在 公 用 电 话 网 (PSTN)上 实 现 的
交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 系 统
林 战 平
[摘 要 ] 提 出 了 一 种 在 PSTN上 实 现 的 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 系 统 ， 说 明 了 系 统 的 标 准 、 构 成 及 特 点 。
[关 键 词 ] PSTN 多 媒 体 远 程 教 学 系 统 视 频 会 议 系 统 H． 324
随 着 我 们 国 家 经 济 建 设 的 发 展 和 社 会 的 进 步 ， 对 各 类 人 才 的 需 求 越 来 越 多 ， 同 时 ， 随 着 知 识 更 新 速 度 的 加 快 ， 人 们 接 受 再 教 育 与 培 训 的 需 要 也 越 来 越 强 烈 。 这 样 ， 单 靠 在 学 校 里 面 对 面 的 教 育 形 式 ， 已 经 不 能 完 全 满 足 这 些 需 要 。 为 满 足 这 些 要 求 ， 培 养 更 多 的 人 才 ， 我 国 各 个 地 区 都 开 设 了 电 视 大 学 、 函 授 大 学 等 远 程 教 育 ， 作 为 传 统 面 对 面 教 育 形 式 的 一 种 代 替 或 补 充 形 式 ， 为 成 人 能 够 接 受 大 学 教 育 提 供 机 会 ， 弥 补 那 些 因 时 间 、 距 离 或 物 理 条 件 的 限 制 而 失 去 接 受 大 学 教 育 机 会 的 人 们 ， 使 他 们 能 在 不 脱 离 工 作 岗 位 的 情 况 下 更 新 知 识 。 我 们 国 家 自 开 办 电 大 、 函 大 以 来 ， 已 有 数 千 万 人 接 受 过 各 类 形 式 的 远 程 教 育 ， 其 中 还 涌 现 了 许 多 人 才 ， 远 程 教 育 的 成 绩 是 很 大 的 。 但 这 些 传 统 的 远 程 教 学 缺 乏 实 时 交 互 性 ， 采 用 单 向 的 教 学 方 式 ， 学 生 处 在 一 种 被 动 接 收 的 学 习 状 态 。 随 着 现 代 信 息 技 术 (包 括 电 子 技 术 、 计 算 机 技 术 、 多 媒 体 技 术 、 网 络 技 术 和 通 信 技 术 等 )的 飞 速 发 展 ， 远 程 教 学 系 统 可 以 借 助 于 新 的 传 输 技 术 和 传 输 媒 体 进 行 动 态 的 交 互 式 教 学 ， 即 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 。 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 能 使 身 处 异 地 的 师 生 间 和 同 学 间 实 现 声 音 、 图 像 、 数 据 、 图 文 的 面 对 面 交 互 ， 使 远 程 教 学 获 得 与 面 对 面 教 学 相 同 的 效 果 。 自 二 十 世 纪 九 十 年 代 以 来 ， 我 国 已 经 建 立 了 几 个 试 验 性 的 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 系 统 ， 它 们 大 都 采 用 交 互 式 视 频 会 议 系 统 来 实 现 多 点 间 的 双 向 视 频 和 音 频 及 其 它 多 媒 体 信 息 的 通 信 。 这 些 系 统 常 常 在 高 速 专 用 通 信 线 路 (如 DDN、 宽 带 卫 星 通 信 线 路 等 )上 传 播 ， 虽 然 非 常 有 效 ， 但 需 要 支 付 昂 贵 的 月 租 费 ， 因 此 难 于 普 及 。
那 么 ， 能 不 能 利 用 现 有 的 ， 分 布 最 广 泛 的 通 信 网 — — 公 用 电 话 网 (PSTN)来 实 现 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 呢 ?国 际 电 信 联 盟 电 信 标 准 化 部 门 (1TU— T)于 1996年 通 过 了 H． 324建 议 ， 即 ： 低 比 特 率 多 媒 体 通 信 终 端 。 基 于 H． 324建 议 的 视 频 会 议 系 统 能 通 过 V． 34调 制 解 调 器 (MODEM)， 在 PSIN上 实 时 传 送 语 音 、 图 像 和 其 它 数 据 。
1 H． 324简 介
H． 324是 低 比 特 率 的 视 频 会 议 标 准 总 集 ， 包 括 如 下 相 关 建 议 ：
· H． 324： 低 比 特 率 多 媒 体 通 信 终 端 (结 构 如 图 1所 示 )；
· H． 263： 低 比 特 率 活 动 图 像 压 缩 编 解 码 ， 用 于 实 现 低 于 64kbit/s传 输 比 特 率 的 数 字 视 频 编 解 码 ；
· G． 723． 1： 双 速 率 语 音 压 缩 编 解 码 ， 用 于 实 现 5． 3kbit/s和 6． 3kbit/s传 输 比 特 率 的 数 字 音 频 编 解 码 ；
· H． 245： 多 媒 体 通 信 控 制 ， 用 于 实 现 视 频 会 议 终 端 之 间 的 联 接 和 控 制 ；
· H.223： 多 媒 体 数 据 复 接 ， 用 于 实 现 图 像 、 语 音 、 数 据 、 控 制 信 息 等 数 据 流 的 复 接 和 分 接 ；
· V.34： 调 制 解 调 。
2 H． 324视 频 会 议 系 统 终 端 的 结 构 设 计
根 据 应 用 场 合 的 不 同 ， 视 频 会 议 系 统 终 端 的 设 计 方 案 有 多 种 ， 目 前 常 用 的 主 要 有 以 软 件 为 主 的 NSP(Native Signal Processing)方 式 ， 以 硬 件 为 主 的 专 用 芯 片 方 式 和 软 硬 结 合 的 DSP(Digital Signal Processing)方 式 。 本 方 案 采 用 PC机 主 控 的 DSP方 式 ， 其 构 成 如 图 2所 示 。
2． 1 基 本 结 构
本 视 频 会 议 系 统 终 端 可 分 为 软 件 和 硬 件 两 部 分 。 软 件 部 分 运 行 在 PC机 的 Windows95／ 98环 境 下 ， 充 分 利 用 Windows的 多 进 程 技 术 、 主 要 完 成 数 据 复 分 接 、 系 统 控 制 等 功 能 ， 协 调 各 硬 件 模 块 的 工 作 ， 并 提 供 一 个 友 好 的 人 机 界 面 ， 方 便 用 户 的 使 用 。 硬 件 模 块 由 一 块 PCI插 卡 、 MODEM和 一 些 外 部 设 备 ， 如 数 字 摄 像 头 、 显 示 器 、 话 筒 、 扬 声 器 等 构 成 。 PCI插 卡 主 要 完 成 图 像 和 语 音 的 编 解 码 ， 其 中 ， 图 像 编 解 码 由 TMS320C6201芯 片 实 现 ， 符 合 H． 263建 议 ， 语 音 编 解 码 由 ADSP2181芯 片 实 现 ， 符 合 G． 723． 1建 议 。
2． 2 设 计 特 点
图 像 和 语 音 编 解 码 算 法 所 需 的 运 算 量 非 常 大 ， 如 果 由 PC机 单 独 来 完 成 ， 即 使 用 去 全 部 CPU资 源 ， 也 难 以 取 得 较 好 的 视 觉 和 听 觉 效 果 。 另 一 方 面 ， 系 统 控 制 和 数 据 流 的 复 分 接 等 功 能 在 PC机 上 用 软 件 实 现 起 来 比 较 方 便 ， 而 用 硬 件 来 完 成 则 比 较 复 杂 ， 不 利 于 发 挥 硬 件 运 算 速 度 快 的 优 势 ， 且 不 利 于 调 试 。 因 此 ， 本 方 案 采 用 了 软 硬 结 合 的 方 法 ， 让 图 像 和 语 音 的 编 解 码 用 硬 件 完 成 ， 以 PCI插 卡 的 形 式 在 PC机 的 操 作 平 台 上 工 作 。 软 件 主 要 用 于 进 行 控 制 ， 硬 件 完 成 大 规 模 的 运 算 。 这 种 设 计 不 仅 简 化 了 硬 件 结 构 ， 给 调 试 和 检 测 带 来 了 方 便 ， 还 增 强 了 系 统 控 制 的 灵 活 性 和 可 靠 性 。 用 户 可 以 很 方 便 地 通 过 PC机 上 的 图 形 界 面 对 各 硬 件 模 块 进 行 控 制 ， 选 择 自 己 满 意 的 系 统 性 能 参 数 。
3 视 频 和 音 频 处 理 器 的 硬 件 实 现
3． 1 图 像 采 集
本 方 案 采 用 美 国 OV公 司 生 产 的 OV6600数 字 摄 像 头 作 为 图 像 采 集 设 备 。 由 于 摄 像 头 的 关 键 部 分 — — 光 电 转 换 部 分 采 用 了 CMOS图 像 传 感 器 ， 能 与 图 像 预 处 理 部 分 一 起 集 成 到 一 个 芯 片 中 ， 因 此 它 可 以 直 接 输 出 高 分 辨 率 的 数 字 图 像 信 号 。 同 时 ， OV6600芯 片 中 还 具 有 自 动 增 益 控 制 、 曝 光 调 整 、 γ 射 线 校 正 、 亮 度 、 色 度 、 对 比 度 、 饱 和 度 等 参 数 的 调 整 等 功 能 ， 这 些 功 能 均 是 通 过 一 个 总 线 接 口 进 行 控 制 ， 有 较 宽 的 动 态 范 围 ， 抗 浮 散 和 几 乎 没 有 拖 影 。 从 而 能 够 获 得 格 式 符 合 要 求 、 质 量 令 人 满 意 的 数 字 图 像 信 号 。 当 然 ， 如 果 已 有 了 摄 像 机 ， 则 可 将 全 电 视 信 号 经 过 一 个 BT829电 视 信 号 解 码 芯 片 ， 得 到 数 字 图 像 信 号 。
3． 2 图 像 编 解 码 处 理 器
由 于 受 传 输 速 率 的 限 制 ， 图 像 采 用 QCIF格 式 ， 即 Y信 号 为 176× 144， U信 号 和 V信 号 为 88× 72。 QCIF便 于 与 不 同 的 电 视 标 准 (PAL／ NTSC)之 间 的 相 互 转 换 。 从 数 字 摄 像 头 直 接 获 取 的 QCIF格 式 的 图 像 数 据 ， 逐 帧 送 入 图 像 编 码 器 。
图 像 编 解 码 处 理 器 采 用 美 国 TI公 司 生 产 的 TMS320C6201多 处 理 单 元 数 字 信 号 处 理 芯 片 。 C6201可 采 用 50MHz或 100MHz的 工 作 频 率 ， 经 内 部 倍 频 后 升 至 200MHz。 其 内 部 含 有 具 备 超 长 指 令 字 处 理 能 力 的 CPU和 8个 功 能 单 元 ， 故 而 它 可 在 一 个 时 钟 周 期 内 执 行 8条 指 令 ， 芯 片 运 算 能 力 最 高 可 达 1600MIPS。 再 加 之 其 良 好 的 外 部 RAM接 口 和 16bit的 主 机 接 口 以 及 四 通 道 的 DMA功 能 ， 具 有 极 强 的 外 部 数 据 交 换 能 力 ， 这 使 其 成 为 高 速 运 算 的 首 选 芯 片 。 其 特 点 为 ：
· 32位 定 点 运 算 ；
· 八 个 功 能 单 元 ， 分 成 两 组 ， 每 组 包 括 一 个 16＊ 16的 乘 法 器 和 三 个 32bit或 32／ 40blt的 算 术 逻 辑 运 算 单 元 ， 且 全 部 并 行 工 作 ；
· 64KB片 内 程 序 RAM／ Cache， 64KB片 内 数 据 RAM；
· 分 开 的 程 序 总 线 、 数 据 总 线 和 DMA总 线 ， 使 得 取 指 、 读 写 数 据 和 DMA操 作 可 以 并 行 ；
· 汇 编 语 言 指 令 大 部 分 是 单 周 期 的 ；
· 256位 的 超 长 指 令 ， 每 条 超 长 指 令 最 多 可 并 行 执 行 不 发 生 资 源 冲 突 的 8条 基 本 指 令 ；
· 流 水 线 操 作 ， 指 令 执 行 的 取 指 、 指 令 拆 装 、 译 码 、 执 行 四 个 步 骤 并 行 操 作 ；
· 强 大 的 通 信 功 能 ， 每 个 功 能 单 元 有 两 个 32bit输 入 端 口 ， 和 一 个 32bit或 32／ 40bit输 出 端 口 ； C6201有 四 个 独 立 的 DMA通 道 ， 每 个 通 道 可 根 据 需 要 传 输 8位 、 16位 或 32位 的 数 据 ； 两 个 多 通 道 带 缓 存 的 串 行 口 ， 支 持 全 双 工 通 信 ， 连 续 数 据 发 送 。
由 于 C6201的 工 作 频 率 高 ， 计 算 功 能 单 元 有 很 强 的 并 行 处 理 能 力 ， 此 外 ， 数 据 的 传 递 和 读 写 也 能 与 数 值 计 算 并 行 执 行 。 所 有 这 些 特 点 ， 都 极 大 地 提 高 了 图 像 处 理 速 度 ， 使 其 能 够 轻 松 实 现 H． 263编 解 码 (需 1000— 1175MIPS)。 它 接 收 来 自 OV6600的 数 字 视 频 信 号 经 H． 263压 缩 编 码 后 送 至 PCI总 线 上 ， 与 其 它 数 据 复 用 后 发 送 出 去 ， 又 将 来 自 PCI总 线 的 其 它 终 端 传 送 过 来 的 图 像 压 缩 编 码 经 H． 263解 码 后 送 回 PCI总 线 ， 在 本 终 端 上 显 示 。 同 时 ， C6201通 过 PCI总 线 与 PC机 相 连 ， 由 PC机 实 现 系 统 控 制 功 能 。
3． 3 语 音 采 集 和 预 处 理
由 话 筒 采 集 的 模 拟 语 音 信 号 需 进 行 A／ D转 换 和 PCM编 码 后 才 能 进 入 G． 723． 1语 音 编 码 器 。 本 方 案 选 用 美 国 TI公 司 生 产 的 TCM320AC37芯 片 来 完 成 这 些 工 作 。 它 的 主 要 功 能 是 将 输 入 的 模 拟 语 音 信 号 以 8KHz频 率 进 行 采 样 量 化 ， 按 ITU— TG． 711标 准 编 成 16bit的 线 性 PCM码 流 送 到 G． 723． 1语 音 编 码 器 ， 同 时 把 从 G． 723． 1解 码 器 送 出 来 的 16bit线 性 PCM码 流 转 换 成 模 拟 语 音 信 号 ， 送 到 扬 声 器 播 放 。
3． 4 语 音 编 解 码 处 理 器
G． 723． 1语 音 编 解 码 器 建 议 有 两 种 可 选 编 码 速 率 5． 3kbit/s和 6． 3kbit/s， 用 户 可 以 根 据 信 道 情 况 ， 在 任 意 两 帧 之 间 切 换 编 码 速 率 。 G． 723． 1的 帧 长 为 30ms， 加 上 额 外 开 销 ， 其 算 法 的 固 有 时 延 就 达 37． 5ms。 因 此 ， 在 系 统 中 需 加 入 ADSPl604回 声 抵 消 器 ， 才 能 取 得 较 好 的 听 觉 质 量 。 语 音 编 解 码 器 选 用 美 国 AD公 司 生 产 的 ADSP2181芯 片 。 ADSP2181是 16位 的 定 点 数 字 信 号 处 理 芯 片 ， 它 接 收 来 自 AC37的 语 音 PCM码 流 完 成 G． 723.1压 缩 编 码 后 送 至 PCI总 线 ， 同 时 接 收 来 自 PCI总 线 的 语 音 压 缩 编 码 完 成 G． 723． 1解 码 后 将 语 音 PCM码 流 送 至 AC37。
4 软 件 模 块 的 构 成 和 设 计
软 件 模 块 运 行 在 Windows95／ 98环 境 中 ， 充 分 利 用 了 Windows95／ 98的 多 进 程 技 术 ， 各 模 块 的 软 件 可 相 互 独 立 地 编 写 ， 模 块 之 间 仅 需 解 决 数 据 的 交 换 、 共 享 问 题 。
4． 1 主 控 模 块
主 控 模 块 是 整 个 系 统 的 核 心 。 在 系 统 刚 启 动 时 ， 它 负 责 初 始 化 系 统 中 的 各 软 硬 件 模 块 。 具 体 地 说 ， 当 MODEM开 始 数 据 传 输 后 ， 主 控 模 块 初 始 化 各 内 部 变 量 ， 然 后 通 过 通 信 口 向 对 方 送 同 步 标 记 及 H． 245的 各 种 消 息 ， 完 成 能 力 交 换 、 主 从 决 定 等 ， 最 后 打 开 语 音 、 图 像 、 数 据 等 通 道 ， 初 始 化 结 束 ， 正 式 通 信 开 始 。 在 通 信 过 程 中 ， 主 控 模 块 维 护 其 余 各 软 硬 件 模 块 的 正 常 工 作 ， 通 过 PCI总 线 完 成 软 件 、 硬 件 之 间 数 据 和 控 制 信 息 的 交 换 ， 协 调 各 模 块 的 相 互 关 系 ，完 成 进 程 调 度 管 理 等 功 能 。 通 信 结 束 时 关 闭 所 有 已 打 开 的 语 音 、 图 像 等 通 道 。
4． 2 视 频 控 制 和 显 示 模 块
在 H． 263建 议 中 ， QCIF格 式 的 数 字 视 频 信 号 经 压 缩 编 码 处 理 后 的 输 出 速 率 不 再 是 固 定 的 ， 而 是 随 图 像 内 容 和 编 码 算 法 中 参 数 的 不 同 而 变 化 。 另 一 方 面 ， 信 道 的 传 输 能 力 也 不 是 固 定 不 变 的 。 为 使 二 者 平 衡 ， 采 用 传 输 缓 冲 区 控 制 和 自 适 应 量 化 策 略 ， 通 过 改 变 量 化 级 数 的 办 法 ， 使 缓 冲 区 达 到 动 态 平 衡 ， 从 而 提 高 信 道 利 用 率 。 接 收 的 图 像 压 缩 编 码 经 解 压 后 ， 驱 动 显 示 模 块 ， 在 显 示 器 上 显 示 图 像 。 为 便 于 观 看 ， 在 学 生 侧 的 终 端 可 选 用 大 屏 幕 投 影 显 示 器 。
4.3 其 它 软 件 模 块
数 据 复 分 接 模 块 完 全 符 合 ITU— TH． 223建 议 。 MODEM控 制 及 通 信 模 块 处 理 MODEM的 各 种 消 息 和 连 接 状 态 ， 并 将 H． 223打 包 的 数 据 经 RS232通 信 口 送 MODEM发 送 ， 同 时 从 通 信 口 读 入 数 据 ， 交 给 H． 223解 包 。
5 数 据 通 道 标 准
T． 120不 属 于 H． 324建 议 范 畴 ， 但 它 支 持 了 包 括 PSTN在 内 的 视 频 会 议 系 统 中 有 关 文 件 交 换 、 静 态 图 像 传 输 、 电 子 白 板 、 数 据 库 存 取 、 音 频 图 形 会 议 、 多 点 通 信 服 务 的 应 用 的 标 准 。 在 H． 324终 端 的 呼 叫 连 接 过 程 中 ， 有 两 种 工 作 方 式 可 建 立 终 端 的 T． 120连 接 。 一 种 方 式 是 在 H． 324呼 叫 过 程 中 ， 用 H． 245打 开 逻 辑 通 道 ， 再 建 立 T.120连 接 。 另 一 种 方 式 是 在 H． 324呼 叫 前 建 立 T.120连 接 。
6 多 点 会 议 控 制 单 元 MCU
MCU是 多 点 会 议 的 汇 接 中 心 ， 连 续 三 个 或 三 个 以 上 的 视 频 会 议 终 端 ， 使 多 个 终 端 在 会 议 召 开 中 互 相 通 信 。 通 过 MCU实 现 音 频 混 合 和 视 频 切 换 ， 保 证 音 频 及 视 频 信 号 的 连 续 性 ， 从 而 使 多 点 会 议 的 召 开 成 为 可 能 。 MCU具 有 如 下 功 能 ：
· 接 收 来 自 任 一 会 场 的 视 频 、 音 频 、 数 据 信 号 组 合 而 成 的 数 字 流 ；
· 提 取 各 方 的 音 频 分 量 并 混 合 处 理 ， 即 将 数 字 音 频 信 号 变 换 成 模 拟 信 号 并 混 合 相 加 ， 再 变 换 成 数 字 流 输 出 至 各 分 会 场 ；
· 对 视 频 和 数 据 进 行 选 择 和 切 换 处 理 ， 视 频 处 理 不 经 D／ A转 换 ；
· 将 所 需 的 数 字 流 送 至 各 分 会 场 ；
· 提 供 多 种 控 制 方 式 。
在 一 个 MCU中 ， 可 同 时 组 织 相 互 独 立 的 几 个 会 议 。
本 视 频 会 议 系 统 虽 然 是 按 基 于 PSTN的 帧 频 15f／ s， 传 输 速 率 28． 8kbit/s设 计 的 ， 但 由 于 C6201强 大 的 处 理 能 力 和 PC机 主 控 的 灵 活 性 ， 使 得 该 系 统 可 在 不 同 应 用 场 合 下 进 行 方 便 地 扩 展 。 如 可 方 便 地 扩 展 为 帧 频 15— 20f／ s， 传 输 速 率 128kbit/s的 基 于 ISDN(综 合 业 务 数 字 网 )的 视 频 会 议 系 统 。
交 互 式 视 频 会 议 系 统 只 需 进 行 最 小 的 改 动 ， 即 可 用 于 实 现 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 系 统 。 如 通 过 其 视 频 会 议 终 端 ， 可 实 现 师 生 间 面 对 面 的 教 学 ； 通 过 其 电 子 白 板 ， 师 生 之 间 或 同 学 之 间 面 对 面 地 讨 论 问 题 ； 通 过 其 文 件 交 换 功 能 ， 布 置 作 业 或 交 作 业 ； 通 过 其 数 据 库 存 取 功 能 ， 实 现 教 学 管 理 和 学 籍 管 理 等 。 总 之 ， 随 着 基 于 PSTN的 视 频 会 议 系 统 的 进 一 步 完 善 和 成 熟 ， 完 全 有 可 能 建 成 覆 盖 范 围 广 泛 的 在 PSTN上 实 现 的 交 互 式 多 媒 体 远 程 教 学 系 统 。 届 时 ， 我 们 国 家 的 远 程 教 育 事 业 将 迎 来 新 的 发 展 ， 创 造 更 大 的 辉 煌 。
[参 考 文 献 ]
1 陈 德 来 ． 现 代 远 程 教 学 的 特 点 和 分 类 ． 上 海 ： 电 子 技 术 [J]． 1999． 7．
2 王 大 鸣 .黄 慧 群 ． 以 AVP— III为 核 心 的 视 频 会 议 系 统 终 端 设 计 ． 北 京 ： 电 子 技 术 应 用 [J]． 1999． 2．
3 徐 盛 ， 陈 健 ． TMS320C6201数 字 信 号 处 理 器 在 图 像 处 理 中 的 应 用 ． 北 京 ： 电 子 技 术 应 用 [J]． 1999． 2．
4 蒋 林 涛 ． 多 媒 体 通 信 网 ． [M]北 京 ： 人 民 邮 电 出 版 杜 ． 1999．
[作 者 简 介 ]林 战 平 ， 男 ， 广 西 师 范 大 学 物 理 与 电 子 科 学 系 讲 师 。
桂 林 ， 邮 编 ： 541004。
[责 任 编 辑 张 宜 ]