（计算机应用技术专业论文）流媒体技术在网络教学中的应用.pdf

摘要 摘要 在全球教育信息化进程中，网络教育和流媒体技术在教育领域的应用广受瞩 目。网络教学以其丰富的信息资源、友好的交互性能以及优良的开放性等特点而 越来越受到人们的青睐并逐渐发展成为一种比较成熟的新的教育形式。网络传输 庞大的多媒体文件是网络教学设计中的主要技术难题，应用流媒体技术传输多媒 体文件是目前使用的较先进的技术，流媒体具有体积小、流式传输、资源消耗少、 等待时间短、媒体类型多、获取成本低、压缩率的多样等优势，利用流媒体现有 技术以及对其部分功能进行再开发，有效解决了庞大的多媒体文件传输问题。 本文以w i n d o w sm e d i a 这个当前主要的流媒体技术，研究总结了流媒体技术 的基本原理和关键技术，详细介绍了利用w i n d o w sm e d i a 产品技术，设计开发 基于流媒体技术、适合校园网视频课件应用系统的具体过程，并给出了利用 w i n d 0 w sm e d i as d k 以及v i s u a ls t u d i o n e t 编程工具、a s p 技术实现视频课件 应用系统的方法。该系统具有提供课件点播、实时授课、信息反馈等功能，能够 满足学生通过校园网获得个性化的、高质量教育的需要。 本课题是根据北京工业大学网络教学建设过程中的需求进行的，其最终研究 结果已经在北京工业大学校园网内得到实际应用，具有较强的实用性。 关键词网络教学；流媒体；w i n d o w sm e d i a 系列 北京工业大学工学硕士毕业论文 a b s t r a c t i nt h em o d e r ni n f o r m a t i o ns o c i e t y ，t h e r ei sat r e n di nt h ew o r l dt h a t t h ee d u c a t i o ni sm o r ea n dm o r ec o n n e c t e dw i t ht h ew i d ew e b d u r i n gt h i sc o u r s e ，t h ew e b b a s e de d u c a t i o na n dt h es t r e a m i n gm e d i a t e c h n o l o g y a r ew i d e l y a p p li e d i nt h ee d u c a t i o n a lf i e l d w e b b a s e d e d u c a t i o ni sf a v o r e db ym o r ea n dm o r ep e o p l ed u et oi t sa b u n d a n t i n f o r m a t i o nr e s o u r c e ，f i n em u t u a lc a p a b i l i t ya n de x c e l l e n to p e n i n g q u a l i t ya n ds oo n i ti sd e v e l o p i n gi n t oan e wm a t u r ef o r mo fe d u c a t i o n t h e r ea r es e v e r a lt e c h n 0 1 0 9 i c a lp r o b l e m si nt h en e tt r a n s m i s s i o ni n w h i c ht h et o ol a r g em u l t i m e d i af i l ei st h em a i no n e i ti sa na d v a n c e d t e c h n i ct ot r a n s m i tt h em u l t i - m e d i af il e st h r o u g hs t r e a m i n gm e d i a t e c h n o l o g y t h es t r e a m i n gm e d i ah a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s i t ss m a l l v o l u m e ，s t r e a m i n gt r a n s m i s s i o n ，c o n s u m i n gl e s sr e s o u r c e ，s h o r tl a t e n c y t i m e ，v a r i o u sm e d i at y p e s ，l o wc o s t ，a n dm u l t i p l i e dc o m p r e s s i o nr a t i o s e t c b e s i d e s ，i ti sq u i t ee f f i c i e n ti ns o l v i n gt h ep r o b l e mo ft r a n s m i t t i n g t h et o ol a r g em u lti m e d i af ile s t h ee s s a yr e s e a r c h e dt h em a i ns t r e a m i n gm e d i at e c h n i c a t p r e s e n t w i n d o w sm e d i a， s u m m a r i z e di t se l e m e n t a lt h e o r ya n dk e y t e c h n i c ，a n di n t r o d u c e dt h ec o n c r e t ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h ev i d e o c o u r s e w a r ea p p l y i n gs y s t e mw h i c ha d a p t st ot h ec a m p u sn e t w o r ka n di sb a s e d o nt h es t r e a m i n gm e d i at e c h n i c f u r t h e r m o r e ，m ye s s a yp r e s e n t sh o wt ou s e t h et e c h n i c so fw i n d o w sm e d i as d k ，v i s u a ls t u d i o n e t ，a s p e t c t o r e a l i z et h ev i d e oc o u r s e w a r ea p p l y i n gs y s t e m t h i ss y s t e mp o s s e s s e st h e f u n c t i o n so fr o d ( v i d e oo nd e m a n d ) ，r e a l t i m et e a c h i n g ，i n f o r m a t i o n f e e d b a c ka n ds oo n i tc a nm e e tt h es t u d e n t s d e m a n do fo b t a i n i n gt h e i n d i v i d u a l i z e da n dh i g h q u a l i t ye d u c a t i o nt h r o u g hc a m p u sn e t w o r k a tl a s tb u tn o ta tl e a s t ，t h i st o p i ci sb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f i i a b s t r a c t c o n s t r u c t i n gt h ew e b b a s e de d u c a t i o no fb j u t i nf a c t ，i t sr e s e a r c h i n g r e s u l th a sb e e na p p l i e di no u rc a m p u sn e t w o r ka n dt u r n e do u tt ob eq u i t e p r a c t i c a la n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：w e b b a s e de d u c a t i o n ：s t r e a m i n gm e d i a ：w i n d o w sm e d i as e r i e s h i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇盟嗍遨独 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名溺 导师签名日期：塑进! 旦 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 知识经济时代需要人们不断学习新的知识、技能，才能跟上时代的步伐。 网上教育突破了传统“面授”教学的局限，为求知者提供了时间分散、资源 共享、地域广阔、交互式的教学新方式，使更多的人有了学习的机会，因而 广受人们关注。对此，国内外教育界专家已达成一致共识，即通过多媒体、 因特网或其它数字化内容进行学习与教学的活动即e l e a r n i n g ，有利于学生 信息素质和创新思维能力的培养。 北京工业大学现有专职教师1 3 0 0 余人，全日制在校学生1 3 0 0 0 多人， 虽然已经有三栋教学楼、信息楼、经管楼、电教中心等地方可以上课，仍然 存在着教室资源紧张的问题。另外，随着逐年扩招，教师也相对短缺，有些 课只能上大课，而且课程安排紧张。在这种情况下，如果采用网络教学，可 以打破时间、空间的限制，使教学场所和师资力量不足的问题得到有效解决。 近几年北京工业大学的校园网络规模不断扩大，服务功能逐步完善。现主干 网为1 0 0 0 m 高速交换式光纤以太网，为实现网络教学提供了硬件保证。北 工大教务处从学校实际出发，引进开发了现正在使用的北京工业大学网络教 学系统( 教育在线) ，是集教学、教学资源库管理、教学管理与评价于一体的 综合性网络教育支撑平台。此系统的不足之处是没有音视频资源，由于许多 热门课程，受教师和教室大小的限制，直接面授的学生数量有限，因此需要 能够提供网络直播教室使学生通过网络能够异地同步听课，还能随时随地的 通过网络点播教师讲课。点播的内容就需要包括教师的声音、影像，也包含 教师讲课时的电子讲义。根据这样的需求，我们急需建设带有实况直播和点 播的宽带教学网络，以扩大受教范围，丰富教学内容，使学生能够根据自己 的实际情况，安排学习计划，通过校园网享受高质量的教育。 1 2 国内外研究现状 今天以计算机网络为主要媒介的现代远程教育已经得到了飞速发展。把 文字、图形、影像、声音、动画等多媒体教学软件引入到教学实践中，从而 以现代化的教学手段改变传统的教学模式。音视频资源作为学习知识的重要 载体，具有其他资源不可比拟的优势，其地位和作用已越来越突出。但由于 北京工业大学工学硕士毕业论文 音视频文件一般都较大，如果采用传统的下载方式，需要的存储容量也较大； 同时由于网络带宽的限制，下载常常要花很长时间，所以这种处理方法延迟 也很大。在目前网络带宽有限、网络传输品质不稳定的情况下，近年来不断 发展成熟的流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 技术为网上实现音频、视频的开发和传 输提供了有力的支持，已逐渐成为网上多媒体交互教学的最佳技术手段。 流媒体技术自问世以来在美国教育界受到极大欢迎，满足了各级教育层 次的需求。 在高等教育方面，斯坦福大学的“斯坦福在线”远程学习计划最初使用 q u i c k t i m em o v i e s 传统方式传送课程，长时间下载文件夹给学生带来很大不 便。在1 9 9 6 1 9 9 7 学年，该计划转而使用视频流媒体技术把课程资料传输 给学生的计算机，并用微软媒体服务器实现流式实况授课和讨论，且把课程 资料存档，保证学生日后能随时使用，给学生学习带来很大方便。北卡罗来 纳州立大学的图像通讯服务处通过流媒体技术提高网络连接速度，进行包括 电子商务系列研讨计划、美国环保署的大气污染远程教育网络计划和各种工 程学院课程等工作和教学。里海大学的里海教育卫星网络在线( l e s n o n l i n e ) 互联网远程学习计划也通过实时网络视频流媒体传输各种课程，不仅丰富了 学习者的学习经历，而且增强了个性色彩。康奈尔大学远程学习部也开设了 科目种类繁多的由多种传输速率连接的流视频课程。俄克拉荷马大学的工程 媒体实验室、阿拉巴马大学教学和学习中心等也采用实时网络视频流媒体传 授课程和开展视频图书馆教育计划。英国国家航空和宇宙航行局洲a s a ) 的 探索教育技术在数学和科学中的作用的“未来的教室”计划中采用了视频流 媒体技术。美国海军研究生院等也都采用了这种技术帮助教学和研究。 在中等和初等教育方面，视频流媒体技术作为一种促进教育发展的技术 工具，符合美国教育部的要求，可以帮助实现下列教育技术目标：所有师生 在教室、学校、社区、家中都有接触、使用信息技术的机会；所有教室都有 效地应用技术来帮助学生达到更高的学术标准；所有学生都将具备技术和信 息素养技能。那么，利用流媒体技术进行网络教学的收效到底如何呢? 由美国波斯特( p r a n kb o s c e r ) 博士领导的c o m e t r i k a 研究公司2 0 0 2 年发表 的一份“关于联合流媒体应用程序在教育中所起作用的报告”显示：那些接 受视频流媒体应用技术教学的学生取得了巨大的学习成就。监控小组通过对 弗吉尼亚三个学区中1 4 0 0 多名中小学生的调查指出，“接受联合流媒体软 件教学的学生比单纯接受传统方式教学的学生平均成绩提高了1 2 6 ”。网 络教育委员会副主席j o h n n y l s a k s o n 说，“联合学习流媒体应用程序，是一 第1 章绪论 个杰出的展示如何通过技术进一步提高学生成就的例子”。现在美国“5 4 的学校能够保证学生在正规学习时间外使用这种技术，9 8 的学校在放学后 对学生开放多媒体教室，8 4 的学校能够在课前保证学生使用，1 6 的学校 周末也对学生开放多媒体教室”。2 0 0 2 年1 月，美国总统布什签署的不让 一个孩子掉队法案，强调要重视学习结果和能被科学研究证明为有效的教 学方法。这些都说明，“现在该是把技术与教学和学习有效结合的时候了”。 流媒体技术是由r e a l n e t w o r k s 公司首先推出的，现在r e a l n e t w o r k s 、 m i c r o s o f t 、a p p l e 等公司相继推出了各自的基于流媒体技术的产品和解决方 案。在新闻娱乐、在线影视等领域也出现了一些功能强大的视频服务产品。 大多都已经能够提供点播和直播的功能。但这些产品和解决方案不是针对校 园网络教学研制的，将其用于校园网络教学还有很多不适应的地方。 由于这些产品和解决方案不是为教育量身定做的，缺少对网络化学习的 过程、特点以及业务逻辑的针对性，不能全面的反映课堂授课信息。我们应 充分考虑教学的特点，针对网络化学习，开发适合网络教学的音视频服务。 另外市场上现有的视频服务产品价格比较昂贵，对于开展网络教学来说是一 笔非常大的投入。我们需要既有优良的音视频服务性能，又有较高的性能价 格比的解决方案，以低廉的成本传送数据、视频和音频信号，用最少的代价， 实现校园网上的音视频教学。 1 3 本文主要研究的内容及其意义 本文以流媒体技术为核心，利用微软的w i n d o w sm e d i a 产品技术，引入 流媒体来解决问题，提出了一个网络教学模型，并设计了一套基于流媒体技 术的视频课件应用系统解决方案。 首先，将各种类型的多媒体教学资源( 比如课堂教学录像、实验演示录像 等讳0 作成统一格式的流媒体文件。当然，也可以通过音、视频采集设备进行 现场实时采集；然后，把它们按一定的组织方式存放到流媒体服务器上：最 后，通过流媒体服务器将其在网络上以点播或广播的方式发布。用户端只需 要较小的缓存区，等待很短的时间就可以观看流畅的多媒体节目了。而且， 流媒体服务器和用户端的流媒体播放器之间的交流是双向的，在发送数据的 同时，还在接收用户端浏览器发送来的反馈信息，可以通过流媒体播放器上 的按钮来控制播放流程，如跳跃、快进、倒退等。这样在校园网上就可以实 现在线点播。 北京工业大学工学硕士毕业论文 对学生而言，可以根据需要复习、预习上课的内容，或者进行知识点的 扩充。学生因病或因事而落下的课，也可以在课外的时间从网上观看教学录 像补课。著名教授的授课、演讲等过程还可以同时在网上直播，让更多的学 生自由观看。学校的大型文艺等活动，能够实时广播给全校师生。对教师而 言，教师制作的多媒体课件饱含了教师们的心血，希望这一劳动成果能够充 分地被学生所应用。以往大多数课件只在上课的时候使用，受条件所限学生 不能在网络环境下自由点播。而现在在教师上课的同时，就可以生成包括教 师的音视频信息和课件信息的同步课件。整个课件制作过程只需要教师一个 人即可完成，省却了庞大的后期制作工作，节省了大量开支，充分提高了教 学资源的利用率，降低了教师的工作强度。对于学校而言，校园网的基础建 设就可以更好地为教学活动服务了。 该系统主要是在w i n d o w s 环境下设计的，采用了微软的流媒体解决方 案，能够提供课件点播，实时授课、信息反馈等功能。下面将围绕该视频课 件应用系统展开比较详细的论述。 第2 章流媒体技术 第2 章流媒体技术 随着现代网络技术的发展，网络开始带给人们形式多样的信息。从在网 络上出现第一张图片到现在各种形式的网络视频、三维动画，人们的视听觉 在网络上得到了很大的满足。但人们又面临着另外一种不可避免的尴尬：在 网络上看到生动清晰的媒体演示的同时，不得不为等待传输文件而花费大量 时间。以前在i n t e m e t 上传输的音视频( a v ) 等多媒体信息，用户比较熟悉和 经常使用的是下载方式，而下载一个a 文件经常要花上数分钟或数小时。 这主要是由于通常a v 文件相对于其它类型的文件而言容量较大，同时又受 网络带宽的限制，传输效率不高，更不能满足视频信息传输的实时性要求， 从而很难推动i n t e m e t 上视频信息的全面应用。而用户又需要一种突破带宽 限制的新的信息传输方式，在这种情况下，流媒体技术应运而生。 2 1 流媒体技术的定义 流媒体是指在网络中使用流式传输技术的连续时基媒体，如音频、视频 或多媒体文件。流媒体技术是一种可以使音频、视频和其它多媒体在i n t e r n e t 及i n t r a n e t 上以实时的、无需下载等待的方式进行播放的技术。流式传输方 式是将动画，视、音频等多媒体文件经过特殊的压缩方式分成一个个压缩包， 由视频服务器向用户计算机连续地、实时地传送，用户不必等到整个文件全 部下载完毕，而只需经过几秒或十数秒的启动延时即可进行观看。当声音、 影像或动画等多媒体在客户机上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器 内继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百倍地缩短，而且不需要太 大的缓存容量。流式传输避免了用户必须等待整个文件全部从网络上下载后 才能观看的缺点。流媒体播放技术的优点是即时播放，可以直播，但是要求 有稳定的数据通信流量，当网络带宽低于流媒体的带宽时，或网络拥塞时都 会造成播放图像和声音时断时续，严重时甚至停顿。介于两者之间的是一种 称为快速启动( f a s ts t a r t ) 技术，也称为渐进下载方式。采用f a s ts t a r t 时，用 户用其网络连接所能支持的最大速率下载整个影片，当影片的初始部分下载 到本地磁盘之后，就可以立即开始播放，与此同时，影片的其余部分继续下 载。用户的等待时间取决于网络速率，典型值为启动文件传输后数秒钟即可 播放。当网络下载速率高于影片数据速率时，播放是平滑且无中断的。 由于采用了流媒体这一最新的网络多媒体形式，浏览一些比较知名的传 媒网站，如美国的n b c ，a b c 以及我国的中央电视台等，它们所提供的在 北京工业大学工学硕士毕业论文 线视频点播和直播都采用了流媒体技术。 2 2 流式传输的方法 流媒体实现的关键技术就是流式传输。流式传输定义很广泛，现在主要 指通过网络传送媒体( 如视频、音频) 的技术总称。其特定含义为通过i n t e r n e t 将影视节目传送到p c 机。实现流式传输有两种方法：实时流式传输( r e a l - t i m e s t r e a m i n g ) 和顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 。一般说来，如视频为实 时广播，或使用流式传输媒体服务器，或应用如r t s p 的实时协议，即为实 时流式传输。如使用h t t p 服务器，文件即通过顺序流发送。 2 2 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在 给定时刻，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分，顺 序流式传输和实时流式传输不同，在传输期间不会根据用户的连接速度做调 整。由于标准的h t t p 服务器可发送这种形式的文件，并不需要其他特殊协 议，它经常被称作h ，r r p 流式传输。顺序流式传输比较适合高质量的短片段， 如片头、片尾和广告，由于该文件在播放前的部分是无损下载的，这种方法 保证了电影播放的最终质量。这意味着用户在观看前，必须经历延迟，对较 慢的连接尤其如此。 顺序流式文件放在标准的h t t p 或f t p 服务器上，易于管理。顺序流式 传输不适合长片段和有随机访问要求的视频，如：讲座、演说与演示。它不 支持现场直播。 2 2 2 实时流式传输 实时流与h t t p 流传输方式不同，实时流式传输一般是实时传送，特别 适合现场事件，如现场转播、实时授课等。实时流式传输也支持随机访问， 用户可快进或后退以观看后面或前面的内容。但实时流式传输必须保证媒体 信号带宽与网络连接匹配，以便传输的内容可被实时观看。实时流式传输需 要专用的流媒体服务器与传输协议。 第2 章流媒体技术 2 3 流媒体技术原理 2 3 1 缓存技术 流式传输的实现需要缓存。因为i n t e m e t 是以包传输为基础进行断续的 异步传输，对一个实时a v 源或存储的v 文件，在传输中它们要被分解 为许多包，由于网络是动态变化的，各个包选择的路由可能不尽相同，故到 达客户端的时间延迟也就不等，甚至先发的数据包还有可能后到。为此，使 用缓存系统来弥补延迟和抖动的影响，并保证数据包的顺序正确，从而使媒 体数据能连续输出，而不会因为网络暂时拥塞使播放出现停顿。通常高速缓 存所需容量并不大，因为高速缓存使用环形链表结构来存储数据：通过丢弃已 经播放的内容，流可以重新利用空出的高速缓存空间来缓存后续尚未播放的 内容。其效果见图2 1 所示。 _ 鋈盒霎箨_区的文件_ 黼 _ 图2 - 1 数据的缓冲效果 2 3 2 流媒体传输流程 输出缓冲 流式传输的过程一般是这样的：用户选择某一流媒体服务后，w e b 浏览 器与w e b 服务器之间使用h t t p t c p 交换控制信息，以便把需要传输的实 时数据从原始信息中检索出来；然后客户机上的w e b 浏览器启动a 播放 器，使用h t t p 从w e b 服务器检索相关参数对播放器初始化。这些参数可 能包括目录信息、a v 数据的编码类型或与a v 检索相关的服务器地址。 a v 播放器及a v 服务器运行实时流控制协议( r t s p ) ，以交换a ，v 传输所需的控制信息。r t s p 提供了操纵播放、快进、快倒、暂停及录制等 命令的方法。a v 服务器使用r t p u d p 协议将a 数据传输给a v 客户程 序，一旦a v 数据抵达客户端，a v 客户程序即可播放输出。其基本原理如 ， 北京工业大学工学硕士毕业论文 2 - 2 图所示。 2 3 3 流媒体系统结构 的。 图2 - 2 流式传输基本原理 现存流媒体解决方案采用的技术是多样的，但其体系结构的本质是相近 流媒体的体系构成：编码工具：用于创建、捕捉和编辑多媒体数据， 形成流媒体格式；流媒体数据；服务器：存放和控制流媒体的数据： 网络：适合多媒体传输协议甚至实时传输协议的网络；播放器：供客户端 浏览流媒体文件( 通常是独立的播放器和a c t i v e x 方式的插件) 。 2 3 4 流媒体传输协议 流式传输的实现需要合适的传输协议。t c p 需要较多的开销，故不太适 合传输实时数据。在流式传输的实现方案中，一般采用h t t p t c p 来传输控 制信息，而用r t p u d p 来传输实时多媒体数据。 ( 1 ) 实时传输协议r t p 与实时传输控制协议r t c p r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 实时传输协议是用于i n t e m e t i n t r a n e t 针对多媒体数据流的一种传输协议。通常工作在点对点或点对多点的传输情 况下，其目的是提供时间信息和实现流同步。r t p 通常使用u d p 来传送数 据，但r t p 也可以在t c p 或a t m 等其他协议上工作。当应用程序开始一 个r t p 会话时将使用两个端口：一个给r t p ，一个给r t c p 。r t p 本身并不 能为按顺序传送数据包提供可靠的传送机制，也不提供流量控制或拥塞控 第2 章流媒体技术 制，它依靠r t c p 提供这些服务。r t c p ( r e a l t i m et r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 是实时传输控制协议。r t c p 和r t p 一起提供流量控制和拥塞控制服务。在 r t p 会话期间，各参与者周期性地传送r t c p 包。r t c p 包中含有已发送的 数据包的数量、丢失的数据包的数量等统计资料，因此，服务器可以利用这 些信息动态地改变传输速率，甚至改变有效载荷类型。r t p 和r t c p 配合使 用，它们能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化，因而特别适合传 送网上的实时数据。 ( 2 ) 实时流协议r t s p 实时流协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 是由r e a l n e t w o r k s 和 n e t s c a p e 共同提出的，该协议定义了一对多应用程序如何有效地通过i p 网络 传送多媒体数据。r t s p 是应用级协议，在体系结构上位于r t p 和r t c p 之 上，它使用t c p 或r t p 完成数据传输。h t t p 与r t s p 相比，h t t p 传送 h t m l ，而r t p 传送的是多媒体数据。h t t p 请求由客户机发出，服务器作 出响应；使用r t s p 时，客户机和服务器都可以发出请求，即r t s p 可以是 双向的。 r t s p 是一个多媒体流化控制协议，用于控制具有实时特性的数据的发 送，但r t s p 本身不传输数据，必须利用底层传输协议提供的服务，数据的 封装与q o s 的控制仍然是基于r t p r t c p 。r t s p 提供对多媒体流类似于 v c r 的控制功能，如播放、暂停、快进等。也就是说，r t s p 对多媒体服务 器实施远程控制。r t s p 定义了控制中所用的消息、方法、状态及头域等， 此外还定义了与r t p 的交互操作。r t s p 的实现采用了c s 体系结构，主要 包括编码器( e n c o d e r s ) 、播放器- ( p l a y e r s ) 和服务器( s e r v e r ) 三个部分。其基本结 构如图2 3 、图2 4 。 北京工业大学工学硕士毕业论文 数据源 音频视 频捕捉 设备或 磁盘存 储文件 网 络 接 口 数据源 音频视 频捕捉 设备或 磁盘存 储文件 音频 网 l 码器 【。_ j 数据源 音频，视 频捕捉 设备或 磁盘存 储文件 数据源 音频，视 频捕捉 设备或 磁盘存 储文件 系统控制( 并发控制、同步控制、q o s 管理等) 缓 冲 区 及 其 管 理 图2 - 3r t s p 服务器实现结构图 r t p 爪t c p 包解 封装和 控制及 流化处 理模块 音频、 视频 数据 流分 离 音频 解码 器 视频 解码 器 同 步 处 理 系统控制( 缓冲区管理、同步控制、q o s 管理等) 图2 4r t s p 客户机实现结构图 ( 3 ) 资源预订协议r s v p 播 放 和 显 一 不 由于音频和视频数据流比传统数据对网络的延时更敏感，要在网络中传 输高质量的音频、视频信息，除带宽要求之外，还需其他更多的条件。 r s v p ( r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c 0 1 ) 是i n t e m e t 上的资源预订协议，运行在传输 层。使用r s v p 预留一部分网络资源( 即带宽) ，能在一定程度上为流媒体 的传输提供服务质量保证( q o s ) 。 1 0 第2 章流媒体技术 2 3 4 播放方式 流媒体的播放方式按传播方式可分为单播和组播，按控制方式可分为点 播和广播。 1 单播 单播流是服务器和客户端之间的一对一连接，在客户端与媒体服务器之 间需要建立一个单独的数据通道，从一台服务器送出的每个数据包只能传送 给一个客户机，这种传送方式称为单播( 见图2 5 ) 。 2 组播 流 图2 - 5 单播 ip 组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包 复制到多个通道上。采用组播方式，单台服务器能够对几十万台客户机同时 发送连续数据流而无延时。媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个； 所有发出请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户 机，减少网络上传输的信息包的总量。网络利用效率大大提高，成本大为下 降。 组播传输可在数据链路层( 第二层) 和网络层( 第三层) 实现，支持的i 网络类 型包括以太网、f d d i 和a t m ，大多数路由器提供商支持i p 组播( 见图2 - 6 ) a 北京工业大学工学硕士毕业论文 3 点播与广播 流媒体厦务罂 图2 - 6 组播 点播连接是客户端与服务器之间的主动的连接。在点播连接中，用户通 过选择内容项目来初始化客户端连接。用户可以开始、停止、后退、快进或 暂停流。点播连接提供了对流的最大控制，但这种方式由于每个客户端各自 连接服务器，会迅速用完网络带宽。 广播指的是用户被动接收流。在广播过程中，客户端接收流，但不能控 制流。例如，用户不能暂停、快进或后退该流。广播方式中数据包的单独一 个拷贝将发送给网络上的所有用户。使用单播发送时，需要将数据包复制多 个拷贝，以多个点对点的方式分别发送到需要它的那些用户，而使用广播方 式发送，数据包的单独一个拷贝将发送给网络上的所有用户，而不管用户是 否需要，上述两种传输方式会非常浪费网络带宽。组播吸收了上述两种发送 方式的长处，克服了上述两种发送方式的弱点，将数据包的单独一个拷贝发 送给需要的那些客户。组播不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，也不 会将数据包发送给不需要它的那些客户，保证了网络上多媒体应用占用网络 的最小带宽。但技术实现也相应复杂些。 2 3 5 流媒体文件格式 把普通的视频文件格式转化成流媒体文件格式需要经过特殊编码。视频 文件首先进行编码处理，并分割成一个个适于在网络上传播的数据包。另外 在编码时，还需要在数据包中加入一些附加信息，如计时、压缩和版权信息， 最终形成流媒体文件。编码过程如图2 7 所示。表2 - 1 列举了常用的流式文 件类型。 屠 凰鸯 第2 章流媒体技术 i i t m r i l e f i i e s i z e s 协n d a r 畦 m e d 酿f 洳 f o r m a t 8 c r e a m 自辅“墩崦 嚣t b m 轫口畦w l 口 越嗤l 艟吖f 睡口s i 蛐 垡 融k 嗽s t r e a m a b l ed a t a 耩拦釜溢拦要4 警羞鹫 3 b 戮啊国增栩_ d l _ f 礓hf o c r o a t 图2 7 流媒体文件编码过程 表2 - 1 常用漉媒体文件格式 文件格式扩展媒体类型与名称 a s fa d v a n c e ds t r e a m i n gf o r m a t ( m ic r o s o f t ) w m v w i n d o w sm e d i av i d e o a u d i 0 文件 w m aw i n d o w sm e d i aa u d i o 文件 r mr e a lv i d e o a u d i o 文件 r ar e a la u d i o 文件 r p r e a lp i x 文件 r tr e a lt e x t 文件 s w fs h o c kw a v ef l a s h ( m a c r o m e d i a ) 在实际应用中，除了流媒体文件之外还需要有流媒体发布文件。流媒体 发布文件既不是传输协议，也不描述影音数据或提供编码方法，它的文件格 式不同于流数据，其作用主要在于以特定的方式安排影音数据的播放。 2 4 流媒体技术产品 目前i n t e m e t 上比较流行的流媒体技术产品有r e a ln e t w o r k s 公司的r e a l m e d i a ，m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sm e d i a 以及a p p l e 公司的q u i c k t i m e 。它 们包括不同的媒体内容，具有不同的流格式，都有专用的播放器。 2 4 1r e a ls y s t e m r e a l n e t w o r k s 公司在2 0 世纪9 0 年代中期首先推出了流媒体技术，并随 着互联网的急速发展而壮大了自身，在市场上处于主动地位，并拥有最多的 北京工业大学工学硕士毕业论文 用户数量。由于r e a l m e d i a 发展的时间比较长，因此具有很多先进的设计， 例如，s c a l a b l ev i d e ot e c h n o l o g y 可伸缩视频技术可以根据用户电脑速度和连 接质量而自动调整媒体的播放质素。t w o p a s se n c o d i n g 两次编码技术可通过 对媒体内容进行预扫描，再根据扫描的结果来编码从而提高编码质量。特别 是s u r e s t r e a m 自适应流技术，可通过一个编码流提供自动适合不同带宽用户 的流播放。r e a l m e d i a 音频部分采用的是r e a la u d i o ，该编码在低带宽环境 下的传输性能非常突出。 2 4 2 q u i c k t i m e a p p l e 公司的q u i e k t i m e 是一个非常老牌的媒体技术集成，是数字媒体 领域事实上的工业标准。之所以说集成这个词是因为q u i c k t i m e 实际上是 个开放式的架构，包含了各种各样的流式或者非流式的媒体技术。q u i c k t i m e 是最早的视频工业标准，1 9 9 9 年发布的q u i c k t i m e4 0 版本开始支持真正的 流式播放。由于q u i c k t i m e 本身也存在着平台的便n ( m a co s ) ，因此也拥有 不少的用户。q u i c k t i m e 在视频压缩上采用的是s o r e n s o nv i d e o 技术，音频 部分则采用q d e s i g nm u s i c 技术。q u i e k t i m e 最大的特点是其本身所具有的 包容性使得它是一个完整的多媒体平台，因此基于q u i c k t i m e 可以使用多种 媒体技术来共同制作媒体内容。同时，它在交互性方面是三者之中最好的。 例如，在一个q u i c k t i m e 文件中可同时包含m i d i 、动画g i f 、f l a s h 和 s m i l 等等格式的文件，配合q u i e k t i m e 的w i r e ds p r i t e s 互动格式，可设计 出各种互动界面和动画。 2 4 3w i n d o w sm e d i at e c h n o l o g y 流媒体领域的巨大市场前景使得众多厂商倾力投入其中，微软公司近年 来也在此领域展开了激烈的竞争。微软公司推出的w i n d o w sm e d i a 技术以其 方便性、先进性、集成性、低费用等特点，逐渐被人们所认识。随着流媒体 的广泛应用，微软推出了一整套的流媒体制作、发布和播放产品。w i n d o w s m e d i a 产品的一大特点是其制作、发布和播放软件与其操作系统集成在一起， 不需要额外购买。微软的流视频解决方案在微软视窗平台上是免费的，制作 端与播放器的视音频质量都上佳，而且易于使用。 第2 章流媒体技术 2 5 流媒体技术的应用领域 互联网的迅猛发展和普及为流媒体业务发展提供了强大的市场动力，流 媒体业务正变得日益流行。据统计，目前互联网上每周约有4 5 0 0 0 小时的广 播节目，5 8 个美国电视台提供w e b 广播，3 4 个电视台提供点播服务。有近 半数的跨国公司在内部使用流媒体实现w e b 广播。正如几年前的i p 网络和 w e b 技术，流媒体应用正处于高速持续增长时期。还有一组来自国际权威机 构的调查，去年在网上访问流媒体的人数增加6 5 ，西方网络发达国家访问 流媒体的人数已达到1 8 亿，约占网民的1 3 ，在亚洲也迅速增加到3 5 0 0 万人，将近网民的l 6 。与用户增长相呼应，去年互联网上视频流媒体技术 应用增长幅度达2 5 1 。据预测，到2 0 0 4 年，流媒体市场将呈现巨大的收入 潜能，其中为消费者服务将创收9 0 亿美元。这样巨大的市场正吸引越来越 多的企业参与竞争。 流媒体技术广泛用于多媒体新闻发布、在线直播、网络广告、电子商务、 视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服 务的方方面面。流媒体技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对 人们的工作和生活将产生深远的影响。 2 5 1 网上现场直播 借助于i n t e r n e t 辐射力，网上直播将使现场活动的盛况在第一时间传 遍全球。各式各样的社会活动，都可以借助于网上现场直播的方式传遍全世 界。 2 5 2 互联网站视音频点播 随着网络带宽的增加，互联网用户除了获得文字和图片的信息外，还可 以在网上听音乐、观看影视节目。 2 5 3 宽带智能小区视音频点播 智能小区的出现为业主带来了更多的方便，在家里通过小区的宽带网络 就可以方便地点播各种视频节目。 北京工业大学工学硕士毕业论文 2 5 4 远程教学 远程教育可以跨越区域的限制，面向在家的师生建起一座虚拟学校，将 教学信息传播出去，为学生学习提供更多的学习选择。 第3 章系统的开发平- - w i n d o w sm e d i a9 系列 第3 章系统的开发平台w i n d o w sm e d i a9 系列 3 1 概述 2 0 0 3 年1 月7 日，微软公司推出了在网络流媒体领域的最新成果 w i n d o w sm e d i a9s e r i e s 正式版本。与以前的版本不同的是，w i n d o w sm e d i a 9s e r i e s 已经成为了一个数字媒体的专门的平台。整个系列由以下主要部分 组成： w i n d o w sm e d i aa u d i o9s e r i e s w i n d o w sm e d i av i d e o9s e r i e s w i n d o w sm e d i ae n c o d e r9s e r i e s w i n d o w sm e d i as e r v i c e s9s e r i e s w i n d o w sm e d i ap l a y e r9s e r ie s w i n d o w sm e d i ar i g h t sm a n a g e r9s e r i e s w i n d o w sm e d i a9s e t i e ss d k 而每一个部分都由一到多个小的组成部分组成，比如w i n d o w sm e d i a a u d i o9s e r i e s 就包含了w i n d o w sm e d i aa u d i o9 、w i n d o w sm e d i aa u d i o9p r o 等。其结构图大致如下： 应用程序及媒体内容 w i n d o w sm e d i a9s e r i e s 平台 w i n d o w sw i n d o w sw i n d o w s w i n d o w sw i n d o w s w i n d o w s m e d i am e d i am e d i am e d i a