流媒体技术及其在网络教学中的应用
钟艳宾 沈宏兴 王经| 《中国有线电视》| 2004-11-03

1、引言
    计算机的普及、多媒体技术的发展以及Internet的迅速崛起,给远程教育带来了新的机遇,世界各国都在大力开展包括网络教育在内的远程教育。网络教育的发展迫切要求能够解决实时传送音频、视频、计算机动画等多媒体文件的技术,在这种背景下,产生了流式传输技术及流媒体。在网络上传输音/视频等多媒体信息目前主要有下载和流式传输两种方案。
    下载时用户必须将既耗费时间又耗费磁盘空间的整个文件复制到自己的计算机中,然后才能播放。因为整个文件必须在下载之后才能播放,所以下载不能用于实况流。同时,下载也不能高效地使用可用带宽,当客户端开始下载数字媒体文件时,所有可用网络带宽都用于尽可能快地传输数据,其他网络功能可能会减慢或被中断。流式传输只以客户端正确呈现的速度通过网络发送数据,所以它比下载更高效地使用带宽。因此,流式传输有助于防止网络过载并能维持系统的可靠性。流式传输时播放器通过缓冲数据防止在播放流时存在延迟或间歇,于是显示在客户端,就是播放器接收流的时间和它开始播放流的时间之间通常有一个延迟。由于对数据进行流式播放和呈现是同时发生的,所以流式播放还允许传递实况内容。就目前来讲,流媒体技术是能够在Internet上进行多媒体交互教学的最基本的技术之一。随着网络及流媒体技术的发展,越来越多的远程教育网站开始采用流媒体作为主要的网络教学方式。
    流媒体技术的主要应用领域:远程教育、视频点播、Internet直播、视频会议、网络监控等。主要流媒体平台:Windows Media Services,Real System,Quick Time等。

 

2、流式传输的基本原理
    流媒体系统是由不同的组件构成的,这些组件在各个不同的层面上互相通信。基本的流媒体系统包括以下3个组件:
播放器(Player)用来观看或收听流媒体文件的软件;
服务器(Server)用来向观众发送流媒体文件的软件;
编码器(Encoder)用来将原始音频视频转换为流媒体文件格式的软件。
    这些组件之间通过特定的协议互相通信,按照特定格式互相交换数据文件。流媒体文件中包含了由编码器编码的数据,编码器通过特定的算法压缩文件的数据量。
    流式传输的过程一般是这样的:用户通过网页链接或URL选择某一流媒体服务后,Web浏览器与Web服务器之间使用HTTP/TCP交换控制信息,把需要传输的实时媒体数据从原始信息中检索出来,然后客户机的Web浏览器启动音/视频播放器,使用HTTP从Web服务器检索相关参数对播放器程序初始化,这些参数可能包含目录信息、音/视频数据的编码类型或与音/视频检索相关的服务器地址。
    音/视频播放器与音/视频服务器之间运行实时流控制协议(RTSP),交换音/视频传输所需的控制信息。与CD播放机或VCR所提供的功能相似,RTSP提供的操作功能有播放、快进、快倒、暂停以及录制等。音/视频服务器使用RTP/UDP协议将音/视频数据传输给音/视频播放器,当音/视频数据抵达客户端后,音/视频播放器即可播放音/视频数据。
    当用户通过单击网页上的链接来请求内容,Web服务器将请求定位到音/视频服务器,并在用户的计算机上打开播放器后,Web服务器在流式播放媒体过程中不再充当角色,音/视频服务器将与播放器建立直接连接,并开始向用户传输内容。
    在流式传输中,音/视频播放器使用RTP/UDP和RTSP/TCP两种不同的通信协议与音/视频服务器建立联系,是为了能够把服务器的输出重新定位到另外一个运行音/视频播放器的客户机的目的地址。流式传输一般都需要专用服务器和播放器。

   3、支持流媒体传输的网络协议
3.1实时传输协议RTP与RTCP
    实时传输协议RTP(Realtime Transport Protocol)被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作,其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP通常使用UDP来传送数据,也可以在TCP或ATM等其他协议上工作。当应用程序开始一个RTP会话时将使用两个端口:一个给RTP,一个给RTCP。RTP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制,它依靠RTCP提供这些服务。通常RTP算法并不作为一个独立的网络层来实现,而是应用程序代码的一部分。实时传输控制协议RTCP(Realtime Transport Control Protocol)和RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务。在RTP会话期间,各参与者周期性地传送RTCP包。RTCP包中含有已发送的数据包数量、丢失的数据包数量等统计资料,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。RTP和RTCP的配合使用能以有效的反馈和最小的开销使传输速率最佳化,因而特别适合传送网上的实时数据。
3.2实时流协议RTSP
    实时流协议(RTSP,Real Time Streaming Protocol)是由RealNetworks和Netscape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IP网络传送多媒体数据。RTSP在体系结构上位于RTP和RTCP之上,它使用TCP或RTP完成数据传输。HTTP与RTSP相比,HTTP请求由客户机发出,服务器做出响应,使用RTSP时,客户机和服务器都可以发出请求,即RTSP可以是双向的。RTSP作为应用级协议,控制实时数据的发送,提供了可扩展框架,使实时数据的受控、点播成为可能。该协议能够控制多个数据发送连接,为选择发送通道(如UDP、组播UDP与TCP)提供途径,并为选择基于RTP的发送机制提供方法。
3.3资源预留协议RSVP
    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。使用RSVP(Resource Reserve Protocol)将预留一部分网络资源(即带宽),能在一定程度上减少网络对信息处理的时延,提高网络节点的工作效率,能在一定程度上为流媒体的传输提供服务质量(QoS)。

 

4、Windows Media Services在网络教学中的应用
4.1Windows Media Services概述
    Microsoft Windows Server 2003提供了一整套基于Windows Media技术的多媒体应用环境,通过它用户可以在Internet/Intranet环境下实现网络教育、视频会议、视频点播、广播及实况转播等功能。Microsoft Windows Media的最新版本是Windows Media 9.0系列,该系列提供的数字媒体软件协同工作,能够为用户提供最佳的数字媒体体验。Windows Media Services 9.0集成在Windows Server 2003中,是一种通过Internet或Intranet向客户端传输音频和视频内容的平台,客户端可以是安装播放器(如Windows Media Player)进行内容播放的其他计算机,也可以是用于代理、缓存或重新分发内容的运行Windows Media Services的其他计算机(称为Windows Media服务器)。客户端也可以是使用Windows Media软件开发工具包(SDK)开发出来的客户应用程序。
    Windows Media服务器流式传输给客户端的内容可以是实况流,也可以是预先录制的内容,例如数字媒体文件。传输实况内容时,服务器连接到能以服务器支持的格式进行广播实况流的编码软件(如Windows Media编码器)。流式传输也可以传输使用工具如Windows Media编码器,Microsoft Producer for PowerPoint2002,Windows Movie Maker,Windows Media Player以及其他第三方编码程序编码出来的预先存储的内容。
    Windows Media Services提供两种基本方法用于播放实况内容或预先录制内容:点播发布或广播发布。发布点类型的选择将决定流式播放的格式。创建新的发布点时需要做出的选择包括:
(1)命名发布点。发布点的名称应该是描述性的,并且要尽量简短。当客户端连接到流时,发布点名称就包含在内容的URL地址中。发布点名称如果不够简短的话,将会给人罗嗦的感觉,同时也增加了出错的可能性。
(2)播放内容的类型。如果内容没有错误,那么选择内容类型时将不会有任何问题。
(3)使用的流式播放格式。特别对于实况内容,必须采用从广播发布点进行播放。对于所有其他的内容类型,广播或点播两种发布点都适用,并且可以选择采用以嵌入播放器的网页还是启用单独的播放器进行访问。
(4)内容所在的位置。对于实况内容,必须知道播放内容的编码器或远程发布点的URL;对于预先录制的内容,可以存储在本地服务器上,也可以存储在通过网络能够访问的数据库中,选择时必须确保路径正确。
(5)激活发布点。可以在创建发布点并准备开始播放内容时手动启动播放过程。广播发布点启动时,不管有没有客户端连接到发布点它都将立即开始播放,也可以将广播发布点设置成在第一个客户端取得连接时开始播放;在手动启动点播发布点时,可以将其设置为允许或拒绝新连接。
(6)是否创建公告。Windows Media Services可以创建公告文件,用于客户端在请求链接时将其自动定位到发布点。公告文件通常采用网页链接或电子邮件附件的形式,供客户端调用。

4.2网络教学系统中使用的Windows Media Services功能
4.2.1点播功能
    点播功能可以用于发布预先录制的教学内容,预先录制的内容是最容易管理和设置的内容类型。预先录制的内容采用预先编码的数字音频或视频文件格式,可以通过播放器(如Windows Media Player)进行呈现。将预先录制的数字媒体文件存放在Windows Media服务器上,建立站点进行网页发布。在服务器上创建发布点时,可以播放单个文件或多个文件,也可以创建播放列表文件对内容进行组织。选择发布内容时,通过播放列表可以把一组文件结合成一个连续的流进行发布,实现课程的组合。点播发布点可以使每个客户端与媒体内容建立连接时都可以对流进行控制。也就是说,多台计算机可在不同的地点、不同的时刻,实时、交互点播流媒体文件。学生可以通过上网查看和选择内容进行点播,播放过程可实现播放、停止、暂停、快进、后退等功能。
4.2.2直播功能
    直播功能用于播放实况内容,这项功能对于网络教学具有更加深远的意义。教学中,将实况流式课程的准确时间和URL告知学生,学生可以在特定的时间通过网络进行学习。制作实况流时,将实况捕获设备(如麦克风或数字摄像机)连接到运行编码器(如Windows Media编码器)的计算机上,并且编码器通过网络与Windows Media服务器相连。还可以将其他数字媒体播放设备(如视频和CD播放机)连接到编码计算机上,这样就能实现基于录制资料的实况广播。因为学生无法控制实况内容的播放,所以实况内容必须以广播流(而非点播流)方式进行播放。直播时应该为编码器和服务器之间的网络连接分配一定量的带宽,并且要避免其他网络通信的干扰。另外,在实况广播过程中,内容只是在服务器的内存缓冲区中保留很短时间,所以系统不太可能从流式播放的错误中恢复。可使用转发纠错在播放过程中提供纠错处理,而无需强制播放器向服务器请求纠错信息。
   如果学生希望在广播结束后仍可以获得学习内容,则可以考虑对实况广播进行存档,以便该内容可以重新广播出去或者以点播方式提供给学生。
   

5、结束语
    目前流媒体技术日趋成熟,流媒体技术的应用受到全球众多企业的关注。我国的远程教育已经开始进入以Internet为基础的新阶段,大力发展网络教育,对于促进教育的普及和建立终身学习体系具有重大意义,流媒体技术将在我国现代远程教育中扮演不可或缺的重要角色。

责任编辑:lmtwadmin

分享到:
版权声明:凡注明来源“流媒体网”的文章,版权均属流媒体网所有,转载需注明出处。非本站出处的文章为转载,观点供业内参考,不代表本站观点。文中图片均来源于网络收集整理,仅供学习交流,版权归原作者所有。如涉及侵权,请及时联系我们删除!