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网络课堂：一个大型互动远程教学平台
林，SW1，程，K L2，王，R3，周，H4和H5陈，S
香港科技大学计算机科学系
摘要：
传统上，为了与教员进行更好的交流互动，讲座一般在学生所处的教室进行。这种模式对于有些学生并不是很方便和划算，例如对于那些正在工作的、行动不便的、生活在偏远地区的，或者类似在SARS期间被社会隔离的人来说。
伴随着宽带互联网连接和无线媒体 （Wi-fi 和 3G） 的普遍渗透，我们开发了一个平台，让讲座可以通过互联网以交互方式进行。该项目被称为 “网络课堂”，提供了一种类似于现今的传统教室，但学生们分布在互联网的教学体验。学生可以在任何时间任何地点使用他们的 PC 或便携式计算机通过互联网和无线媒体向他们的导师提问题。视频、音频、以及白板也流向实时的用户终端。利用现有现成的计算产品和最先进的网络技术，该系统可扩展到数百名学生。它具有成本效益，能够有效地突破地域限制让学生来听取讲座。使用该系统的学生传来的最初反馈是积极和鼓舞人心的。
关键词：
远距离学习，网络课堂，互动、 教育、 分布式系统、 多媒体应用和通信网
引言
随着计算设备和计算机使用的巨大增长，人与人之间的地理距离已显著减少。简单举几个目前正在使用的互联网软件的例子：网络会议，网络电话，ICQ聊天等等。利用这些，人们可以在世界的各个角落，与他人进行比以往任何时候都更经济、更有效地沟通。
近来，香港政府一直在努力推行“终身学习”的理念。然而，在香港的工作时间和生活节奏，让人们几乎不可能在一个固定的时间，固定的地点进行学习。在香港科技大学计算机科学系,我们已经开发了一个名为“网络课堂"的交互式远程学习平台。该项目旨在为广大学生提供现场讲座。它允许学生在任何时间任何地点通过任何一台计算机来参加课程。
我们在下图展示所开发的系统。它由学生的分布组成网络。教授可以通过互联网提供他/她的讲座录音和课件，也可以通过轮询与学生进行交流。
该平台有以下几个独特的功能和技术项目：
l 网络模块：我们设计并实现了一个传输机制，以便容纳成千上万没有强大的服务器的学生和客户的需要。我们的网络协议在最近召开的重大会议和研讨会上得以展示，并引起了广泛的关注。
2、音频模块：在该模块中音频能够被很好地传递给学生。在传递过程中，我们使用了一个高度压缩的音频，并不会占用大量的网络带宽，使用的编码标准称为G.723。
3、视频模块：我们已经实现了最新的H.264视频压缩编码技术。它在保证了视频的高质量的同时，对于网络和系统资源的使用显著减少了，也因此，这个软件的带宽的要求大大降低。
4、网络接口：这一部分的重点是支持一个网络接口。有了这项功能，学生就可以在任何能找到一台计算机上网的地方学习。为了进一步提高用户友好性，网络课堂项目还提供安装文件。根据指导进行简单的鼠标点击使安装更方便。完全无需编译或链接，而这在去年的项目里是必要的。
下面，我们来详细解释一下模块。
1、网络模块
由于网络课堂属于实时应用，并且听课人的数量通常都是很大的，因此稳定的和可扩展的网络层显得极为重要。网络的主要功能是将演讲材料，即，视频和音频，分发给所有参加讲座的学生。这项技术被称为多播。
传统上，多播有两种方式：应用层组播（ALM）和IP组播。应用层组播，组播是沿节点/用户逻辑树序列的单播来做的。它是用来解决IP组播的适应性问题。由于数据向一组ALM主机的传输是通过如TCP和UDP之类的单播协议来完成的，它支持互联网上的任何路由器。然而，所有的数据传输是通过单播，冗余传输，从而导致带宽利用效率低下，这将成为层组播使用的主要问题。相比之下，利用IP组播技术，数据只需发送一次，同一组内的每个主机都能收到它。与多播通信相比，IP组播能够更有效的消除冗余传输，节省带宽。在ALM技术和IP组播技术的基础上，我们设计并实现了一个新的架构，将其命名为“岛组播（IM）”。
岛组播，即课堂上教师与学生，分成几个较小的多播能力的地区（或者“岛”）。当所有这些层组播（ALM）协议在同一个岛上，就使用IP 组播。岛组播（IM）是一个通用的应用层框架，它适用于任何层组播协议。对于网络课堂项目，我们决定再次使用ALMI为岛间通信。
岛组播
采用这种结构，会话中的成员可以是一个父节点的其他成员，这需要将所有的数据包从邻居节点传送到到其他所有的邻居。这种对等结构使系统在多播期也能保证信息的高效传播。这种结构的主要问题是数据传输在很大程度上取决于内的所有节点的可靠性。如果一个内节点突然断开，那么所有的下游节点也将在一秒钟内从主树中断开。为了解决这个问题，我们将“代理服务器”引入系统之中。代理服务器必须高度可靠，并且有IM网络运营商建立。这是一个简单的构件，提供许多其他成员。系统中的代理服务器越多，那么它所提供的网络就就越稳定，越可靠。
l 音频模块
微软举，在Windows平台上进行多媒体应用程序开发的一个公认的标准，用于在网络课堂的桌面版操作：重新编码，音频压缩，解压缩，传输和播放。（图1和图2。）。
音频传输实时流媒体技术应用于音频传输。当一个人说，所有的用户应该能够听到。音频传输是一对多的。实时音频的时间敏感，需要低延迟。同时实时音频可以忍受一些损失。因此，播放音频的最合适的方法是使用传输层协议。
图1：音频流设计（教授方面）
图2：音频流设计（学生方面）
带宽是互联网上最有价值的资源，通过音频压缩带宽是该应用程序的主要目的。这个应用程序是专为数以百计的学生同时使用而开发，所需的带宽是如此之大，以致于网络无法支持它。因此，音频压缩是必不可少的。在这个项目中我们采用G.723.1。G.723.1语音压缩算法是一个标准的ITU。G.723.1在5.3和6.3千位/秒的DUL编码速率。该声码器信号处理30毫秒的帧和低失真。该算法的输入/输出是16位线性PCM样品。G.723.1语音声码器中的比特率提能够供任何当前ITU标准最高的压缩比，而不影响语音质量。此外，我们的声码器的编码延迟是非常低的（小于0.5秒）。
3、视频模块
有许多不同类型的视频压缩编码标准，如H.261，H.263，MPEG4。他们是被一些国际机构开发的。在这个项目中，新的视频压缩标准H.264标准提供了一个更大的压缩率，大大降低了网络资源的利用。
比较不同的视频编码标准下比特率的PSNR
工作的实施是基于专家设计的标准H264 ITU下的软件JM 5.0（最新版本7.6）。加快视频压缩，修改也将是基于JM 5.0现有的代码。
对原有的H.264编解码器各部分的时间消耗
加快视频编解码器从在<时间定时器H>功能调查计算瓶颈的过程。从下面的数字，可以看出整像素的帧间预测需要的计算能力。
加快整像素的帧间预测。为了提高编码速度，国际搜索模式禁用其他16×16忽略低效的编码处理。同时，一个新的算法应用于运动估计。
在许多快速搜索算法的运动估计,预测运动矢量场自适应搜索技术(PMVFAST)算法,现在基于前者MVFAST算法改进,实现最佳性能方面和加速比的PSNR值减少大多数搜索点,这些有非常小的概率,当前块最后引用MMX技术也被应用于加速各种耗时的计算如绝对差之和（SAD）和YUV到RGB的转换等。
原来的H.264编码器和解码器是使用文件输入和文件输出。在这个项目中，H264编码器和解码器是处理文件输入和文件输出。在这个项目中，H.264编解码器必须进行修改，使其能为网络摄像头和网络提供必要的接口。随着JM软件用C实现，它必须在C和C++之间建立静态库来保持的编解码速度。静态库的使用也可以更容易的修改和升级。
下面的图显示了在4阶段的改进速度的优化结果。
阶段1：原始
阶段2：配置修改
阶段3：运动
阶段4：运动技术
在压缩和解压缩速度，视频质量也在网络课堂项目的极大关注。拍摄的图片说明了视频质量的测试：
原foreman.qcif序列（左）和解码序列（右）
原container.qcif序列（左）和解码序列（右）
可以从第一个看到第一个图，因为在编码器进行量化，工头的脸模糊。出于同样的原因，在湖的表面的波变得不明显。然而，该框架在整体上和他们的质量是可以接受的。这个项目给予高压缩率仍然是明确的。
4、网络接口
学生可以参加现场讲座通过公共计算机或计算机操作系统比Windows更可能发生。要解决这些问题，开发了一个Web界面。Web接口包含一个主页，BBS系统，部分音频和部分视频。
网页是由Dreamweaver MX，Flash MX开发的。用户可以找到所有的一般信息的有关项目和文件。
主页
BBS系统是在互联网上广泛使用的在线讨论。所有的用户都可以通过发布和回答后互相沟通。通过提供免费BBS系统源码的6K集团，我们使用ASP建立了自己的BBS系统。
BBS
几种不同的实现可以考虑使用视频和音频部分。但我们的软件使用特定的视频和音频标准（H. 264，G.723），因此很难用java写的匹配的解码器，我们选择了Windows Media系列Windows Media编码器9.0的视频和音频编码器和媒体流可以通过Windows媒体播放器轻松解码。
视频播放网页
只有音频
很长一段时间过去了，沟通问题在不同地区和国家之间都受到极大关注，特别是那些在地理上的障碍和距离使得传统的面对面教授是不可能的。现代技术和互联网已经彻底改变了远程通讯，因此远程学习的概念已经能够实现。
网络课堂提供了很大的灵活性：任何人谁有权访问互联网都可以生活在远程教育中。教授们可以进行讲座就像在传统的教室，有轻微的变化，利用功能如PRS，白板，视频和音频传输。
结语
和传统的课程交付相比，网络课堂具有几乎无限的班级大小，以及在时间和地点上有更大的灵活性。去年，非典的爆发导致停课。“网络课堂”，学生可以安全的、有效的在家参加讲座，教学调度不需要中断。
今天的因特网是组播的“岛屿”，不能由组播路由器互连。为了使全球多播组播功能有效，应在一个岛上使用组播功能，岛屿间的单播连接的。在我们的项目中，我们使用了一个应用层组播框架，称为岛组播（IM），其中组播为两层组织：在上层岛间覆盖建立的同时，IP组播技术在较低的水平内岛应用。连同IP组播可扩展性增加。这允许一个更大的潜在的学生，因此网络课堂提供传统教学的优势和几乎无限的可供选择的班级规模。
在音频部分，压缩算法G.723.1是用来转换成IP数据包的演讲。G.723.1在提供比当前任何ITU标准都高的压缩比的前提下，尽管巨大的压缩，仍然保留非常高的声音质量。在实践中，它几乎不可能在不同IP间检测声音的语音质量之间的差异。我们可以实现延迟小（小于0.5秒）并且好的音频质量。
该网络课堂项目实现了H.264标准的视频编码和解码。它提供了更好的视频质量的同时大大减少了视频比特率。在有限的带宽资源下，给我们一个流畅的视频流。
至于微软的安装，安装使用（MSI）帮助项目提供了一个新的特征，这是不难实现，但很有帮助。它减少了在编译源和设置软件造成的不必要的误差，同时使我们的产品更加人性化。为了网络接口，一些技术和软件被使用，如Macromedia Dreamweaver是为了网页开发；ASP编程建立的BBS系统和Windows Media编码器9系列解码和播放多媒体流。
参考文献
K. -w.cheuk，S. H. Chan和J.李；组播岛：IP组播和应用层组播相结合。IEEE国际会议上交流，出现。
pendarakis，Dimitrios，sherlia石，Dinesh Verma，马塞尔瓦尔德福格尔：ALMI：应用层组播的基础设施，2001
tourapis，亚历克西斯M.，奥斯卡C.金，明湖刘：预测运动矢量场自适应搜索技术（PMVFAST）提高基于运动估计块。
