基于DASH的英语自主学习流媒体移动点播系统设计

满志慧

(渤海大学 大学外语教研部， 辽宁 锦州 121013)

0 引言

流媒体是将媒体数据以特定的格式封装为数据包后，以流的方式在网络中分段传输的一种技术。随着信息技术发展，媒体信息资源不断丰富，音频和视频应用越来越广泛，流媒体技术也就应运而生，将网络技术与音视频技术有机结合[1]。流媒体技术的关键是流式传输，客户端与服务器建立连接，客户端不必等待全部文件内容接收完毕后再进行播放，而是采用边接收边播放的方式，具有较强的实时性的交互性。流式传输主要有两种实现方式，一是渐进式，按照顺序下载，也称为HTTP流式传输，不支持实时性要求较高的互动直播场景；二是实时式，允许用户对传输的媒体进行控制，需要构建特定的流式服务器，支持实时性要求较高的现场直播，比较成熟的协议包括RTST和MMS。渐进式存在延迟，实时式部署复杂，为了解决这些矛盾，目前又出现了自适应式流式传输。DASH(Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)，基于HTTP自适应流式传输方案，可应对复杂多变的网络环境与接收条件，很好地吸收了渐进式和实时式的优点，又解决了各自存在的问题。

传统英语学习重复播放和重复听说的模式，难以调动学生的积极性。大学英语的教学目标是培养英语综合应用能力，增强自主学习能力。新的教学模式以及现代教育技术支撑，鼓励英语学习朝着个性化方向发展，为自主学习创造了条件。基于视频点播的英语学习系统，将文字、视频和音频等资源分布在云存储系统中，学生使用移动终端，自己安排时间、地点和学习进度，在多种感官的刺激下进行英语学习，提高了学习效率和兴趣[2]。为了方便学生开展英语自主学习，本文基于最新的自适应流式传输技术设计点播系统，为系统开发提供完整的解决方案。

1 DASH框架基本结构

自适应流式传输技术包括Microsoft的SS技术、Apple公司的HLS技术、Adobe公司的HDS技术和MPEG组织的DASH标准。前三种技术由各自公司独立开发完成，媒体封装格式各不相同，不利于推广和发展。DASH是HTTP自适应流媒体技术领域的通用国际标准，没有规定编解码器类型，可以包含任何类型的媒体数据，客户端根据资源自适应地选择媒体内容下载，具有兼容性好、部署便捷和拓展性强等优点。框架基本结构，如图1所示。

图1 DASH框架基本结构

对于图1所示的DASH框架基本结构，由HTTP服务器和DASH客户端两部分构成。HTTP服务器存储两种内容，一种是切片文件，即音视频文件被分为多个切片，按切片播放，欲播放某段内容时快速定位到对应的切片；另一种是索引文件，即媒体呈现描述MPD文件，以XML格式保存多媒体文件信息。客户端由客户端控制模块、MPD解析模块、切片解析模块、媒体播放器和HTTP模块等构成，其中，MPD解析模块用于解析服务器传送来的MPD文件，切片解析模块是把切片转换成计算机可读的数据结构，HTTP模块用于建立DASH客户端与HTTP服务器之间的TCP连接并发送播放器请求[3]。DASH客户端对收到的MPD文件解析后，对网络环境和缓存情况进行评估，动态调整合适码率的视频切片，并将请求发送给HTTP服务器，这个过程就是自适应机制，确保音视频播放流畅[4]。

2 网络拓扑结构设计

网络拓扑结构表明了网络之间设备的分布情况以及连接状态，本系统的网络拓扑结构由媒体资源服务器、内容分发服务器、网络控制器、Web服务器、网络设备、传输媒介和用户终端等部分构成，如图2所示。

对于各组成部分功能简要说明如下：一是媒体资源服务器，用于存储媒体资源并进行相应管理，存储采用磁盘阵列方式保证数据的安全性和访问速度，管理功能包括资源管理模块、分割模块和编码模块；二是内容分发服务器，接受客户端的请求，用于处理HTTP2.0协议中的业务逻辑，将被请求码率的媒体文件发送给客户端，并针对推送自适应优化方案[5]；三是网络控制器，用于分发服务器和Web服务器之间的流量控制，改变数据包发送的速率和优先级，用于解决数据超载问题；四是Web服务器，向浏览器等Web客户端提供文档，本系统使用Apache HTTP服务器[6]；五是网络设备，包括交换机、路由器和防火墙等；六是传输媒介，服务器和网络设备等集中在较小区域，光纤或双绞线。固定终端使用互联网，移动终端使用4G/5G；七是用户终端，包括Windows的固定终端和移动终端，以及Android和iOS等智能终端。

图2 网络拓扑结构

3 系统功能结构设计

本系统包括教师、学生和管理员三类用户，参照文献[7-9]，按照这三类用户设计的系统功能结构，如图3所示。

图3 系统功能结构

管理端是为系统管理员用户提供的功能，通过系统维护保证系统正常运行。除了常规的系统维护功能外，还提供配置管理功能，用于对软件版本进行维护，使软件变化过程清晰可见，实现对软件维护的精准化管理[10]。

教师端是为教师用户提供的功能，教师端的功能较多，除了常规的教学管理外，还包括资源管理和学情分析，以及学生端英语学习功能，图中只给出了部分核心功能。资源制作可使用本系统的功能，也可以使用第三方软件。

学生端是为学生用户进行英语自主学习提供的功能，也是本系统的核心功能。功能设计充分考虑了英语学习的特点，有利于发挥学生的自主性，提高学习过程的娱乐性，并辅助完成学习过程中的相关工作。因此，将整个功能划分为专项学习点播、娱乐学习点播和辅助学习三部分。其中，专项学习点播，针对英语学习词汇和语法是基础，培养“听、说、读、写、译”等综合能力的特点，将这些类别的资源分别组织；娱乐学习点播，通常的英语学习枯燥无味，多媒体的特点之一就是娱乐性强，提供英语歌曲、短剧、电影、故事和小说等娱乐性强的资源供学生点播；辅助学习，提供点播之外的相关功能，最重要的是资源下载，学生可以将需要反复学习的英语资源下载到智能终端，便于在没有网络信号的地方自主学习。

4 播放交互过程设计

音视频播放模块是本系统的核心程序，由以控制模块为核心的多个模块构成。播放交互过程[11]，如图4所示。

图4 播放交互过程

对于图4所示的播放交互过程，控制模块作为桥梁，负责各模块之间的信息传递，各个步骤简要说明如下：(1)客户端查询到资源后播放器向控制模块请求播放；(2)控制模块向网络模块请求MPD文件；(3)网络模块各控制模块返回MPD文件；(4)控制模块向播放器返回MPD文件获取成功信息；(5)控制模块请求MPD解析模块解析MPD文件；(6)MPD解析模块向控制模块返回MPD文件解析结果；(7)控制模块将MPD文件解析结果写入数据模型存储到缓存管理模块；(8)控制模块向自适应码率选择模块传入MPD文件解析结果；(9)控制模块向自适应码率选择模块传入码率决策；(10)自适应码率选择模块向控制模块转入要下载的码率；(11)控制模块向缓存管理模块确认是否已下载；(12)缓存管理模块向控制模块返回确认是否已下载的结果；(13)控制模块向网络模块无缓存请求视频分片；(14)网络模块向控制模块返回无缓存请求视频分片结果；(15)控制模块向自适应码率选择模块写入网络带宽数据；(16)控制模块调用缓存管理模块将视频数据存入缓存；(17)播放器向控制模块请求播放下一个视频分片；(18)控制模块调用缓存管理模块取下一个视频分片数据；(19)缓存管理模块向控制模块返回取下一个视频分片数据结果；(20)控制模块向播放器返回下一个视频分片数据。

5 总结

自主学习已成为外语教学与研究的热点，校园无线WIFI基本实现全覆盖，流媒体技术蓬勃发展，为移动点播英语自主学习提供了基础条件。本文遵循软件工程的思想和方法，基于DASH标准展开研究，完成了网络拓扑结构设计、系统功能结构设计和播放交互过程等工作，为系统开发奠定了基础。基于本文设计开发的系统，根据网络带宽和缓冲区大小进行码率切换，充分发挥了DASH的优点，支持更为广泛的媒体分片格式，支持分片时间的动态设置，提升了带宽利用率的点播学习体验，对学生的英语综合水平和自主学习能力提升将发挥重要作用。本系统开发完成后，学生使用智能手机在校园网WiFi环境和家庭网络WiFi环境分别进行了测试，资源查询速度快，视频播放基本流畅，偶尔发生卡顿现象，是由于手机配置过底或垃圾文件占用内存过大造成的。但是，由于网络场景的复杂性和多样性，本研究还存在泛化能力不足问题，这也为未来研究更强大的学习码率自适应算法指明了方向。