基于DASH的英語自主學習流媒體移動點播系統設計

滿志慧

(渤海大學 大學外語教研部， 遼寧 錦州 121013)

0 引言

流媒體是將媒體數據以特定的格式封裝為數據包后，以流的方式在網絡中分段傳輸的一種技術。隨著信息技術發展，媒體信息資源不斷豐富，音頻和視頻應用越來越廣泛，流媒體技術也就應運而生，將網絡技術與音視頻技術有機結合[1]。流媒體技術的關鍵是流式傳輸，客戶端與服務器建立連接，客戶端不必等待全部文件內容接收完畢后再進行播放，而是采用邊接收邊播放的方式，具有較強的實時性的交互性。流式傳輸主要有兩種實現方式，一是漸進式，按照順序下載，也稱為HTTP流式傳輸，不支持實時性要求較高的互動直播場景；二是實時式，允許用戶對傳輸的媒體進行控制，需要構建特定的流式服務器，支持實時性要求較高的現場直播，比較成熟的協議包括RTST和MMS。漸進式存在延遲，實時式部署復雜，為了解決這些矛盾，目前又出現了自適應式流式傳輸。DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)，基于HTTP自適應流式傳輸方案，可應對復雜多變的網絡環境與接收條件，很好地吸收了漸進式和實時式的優點，又解決了各自存在的問題。

傳統英語學習重復播放和重復聽說的模式，難以調動學生的積極性。大學英語的教學目標是培養英語綜合應用能力，增強自主學習能力。新的教學模式以及現代教育技術支撐，鼓勵英語學習朝著個性化方向發展，為自主學習創造了條件。基于視頻點播的英語學習系統，將文字、視頻和音頻等資源分布在云存儲系統中，學生使用移動終端，自己安排時間、地點和學習進度，在多種感官的刺激下進行英語學習，提高了學習效率和興趣[2]。為了方便學生開展英語自主學習，本文基于最新的自適應流式傳輸技術設計點播系統，為系統開發提供完整的解決方案。

1 DASH框架基本結構

自適應流式傳輸技術包括Microsoft的SS技術、Apple公司的HLS技術、Adobe公司的HDS技術和MPEG組織的DASH標準。前三種技術由各自公司獨立開發完成，媒體封裝格式各不相同，不利于推廣和發展。DASH是HTTP自適應流媒體技術領域的通用國際標準，沒有規定編解碼器類型，可以包含任何類型的媒體數據，客戶端根據資源自適應地選擇媒體內容下載，具有兼容性好、部署便捷和拓展性強等優點。框架基本結構，如圖1所示。

圖1 DASH框架基本結構

對于圖1所示的DASH框架基本結構，由HTTP服務器和DASH客戶端兩部分構成。HTTP服務器存儲兩種內容，一種是切片文件，即音視頻文件被分為多個切片，按切片播放，欲播放某段內容時快速定位到對應的切片；另一種是索引文件，即媒體呈現描述MPD文件，以XML格式保存多媒體文件信息。客戶端由客戶端控制模塊、MPD解析模塊、切片解析模塊、媒體播放器和HTTP模塊等構成，其中，MPD解析模塊用于解析服務器傳送來的MPD文件，切片解析模塊是把切片轉換成計算機可讀的數據結構，HTTP模塊用于建立DASH客戶端與HTTP服務器之間的TCP連接并發送播放器請求[3]。DASH客戶端對收到的MPD文件解析后，對網絡環境和緩存情況進行評估，動態調整合適碼率的視頻切片，并將請求發送給HTTP服務器，這個過程就是自適應機制，確保音視頻播放流暢[4]。

2 網絡拓撲結構設計

網絡拓撲結構表明了網絡之間設備的分布情況以及連接狀態，本系統的網絡拓撲結構由媒體資源服務器、內容分發服務器、網絡控制器、Web服務器、網絡設備、傳輸媒介和用戶終端等部分構成，如圖2所示。

對于各組成部分功能簡要說明如下：一是媒體資源服務器，用于存儲媒體資源并進行相應管理，存儲采用磁盤陣列方式保證數據的安全性和訪問速度，管理功能包括資源管理模塊、分割模塊和編碼模塊；二是內容分發服務器，接受客戶端的請求，用于處理HTTP2.0協議中的業務邏輯，將被請求碼率的媒體文件發送給客戶端，并針對推送自適應優化方案[5]；三是網絡控制器，用于分發服務器和Web服務器之間的流量控制，改變數據包發送的速率和優先級，用于解決數據超載問題；四是Web服務器，向瀏覽器等Web客戶端提供文檔，本系統使用Apache HTTP服務器[6]；五是網絡設備，包括交換機、路由器和防火墻等；六是傳輸媒介，服務器和網絡設備等集中在較小區域，光纖或雙絞線。固定終端使用互聯網，移動終端使用4G/5G；七是用戶終端，包括Windows的固定終端和移動終端，以及Android和iOS等智能終端。

圖2 網絡拓撲結構

3 系統功能結構設計

本系統包括教師、學生和管理員三類用戶，參照文獻[7-9]，按照這三類用戶設計的系統功能結構，如圖3所示。

圖3 系統功能結構

管理端是為系統管理員用戶提供的功能，通過系統維護保證系統正常運行。除了常規的系統維護功能外，還提供配置管理功能，用于對軟件版本進行維護，使軟件變化過程清晰可見，實現對軟件維護的精準化管理[10]。

教師端是為教師用戶提供的功能，教師端的功能較多，除了常規的教學管理外，還包括資源管理和學情分析，以及學生端英語學習功能，圖中只給出了部分核心功能。資源制作可使用本系統的功能，也可以使用第三方軟件。

學生端是為學生用戶進行英語自主學習提供的功能，也是本系統的核心功能。功能設計充分考慮了英語學習的特點，有利于發揮學生的自主性，提高學習過程的娛樂性，并輔助完成學習過程中的相關工作。因此，將整個功能劃分為專項學習點播、娛樂學習點播和輔助學習三部分。其中，專項學習點播，針對英語學習詞匯和語法是基礎，培養“聽、說、讀、寫、譯”等綜合能力的特點，將這些類別的資源分別組織；娛樂學習點播，通常的英語學習枯燥無味，多媒體的特點之一就是娛樂性強，提供英語歌曲、短劇、電影、故事和小說等娛樂性強的資源供學生點播；輔助學習，提供點播之外的相關功能，最重要的是資源下載，學生可以將需要反復學習的英語資源下載到智能終端，便于在沒有網絡信號的地方自主學習。

4 播放交互過程設計

音視頻播放模塊是本系統的核心程序，由以控制模塊為核心的多個模塊構成。播放交互過程[11]，如圖4所示。

圖4 播放交互過程

對于圖4所示的播放交互過程，控制模塊作為橋梁，負責各模塊之間的信息傳遞，各個步驟簡要說明如下：(1)客戶端查詢到資源后播放器向控制模塊請求播放；(2)控制模塊向網絡模塊請求MPD文件；(3)網絡模塊各控制模塊返回MPD文件；(4)控制模塊向播放器返回MPD文件獲取成功信息；(5)控制模塊請求MPD解析模塊解析MPD文件；(6)MPD解析模塊向控制模塊返回MPD文件解析結果；(7)控制模塊將MPD文件解析結果寫入數據模型存儲到緩存管理模塊；(8)控制模塊向自適應碼率選擇模塊傳入MPD文件解析結果；(9)控制模塊向自適應碼率選擇模塊傳入碼率決策；(10)自適應碼率選擇模塊向控制模塊轉入要下載的碼率；(11)控制模塊向緩存管理模塊確認是否已下載；(12)緩存管理模塊向控制模塊返回確認是否已下載的結果；(13)控制模塊向網絡模塊無緩存請求視頻分片；(14)網絡模塊向控制模塊返回無緩存請求視頻分片結果；(15)控制模塊向自適應碼率選擇模塊寫入網絡帶寬數據；(16)控制模塊調用緩存管理模塊將視頻數據存入緩存；(17)播放器向控制模塊請求播放下一個視頻分片；(18)控制模塊調用緩存管理模塊取下一個視頻分片數據；(19)緩存管理模塊向控制模塊返回取下一個視頻分片數據結果；(20)控制模塊向播放器返回下一個視頻分片數據。

5 總結

自主學習已成為外語教學與研究的熱點，校園無線WIFI基本實現全覆蓋，流媒體技術蓬勃發展，為移動點播英語自主學習提供了基礎條件。本文遵循軟件工程的思想和方法，基于DASH標準展開研究，完成了網絡拓撲結構設計、系統功能結構設計和播放交互過程等工作，為系統開發奠定了基礎。基于本文設計開發的系統，根據網絡帶寬和緩沖區大小進行碼率切換，充分發揮了DASH的優點，支持更為廣泛的媒體分片格式，支持分片時間的動態設置，提升了帶寬利用率的點播學習體驗，對學生的英語綜合水平和自主學習能力提升將發揮重要作用。本系統開發完成后，學生使用智能手機在校園網WiFi環境和家庭網絡WiFi環境分別進行了測試，資源查詢速度快，視頻播放基本流暢，偶爾發生卡頓現象，是由于手機配置過底或垃圾文件占用內存過大造成的。但是，由于網絡場景的復雜性和多樣性，本研究還存在泛化能力不足問題，這也為未來研究更強大的學習碼率自適應算法指明了方向。