基于MPEG-4的多媒体网络教学系统
摘要
信息时代给人类社会带来了新的挑战和机遇，传统的以教师、课堂、课本为中心的教学模式将越来越不适应信息社会的需要。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，利用网络进行教学已经成为一种必然趋势。多媒体网络教学系统是开展多媒体网络教学的支撑环境。本文对目前的一些多媒体网络教学系统进行了分析讨论，结合校园网络教学的特点，设计开发了一套基于MPEG-4的多媒体网络教学系统。
系统的设计目标是在校园网上建立虚拟的网络课堂，使地理上分散的学生和教师能在同一时间里加入虚拟网络课堂，进行教学活动。教师使用该系统在网络虚拟课堂上授课，学生不但可以同步的看到教师机的屏幕内容、听到教师授课的声音，而且可以看到教师授课时的形象和动作。同时，该系统还提供电子白板讨论功能，为网络分布式教学提供了一种良好的交互环境。所设计的系统具有视音频广播、屏幕图像广播、课件制作等功能。系统的实现综合采用了MPEG-4技术、流媒体技术、网络技术、数据库技术和同步多媒体集成语言SMIL等，采用微软的Visual C++作为开发工具。对所开发的系统进行了功能单元测试和实际的系统联机测试，结果表明系统性能可以满足网络教学的基本要求。
系统实现中解决的关键问题和特色主要有以下几个方面：
(1)在视音频直播功能的实现中，通过使用北京算通公司的CV500视频采集卡和CV500 SDK进行视音频数据采集，并采用当今最新的图像和语音编码压缩标准MPEG-4作为视音频数据的采集格式，既保证了图像的质量，又大大缩减了视音频所占的带宽，从而解决了多媒体数据量大、网络带宽利用率低的问题；同时，通过设置环形缓冲区的办法来调和网络传输延时与图像质量之间的矛盾，取得了较好的效果。
(2)在屏幕图像直播功能的实现中，通过采用“屏幕拷贝法”，解决了课件的多媒体链接和屏幕滚动难以控制问题。
(3)在课件实时制作功能的实现中，通过采用SMIL语言制作了一个图形化的SMIL编辑工具，为教师提供一个操作简单的SMIL文档制作编辑环境；用SMIL和RealOne播放器实现了视音频流、图像
流在客户端的同步播放。
New challenges and opportunities are brought to humanity society in Information era. Traditional teaching mode centers on teacher, classroom and textbook will gradually be unfit for the need of Information era. With the rapid development of both computer and networks technology, networks teaching will be a certain trend. The thesis analyses some contemporary multimedia networks teaching system, and designs a multimedia networks teaching system based on MPEG-4, combined with the characteristic of networks teaching on campus.
The aim of this thesis is to build a virtual networks classroom on campus network. By which, students and teachers in different places can join in the teaching activity at the same time. With the system, students can not only receive the contents of the teacher's screen, voice but also receive the video of the teacher's movement. Meanwhile, the system provides the function of electronic whiteboard for communication. The designed system includes functions of audio and video broadcast, screen image broadcast, interaction of electronic whiteboard, real-time courseware making, etc. The realization of the system relies on technologies of MPEG-4, streaming media, network, database, SMIL and takes Visual C++ of Microsoft as the development tool. Results of functional unit testing and practical system networking testing show that the system can fulfill the networks teaching requirement.
The characteristic and key technologies of the system are as follows:
(1) In realizing the live broadcast of audio and video, the problem of immense multimedia data and low networks bandwidth utilization
ratio is solved by using MPEG-4 as format of audio and video data. Audio and video data are collected by video card CV500 which developed by Beijing Sum tone Company; meanwhile, the contradictory between the delay of networks transmitting and the quality of the image is well solved by setting a "bi-buffer area".
(2) In realizing the live broadcast of the screen image, multimedia interlinkage and screen rolling control is accomplished by "screen-copying".
(3) In realizing real-time courseware making, a graphical editing tool of SMIL is made by SMIL language, providing a simple text editing environment; the live broadcast of audio and video stream, image stream and text stream in client realizes by using SMIL and Realone player.
系统的设计目标是在校园网上建立虚拟的网络课堂，使地理上分散的学生和教师能在同一时间里加入虚拟网络课堂，进行教学活动。教师使用该系统在网络虚拟课堂上授课，学生不但可以同步的看到教师机的屏幕内容、听到教师授课的声音，而且可以看到教师授课时的形象和动作。同时，该系统还提供电子白板讨论功能，为网络分布式教学提供了一种良好的交互环境。所设计的系统具有视音频广播、屏幕图像广播、课件制作等功能。系统的实现综合采用了MPEG-4技术、流媒体技术、网络技术、数据库技术和同步多媒体集成语言SMIL等，采用微软的Visual C++作为开发工具。对所开发的系统进行了功能单元测试和实际的系统联机测试，结果表明系统性能可以满足网络教学的基本要求。
系统实现中解决的关键问题和特色主要有以下几个方面：
(1)在视音频直播功能的实现中，通过使用北京算通公司的CV500视频采集卡和CV500 SDK进行视音频数据采集，并采用当今最新的图像和语音编码压缩标准MPEG-4作为视音频数据的采集格式，既保证了图像的质量，又大大缩减了视音频所占的带宽，从而解决了多媒体数据量大、网络带宽利用率低的问题；同时，通过设置环形缓冲区的办法来调和网络传输延时与图像质量之间的矛盾，取得了较好的效果。
(2)在屏幕图像直播功能的实现中，通过采用“屏幕拷贝法”，解决了课件的多媒体链接和屏幕滚动难以控制问题。
(3)在课件实时制作功能的实现中，通过采用SMIL语言制作了一个图形化的SMIL编辑工具，为教师提供一个操作简单的SMIL文档制作编辑环境；用SMIL和RealOne播放器实现了视音频流、图像
流在客户端的同步播放。
New challenges and opportunities are brought to humanity society in Information era. Traditional teaching mode centers on teacher, classroom and textbook will gradually be unfit for the need of Information era. With the rapid development of both computer and networks technology, networks teaching will be a certain trend. The thesis analyses some contemporary multimedia networks teaching system, and designs a multimedia networks teaching system based on MPEG-4, combined with the characteristic of networks teaching on campus.
The aim of this thesis is to build a virtual networks classroom on campus network. By which, students and teachers in different places can join in the teaching activity at the same time. With the system, students can not only receive the contents of the teacher's screen, voice but also receive the video of the teacher's movement. Meanwhile, the system provides the function of electronic whiteboard for communication. The designed system includes functions of audio and video broadcast, screen image broadcast, interaction of electronic whiteboard, real-time courseware making, etc. The realization of the system relies on technologies of MPEG-4, streaming media, network, database, SMIL and takes Visual C++ of Microsoft as the development tool. Results of functional unit testing and practical system networking testing show that the system can fulfill the networks teaching requirement.
The characteristic and key technologies of the system are as follows:
(1) In realizing the live broadcast of audio and video, the problem of immense multimedia data and low networks bandwidth utilization
ratio is solved by using MPEG-4 as format of audio and video data. Audio and video data are collected by video card CV500 which developed by Beijing Sum tone Company; meanwhile, the contradictory between the delay of networks transmitting and the quality of the image is well solved by setting a "bi-buffer area".
(2) In realizing the live broadcast of the screen image, multimedia interlinkage and screen rolling control is accomplished by "screen-copying".
(3) In realizing real-time courseware making, a graphical editing tool of SMIL is made by SMIL language, providing a simple text editing environment; the live broadcast of audio and video stream, image stream and text stream in client realizes by using SMIL and Realone player.
引文
[1] 师书恩．计算机辅助教育[M]．北京师范大学出版社，1998
[2] Ralf Steinmetz & Klara Nahrstedt．多媒体技术：计算、通信及应用[M]．清华大学出版社，1998
[3] 杨学良．多媒体计算机技术及应用[M]．电子工业出版社，1995
[4] 朱秀昌等．多媒体网络通信技术及应用[M]．电子工业出版社，1998
[5] 汤春林．多媒体网络教学系统的设计与实现[D]．国防科学技术大学，2002．1
[6] http://www.liumeiti.com
[7] 张琦．MPEG-4标准的发展[J]．现代电视技术，2003．3
[8] 钟玉琢等．基于对象的多媒体数据压缩编码国际标准——MPEG-4及其校验模型[M]．科学出版社，2000．10
[9] 苏群等．远程教育中流媒体的同步标准及其智能型点播系统的实现[J]．计算机工程，2002，28(10)
[10] 张平等．在网上用SMIL实现多媒体同步[J]．计算机应用，2001，5(21)
[11] http://www.w3c.com
[12] http://www.5d.cn/5dmedia/ani/basic/20020510/00001714.htm
[13] Steve Mack．流媒体宝典[M]．电子工业出版社，2003．1
[14] 罗斯青．网络流媒体技术及应用[J]．现代电视技术，2003．11
[15] 王军．多媒体网络传输的研究与实现[D]．国防科学技术大学，2002．11
[16] Schulzrinne H. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Application. IETF RFC, 1996
[17] 李太君，吴泽晖．流媒体传输协议及其应用开发[J]．计算机工程与应用，2004．3
[18] 郭勐．张拥军．彭宇行．一种基于RSVP协议的资源提前保留技术[J]．计算机应用研究，2004．2
[19] Schulzrinne H. Real Time Streaming Protocol (RTSP). IETF RFC2326,1998
[20] http://www.realnetworks.com
[21] Microsoft Corp. Visual C++ Programmer's Guide
[22] Microsoft Corp. MFC Intemet Samples
[23] David、J．Kruglinski．Visual C++技术内幕[M]．清华大学出版社，1999
[24] 郑人杰等．实用软件工程(第二版)[M]．清华大学出版社，1997
[25] 高洪深．决策支持系统(DSS)理论·方法·案例[M]．广西科学技术出版社，1998
[26] 王胜华．多媒体网络教学支持环境的研究[D]．浙江大学，2002．2
[27] 北京算通公司．创视500编码卡应用程序开发包(SDK)用户指南
[28] Sun YealiS, TsouFuming, ChenMengchang. A Buffer Oceupany-Based Adaptive Flow Control and Recovery Scheme for Real-Time Stored MPEGVideo Transport over Intemet. IEI CETrans.Commun, 1998, E81-B (11)
[29] B.Prahakaran. Multimedia Database Management System. Kluwer Academic Publisher, 1997
[30] 华致立，江红，顾君忠．分布式网络会议的电子白板的原理及其实现[J]．计算机工程，2002．2
[31] 葛晓虎，尹浩，朱耀庭，朱光喜．基于CSCW的远程教育中电子白板的实现[J]．计算机工程，2002．3
[32] 李绍滋，李堂秋．多媒体网络教室中共享白板的协调同步机制研究[J]．计算机工程与应用，2002．23
[33] 张京珲，谭庆平．多媒体电子白板的设计与实现[J]．计算机工程与应用，2003．3
[34] 何光明，何丕廉，孟昭鹏，孙学军．虚拟教室中电子白板的关键技术与实现[J]．计算机工程与应用，2003．10
[36] 彭德中，黄迪明．同步多媒体合成语言SMIL在远程教育中的应用[J]．电子科技大学出版社，2001，30(3)
[37] 韦劼群．网上教学视频课件开发系统——用SMIL、ASP及SQL构建网上课件开发平台[J]．广西广播电视大学学报，2002，11(13)
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