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Windows Media Service及其在现代远程教育系统中的应用
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上实现包括音频、视频信息在内的多媒体流信息的传输。
虽然目前有很多技术均可以在Internet或Intranet上发布多媒体信息，但它们通常均要求终端用户将多媒体信息下载到本地的计算机，然后在利用浏览器中的播放器插件或专门的媒体播放器来播放。这种方法虽然使Internet上多媒体信息的传输成为可能，但它也带来了两个突出的问题。首先，由于必须下载多媒体信息，而多媒体信息的数据量通常都很大，在目前普通用户接入速率较低的情况下，一个很短的视频片段可能都需要很长的下载时间。其次，由于必须将节目下载到本地计算机后才能播放，这必然占用本地计算机的存储资源。比如，一个1分钟的MPEG1 视频节目所需的存储空间约为12M，如果用户使用28.8Kbps的Modem接入，那么要下载这个节目至少需要50分钟。如此长的下栽时间对普通用户来说是难以忍受的。正因为如此，目前网上的节目通常都是很短的片段，不可能持续很长的时间。Media Service的出现使这种情况发生了很大的变化。Media Service采用先进的流技术解决了流信息在Internet和Intranet上的传输问题。
总的来说，Media Service是有一系列的工具构成，主要包括包括Media Tools, Media Server和Media Player三个部分组成。Media Tools提供一系列的流处理工具，它们完成流信息的生成，编辑等功能。Media Tools的主要功能是完成流信息的播放，Media Server既支持流信息的点播功能，也支持流信息的组播功能。 Media Player是客户端的播放应用程序，它负责流信息的播放，目前Media Player已经集成在IE5.0中，是标准插件。如果用户使用其它版本的浏览器则需要安装该播放器以接收并播放流信息。
下面我们将通过Windows Media Service在远程教育系统中的应用来介绍Window Media Service的特点。
一 现代远程教育
远程教育(Distance Education or Distance Learning)是任何一种师生分离的,不能面对面组织的教学。从远程教育的定义可以看出它有下列三方面的内涵: 学生与教师的分离，学生与学生的分离，利用传播媒体和传输系统组织教学。
从技术上讲，远程教育系统是建立在现代传媒技术基础上的多媒体应用系统，它通过现代的通信网络将教师的图象、声音和电子教案传送给学生，也可以根据需要将学生的图象、声音回送个教师，从而模拟出学校教育的授课方式；同时还可以利用现有的网络条件建立虚拟的班级，加强学生之间的交流。
概括地说，远程教育的优势在于它突破了时空限制，增加了学习机会，有利于扩大教学规模、提高教学质量、降低教学成本。学习者可以在自己方便的时间，适合的地点，按照自己需要的速度和方式,运用更加丰富的教学资源来进行学习。因此，从发展的眼光看，远程教育会成为学校教育的补充和扩展，同时会促进学校的教育改革。
鉴于远程教育的深远意义，教育部制定了《面向21世纪教育振兴行动计划》，把现代远程教育工程作为重点工程之一，并提出了发展我国现代远程教育的16字指导方针：统筹规划，需求推动，扩大开放，提高质量。
二 北京邮电大学的现代远程教育
北京邮电大学是教育部确定首批进行远程教育试点的四所大学之一，目前首批招收的1000名本科生已经开学并正式上课。通过该系统，三省（辽宁省，福建省，广东省）两市（北京市，天津市）的学生在本地的多媒体听课教室就可以听北京邮电大学开设的全部课程。如果有疑问，他们还可以现场提问，由授课教师现场解答。从技术上说，该系统是一个基于ATM骨干网的双向、实时、交互式系统。它通过1个主MCU、5个从MCU以及ATM骨干网络将北京邮电大学的5个授课教室和在三省两市建立的31个多媒体教室连接起来，形成一个类似于会议电视系统的多媒体应用系统。
这种实时面授的教学方式可以使有限的资源得到共享，例如，学生可以共享同一位优秀教师的教学，这样，不仅可以大大减少教师的数量，而且可以获得最好的教学效果。教师在一地上课，学生在多个异地教室听课，这在一定程度上解决了时空限制的问题。同时，这种方式也继承了日校面授教育的许多优点，师生间可以通过语音和图象进行实时交流，如同坐在同一教室一样。老师可以及时地根据现场同学的状态、表情、提问等情况，随时修正教学内容、方式、进度和重点，从而达到最佳的效果；学生也可以针对老师的讲课作出响应，回答老师的问题，或向老师提出问题。
当然，这种教学方式也并不完美的。首先，它虽然在一定程度上打破了教学活动的空间限制，但并未真正突破空间限制。这是因为学生仍然需要到多媒体听课教室去听课。其次，它没有打破时间的限制。学生如果要听课，必须在指定时间到指定的教室才能听课，而不可能根据自己的时间安排随时随地进行学习。
为了打破远程教学系统中的时间和空间限制，我们开始探询在IP网络上进行远程教育的解决方案，希望将该方案做为现有方案的一个辅助方案，为学生学习提供更灵活的学习方式。之所以要在IP网上来进行，主要是因为基于IP的多媒体互连网技术为真正突破时空限制提供了可能。学生可以在任何一台与Internet相连的PC上搜索到各种学习资料，并根据自己的需要，采用适合自己的学习材料，实现远距离学习。此外，采用IP技术后，教学过程的各个环节都可通过网络进行：通过电子邮件可实现传统教学中的答疑、交作业等，通过基于IP的可视电话可实现师生见面，通过电子白版可布置作业、发布通知，通过视频点播可以重复听讲，通过网上实时聊天可以开讨论会等等。由于基于IP的多媒体教学能彻底突破时空的限制，提供多形式、多功能、 全方位的教育服务，我们有理由相信它必然是未来远程教学发展的必然方向。
三 利用Windows Media Service 建立远程教学系统
在IP网上开展远程教学活动，需要解决两个基本问题：音频、视频流信息的传送以及它们与数据之间的同步。由于音频、视频信息的带宽比较宽，不可能让学生将所有的节目下载到本地计算机上后再播放，必须要采用先进网络播放技术来实现边发送边播放。此外，由于在教学过程中教师会经常使用电子教案来辅助教学，比如用PowerPoint，而电子教案的展示与音频、视频流之间有严格的时间同步关系，这就要求在传输过程中我们仍然要保持它们之间的同步关系。通过反复比较，我们最终选择了Microsoft的Windows Media Service来建立基于IP网的远程教育系统。
整个系统的构成如图1所示。从图中可以看到整个系统主要包括三个部分：Media Encoder, Media Server和Media Player。系统的工作过程如下：输入的视频和音频信号将送给MPEG4的编码器进行编码，编码器输出的节目流既可以存入存储设备也可以直接送给Media Server，Media Server的主要功能是完成节目流的播出。Media Server播出的节目有三个来源，它可能是保存在存储设备中的ASF文件，也可以是Encoder实时传送来的节目，它播出的节目还可以从其它的Media Server上获取。普通的用户可以通过LAN或通过无线网络接入到该系统之中。下面我们对各个部分做简要的介绍。
图1 基于Media Service的远程教学系统框图
1 Media Encoder
Media Encoder是Media Tools提供的工具软件之一。它的主要任务是对模拟的音频视频信号进行编码产生ASF（advanced streaming format）文件。当然在编码过程中需要有硬件设备如声卡、图象采集卡的支持。编码后形成的音视频流既可以保存到本地计算机上也可以用MSBD(Media Streaming Broadcast Distribution)协议发送给Media Server。Media Encoder控制着音视频流的质量，选择什么样的音频编算法、何种视频压缩算法，以及压缩编码输出的目标速率等均对最终的服务质量有决定性的影响。
除了Encoder，Media Tools还提供了ASF文件的编辑工具ASF Indexer，利用该工具可以在流中加入标志和描述信息，这些标志和描述信息在保证音视频流与电子教案之间的同步方面有非常重要的作用。
Encoder的另一个重要功能是为音频视频流与电子教案等数据信息之间的同步提供了接口。图2给出了如何让PowerPoint与音频视频流保持同步的示意图。从图中可以看出：播放PowerPoint的计算机与Encoder之间通过可以建立连接，在教学过程中，如果教师在某个时刻播放了PowerPoint文档中的某一张幻灯片，PowerPoint会向Encoder发送一个信息，Encoder在接收到该信息后会在编码产生的流的对应位置做一个时间标记并加入相应的描述信息。用户在接收到带有标记的流信息时可以利用这些标记和描述信息来控制每张幻灯片展示的时间和切换时间。Media Service正是通过这种方法才实现了音频视频流与电子教案数据之间的同步。
图2 电子教案与音频视频流之间的同步
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可以向用户提供两种流播放服务：点播服务(Unicast service)和组播服务(multicast service)。节目流点播是指用户可以向服务器申请特定节目流的播放。在流点播过程中，每个用户与服务器之间均要建立单独的连接，点播的节目也只送给进行点播的用户，其他的网络用户无法接收此点播者点播的节目流。节目流组播是指节目在网络上组播，所有在网络上的用户均可以收到组播的节目流。
由于在节目流点播过程中，每增加一个用户就需要增加一个连接，所以系统允许并发访问的用户数要受网络带宽和服务器性能的双重限制。但在点播方式中，学生可以自由点播自己感兴趣的节目，并根据自己的实际情况随时随地地进行学习，同时学生在点播过程中可以对点播的节目进行控制。比如控制节目的播放、暂停、停止、前进、后退，并可以跳过自己不感兴趣的部分。节目流的组播方式则完全不同，在组播过程中只需要播出一个节目流，所以网络负担比较轻，但在组播方式中学生只能被动地听课，也不能选择听课的时间；在听课过程中也不能对节目流进行控制。此外，组播方式能否实现还与网络中路由器的配置有关系，很多的路由器在配置时均不允许组播方式的IP包通过以减少网络流量。
为了解决路由器对流组播的限制，可以采用图3所示的方式。在图中LAN1和LAN2之间由于由路由器的阻隔，LAN2中的客户接收不到在LAN1的播出的流。为了解决这个问题，可以在LAN2中也设立一个Media Server，该Media Server可以以一个普通点播用户的方式通过MMS（Microsoft Media Service）协议点播LAN1中Media Server上的节目，然后将该节目在LAN中播出，这样LAN2中的用户就能同LAN1中的用户一样接收到LAN1中播出的节目。这个功能的实现要归功于Media Server强大的服务能力。
前面我们提到Media Server的的任务是完成流的播放。Media Server既可以播放经过制作的流文件，也可以直接播放从Encoder发送来的实时流。从播放方式上说既支持点播也支持组播，在对流进行组播的同时也支持点播。也就是说同一个流在进行组播的同时，用户也可以进行点播，这样不能接收组播的用户就可以通过点播方式来接收流，只不过在这种情况下用户不能象真正意义上的点播一样对播放的流进行自由控制，他只能向一个普通的组播用户一样接收流。
图3 利用多个Media Server实现LAN中的Multicast
3 Media Player
媒体播放器是客户端的应用程序，其功能是从网络上接收流并进行播放。Media Service的播放器目前已经集成在IE5.0中，是一个标准的插件。对于低版本的IE浏览器或Netscape则需要安装该插件才能播放流信息。由于在Media Service中流信息的播放是边接收边播放，这对播放器提出了特殊的要求。这是因为目前的IP网络在尚不能保证QOS，IP包通过网络后的时延和时延抖动比较大，同时IP包还可能丢失。这样在编码端连续的数据流通过网络后很可能就不是连续的数据流，这种情况在Multicast方式下会更加突出。为了能顺利的播放流，播放器必须要对接收到的流做一定的缓冲抵消网络带来的时延抖动，并需要在音频、视频的解码算法上做相应的处理防止因IP包丢失而对图象和声音质量产生明显的影响。
上面我们对Media Service的各个主要部分做了简单的介绍，并介绍了如何将Media Service应用在基于IP网络的远程教学系统的解决方案。目前我们利用Microsoft的Media Service建立的远程教学系统已经在校园网内试运行，该系统能在教师上课时将上课的全过程在校园网上播出，真正实现了网上课堂的功能。与此同时，该系统还能将现场播出的流信息保存到服务器上去，经过简单的后期制作后供学生点播使用。我们还将结合IP网上目前已有的BBS，E-mail功能为学生提供问题讨论答疑，作业的布置与批改等功能，所有这些基于IP的技术结合在一起以提供完整的基于IP网络的远程教学方案。
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