网络视频教学技术及其应用

　　 [摘要]网络视频教学可以突破传统教学的时间和空间的限制，新颖而又灵活多变的教学模式、模拟课堂的教学环境、方便的网络沟通。本文从网络视频教学的实际应用出发，对网络视频的关键技术进行了简单的剖析和介绍，并对网络视频教学在现代实际应用中的实现方式做了简单阐述。
　　[关键词]视频教学流媒体网络教育
　　
　　一、网络视频的关键技术
　　在计算机软硬件技术和宽带互联网技术迅猛发展的同时，各种影像视频的录制和后期制作技术也得到了突飞猛进的发展。目前，视频格式可以分为适合本地播放的本地影像视频和适合在网络中播放的网络流媒体影像视频两大类。后者在播放的稳定性和播放画面质量上可能没有前者优秀，但前者文件一般体积较大，不利于网络传输。所以因为后者的广泛传播性正被广泛应用于网络视频点播、网络演示、远程教育、网络视频广告等互联网信息服务领域。本文着重解释一下后者。
　　所谓流媒体就是指在internet中使用流式传输技术的连续时基媒体。目前在internet上传输视频还有许多困难，其根本原因在于internet的无连接每包转发机制主要是为突发性的数据传输而设计的，不适用于对连续媒体流的传输。为了在internet上有效、高质量地传输视频流，还需要多种技术的支持，例如基于视频的压缩编码技术、应用层qos技术、连续媒体分布服等。其中，原始视/音频经过视/音频压缩算法的预压缩存储在存储设备中。响应客户请求时，流服务器从存储设备中获得视/音频数据，应用层qos控制模块根据网络状态和qos要求来改变视/音频比特流。然后通过传输协议把压缩过的比特流打包并且发送到网上。由于拥塞数据包可能出现丢包或者过度时延，为了提高视/音频的传输质量，网络中配置了连续流媒体分布式服务。对于成功传输的数据包，它们首先通过传输层，然后在进行视/音频解码前经过应用层处理。为了获得在播放中的视频和音频的同步，还需要媒体同步机制。以下介绍的六个关键技术是网络视频架构的主要组成部分。
　　1.网络教学视频的压缩及编码
　　网络视频教学的视频文件的传输就是把数据包发送到网上，用户通过解压后像先前发送那样流畅播出。因为目前网络是异构性的，缺乏qos质量控制，并且带宽也在很大范围内变化。所以传统的不可扩展性视频编码不适合网络传输。为了适应网络带宽的变化，面向传输的可扩展性编码的思想应运而生。可扩展性编码就是将多媒体数据压缩编码成多个流，其中一个可以独立解码，产生粗糙质量的视频序列，它适应最低的网络带宽，称为基本层码流；其他的码流可以按层为单位在任何地点截断，称为增强层，用来覆盖网络带宽变化的动态范围，它们不可以单独解码，而只能与基本层和它以前的增强层联合在一起解码，用来提高观看效果。因此，可扩展性码流具有一定的网络带宽适应能力。
　　2.拥塞控制技术和差错控制技术
　　拥塞控制技术的目的是采用某种机制应对和避免网络阻塞，降低时延和丢包率。常用的拥塞控制机制有速率控制和速率整形。对于视频流，拥塞控制的主要方法是速率控制。
　　差错控制技术包括：(1)前向纠错（fec）：fec是通过在传输的码流中加入用于纠错的冗余信息，在遇到包丢失的情况时，利用冗余信息恢复丢失的信息。它的不足是增加了编码时延和传输带宽。(2)延迟约束的重传。通常流的播放有时间限制，因此，仅有当重传的时间小于正常的播放时间时，重传才是有价值的。(3)错误弹性编码（error-resilientencoding）：在编码中通过适当的控制使得发生数据的丢失后能够最大限度的减少对质量的影响。在internet环境下，最典型的方法是多描述编码（mdc）。mdc把原始的视频序列压缩成多位流，每个流对应一种描述，都可以提供可接受的视觉质量。多个描述结合起来提供更好的质量。该方法的优点是实现了对数据丢失的鲁棒性和增强的质量。其缺点是相比单描述编码（sdc），它在压缩的效率上受到影响。而且由于在多描述之间必须加入一定的相关性信息，这进一步降低了压缩的效率。(4)错误的取消（concealment）：错误的取消是指当错误已经发生后，接受端通过一定的方法尽量削弱对人的视觉影响。主要的方法是时间和空间的插值（interpolation）。近年来的研究还包括最大平滑恢复，运动补偿时间预测等。

　　3.连续媒体分布服务
　　连续媒体分布服务的目的是在internet尽力服务的基础上提供qos和高效的音/视频传输，包括网络过滤、应用层组播、内容复制等。
　　网络过滤:是拥塞控制的一种，不仅可以提高视频质量，还可以提高带宽利用率。网络过滤通常采用的是丢帧过滤器，其基本方法是客户端根据网络丢包率向过滤器发送请求来增减丢帧速率，以调节媒体流的带宽。这种速率整形可以在拥塞点进行，这样可以提高速率控制的效率和拥塞控制的响应时间。
　　应用层组播：ip层的组播存在诸如可扩展性、网络管理和对高层应用的支持等屏障。应用层组播机制打破了ip组播的一些障碍，其目的在于构建网络上的组播服务，以更灵活的方式实现组播控制，节约网络带宽。
　　内容复制：内容/媒体复制是提高媒体传输系统可扩展性的一项重要技术。内容复制具有以下优点:(1)降低网络连接的带宽消耗。(2)减轻流服务器负荷。(3)缩短客户端时延。(4)提高有效性。
　　4.服务器
　　当视频服务器响应客户的视频流请求以后，它从存储系统读入一部分视频数据到对应于这个视频流的特定缓存中，再把缓存的内容通过网络接口发送给相应客户，保证视频流的连续输出。目前存在三种类型的视频服务器结构：(1)通用主机方法。采用计算机主机作为视频服务器。它的主要功能是存储、选择、传送数据。缺点是系统成本高而且不利于发挥主机功能。(2)紧耦合多处理机。把一些可以大量完成某指令或者专门功能的硬件单元组合成的专用系统级联起来，就构成了紧耦合多处理机实现的视频服务器。这种服务器费用低、性能高、功能强，但是扩展性较差。(3)调谐视频服务器。这种服务器主板上有一个独特微码的嵌入式仿真器控制。通过在主板中插入更多的服务通路，可以方便地进行扩展。
　　5.媒体同步
　　所谓媒体同步是指保持一个数据流或者不同媒体流之间的时间关系。通常有三种类型的同步控制：流内（intra-stream）同步、流间（inter-stream）同步和对象间（inter-object）同步。
　　6.相关协议
　　(1)实时传输协议（rtp）与实时传输控制协议（rtcp），rtp和rtcp都是基于ip的应用层协议。(2)实时流协议（rtsp）是由realnetworks和netscape共同提出的一个应用层协议。(3)资源预留协议（rsvp）资源预留协议是运行于传输层的一个网络控制协议。
　　二、网络视频教学的实现方式
　　1.教学视频素材的存储及网上发布
　　通过全程数字化的设想录制及编辑，利用现有的网络平台，采用.MPEG/.MPG/.DAT/.AVI/.RA/.RM/.RAM/.WMV等影像格式将接收的节目和现场教学或课件有选择的进行存储，并对存储的节目进行编目、检索，最终实现网上发布。在这种模式中，信息的采集与获得都是基于DownloadandPlay的模式，必须全部下载下来后才能使用。由于目前我国许多地区网络条件还很不发达，这种方式可使网络教学正常化。
　　2.视频教学点播系统
　　根据各专业的特点，将部分有价值的教学课件和经典课程进行数字化存储，并在此基础上建立课件点播系统，根据教学需要进行实时或非实时单一广播（Unicast）或组播（Multicast），并对这些课件或课程进行编目和网上发布，以利于师生随时点播或网上补课，满足不同层次用户的需求。现代“流媒体”技术的应用，使得在线点播得以顺畅实现。因为音视频文件是一种时间性的连续数据，因此采用“流媒体”技术后可以无需等待全部数据下载完毕就可以开始浏览或播放数据，从而实现网络教学中学生与教师同步。而且“流媒体”处理的信号压缩比很大，这样可以大大减少存储体积，节省网上资源。
　　3.视频教学网络直播
　　利用实时视频压缩、大数据量网络直播，异步视频控制等流媒体技术，在Internet环境中，通过先进高效的数据传输技术，将采集到的视频数据，向整个网域内实时直播，达到网络内任何一台客户机均可同步观看电视节目、现场直播、摄像头视频、视频文件等。真正的基于Web应用的全新视讯直播系统，是按照国际标准的MPEG-4图像编解码技术和实时数据流传输的网络协议开发，可稳定运用于基于IP协议的任何网。采用软件技术实现视频通信，文件直播，字幕及图片的显示远程管理等功能，可广泛适用于教育行业的多媒体教学、远程教育、校园电视台等。

　　4.远程教育系统——可交互的多路实时视频的线性教学
　　早期的网络教育主要以课件下载、视频下载、视频点播等方式为主，相对于真实的课堂教学，在教与学之间音视频互动方面的表现力仍有一些缺陷，因此在教学效果上交互的效果较差。而在真实的课堂中，为了达到良好的学习效果，往往需要教师能够及时的与学生进行沟通，及时的答疑解惑、指点迷津。远程教育系统一直以来更侧重于多媒体交互技术，在处理多方多层次交互方面有着更多的技术处理手段和应用积累，网上家教、网上辅导有一对一和一对多两种模式。为远程教育和远程培训真正的打造出了基于网络的互动课堂，使网络视频教育更加生动和具体。
　　网络视频教学技术是建立在现代网络传媒技术基础上的多媒体应用，学校和机构可以解决跨地区的教学和培训，为教育教学改革做出贡献。
　　参考文献：
　　[1]王春海:网络视频技术及应用标准教程.人民邮电出版社
　　[2]吴国勇邱学刚:网络视频流媒体技术与应用.北京邮电大学出版社