H.264技术在移动学习平台中的应用
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【摘 要】
本研究的目的是为了促进移动学习方式的发展。移动学习在数字化学习的基础上通过有效结合移动计算技术带给学习者随时随地学习的全新感受，被认为是未来学习不可缺少的一种学习模式。本文提出了一种h.264编码技术解决移动学习平台视频处理问题的方案，在Android操作系统中设计开发了一款移动学习平台软件，本文设计的移动学习平台软件具有良好的经济性和可操作性，为移动学习和使公众能更好地利用高校教学资源提供了一种解决方案。
【关键词】 开放大学；移动学习；Android；H.264
【中图分类号】 TP391 TP274 【文献标识码】 A 【文章编号】 1009―458x（2014）02―0087―04
随着当今移动通信设备市场销量的惊人增长，移动学习方式越来越普及。移动学习（Mobile Learning）是一种在移动计算设备帮助下的、能够在任何时间、任何地点发生的学习，它所使用的设备必须能够有效地呈现学习内容并提供教师与学习者之间的双向交流。因此，移动学习不仅是原有远程教育在教学手段上的突破和延伸，更重要的是移动学习有其自身的特点，即移动学习方式下的学习者可以真正做到随时随地进行学习。移动学习中不但学习环境可以是移动的，教师、研究人员、技术人员和学习者都是移动的，学习者不再被限制在电脑桌前，可以自由自在、随时随地进行不同目的、不同方式的学习。
我国的开放大学是在广播电视大学的基础上组建的、面向全体社会成员的没有围墙的新型大学，肩负着建设学习型社会赋予的独特的大学使命，因此必须在教学模式上有所突破，以现代化信息技术为基础，为我国社会成员提供多样化的继续教育服务和新的学习机会以适应终身教育发展、现代信息技术发展和国家发展的趋势。开放大学的性质决定了移动学习将是其必不可少的一种学习方式，因此搭建适当的移动学习平台成为当前远程教育关注的热点之一。
移动学习平台是指利用信息技术搭建的、能够使学习者进行移动式学习的软、硬件环境。移动学习平台的落后严重制约着移动学习的发展。在当今学习材料、参考资料和知识产品终将数字化的趋势下，这一问题显得尤为突出。
一、移动学习平台的现状
目前，国内外的移动学习平台大都基于智能手机和平板电脑等移动设备，采用专用硬件系统的仅占很小一部分，未来智能手机和平板电脑将在移动学习中发挥至关重要的作用。根据国际电信联盟（International Telecommunication Union）（2011）发表的报告，全球有超过50亿手机用户，相当于世界人口的87%。国际数据公司（International Data Corporation）预测，到2013年年底，全球手机用户将达到69亿，到2016年年底，数量将增长到80亿，届时平板电脑的销量也将达到 2.8亿多台。而国际数据公司的最新报告中，谷歌Android系统的装机量占到所有智能手机和平板电脑出货量的75%以上，而且这一数据还在逐年增加，也就是说，Android系统将会在未来移动学习平台中占据绝对主流的地位。
Android操作系统是一种基于Linux内核的、主要面向移动平台的开源智能操作系统，最初由Android公司开发，2005年由Google公司收购并公开源代码。Android系统具有丰富的软硬件资源，支持绝大多数主流网络协议和触屏输入，并且具有开源免费等特点，成为当今最流行的智能手机操作系统[1]。任何Android开发者都可以开发自己的组件，因此具有大量的开发者从事应用软件（apps）开发并进一步充实了Android的功能，本文的移动学习平台就是基于Android操作系统开发的。
1. 当前移动学习平台存在的问题
当前移动学习平台在国内已经有了一些应用案例，但普遍存在着一些问题，包括界面小操作不便、交互性差、学习资源可更新性差、产生数据流量大、移动平台过于耗电导致待机时间短等。究其原因多数是由技术缺陷导致的，其中一个较重要的因素是这些应用案例中采用的视频编码技术性能不佳，导致了当前移动学习平台数据流量大、耗电、视频效果不佳等问题。大多数移动学习平台采用MPEG-4视频编码技术，该技术是国际标准化组织（ISO）制定的，相较于H.264编码技术，MPEG-4具有以下主要缺点：① 图像质量较差，视频图像的流畅性和连续性都没有H.264好；② 码流相对较高，也就是相同图像质量情况下采用MPEG-4编码的视频数据量更大；③ 网络适应能力较差，网络情况不稳定时兼容错误能力较弱[2][3][4]。因此，如果采用性能更好的H.264编解码技术将大大节约客户端的数据流量，同时也能加快平台响应速度，减小服务器负担，并得到更加清晰的图像，从而提高用户体验。
2. H.264视频编码技术
H.264是联合视频组（JVT）制定的一种高性能视频编解码技术，是一种主流的视频数据压缩标准，在无线网络环境和未来的大数据量高清环境中都将继续适用。相较于其他视频编码标准，H.264具有低码率、图像质量高、容错能力强和网络适应性强等特点。在相同的重建图像质量情况下，H.264标准的码率较H.263标准低了50%左右。H.264可以工作在实时通信应用（如视频会议）低延时模式下，也可以工作在没有延时的视频存储或视频流服务器中。H.264增加了多模式运动估计、帧内预测、多帧预测、基于内容的变长编码、4x4二维整数变换等新的编码方式，提高了编码效率和视频画面质量。其工作流程如图1所示。
H.264编码技术和其他编码技术相比具有很高的编码效率，相同图像质量条件下，H.264的数据压缩比比MPEG-2高2-3倍，比MPEG-4高1.5-2倍。也就是说，同样的100M数据用H.264标准编码后只有9.9M左右，采用MPEG-2标准编码后数据却有19.8-29.7M左右。因此，采用H.264标准编码的视频课程占用更小的带宽。
（一）移动学习平台的架构设计
本文设计的开放大学移动学习平台软件（手机微课堂）主要功能是使开放大学学员能够随时随地利用移动智能设备通过网络进行远程学习和交流。系统主要包括以下四部分：
（1）通过有线或无线（Wi-Fi、3G、4G）网络连接到开放大学课程资料中心，浏览或下载学习资料；
（2）在线课程学习系统，通过高清视频播放功能在线学习或在本地学习课件内容；
（3）较丰富的在线交互功能；
（4）后台管理系统，提供用户、权限、安全校验等管理功能。
当前移动学习平台在设计构架上主要有B/S结构和C/S结构两种形式，B/S结构虽然具有适用性广和开发便捷的优势，但也具有交互性差、产生的数据流量大、操作繁琐等缺点，因此在设计移动学习平台时本研究采用了具有系统可扩展性强、数据流量小、操作简便灵活的C/S构架（如图2所示）。
其中采用H.264编码技术录制的课程视频存放于H.264视频服务器上，移动学习终端通过网络获取视频数据流后，通过移动学习平台中的H.264解码器解析出视频数据，再用Android系统中提供的播放器播放视频课程。
（二）采用H.264视频编解码技术的移动学习平台的设计与开发
1. 系统的设计
系统采用C/S构架设计，服务器端通过php网站管理系统数据库，移动学习平台终端在Android系统下开发一个专用app应用软件，采用模块化设计方式，将系统分为三层：界面层、逻辑层和功能层，每个功能模块单独实现后再集成到移动学习平台系统中。在制作服务器端视频课程资源和开发客户端视频解码器时都采用了H.264视频编解码技术。虽然目前Android操作系统中未提供H.264接口，但可以通过对FFmpeg代码库中H.264编解码器的移植实现这一功能，由于FFmpeg开源代码库成熟度较高，代码的效率、适用性和稳定性都较好，因此移植后的系统也将具有较好的性能。
该方案的优势在于：① 采用H.264视频编解码技术提高视频解码效率，大大减少移动学习产生的数据量并提高视频画面效果，提升用户体验；② 采用C/S构架保证平台的稳定性和可操作性，加强学习过程的交互性；③ 开发效率高并能保证平台的适用性。
2. 系统的开发
平台开发流程如下：
（1）建立Android开发平台
Android开发平台由Android SDK模拟平台、eclipse插件、JAVA JDK工具和ADT插件组成，均可在Google公司的官方网站上免费下载，安装好这些工具就搭建好了Android开发平台[5][6][7][8]。由于Android应用需要在PC机上开发，在手机上运行，即开发环境与运行环境不同，所以还需要创建一个AVD虚拟机来仿真硬件运行环境。
（2）H.264解码器编译移植
Android系统中未集成H.264解码器，因此需要先将其他系统中的解码库进行移植并在Android系统中进行封装，然后再用Java调用实现解码。
H.264解码可以分为前端码流处理、H.264 解码和后端视频显示这三个功能模块[9][10][11]。
前端码流处理模块主要完成数据读取任务，在Java层实现，利用java.io.FileInputStream类从码流中分割出NAL，交给底层的C语言实现实时解码。
H.264解码模块是整个解码过程的核心，需要通过本地C语言实现和解码库对码流数据进行处理，完成H.264解码实现图像重建。该模块通过移植FFmpeg解码库来实现解码。
后端视频显示模块接收H.264解码模块解码后的视频数据，并在 Android客户端进行显示。该模块也需要在Android的Java应用层实现。
视频数据的处理在底层解码器中完成。解码的过程如下：首先打开解码器并为解码帧分配内存，然后从码流中不停地提取帧数据，针对视频帧调用解码器，最后解码完成后释放解码器。
（3）课程播放模块的开发
在移植了 H.264 解码器后，通过Android系统提供的MediaPlayer类播放解码后的video视频课程数据。视频课程可在线进行播放也可下载到本地再进行播放。由于网速的限制可能导致在线播放视频课程时速度较慢，建议先将视频文件下载到本地SD卡中，解码后利用MediaPlayer播放器在客户端播放。下载课程视频文件时系统采取了多线程和断点续传方式，下载过程中把下载信息不断存入本地数据库中，提高下载效率[12][13][14][15][16]。下载结束后删除下载的临时信息并将课程视频文件的存放信息保存到本地数据库中，以便后期维护。
（三）各信息交互功能模块的设计
系统中的在线交互功能包括在线答疑、在线测试、在线提问、公告新闻浏览、成绩查询等。该模块功能比较分散，需要单独实现和分别调用。在设计系统交换功能时大量使用JSON来完成移动终端和远程数据库的信息交互。系统运行时会启动一个后台服务线程连接远程服务器，读取最新数据以更新本地数据库，仅读取本地数据库中的内容用以初始化系统界面，采用异步初始化界面使系统运行更加流畅。
三、移动学习平台的应用
在无线网络覆盖的环境下对整个系统进行了测试，服务器端为学校网站，客户端为基于Android的智能手机，采用黑盒测试法反复进行，结果表明整个系统运行稳定，访问视频课程速度较快，课程图像清晰度及平台操作便利性等均达到预期效果。
2013年9月2日至2013年9月27日间，辽宁装备制造职业技术学院信息工程系的96名在校生和3位教师参加了基于Android和H.264技术的移动学习平台的应用体验，整个实验期间，实验参与者下载平台软件并安装到Android智能手机上，再使用学习平台对移动学习服务器上的部分微课程进行了学习。实验结束后以问卷形式移动学习平台的应用进行了满意
四、结束语
本文基于Android设计的移动学习平台使用了一种轻量级的H.264解码方式，可在使用Android操作系统的智能手机和平板电脑上使用，学习者可以随时随地利用智能终端设备进行学习，能够方便地使用高校公开课资源，具有课程选择、课程下载、在线答疑和在线测试等功能。该平台软件的实现部分已经在国家版权局登记注册，其模型具有良好的经济性和可操作性，使公众更好地利用高校教学资源提供了一种移动解决方案。但是，本研究还很不完善，需要在今后不断改进，尤其在实践应用环节，实验参与者较少，范围较集中。然而，移动学习的出现弥补了远程教育在实现终身教育手段上的局限性，越来越普及。希望本研究能够起到抛砖引玉的作用。
[参考文献]
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[3] Suhas Holla， Mahima M Katti. Android Based Mobile Application Development And Its Security[A] Journal： International Journal of Computer Trends and TechnologyISSN/EISSN： 22312803 Year： 2012 Volume： 3 Issue： 3 Pages： 486-490
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[9][14] 毛小明，鲍可进. 一种基于H.264的高性能快速运动估计算法[J]. 计算机应用研究，2012，（4）：1598-1561.
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[11][16] 陶祥亚，贾长云，杨成. UCWEB_TWITTER支持的手机移动学习模式构建与技术示范[J]. 中国远程教育，2011，（12）： 81-84.
收稿日期：2013-10-30
作者简介：宋巍，高级工程师，硕士，辽宁广播电视大学（110161）。