Windows Media Service及其在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中的應(yīng)用 Windows Media Service是Microsoft提出的流信息播放方案，其主要目的是在Internet和Intranet上實(shí)現(xiàn)包括音頻、視頻信息在內(nèi)的多媒體流信息的傳輸。 雖然目前有很多技術(shù)均可以在Internet或Intranet上發(fā)布多媒體信息，但它們通常均要求終端用戶將多媒體信息下載到本地的計算機(jī)，然后在利用瀏覽器中的播放器插件或?qū)ｉT的媒體播放器來播放。這種方法雖然使Internet上多媒體信息的傳輸成為可能，但它也帶來了兩個突出的問題。首先，由于必須下載多媒體信息，而多媒體信息的數(shù)據(jù)量通常都很大，在目前普通用戶接入速率較低的情況下，一個很短的視頻片段可能都需要很長的下載時間。其次，由于必須將節(jié)目下載到本地計算機(jī)后才能播放，這必然占用本地計算機(jī)的存儲資源。比如，一個1分鐘的MPEG1 視頻節(jié)目所需的存儲空間約為12M，如果用戶使用28.8Kbps的Modem接入，那么要下載這個節(jié)目至少需要50分鐘。如此長的下栽時間對普通用戶來說是難以忍受的。正因為如此，目前網(wǎng)上的節(jié)目通常都是很短的片段，不可能持續(xù)很長的時間。Media Service的出現(xiàn)使這種情況發(fā)生了很大的變化。Media Service采用先進(jìn)的流技術(shù)解決了流信息在Internet和Intranet上的傳輸問題。 總的來說，Media Service是有一系列的工具構(gòu)成，主要包括包括Media Tools, Media Server和Media Player三個部分組成。Media Tools提供一系列的流處理工具，它們完成流信息的生成，編輯等功能。Media Tools的主要功能是完成流信息的播放，Media Server既支持流信息的點(diǎn)播功能，也支持流信息的組播功能。 Media Player是客戶端的播放應(yīng)用程序，它負(fù)責(zé)流信息的播放，目前Media Player已經(jīng)集成在IE5.0中，是標(biāo)準(zhǔn)插件。如果用戶使用其它版本的瀏覽器則需要安裝該播放器以接收并播放流信息。 下面我們將通過Windows Media Service在遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)中的應(yīng)用來介紹Window Media Service的特點(diǎn)。 一 現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 遠(yuǎn)程教育(Distance Education or Distance Learning)是任何一種師生分離的,不能面對面組織的教學(xué)。從遠(yuǎn)程教育的定義可以看出它有下列三方面的內(nèi)涵: 學(xué)生與教師的分離，學(xué)生與學(xué)生的分離，利用傳播媒體和傳輸系統(tǒng)組織教學(xué)。 從技術(shù)上講，遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)是建立在現(xiàn)代傳媒技術(shù)基礎(chǔ)上的多媒體應(yīng)用系統(tǒng)，它通過現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡(luò)將教師的圖象、聲音和電子教案傳送給學(xué)生，也可以根據(jù)需要將學(xué)生的圖象、聲音回送個教師，從而模擬出學(xué)校教育的授課方式；同時還可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)條件建立虛擬的班級，加強(qiáng)學(xué)生之間的交流。 概括地說，遠(yuǎn)程教育的優(yōu)勢在于它突破了時空限制，增加了學(xué)習(xí)機(jī)會，有利于擴(kuò)大教學(xué)規(guī)模、提高教學(xué)質(zhì)量、降低教學(xué)成本。學(xué)習(xí)者可以在自己方便的時間，適合的地點(diǎn)，按照自己需要的速度和方式,運(yùn)用更加豐富的教學(xué)資源來進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，從發(fā)展的眼光看，遠(yuǎn)程教育會成為學(xué)校教育的補(bǔ)充和擴(kuò)展，同時會促進(jìn)學(xué)校的教育改革。 鑒于遠(yuǎn)程教育的深遠(yuǎn)意義，教育部制定了《面向21世紀(jì)教育振興行動計劃》，把現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程作為重點(diǎn)工程之一，并提出了發(fā)展我國現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育的16字指導(dǎo)方針：統(tǒng)籌規(guī)劃，需求推動，擴(kuò)大開放，提高質(zhì)量。 二 北京郵電大學(xué)的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 北京郵電大學(xué)是教育部確定首批進(jìn)行遠(yuǎn)程教育試點(diǎn)的四所大學(xué)之一，目前首批招收的1000名本科生已經(jīng)開學(xué)并正式上課。通過該系統(tǒng)，三省（遼寧省，福建省，廣東省）兩市（北京市，天津市）的學(xué)生在本地的多媒體聽課教室就可以聽北京郵電大學(xué)開設(shè)的全部課程。如果有疑問，他們還可以現(xiàn)場提問，由授課教師現(xiàn)場解答。從技術(shù)上說，該系統(tǒng)是一個基于ATM骨干網(wǎng)的雙向、實(shí)時、交互式系統(tǒng)。它通過1個主MCU、5個從MCU以及ATM骨干網(wǎng)絡(luò)將北京郵電大學(xué)的5個授課教室和在三省兩市建立的31個多媒體教室連接起來，形成一個類似于會議電視系統(tǒng)的多媒體應(yīng)用系統(tǒng)。 這種實(shí)時面授的教學(xué)方式可以使有限的資源得到共享，例如，學(xué)生可以共享同一位優(yōu)秀教師的教學(xué)，這樣，不僅可以大大減少教師的數(shù)量，而且可以獲得最好的教學(xué)效果。教師在一地上課，學(xué)生在多個異地教室聽課，這在一定程度上解決了時空限制的問題。同時，這種方式也繼承了日校面授教育的許多優(yōu)點(diǎn)，師生間可以通過語音和圖象進(jìn)行實(shí)時交流，如同坐在同一教室一樣。老師可以及時地根據(jù)現(xiàn)場同學(xué)的狀態(tài)、表情、提問等情況，隨時修正教學(xué)內(nèi)容、方式、進(jìn)度和重點(diǎn)，從而達(dá)到最佳的效果；學(xué)生也可以針對老師的講課作出響應(yīng)，回答老師的問題，或向老師提出問題。 當(dāng)然，這種教學(xué)方式也并不完美的。首先，它雖然在一定程度上打破了教學(xué)活動的空間限制，但并未真正突破空間限制。這是因為學(xué)生仍然需要到多媒體聽課教室去聽課。其次，它沒有打破時間的限制。學(xué)生如果要聽課，必須在指定時間到指定的教室才能聽課，而不可能根據(jù)自己的時間安排隨時隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。 為了打破遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的時間和空間限制，我們開始探詢在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行遠(yuǎn)程教育的解決方案，希望將該方案做為現(xiàn)有方案的一個輔助方案，為學(xué)生學(xué)習(xí)提供更靈活的學(xué)習(xí)方式。之所以要在IP網(wǎng)上來進(jìn)行，主要是因為基于IP的多媒體互連網(wǎng)技術(shù)為真正突破時空限制提供了可能。學(xué)生可以在任何一臺與Internet相連的PC上搜索到各種學(xué)習(xí)資料，并根據(jù)自己的需要，采用適合自己的學(xué)習(xí)材料，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離學(xué)習(xí)。此外，采用IP技術(shù)后，教學(xué)過程的各個環(huán)節(jié)都可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行：通過電子郵件可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中的答疑、交作業(yè)等，通過基于IP的可視電話可實(shí)現(xiàn)師生見面，通過電子白版可布置作業(yè)、發(fā)布通知，通過視頻點(diǎn)播可以重復(fù)聽講，通過網(wǎng)上實(shí)時聊天可以開討論會等等。由于基于IP的多媒體教學(xué)能徹底突破時空的限制，提供多形式、多功能、 全方位的教育服務(wù)，我們有理由相信它必然是未來遠(yuǎn)程教學(xué)發(fā)展的必然方向。 三 利用Windows Media Service 建立遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng) 在IP網(wǎng)上開展遠(yuǎn)程教學(xué)活動，需要解決兩個基本問題：音頻、視頻流信息的傳送以及它們與數(shù)據(jù)之間的同步。由于音頻、視頻信息的帶寬比較寬，不可能讓學(xué)生將所有的節(jié)目下載到本地計算機(jī)上后再播放，必須要采用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)播放技術(shù)來實(shí)現(xiàn)邊發(fā)送邊播放。此外，由于在教學(xué)過程中教師會經(jīng)常使用電子教案來輔助教學(xué)，比如用PowerPoint，而電子教案的展示與音頻、視頻流之間有嚴(yán)格的時間同步關(guān)系，這就要求在傳輸過程中我們?nèi)匀灰３炙鼈冎g的同步關(guān)系。通過反復(fù)比較，我們最終選擇了Microsoft的Windows Media Service來建立基于IP網(wǎng)的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)。 整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。從圖中可以看到整個系統(tǒng)主要包括三個部分：Media Encoder, Media Server和Media Player。系統(tǒng)的工作過程如下：輸入的視頻和音頻信號將送給MPEG4的編碼器進(jìn)行編碼，編碼器輸出的節(jié)目流既可以存入存儲設(shè)備也可以直接送給Media Server，Media Server的主要功能是完成節(jié)目流的播出。Media Server播出的節(jié)目有三個來源，它可能是保存在存儲設(shè)備中的ASF文件，也可以是Encoder實(shí)時傳送來的節(jié)目，它播出的節(jié)目還可以從其它的Media Server上獲取。普通的用戶可以通過LAN或通過無線網(wǎng)絡(luò)接入到該系統(tǒng)之中。下面我們對各個部分做簡要的介紹。 圖1 基于Media Service的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)框圖 1 Media Encoder Media Encoder是Media Tools提供的工具軟件之一。它的主要任務(wù)是對模擬的音頻視頻信號進(jìn)行編碼產(chǎn)生ASF（advanced streaming format）文件。當(dāng)然在編碼過程中需要有硬件設(shè)備如聲卡、圖象采集卡的支持。編碼后形成的音視頻流既可以保存到本地計算機(jī)上也可以用MSBD(Media Streaming Broadcast Distribution)協(xié)議發(fā)送給Media Server。Media Encoder控制著音視頻流的質(zhì)量，選擇什么樣的音頻編算法、何種視頻壓縮算法，以及壓縮編碼輸出的目標(biāo)速率等均對最終的服務(wù)質(zhì)量有決定性的影響。 除了Encoder，Media Tools還提供了ASF文件的編輯工具ASF Indexer，利用該工具可以在流中加入標(biāo)志和描述信息，這些標(biāo)志和描述信息在保證音視頻流與電子教案之間的同步方面有非常重要的作用。 Encoder的另一個重要功能是為音頻視頻流與電子教案等數(shù)據(jù)信息之間的同步提供了接口。圖2給出了如何讓PowerPoint與音頻視頻流保持同步的示意圖。從圖中可以看出：播放PowerPoint的計算機(jī)與Encoder之間通過可以建立連接，在教學(xué)過程中，如果教師在某個時刻播放了PowerPoint文檔中的某一張幻燈片，PowerPoint會向Encoder發(fā)送一個信息，Encoder在接收到該信息后會在編碼產(chǎn)生的流的對應(yīng)位置做一個時間標(biāo)記并加入相應(yīng)的描述信息。用戶在接收到帶有標(biāo)記的流信息時可以利用這些標(biāo)記和描述信息來控制每張幻燈片展示的時間和切換時間。Media Service正是通過這種方法才實(shí)現(xiàn)了音頻視頻流與電子教案數(shù)據(jù)之間的同步。 圖2 電子教案與音頻視頻流之間的同步 2 Media Server Media Server是Media Service的核心，它的主要功能是完成流信息的播放。Media Server可以向用戶提供兩種流播放服務(wù)：點(diǎn)播服務(wù)(Unicast service)和組播服務(wù)(multicast service)。節(jié)目流點(diǎn)播是指用戶可以向服務(wù)器申請?zhí)囟ü?jié)目流的播放。在流點(diǎn)播過程中，每個用戶與服務(wù)器之間均要建立單獨(dú)的連接，點(diǎn)播的節(jié)目也只送給進(jìn)行點(diǎn)播的用戶，其他的網(wǎng)絡(luò)用戶無法接收此點(diǎn)播者點(diǎn)播的節(jié)目流。節(jié)目流組播是指節(jié)目在網(wǎng)絡(luò)上組播，所有在網(wǎng)絡(luò)上的用戶均可以收到組播的節(jié)目流。 由于在節(jié)目流點(diǎn)播過程中，每增加一個用戶就需要增加一個連接，所以系統(tǒng)允許并發(fā)訪問的用戶數(shù)要受網(wǎng)絡(luò)帶寬和服務(wù)器性能的雙重限制。但在點(diǎn)播方式中，學(xué)生可以自由點(diǎn)播自己感興趣的節(jié)目，并根據(jù)自己的實(shí)際情況隨時隨地地進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時學(xué)生在點(diǎn)播過程中可以對點(diǎn)播的節(jié)目進(jìn)行控制。比如控制節(jié)目的播放、暫停、停止、前進(jìn)、后退，并可以跳過自己不感興趣的部分。節(jié)目流的組播方式則完全不同，在組播過程中只需要播出一個節(jié)目流，所以網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)比較輕，但在組播方式中學(xué)生只能被動地聽課，也不能選擇聽課的時間；在聽課過程中也不能對節(jié)目流進(jìn)行控制。此外，組播方式能否實(shí)現(xiàn)還與網(wǎng)絡(luò)中路由器的配置有關(guān)系，很多的路由器在配置時均不允許組播方式的IP包通過以減少網(wǎng)絡(luò)流量。 為了解決路由器對流組播的限制，可以采用圖3所示的方式。在圖中LAN1和LAN2之間由于由路由器的阻隔，LAN2中的客戶接收不到在LAN1的播出的流。為了解決這個問題，可以在LAN2中也設(shè)立一個Media Server，該Media Server可以以一個普通點(diǎn)播用戶的方式通過MMS（Microsoft Media Service）協(xié)議點(diǎn)播LAN1中Media Server上的節(jié)目，然后將該節(jié)目在LAN中播出，這樣LAN2中的用戶就能同LAN1中的用戶一樣接收到LAN1中播出的節(jié)目。這個功能的實(shí)現(xiàn)要?dú)w功于Media Server強(qiáng)大的服務(wù)能力。 前面我們提到Media Server的的任務(wù)是完成流的播放。Media Server既可以播放經(jīng)過制作的流文件，也可以直接播放從Encoder發(fā)送來的實(shí)時流。從播放方式上說既支持點(diǎn)播也支持組播，在對流進(jìn)行組播的同時也支持點(diǎn)播。也就是說同一個流在進(jìn)行組播的同時，用戶也可以進(jìn)行點(diǎn)播，這樣不能接收組播的用戶就可以通過點(diǎn)播方式來接收流，只不過在這種情況下用戶不能象真正意義上的點(diǎn)播一樣對播放的流進(jìn)行自由控制，他只能向一個普通的組播用戶一樣接收流。 圖3 利用多個Media Server實(shí)現(xiàn)LAN中的Multicast 3 Media Player 媒體播放器是客戶端的應(yīng)用程序，其功能是從網(wǎng)絡(luò)上接收流并進(jìn)行播放。Media Service的播放器目前已經(jīng)集成在IE5.0中，是一個標(biāo)準(zhǔn)的插件。對于低版本的IE瀏覽器或Netscape則需要安裝該插件才能播放流信息。由于在Media Service中流信息的播放是邊接收邊播放，這對播放器提出了特殊的要求。這是因為目前的IP網(wǎng)絡(luò)在尚不能保證QOS，IP包通過網(wǎng)絡(luò)后的時延和時延抖動比較大，同時IP包還可能丟失。這樣在編碼端連續(xù)的數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)后很可能就不是連續(xù)的數(shù)據(jù)流，這種情況在Multicast方式下會更加突出。為了能順利的播放流，播放器必須要對接收到的流做一定的緩沖抵消網(wǎng)絡(luò)帶來的時延抖動，并需要在音頻、視頻的解碼算法上做相應(yīng)的處理防止因IP包丟失而對圖象和聲音質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。 上面我們對Media Service的各個主要部分做了簡單的介紹，并介紹了如何將Media Service應(yīng)用在基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的解決方案。目前我們利用Microsoft的Media Service建立的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)在校園網(wǎng)內(nèi)試運(yùn)行，該系統(tǒng)能在教師上課時將上課的全過程在校園網(wǎng)上播出，真正實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上課堂的功能。與此同時，該系統(tǒng)還能將現(xiàn)場播出的流信息保存到服務(wù)器上去，經(jīng)過簡單的后期制作后供學(xué)生點(diǎn)播使用。我們還將結(jié)合IP網(wǎng)上目前已有的BBS，E-mail功能為學(xué)生提供問題討論答疑，作業(yè)的布置與批改等功能，所有這些基于IP的技術(shù)結(jié)合在一起以提供完整的基于IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程教學(xué)方案。