1、摘 要随着全球信息化进程的不断发展，教育信息化势在必行，网络多媒体教学正在逐渐成为主流教育形式。网络多媒体教学拓展了教学的时空纬度，为学习者提供了更为丰富、优质的学习资源，必将对提高教学质量、转变教学观念以及推进全民教育产生积极影响。本课题针对学校计算机实验室的教学和管理需要，设计并实现了一个网络多媒体教学系统。在屏幕图像截取方面，本系统结合最新的技术，解决了现有的商业化网络教学系统难以截取播放器画面的问题，提高了截屏和画屏的速度；在多媒体数据压缩方面，根据不同的媒体信息的特性采用了不同的压缩方式，对于屏幕图像信息，采用确定变化区域，然后对区域进行压缩传输的方式；数据传输使用了 UDP 多播，
2、设计并实现了在无连接网络协议上的应用层传输控制协议，使媒体信息在客户端能正确、同步重现；控制命令以及文件的传输也使用了 UDP 方式，并且通过应用层协议，使文件用 UDP 方式高效率地传递给客户端。在教学辅助的其他方面，提供了遥控辅导、文件传输、等实用的功能。通过本论文的研究结果，使网络多媒体教学系统取得了截屏准确高效、压缩快速、广播延时小、系统运行稳定的效果关键词：java 图像压缩 多媒体教室ABSTRACTUnderthesuccessivedevelopmentofbecominganinformationsociety,itisimperativethateducationwillu
3、semoreinformationtechnology.Thenetworkmultimediateachingisgraduallybecomingthemainstreamofeducationformwhichdevelopstheteachingspaceandtimelatitude,providesstudyresourceofrichandhighqualityforthelearner,itwillcertainlyhavethepositiveinfluenceonimprovingtheteachingquality,transformingtheteachingmetho
4、dandpromotingsocialeducation.Inordertomeetthedemandofteachingandmanagingofcomputerlaboratory,thistopicdesignsandimplementsanetworkmultimediateachingsystem.Inthescreenimagecapturingaspect,thissystemusesthenewesttechnology,solvedtheproblemwhichexistsincommercialnetworkteachingsystemthatthesurfaceofvid
5、eoplayercannotbecapture,andenhancedthescreencapturingandrenderingspeed.Intheaspectofmultimediadatacompression,thissystemselectsdifferentcompressionmethodsforthedifferentmediainformation.Forthescreenimageinformation,wefindthechangedareafirst,thencompressandtransferthedataofchangedarea.Forthemouse,wes
6、eparateitfromthescreenimageandtransferitwithamixedmethodthatincludessemanticcompressandimagecompress,thusitsmovementhasthecontinuity.UDPprotocolwithgroupbroadcasttechnologyisusedfordatatransmission.Idesignandimplementthetransmissioncontrollingprotocolonapplicationlayer.Itenablesthemediadatatobereapp
7、earedcorrectlyandsynchronouslyontheclientside.UDPprotocolisalsousedforthetransmissionofcontrolcommandsandfiles.Throughtheprotocolofapplicationlayer,filesaretransmittedefficientlytothestudentsidewiththeUDPprotocol.Intheotheraspectsofaidedteaching,weprovidepracticalfunctionssuchasremotecontrolling,com
8、puterinformation,screenvideorecordingandsoon.Thoughthispaper,thenetworkmultimediateachingsystembecamemoreeffectiveforcapturingscreen,higherspeedforcompressing,shortertimeonpostponeandachievestabilization.KeyWords：java Imagecompression Mutimediaclassroom目 录1 前 言 .11.1 开发背景.11.2 研究的意义.11.3 国内外研究现状.21.
9、4 系统设计目标.32 系统开发于相关技术 .42.1 java 语言.42.2 图像压缩算法.52.3 网络传输协议.63 系统分析 .93.1 可行性分析.93.1.1 项目可行性分析.93.1.2 使用可行性分析.93.2 系统的主要功能.93.3 系统基本结构.94 概要设计 .114.1 功能描述.114.2 系统功能模块分析.124.3 功能特色.124.3.1 课堂教学过程通过网络实时发布.124.3.2 教学信息完整的在其它多媒体教室还原再现.124.4 多线程机制.134.5 通信协议设计.144.5.1 教师端到学生端.144.5.2 学生到教师端.155 多媒体教学平台的
10、实现 .165.1 实现效果.165.2 屏幕截取与图像压缩.175.2.1 屏幕的截取.175.2.2 图像压缩算法.185.3 文件传输的实现.205.3.1 文件服务器.205.3.2 文件下载客户端.215.4 广播通信的实现.225.4.1 广播通信的报文解析器实现.225.4.2 广播的实现.236 系统测试 .246.1 黑盒测试与白盒测试.246.2 测试具体实施.256.3 测试结果.256.4 测试分析总结及说明.25结 论 .26谢 辞 .27参考文献 .28附 录 .29大连交通大学信息工程学院 2011 届本科生毕业设计（论文）11 前 言1.1 开发背景计算机辅助教
11、学(CAI)至今己经有了 30 多年的发展历史。CAI 课件由单一的文本形式发展成了多媒体形式，由单机环境向分布式发展。目前己进入了多媒体网络化交互式教学阶段。多媒体教学网络，从技术上讲主要包含多媒体技术和网络技术。多媒体技术是指利用计算机把文字、图形、影像、声音、动画等多种媒体合成处理并组成一个交互系统的技术;而网络技术则可以把分散独立的计算机通过通信设施互联起来，从而实施异地通讯和资源共享等功能。将多媒体技术融进网络技术并应用于课堂教学就产生了多媒体教学网络。因此，多媒体教学网络可以描述为:把计算机技术、多媒体技术、网络技术和现代教学方法有机结合起来的一种辅助教学手段。多媒体教学网络系统又
12、称为网络型电子教室，它是在局域网和教学网络管理软件的基础上又增加了一套视频传输系统。多媒体 CAI 网络化教学是使用计算机作为工具、利用网络技术、多媒体技术和现代教学技术进行教学活动的一种崭新的教学形式。利用多媒体编制各类 CAI 课件、由计算机，声像设备和电子投影设备进行广播式或交互式教学活动，与传统教学模式相比具有生动形象、主动灵活、因材施教、资源共享等特点。能根据学生的经历、学习风格采取不同的教学策略，并能根据反馈信息为学生提供学习指导。教学形式从面对面的教师教、学生听的单一课堂教学方式，变成广播式学习，个别化学习和协同式学习等多种教学形式，实现了课堂教学的变革。多媒体 CAI 网络化教
13、学的诞生是教学形式的一场革命。这种教学形式教学信息内涵丰富，精简课时，提高教学质量和教学管理效率，可以预测它将成为 21 世纪教育的重要模式之一。1.2 研究的意义随着计算机技术、通信技术的迅速发展，人类社会的进入了信息时代，知识的更新速度越来越快，根据联合国教科文组织的统计，人类近 30 年来积累的知识占全部人类知识的 90%，而此前积累的所有知识只占 10%。高新科技的迅速发展，导致新产业的不断涌现，老产业的不断变革，客观上就要求人们不间断地学习和补充新的知识和技能。据国外学者统计：一个大学生在学校只能获得其所需知识的 10%左右，其余 90%则由他在以后的工作中，不断学习获得。所以，如何
14、解决知识激增，职业更新频繁而导致的人们对知识的需求，就使得改革教育形式和方法成为必然，计算机辅助教学改变了以往教学中形式单一、信息量小等等诸多弊病，多媒体辅助教学能实现个性化教育，发挥被教育者的积极主动性，具有良好的视觉、听觉效果、丰富的知识表达能力等多种优点。随着全球信息化进程的不断发展，教育信息化势在必行，网络多媒体教学正在逐渐成为主流教育形式。网络多媒体教学拓展了教学的时空纬度，为学习者提供了大连交通大学信息工程学院 2011 届本科生毕业设计（论文）2更为丰富、优质的学习资源，必将对提高教学质量、转变教学观念以及推进全民教育产生积极影响。传统的电脑教室，一般辅以投影仪或硬件网络系统，建
15、立网络多媒体教学系统，但由于高昂的成本和一些其他的原因，并不是一般教室可以配备的，而且硬件设备耗损大、维护烦琐、升级麻烦都是令学校困扰的问题。而作为一种纯软件的解决方案的网络多媒体教学系统，完全避免了这些硬件问题，而且教师可以把理论教学与实践操作相结合，直接在教师机上进行各种教学演示，并把每一步操作过程都实时同步传送到学生的电脑屏幕上。各种大量的多媒体课件资料、光盘教学资源、实验演示系统、教学方法与经验等都可以借助网络多媒体教学系统软件这种集语音、图像、文字、动画于一体的现代交互式教学模式实现了。可以在整个多媒体教室里共享文字、图像、语音、视频资源。这样，通过构建一种文字、语音、视频图像的互动
16、交流环境，学生可以同时在自己的电脑屏幕上分享各种教学资源，不但大大减轻了教师的工作负担，提高了教学效率，而且也使教学内容极其生动活泼，学生乐于接受。1.3 国内外研究现状一般来说，网络多媒体教学系统，根据其设计原理及实现方式的不同可分为三类：纯软件实现方式、软硬件结合实现方式、纯硬件实现方式。硬件实现方式在早期应用较多，但随着联网速度不断提高、个人电脑处理能力不断增强，硬件方式在以往的速度优势已经不再明显，而且其成本高、维护不便、升级困难，而软件实现方式正好能够克服硬件方式的缺点，并且在现在的普通配置的个人电脑上能够达到很好得执行效能，因此已经成为市场的主流。下面是市场上已有的一些相关软件产品
17、的介绍：1、方正集团的方正多媒体电子教室：方正多媒体电子教室软件是一套先进的多媒体教学广播系统，教师通过计算机网络，便可同时对百位学员进行电脑教学。教师与学生可利用影音双向通讯功能及教学辅助工具，进行各种各样多媒体影音互动教学，教师并可实时监控全体学员的学习状况，协助学校或企业达成高效能的网络教学目标。2、创讯软件的红蜘蛛网络多媒体教学系统：红蜘蛛多媒体网络教室由广州创讯软件有限公司开发，简称红蜘蛛软件。该软件运行于加载 TCP/IP 协议的Windows98/ME/2000/XP/2003 网络，主要在局域网络上实现多媒体信息的教学广播，是一款实现在电子教室、多媒体网络教室或者电脑教室中进行
18、多媒体网络教学的非常好的软件产品，集电脑教室的同步教学、控制、管理、音视频广播、网络考试等功能于一体，并能同时实现屏幕监视和远程控制等网络管理的目的。3、北京豪杰的豪杰网络多媒体教学系统等豪杰多媒体网络教室，是一种纯软件多媒体教学应用系统，它既不同于以往那些采用纯硬件或软硬件相结合方式而构建的网络教室系统，在设计思路和技术实现上，也不同于以往的纯软件网络教室系统。豪大连交通大学信息工程学院 2011 届本科生毕业设计（论文）3杰公司将多年累积的深层内核技术，借助于网络传输手段，应用到了多媒体网络教室软件中。4、DanwareData 公司的 NetOpSchool：全球最高销量的教室系统 Ne
19、tOpSchool 是一个不可多得的世界级教学软件。它是一套先进的教室示范及遥控系统，在欧美早已广泛使用。它可运行于任何 LAN 及 WAN 上，把教师的电脑示范画面在各同学的电脑中显示，又可在教师的电脑观看各同学的画面，甚或遥控任何同学的画面，或把任一同学的画面向其他同学展示。此系统的优点是功能强大而且操作简易，不需任何设定，每部机的安装只需一分钟即可启用。从上述的介绍可以看出，市场上现有的网络多媒体教学软件已经具备了屏幕广播、远程遥控、电子白板等网络教学系统所需的功能，但是在使用中发现它们普遍存在无法获取视频播放器画面的问题，可靠性也不高，系统的成熟性和稳定性还不尽如人意。1.4 系统设计
20、目标系统设计实现如下目标：1、能够远程监控学生，包括远程监视和远程控制2、能够实现可控制的聊天交流功能3、能够实现关机重启4、能够实现点名与签到等5、可以同步提问、答疑6、可以同步传输文件，包括接收文件和发送文件7、系统要求运行稳定，可靠性高。大连交通大学信息工程学院 2011 届本科生毕业设计（论文）42 系统开发于相关技术2.1 java 语言Java 语言是由 Sun 公司于 1995 年推出的一种新的编程语言，它是一种跨平台、适合于分布式计算环境的纯面向对象语言。Java 语言及其扩展正在逐步成为互联网应用的规范，掀起了自 PC 机以来的又一次技术革命。一般认为，B 语言导致了 C 语
21、言的诞生、C 语言演变出 C+语言，而 Java 语言则明显带有 C+语言的特征。Java 总是和 C+联系在一起，而 C+则是从 C 语言派生而来的，所以 Java 语言继承了这两种语言的大部分特性。Java 的语法是从 C 继承的，Java 许多面向对象特性都受到 C+的影响。事实上，Java 中几个自定义的特性都来自于或可以追溯到它的这些前驱语言。略有不同的是，Java 语言完全面向对象，从而摒弃了二者的不足之处。Java 语言的诞生与过去约 30 年中计算机语言的不断改进和发展密切相关。Java 是由 JamesGosling、PatrickNaughton、ChrisWarth、Ed
22、Frank 以及MikeSheridan 等人于 1991 年在 SunMicrosystems 公司设计出来的，开发第一个版本花了 18 个月时间。该语言最初名叫“Oak”，后来发现“Oak”已经是 Sun 公司另外一种语言的注册商标，于 1995 年更名为“Java”，即太平洋上一个盛产咖啡的岛屿的名字。从 1992 的秋天 Oak 问世，到 1995 春天公开发布 Java 语言，许多人都对 Java 的设计和改进做出了贡献。自从于 1995 年被正式推出之后，Java 语言就以其独特的优势迅猛发展，经过短短8、9 年时间，成为迄今为止最为优秀的面向对象语言。Java 也从当初的一种语言
23、而逐渐形成一种产业，基于 Java 语言的 J2EE 架构已成为微软.NET 平台的强大竞争对手。当初，Java 语言最初的发布不亚于一场革命，但是它并不标志着 Java 快速革新时代的结束。在 Java1.0 发布后不久，Java 的设计者就已经制定出了Java1.1、Java1.2、Java1.3、Java1.4、Java2、Java2.1.4 版。作为当前一种被广泛使用的面向对象编程语言，Java 具有多方面的特点。如果与其他众多的编程语言作一下比较，会发现这些特点正是 Java 语言之所以如此风靡的原因所在。虽然 Java 在某些方面（例如资源耗费）也存在一些不足，但这丝毫不影响Jav
24、a 作为目前最优秀面向对象编程语言的地位。Java 是一种被广泛使用的网络编程语言，这是一种新的计算概念。网络环境下的编程语言最需要解决的是可移植性和安全性问题。以字节方式进行编码，使得程序不受运行平台和环境的限制成为可能。Java语言还提供了丰富的类库，使程序设计人员可以很方便地调用相关类建立起自己的系统。Java 作为一种高级程序设计语言，它除具有面向对象、编写简单、脱离机器结构、具有分布性、鲁棒性、可移植性、安全性特点外，并且提供了并发机制，解释执行具有很高的性能。大连交通大学信息工程学院 2011 届本科生毕业设计（论文）52.2 图像压缩算法由于网络多媒体教学系统对实时性的要求以及网
25、络带宽的限制，必须找到一种迅速有效的图像压缩算法来满足这一需求。目前主要存在以下一些主要的压缩算法：1、语义压缩:大多数基于 Windows 的应用程序的界面都具有统一的风格，这为对屏幕信息进行描述提供了可能。可以描述教师屏幕上有什么，教师的操作在屏幕上引起了哪种类型的变化，将这些信息传递给学生的计算机，再根据这些描述对教师屏幕进行重构，闲时到屏幕上。这种方法传输的数据量比传递图像要小得多，而且由于不必进行图像的实时压缩和解压缩，系统的性能也会显著提高。Windows 终端服务传输屏幕信息采取的就是基于语义压缩的方法。2、行程长度编码(RLE)：行程长度编码(run-lengthencodin
26、g)是压缩一个文件最简单的方法之一。它的做法就是把一系列的重复值(例如在有失真编码时，信号经过变换和量化后的系数集中，经常出现连续的 0)用一个单独的值再加上一个计数值来取代。比如字符序列aaaaaaaabbbbbbcccccccddd可以编码为 8a6b7c3d。译码时可以还原得到原来的数据，对比 RLE 编码前后的代码长度可以发现，只用 8 个编码就表示了 24原始数据，压缩比为 3：1。RLE 压缩率的大小取决于图像数据本身的特点。图像中具有相同颜色的图像块越大、这样的图像块占全图的比例越大，压缩率就越高，反之越小。这种方法实现起来比较简单，特别是对于经常出现较长连续值的计算机生成的图像
27、信息非常适用。3、Huffman 编码:Huffman 编码是一种形成前缀变长编码的方法。它根据信源中每个符号 Xk 的出现概率 Pk 进行码字分配，出现概率最小的分配最长码字。Huffman 编码对于每一个符号都给定了一个码字，形成一个编码表。接收端要有同样的编码表才能在译码时参照它正确地译码。此外，Huffman 编码对于不同的信源编码效率是不同的，例如在 JPEG 压缩时，可以对所有图像使用推荐的编码表，也可以根据图像的具体情况生成有针对性的编码表，当信源概率分布很不均匀时，Huffman 编码可以达到更高的压缩比。4、预测编码:在图像中，相邻像素间存在很强的相关性，可以由前面的像素值预
28、测当前的像素值，由实际值减去预测值得到预测误差。强相关性使得预测值比较接近实际值，因此预测误差序列是均值为零和具有更小方差的序列。其中最主要的方法是差分脉冲编(differentialpulsecodemodulation,DPCM)。5、变换编码：变换编码是目前应用最为广泛的图像压缩编码方法，几乎所有的图像(除 2 值图像外)和视频压缩标准均以变换编码为主要工具。近年所发展的一些技术，如区域或物体编码方法也以变换编码为基础。变换编码在压缩比、重构图像质量、适应范围和算法复杂性等方面能获得较好的折中，在实际中得到了广泛应用。其主要思想是去除相关并且将信号的主要能量集中在很少的几个系数上。大连交
29、通大学信息工程学院 2011 届本科生毕业设计（论文）66、序列图像编码：在视频图像压缩编码中,图像是由连续的帧形成的图像序列,由于景物变化速度的限制,相邻帧间存在很高的相关性,即存在很高的时间和空间冗余.怎样利用这种冗余,达到更高的压缩效率,是序列图像编码的主要课题.运动补偿技术结合变换编码构成了序列图像编码的主要方法。7、JPEG 编码标准:JPEG 是第一个被广泛接受的单色和彩色静止图像压缩标准，作为一个通用的图像压缩标准，JPEG 的制定满足几个原则。首先要反映当时先进的图像压缩算法的水平。其次要要在压缩比、图像质量、运算复杂性及软硬件实现的结构有效性等方面做出折衷，还要满足通用性原则
30、，一方面要适应各种图像类型，如人脸、建筑、自然景物及医学成像等；另一方面要适应各种色彩空间、图像维和分辨率等。标准还应该提供各种工作模式，以适应不同的应用要求，如，有失真、无失真、顺序工作方式、渐进方式及多种分辨方式。JPEG 的制定基本上满足了这些原则。JPEG 中的核心算法是 DCT 变换编码，其压缩性能基本反映了 20 世纪 80 年代末图像压缩的技术水平。但自从 JPEG 制定后的近 10 年，许多更有效的图像压缩技术已得到发展，如小波变换方法、分形方法、区域划分方法等。其中，发展最成熟和性能及通用性最好的静止图像压缩方法是小波变换方法，正因如此，制定了第二代静止图像压缩标准，标准文本
31、已于 2000 年公布，这就是 JPEG2000，它的核心技术是小波变换编码。2.3 网络传输协议网络传输是网络多媒体教学系统的核心之一，采用适当的传输协议对系统的性能及稳定将起到重大作用。1、TCP 与 UDP:TCP 协议是一种面向连接的传输协议，它利用重传机制来实现可靠文件传输，利用阻塞控制机制来防止网络阻塞。然而技术的进步使许多主机对所传送的信息有了不同的要求，越来越多的用户开始利用因特网传送多媒体信息。由于多媒体信息的信息量往往很大，对时延和时延抖动均有较高的要求，在因特网上传输实时数据的分组时可能出现差错或丢失等特点，实时数据的传输在运输层采用的是 UDP 而不是 TCP 协议。而
32、 UDP 协议的无连接特性，使得在需要传递相同数据到多个客户端时，所需网络流量可以不发生变化。TCP 自动进行流量控制，而 UDP 则不具备这一功能，如果需要在使用 UDP 时对流量进行控制，那么可以在应用层实现。2、广播：网络设备使用 IP 广播发送单独的信息包，可以达到网络上的所有设备。因为 TCP 通信需要两个设备使用专用的连接，因此在严格的 TCP 环境中无法发送广播消息。在这里必须使用 UDP 包，因为该协议具有在没有定义指定连接的情况下发送消息的能力。广播消息包含一个特殊的目的地 IP 地址。IP 地址格式允许两种类型的广播消息地址：本地广播和全球广播。网络程序使用本地广播地址向子网上所有设备发送广播消息。这样做的目的在于广播消息是局部的，其他网络不会受到广播的影响。通常的 IP 地址分为网络地址和主机地址两个部分，本地广播地址的第一部分是标准网络地址，而第二部分全为 1，如图 2.4 所示，对于 B 类网络 192.168.0.0，使用子网掩码
