楊萃潔

(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545004)

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展的現(xiàn)在，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為信息采集、共享、處理和傳播的主要平臺(tái)。在移動(dòng)終端設(shè)備的硬件性能逐步升級(jí)的當(dāng)下，人們已經(jīng)將自身的工作、生活和學(xué)習(xí)融入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。以短視頻為表現(xiàn)形式的教學(xué)視頻資源——微課便是基于這樣一種生活模式和生活需求而誕生的。微課的出現(xiàn)滿足了快節(jié)奏生活下的碎片化知識(shí)資源需求，讓網(wǎng)絡(luò)用戶可以隨時(shí)隨地進(jìn)行碎片化的學(xué)習(xí)。但是，由于其基礎(chǔ)為無(wú)線通信技術(shù)，微課的服務(wù)質(zhì)量和使用情況將受流媒體的流量影響，如果網(wǎng)絡(luò)帶寬不佳，終端就會(huì)發(fā)生頻繁的畫(huà)面卡頓和數(shù)據(jù)緩沖，對(duì)用戶的移動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程造成阻礙。因此，要給學(xué)習(xí)者提供最佳的用戶體驗(yàn)，就需要構(gòu)建終端動(dòng)態(tài)碼流自適應(yīng)的微課支持系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)碼率等級(jí)自動(dòng)化調(diào)整，減少卡頓、緩沖的發(fā)生。

一、微課與自適應(yīng)移動(dòng)流媒體技術(shù)的關(guān)聯(lián)

微課是一種將教學(xué)信息碎片化、密集化呈現(xiàn)的授課方式，而自適應(yīng)移動(dòng)流媒體，則是流媒體類型的一種。首先，流媒體的實(shí)質(zhì)是一種流式數(shù)據(jù)包，它的特點(diǎn)是能夠在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息下載和數(shù)據(jù)信息播放兩種功能。這使得流媒體的便捷性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他的媒體類型，也因?yàn)槿绱?，流媒體是當(dāng)前主要的微課載體。早期的流媒體技術(shù)以RTSP/RTP為代表，不過(guò)，因?yàn)橐苿?dòng)智能終端的自身特性，RTSP流媒體沒(méi)法滿足跨防火墻的服務(wù)需求和CDN應(yīng)用需要。因此，為適應(yīng)其動(dòng)態(tài)信息的傳遞需求，又誕生了HTTP無(wú)連接技術(shù)。該技術(shù)協(xié)議可以有效滿足CDN應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)原RTSP技術(shù)沒(méi)法實(shí)現(xiàn)的功能。不過(guò)，因?yàn)镠TTP是漸進(jìn)式下載，在隱私保護(hù)上功能欠佳，同時(shí)也不具備直播能力，所以，在HTTP無(wú)連接技術(shù)的基礎(chǔ)上，又誕生了HTTP自適應(yīng)流媒體技術(shù)。該技術(shù)同時(shí)結(jié)合了RTSP流媒體技術(shù)和HTTP無(wú)連接技術(shù)兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，擁有碼率自調(diào)節(jié)能力，它會(huì)甄別使用者的終端網(wǎng)絡(luò)狀況，然后選擇能夠符合其網(wǎng)絡(luò)帶寬情況的碼率等級(jí)，保證用戶在觀看視頻時(shí)的暢通無(wú)阻。因此，在微課制作中，HTTP自適應(yīng)流媒體技術(shù)已經(jīng)成為主要的開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)。[1]

二、HLS技術(shù)的原理和基于HLS的微課移動(dòng)流媒體系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

該技術(shù)方案的推出者是蘋(píng)果公司，它的原理是以HTTP為載體，在此基礎(chǔ)上為移動(dòng)終端提供直播和點(diǎn)播功能。HLS技術(shù)的服務(wù)器是Web，具有出色的數(shù)據(jù)備份、處理能力，因此，在使用過(guò)程中可以較好地為使用者提供方便快捷的數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)能力，在時(shí)間戳和數(shù)據(jù)恢復(fù)能力上也十分出色。以Web服務(wù)器為基礎(chǔ)，因該服務(wù)器已經(jīng)具有了兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的能力，在運(yùn)行時(shí)該服務(wù)器會(huì)穿越防火墻和路由器，并應(yīng)用CDN，因此HLS技術(shù)不需要再構(gòu)建額外的流媒體服務(wù)器。這讓HLS技術(shù)的可靠性和部署簡(jiǎn)潔性要遠(yuǎn)高于其他的流媒體系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，HLS流媒體系統(tǒng)的組件可分成Server、Distribution和Client三個(gè)部分。其中，Server端組件負(fù)責(zé)HLS流媒體系統(tǒng)的分段與封裝，當(dāng)用戶在觀看視頻時(shí)，Server端組件就會(huì)把文件進(jìn)行轉(zhuǎn)碼分段，使其成為適合在客戶端傳輸?shù)男∑?；Distribution組件則負(fù)責(zé)HLS流媒體系統(tǒng)的傳輸功能，它是三個(gè)架構(gòu)中和Web服務(wù)器關(guān)聯(lián)最密切的一部分，其功能依托Web服務(wù)器展開(kāi)，在遵守HTTP協(xié)議的原則上向移動(dòng)客戶端由Server端組件完成轉(zhuǎn)碼和分段后的文件，譬如索引文件、短視頻、相關(guān)教育資源等；Client組件則負(fù)責(zé)完成移動(dòng)客戶端的流媒體請(qǐng)求，它會(huì)在接收到Distribution組件所傳遞的數(shù)據(jù)后將其進(jìn)行重組、播放預(yù)處理，以此保障微課內(nèi)容的正常播放。[2]

使用HLS流媒體系統(tǒng)制作微課的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。當(dāng)前的移動(dòng)終端用戶體驗(yàn)不僅包括授課內(nèi)容、價(jià)值成分、情感體驗(yàn)，也包括微課的直接呈現(xiàn)方式和效果。從邏輯上看，微課的順利播放將會(huì)直接影響用戶對(duì)微課的直觀感受，也就是情感體驗(yàn)。這說(shuō)明微課的呈現(xiàn)方式與效果會(huì)決定微課的好與壞。傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)沒(méi)法根據(jù)移動(dòng)終端確定合適的數(shù)據(jù)碼流，不僅容易出現(xiàn)視頻卡頓的問(wèn)題，還有很高的概率造成傳輸差錯(cuò)、數(shù)據(jù)包丟失，致使媒體文件的畫(huà)面出現(xiàn)不連貫、幀數(shù)缺失的情況，導(dǎo)致用戶沒(méi)法享受到完整的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

特別是當(dāng)下，我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量激增，通過(guò)微課完成學(xué)習(xí)任務(wù)的群體數(shù)量也越來(lái)越多，在這種情況下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)陷入了碼流增長(zhǎng)、鏈路不穩(wěn)定的困擾中。而HLS流媒體系統(tǒng)則可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化及運(yùn)行管理平臺(tái)的基本情況對(duì)碼率進(jìn)行動(dòng)態(tài)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種碼流的切換與支持，確保生成不同等級(jí)的獨(dú)立碼流文件，以此為使用不同網(wǎng)絡(luò)帶寬的用戶提供最佳的服務(wù)體驗(yàn)。

三、微課移動(dòng)流媒體系統(tǒng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

(一)微課移動(dòng)流媒體的系統(tǒng)架構(gòu)

HLS技術(shù)主要由微課采集服務(wù)器、多碼流微課服務(wù)器和Web服務(wù)器這三個(gè)部分構(gòu)成，它的所有內(nèi)容都是依靠這三者生成和分發(fā)的。HLS技術(shù)的服務(wù)器采取B/S結(jié)構(gòu)，這是一種基于C/S結(jié)構(gòu)的升級(jí)系統(tǒng)，它基于Internet技術(shù)，通過(guò)WWW瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，只有極少部分?jǐn)?shù)據(jù)邏輯是在前端實(shí)現(xiàn)的。因此，HLS技術(shù)可以幫助客戶端支持直播和點(diǎn)播功能。HLS技術(shù)在有了客戶機(jī)和數(shù)據(jù)服務(wù)器兩層體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又增加了We服務(wù)器。也就是說(shuō)，在B/S型結(jié)構(gòu)中擁有兩個(gè)服務(wù)器，一個(gè)是數(shù)據(jù)服務(wù)器，另一個(gè)是We服務(wù)器，其結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)為接口、We服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器三層體系。其中，第一層體系是接口。接口是實(shí)現(xiàn)用戶和系統(tǒng)連接的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向溝通的必要組成部分。由于B/S型結(jié)構(gòu)的目的是具備更快、更強(qiáng)、更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息處理能力，因此B/S型結(jié)構(gòu)的第一層體系與第二層體系保持緊密的關(guān)聯(lián)。B/S型結(jié)構(gòu)的第二層體系是Web服務(wù)器，它的運(yùn)作原理是：當(dāng)用戶開(kāi)始使用B/S型結(jié)構(gòu)的相應(yīng)程序?qū)g覽器進(jìn)行連接，執(zhí)行上網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鲿r(shí)，B/S型結(jié)構(gòu)的接口會(huì)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，Web服務(wù)器在接收到這層請(qǐng)求信息之后，會(huì)對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的回復(fù)，同時(shí)通過(guò)HTML代碼將對(duì)應(yīng)信息反饋給使用者。用戶在獲得反饋信息后，便能完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的獲取和處理。此時(shí)，用戶能夠依靠B/S型結(jié)構(gòu)的第三層體系，也就是數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和保存操作，實(shí)現(xiàn)信息處理的精準(zhǔn)化、效率化。[3]

微課采集服務(wù)器則負(fù)責(zé)具體直播行為，它會(huì)通過(guò)將實(shí)時(shí)音視頻輸入編碼器組件的方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)音視頻文件的編碼，編碼格式為H.264/AAC格式。完成編碼之后的音視頻便會(huì)成為支持點(diǎn)播功能的文件形式，之后會(huì)被存儲(chǔ)并推送到多碼流微課服務(wù)器中進(jìn)行封裝。

多碼流微課服務(wù)器的作用則是通過(guò)封裝使文件成為符合MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)的TS流，在依靠流分割器組件對(duì)TS流進(jìn)行分段。雖然經(jīng)歷了分段的TS流會(huì)成為獨(dú)立的文件，但彼此之間還是保持著連續(xù)性。分段是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)碼率調(diào)整的重要一步，這些經(jīng)過(guò)分割的小片段會(huì)被Web服務(wù)器所儲(chǔ)存。同時(shí)，原分割組件會(huì)創(chuàng)建一個(gè)索引文件，即用戶經(jīng)常看到的擴(kuò)展名為.m3u8的文件。這個(gè)文件的作用是把已經(jīng)分段的媒體文件片段在Web服務(wù)器中的位置進(jìn)行記錄，它會(huì)隨小片段文件的增多而不斷地更新自身。于是，當(dāng)用戶觀看微課時(shí)，客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，Web服務(wù)器向后臺(tái)請(qǐng)求擴(kuò)展名為.m3u8的索引文件。這些文件被返回客戶端，客戶端便可以根據(jù)文件所提供的路徑引導(dǎo)，將儲(chǔ)存于Web服務(wù)器中的TS片段流進(jìn)行有序的下載，這樣便實(shí)現(xiàn)了HLS技術(shù)的動(dòng)態(tài)碼率調(diào)節(jié)功能。

(二)微課移動(dòng)流媒體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)微課移動(dòng)流媒體系統(tǒng)，就必須對(duì)服務(wù)器端的微課流媒體系統(tǒng)加以重視。從HLS技術(shù)的架構(gòu)及組件組成可以看出，其在線下載、動(dòng)態(tài)調(diào)整碼率和直播點(diǎn)播的功能都來(lái)自微課視頻采集服務(wù)器端，而該服務(wù)器端在處理微課直播時(shí)是依靠DirectShow技術(shù)對(duì)視頻進(jìn)行采集。DirectShow是目前HLS技術(shù)中常用的流媒體處理開(kāi)發(fā)包，對(duì)現(xiàn)在常用的Mp4、ASF、Mpeg、AVI等視頻格式都能予以支持，通過(guò)DirectShow完成視頻釆集后，才能對(duì)其進(jìn)行編碼，而文件的轉(zhuǎn)碼功能則由FFmpeg完成。FFmpeg是一種采用LGPLGPL許可協(xié)議的開(kāi)源程序，這使得它同時(shí)包含了視頻編解碼庫(kù)和libavcodec音頻等功能。當(dāng)進(jìn)行微課播放時(shí)，依靠FFmpeg的輪循程序，就能完成音視頻文件的編碼和封包，并存儲(chǔ)為.ts文件格式，之后依靠流分割器組件對(duì)TS流進(jìn)行分割生成.m3u8的索引文件，再基于HTTP與服務(wù)器進(jìn)行交互，通過(guò)向終端反饋網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)資源狀況，請(qǐng)求m3u8索引數(shù)據(jù)和m3u8索引指向的微課視頻數(shù)據(jù)，服務(wù)器端便會(huì)響應(yīng)自適應(yīng)碼流的微課視頻，由播放器封裝、解碼呈現(xiàn)給用戶，保障用戶在觀看視頻的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)緩沖和卡頓等問(wèn)題。

在信息技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，用戶對(duì)流媒體的視頻服務(wù)要求也越來(lái)越高，HLS技術(shù)是在HTTP的基礎(chǔ)上進(jìn)行自適應(yīng)流媒體傳輸?shù)模瑢?duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資源有限和帶寬不穩(wěn)定的問(wèn)題可以智能地進(jìn)行感知，并適時(shí)切換碼流，為用戶提供適合自己所在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的最佳流式文件，從而為用戶帶去最好的用戶體驗(yàn)。