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【摘 要】阐述应用JPEG2000编码，构建基于校园网络的数字录像教学系统，介绍了系统的原理、结构功能、设计思路及实现方法等，并将该系统运用到实际实验教学中。
【关键词】JPEG2000 校园网 数字录像教学平台
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2012）04C-0191-02
基于校园网的JPEG2000数字录像教学平台，是一个构建在校园网硬件基础之上的、集软硬件于一体的系统。软件组成部分包括具有点播管理、录像资源存储管理、账户管理等功能的软件平台。硬件组成部分除校园网基础设施外，还包括软件平台服务器、JPEG2000录像存储服务器（或磁盘阵列）、摄录设备、JPEG2000编码器等。这一个教学平台构建主要有三个技术关键：JPEG2000编码技术、基于校园网搭建硬件、软件平台建设。
一、JPEG数字录像编码技术的基本原理及性能
JPEG2000采用的编码方式，是以小波变换为主的多层次编码方式，它代替了离散余弦变换(DCT)为主的区块编码方式；同时，还将彩色静态画面JPEG编码方式与二值图像JBIG编码方式结合起来，形成对应各种图像的通用编码方式。
经典的JPEG2000编码运算法则包含三个部分：图像区域与分量划分、小波变换、EBCOT编码。其一，图像区域与分量划分。先对原始图像进行画布坐标标定，然后在画布坐标的基础上进行划分：先把图像划分为不同的分量,再将画布划分为大小相同的矩形“片”，这两个步骤的执行顺序可以调换。其二，离散小波分析（DWT）阶段。小波分析被直接运用于各个片，这样每个片区域都被DWT分析，形成不同的分辨率级别，每个分辨率级别中含有四个子带。其三，嵌入式优化截断编码（EBCOT）阶段：首先将各个子带进行量化，量化对图像信息有损。但此过程可有可无，从而使JPEG2000有“有损压缩”和“无损压缩”之说法。量化后，进行EBCOT编码，编码分为两次，第一次编码主要是码块划分和熵编码，第二次编码主要是分层打包的过程。最后，码流将会以封包流（pack-stream）的形式传输，包的主头描述了原始图像和不同的分解及编码类型以便查找、提取、解码和重构指定分辨率级、保真度、感兴趣区域和其他特点的图像部分。
作为一种新型图像编码系统，JPEG2000与JPEG相比，具有五点性能优势：其一，JPEG2000可以方便地实现渐进式传输。它先传输图像的大体轮廓，然后逐步传输其他数据，不断地提高图像质量。这样图像就由朦胧到清晰显示出来，从而节约、充分利用有限的带宽。传统的JPEG无法做到这一点，只能是从上到下逐行显示。其二，JPEG2000既支持有损压缩，也支持无损压缩方式，既能不丢失原始信息，又能使文件容量较小。JPEG只能做到有损压缩，压缩后数据不能还原。其三，JPEG2000支持对特定区域进行特别的压缩处理。其四，JPEG2000的压缩率比JPEG高20%～40%，在同样的网络带宽下，传输时间将大大缩短。其五，JPEG2000与JPEG相比，可以用来处理多达256个通道的信息。而JPEG仅局限于RGB数据。
因有上述优势，JPEG2000录像系统在基于校园网进行教学应用中，就在资源存储、教学传输速度、校园网带宽资源利用等方面具有很大的优势。
二、基于JPEG2000的校园网数字录像教学平台的硬件构建
基于JPEG2000的校园网数字录像教学平台的硬件总体结构如图1所示。主要组成包括：教室（实验室）摄录现场部分、教学视音频非线性编辑部分、系统服务器及存储磁盘阵列、校园网及用户终端部分。
各部分基本工作情况如下：
（一）教室（实验室）摄录现场及显示部分
教室（实验室）摄录现场的硬件有彩色摄像机、JPEG2000编码器、存储主机、交换机、液晶投影机、幕布、专业功放机、有源音箱和无线胸麦等。摄像机摄录教师下的教学过程，经过JPEG2000编码器将模拟视频转成数字信号，形成数字录像并保存在存储主机上。然后，通过校园网把JPEG2000数字录像传输到校园网服务器（带磁盘阵列）上。
（二）音、视频非线性编辑部分
这部分主要是录像非线性编辑系统：它主要对录像进行剪辑；对选定图像进行放大、移动、亮度调节；或可进行画质增强、抓取及储存所抓取图像等处理。
在这一部分，可通过比较教师授课水平、特点，进行节选和整合，形成因材施教的特点课程、完整高质的精品课程。
（三）系统服务器及存储磁盘阵列
系统服务器是教学资源平台服务器，采用server/brower方式，包括：录像资源管理、录像资源点播、师生用户管理、课程管理、作业考试、成绩管理等模块。师生用户可在电脑终端访问教学资源平台，点播视音频录像，等等。存储磁盘阵列主要用来保存教学录像，存储按专业按方向按课程的方式。
（四）校园网终端部分
校园终端部分有：网络多媒体教室的电脑、师生住宅电脑、办公室电脑等，师生通过这些网络终端访问平台，点播视音频录像。由于教学资源平台采用B/S方式，用户直接用网页浏览器（如Internet Explorer）访问、点播。
三、基于JPEG2000的校园网数字录像教学平台的软件功能设计
数字录像教学平台的模块结构如图2所示：
第一，平台信息管理：用于管理录像课程相关的公告通知、管理规定、评选信息等网上发布的信息。
第二，课程点播：录像课程由系统在平台上向全校师生开放,用户通过管理平台选择合适的课程来学习，其下有七个子模块：（1）课程介绍：教学目的与要求、教学内容、教学方法。（2）课程特色。（3）教学内容：理论课程内容设计、实验课程内容设计、教学内容安排、实践教学。（4）教学资源：教材、教学大纲、教案、习题、实验指导、参考文献目录。（5）讲课录像：用于点播播放的教学录像。（6）效果评价：校内外同行评价、教师评价、学生评价、社会调查评价。（7）教学成果：与本课程有关的课程荣誉、教学与科研成果、优秀教师论文、学生竞赛、优秀毕业论文、学生表文章、学生实习报告。
第三，课程管理。（1）课程申报：申报录像课程的教师通过平台在线填写相关信息、提交《申报书》等资料，平台将该申报的所有信息记录到数据库中为课程评审做好数据准备。（2）课程评审：评审专家通过平台进行在线评审。管理平台根据专家的打分情况，按照一定的算法对课程进行综合评分，按照分值的高低对所有参评的课程进行排序，推荐录像课程。（3）课程年审：每年采用使用率、好评率等对录像课程进行统计、评审，对不能与时俱进、不能适应使用的课程进行淘汰。
第四，课程维护。教师对平台上个人所属课程进行更新维护。
第五，平台管理。管理平台将用户划分为四种类型：管理员、评委、教师、学生，并对这四类用户添加、编辑、删除、权限设定等管理。
四、结论
数字录像教学平台应用于课堂和实验教学，有以下特点：一是录像效果清晰，且对网络带宽要求不高，传输播放流畅。二是软件平台采用B/S模式，对用户端没有特殊要求，使用方便。三是有利于学生的自主学习，有助于提高教学质量。学生在课后可在网上回放教师课堂授课过程，进行复习提高；或回放实验课示范操作过程，重温没完全掌握的操作，甚至选播符合自己学习特点的教师录像。四是有利于教师改进教学和进行教学管理和评估。教师通过回放讲课录像，发现自己在教学中的缺点及不足，以便能更好地开展教学活动。学校通过回放教师讲课录像，检查教师的授课情况、教学效果，评估学校的教学思路等。
【参考文献】
［1］David S.Taubman，Michael W.Marcellin.JPEG2000图像压缩基础、标准和实践［M］.北京：电子工业出版社，2004
［2］刘正光，刘子晓，申旭刚.JPEG2000算法原理及实现框架［J］.计算机工程，2004（20）
［3］ISO/IEC JPEG2000 Part I，Final draft international standard［S］.
［4］李斌.JPEG2000标准的分析与评价［J］.数字电视与数字视频.2001（10）
［5］肖晓梅.网络教学平台在高校教学中的应用研究[J].中国教育信息化，2008（9）
［6］岳江红，杜建萍.网络教学平台应用探索［J］.教育技术资讯，2007（4）
［7］张京彬等.网络教学的非量化评价［J］.中国远程教育，2000（10）
（责编 黎 原）
【关键词】JPEG2000 校园网 数字录像教学平台
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2012）04C-0191-02
基于校园网的JPEG2000数字录像教学平台，是一个构建在校园网硬件基础之上的、集软硬件于一体的系统。软件组成部分包括具有点播管理、录像资源存储管理、账户管理等功能的软件平台。硬件组成部分除校园网基础设施外，还包括软件平台服务器、JPEG2000录像存储服务器（或磁盘阵列）、摄录设备、JPEG2000编码器等。这一个教学平台构建主要有三个技术关键：JPEG2000编码技术、基于校园网搭建硬件、软件平台建设。
一、JPEG数字录像编码技术的基本原理及性能
JPEG2000采用的编码方式，是以小波变换为主的多层次编码方式，它代替了离散余弦变换(DCT)为主的区块编码方式；同时，还将彩色静态画面JPEG编码方式与二值图像JBIG编码方式结合起来，形成对应各种图像的通用编码方式。
经典的JPEG2000编码运算法则包含三个部分：图像区域与分量划分、小波变换、EBCOT编码。其一，图像区域与分量划分。先对原始图像进行画布坐标标定，然后在画布坐标的基础上进行划分：先把图像划分为不同的分量,再将画布划分为大小相同的矩形“片”，这两个步骤的执行顺序可以调换。其二，离散小波分析（DWT）阶段。小波分析被直接运用于各个片，这样每个片区域都被DWT分析，形成不同的分辨率级别，每个分辨率级别中含有四个子带。其三，嵌入式优化截断编码（EBCOT）阶段：首先将各个子带进行量化，量化对图像信息有损。但此过程可有可无，从而使JPEG2000有“有损压缩”和“无损压缩”之说法。量化后，进行EBCOT编码，编码分为两次，第一次编码主要是码块划分和熵编码，第二次编码主要是分层打包的过程。最后，码流将会以封包流（pack-stream）的形式传输，包的主头描述了原始图像和不同的分解及编码类型以便查找、提取、解码和重构指定分辨率级、保真度、感兴趣区域和其他特点的图像部分。
作为一种新型图像编码系统，JPEG2000与JPEG相比，具有五点性能优势：其一，JPEG2000可以方便地实现渐进式传输。它先传输图像的大体轮廓，然后逐步传输其他数据，不断地提高图像质量。这样图像就由朦胧到清晰显示出来，从而节约、充分利用有限的带宽。传统的JPEG无法做到这一点，只能是从上到下逐行显示。其二，JPEG2000既支持有损压缩，也支持无损压缩方式，既能不丢失原始信息，又能使文件容量较小。JPEG只能做到有损压缩，压缩后数据不能还原。其三，JPEG2000支持对特定区域进行特别的压缩处理。其四，JPEG2000的压缩率比JPEG高20%～40%，在同样的网络带宽下，传输时间将大大缩短。其五，JPEG2000与JPEG相比，可以用来处理多达256个通道的信息。而JPEG仅局限于RGB数据。
因有上述优势，JPEG2000录像系统在基于校园网进行教学应用中，就在资源存储、教学传输速度、校园网带宽资源利用等方面具有很大的优势。
二、基于JPEG2000的校园网数字录像教学平台的硬件构建
基于JPEG2000的校园网数字录像教学平台的硬件总体结构如图1所示。主要组成包括：教室（实验室）摄录现场部分、教学视音频非线性编辑部分、系统服务器及存储磁盘阵列、校园网及用户终端部分。
各部分基本工作情况如下：
（一）教室（实验室）摄录现场及显示部分
教室（实验室）摄录现场的硬件有彩色摄像机、JPEG2000编码器、存储主机、交换机、液晶投影机、幕布、专业功放机、有源音箱和无线胸麦等。摄像机摄录教师下的教学过程，经过JPEG2000编码器将模拟视频转成数字信号，形成数字录像并保存在存储主机上。然后，通过校园网把JPEG2000数字录像传输到校园网服务器（带磁盘阵列）上。
（二）音、视频非线性编辑部分
这部分主要是录像非线性编辑系统：它主要对录像进行剪辑；对选定图像进行放大、移动、亮度调节；或可进行画质增强、抓取及储存所抓取图像等处理。
在这一部分，可通过比较教师授课水平、特点，进行节选和整合，形成因材施教的特点课程、完整高质的精品课程。
（三）系统服务器及存储磁盘阵列
系统服务器是教学资源平台服务器，采用server/brower方式，包括：录像资源管理、录像资源点播、师生用户管理、课程管理、作业考试、成绩管理等模块。师生用户可在电脑终端访问教学资源平台，点播视音频录像，等等。存储磁盘阵列主要用来保存教学录像，存储按专业按方向按课程的方式。
（四）校园网终端部分
校园终端部分有：网络多媒体教室的电脑、师生住宅电脑、办公室电脑等，师生通过这些网络终端访问平台，点播视音频录像。由于教学资源平台采用B/S方式，用户直接用网页浏览器（如Internet Explorer）访问、点播。
三、基于JPEG2000的校园网数字录像教学平台的软件功能设计
数字录像教学平台的模块结构如图2所示：
第一，平台信息管理：用于管理录像课程相关的公告通知、管理规定、评选信息等网上发布的信息。
第二，课程点播：录像课程由系统在平台上向全校师生开放,用户通过管理平台选择合适的课程来学习，其下有七个子模块：（1）课程介绍：教学目的与要求、教学内容、教学方法。（2）课程特色。（3）教学内容：理论课程内容设计、实验课程内容设计、教学内容安排、实践教学。（4）教学资源：教材、教学大纲、教案、习题、实验指导、参考文献目录。（5）讲课录像：用于点播播放的教学录像。（6）效果评价：校内外同行评价、教师评价、学生评价、社会调查评价。（7）教学成果：与本课程有关的课程荣誉、教学与科研成果、优秀教师论文、学生竞赛、优秀毕业论文、学生表文章、学生实习报告。
第三，课程管理。（1）课程申报：申报录像课程的教师通过平台在线填写相关信息、提交《申报书》等资料，平台将该申报的所有信息记录到数据库中为课程评审做好数据准备。（2）课程评审：评审专家通过平台进行在线评审。管理平台根据专家的打分情况，按照一定的算法对课程进行综合评分，按照分值的高低对所有参评的课程进行排序，推荐录像课程。（3）课程年审：每年采用使用率、好评率等对录像课程进行统计、评审，对不能与时俱进、不能适应使用的课程进行淘汰。
第四，课程维护。教师对平台上个人所属课程进行更新维护。
第五，平台管理。管理平台将用户划分为四种类型：管理员、评委、教师、学生，并对这四类用户添加、编辑、删除、权限设定等管理。
四、结论
数字录像教学平台应用于课堂和实验教学，有以下特点：一是录像效果清晰，且对网络带宽要求不高，传输播放流畅。二是软件平台采用B/S模式，对用户端没有特殊要求，使用方便。三是有利于学生的自主学习，有助于提高教学质量。学生在课后可在网上回放教师课堂授课过程，进行复习提高；或回放实验课示范操作过程，重温没完全掌握的操作，甚至选播符合自己学习特点的教师录像。四是有利于教师改进教学和进行教学管理和评估。教师通过回放讲课录像，发现自己在教学中的缺点及不足，以便能更好地开展教学活动。学校通过回放教师讲课录像，检查教师的授课情况、教学效果，评估学校的教学思路等。
【参考文献】
［1］David S.Taubman，Michael W.Marcellin.JPEG2000图像压缩基础、标准和实践［M］.北京：电子工业出版社，2004
［2］刘正光，刘子晓，申旭刚.JPEG2000算法原理及实现框架［J］.计算机工程，2004（20）
［3］ISO/IEC JPEG2000 Part I，Final draft international standard［S］.
［4］李斌.JPEG2000标准的分析与评价［J］.数字电视与数字视频.2001（10）
［5］肖晓梅.网络教学平台在高校教学中的应用研究[J].中国教育信息化，2008（9）
［6］岳江红，杜建萍.网络教学平台应用探索［J］.教育技术资讯，2007（4）
［7］张京彬等.网络教学的非量化评价［J］.中国远程教育，2000（10）
（责编 黎 原）