虚拟课堂教学系统的研究与实现
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摘要
网络技术与多媒体技术的发展,使得在网络上实现视频、音频、图像等多媒体数据成为可能。现代远程教育正是在这个背景下产生的,并得到了迅速的发展。同时,虚拟演播室成本的降低使其应用范围越来越大。它在教育领域的应用,一方面丰富了教学内容,另一方面也给教学方式带来了创新。本文提出把虚拟演播室和现代远程教育结合起来,充分发挥两者的优势,开发出虚拟课堂教学系统。
在多媒体编码方面,为了满足虚拟课堂教学系统实时性的要求,采用硬件压缩编码。其中,视频编码采用MPEG-4编码器,音频编码采用MP3编码器。MPEG-4是一个多媒体通信标准,它的应用面非常广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统。虚拟课堂教学系统采用ASP档次的编码硬件实现视频编码。
在网络传输方面,根据虚拟课堂教学系统“一对多”教学模式的特点,采用组播技术实现多媒体数据的传输。相对于单播和广播,组播在实现一对多传输时能够大大地减轻骨干网负载,在传输数据量比较大的应用中这种优势更为明显。所以,组播技术特别适合于视频、音频、图像等多媒体数据的传输。在应用层,采用RTP/RTCP协议进行多媒体数据的传输和流量控制。本文对RTCP的发送时间间隔,丢包率的计算,时延抖动的计算进行了深入的研究。
分布在世界各地的接收端,其网络接入状况可能不同,如,有的用户通过电话线接入Internet,有的用户通过综合业务数字网(ISDN)的方式接入Internet,有的用户通过Ethernet接入Internet等。这就对组播数据量提出了挑战,如果以接入速率大的用户带宽为标准提供组播数据传输,那么接入速率小的用户就无法实现视频数据的正常播放;如果以接入速率小的用户带宽为标准提供组播数据传输,那么接入速率大的用户就浪费了大量带宽,影响视频回放的效果。为了解决这一矛盾,本文用分层组播实现视频传输,满足了不同网络接入带宽用户的需求。
最后,把学生端接收模块开发成一个ActiveX控件。通过把ActiveX控件嵌入网页的方法,给学生端接收多媒体数据提供了方便。学生端只要安装有浏览器软件即可。
第一部分介绍了虚拟课堂教学系统所涉及到的关键技术。第二部分介绍了系统的设计和实现,包括虚拟课堂部分的设计和虚拟课堂教学系统直播部分的设计和实现。在实现虚拟课堂教学系统直播部分的同时,对其中涉及的关键问题进行了研究和分析。
The network and multimedia technology made great development, it makes the transmission of video, audio and picture realistic. At the same time,modern distance education comes into being. With the cost of virtual studio decreasing,it is popular.The application of virtual studio in education enriches the courseware and innovates the method of teaching.
The virtual class teaching system combines the advantage of modern distance education and virtual studio.The practice shows that it attracts the student's attention and improves the efficiency of learning.
Content-based encoding is the characteristic of MPEG-4.It takes the corresponding method according to the different content to achieve the high rate compressing.MPEG-4 is so popular that it can not only be used to high quality digital television, but also be used to extreme low rate application,i.e.mobile multimedia communication .Virutal class teaching system adopts the hardware encoder complying with MPEG-4 ASP profile.
RTP/RTCP is a special protocol for multimedia communication.RTP is used to transmit the real-time data, but it does not control data flow. It needs RTCP's assistance.The application uses the RTCP to control congestion and communicate other control information.So, it needs to make deep research on the interval of RTCP report's transmission, packet lost rate and jitter.
Corresponding to unicast and broadcast, multicast can definitely decrease the traffic load of bone network.Therefore, multicast is suitable for the transmission of multimedia. The control plane and data plane is implemented. The receiver module is embedded into a ActiveX control. Therefore, it made the installation of software convenient.
Internet access maybe have different bandwidth.For example,some may be accessed through the telephone line,some may be accessed through ISDN ,some may be accessed through Ethernet.This is a big challenge.If the traffic rate is low,the client accessed through Ethernet wastes much of bandwidth,reducing the performance of playback;if the traffic rate is high,the client accessed through telephone line can't receive the data regularly.To solve this problem ,the scalable multicast is realized.The different kinds of frame is transmited through different multicast address.At the multicast receiver,the data received should be sorted for playback. With the SR report ,the synchronization of video and audio is implemented using the RTP timestamp and NTP timestamp.
在多媒体编码方面,为了满足虚拟课堂教学系统实时性的要求,采用硬件压缩编码。其中,视频编码采用MPEG-4编码器,音频编码采用MP3编码器。MPEG-4是一个多媒体通信标准,它的应用面非常广泛,既可以应用于高质量的数字电视,又可以应用于极低码率的移动多媒体通信系统。虚拟课堂教学系统采用ASP档次的编码硬件实现视频编码。
在网络传输方面,根据虚拟课堂教学系统“一对多”教学模式的特点,采用组播技术实现多媒体数据的传输。相对于单播和广播,组播在实现一对多传输时能够大大地减轻骨干网负载,在传输数据量比较大的应用中这种优势更为明显。所以,组播技术特别适合于视频、音频、图像等多媒体数据的传输。在应用层,采用RTP/RTCP协议进行多媒体数据的传输和流量控制。本文对RTCP的发送时间间隔,丢包率的计算,时延抖动的计算进行了深入的研究。
分布在世界各地的接收端,其网络接入状况可能不同,如,有的用户通过电话线接入Internet,有的用户通过综合业务数字网(ISDN)的方式接入Internet,有的用户通过Ethernet接入Internet等。这就对组播数据量提出了挑战,如果以接入速率大的用户带宽为标准提供组播数据传输,那么接入速率小的用户就无法实现视频数据的正常播放;如果以接入速率小的用户带宽为标准提供组播数据传输,那么接入速率大的用户就浪费了大量带宽,影响视频回放的效果。为了解决这一矛盾,本文用分层组播实现视频传输,满足了不同网络接入带宽用户的需求。
最后,把学生端接收模块开发成一个ActiveX控件。通过把ActiveX控件嵌入网页的方法,给学生端接收多媒体数据提供了方便。学生端只要安装有浏览器软件即可。
第一部分介绍了虚拟课堂教学系统所涉及到的关键技术。第二部分介绍了系统的设计和实现,包括虚拟课堂部分的设计和虚拟课堂教学系统直播部分的设计和实现。在实现虚拟课堂教学系统直播部分的同时,对其中涉及的关键问题进行了研究和分析。
The network and multimedia technology made great development, it makes the transmission of video, audio and picture realistic. At the same time,modern distance education comes into being. With the cost of virtual studio decreasing,it is popular.The application of virtual studio in education enriches the courseware and innovates the method of teaching.
The virtual class teaching system combines the advantage of modern distance education and virtual studio.The practice shows that it attracts the student's attention and improves the efficiency of learning.
Content-based encoding is the characteristic of MPEG-4.It takes the corresponding method according to the different content to achieve the high rate compressing.MPEG-4 is so popular that it can not only be used to high quality digital television, but also be used to extreme low rate application,i.e.mobile multimedia communication .Virutal class teaching system adopts the hardware encoder complying with MPEG-4 ASP profile.
RTP/RTCP is a special protocol for multimedia communication.RTP is used to transmit the real-time data, but it does not control data flow. It needs RTCP's assistance.The application uses the RTCP to control congestion and communicate other control information.So, it needs to make deep research on the interval of RTCP report's transmission, packet lost rate and jitter.
Corresponding to unicast and broadcast, multicast can definitely decrease the traffic load of bone network.Therefore, multicast is suitable for the transmission of multimedia. The control plane and data plane is implemented. The receiver module is embedded into a ActiveX control. Therefore, it made the installation of software convenient.
Internet access maybe have different bandwidth.For example,some may be accessed through the telephone line,some may be accessed through ISDN ,some may be accessed through Ethernet.This is a big challenge.If the traffic rate is low,the client accessed through Ethernet wastes much of bandwidth,reducing the performance of playback;if the traffic rate is high,the client accessed through telephone line can't receive the data regularly.To solve this problem ,the scalable multicast is realized.The different kinds of frame is transmited through different multicast address.At the multicast receiver,the data received should be sorted for playback. With the SR report ,the synchronization of video and audio is implemented using the RTP timestamp and NTP timestamp.
引文
[1]RFC1112:Multicast IPv4 to Ethernet physical address correspondence
[2]RFC1889:RTP A Transport Protocol for Real-Time Applications IETF NetworkingGroup,1996
[3]RFC1890:RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control
[4]RFC3016:RTP Payload Format for MPEG-4 Audio/Visual Streams
[5]MPEG-4 Video ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N 2202,1998
[6]RFC2236:Interact Group Management Protocol,Version 2.
[7]RFC1301:Multicast Transport Protocol.
[8]RFC0966:Host groups:A multicast extension to the Internet Protocol.
[9]RFC0988:Host extensions for IP Multicasting
[10]RFC3933:Protocol Independent Multicast-Dense Mode(PIM-DM):Protocol Specification(Revised).
[11]RFC2362:Protocol Independent Multicast-Sparse Mode(PIM-SM):Protocol Specification.
[12]RFC3550:RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications.
[13]RFC3376:Internet Group Management Protocol,Version 3.
[14]杨一帆.基于DirectShow技术的网络视频监控系统的研究与实现[D].四川大学,2005.4.
[15]郭诠水.宽带网与多媒体系统.北京:希望电子出版社,2002
[16]张丽.流媒体技术大全.北京:中国青年出版社,2001
[17]叶保留,顾铁成,陆桑璐等.组播技术综述[J].小型微型计算机系统,2004,25(8):1409-1414.
[18]Beau Williamson.IP组播网络设计开发(第1卷).顾金星,张拥军,南亲良等译.北京:电子工业出版社,2000
[19]王萍,陈孝莲,林善明等.基于IP组播技术视频传输系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2004,25(12):2354-2356.
[20]杨明,张福炎.基于AIMD算法的分层多播拥塞控制[J].计算机学报,2003,26(10):1274-1279.
[21]葛双全,李芬.多媒体流同步机制的研究[J].电脑与信息技术,2006,14(4):5-8.
[22]申奥,杨贯中等.应用层多播协议研究[J].计算机工程与科学,2005,27(5):22-24.
[23]陆绍飞,杨贯中等.基于主干网信息可扩展的应用层组播[J].计算机工程与应用.2005,27:134-136.
[24]刘美琴,杨贯中等.一种基于分层应用层多播的数据可靠传输算法[J].计算机工程与科学,2006,28(5):80-82.
[25]崔玉祥.交互式多媒体实时教学系统的构建与研究[D].天津大学
[26]任延珍,喻占武,胡瑞敏.基于RTP/RTCP协议的实时数据传输与同步控制策略[J].计算机工程与应用,2003,10:144-147.
[27]张勃.分布式同步网络教学系统的设计与实现[D].国防科学技术大学研究生院,2005.
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[29]王正宏,李小平.虚拟演播技术在教学中的推广[J].科技信息,2007,16:293-295.
[30]胡凡良,宋玲,李陶深.基于DirectShow的视频会议系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2006,27(7):1164-1166.
[31]虢莉敏.基于DirectShow技术的远程教学系统设计[D].西安:西安电子科技大学,2007.
[32]宋浩然.基于应用层组播的视频直播系统的研究与实现[D].郑州:郑州大学,2005.
[33]董兴娥,迟学芬.基于IP组播视频会议系统的研究与实现[J].吉林大学学报(信息科学版),2007,25(04):385-390.
[34]严晓春,张冰.采用DirectShow和IP组播技术定制音视频通信系统[J].福建电脑,2007,4:161-162.
[35]李永琴,董春玲.视频组播分层解决方案的研究[J].潍坊教育学院学报,2006,19(2):19-21.
[36]孙元波.网络视频直播质量控制技术研究[D].国防科学技术大学研究生院,2004.
[37]周俊.组播技术在远程教育系统中的应用及其优化[D].华中科技大学,2005.
[38]罗军舟,陈晴.异构网络中的分层组播:问题与解决方案[J].东南大学学报(自然科学版),2005,35(6):984-988.
[39]葛双全,李芬.实时多媒体流同步机制的研究[J].电脑与信息技术,2006,14(4):5-8.
[40]周昕.基于组播代理的实时视频传送协议关键技术研究[D].湖南大学,2006.
[41]张期莲.基于P2P的流媒体教学系统体系结构的应用研究[D].华中师范大学, 2006.
[42]陈冬梅.基于CS的实时网络监控软件的开发[D].武汉:武汉理工大学,2005.
[43]谢辉.交互式多媒体网络教学系统的研究与实现[D].大连理工大学,2006.
[44]周兵,毕全起.一种MPEG码流网络带宽自适应传输策略[J].计算机工程.2004,30(16).
[45]谢勇均.P2P视频直播传输系统的研究与实现[D].中国科学院研究生院.2006.
[46]靳志峰.P2P视频会议系统关键技术研究[D].郑州大学硕士学位论文.2006.
[47]杨勇刚.MPEG-4自适应流媒体系统的设计与实现[D].华中科技大学.2005.
[48]梁涛.基于网络层组播的电视直播系统的研究与实现[D].郑州大学,2005.
[49]李学明,李继,魏芳.远程教育系统及其实现.北京:人民邮电出版社.2000,11
[50]RTP/RTSP/RTCP/SIE[EB/online].[2007-9-16].
[51]http://hi.baidu.com/wjtao291/blog/item/8920634e97f6f108b2de0547.html
[52]http://www.chiariglione.org/mpeg/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm
[53]http://courseware.ecnudec.com/zsb/zjs/zjs08/zjs085/zjs08501/zjs0850100.htm
[54]陈惠东,远程多媒体教学系统的实现及其关键技术研究,上海交通大学,2007.01
[55]http://www.jx.edu.cn/%BC%BC%CA%F5%BD%BB%C1%F7/%D7%E9%B2%A 5%B5%C4%D3%A6%D3%C3%BA%CD%CA%B5%CF%D6.htm
[2]RFC1889:RTP A Transport Protocol for Real-Time Applications IETF NetworkingGroup,1996
[3]RFC1890:RTP Profile for Audio and Video Conferences with Minimal Control
[4]RFC3016:RTP Payload Format for MPEG-4 Audio/Visual Streams
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[7]RFC1301:Multicast Transport Protocol.
[8]RFC0966:Host groups:A multicast extension to the Internet Protocol.
[9]RFC0988:Host extensions for IP Multicasting
[10]RFC3933:Protocol Independent Multicast-Dense Mode(PIM-DM):Protocol Specification(Revised).
[11]RFC2362:Protocol Independent Multicast-Sparse Mode(PIM-SM):Protocol Specification.
[12]RFC3550:RTP:A Transport Protocol for Real-Time Applications.
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[40]周昕.基于组播代理的实时视频传送协议关键技术研究[D].湖南大学,2006.
[41]张期莲.基于P2P的流媒体教学系统体系结构的应用研究[D].华中师范大学, 2006.
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[43]谢辉.交互式多媒体网络教学系统的研究与实现[D].大连理工大学,2006.
[44]周兵,毕全起.一种MPEG码流网络带宽自适应传输策略[J].计算机工程.2004,30(16).
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[48]梁涛.基于网络层组播的电视直播系统的研究与实现[D].郑州大学,2005.
[49]李学明,李继,魏芳.远程教育系统及其实现.北京:人民邮电出版社.2000,11
[50]RTP/RTSP/RTCP/SIE[EB/online].[2007-9-16].
[51]http://hi.baidu.com/wjtao291/blog/item/8920634e97f6f108b2de0547.html
[52]http://www.chiariglione.org/mpeg/standards/mpeg-4/mpeg-4.htm
[53]http://courseware.ecnudec.com/zsb/zjs/zjs08/zjs085/zjs08501/zjs0850100.htm
[54]陈惠东,远程多媒体教学系统的实现及其关键技术研究,上海交通大学,2007.01
[55]http://www.jx.edu.cn/%BC%BC%CA%F5%BD%BB%C1%F7/%D7%E9%B2%A 5%B5%C4%D3%A6%D3%C3%BA%CD%CA%B5%CF%D6.htm