葉興 汪彥 肖金琢

摘要：為了提高當(dāng)前高校機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信息化管理水平，改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)房教學(xué)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用C/S結(jié)構(gòu)，以Visual Studio 2012作為開發(fā)工具，并使用SQL Server 2010作為數(shù)據(jù)庫(kù)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基本的機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理功能，并采用較為新穎的RTMP協(xié)議配合FFmpeg工具進(jìn)行屏幕共享功能的實(shí)現(xiàn)，在保證畫面質(zhì)量的同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率有了進(jìn)一步的提高。

關(guān)鍵詞：教學(xué)系統(tǒng)；信息化；C/S；屏幕共享； RTMP協(xié)議；FFmpeg

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）04-0091-03

隨著信息時(shí)代的高速發(fā)展，高校教學(xué)思想與教學(xué)平臺(tái)發(fā)生了翻天覆地的變化[1]。越來越多的高校將機(jī)房規(guī)模擴(kuò)大以便適應(yīng)時(shí)代潮流，而在高校教學(xué)活動(dòng)當(dāng)中，機(jī)房實(shí)踐教學(xué)處于突出位置，這使得這種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)教學(xué)面對(duì)著十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。不過囿于人力與資金的關(guān)系，現(xiàn)在許多高校仍然在使用比較傳統(tǒng)的教學(xué)管理方式，這不但使得教學(xué)質(zhì)量堪憂，也造成了較大的資源浪費(fèi)。因此，需要一種方便而實(shí)用的機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)來解決當(dāng)前的問題。結(jié)合實(shí)際機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)狀況，我們?cè)O(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)房教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用Visual Studio 2012作為開發(fā)工具，使用SQL Server 2010實(shí)現(xiàn)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 目前背景介紹

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同類的教學(xué)軟件大部分為機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[2-3]，大都具有廣播教學(xué)、文件傳輸?shù)裙δ?，但有些系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)如今信息化教學(xué)的潮流和軟硬件環(huán)境的變化，筆者認(rèn)為可以用更高效、更穩(wěn)定的技術(shù)進(jìn)行機(jī)房教學(xué)系統(tǒng)基本功能的改進(jìn)與擴(kuò)展。

2 系統(tǒng)分析

2.1 需求分析

經(jīng)調(diào)研分析，我們了解到現(xiàn)階段高校機(jī)房系統(tǒng)的管理需求主要存在于高效率的屏幕共享、文件傳輸、設(shè)備監(jiān)管與簽到簽退等方面，同時(shí)系統(tǒng)需具有良好的可兼容性、可維護(hù)性。

2.2 可行性分析

文件傳輸與設(shè)備監(jiān)管等需求可以使用傳統(tǒng)的Socket通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，作為授課主要功能的屏幕共享則使用更為穩(wěn)定、高效的RTMP協(xié)議來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而使用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以進(jìn)行后臺(tái)學(xué)生信息管理，實(shí)現(xiàn)課堂簽到、簽退等功能。這些技術(shù)都是比較成熟和穩(wěn)定的，因此該系統(tǒng)從技術(shù)的角度來看具有可行性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)分為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、分發(fā)服務(wù)器、教師端軟件和學(xué)生端軟件四部分。后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2010與分發(fā)服務(wù)器都運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上。教師端軟件運(yùn)行在教師機(jī)上，學(xué)生端軟件則運(yùn)行在學(xué)生機(jī)上，教師端軟件與學(xué)生端軟件之間、運(yùn)行于不同學(xué)生機(jī)的學(xué)生端軟件之間通過Socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。教師端和學(xué)生端均采用EF（Entity Framework）框架訪問后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，EF框架在3.3節(jié)闡述。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

如構(gòu)架圖所示，機(jī)房教學(xué)系統(tǒng)分為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、分發(fā)服務(wù)器、教師端軟件、學(xué)生端軟件四部分。教師可以通過教師端軟件廣播屏幕功能向?qū)W生機(jī)廣播自己的屏幕，共享文件功能對(duì)文件進(jìn)行發(fā)送，在線討論功能與學(xué)生進(jìn)行交流，并可以設(shè)置是否允許討論，還可以通過遠(yuǎn)程控制對(duì)學(xué)生端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，如關(guān)閉學(xué)生機(jī)上的某個(gè)程序，遠(yuǎn)程關(guān)機(jī)等等。學(xué)生通過學(xué)生端軟件可以進(jìn)行簽到，簽退，進(jìn)行討論，接收教師機(jī)共享文件，觀看教師機(jī)廣播屏幕等功能。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

機(jī)房教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)除了使用功能強(qiáng)大的SQL Server 2010構(gòu)建外，還使用了微軟的EF（Entity Framework）框架。EF框架是ADO.NET （ActiveX Data Objects 活動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)象）中的一套支持開發(fā)面向數(shù)據(jù)的軟件應(yīng)用程序的技術(shù)，是微軟的一個(gè)ORM（Object Relational Mapping對(duì)象關(guān)系映射）框架。此框架最大的作用就是夠使用特定于域的對(duì)象來處理數(shù)據(jù)，而無(wú)需關(guān)注存儲(chǔ)在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)表和列，簡(jiǎn)而言之就是使用更少的代碼創(chuàng)建和維護(hù)面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，使得訪問數(shù)據(jù)庫(kù)像使用一個(gè)class類一般簡(jiǎn)單。

合理利用數(shù)據(jù)庫(kù)可以大量減少日常工作任務(wù)，結(jié)合實(shí)際情況分析，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)共設(shè)計(jì)四張表，分別是教師信息表、學(xué)生信息表、實(shí)驗(yàn)記錄表、課堂記錄表。

1）學(xué)生信息表用于學(xué)生具體信息的記錄，包括學(xué)生學(xué)號(hào)、姓名、班號(hào)、性別、登錄密碼和院系名稱。

2）教師信息表用于記錄教師的具體信息，包括教師工號(hào)、姓名、性別、登錄密碼和院系名稱。

3）課堂記錄表是記錄本次課堂的詳細(xì)信息，包括機(jī)房編號(hào)、授課時(shí)間、教師工號(hào)、班號(hào)、到課人數(shù)、缺勤人數(shù)、缺勤學(xué)號(hào)。

4）學(xué)生實(shí)驗(yàn)記錄表是記錄具體每次上機(jī)實(shí)驗(yàn)的信息，包括學(xué)號(hào)、機(jī)房編號(hào)、實(shí)驗(yàn)編號(hào)、教師工號(hào)、班號(hào)、實(shí)驗(yàn)分?jǐn)?shù)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 RTMP協(xié)議簡(jiǎn)介

RTMP （Real Time Messaging Protocol實(shí)時(shí)消息傳輸協(xié)議） 是專門用來傳輸音視頻數(shù)據(jù)的流媒體。它基于TCP/IP協(xié)議，是一個(gè)協(xié)議族，除了基本協(xié)議之外還包含RTMPT/RTMPS/RTMPE等多種變種。它最初由Macromedia公司創(chuàng)建， 后來歸Adobe公司所有， 是一種應(yīng)用非常廣泛的通信協(xié)議，其研發(fā)目的是為了更好地完成實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信任務(wù)，實(shí)現(xiàn)音頻視頻文件的傳遞接收。但隨著流媒體技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，RTMP協(xié)議的使用范圍也在不斷擴(kuò)大，多個(gè)在音視頻傳播領(lǐng)域有廣泛影響力的，類似于Flash+AIR（Adobe Integrated Runtime ）軟件中，RTMP協(xié)議都可以完美支持[4]。

4.2 利用RTMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)屏幕共享

所謂屏幕共享，是指在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，遠(yuǎn)程客戶端可以在較短的時(shí)間延遲內(nèi)重現(xiàn)主機(jī)屏幕界面的顯示內(nèi)容，并提供給遠(yuǎn)程用戶一種如坐在主機(jī)旁一樣的虛擬界面環(huán)境。屏幕共享是一種重要的數(shù)據(jù)共享應(yīng)用，已在視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和股票分析系統(tǒng)等領(lǐng)域中取得到了良好的應(yīng)用。

屏幕共享最開始源于蘋果公司所提出GUI （Graphic User Interface圖形用戶界面），后因?yàn)槠涑杀镜?、靈活和便于維護(hù)等優(yōu)越性得以迅速發(fā)展[5-6]。在本系統(tǒng)中，整個(gè)屏幕共享功能的簡(jiǎn)要流程如圖3所示。

其中本系統(tǒng)的分發(fā)服務(wù)器部分，利用SRS（Simple RTMP Server）搭建RTMP服務(wù)器，在配置方面較為簡(jiǎn)單方便，利于后面使用FFmpeg工具進(jìn)行推流與拉流。FFmpeg是一套非常強(qiáng)大的視頻、音頻開源轉(zhuǎn)換程序，能將視頻、音頻轉(zhuǎn)換成流，F(xiàn)Fmpeg內(nèi)置的gdigrab就可以進(jìn)行基于Win32 GDI（Graphics Device Interface圖形設(shè)備接口）的屏幕捕獲，只要一條ffmpeg -f gdigrab -i desktop指令即可，在采集教師端的桌面畫面后進(jìn)行壓縮轉(zhuǎn)碼操作，將其轉(zhuǎn)換成流。至此之后就是進(jìn)行推流的準(zhǔn)備，將流封裝成RTMP格式，且在傳輸時(shí)需要拆分成一個(gè)個(gè)的Chunk塊。RTMP流的傳輸不是用Message劃分的，而是用Chunk塊，接下來使用FFmpeg即可進(jìn)行推流，把利用RTMP協(xié)議封裝好后的RTMP流傳輸?shù)椒?wù)器上。其具體操作可概括為初始化、握手、建立連接和建立流等環(huán)節(jié)，此處以本機(jī)服務(wù)器地址為例，F(xiàn)Fmpeg工具的推流的啟動(dòng)指令為ffmpeg -f gdigrab -i desktop–b4M –r 10 –preset ultrafast –turezerlatency–fflvrtmp：localhost：1935/live/room，在學(xué)生端同樣利用FFmpeg進(jìn)行拉流，此時(shí)也需要進(jìn)行轉(zhuǎn)碼操作。值得一提的是使用FFmpeg的C# BindingFFmpeg.AutoGen直接用指針來操縱流，所造成的延遲較低，大概在1秒左右。在整個(gè)屏幕共享過程中RTMP流的轉(zhuǎn)碼是重中之重，視頻文件的輸出轉(zhuǎn)碼過程如圖：

所謂轉(zhuǎn)碼即為視頻信號(hào)從一種格式轉(zhuǎn)換成另一種格式。這里即為視頻流與RTMP流之間的相互轉(zhuǎn)換，學(xué)生端只有正確地將RTMP流進(jìn)行轉(zhuǎn)碼才能觀看到教師端的畫面。

學(xué)生端轉(zhuǎn)碼的部分核心代碼如下：

_pFormatContext=ffmpeg.avformat_alloc_context（）；//創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)存

varpFormatContext = _pFormatContext；

//寫入

ffmpeg.avformat_open_input（&pFormatContext， url， null， null）.ThrowExceptionIfError（）；

ffmpeg.avformat_find_stream_info（_pFormatContext， null）.ThrowExceptionIfError（）；

//查找第一個(gè)視頻流

AVStream* pStream = null；

for（vari = 0；i< _pFormatContext->nb_streams； i++）

//判斷是否為視頻流

if（_pFormatContext->streams[i]->codec->codec_type == AVMediaType.AVMEDIA_TYPE_VIDEO）

{

pStream = _pFormatContext->streams[i]；

break；

}

//沒有找到視頻流就拋出異常

If（pStream == null） throw new InvalidOperationException（"Could not found video stream."）；

//設(shè)定流

_streamIndex = pStream->index；

_pCodecContext = pStream->codec；

//查找編碼和解碼

varcodecId = _pCodecContext->codec_id；

varpCodec=ffmpeg.avcodec_find_decoder（codecId）；

if （pCodec==null）throw new

InvalidOperationException（"Unsupported codec."）；//不支持編碼類型

//解碼

ffmpeg.avcodec_open2（_pCodecContext， pCodec， null）.ThrowExceptionIfError（）；

//設(shè)置解碼名

CodecName=ffmpeg.avcodec_get_name（codecId）；

//設(shè)置幀的大小

FrameSize=new Size（_pCodecContext->width， _pCodecContext->height）；

//設(shè)置像素格式

PixelFormat = _pCodecContext->pix_fmt；

//創(chuàng)建視頻

_pPacket = ffmpeg.av_packet_alloc（）；

_pFrame = ffmpeg.av_frame_alloc（）；

5 結(jié)束語(yǔ)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)普及的時(shí)代，實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)遇到更多的挑戰(zhàn)是必然的。想要有效提升高校機(jī)房教學(xué)管理水平，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)庫(kù)和機(jī)房教學(xué)等方面有著比較深刻的認(rèn)知，了解機(jī)房具體管理運(yùn)作和系統(tǒng)功能塊上的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合日常機(jī)房實(shí)踐管理案例，針對(duì)性地將系統(tǒng)進(jìn)行修改與擴(kuò)展。本文所介紹的系統(tǒng)，提高了實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)質(zhì)量，簡(jiǎn)化了日常教學(xué)工作， 也使機(jī)房實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作更加井然有序，這對(duì)當(dāng)前高校信息化教學(xué)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和推動(dòng)作用。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】