞匯和語(yǔ)法是基礎(chǔ)，培養(yǎng)“聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)、譯”等綜合能力的特點(diǎn)，將這些類(lèi)別的資源分別組織；娛樂(lè)學(xué)習(xí)點(diǎn)播，通常的英語(yǔ)學(xué)習(xí)枯燥無(wú)味，多媒體的特點(diǎn)之一就是娛樂(lè)性強(qiáng)，提供英語(yǔ)歌曲、短劇、電影、故事和小說(shuō)等娛樂(lè)性強(qiáng)的資源供學(xué)生點(diǎn)播；輔助學(xué)習(xí)，提供點(diǎn)播之外的相關(guān)功能，最重要的是資源下載，學(xué)生可以將需要反復(fù)學(xué)習(xí)的英語(yǔ)資源下載到智能終端，便于在沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方自主學(xué)習(xí)。

4 播放交互過(guò)程設(shè)計(jì)

音視頻播放模塊是本系統(tǒng)的核心程序，由以控制模塊為核心的多個(gè)模塊構(gòu)成。播放交互過(guò)程[11]，如圖4所示。

圖4 播放交互過(guò)程

對(duì)于圖4所示的播放交互過(guò)程，控制模塊作為橋梁，負(fù)責(zé)各模塊之間的信息傳遞，各個(gè)步驟簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：(1)客戶端查詢到資源后播放器向控制模塊請(qǐng)求播放；(2)控制模塊向網(wǎng)絡(luò)模塊請(qǐng)求MPD文件；(3)網(wǎng)絡(luò)模塊各控制模塊返回MPD文件；(4)控制模塊向播放器返回MPD文件獲取成功信息；(5)控制模塊請(qǐng)求MPD解析模塊解析MPD文件；(6)MPD解析模塊向控制模塊返回MPD文件解析結(jié)果；(7)控制模塊將MPD文件解析結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)到緩存管理模塊；(8)控制模塊向自適應(yīng)碼率選擇模塊傳入MPD文件解析結(jié)果；(9)控制模塊向自適應(yīng)碼率選擇模塊傳入碼率決策；(10)自適應(yīng)碼率選擇模塊向控制模塊轉(zhuǎn)入要下載的碼率；(11)控制模塊向緩存管理模塊確認(rèn)是否已下載；(12)緩存管理模塊向控制模塊返回確認(rèn)是否已下載的結(jié)果；(13)控制模塊向網(wǎng)絡(luò)模塊無(wú)緩存請(qǐng)求視頻分片；(14)網(wǎng)絡(luò)模塊向控制模塊返回?zé)o緩存請(qǐng)求視頻分片結(jié)果；(15)控制模塊向自適應(yīng)碼率選擇模塊寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)帶寬數(shù)據(jù)；(16)控制模塊調(diào)用緩存管理模塊將視頻數(shù)據(jù)存入緩存；(17)播放器向控制模塊請(qǐng)求播放下一個(gè)視頻分片；(18)控制模塊調(diào)用緩存管理模塊取下一個(gè)視頻分片數(shù)據(jù)；(19)緩存管理模塊向控制模塊返回取下一個(gè)視頻分片數(shù)據(jù)結(jié)果；(20)控制模塊向播放器返回下一個(gè)視頻分片數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

自主學(xué)習(xí)已成為外語(yǔ)教學(xué)與研究的熱點(diǎn)，校園無(wú)線WIFI基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，流媒體技術(shù)蓬勃發(fā)展，為移動(dòng)點(diǎn)播英語(yǔ)自主學(xué)習(xí)提供了基礎(chǔ)條件。本文遵循軟件工程的思想和方法，基于DASH標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)研究，完成了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和播放交互過(guò)程等工作，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)?；诒疚脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬和緩沖區(qū)大小進(jìn)行碼率切換，充分發(fā)揮了DASH的優(yōu)點(diǎn)，支持更為廣泛的媒體分片格式，支持分片時(shí)間的動(dòng)態(tài)設(shè)置，提升了帶寬利用率的點(diǎn)播學(xué)習(xí)體驗(yàn)，對(duì)學(xué)生的英語(yǔ)綜合水平和自主學(xué)習(xí)能力提升將發(fā)揮重要作用。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，學(xué)生使用智能手機(jī)在校園網(wǎng)WiFi環(huán)境和家庭網(wǎng)絡(luò)WiFi環(huán)境分別進(jìn)行了測(cè)試，資源查詢速度快，視頻播放基本流暢，偶爾發(fā)生卡頓現(xiàn)象，是由于手機(jī)配置過(guò)底或垃圾文件占用內(nèi)存過(guò)大造成的。但是，由于網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的復(fù)雜性和多樣性，本研究還存在泛化能力不足問(wèn)題，這也為未來(lái)研究更強(qiáng)大的學(xué)習(xí)碼率自適應(yīng)算法指明了方向。