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面向艺术教育的移动视频资源平台设计与实现

  摘要:虽然近年来我国普通高校艺术教育取得了可喜成绩,但仍存在教育教学资源不足、课时少、师资及课堂容量有限等诸多问题,该文将视频电话技术应用于普通高校艺术教育领域,通过艺术教育教学视频资源库构建、面向视频电话的视频压缩、SIP协议与3G-324M协议的互通等一系列相关研究,实现信息技术和艺术教育的整合,使得学生可在校园网内通过移动终端获取艺术教育教学视频资源,随时随地学习和复习艺术教育知识,从而满足个性化、多样化的艺术教育需求。


  关键词:视频电话;普通高校;艺术教育;


  作者简介:王怡,在读博士,副教授,研究方向为教育经济与管理,邮箱为wangyi@。;


  一引言


  近年来,我国普通高校公共艺术教育逐渐受到重视,公共艺术课程体系的建设和课程的管理也日趋规范[1]。但我国普通高校艺术教育仍存在诸多难以解决的问题:(1)艺术教育教学资源不足,没有形成体系性的艺术教育平台;(2)学生缺少充足的选课空间,艺术教育在整体上没有融入到本科教育教学的资源体系;(3)艺术教育课时少,师资在数量和质量上存在短缺与断档;(4)课内学习与课外实践缺少有效地衔接,专业学习与艺术教育难以融合,艺术教育成效难以显现。随着信息技术的进步,应用信息技术可有效解决艺术教育教学资源不足、课时少、师资及课堂容量有限等诸多问题[2]。艺术教育是一种聆听和欣赏的教育,这需要学生大量反复地聆听、欣赏和复习艺术知识,而这种复习的首选方式是视频。基于移动通讯技术对人们学习、生活和娱乐方式的改变,手机成为学生观看视频的主要载体,学生更可随时随地、利用“零碎”的时间复习艺术知识。由于现有的艺术教育视频的播放时间较长,文件存储量大,并不适合直接下载到手机上观看,视频电话技术可以解决这一问题。


  二设计理念


  视频电话提供64kbps的带宽,其中40kbps固定用于传输视频流,12kbps用于传输音频流,12kbps用于传输控制信息,使用视频电话接收视频信息不需耗费任何流量,也不占用手机存储空间。现阶段视频电话通信费用为0.6元/分钟,无任何附加收费,且价格会持续下降;而且本文所做研究,可使学生在特定范围内(例如校园网覆盖范围内)免费拨打。因此,用视频电话向学生提供艺术教育教学视频,无论从技术层面还是从经济层面都是可行的。


  本研究对原有“章节式”知识点重新梳理,制作面向艺术教育的移动视频资源;设计基于H.264的教学视频压缩方法,以适应视频电话对于带宽的限制;通过SIP协议与3G-324M协议的互通设计,实现视频以视频电话形式在计算机与手机间的通信。最终构建出从面向艺术教育的移动视频资源平台,使学生可以通过拨打视频电话获取艺术教育教学视频,并且不耗费流量、不占用手机存储空间、在校园网范围内拨打无需付费,满足其随时随地自主学习与复习的需求。


  三技术实现


  1面向艺术教育的移动视频资源制作技术


  (1)新建项目


  欲制作视频电话支持的视频文件,需先将其制作成3pg文件,本文采用AdobePremiereProCS4软件,打开AdobePremiereProCS4后,选新建项目,打开NewProject窗口。


  (2)添加视频资源


  在资源列表中双击视频资源,会在资源编辑区打开视频资源。可以对视频资源进行剪辑。注意,这里的剪辑,不会修改视频资源的原文件,只是制作出一段我们需要的视频片段如图2所示。


  (3)发布视频资源


  依照3G-324M协议视频格式要求设置视频规格并发布。


  2基于H.264的视频资源分层次压缩方法


  上文已完成了原始视频文件的制作,但此时的视频格式还无法在视频电话网络中传输,还需要在保证视频信息完整的情况下,对视频信号进行压缩以适应3G-324M中继较低的带宽。为此,本文设计了一种基于H.264的视频压缩方法,其核心思想是针对教学视频中的目标(如乐器、演奏者、背景)采用不同的压缩比,对观看要求较高的视频对象(如乐器)采用较低码率压缩,对观看相对要求较低的视频对象(如背景)采用较高码率压缩,从而在保证观看效果的基础上,实现教学视频资源的最大压缩。


  与其他编码标准相比,H.264的框架结构沿用了与以往的编码标准的MC-DCT结构,保留了先前的标准特点如运动矢量和运动矢量中值预测等。但是,在H.264标准中也引用了大量的新技术,如帧内预测用于降低当前帧像素值,SPSlices用于不同码流切换,并使用了灵活的宏块排序支持宏块分组的独立编码。并且在IP和无线环境中引入了差错消除工具,用于适应无线网中误码、丢包率多发的情况。并且利用改变量化步长来适应信道的码率。本研究中分层压缩算法的设计就是基于H.264中分级量化器实现的。


  H.264中,分级量化器,支持52个量化步长(QuantizerStep),并使用量化参数(QuantizationParameter)来索引量化步长,并支持针对宏块级的量化,为不同的宏块组提供不同量化参数。量化步长QStep,与量化参数QP的关系如下表所示[3,4]:


  从表1中可知,QP增加1,QStep增加近似12.5%。而在正常过情况下,一般移动终端所采用的量化参数一般为4左右,即可达到人眼观察的要求。因此,鉴于艺术教育视频的特征,除乐器与演奏者外的其余画面均可进行高压缩比的压缩。本次研究中基于视频目标检测的量化模型MR与QP建立关系函数如公式(1)所示:


  其中,QP=f(R)表示当前帧内所有宏块的QP因子矩阵,QPij表示表示i行j列8×8宏块的QP因子值,Rij表示i行j列的宏块所在矩形位置。当宏块在检测目标区域内部时,选择QP=4作为量化参数,进行较小压缩,保留视频信号中的有用信息。当宏块所在位置不在检测目标区域内,则进行大量压缩,QP值设定为51。可以得到较高的压缩比,降低整体码率。


  由于上述对H.264的改动是基于宏块的量化特性实现的,去掉了H.264编码器中的量化特性,因此对帧级量化也需重新设定。满足公式(2)


  其中,QP为帧级量化参数,而mb为导出的目标检测结果,如果画面中存在乐器、演奏者等检测目标,则mb为1,进行无损压缩。当画面中不存在检测目标,而只有背景目标,则mb为0,进行高压缩比的帧级压缩。


  3SIP协议与3G-324M协议的互通方法


  制作完成的教学视频存储于服务器端(云端),为将其推送至手机端,必须实现二者网络协议,即SIP协议与3G-324M协议的通信。为此,本文研究交互网关的设计方法实现二者的互通。


  本研究中SIP协议与3G-324M协议的交互网关,在服务器组中的IVVR服务器上建立。Dialogic服务器提供VIG网关硬件平台,只需建进行编译即可实现SIP协议与3G-324M协议的网络互通。根据SIP协议与3G-324M协议的分析可知,3G-324M中继中Q.931/DSS1起到会话初始的功能与SIP协议一样,3G-324M协议族中信令协议为H.245而SIP中具有相同功能的是SDP协议,3G-324M协议族中负责媒体通信的协议为AL1层的H.223协议,而SIP协议借助RTP/RTCP协议进行媒体通信。建立交互网关即是建立信令互通网关、媒体互通网关,需要完成H.245协议和SDP协议互通和H.223和RTP/RTCP协议的互通,网关逻辑结构如图3所示。


  四结束语


  为解决我国普通高校艺术教育所存的教育教学资源不足、课时少、师资及课堂容量有限等诸多问题,本文研究将视频电话技术引入普通高校艺术教育领域,使学生可以通过拨打视频电话获取艺术教育教学视频,并且不耗费流量、不占用手机存储空间、在校园网范围内拨打无需付费,在技术层面上弥补了普通高校艺术教育教学的不足。本研究主要包括:


  (1)本研究将原有艺术教育视频重新梳理,制作出面向艺术教育的移动视频资源,可供学生利用“零碎”时间学习的“短小”视频,制作出面向视频电话的艺术教育视频资源库。


  (2)本研究采用H.264视频编码对艺术教育视频进行压缩,使视频可以成为标准的QCIF(分辨率为176*144)视频格式,以适应视频电话的带宽限制。


  (3)本文研究交互网关的设计方法,实现了SIP协议与3G-324M协议的相互通信,使学生通过手机拨打视频电话即可获取艺术教育视频。本文来自《中南大学学报》杂志

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