基于多媒体技术的信息化教学资源共享系统设计

2021-11-06张景生

现代电子技术 2021年20期

石岩，张景生

（聊城大学，山东聊城 252000）

0 引言

多媒体技术是指在电脑程序中处理图形、图像、影音、声信以及动画的一项电脑应用技术，在该种技术的控制下，能够对信息进行综合处理，将固有的信息形式转化为多种表现形式。信息化的教学资源是以现代通信、网络、数据库技术为基础，汇集研究学习资源的各个要素汇总至数据库中，用来辅助教学教师教学以及学生学习[1]。将教学资源进行信息化，可以提高教学学习的效率，促进教学工作进入到新的形态。教学资源是为教学工作有效地开展而提供的各项可利用的条件，包括物质条件、自然条件、社会条件以及媒体条件[2]。在教育形式不断变化的现代，教学资源类型逐渐趋于多样化，现有的信息化教学资源共享系统无法更好地适应校园网的特性，一旦教学资源用户数量增多或是资源数量增多时，系统的负载高峰无法容纳过多人数的用户访问，将导致共享系统出现卡顿的现象。为此在多媒体技术的控制下，设计一种信息化教学资源共享系统。国外针对教学资源共享系统研究起步较早，如今在数字化图书馆资源的支持下，已形成了理论与教学相结合的形式[3]。国内针对教学资源研究起步较晚，在我国共享建设纲要的引领下，资源共享系统的研究水平还处于发展中的状态。

1 教学资源共享系统硬件设计

1.1 多媒体嵌入式处理器

在多媒体技术的支持下，共享系统会整合信息化的教学资源为图像或是音频数据，该整合过程是一个直接读取的过程。所以设计一个嵌入式处理器，核心处理器选用型号为S3C6410 处理器，在ARM 架构结构下，形成如图1 所示的嵌入式处理器硬件结构。

图1 嵌入式硬件结构

在图1 所示的硬件结构下，储存器选用128 MB 的Mobile DDR 内存以及256 MB 的NAND FLASH 闪存。设定Mobile DDR 内部芯片的工作频率120 MHz，芯片外部并联一个DRAM 控制器，通过64 位的AMBA AXI总线连接至储存器上[4]。使用处理器内部的NAND 处理器控制NAND FLASH 闪存内的RAS 信号，芯片引脚2连接控制器引脚I/O0，进而控制整个信号的传输过程。控制芯片引脚3 接上拉电阻到高电平，对整体的控制器起到一个保护作用。

利用多媒体技术分享教学共享资源时，嵌入式处理器应连接多个外放设备或是显示设备。为了平衡硬件设施的负载平衡，设计一个矩形的USB 接口及SD 卡接口板，接口板集成高速USB OTG 接口、主机接口以及高速SD 卡接口，将各个接口安置在接口板不同的方向，在接口板剩余的边处，放置一个支持8 位模式的MMC 控制器。网络模块选用10/100M 自适应的网络芯片，利用其自身集成的以太网MAC 控制器，集成网络中含有的各项教学资源储存，将16 位数据总线连接网络变压器的RJ 45 接口。FPGA 模块内置一个EP3C10E144 芯片，利用其内部的10K 的逻辑单元，实现模块与控制器的数据传输[5]。设定FPGA 的配置方式为主动配置方式，模块内部配置电路如图2 所示。

图2 FPGA 模块的配置电路

在如图2 所示的配置电路下，控制JTAG 接口，通过TCK、TDO、TMS 以及TDI 接口连接到核心芯片上，AS 接口串联一个EPCS4 配置芯片。嵌入式处理器设计完毕后，设计接口电路。

1.2 接口电路设计

在嵌入式处理器的控制下，为了满足接口电路的数据输入输出功能、显示外围接口，设计一个接口电路板，以前述设计得到的矩形USB 接口板为基础[6]。根据处理器内部硬件元件的功能性质，以最近邻返回路径为设计要求，使用P/S2 接口两端同步Clock 引脚，形成一个接口电路板，如图3 所示。

图3 接口电路

在图3 所示的接口电路下，控制FPGA 内部GPIO 接口为3.3 V 输出，在P/S2 接口的时序与逻辑控制器之间放置一个NMOS，实现接口电路逻辑电平的转换。为了满足多媒体技术硬件接口的需求，在接口电路板Clock引脚处，放置3 个双字共阴极8 段数码管SN420362，控制所有数码管并联，将并联后的线路直接连接在电源左上方的接口2 上，在线路等长的规则下[7]，采用蛇形走线的形式，整合硬件接口连接线路。综合上述处理，最终完成对共享系统硬件的设计。

2 教学资源共享系统软件设计

2.1 划定信息化教学资源属性

根据不同用户的需求，划定信息化教学资源属性，使用E⁃R 图联系教学资源的实体后，转换为选定的DBMS 的记录类型，构建成为一个子模式[8]。将该子模式作为应用程序与资源数据库的接口，汇总接口处的数据并整合为一个数据集合A，构建一个数据传输函数，传输函数可表示为：

式中：s表示数据传输时间；Q表示传输数据量；ω表示缓冲参数。根据上述传输过程，假定硬件结构对每个传入的数据敏感程度相同[9]，故设定一个属性参数r，参数的数量关系可表示为：

式中：e11，e21分别表示不同时刻下的数据传输量；a11表示敏感度参数。在该属性参数的控制下，设定一个共享信号延迟参数，进而形成一个属性模式，该教学资源的属性模式可表示为：

式中：uk表示数据稳定参数；vk表示数据传输速度；j表示延迟参数；κ表示硬件结构对数据的敏锐度；E表示信号传输时刻；P表示教学资源属性参数。在不同信号传输时间的控制下，为了统一教学资源数据的数据格式，归一化处理上述处理敏锐度参数以及延迟参数[10]，处理过程可表示为：

式中：f表示硬件元件的工作频率；T表示工作周期。根据上述计算公式的变化，属性参数归一化频率呈现如图4 所示的变化。

图4 属性参数归一化变化

在如图4 所示的属性参数归一化变化下，控制不同时间点的最小振幅频率作为属性划分点[11]，最终实现对信息化教学资源的属性划分。

2.2 实现资源共享

结合上述划定的教学资源属性，将教学资源划分为如图5 所示的功能结构。

图5 划分得到的教学资源功能结构

在如图5 所示的教学资源结构下，针对备课模块、授课模块以及互动复习模块构建不同功能的数据库。对于备课模块[12]，教师需要在实际的教学计划中，浏览下载与教学内容相符合的教学资料，利用教学资料植入代码：

实现教师备课资料的植入。对于授课模块来讲，教师利用多媒体技术从设定的组播地址下接收教学资源服务器中的共享数据，不同的共享文件中配置着不同的组播地址，根据地址数据的结构组成并创建一个udp socket组，不断拼接不同的udp socket 组，组合形成授课数据库[13]。为了防止授课数据库拼接不完整，从而产生数据丢包的现象，在授课数据库中设计一个服务器补包程序，程序补包的流程如图6 所示。

图6 补包处理流程

在图6 所示的补包处理流程下，完成对授课数据库的设计。针对互动复习模块来讲，该模块是教师与学生共同参与的模块[14]，采用前述代码设定学生访问的权限。在构建该部分的数据库时，以作业问答、资源、作业、评论、课程安排、多媒体、角色以及提问设置为数据项目，根据不同的教学属性，划分不同教学资源属性的功能，划分过程可表示为：

式中：I表示教学资源功能参数；其余参数含义不变。根据划分得到的功能参数，以及不同功能属性设定为不同长度的数据类型[15]，整合所有的数据类型并成为互动复习数据库。综合上述处理，最终完成对基于多媒体技术的信息化教学资源共享系统的设计。

3 系统测试

3.1 搭建测试环境

准备30 台iPad 作为资源共享用户访问装置，在局域网的控制下连接3 台工作PC，选用3 台笔记本电脑作为资源共享系统的测试机。上述各项测试装置的参数如表1 所示。

表1 测试装置参数

在表1 所示的参数控制下，将2 台工作笔记本连接到局域网中，测试笔记本检测工作笔记本的运行状态，搭建如图7 所示的测试环境。

在图7 所示系统测试环境下，连接资源共享系统硬件，调试软件并安装MySQL。调试成功后，分别使用文献[1]中的资源共享系统、传统资源共享系统以及文中设计的资源共享系统进行测试，对比三项共享系统的性能。

图7 搭建的系统测试环境

3.2 测试结果及分析

基于上述实验准备，以30 台iPad 上的测试用户作为资源共享系统的负载用户，以每5 位用户为一个测试组，测量在不同数量的用户负载下，三种资源共享系统的响应时间结果，如图8 所示。

图8 三种共享系统响应时间

由图8 所示的响应时间结果可知，在不断增加资源共享系统的访问用户数量时，三种共享系统的响应时间均逐渐增长。当在线用户数量为30 时，根据图8 所示的结果，文献[1]中的共享系统表现出的响应时长最长，最终的响应时间在5.5 s 左右；传统共享系统表现出的响应时间较短，在相同的在线人数控制下，最终的响应时间在3.3 s 左右；而文中设计的共享系统的响应时间最小，响应时间数值在1.9 s 左右。与前述两种共享系统相比，文中设计共享系统最终的响应时间最短。

保持上述实验环境不变，选用测试使用的30 台iPad 中的10 台进行实验，控制iPad 接收50 项共享资源数据，当iPad 中的视觉画面正常时，测试其丢包的数量，计算并汇总丢包率结果。三种共享系统丢包率结果如表2 所示。

控制三种教学资源共享系统共享相同的教学资源，统计并计算丢包率。由表2 中的数值可知，文献[1]中使用的教学资源共享系统丢包率数值最高，每台iPad 产生的丢包率数值在0.76%左右；传统共享系统产生的丢包数量较少，平均的丢包率在0.47%左右；本文设计的共享系统产生的丢包率在0.20%左右。与前述两种资源共享系统相比，文中设计的资源共享系统丢包率数值最小，在实际教学资源共享过程中，接收到的教学资源更加完整。