流媒体技术在电大远程开放教育中的应用

（吐鲁番广播电视大学，新疆 吐鲁番 838000）
张鲁斌
摘要：随着internet教育应用的深入发展，大数据量的多媒体教学资源在网上的传输显得越来越重要和迫切。如何应用新技术为电大开放教育教学服务已成为广大电大教育工作者所关注的课题。我们只有在充分认识流媒体技术的基础、流媒体系统的构成、流媒体的主要技术方案、流媒体教学资源开发和流媒体技术在电大开放教育中的应用方式等问题的基础上，才能把流媒体技术更好地应用到开放教育的教学中去。
关键词：流媒体技术；电大；开放教育；应用
随着国际互联网的迅速普及，计算机正在经历着一场网络化的革命，人们不在只满足于文字和图片的网页内容，而是希望在网上看到形式多样的节目。在教育领域，通过互联网传送音频、视频信号来实现网上在线课堂教学，使学员和教师虽然远隔千里但却有身临其境、近在眼前的感觉，是学习者尤其是利用业余时间学习的人所期盼的。网上教学这种形式使得身处各地的学生都能得到一流教师的指导，且无时间、空间、地域的限制，是真正意义上的“远程教育”。因此，以计算机多媒体技术和计算机网络技术为基础的现代远程教育在世界各地的发展势头如火如荼。但是，由于传统多媒体手段具有大传输量的特点而与当今慢速的网络传输环境发生了矛盾。虽然高速的网络建设和使用者个体拥有成本等原因，短期内还不能大范围普及。“流”技术的出现使得在网络上传输多媒体内容成为可能，网上在线课堂得以实现。然而，当前的电大开放教育中教学资源建设却依然存在一对矛盾。一方面是网上多媒体教学资源的不足，另一面是众多的多媒体教学资源无法上网，究其原因可以归结为网络带宽始终有限。面对有限带宽，实现远程教育视频、音频、动画、多媒体课件和网络课程传输的最佳解决方案就是流媒体技术的应用。
一、流媒体的基础特征与结构
1、流媒体的基础概念
流媒体是从英文Streaming Media翻译过来的。它是一种可以使音频、视频和其它多媒体能在Internet及Internet上以实时的、无需下载等待的方式进行播放的技术。流媒体文件格式是支持采用流式传输及播放的媒体格式。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、实时传送。在采用流式传输方式的系统中，用户不必像非流式播放那等到整个文件全部下载完毕后才能看到其中的内容，而是只需要经过几秒或几十秒的启动延时即可在用户的计算机上利用相应的播放器或其它的硬件、软件对压缩的动画、视音频等流式多媒体文件减压后进行播放和观看，多媒体文件的剩余部分将在后台服务器内继续下载。
2、流媒体的基本特点
（1）启动延时大幅度地缩短
用户不能等待所有内容下载到硬盘上才开始浏览。我们曾经用10M到桌面的校园网络来浏览新丝路宽频电影，无论是上班时间还是晚上，速度都相当快。一般来说，一个45分钟的影片片段在一分钟之内就显示在客户端上，而且播放过程一般不会出现断续的情况。另外，全屏播放对播放速度几乎无影响，但快进、快倒时需要时间等待。
（2）对系统缓存容量的需求大大降低
由于Internet是以包传输为基础进行断续的异步传输，数据被分解为许多包进行传输，动态变化的网络使各个包可能选择不同的路由，故到达用户计算机的时间延迟也就不同。所以，在客户端需要缓存系统来弥补延迟和抖动的影响和保证数据包传输顺利的正确，使媒体数据能连续输出，不会因网络暂时拥堵而使播放出现停顿。虽然流式传输仍需要缓存，但由于不需要把所有的动画、视音频内容都下载到缓存中，因此，对系统缓存内容量的要求大大降低。
（3）流式传输的实现有特定的实时传输协议
采用RTSP等实时传输协议，更加适应动画、视音频在网上的流式实时传输。
3、流媒体系统的基本结构
流媒体系统由以下六个方面构成：
①前端编码压缩工具包：用于创新、捕捉和编辑多媒体数据，形成流媒体数据格式。
②流媒体数据：流媒体数据实体。
③流媒体服务器：存在和控制流媒体数据的硬件及软件平台。
④传输网络：适合多媒体传输协议甚至是实时传输协议的网络。
⑤客户端播放器：供客户端播放、浏览流媒体文件的应用程序。
⑥流媒体传输协议：几种主要支持流媒体传输的协议有针对多媒体数据流的实时传输协议RTP（Real-time Transport Protocol ）；与RTP一起提供流量控制和拥塞控制服务的实时传输控制协议RTCP（Real-time Transport Control Protocol），以及定义了“一对多”的应用程序如何有效地通过IP网络传送多媒体数据的实时流式协议RTSP（Real-time Streaming Protocol）。
二、流媒体技术的主要解决方案
到目前为止，Real Networks公司的Real System、Microsoft公司的Windows Media Technology和Apple公司的Quick Time仍然是网上流媒体系统的三大主力。
1、Real System
Real System由媒体内容制作工具Real Producer、服务器Real Server、客户端Real Player三部分组成。其流媒体文件包括Real Audio Video、Real Presentation和Real Flash四类文件，分别用于传送不同的文件。Real System采用Sure Stream技术，自动、持续地调整数据流的流量以适应不同的网络宽带，轻松地在网上实现视音频和三维动画的回放。
Real 流媒体文件采用Real Producer软件进行制作，首先把源文件或实时输入变为流媒体文件，再把流媒体文件传输到服务器上供用户点播。由于其成熟、稳定的技术性能，互联网巨人—美国在线（AOL）、ABC、AT&T、Sony和Time life等公司和网上主要电台都使用Real System系统
2、Windows Media Technology
Windows Media Technology是Microsoft提出的流媒体技术应用解决方案。目前，中央电大及其它高校网络课程开发均采用这种方案。Windows Media Technology的核心是ASF（Advanced Stream Format）文件。ASF是一种包含音频、视频、图像以及控制命令、脚本等多媒体信息在内的数据格式，通过分成一个个的网络数据包在Internet上传输。实现流媒体多媒体内容发布。因此，我们把在网络上传输的内容就称为ASF流。
Windows Media Technology由Media Tools、Media Server和Media Player等软件构成，Media Tools是整个方案的重要组成部分，它提供了一个系列的工具软件以帮助用户生成ASF格式的多媒体数据流。Media Tools按照功能的不同分为创建工具和编辑工具两种。
创建工具主要用于生成ASF格式的多媒体流。它包括以下一些工具软件：①Encoder：Windows Media Technology流媒体格式的编号器，用于把各种信号源和其它类型的文件转换为Windows Media Technology流媒体格式。②Author：将现有的声音文件、图片、影片文件等一起合成、制作成一个ASF文件。③vid To ASF：实现视频文件与ASF流媒体文件之间的转换。④Wav To ASF：实现音频文件与ASF流媒体文件之间的转换。
编辑工具主要对ASF 格式的多媒体流信息进行编辑与管理，包含以下工具①ASF Indexer编辑制作工具。网上常见的左上方是教师授课视频，左下方是交互区域，右边是教师讲义的内容。我们熟悉的中央广播电视大学的IP课件，就是利用这个工具编辑制作的。②ASF Chop：流媒体的后期制作编辑工具。③ASF Check：对ASF流进行检查并改正错误。
众多的工具形成的工具集是Windows Media Technology的一大优点，这些工具对流媒体文件产生很大的扩展功能。由于它所独特的各种优点，HP、TI、General Instruments等公司和组织均表示加入Microsoft的Windows Media Broadband Jumpstart  Initiative方案。
3、Apple Quick Time
Apple公司于1991年开始发布Quick Time，它几乎支持所有主流的个人计算机平台和各种格式的静态图像文件、视频和动画格式。Quick包括服务器Quick Time Streaming Server、带编辑功能的播放器Quick Time Player、制作工具Quick Time 4 Pro、图像浏览器Picture Viewer，以及使Internet浏览器能够播放Quick Time影片的   Quick Time插件。目前，FOX新闻在线、FOX体育在线、BBS World、气象频道（Weather Channel）等机构都加入了Quick Time内容供应商行列，使用其技术制作实况转播节目。
除了上述流媒体技术的三种主要格式外，在多媒体课件和动画方面的流媒体技术还有Macro media的Shock wave技术和Meata Creation公司是Meta Stream技术。
通过Shockwave技术可以方便地在Web页面中加入图像、动画以及交互式界面等操作。利用这种Streaming Shock wave，即通过流的方式使用户在客户端实现边下载边播放的功能，节省了等待的时间。Shock wave for Author ware、Shock wave for Director等技术。
Meta Stream 3D的图形设计软件是Ray Dream Ssudio5以及Ray Dream 3D，可以方便地在网上创建、发布及浏览被缩放的3D图形，它具有小文件量及传输的特点，比其它任何一种已存在的Ieternet3D技术压缩率都高。主要应用于游戏开发厂商、页面设计者、电子商务、科学研究者、专业设计者等。
三、电大远程开放教育中流媒体课件开发应用工具
流媒体在传输过程中是分段传送，用户不必等待整个内容传输完毕，就可以观看到即时的连续的内容。但由于不同的公司发展的文件格式不同，传输的方式也有所差异。下面是远程教育中利用流媒体技术开发的几种常见的流式教学资源。
1、Real的rm视频资源和ra音频资源
rm和ra格式分别是Real Networks公司所开发的一种流式视频和流式音频文件格式，主要用来在低速率的网络上实时传输视、音频信息。它可以根据不同的网络带宽而采用不同的压缩比率，在数据传输过程中边下载边播放视频影像，从而实现影像数据的实时传送和播放。客户端通过Real Player播放器进行播放。
2、Microsoft的ASF也是一种网上流媒体格式，在远程教育中颇受欢迎。这种流媒体文件的使用与windows操作系统是分不开的，使用的播放器是Microsoft Media Player。目前Microsoft还提出wmv等新的流媒体文件格式。
3、Apple Quick Time的qt动态影像资料
qt格式是Apple公司开发的一种音频、视频文件格式，用于保存音频和视频信息，具有较为先进的音视频功能，得到包括Apple MacOS、Microsoft Windows95/98/VT/2000在内的所有主流计算机操作系统的支持。其客户端使用Quick Time player播放。
4、Macro media Flash软件制作的一种格式，源文件fla格式。由于其体积小、功能强、交互能力好、支持多个层和时间线程等特点，故越来越多地应用到网络动画中。SWF文件是Flash的其中一种发布格式，已广泛用于Internet上，客户端安装Shock wave的插播。采用Flash来制作远程教育资源的案例已少见，如华南理工大学网络教育学院的网络课程，《政治经济学》、《营销管理》等，其教学应用效果相当不错。
四、电大远程开放教育中流媒体技术的应用
电大开放教育所面临的问题主要表现在以下几个方面：一是发展规划不统一，各自为战，没有建立广泛的横向间的联系；二是教学资源和网络课程稍微匮乏；三是为数不少的电大教学模式陈旧落后，不能适应网络学习的需要。
在方面的问题中，尤以第二个问题最为现实和迫切。资源建设虽然被列为教育部重点建设项目已多年，但仍然存在一方面网上多面体教学资源不足而另一方面是众多的多面体教学资源无法上网的突出矛盾。笔者认为，应用当前已成熟的流媒体技术解决这一矛盾将是一个重要的方向。
笔者在以下几个方面作了一些尝试，取得了一定的教学成果。
1、Real流式文件是采用Real Producer软件工具进行制作的，先把源文件或实时输入进行压缩编码（encoder）变成流媒体，再把流媒体传输到服务器上供用户点播。
由于Real流式系统运行过程中能自动并持续地调整数据流的流量以适应实际应用各种不同网络带宽的需求，其技术性能稳定，大量的影视、音乐点播节目等深受用户欢迎。
比如，为解决各专业师资力量不足的矛盾，我们曾在中央电大、新疆电大和其它院校购置了很多教学录像带及VCD，建立了音像播放室，配置了放像机和VCDJ机。但在实践的过程中出现了很多问题。为避免这些媒体资源的损坏，我们一般是不向学生个人借阅让其带走的，只让学生在音像播放室内播放收看。本来安排只播放法学专业的课程，可有的学生在同一时间要收看其它专业的课程，即便是同一专业的学生，也提出要播放同专业另一课程的教学内容。如果拒绝学生提出的不同要求，这又和开放教育自主学习的原则相违背。所以，如何将这些资源搬到网上，供学生自由点播，便成了我们急需解决的问题。
为解决这一难题，笔者对适合Real流式文件网上传输开始了研究。在研究的基础上，最终解决了这个矛盾，即将录像及VCD中的教学内容放到网上，建立了视频点播服务器。现在，学生只要通过Intranet登陆到我们的教学平台上，取得用户授权，就可以自由选择个人需要的课程。这一研究成果受到了学生的普遍赞赏。同时，因为有了这一成果，使学校对购置音像教材、解决师资力量不足、为学生提供有效的学习支持服务等方面充满了信息，产生了积极的影响。
2、Windows Media Technology我们现在制作的网络远程教学课件主要采用的是这一技术。Media Encode的主要任务是对模拟的音频视频信号进行编码产生ASF（advancer streaming format）文件。在编码过程中需要声卡的支持。首先在机器上安装Media Encoder工具，并启动该软件，选择自定义设置，点击“OK”，在出现的对话框中有两个选项livesource选项和avi/waw/mp3选项，livesource选项可以进行现场直播，avi/wav/mp3选项可以将现有的avi文件、way文件进行压缩处理asf文件。制作课件时可以根据需要选择livesource选项或avi/mav/mp3选项，接着按操作程序提示选择输出的文件名及存储路径、文件输出的带宽、视音频压缩的编码。在音频框中的Cod栏里选择Windows Me—dia Audio V2在视频框中的Cod栏里选择Microsoft Mpeg 4 Codec  V3。ASF文件就初步制作出来了。
Media Author的用途是将录制好的音频信息和图片等媒体信息编辑成一个单一的ASF流，使老师上课时的录音和多张在上课时展示的图片，在播放器播放该ASF文件时，实现自动切换。
Windows Media Technology是对ASF文件进行编辑管理的工具，给ASF流增加流的名称（Title）、描述（Description）、作者（Author）、版权（Copyght）、速率（Rating）等信息。ASFIndexer一个非常重要的功能是在ASF流中添加标记（Marker）和描述（Script）。将教师的powerpoint讲义按需要的尺寸制作成网页添加在制作好的ASF流中，做标记（Marker），类型为URL，播放器播放该ASF文件时，当播放位置到达了网页Script所指定的时刻时，播放器会自动地启动Intemet的浏览器并连接到指定的网页Script，同时视频窗口会显示相应的录像片段。
采用流式技术将再现传统教学中教师的讲解和对课程的说明场景，同时增加了黑板功能的Power Point讲稿，以及针对这些内容的索引标题区域，可以根据需要自由切换学习的课程章节。由于支持流式技术的多媒体文件不需要全部下载就能观看，点播延时大大缩短，不需要很大的缓冲区，对网络宽带的要求下降。流式技术采用较高效的压缩编码如MPEG—4 等，提高网络传输视频的质量，即使学员们在离教室很远的地方上课也有身临其境的感觉。
将制作好的教学课件放入服务器指定位置，学习者就可以通过因特网用Windows Media Player进行点播学习。
比如，笔者在这次本科法学专业《商法》课程流媒体课件的处理技术，像声音的采集、图像的制作、网帧结构的设计、后期的合成等等，最终完成了一套可以在网上传输的集视频、声音、讲义文字融为一体的流媒体网络课件。这一研究成果的应用，为我校各专业多媒体课件的开发奠定了一个良好的基础，同时也为我校今后远程教育课程教学模式改革探索出了一条新路。
五、流媒体技术在电大开放教育中的发展前景
①开发视频、音频、动画等多媒体教学资源，充实开放教育学科多媒体教学资源的学科协作与学习试验研究；
②用流媒体技术制作远程教育视频点播和音频点播资源库，供网络在线点播；
③实现教学视频、音频在线直播；
④实现教学视频的仿真在线直播；
⑤开发在线式多媒体交互型课件
流媒体技术的应用在电大远程开放教育中大大丰富了教学课件的内容和展现形式，但也存在一些不足。目前，网络多媒体应用虽然出现可许多解决方案，但由于网络本身的速度太慢，而且网络中最常见的WWW浏览在最初是为文字链接而设计的，所以多媒体的表现并不是十分完美。比如影音媒体信息失真太大，查看多媒体信息还需要安装指定的播放插件等。虽然Windows Media最低支持20K/S的传输速度，但对Internet用户来讲，往往达不到要求。目前可行的应用环境是Internet。但是网络的多媒体化趋势是不可逆转的，相信在很短的时间里，随着Internet速度的提高，流媒体技术必将获得更加普遍的应用。流媒体技术一定能在电大开放教育网络这片新天地里找到更大的发挥空间。
六、结束语
配合网络技术、多媒体技术、流媒体技术的电大远程开放教育代表着教育技术的方向和未来。在远程教育的不断发展过程中、流媒体技术的加入无疑会为这一领域注入生机和活力。在不断学习和研究的基础上，我们需要开发出各种适于电大远程教育的网络多媒体教学资源和网络课程，从而进一步推动基于网络教学环境的新型教学模式的改革与发展。
参考文献：
[1]梁晋.Windows流媒体技术与远程教育设计[J].小型计算机系统,2000,(10).
[2]顾君忠.现代远程教育技术和CSCL[J].CBE学会论文专辑,2000.