Windows Media Service及其在現代遠程教育系統中的應用 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上實現包括音頻、視頻信息在內的多媒體流信息的傳輸。 雖然目前有很多技術均可以在Internet或Intranet上發布多媒體信息，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，然后在利用瀏覽器中的播放器插件或專門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，而多媒體信息的數據量通常都很大，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，由于必須將節目下載到本地計算機后才能播放，這必然占用本地計算機的存儲資源。比如，一個1分鐘的MPEG1 視頻節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，目前網上的節目通常都是很短的片段，不可能持續很長的時間。Media Service的出現使這種情況發生了很大的變化。Media Service采用先進的流技術解決了流信息在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既支持流信息的點播功能，也支持流信息的組播功能。 Media Player是客戶端的播放應用程序，它負責流信息的播放，目前Media Player已經集成在IE5.0中，是標準插件。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在遠程教育系統中的應用來介紹Window Media Service的特點。 一 現代遠程教育 遠程教育(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。從遠程教育的定義可以看出它有下列三方面的內涵: 學生與教師的分離，學生與學生的分離，利用傳播媒體和傳輸系統組織教學。 從技術上講，遠程教育系統是建立在現代傳媒技術基礎上的多媒體應用系統，它通過現代的通信網絡將教師的圖象、聲音和電子教案傳送給學生，也可以根據需要將學生的圖象、聲音回送個教師，從而模擬出學校教育的授課方式；同時還可以利用現有的網絡條件建立虛擬的班級，加強學生之間的交流。 概括地說，遠程教育的優勢在于它突破了時空限制，增加了學習機會，有利于擴大教學規模、提高教學質量、降低教學成本。學習者可以在自己方便的時間，適合的地點，按照自己需要的速度和方式,運用更加豐富的教學資源來進行學習。因此，從發展的眼光看，遠程教育會成為學校教育的補充和擴展，同時會促進學校的教育改革。 鑒于遠程教育的深遠意義，教育部制定了《面向21世紀教育振興行動計劃》，把現代遠程教育工程作為重點工程之一，并提出了發展我國現代遠程教育的16字指導方針：統籌規劃，需求推動，擴大開放，提高質量。 二 北京郵電大學的現代遠程教育 北京郵電大學是教育部確定首批進行遠程教育試點的四所大學之一，目前首批招收的1000名本科生已經開學并正式上課。通過該系統，三省（遼寧省，福建省，廣東省）兩市（北京市，天津市）的學生在本地的多媒體聽課教室就可以聽北京郵電大學開設的全部課程。如果有疑問，他們還可以現場提問，由授課教師現場解答。從技術上說，該系統是一個基于ATM骨干網的雙向、實時、交互式系統。它通過1個主MCU、5個從MCU以及ATM骨干網絡將北京郵電大學的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的多媒體應用系統。 這種實時面授的教學方式可以使有限的資源得到共享，例如，學生可以共享同一位優秀教師的教學，這樣，不僅可以大大減少教師的數量，而且可以獲得最好的教學效果。教師在一地上課，學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點，師生間可以通過語音和圖象進行實時交流，如同坐在同一教室一樣。老師可以及時地根據現場同學的狀態、表情、提問等情況，隨時修正教學內容、方式、進度和重點，從而達到最佳的效果；學生也可以針對老師的講課作出響應，回答老師的問題，或向老師提出問題。 當然，這種教學方式也并不完美的。首先，它雖然在一定程度上打破了教學活動的空間限制，但并未真正突破空間限制。這是因為學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，而不可能根據自己的時間安排隨時隨地進行學習。 為了打破遠程教學系統中的時間和空間限制，我們開始探詢在IP網絡上進行遠程教育的解決方案，希望將該方案做為現有方案的一個輔助方案，為學生學習提供更靈活的學習方式。之所以要在IP網上來進行，主要是因為基于IP的多媒體互連網技術為真正突破時空限制提供了可能。學生可以在任何一臺與Internet相連的PC上搜索到各種學習資料，并根據自己的需要，采用適合自己的學習材料，實現遠距離學習。此外，采用IP技術后，教學過程的各個環節都可通過網絡進行：通過電子郵件可實現傳統教學中的答疑、交作業等，通過基于IP的可視電話可實現師生見面，通過電子白版可布置作業、發布通知，通過視頻點播可以重復聽講，通過網上實時聊天可以開討論會等等。由于基于IP的多媒體教學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，我們有理由相信它必然是未來遠程教學發展的必然方向。 三 利用Windows Media Service 建立遠程教學系統 在IP網上開展遠程教學活動，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據之間的同步。由于音頻、視頻信息的帶寬比較寬，不可能讓學生將所有的節目下載到本地計算機上后再播放，必須要采用先進網絡播放技術來實現邊發送邊播放。此外，由于在教學過程中教師會經常使用電子教案來輔助教學，比如用PowerPoint，而電子教案的展示與音頻、視頻流之間有嚴格的時間同步關系，這就要求在傳輸過程中我們仍然要保持它們之間的同步關系。通過反復比較，我們最終選擇了Microsoft的Windows Media Service來建立基于IP網的遠程教育系統。 整個系統的構成如圖1所示。從圖中可以看到整個系統主要包括三個部分：Media Encoder, Media Server和Media Player。系統的工作過程如下：輸入的視頻和音頻信號將送給MPEG4的編碼器進行編碼，編碼器輸出的節目流既可以存入存儲設備也可以直接送給Media Server，Media Server的主要功能是完成節目流的播出。Media Server播出的節目有三個來源，它可能是保存在存儲設備中的ASF文件，也可以是Encoder實時傳送來的節目，它播出的節目還可以從其它的Media Server上獲取。普通的用戶可以通過LAN或通過無線網絡接入到該系統之中。下面我們對各個部分做簡要的介紹。 圖1 基于Media Service的遠程教學系統框圖 1 Media Encoder Media Encoder是Media Tools提供的工具軟件之一。它的主要任務是對模擬的音頻視頻信號進行編碼產生ASF（advanced streaming format）文件。當然在編碼過程中需要有硬件設備如聲卡、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上也可以用MSBD(Media Streaming Broadcast Distribution)協議發送給Media Server。Media Encoder控制著音視頻流的質量，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速率等均對最終的服務質量有決定性的影響。 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志和描述信息，這些標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據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的計算機與Encoder之間通過可以建立連接，在教學過程中，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發送一個信息，Encoder在接收到該信息后會在編碼產生的流的對應位置做一個時間標記并加入相應的描述信息。用戶在接收到帶有標記的流信息時可以利用這些標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現了音頻視頻流與電子教案數據之間的同步。 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：點播服務(Unicast service)和組播服務(multicast service)。節目流點播是指用戶可以向服務器申請特定節目流的播放。在流點播過程中，每個用戶與服務器之間均要建立單獨的連接，點播的節目也只送給進行點播的用戶，其他的網絡用戶無法接收此點播者點播的節目流。節目流組播是指節目在網絡上組播，所有在網絡上的用戶均可以收到組播的節目流。 由于在節目流點播過程中，每增加一個用戶就需要增加一個連接，所以系統允許并發訪問的用戶數要受網絡帶寬和服務器性能的雙重限制。但在點播方式中，學生可以自由點播自己感興趣的節目，并根據自己的實際情況隨時隨地地進行學習，同時學生在點播過程中可以對點播的節目進行控制。比如控制節目的播放、暫停、停止、前進、后退，并可以跳過自己不感興趣的部分。節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目流，所以網絡負擔比較輕，但在組播方式中學生只能被動地聽課，也不能選擇聽課的時間；在聽課過程中也不能對節目流進行控制。此外，組播方式能否實現還與網絡中路由器的配置有關系，很多的路由器在配置時均不允許組播方式的IP包通過以減少網絡流量。 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中也設立一個Media Server，該Media Server可以以一個普通點播用戶的方式通過MMS（Microsoft Media Service）協議點播LAN1中Media Server上的節目，然后將該節目在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中播出的節目。這個功能的實現要歸功于Media Server強大的服務能力。 前面我們提到Media Server的的任務是完成流的播放。Media Server既可以播放經過制作的流文件，也可以直接播放從Encoder發送來的實時流。從播放方式上說既支持點播也支持組播，在對流進行組播的同時也支持點播。也就是說同一個流在進行組播的同時，用戶也可以進行點播，這樣不能接收組播的用戶就可以通過點播方式來接收流，只不過在這種情況下用戶不能象真正意義上的點播一樣對播放的流進行自由控制，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實現LAN中的Multicast 3 Media Player 媒體播放器是客戶端的應用程序，其功能是從網絡上接收流并進行播放。Media Service的播放器目前已經集成在IE5.0中，是一個標準的插件。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網絡在尚不能保證QOS，IP包通過網絡后的時延和時延抖動比較大，同時IP包還可能丟失。這樣在編碼端連續的數據流通過網絡后很可能就不是連續的數據流，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絡帶來的時延抖動，并需要在音頻、視頻的解碼算法上做相應的處理防止因IP包丟失而對圖象和聲音質量產生明顯的影響。 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應用在基于IP網絡的遠程教學系統的解決方案。目前我們利用Microsoft的Media Service建立的遠程教學系統已經在校園網內試運行，該系統能在教師上課時將上課的全過程在校園網上播出，真正實現了網上課堂的功能。與此同時，該系統還能將現場播出的流信息保存到服務器上去，經過簡單的后期制作后供學生點播使用。我們還將結合IP網上目前已有的BBS，E-mail功能為學生提供問題討論答疑，作業的布置與批改等功能，所有這些基于IP的技術結合在一起以提供完整的基于IP網絡的遠程教學方案。