【流媒体技术在《数据结构》精品课程中的应用】 苏州大学应用技术学院专转本

　　摘要：《数据结构》精品课程的教学资源在不断丰富，如何让更多学生更便利的使用到这些资源是课程发展的关键。流媒体技术的应用使大容量视频音频文件在网络中的实时传输成为可能。介绍了流媒体技术的工作原理，阐述了流媒体技术在《数据结构》精品课程项目中的几种应用方向。
　　关键词：流媒体；数据结构；流式传输；视频；音频
　　中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)18-4442-02
　　Applications of Streaming Media Technology in the Qualified Course in Data Structure
　　LIU Ran，BU Hui
　　(School of Software，North China University of Water Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450008, China)
　　Abstract: Data structure qualified teaching resources has been enriched constantly. It is key point for developing the courses is that how to make more students use these resources more conveniently. The application of streaming media technology makes real time transmission of high-capacity video and audio files on internet possible. The thesis introduced the work principle of streaming media technology, and stated several applications of streaming media technology in Data structure.
　　Key word: streaming media; data structure; stream transmission; video; audio
　　《数据结构》是计算机科学与技术专业一门重要的专业基础课程。该课程是设计与实现编译程序，操作系统，数据库系统及其它系统程序和大型应用程序的重要基础，是介于数学、计算机软件、硬件之间的一门关键性的核心课程。《数据结构》课程在华北水利水电学院计算机专业的开设历史长达20年之久，2007年该课程被确立为“校级精品课程”，2010年该课程被确立为“省级精品课程”。在精品课程建设期间，课程组制作了丰富的教学资料和立体化的教学资源，建设了课程网站，实现了网络课程、在线测试、网上答疑等功能。
　　随着互联网的普及，精品课程中对利用网络传输声音与视频信号的需求也越来越大，为了顺应现代教育技术发展的趋势，在线实时授课、教学视频点播、视频实时交互等技术手段将在数据结构课程的教学中得到广泛的应用，流媒体作为一种与网络紧密相连的技术应该被越来越多的应用于精品课程的建设中。
　　 1流媒体技术简介
　　流媒体(Streaming Media)指在网络上按时间先后次序传输和播放的连续音频及视频数据流。传统的网络传输音频视频等多媒体信息的方式是先将多媒体文件完全下载后再播放，众所周知，在保证音频视频文件的质量的情况下这类文件所占存储空间一般都十分庞大。在国内这种网络带宽还很有限的情况下，下载常常要花数十分钟甚至数小时。而采用流媒体技术，就可实现流式传输，将音频视频文件由服务器向用户计算机进行连续、不间断传送，用户不必等到整个文件全部下载完毕，而只需经过几秒或十几秒的启动延时即可进行观看。当音频视频等在用户端播放时，文件的剩余部分还会从网络服务器上继续下载。这样就实现了边下载边播放的模式，使音频视频在网络中传输变得容易。
　　 2流媒体技术的工作过程及原理
　　流媒体技术是一种使用流式传输连续的时基媒体的技术。流式传输方式是将音频视频等媒体按特定编码压缩为若干个压缩包，由网络服务器向客户端计算机连续、实时传送，只需要在客户端缓存足够可播放的视频容量就可以开始播放。各个压缩包在传输中经由不同的路径，所以到客户端的时滞也不同，先发出的数据包并不一定先到，这就要求数据流具有严格的前后时序关系。所以流媒体数据流具有三个特点：连续性 (Continuous)、实时性(Real - time)、时序性。
　　2.1流媒体系统构成
　　通常流媒体系统是由压缩编码工具、流媒体数据、网络、服务器、客户端播放器这几部分组成。其中，压缩编码工具用于创建和编辑音频视频文件使之成为流媒体格式；流媒体数据是压缩编码后的媒体信息载体，常用格式有ASF、RM、MOV、SWF等；网络是适
　　合流媒体数据传输的协议支持平台；服务器用于存储和管理流媒体数据；播放器则是提供用户观看流媒体文件的解码器。
　　2.2实现流媒体流式传输的方法
　　流媒体传输方式有顺序流式传输和实时流式传输。顺序流式传输的原理是严格按流媒体文件的时序先后进行顺序下载，经过一段时间的延时传输后，用户可以边下载边播放，也就是说用户观看的内容与服务器上的传输并不是同步进行的，用户看到的内容总是和服务器传输的信息有一个时间差。在下载过程中，用户只能观看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的部分。顺序流式传输对网络的速度和可靠性要求相对较低，比较适合传输高质量的短片段，可以较好地保证节目播放的最终质量。适合于视频点播类网站的使用。在实时流式传输中，传输的内容是根据用户的要求来选择的，用户可以实时观看到自己想要看的部分。在观看过程中用户可以通过控制播放来向前或向后观看自己想看的内容，需要等待下载的时间比较少，但是这种传输方式对网络的传输速度和可靠性要求很高，如果网络传输状况不理想，则播放效果会比较差，这种方式比较适合用于实时视频教学或网络直播节目。
　　2.3流媒体的播放方式
　　流媒体的播放有点播、组播及广播几种方式。其中点播方式是客户端向服务器端发请求，请求得到批准后在客户端和服务器端间建立连接，这样可以实现视频点播。组播方式是利用IP组播技术组建能够组播的网络，服务器与客户端之间建立多个通道，传输时服务器端一次将数据包发给组播网络中的多个客户端，这种方式有效提高了网络使用效率。广播是服务器端无目的的将信息发送给网络中的所有客户端，客户端根据需要来被动地接收信息，这种方式对网络带宽的要求比较低，但是传输数据的效率较低，安全性也差。
　　2.4流媒体的工作原理
　　流媒体工作原理如下：通常网络中的客户端浏览器和服务器之间是通过HTTP/TCP协议来传输控制信息的。用户首先在客户端利用WEB浏览器选择要使用的流媒体服务，然后利用HTTP/TCP协议与服务器交换控制信息，把将要传输的数据提取出来，这时客户端的WEB浏览器启动流媒体客户端程序，利用WEB浏览器从相应的服务器上提取出来的相关信息参数对用户的客户端程序初始化。这些相关信息参数可能包括A/V数据的编码类型，与A/V提取信息相关的服务器地址和目录表数据。在传输过程中，由于TCP或FTP传输协议都不能实现实时方式的传输，所以目前比较成熟的流媒体传输一般都是采用建立在UDP协议上的RTP/RTSP协议(实时流控制协议)。服务器和客户端通过运行RTSP协议交换了流媒体传输必需的相关控制信息，并提供了操作播放、暂停、快进、倒退和录制等命令的动作行为。服务器使用RTP/UDP协议将流数据传输给用户的客户端程序，当流媒体数据传送到客户端，就可以通过相关客户端程序播放。传输中通过RTP/UDP协议和RTP/TCP协议两种协议与服务器联系。要实现上述操作，服务器端需要有专用的控制软件，而在客户端上需要用专用的解码播放软件。
　　 3流媒体技术在《数据结构》精品课程中的应用
　　3.1网络实时视频教学
　　传统的《数据结构》教学模式是老师和学生集中在课堂上进行面对面的教学，这种教学模式对地域限制比较严格。如果在网络带宽有保证的前提下，利用校园网络以及流媒体技术，网络实时视频教学成为充分利用校园网络用于教学的一种手段。在这种教学模式下老师和学生的授课可以不在同一个地点，老师和学生只需利用接入校园网的电脑就可进行教学和学习。在网络实时视频教学过程中，需要将老师授课的信息传递到校园网中的学生电脑端，传输的信息包括视频、音频、文本、图片以及教学资料等。利用流媒体压缩技术将这些视频音频进行实时编码打包，然后利用流式传输技术将这些数据利用校园网从教师端传递到学生端，并将这些信息资料有效地组织起来以达到更好的教学效果。在这种模式下，老师的授课方法基本与传统的授课方法相同，只是授课对象由一群学生变成了一台摄像机。这种网络实时视频教学方式的优点是：可以使有限的资源得到充分的利用，例如，以前采用教室集中授课模式时，由于教室空间所限优秀教师的资源只能被部分学生享用，而采用实时视频教学模式后，可以实现异地教学，教师在一地上课，学生在多个异地教室听课，甚至在宿舍或外地也可以听到这位老师的讲授，这在一定程度上解决了时空限制的问题。另外，《数据结构》这门课的逻辑性和交互性很强，在实时视频教学模式下，师生间可以通过一些必要的设备进行语音和视频的实时交流，如身处一间教室一样。老师可以及时地网络上同学的反馈情况来随时修正教学内容、方式、进度和重点，从而达到最佳的效果；学生也可以利用网络设备实时回答老师的问提，或向老师提出问题。
　　3.2教学视频点播
　　《数据结构》课程内容较多，一般来说高校中每门课程的教学学时是有限的，这样必然会出现有些内容老师在课堂上讲不完或者不能完全展开讲的情况。此外由于学生的接受水平有差异，某些学生可能会出现在课堂上不能完全听懂的情况，因此课外教学就显得非常重要了。老师可以将自己上课时的讲课内容或上课时不能完全讲授的内容制作成视频文件放在《数据结构》精品课程相关网站上，学生通过访问网页，可以自行选择学习内容，不受时间地点的限制，并且可以自行控制视频的播放过程。这种方式可大大提高教学效率，充分利用教学资源。但是教学中用到的视频文件通常是体积庞大的，下载需要很长的时间，这样就限制了学生课外学习的便利性。利用流媒体技术中的视频点播技术，可以方便实现课外教学。老师可以将经过流媒体技术编码过的教学视频音频文件放到流媒体服务器上，制作视频点播的相关内容网页。与传统的视频文件不同，流媒体文件可以实现边下载边播放。从而解决了学生等待文件下载时间过长的问题。客户端采用浏览器方式进行点播，基本无需维护。而且利用教学视频点播模式可以限制视频文件的下载，保护视频作者的版权权益。
　　 3.3视频实时交互
　　《数据结构》课程知识点繁多，逻辑性极强，学生对课下答疑的需求也是非常迫切的。但是由于老师的工作时间和地点的限制，不可能随时随地的满足学生的答疑要求。如何解决这个问题呢，视频实时交互是个不错的方法。采用流媒体格式传输影音，进行视频在线交互是比较方便的，这样可以利用现有的校园网，不会增加过多成本。流媒体技术的使用可以进行点对点的通信，只要有一台接入校园网并连接了摄像头的电脑，就可以和校园网中的其它电脑进行音频、视频的通信。而且随着移动流媒体技术的发展和3G通信网络的完善，使用3G智能手机进行视频实时交互也变得越来越容易了。老师可以利用上述手段与学生建立视频的实时交互，使课下答疑不再受时间和空间的限制，也可以更好的巩固学生的学习效果。
　　 4结束语
　　《数据结构》课程在计算机专业课程中的重要地位不言而喻，建设精品课程的目的就是将优秀的教育资源整合起来，使学生在学习过程中得到丰富的课内和课外资源。流媒体技术的应用和互联网络的完善，使更多学生使用这些优秀的教育资源成为可能。全国各个高校的计算机专业都开设有《数据结构》课程，如果大家能积极的制作和提供相关的流媒体资源，建成一个丰富的流媒体资源库，必然会给学生在学习《数据结构》课程时提供更多的帮助。
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