【正文】 Linux環(huán)境下多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文目 錄第1章 概述 6 什么是多媒體教學(xué) 6 多媒體教學(xué)的歷史和發(fā)展趨勢(shì) 6 6第2章 核心技術(shù) 7 Unix/Linux套接字基礎(chǔ) 7 Unix/Linux套接字概述 7 套接字類型 7 并發(fā)服務(wù)器基礎(chǔ) 7 并發(fā)技術(shù) 7 8 圖像壓縮技術(shù)基礎(chǔ) 10 行程編碼（Run Length） 11 Huffman編碼 11 GNOME軟件層次概述 11第3章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 13 總體設(shè)計(jì) 13 各模塊間關(guān)系圖 13 各模塊概要設(shè)計(jì) 15 命令控制模塊 15 界面控制模塊 16 圖像模塊 16 遠(yuǎn)程遙控模塊 17 鍵盤、鼠標(biāo)控制模塊 17 關(guān)機(jī)、重啟模塊 17 學(xué)生登錄模塊 17 用戶界面模塊 17第4章 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 18 全局設(shè)定 18 指令隊(duì)列 18 學(xué)生端信息列表 19 命令控制模塊 20 教師端命令控制模塊 20 學(xué)生端命令控制模塊 22 控制指令 22 界面控制模塊 24 圖像模塊 25在圖像發(fā)送端，圖像發(fā)送模塊先調(diào)用圖像捕獲模塊，進(jìn)行屏幕捕獲，再調(diào)用圖像壓縮模塊進(jìn)行壓縮，然后通過(guò)封裝成若干個(gè)UDP數(shù)據(jù)包，發(fā)送出去；再圖像接收端，圖像接收模塊接收到一組UDP包后，將它們組合成完整的圖像數(shù)據(jù)，再調(diào)用圖像解壓縮模塊進(jìn)行解壓縮，最后調(diào)用圖像顯示模塊，將最終的圖像顯示在屏幕上。 25 圖像捕獲模塊 25 圖像顯示模塊 25 圖像壓縮、解壓縮模塊 25 圖像發(fā)送、接收模塊 28 遠(yuǎn)程遙控模塊 29 鍵盤、鼠標(biāo)控制模塊 30 關(guān)機(jī)、重啟模塊 30 學(xué)生登錄模塊 30 用戶界面模塊 31第5章 使用說(shuō)明 32 32 教師端文件列表 32 學(xué)生端文件列表 32 32 教師端的安裝與卸載 32 學(xué)生端的安裝 32 32 教師端的使用 32結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 37致謝 38前言現(xiàn)代教學(xué)是全方位的教學(xué)，可以是傳統(tǒng)的面授教學(xué)，也可以是遠(yuǎn)程教學(xué)，而多媒體教學(xué)的應(yīng)用也愈加廣泛。對(duì)于多媒體教學(xué)來(lái)說(shuō)，學(xué)校需要有為其量身定做的多媒體教學(xué)軟件，可以為教師提供更好的教學(xué)素材和教學(xué)方式，擴(kuò)展教師的能力空間，還可以為學(xué)生提供更加有聲有色的形象教學(xué)；同時(shí)也需要完善的系統(tǒng)平臺(tái)，可以提高整體管理水平和工作效率、促進(jìn)信息交流，與國(guó)際教學(xué)水平接軌。目前已經(jīng)有許多比較成熟的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，它們功能強(qiáng)大、穩(wěn)定、易于使用，并且已經(jīng)廣泛地用于各種單位的機(jī)房，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)的多媒體化。但是，它們中間大多數(shù)是針對(duì)Win32平臺(tái)開發(fā)的，因此只能在Win32操作系統(tǒng)中使用。然而，隨著Linux的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的人使用Linux作為網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或開發(fā)平臺(tái)，一個(gè)以Linux為操作系統(tǒng)的團(tuán)體已經(jīng)形成，他們急需在Linux平臺(tái)上學(xué)習(xí)和探索。于是，多媒體教學(xué)系統(tǒng)必須能夠在以Linux為操作系統(tǒng)的上機(jī)環(huán)境中使用，提供對(duì)Linux的支持。經(jīng)過(guò)三個(gè)月的學(xué)習(xí)和艱苦編程設(shè)計(jì)工作，我最終完成了多媒體教學(xué)系統(tǒng)for Linux的開發(fā)并調(diào)試成功。雖然在這過(guò)程中碰到不少困難和挫折，但我通過(guò)使用各種方法都可服了。本文就是在此系統(tǒng)完成后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程（包括系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)等環(huán)節(jié)）的記錄、概括和總結(jié)。本論文正文由三個(gè)部分組成：第一部分 介紹了多媒體教學(xué)系統(tǒng)for Linux的設(shè)計(jì)思路、方向和對(duì)功能模塊的確定劃分，模塊之間的相互關(guān)系，模塊使用的主要技術(shù)的分析和模塊內(nèi)有關(guān)子功能的設(shè)計(jì)。第二部分 介紹了多媒體教學(xué)系統(tǒng)for Linux各模塊的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。由于該軟件涉及的內(nèi)容很廣，限于篇幅，此處僅選取其中比較重要的，較有代表性的作一些簡(jiǎn)要介紹。第三部分 介紹了該軟件多媒體教學(xué)系統(tǒng)for Linux的使用方法，并以圖示例了程序運(yùn)行時(shí)的情況。此文的附帶軟盤上有此系統(tǒng)的完整源代碼和可執(zhí)行文件。第1章 概述本章的主要內(nèi)容：什么是多媒體教學(xué)多媒體教學(xué)的歷史和發(fā)展趨勢(shì)多媒體網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn) 什么是多媒體教學(xué)多媒體教學(xué)是指在教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)對(duì)象的特點(diǎn)，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)，合理選擇和運(yùn)用現(xiàn)代教學(xué)媒體，并與傳統(tǒng)教學(xué)手段有機(jī)組合，共同參與教學(xué)全過(guò)程，以多種媒體信息作用于學(xué)生，形成合理的教學(xué)過(guò)程結(jié)構(gòu)，達(dá)到最優(yōu)化的教學(xué)效果。 多媒體教學(xué)的歷史和發(fā)展趨勢(shì)多媒體教學(xué)在八十年代已經(jīng)開始出現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)是采用多種電子媒體如幻燈、投影、錄音、錄像等綜合運(yùn)用與課堂教學(xué)。這種教學(xué)技術(shù)又稱多媒體組合教學(xué)或電化教學(xué)。九十年代起，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，多媒體計(jì)算機(jī)已經(jīng)逐步取代了以往的多種教學(xué)媒體的綜合使用地位。因此，現(xiàn)在我們通常所說(shuō)的多媒體教學(xué)是特指運(yùn)用多媒體計(jì)算機(jī)并借助于預(yù)先制作的多媒體教學(xué)軟件來(lái)開展的教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程。它又可以稱為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)（puter assisted instruction，即CAI）。多媒體計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)是指利用多媒體計(jì)算機(jī)，綜合處理和控制符號(hào)、語(yǔ)言、文字、聲音、圖形、圖像、影像等多種媒體信息，把多媒體的各個(gè)要素按教學(xué)要求，進(jìn)行有機(jī)組合并通過(guò)屏幕或投影機(jī)投影顯示出來(lái)，同時(shí)按需要加上聲音的配合，以及使用者與計(jì)算機(jī)之間的人機(jī)交互操作，完成教學(xué)訓(xùn)練過(guò)程。多媒體教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)教室中，按每個(gè)學(xué)生配置一臺(tái)多媒體計(jì)算機(jī)，把全部計(jì)算機(jī)連接成局域網(wǎng)，每臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝網(wǎng)絡(luò)教室軟件，教師機(jī)安裝控制軟件，就組成了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教室。在網(wǎng)絡(luò)教室中利用多媒體課件開展教學(xué)，學(xué)生可以直接參與教學(xué)活動(dòng)過(guò)程，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的作用，利于個(gè)性化的學(xué)習(xí)。教師也可以對(duì)學(xué)生機(jī)的使用進(jìn)行控制，以及與學(xué)生進(jìn)行直接對(duì)話、個(gè)別輔導(dǎo)、答疑，也可以進(jìn)行個(gè)別練習(xí)、測(cè)驗(yàn)等。還可以根據(jù)需要連接到互聯(lián)網(wǎng)，充分利用網(wǎng)絡(luò)的各種信息，把各種教學(xué)資源有機(jī)地整合到課堂教學(xué)中來(lái)。因此，利用網(wǎng)絡(luò)教室開展多媒體教學(xué)，是一種更有發(fā)展前景的現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用模式。多種信息載體作用于學(xué)生，提高了趣味性，增加了學(xué)生的積極性；老師不用在上課時(shí)寫很多板書，提高了上課地效率。改變了傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，使上課成為老師和學(xué)生的交互過(guò)程，在保證教的前提下，提高了學(xué)習(xí)的效率。擴(kuò)展了教室這個(gè)概念，只要同處一個(gè)局域網(wǎng)，就算不在一個(gè)教室，同樣可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)的目的。第2章 核心技術(shù)本章的主要內(nèi)容：Unix/Linux套接字基礎(chǔ)并發(fā)服務(wù)器基礎(chǔ)圖像壓縮技術(shù)基礎(chǔ)GNOME軟件層次概述 Unix/Linux套接字基礎(chǔ) Unix/Linux套接字概述追溯歷史，Unix網(wǎng)絡(luò)編程接口有兩個(gè)發(fā)展方向。一個(gè)是套接字接口，是由Berkeley Unix系統(tǒng)開發(fā)人員在80年代初期開發(fā)出來(lái)的；另一個(gè)是傳輸層接口（TLI），是System V的開發(fā)人員于1986年開發(fā)的。盡管兩各接口都符合XTI規(guī)范，但由于套接字以其簡(jiǎn)單實(shí)用而得到廣泛的應(yīng)用。套接字是一種網(wǎng)絡(luò)API。它定義了許多函數(shù)和例程，程序員可以用它開發(fā)應(yīng)用程序。套接字接口本意在于提供一種進(jìn)程間通信的方法，使得在相同或不同主機(jī)上的進(jìn)程能以相同的規(guī)范進(jìn)行雙向信息傳送。進(jìn)程通過(guò)調(diào)用套接字接口API來(lái)實(shí)現(xiàn)互相之間的通信。套接字接口又利用下層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議功能和系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)實(shí)際的通信工作。 套接字類型套接字支持各種通信域，即多種不同的通信協(xié)議。目前Unix/Linux系統(tǒng)主要支持以下幾種資協(xié)議：Unix：Unix系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議INET：IP版本4INET6：IP版本6Unix/Linux系統(tǒng)支持多種套接字類型。套接字類型，是指創(chuàng)建套接字的應(yīng)用程序所希望的通信服務(wù)類型。目前，Unix/Linux系統(tǒng)主要定義了一下幾種類型：SOCK_STREAM：提供可靠的面向連接傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，保證數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中無(wú)丟失、無(wú)損懷和無(wú)冗余。INET地址簇中的TCP協(xié)議支持該套接字。SOCK_DGRAM：提供數(shù)據(jù)的雙向傳輸，但不保證消息的準(zhǔn)確到達(dá)，即使消息能夠到達(dá)，也無(wú)法保證其順序性，并可能有冗余或損壞。INET地址簇中的UDP協(xié)議支持該套接字。SOCK_RAW：是低于傳輸層的低級(jí)協(xié)議或物理網(wǎng)絡(luò)提供的套接字類型。它可以訪問(wèn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)接口。例如。可以接收和發(fā)送ICMP包。SOCK_SEQPACKET：提供可靠的、雙向的、順序化的以及面向連接的數(shù)據(jù)通信。類似于SOCK_STREAM方式，但它的報(bào)文大小可變（最大報(bào)文長(zhǎng)度固定）。SOCK_RDM：類似于SOCK_DRAM方式，但它可以保證數(shù)據(jù)的正確到達(dá)。網(wǎng)絡(luò)程序中，最常用的就是SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM兩種類型的套接字。在本系統(tǒng)中，前者用于傳輸控制命令，后者用于傳輸圖像數(shù)據(jù)。 并發(fā)服務(wù)器基礎(chǔ) 并發(fā)技術(shù)并發(fā)技術(shù)的執(zhí)行取決于操作系統(tǒng)提供的基本設(shè)施。Unix/Linux系統(tǒng)主要提供三種方式以支持并發(fā)：進(jìn)程、線程及I/O多路復(fù)用。進(jìn)程進(jìn)程是執(zhí)行中的極端機(jī)程序，可以認(rèn)為是一個(gè)程序的一次運(yùn)行。它是一個(gè)動(dòng)態(tài)尸體，是獨(dú)立的任務(wù)。每個(gè)單獨(dú)的進(jìn)程運(yùn)行在自己的虛擬地址空間，并且只能通過(guò)安全的內(nèi)核管理幾只和其他進(jìn)程交互。若一個(gè)進(jìn)程崩潰并不會(huì)引起系統(tǒng)中另一個(gè)進(jìn)程崩潰。在Unix/Linux系統(tǒng)中，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)執(zhí)行相同的代碼，從而支持并發(fā)。對(duì)于單CPU系統(tǒng)而言，CPU一次只能執(zhí)行一個(gè)進(jìn)程，但操作系統(tǒng)可通過(guò)分時(shí)處理，每個(gè)進(jìn)程在每個(gè)時(shí)間段中執(zhí)行，因此對(duì)于用戶而言，這些進(jìn)程是在同時(shí)執(zhí)行。線程線程與進(jìn)程類似，也支持并發(fā)執(zhí)行。與進(jìn)程不同的是，在同一進(jìn)程中所有線程共享相同的全程變量以及系統(tǒng)分配給進(jìn)程的資源。因此，線程占用較少的系統(tǒng)資源，并且線程之間的切換更快。I/O多路復(fù)用另一種支持并發(fā)的方法，是I/O多路復(fù)用。select()函數(shù)是系統(tǒng)提供的，它可以在多個(gè)套接字描述符中選擇被激活的描述符進(jìn)行操作。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程同時(shí)有多個(gè)客戶連接，即存在多個(gè)TCP套接字描述符時(shí)，select()函數(shù)將阻塞直到任何一個(gè)描述符被激活，即有數(shù)據(jù)傳輸。從而避免了進(jìn)程為等待一個(gè)已連接上的數(shù)據(jù)而無(wú)法處理其他連接。因而，這是一種分時(shí)復(fù)用的方法，從用戶角度而言，它實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)進(jìn)程或線程中的并發(fā)處理。并發(fā)服務(wù)器通常通過(guò)多進(jìn)程/線程實(shí)現(xiàn)，但也可以在單個(gè)進(jìn)程/線程中實(shí)現(xiàn)。進(jìn)程/線程可分為主服務(wù)器進(jìn)程/線程。主進(jìn)程/線程創(chuàng)建套接字并等待客戶請(qǐng)求，當(dāng)收到客戶請(qǐng)求則產(chǎn)生子進(jìn)程/線程，進(jìn)行處理。主進(jìn)程/線程并不直接與客戶通信，而是交給子進(jìn)程/線程來(lái)完成。當(dāng)子進(jìn)程/線程完成與客戶的交互后，則推出執(zhí)行。以下介紹三種主要的并發(fā)服務(wù)器算法：由于是無(wú)連接服務(wù)器，不需要等待每個(gè)已連接上的客戶，因而不必采用并發(fā)技術(shù)也能有效地處理多個(gè)用戶，另外，多進(jìn)成/線程需要大量的系統(tǒng)開銷，因此，無(wú)連接服務(wù)器一般不采用并發(fā)技術(shù)。主進(jìn)程/線程子進(jìn)程/線程產(chǎn)生UDP套接字綁定套接字到特定地址用recvfrom()函數(shù)接收用戶請(qǐng)求產(chǎn)生子進(jìn)程/線程響應(yīng)用戶請(qǐng)求處理客戶請(qǐng)求調(diào)用sendto()函數(shù)發(fā)送響應(yīng)信息退出并發(fā)無(wú)連接服務(wù)器算法示意圖圖21并發(fā)無(wú)連接服務(wù)器算法面向連接的服務(wù)器與客戶的通信是建立在連接的基礎(chǔ)上?？蛻羰着c服務(wù)器建立連接，然后雙方在連接的基礎(chǔ)上進(jìn)行交互，交互結(jié)束后斷開連接。由于連接服務(wù)器需要守候在每個(gè)連接上，因此，并發(fā)是非常重要的。主進(jìn)程/線程子進(jìn)程/線程產(chǎn)生TCP套接字綁定套接字到特定地址監(jiān)聽(tīng)調(diào)用accept()函數(shù)，接受用戶連接，產(chǎn)生子進(jìn)程/線程，處理用戶請(qǐng)求在建立的連接基礎(chǔ)上與用戶交互處理完一個(gè)用戶的所有請(qǐng)求后，關(guān)閉連接退出并發(fā)連接服務(wù)器算法示意圖圖22并發(fā)連接服務(wù)器算法由于進(jìn)程/線程需要較多的系統(tǒng)開銷，有時(shí)可以采用I/O多路復(fù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)處理多個(gè)客戶連接，而不必產(chǎn)個(gè)進(jìn)程/線程。單進(jìn)程/線程的并發(fā)服務(wù)器算法示意圖單進(jìn)程/線程產(chǎn)生TCP套接字綁定套接字到特定地址監(jiān)聽(tīng)調(diào)用select()函數(shù)等待被激活的I/O用recv()函數(shù)接到用戶請(qǐng)求用send()函數(shù)響應(yīng)用戶關(guān)閉連接套接字將監(jiān)聽(tīng)套接字加入I/O列表是監(jiān)聽(tīng)套接字被激活嗎？接收客戶連接并將新的套接字加入I/O列表是關(guān)閉連接？否否是圖23單進(jìn)程/線程的并發(fā)服務(wù)器算法在本系統(tǒng)中采用了單線程的并發(fā)服務(wù)器算法。 圖像壓縮技術(shù)基礎(chǔ)圖像壓縮技術(shù)可以大致分為無(wú)損壓縮和有損壓縮兩大類：無(wú)損壓縮利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)冗余進(jìn)行壓縮，可完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)而不引入任何失真，但壓縮率受到統(tǒng)計(jì)冗余度的理論限制，一般為2:1到5:1。經(jīng)常使用的無(wú)損壓縮方法主要是基于統(tǒng)計(jì)的編碼方案，如行程編碼（Run Length）、Huffman編碼、算術(shù)編碼和LZW編碼等等。有損壓縮方法利用了人類視覺(jué)對(duì)圖像中的某些頻率成分不敏感的特性，允許在壓縮過(guò)程中損失一定的信息；雖然不能完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對(duì)理解原始圖像的影響較小，卻換來(lái)了大得多的壓縮比。常用的有損壓縮方法有：PCM(脈沖編碼調(diào)制)、預(yù)測(cè)編碼、變換編碼(主要是離散余弦變換方法)、插值和外推法(空域亞采樣、時(shí)域亞采樣、自適應(yīng))等等。下面介紹一下本系統(tǒng)使用到的幾種主要圖像壓縮技術(shù)。 行程編碼（Run Length）行程編碼(或稱游程編碼),簡(jiǎn)寫為RLE或RLC,是一種十分簡(jiǎn)單的壓縮方法，它將數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)的字符(稱為行程)用單一的記號(hào)來(lái)表示，對(duì)于連續(xù)相同的數(shù)據(jù)具有很高的壓縮率，即行程越長(zhǎng)，編碼效率越高。微軟在其壓縮的Bitmap圖形文件里采用了這種無(wú)損壓縮方法。 Huffman編碼Huffman編碼是1952年由Huffman提出的一種編碼方法。這種編碼方法的主要思想是根據(jù)源數(shù)據(jù)符號(hào)出現(xiàn)的概率進(jìn)行編碼，出現(xiàn)概率越高的符號(hào)，分配以越短的編碼，反之，分配以較長(zhǎng)的編碼，從而達(dá)到用盡可能少的編碼符號(hào)表示數(shù)據(jù)源。理論研究表明，Huffman編碼是接近壓縮比上限的一種較好的編碼方法。Huffman編碼的一般步驟如下：概率統(tǒng)計(jì)（如對(duì)一幅圖像做灰度信號(hào)統(tǒng)計(jì)），得到n各不同概率的信息符號(hào)；將信源符號(hào)按概率遞