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1、 1整合嵌入式展示平台之無線多媒體教學廣播系統整合嵌入式展示平台之無線多媒體教學廣播系統黃連進* 淡江大學資訊工程學系 * micromail.tku.edu.tw 施建州 淡江大學資訊傳播學系 ccsmail.tku.edu.tw 郭乙丁 淡江大學資訊工程學系 摘要摘要 教學廣播系統已成為目前教師在電腦教室 中示範教學的主要設備，然而傳統教學廣 播系統的建置仍有設備成本高、布線複 雜、擴充不易、維護困難且受限於只能在 教室內教學的問題。因此，本研究主要目 的 是 利 用 PC 螢 幕 影 像 擷 取 (Screen Capture)、不失真影像編碼/解碼(Lossless Video Co
2、dec)以及無線網路通訊(Wireless Network Communication)等技術來設計一 個可以結合嵌入式平台的無線多媒體教 學廣播系統 ，透過無線網路，可以將 PC 端的螢幕視訊擷取、壓縮並即時傳送至嵌 入式平台來展示播放或廣播至一群 PC 系 統，在不受地點的限制下，也可以進行一 對一或一對多的廣播電腦教學。 關鍵詞：關鍵詞：教學廣播系統(teaching broadcast system) 、 嵌 入 式 平 台 (embedded platform)、影像擷取技術(screen capture)、 不失真影像編碼/解碼(Lossless Video Codec)。 一、前
3、言一、前言 電腦網路的快速發展，將資訊技術融 入遠距教學早已成為學校致力投入的目標 之一，其應用包括遠距教學2以及網路多 媒體互動學習與教學等等35。而近年 來，由於無線通訊的蓬勃發展，更可以讓 人們隨時、隨地互相交換訊息。新多研究也不斷提出如何建置一個無線的教學環境 8。另一方面，在學校中提供課堂教學廣 播系統也是室內教學的主要設備之一，然 而，此類傳統的教學廣播系統在建置及管 理上仍有許多困擾，例如，當線路破損、 斷裂、接觸不良時往往影響教學品質，而 在系統維護及擴充上也相當不便。因此， 如何利用無線網路傳輸結合低成本的嵌入 式系統平台，來開發一個不受空間限制且 可以跨平台的無線多媒體教學
4、廣播系統成 為本研究的主要訴求，讓教師的操作過程 顯示於學生的電腦螢幕上，同時可以將 電腦教室移到室外草地上、大樹下 ，大大 提升電腦教學的樂趣。 二、研究目的二、研究目的 本研究的主要目的是在整合 PC 影像 擷取技術(Screen Capture)、不失真影像壓 縮 技 術 1 與 無 線 網 路 通 訊 (Wireless Network Communication)，設計一個無 線多媒體教學廣播系統(如圖 1)，將 PC 端 作 業 系 統 為Microsoft Windows 98/2000/XP的螢幕視訊利用DirectDraw與 DirectShow技 術 6 ， 將 解 析 度
5、 1024x768，每點 16 位元之螢幕視訊，包括 游標、滑鼠形狀與利用 Media Player 13、 RealVideo 12與 QuickTime 11播放的影 片擷取下來、採用不失真壓縮(lossless)、 即時傳送至另一台 PC 或 Embedded Linux 系統的螢幕上。主要特性如下： 2? 螢幕擷取特性：解析度為 1024x768， 16 位元，而任何顯示於螢幕上的圖像 顏色，包括滑鼠形狀，游標形狀，提示 訊息等，利用 Media Player、RealVideo 與 QuickTime 播放的影片; 擷取速度 可調整為 1、2、5、10、15、20 FPS （Fram
6、es Per Second）以及 I Frame 間 隔可調整 5、10、20、30、40、50、60、 80、100 秒。 ? Server 端作業平台 ： 目前支援 Microsoft Windows 98/2000/XP ， Pentium III 800MHz 或更快的電腦。 ? Client 端作業平台：目前支援 Microsoft Windows 98/2000/XP ， Pentium II 300MHz 或更快的電腦、Linux Red Hat ， Linux Fedora Core ， Linux Mandrake 以及 Embedded Linux ， kernel 2.6
7、.5。 ? 網路環境：區域網路 - 10/100Mbps； 無線網路 IEEE802.11b、IEEE802.11g。 ? 視 訊 壓 縮 技 術 ： 不 失 真 (lossless compression)，Zlib 9。 ? Embedded Linux，kernel 2.6.5，整個系 統少於 4MB。 ? 通 訊 協 定 ： UDP(User Datagram Protocol)。 ? Packet loss 防 止 ： packet sequence number。 ? Packet error 處理：checksum。 ? Delay control 機制：split a fram
8、e to 4 slices。 圖 1. 無線多媒體教學廣播系統功能示意圖。 三、系統架構三、系統架構 本 研 究 選 定 Wireless Presentation Gateway 作為實作目標之後，我們將系統架構分成兩個平台，首先在 PC 環境進行 軟體開發與相容性測試、第二階段則根據 先前所累積的資源與資料，將此 Wireless Presentation Gateway 系統轉到嵌入式系統 的平台。由於目前使用 802.11x 無線網路3卡作為無線通訊的介面並不需要另外制定 規格、或另外製作硬體介面，是一種而較 為快速的處理方式，而一般 PC 上所使用 的 802.11b 無線網路卡的傳
9、輸速度，目前 則是 211Mbps，跟 802.11g 的傳輸速率 相比，落差頗大。因此，本系統將測試的 頻寬提升至 54Mbps，以期能將效能提升。 另外，在 PC 上的 Linux 作業系統要識別 經由無線網路或是有線網路傳輸過來的影 像方面，以往我 們 熟 知 在 Microsoft Windows 上，若要看影像，電影或玩遊 戲，都必須安裝 DirectX 的內建 codec， 否則影像可能解不開或是無法欣賞。但 是在 Linux 的環境上，並無 DirectX 這 套軟體，所以我們利用一個處理多媒體 影像音訊的 Function Library (Simple DirectMedia
10、 Layer, SDL) 7來解決在 Linux作 業 系 統 上 執 行Microsoft Windows 壓縮的影像，並用它來實作在 Linux X window 上的應用程式。 在連線介面上，我們使用 PCMCIA 介 面的 802.11 無線網路卡，可以跟影像顯示 作模組上的切割。以方便在 PC 平台驗證802.11 無線網路以及作為教學廣播的需 求。 在平台移植到嵌入式 Linux 系統方 面。由於嵌入式設備與網路的快速發 展，隨處都能使用到嵌入式的產品4，藉 由成本低廉且輕便的嵌入式系統來管理畫 面的輸出或投影，將會是非常便利的一個 方式，因此我們決定以一個 Linux 為基的 嵌
11、入式平台來實作教學廣播系統的另一種 設備。然而，由於嵌入式系統硬體資源較 少 ， 軟 體 又 需 要 作 特 製 化 （Specialization） ，如何在其有限的資源下 可以正常的接收並展示影像是此平台實作 上主要要克服的問題。 圖 2 為本系統 Server 端的系統程式邏 輯方塊，此功能設計於 Microsoft Windows 98/2000/XP 上。 圖 3 為本系統 Client 端的系統程式邏 輯方塊，此功能設計於 Microsoft Windows 98/2000/XP 、 Linux Red Hat/Fedora Core/Mandrake 與 Embedded Lin
12、ux 上。 以下就針對本系統平台的軟硬體規格 作一個說明：Screen Capture 1024x768x16 Cursor Mouse Video on screen Hint messageI FrameZlib lossless compressorFind Invalid RegionPacketize Checksum Sequence numberyesnoDirectDraw DirectShow Timer control Buffer controlBuffer managerReceive Request I Frame Message from clientUDP sen
13、der圖2. Server端軟體系統方塊圖 4圖3. Client端軟體系統方塊圖 (一)、系統軟硬體系統 1.軟體規格 (1). Server: Screen Capture bool change = false; 1 for (int y = 0; y Bottom) Bottom = y; 5 if (y Right) Right = x; 7 if (x Left) Left = x; 8 change = true; 9. If (change) then 10 Invalid Region in (Left, Right, Top, Bottom); 五、不失真影像壓縮五、不失真
14、影像壓縮 雖然我們利用前面所提及的異動 區域搜尋法 ，找出螢幕上面需要更新 的區域，於正常情況之下可以減低影像 的傳輸量；然而，如果沒有進一步壓 縮，很有可能超出網路頻寬。影像壓縮 依據資料是否失真，可分為 2 個主要類 型，失真(lossy)與不失真(lossless)。雖 然失真壓縮法可以於人類視覺系統無 法檢視其差異的情形之下，將影像壓縮 高達 20 倍，此種技術不適合於螢幕簡 報此類型之應用。 本研究所採用的不失真壓縮方法， 主要採用開放原始碼的 LZO 10。此演算法的壓縮速度於 Pentium133 可達 5MB/ 秒，解壓縮速度更高達 16MB/秒。雖然其 壓縮比不如 ZIP 9
15、高，但是其速度的優 點，剛好可以補足嵌入式系統於速度方面 的不足。 六、實驗結果六、實驗結果 為了測試本系統的效能，我們利用 IBM PC 進行測試，此個人電腦系統環境 如下： ? Microsoft Windows XP。 ? Intel Pentium 4 1.8GHz。 ? VGA card: SiS 650。 ? Ethernet card : SiS 900 PCI Fast Ethernet Adapter。 ? 256MB - 16 MB for Video RAM。 ? I Frame interval: 10 sec。 ? Frame Per Second: 5 FPS。 ?
16、 network speed: 10Mbps。 實驗結果所測得的 CPU 使用效能與 網路使用率如圖 4 所示。同樣的環境, 我 們將FPS改為15, 網路速度改為100Mbps, 實驗結果如圖 5 所示。而圖 6- 9 為本系統 實作成果在不同平台間進行畫面傳送的實 際測試畫面。 (5-a) CPU 使用效能 7(5-b) 網路效能 圖 5. 網路頻寬 10Mbps, 每秒 5 張之 CPU 使用效能與網路效能 (6-a) CPU 使用效能 (6-b) 網路效能 圖6. 網路頻寬100Mbps，每秒15張之CPU 使用效能與網路效能 圖7. PC對PC ， 兩端皆為Microsoft Windows XP 圖8. PC對Linux Fedora Core 1。 圖9. PC對Embedd
