基于矩阵压缩算法的多媒体网络教学系统的开发

来源：互联网   发布日期：2011-10-05 20:32:45   浏览：5932次  

摘要：提供了一个基于矩阵压缩算法的多媒体网络教学系统的平台软件，并通过TCWIP网络技术实现信息
交互、协作学习和数据、媒体等资讯的实时共享，它具有屏幕传送和广播、屏幕监看、遥控终端、文件传输、语言
交谈、影像信息发送等功能。该软件主要应用于中小学校、大专院校的网络教学及职业培训等。
关键词：网络传输；网络视频；屏幕图像；矩阵压缩算法
中图分类号：TP391．6；G433 文献标识码：B
The Development of M ultimedia Network Teaching System
Based on M atrix--compression Algorithm
ZHENG Ping ，GU He—jin
(1．Jiangxi Institute of Education，Jiangxi Nanchang 330029 PRC；
2．Jiangxi Academy of Sciences，Jiangxi Nanchang 330029 PRC)
Abstract：This paper presents a platform software of the multimedia network teaching system which
applies matrix—compression algorithm．It realizes the resource—sharing in real—time by using the
TCP／IP network technique and tran sfers data an d medium inform ation．It has the functions of screen
tran smission，medium broadcast，screen supervisory，term inal control，document transmission and
SO on．The software is mainly applied in high schools，colleges or enterprises network training．
Key words：Network transmission，Network video，Screen picture，Matrix—compression algorithm
我国的基础教育信息化建设，主要用户群是
各类学校的大中小学生。本软件是以一种交互式
教学方法进行教学，能够在各种局域网上运行，适
合于各类学校、企事业单位的日常教学及培训。
它不仅包括一般电子教室的教学功能，还集成了
VOD(视频点播)、外部AV、网络影院、文件传输、
电子白板 等功能。该软件创建了多种不同形
式的教学方式，特别适合于学校教师和学生的交
互式教学，它提供了许多包括屏幕传送和广播、屏
幕监看、遥控终端、文件传输、语言交谈、影像信息
发送等功能，符合现代教学方向，操作方便，运行
稳定，实用性强。本软件的推广应用将引发教学
模式的创新，起到贯彻教育部关于以教育信息化
带动教育现代化，实现基础教育跨越式发展的作
用。
1 软件的主要功能
(1)高性能的视频传输，系统通过局域网将
教师、学生电脑相连，以一种交互工作的教学方法
代替传统教学模式进行教学，形象逼真；(2)对于
使用不同版本的操作系统(包括Win9X、Win2000、WinXP、任何无盘工作站等)的服务端
和客户端计算机，本软件产品可以很好地支持；
(3)外接AV功能，可以将DVD、录音机、数码摄
像机、实物投影机、磁带录音机、有线电视等外部
设备方便连接到计算机，这样教师可直接使用磁
带、VCD等授课，增加了教学的生动性和使用的
方便性；(4)强大的投影设备支持，软件配合AV
设备使用，可提供对AV设备的无缝控制；(5)强
大语音功能，不仅可满足普通教学要求，而且更是
为学生之间、师生之间的讨论提供方便，主控机可
随时同任意受控机进行通话；(6)卓越的DVR功
能，它不仅提供传统硬件语音室的基本功能，更在
精确定位、标签管理、标签问自动回访等方面提供
更为灵活的管理模式；(7)扩展的VOD功能，让
学生可在课堂上点播到不同的教学节目；(8)快
速稳定的文件传输功能，为用户数据输出、作业布
置等提供了一条快速通道；(9)流畅的9画面监
视功能让教师可轻松观察整个教室的每台电脑。
产品的功能模块图见图1。
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图1 产品功能模块图
2 软件的开发环境
2．1 网络环境
网络带宽：10M／100M交换机，IOM／IOOM网
卡。
2．2 服务端配置
Intel P4 CPU，内存128M以上，10VE／100M网
卡，全双工声卡，配备音箱和麦克风，光驱、实现
AV功能还需AV一8视频采集卡、DVD／VCD机、
数码摄像机等外部AV设备。
2．3 客户端配置
Intel Celeron800以上CPU，内存64M以上，
10M／100M网卡，全双工声卡，配备耳机和麦克
风。
2．4 VOD服务器(选配)配置
Intel P4 CPU，256M内存；100M服务器网卡，
(以上配置以60Users为标准)
2．5 系统软件
本软件需要在Win9X(包括Win95、Win98)、
Win2000以及RPL、PXE无盘工作站中运行，需要
安装TCP／IP协议。实现AV广播功能教师机需
要安装AV一8驱动；实现VOD视频点播功能学
生机需要安装Windows Media Player6．4以上版
本。
3 主要开发工具
考虑到软件主要进行大量的音、视频处理，为
了提高效率，系统将有许多模块必须与操作系统
进行紧密通信，结合当今流行的开发工具的自身
特点，具体将选择以下软件开发工具进行开发：
VC“6．0：首选的主要开发工具，由于VC“
具有高性能的多媒体处理能力，因此，软件中的大
部分模块将使用VC“ 进行开发 J。
DDK(包括win9x、Win2000 DDK)：为了提高
软件的运行效率，部分模块需要写驱动程序，而
DDK是Microsoft公司的专门用于驱动开发的开
发工具。
MASM：由于系统要对Win95支持，因此在开
发某些核心模块时，VC“ 和DDK均不能胜任，因
此需要MASM支持 。
调试工具：除了VC“ 自带的调试工具外，还
需要像Soft Ice Win Debug等那样能够对核心驱
动程序进行调试的调试工具。
4 软件的基本原理及关键技术
基于TCP／IP网络技术 的信息交互、协作
学习的平台，软件开发采用典型的Client／Server
结构，由客户端与服务端两部分构成。客户端主
要是负责向服务端发出获取服务端屏幕图像的请
求和将从服务端发送而来的屏幕图像在本地实时
地显示出来，而服务端主要是负责响应客户端的
请求并抓取与发送屏幕图像。由于服务端所抓取
的屏幕图像一般为位图格式，其数据量较大，若直
接发送则会导致占用网络带宽过大、实时陛差、占
用系统资源过多、稳定性差等问题，因此需经过压
缩后才能将其发送给客户端，而客户端相应地也
要将接受到屏幕图像数据进行压缩后才能正确地
将屏幕图象显示出来。采用数学上的矩阵压缩算法和奇异值分解技术结合起来应用到视频信息传
输上，达到了高性能的视频传输效果。
4．1 矩阵压缩算法和奇异值分解技术的基本原
理
为了达到高效地把教师机屏幕同步传送到学
生机，以及把学生机屏幕信息传送到教师机，根据
计算机CPU计算建模速度远远大于网络传输速
度的原理，因此，将屏幕图像压缩 后传输，屏幕
图像可用如下矩阵表示：
X =( )
。 为屏幕中第 行第 列的点的色度信息。
对 作奇异值分解
X = U JD
D =diag(d1，d2，⋯，d )，其中d1 d2 ⋯
d
为了减少传输量，取k个最大特征值，则
X ≈ Um~kD
将 ， ， 传送到目的地，在目的地
计算机将三个矩阵相乘后恢复图像，图像恢复质
量可由k来控制，其相似程度：
．
df
Sire= 一来刻画。
Σd。
1 J
对教师机要监控多个学生机情况，可采取上
述奇异值分解技术后，再对矩阵进行压缩，压缩方
法是：
r ，其中S=talk，T=n／k
则可把矩阵 划分为S Z T块，每一块的矩
阵各元素值的均值为y矩阵中对应位置元素的
色度值，由此可在一屏中显示多个学生屏幕达到
监控目的。
4．2 屏幕分区域抓取与传输
目前普遍采用的处理方式是一次性整屏幕分
区域抓取与传输。目前普遍采用的处理方式是一
次性整屏抓取，直接将待拷贝的源位图拷贝至目
的的画布中。这种整屏抓取模式由于数据量大，
往往无法取得较好的实时效果，尤其是在网络带
宽有限时这一点特别突出。其实，服务端完全可
以通过将屏幕划分为一定数量的大小相等的矩形
进行抓取与压缩，然后将压缩后数据添加到一个
待发送的队列中去等待传输。或者是比较所抓取
的矩形区域图像是否发生了变化，若没有发生变
化则不处理，否则才进行后续处理。与此相对应，
客户端从接收到的数据队列中取出对应数据进行
解压，然后在相应位置上显示出一个矩形大小的
图像。软件采用动态屏幕分区域抓取技术与高效
压缩传输技术相结合，较大压缩了数据传输量，从
而减少了对网络带宽资源的占用，提高了数据传
输速度，使多媒体信息传输更快，延迟更小、运行
更稳定，从而获得更好的实时性能。
4．3 流媒体技术
流式传输表示声音、影像或动画等时基媒体，
由视频服务器向用户计算机的连续、实时传送。
采用流式传输的系统中，用户不必等到整个文件
全部下载完毕，而只需经过几秒或数十秒的启动
延时即可进行观看。当声音等时基媒体在客户机
上播放时，文件的剩余部分将在后台从服务器内
继续下载。流式传输不仅使启动延时成十倍、百
倍地缩短，而且不需要太大的缓存容量。使多媒
体软件可以在Windows系统不同版本的网络环境
下快速运行，提高校园网络与教学资源的利用效
率。
5 结论
5．1 软件性能明显提高
人性化的三维动画界面，操作简单方便，没有
复杂的菜单功能，多数功能是按一个按钮就可以
实现；良好的互动性，“分组讨论”与“电子白板”
可以让教师和学生就同一问题，或是共同感兴趣
的话题，发表自己看法和见解；高质量的语音交互
功能；VCD效果好，语音和图像基本同步，无马赛
克，支持多种文件格式(．dat，mpg，avi，asf)；支持
多画面监视和切换，支持监视转遥控和监视转转
播；服务端和客户端可以运行Windows不同版本
的操作系统，满足不同的教师上课时所带的笔记
本电脑安装的操作系统不同的要求。
5．2 使用效果明显改善
该系统创造性地采用有特色的技术手段和方
法，不仅以纯软件方式实现了电子教室的网络传
输和控制功能，而且还集成了VOD(视频点播)、
外部AV、网络影院、文件传输、电子白板等功能。
从软件应用情况来看，不仅可以实现电子网络教
室的功能，还可以结合“虚拟录音机”构建语音实
验室，还可以集成控制电教中央控制系统构建电
教室，利用VOD实现学生的自主学习，另外还可
以和“校校通”无缝衔接满足不同用户的需求。

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