張 弛

(渤海大學(xué)，遼寧 錦州 121013)

iOS平臺(tái)舞蹈教學(xué)直播系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 弛

(渤海大學(xué)，遼寧 錦州 121013)

移動(dòng)學(xué)習(xí)是借助移動(dòng)終端在任何時(shí)間任何地點(diǎn)的在線學(xué)習(xí)，WiFi、3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及移動(dòng)智能終端普及，使移動(dòng)學(xué)習(xí)成為新的學(xué)習(xí)方式。為了促進(jìn)舞蹈普及教育，提高舞蹈教學(xué)信息化水平，針對(duì)iOS平臺(tái)設(shè)計(jì)教學(xué)直播系統(tǒng)。研究?jī)?nèi)容分4方面展開(kāi)，基于HTTP方式的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程，通過(guò)7個(gè)步驟完成直播工作；由流媒體服務(wù)組件、內(nèi)容分發(fā)組件和客戶端等3部分構(gòu)成的直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；H.264的視頻編碼器工作原理及編碼過(guò)程；直播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包括HLS邏輯實(shí)現(xiàn)流程和HLS類實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)果表明，iOS平臺(tái)基于HTTP流媒體傳輸協(xié)議，運(yùn)用媒體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸機(jī)制，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性，減輕了服務(wù)器和客戶端的工作負(fù)荷。

iOS平臺(tái)；舞蹈教學(xué)；直播系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

舞蹈是藝術(shù)審美中最具獨(dú)特美感的藝術(shù)表現(xiàn)形式，既可以傳情，又可以達(dá)美，將時(shí)間與空間揉和，表現(xiàn)出和諧的韻律，不僅是美化了人體動(dòng)作的藝術(shù)，更是超越了肉體和靈魂的美的欣賞。舞蹈教育是通過(guò)審美方式展現(xiàn)藝術(shù)形象并潛移默化地感染人、啟發(fā)人和教育人。為提高人們的舞蹈欣賞能力，需要進(jìn)行舞蹈普及教育。舞蹈普及教育主要是面向非舞蹈專業(yè)學(xué)生和業(yè)余舞蹈愛(ài)好者，培養(yǎng)他們?cè)谖璧笇徝?、舞蹈?xùn)練和基礎(chǔ)表演等方面的能力[1-2]。舞蹈教學(xué)使用肢體并配合音樂(lè)、服裝、道具、燈光等藝術(shù)手段，受時(shí)間和空間的影響，不可能大規(guī)模地開(kāi)展。通過(guò)移動(dòng)學(xué)習(xí)，運(yùn)用視頻直播或轉(zhuǎn)播的方式為舞蹈普及教育提供了新的思路。

移動(dòng)學(xué)習(xí)是借助移動(dòng)終端在任何時(shí)間任何地點(diǎn)的在線學(xué)習(xí)。WiFi、3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋以及移動(dòng)智能終端的全面普及，促進(jìn)了移動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展，改變了人們傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式[3-4]。iOS是蘋果公司開(kāi)發(fā)的移動(dòng)操作系統(tǒng)，屬于類Unix的商業(yè)操作系統(tǒng)，用于蘋果公司移動(dòng)產(chǎn)品上。iOS編程的接口、工具以及資源全部包含于iOS SDK，通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)[5-6]。蘋果公司的iPad、iPhone、iPod touch等移動(dòng)產(chǎn)品具有極高的市場(chǎng)占有率，文中基于iOS平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)舞蹈教學(xué)直播系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間，對(duì)提高舞蹈普及教育水平具有重要意義。

1 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程

直播系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程包括三種，即基于WAP方式的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程、基于HTTP方式的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程和基于SMS方式的業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程。iOS推薦使用HTTP方式，即客戶端發(fā)現(xiàn)直播內(nèi)容的地址以及完成直播的相關(guān)附加信息的過(guò)程。HTTP方式業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 HTTP方式業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)流程

圖1所示的流程由7個(gè)步驟組成，對(duì)各步驟簡(jiǎn)要說(shuō)明如下[7-8]：

(1)認(rèn)證及登錄。通過(guò)HTTP方式訪問(wèn)流媒體內(nèi)容Portal并完成身份認(rèn)證。為了實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證與流媒體內(nèi)容的物理統(tǒng)一，身份認(rèn)證由Portal完成；

(2)返回錯(cuò)誤信息。如果認(rèn)證不成功或登錄不成功都將顯示錯(cuò)誤信息并返回HTTP登錄界面；

(3)生成終端頁(yè)面。流媒體業(yè)務(wù)平臺(tái)Portal根據(jù)用戶終端類型將適合在該終端直播的節(jié)目分類表和推薦欄目生成頁(yè)面；

(4)收到查看頁(yè)面。流媒體業(yè)務(wù)平臺(tái)Portal向用戶端發(fā)送頁(yè)面，用戶收到頁(yè)面后通過(guò)瀏覽器查看內(nèi)容；

(5)定位內(nèi)容信息。用戶使用內(nèi)容導(dǎo)航、搜索和分類檢索等功能，流媒體業(yè)務(wù)平臺(tái)Portal定位要直播的具體流媒體信息；

(6)動(dòng)態(tài)生成地址。根據(jù)用戶操作選定的內(nèi)容動(dòng)態(tài)生成URL，除了包含流媒體地址信息外，Portal還將附加必要的內(nèi)容信息和Hash加密信息；

(7)啟動(dòng)直播進(jìn)程。用戶收到流媒體業(yè)務(wù)平臺(tái)Portal的URL后完成發(fā)現(xiàn)過(guò)程，觸摸或單擊URL連接后即可啟動(dòng)下載或直播進(jìn)程。

URL包含必要的附加信息為：會(huì)話GUID(Global User ID)，每個(gè)用戶每次使用服務(wù)對(duì)應(yīng)唯一的GUID；用戶的MDN(Mobile Directory Number)號(hào)碼；用戶使用的PDSN(Packet Data Serving Node)IP地址；本次會(huì)話的有效時(shí)長(zhǎng)；經(jīng)過(guò)Hash算法加密的Token。

2 直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

流媒體在網(wǎng)絡(luò)中使用流式傳輸技術(shù)傳輸?shù)臅r(shí)基媒體數(shù)據(jù)流，包括音頻數(shù)據(jù)流和視頻數(shù)據(jù)流，播放前不需要下載整個(gè)文件，而是隨時(shí)下載隨時(shí)播放，節(jié)省了系統(tǒng)資源以及用戶等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)方式包括HPPT、WAP和消息等。HTTP流媒體傳輸協(xié)議(HTTP Live Streaming，HLS)基于HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。通過(guò)HTTP協(xié)議，將流媒體從Web服務(wù)器發(fā)送到iPhone、iPad、iPod touch和Apple TV以及裝有US X的蘋果計(jì)算機(jī)等iOS設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)視頻直播和點(diǎn)播服務(wù)。目前HLS已被提交成為國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force，IETF)的Internet-Draft，未來(lái)將有更廣闊的發(fā)展空間?；贖LS的iOS直播系統(tǒng)由流媒體服務(wù)組件、內(nèi)容分發(fā)組件和客戶端三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示[9-10]。

圖2 iOS直播系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)流媒體服務(wù)組件。流媒體服務(wù)組件負(fù)責(zé)把輸入的媒體流信息編碼數(shù)字化后封裝成符合用戶需要和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母袷剑⑥D(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)容分發(fā)組件。流媒體服務(wù)組件由媒體編碼器、流分割器和文件分割器構(gòu)成。媒體編碼器通常是硬件設(shè)備，主要完成信息的壓縮與處理。為了實(shí)現(xiàn)較好的播放效果和通用性，要求媒體編碼器支持HDMI、SDI、VGA、CVBS等視頻源輸入，支持HDMI及SDI嵌入音頻輸入，支持H.264-HP、BP等多種模式編碼和高標(biāo)清編碼，編碼延時(shí)小于200 ms；流分割器是將音頻視頻文件分割為以“ts”為后綴的一個(gè)個(gè)小片段文件，無(wú)需重新編碼就能播放。在直播過(guò)程中，媒體編碼器不斷地產(chǎn)生數(shù)據(jù)，流分割器不斷地將其分割成一個(gè)個(gè)小文件，分割的文件大小由系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)置，通常是10 s左右；內(nèi)容服務(wù)器組件接收的輸入還可以是預(yù)編碼的流媒體文件，這時(shí)就需要文件分割器將其分割為以“ts”為后綴的小片段文件實(shí)現(xiàn)播放。

(2)內(nèi)容分發(fā)組件。內(nèi)容分發(fā)組件可以是標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器，接受客戶端請(qǐng)求，預(yù)先準(zhǔn)備好媒體數(shù)據(jù)及相關(guān)資源供客戶端下載直播。內(nèi)容分發(fā)文件管理兩類文件，一類是由流分割器或文件分割器分割的以“ts”為后綴的小片段文件，另一類是為對(duì)“ts”文件進(jìn)行管理而生成的索引文件?！皌s”文件為遵循MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的文件封裝格式，MPEG-2是MPEG組織制定的視頻和音頻有損壓縮標(biāo)準(zhǔn)之一，稱為“基于數(shù)字存儲(chǔ)媒體運(yùn)動(dòng)圖像和語(yǔ)音的壓縮標(biāo)準(zhǔn)”，是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視和高清晰電視在各種應(yīng)用下的壓縮方案，與MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)相比具有更高的圖像質(zhì)量、更多的圖像格式和傳輸碼率；索引文件采用m3u8文件格式規(guī)范，主要包括文件開(kāi)始標(biāo)志、媒體序列號(hào)、下一個(gè)媒體文件的大致時(shí)間、每一段“ts”文件的時(shí)長(zhǎng)及URL地址、文件結(jié)束標(biāo)志等。在完成直播時(shí)索引文件需要及時(shí)更新。

(3)客戶端?？蛻舳耸茄b有iOS系統(tǒng)的硬件設(shè)備，根據(jù)用戶操作，采用HTTP協(xié)議向Web服務(wù)器的內(nèi)容分發(fā)組件提出請(qǐng)求，下載流媒體資源來(lái)實(shí)現(xiàn)直播?？蛻舳耸紫仍L問(wèn)Web服務(wù)器中的m3u8索引文件，解析識(shí)別其中的每一個(gè)“ts”文件以及解密密鑰等信息。然后按順序下載索引文件中的“ts”媒體文件，在每個(gè)連續(xù)的“ts”分段文件之間沒(méi)有暫停和遲延地連續(xù)播放這些文件?？蛻舳瞬捎肏TTP協(xié)議向Web服務(wù)器提出請(qǐng)求。另外，客戶端還應(yīng)具有處理外部事務(wù)的功能，即在舞蹈教學(xué)直播的過(guò)程中，如發(fā)生來(lái)電、短消息、QQ信息、微信等外部事件，客戶端要及時(shí)正確處理，以保證舞蹈直播教學(xué)的正常進(jìn)行。

3 視頻編碼技術(shù)

視頻編碼技術(shù)是流媒體直播的關(guān)鍵技術(shù)，只有高效的視頻編碼才能保證在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的流媒體直播服務(wù)。視頻編碼技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)化和專業(yè)化并存。H.264是由JVT(Joint Video Team)提出的高度壓縮數(shù)字視頻編解碼器標(biāo)準(zhǔn)，是新一代數(shù)字視頻壓縮格式。

編解碼流程主要包括幀間和幀內(nèi)預(yù)測(cè)、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼五個(gè)部分。編碼器是實(shí)現(xiàn)編碼的設(shè)備，將信號(hào)或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式。H.264編碼器原理如圖3所示。

圖3 H.264編碼器原理

在圖3中，編碼器有兩條主要的數(shù)據(jù)流路徑，“上→下”編碼和“下→上”重建。原理描述如下[11-13]：以宏塊為單位，對(duì)輸入視頻第n幀F(xiàn)n進(jìn)行編碼；運(yùn)動(dòng)估計(jì)函數(shù)從參考幀中尋找當(dāng)前宏塊的匹配區(qū)域，該區(qū)域和當(dāng)前宏塊的位置偏移即為運(yùn)動(dòng)矢量MV；根據(jù)MV生成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)P；用當(dāng)前宏塊減去P生成當(dāng)前幀的殘差宏塊Dn；將Dn分割為8×8或4×4的子塊，分別進(jìn)行DCT變換；子塊量化(X)；子塊的DCT系數(shù)重排序，再進(jìn)行run-level游程編碼(在一個(gè)非零的DCT系數(shù)前連續(xù)為零的系數(shù)的數(shù)目被稱為“游”，而非零DCT系數(shù)的絕對(duì)值被稱為“程”)；編碼后的系數(shù)、運(yùn)動(dòng)矢量和相關(guān)宏塊頭信息經(jīng)過(guò)熵編碼后生成壓縮比特率。

4 直播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

直播系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)涉及在前文研究的采集視頻源和音頻源的數(shù)據(jù),對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行H264編碼和AAC編碼,視頻和音頻數(shù)據(jù)封裝為MPEG-TS包,HLS分段生成策略及m3u8索引文件,HTTP傳輸協(xié)議5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本節(jié)研究HLS的2項(xiàng)相關(guān)技術(shù)。

(1)HLS邏輯流程。以視頻直播為例，實(shí)現(xiàn)HLSLiveEncoder編碼器邏輯流程如圖4所示?；具^(guò)程是分別開(kāi)啟音頻與視頻編碼線程，通過(guò)DirectShow技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)音視頻采集，然后分別調(diào)用libx264和libfaac進(jìn)行視頻和音頻編碼。兩個(gè)編碼線程實(shí)時(shí)編碼音視頻數(shù)據(jù)后，根據(jù)自定義的分片策略，存儲(chǔ)在某個(gè)MPEG-TS格式分段文件中，當(dāng)完成一個(gè)分段文件的存儲(chǔ)后，更新m3u8索引文件。

(2)HLS類實(shí)現(xiàn)。HLS實(shí)現(xiàn)類如圖5所示[14]。其中，CHLSServer，進(jìn)行Socket偵聽(tīng)，管理所得客戶端HLS請(qǐng)求；CHLSClient，實(shí)現(xiàn)HTTP的請(qǐng)求響應(yīng)，根據(jù)客戶端請(qǐng)求的HLS內(nèi)容，交給CHLSSource進(jìn)行處理；CHLSSourceManager，所有HLS源管理器，HLS源可以是本地的文件，也可以是來(lái)自網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源；CHLSSource，實(shí)現(xiàn)具體的HLS請(qǐng)求，包括m3u8文件獲取和TS片段的獲取。

圖4 HLS邏輯流程

圖5 HLS實(shí)現(xiàn)類圖

5 結(jié)束語(yǔ)

素質(zhì)教育是指一種以提高受教育者綜合素質(zhì)為目標(biāo)的教育模式，舞蹈教育是推進(jìn)素質(zhì)教育的有效途徑之一。運(yùn)用視頻直播方式實(shí)現(xiàn)舞蹈教學(xué)普及教育，能提高廣大學(xué)生和人民大眾的藝術(shù)素質(zhì)、審美情趣、心理素質(zhì)和美學(xué)素養(yǎng)[15]。

iOS平臺(tái)運(yùn)用HTTP流媒體傳輸協(xié)議，運(yùn)用媒體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸機(jī)制，減輕了服務(wù)器和客戶端的工作負(fù)荷[16]。同時(shí)，大部分防火墻都允許HTTP協(xié)議穿透，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。但開(kāi)發(fā)時(shí)要注意分片間隔、視頻碼率、分辨率、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素，以此避免HLS在時(shí)間延遲方面的缺陷，提高直播效果。

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Design and Implementation on Dance Teaching Live System for iOS Platform

ZHANG Chi

(Bohai University,Jinzhou 121013,China)

Mobile learning is the online learning by use of mobile terminals at any time anywhere.With the popularity of WiFi,3G network coverage and mobile intelligent terminal,mobile learning becomes a new way of learning.In order to promote the popularization of the dance education and improve the level of dance teaching information,the teaching live system of the iOS platform is designed.Research content is divided into four aspects,containing the business discovery process based on the HTTP mode,through 7 steps to complete the live work,the live system structure consists of three parts,including streaming media service components,content distribution components and client,H.264 video encoder working principle and encoding process and live system implementation,including HLS logic implementation process and HLS class implementation methods.The results show iOS platform is based on HTTP streaming media transfer protocol,using real-time transfer mechanism of media data,with strong network adaptability,reducing the workload of the server and the client.

iOS platform;dance teaching;live system;design and implementation

2015-06-03

2015-09-04

時(shí)間：2016-02-18

遼寧省社會(huì)科學(xué)基金(L12DWJ018)

張 弛(1989-)，男，講師，碩士，研究方向?yàn)槲璧附逃c現(xiàn)代教育技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160218.1619.020.html

TP311

A

1673-629X(2016)03-0154-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.03.036