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淺談當(dāng)代的高壓縮比網(wǎng)絡(luò)課件的生成及傳輸系的研究
1 應(yīng)用背景
隨著教育事業(yè)的不斷發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，網(wǎng)上教育應(yīng)運(yùn)而生。但是，網(wǎng)上教育也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，課件制作是其中的一個(gè)關(guān)鍵所在。網(wǎng)上教育是多媒體結(jié)合的一種教育，多媒體意味著文件數(shù)據(jù)量大、要求帶寬高，盡管高速寬帶網(wǎng)絡(luò)可以從根本上解決這個(gè)問題，但其由于各種原因，短期內(nèi)還不能大范圍普及。現(xiàn)有的公眾網(wǎng)只能提供33.3Kbps～56Kbps的窄帶。所以,在現(xiàn)有的條件下,以保持多媒體質(zhì)量盡量少的降低為前提,減小多媒體文件數(shù)據(jù)量的大小, 實(shí)現(xiàn)多媒體技術(shù),是比較現(xiàn)實(shí)的方法。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套全新的網(wǎng)上教學(xué)系統(tǒng)用來滿足在窄帶網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)教學(xué)的需求。這種課件格式為流媒體格式，可以滿足在窄帶網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸，并且在本地播放時(shí)可以保留快進(jìn)，快退等基本的媒體播放屬性。
2 系統(tǒng)原理簡介
一般網(wǎng)絡(luò)課件的制作是將教師講課實(shí)況信息錄制后作為視頻保存。實(shí)際上，教師授課時(shí)每堂課一般只需３０個(gè)左右的PowerPoint幻燈片，屏幕上的畫面變化非常小�；诖�，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)新的方案：將課件中的各種信息分開來傳輸，而不是象現(xiàn)在的課件那樣，將很多的信息合在一起傳輸。經(jīng)過分析，可以將課件的內(nèi)容分為如下幾部分： PowerPoint文件(PPT)；鼠標(biāo)信息；鍵盤信息；聲音信息。PPT文件是一個(gè)比較小的文件，一般在幾百K左右。所以可以設(shè)計(jì)一個(gè)客戶機(jī)-服務(wù)器模式的系統(tǒng)，在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對PowerPoint文件的控制，捕獲鼠標(biāo)，鍵盤及聲音信息，將它們封裝并傳輸?shù)娇蛻舳耍豢蛻舳讼到y(tǒng)接收還原這些信息來控制PPT文件的播放。其中PPT文件是在鼠標(biāo)，鍵盤和聲音信息之前傳輸?shù)�，�?shí)時(shí)傳輸?shù)膶?shí)際上只有鼠標(biāo)信息，鍵盤的翻頁信息和語音信息。這些信息的量和視頻信息比起來就少得多了，僅過這樣的設(shè)計(jì)和處理，可以實(shí)現(xiàn)在窄帶上的實(shí)時(shí)傳輸。
3 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)
為了實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，服務(wù)器軟件需要在服務(wù)器端捕獲鼠標(biāo)，鍵盤及聲音信息并將以上三者相同步，而且還可以將這些的信息向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或者將這些信息在本地上保存為一種特定格式的包封文件，其結(jié)構(gòu)如圖一所示。同樣，客戶端程序需要解析從網(wǎng)絡(luò)傳來的服務(wù)器信息或播放本地這種特定格式文件。
接下來詳細(xì)討論各部分的實(shí)現(xiàn)。
3.1 音頻的處理
3.1.1 聲音的錄制與播放
人耳能聽到的聲音，最高頻率是20000Hz，而語音頻率一般在4000Hz以下，教師講課的課件，其音頻部分主要是語音。為提高壓縮比，本系統(tǒng)只處理了語音信息。
微軟公司提供的Direct中的DirectSound組件性能與兼容性比較好。因此，我們選用了DirectX作為開發(fā)包，來實(shí)現(xiàn)PCM聲音的錄制與播放。
3.1.2 G.723.1語音壓縮
本系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方面就是高壓縮比傳輸，所以主要工作之一便是選取一個(gè)合適的語音壓縮算法來壓縮教師的講解聲音。
目前語音壓縮的算法非常多，本系統(tǒng)選用G.723.1算法，主要是從通用性和效率兩方面綜合考慮的結(jié)果。G.723.1是ITU的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以選用G.723.1作為語音的壓縮算法，其通用性是可以保證。另一方面，G.723.1的壓縮效率可以滿足本系統(tǒng)的要求，最終的碼率是6.3Kbit/s或5.3Kbit/s。
我們把由ITU組織提供的標(biāo)準(zhǔn)G.723.1算法的源程序改寫為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Win32動(dòng)態(tài)連接庫。該庫向外導(dǎo)出CG7231Coder和CG7231Decoder 兩個(gè)C＋＋庫，分別實(shí)現(xiàn)了G.723.1的編碼與解碼。實(shí)現(xiàn)CG7231Coder類的對象時(shí)，只需調(diào)用Coder成員函數(shù)來進(jìn)行語音編碼。該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是，指向被編碼的PCM數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)是8KHz,16位單聲道的30ms的PCM數(shù)據(jù)，共480個(gè)字節(jié)。該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)是，用于接受當(dāng)前被編碼后的壓縮數(shù)據(jù)，因?yàn)槲覀児潭ú捎昧?.3Kbit/s的比特率，所以該參數(shù)所指的緩沖區(qū)應(yīng)為24個(gè)字節(jié)。經(jīng)過我們改寫后的G.723.1的編碼算法具有以下特征：低通濾波，噪聲平滑，恒定的6.3Kbit/s比特率。我們可以通過相關(guān)參數(shù)變量來改變上述特征。解碼器也具備同編碼器一樣的功能
ITU組織提供了G.723.1的算法有兩種實(shí)現(xiàn)形式：整點(diǎn)和浮點(diǎn)。整點(diǎn)算法比較簡單,易于實(shí)現(xiàn)，但是整點(diǎn)算法對計(jì)算機(jī)的硬件要求極高。而浮點(diǎn)算法的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于整點(diǎn)算法，所以在本系統(tǒng)中使用了浮點(diǎn)算法，這樣，服務(wù)器軟件可以在配置較低的機(jī)器也可以正常運(yùn)行。
3.2 視頻的處理
通過前面的分析可知，在設(shè)計(jì)中我們?nèi)∠艘曨l，采用直接控制PowerPoint Viewer程序來播放教師所用的PPT教案，所以系統(tǒng)的視頻部分是建立在Microsoft公司的PowerPoint Viewer軟件基礎(chǔ)之上的。PowerPoint Viewer本身是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用軟件，其主要功能是用來播放由Microsoft公司PowerPoint軟件制作的幻燈片。我們現(xiàn)在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是一個(gè)課件的生成工具，同時(shí)它也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的實(shí)時(shí)授課。它之所以和PowerPoint Viewer聯(lián)系在一起，是因?yàn)楸拒浖昧薖owerPoint的PPT文件作為教師的電子教案。
在用PowerPoint Viewer程序播放PowerPoint文檔時(shí)，教師可以通過鼠標(biāo)和鍵盤兩類控制信息來控制該文檔的行為（例如：向前，向后翻頁)。下面將分別討論這兩類控制信息的接管控制以及對PowerPoint Viewer的控制。
3.2.1 鍵盤信息的處理
在教師的講課過程中， PowerPoint文檔是以幻燈片模式來播放的，而且對它的控制行為并不是很多，一般只有簡單的向前翻、向后翻頁，縮小或放大播放窗口，結(jié)束放映等控制動(dòng)作�；谏鲜隹紤]，我們通過設(shè)計(jì)了一個(gè)類庫來控制PowerPoint Viewer程序前后翻頁，而不是通過PowerPoint Viewer的默認(rèn)控制鍵（例如：通過空格鍵，鼠標(biāo)左鍵向前翻頁）。
該動(dòng)態(tài)連接庫向外提供了一系列函數(shù)用來控制Power Point Viewer程序。
在獲得PowerPoint Viewer進(jìn)程中用來播放PowerPoint文檔的窗口句柄后，將發(fā)送到播放窗口的消息作了兩方面的改變。一是將默認(rèn)的PowerPoint Viewer的鍵盤控制消息改變?yōu)槠渌腜owerPoint Viewer不可以識別的鍵盤消息，實(shí)現(xiàn)了對PowerPoint Viewer的鍵盤屏蔽。另一方面將自定義的消息改變到PowerPoint Viewer可以識別的控制命令，實(shí)現(xiàn)了所謂的客戶程序可以控制PowerPoint Viewer的行為（例如：前后翻頁等）。最后，我們還將安裝一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫到PowerPoint Viewer進(jìn)程的內(nèi)部，通過對PowerPoint Viewer進(jìn)程的內(nèi)部控制，實(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)的控制以及播放窗口的全屏與窗口模式之間的切換、窗口的移動(dòng)；PowerPoint文檔的前后翻頁；以及在播放窗口的指定位置中繪畫用來代表教師教鞭的鼠標(biāo)及鼠標(biāo)右鍵的快捷菜單。
3.2.2鼠標(biāo)消息的處理
首先，我們來看一下鼠標(biāo)消息在默認(rèn)的PowerPoint Viewer程序中有什么樣的作用。在Windows的程序設(shè)計(jì)中，鼠標(biāo)器可以產(chǎn)生三十多個(gè)消息，但是通過分析研究發(fā)現(xiàn)， PowerPoint Viewer程序只是處理了幾個(gè)鼠標(biāo)消息—WM_LBUTTONDBLCLK、WM_LBUTTONDOWN、WM_LBUTTONUP、WM_RBUTTONDOWN。上述的幾個(gè)鼠標(biāo)消息的默認(rèn)動(dòng)作行為有三種：一是激活PowerPoint文檔的播放窗口，二是使得PowerPoint文檔向下翻一頁，三是彈出一個(gè)快捷菜單以供用戶選擇。
鼠標(biāo)消息與鍵盤消息，我們將其分開處理，這樣做是因?yàn)椋旱谝�，如果對鼠�?biāo)消息也采取與處理鍵盤消息同樣的方法，會(huì)嚴(yán)重地影響系統(tǒng)性能；第二，對于鼠標(biāo)消息，我們需要用自己的快捷菜單來替代PowerPoint Viewer的默認(rèn)右鍵菜單，這只能通過內(nèi)聯(lián)代碼來實(shí)現(xiàn)。
我們在嵌入到PowerPoint Viewer程序之中的動(dòng)態(tài)連接庫內(nèi)對鼠標(biāo)消息進(jìn)行截獲，加入一些代碼來改變播放PowerPoint文檔窗口的默認(rèn)消息處理過程。這樣做的好處是：可以直接在播放窗口中響應(yīng)鼠標(biāo)消息，完全控制PowerPoint Viewer的播放窗口，而不必考慮進(jìn)程間通信的問題。
3.3網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)方案
通過Windows下Socket編程，我們實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器端和客戶端網(wǎng)絡(luò)模塊的軟件。該類對象在每30ms時(shí)間間隔內(nèi)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)向外廣播，客戶如果接受該信息者可以在網(wǎng)上實(shí)時(shí)聽課。因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算可知每包的大小為33個(gè)字節(jié)，服務(wù)器在30ms內(nèi)廣播有關(guān)包，因此可以算出其課件流的速率為33×（1000/30）＝1100(Bytes/sec)=8.8Kbits/s。8.8Kbits/s的速率在當(dāng)前公共網(wǎng)上基本都可以得到滿足。
4 系統(tǒng)性能分析
服務(wù)器端完成之后具有以下功能：
能提供多種服務(wù)方式，可以向網(wǎng)絡(luò)廣播已生成的課件；教師可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)授課，與此同時(shí)還可以把講述內(nèi)容錄制成包封格式的課件；在不提供網(wǎng)絡(luò)的條件下，教師可以在本地制作課件，以便以后學(xué)生可以通過課件播放器來觀看學(xué)習(xí)。
服務(wù)器端在得到了教師的講解聲音和PowerPoint Viewer的控制信息后，它們的同步誤差控制在0.5秒內(nèi)。
服務(wù)器生成課件的速度快。局域網(wǎng)下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，幀的延時(shí)不超過1秒。
服務(wù)器還有一定的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。進(jìn)行實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)授課時(shí)，服務(wù)器還提供在線學(xué)生管理以便教師可以了解當(dāng)前的學(xué)生情況。
客戶端軟件完成之后具有以下功能：有兩種學(xué)習(xí)方式－網(wǎng)絡(luò)教室和本地文檔，可供選擇。其中網(wǎng)絡(luò)教室用來連接遠(yuǎn)端的服務(wù)器。
5 結(jié)論和進(jìn)一步的工作
總之,在目前網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較慢,還不能夠完全滿足各種媒體信息暢通無阻的在網(wǎng)上傳輸時(shí)，本系統(tǒng)盡可能的減小了所用媒體文件的大小,對學(xué)校教師經(jīng)常采用的PPT這種演講型課件來說，是行之有效的辦法。下一步的工作就是考慮課件中加載更多媒體文件時(shí)的情況。多種媒體文件的應(yīng)用使課件更加生動(dòng)有趣。但是在網(wǎng)絡(luò)中,數(shù)據(jù)量較大的媒體文件。往往會(huì)令用戶因等待太久,而失去對課件的興趣。想在網(wǎng)絡(luò)課件中加載更多媒體文件,需要在保證可視質(zhì)量前提下盡可能提高壓縮比，更可行的辦法是提供可選擇性的服務(wù)，使得用戶根據(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇是否加載某些服務(wù)。相信在不久的將來,高速網(wǎng)普及后,數(shù)據(jù)量問題不再是束縛網(wǎng)絡(luò)課件制作和發(fā)展的因素。
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