linux環境下多媒體教學系統的設計與實現的學士學位畢業論文(已修改)

　

【正文】 Linux環境下多媒體教學系統的設計與實現的學士學位畢業論文目 錄第1章 概述 6 什么是多媒體教學 6 多媒體教學的歷史和發展趨勢 6 6第2章 核心技術 7 Unix/Linux套接字基礎 7 Unix/Linux套接字概述 7 套接字類型 7 并發服務器基礎 7 并發技術 7 8 圖像壓縮技術基礎 10 行程編碼（Run Length） 11 Huffman編碼 11 GNOME軟件層次概述 11第3章 系統結構 13 總體設計 13 各模塊間關系圖 13 各模塊概要設計 15 命令控制模塊 15 界面控制模塊 16 圖像模塊 16 遠程遙控模塊 17 鍵盤、鼠標控制模塊 17 關機、重啟模塊 17 學生登錄模塊 17 用戶界面模塊 17第4章 系統實現 18 全局設定 18 指令隊列 18 學生端信息列表 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在圖像發送端，圖像發送模塊先調用圖像捕獲模塊，進行屏幕捕獲，再調用圖像壓縮模塊進行壓縮，然后通過封裝成若干個UDP數據包，發送出去；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據，再調用圖像解壓縮模塊進行解壓縮，最后調用圖像顯示模塊，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 圖像發送、接收模塊 28 遠程遙控模塊 29 鍵盤、鼠標控制模塊 30 關機、重啟模塊 30 學生登錄模塊 30 用戶界面模塊 31第5章 使用說明 32 32 教師端文件列表 32 學生端文件列表 32 32 教師端的安裝與卸載 32 學生端的安裝 32 32 教師端的使用 32結論 36參考文獻 37致謝 38前言現代教學是全方位的教學，可以是傳統的面授教學，也可以是遠程教學，而多媒體教學的應用也愈加廣泛。對于多媒體教學來說，學校需要有為其量身定做的多媒體教學軟件，可以為教師提供更好的教學素材和教學方式，擴展教師的能力空間，還可以為學生提供更加有聲有色的形象教學；同時也需要完善的系統平臺，可以提高整體管理水平和工作效率、促進信息交流，與國際教學水平接軌。目前已經有許多比較成熟的多媒體教學系統，它們功能強大、穩定、易于使用，并且已經廣泛地用于各種單位的機房，實現了教學的多媒體化。但是，它們中間大多數是針對Win32平臺開發的，因此只能在Win32操作系統中使用。然而，隨著Linux的迅速發展，越來越多的人使用Linux作為網絡平臺或開發平臺，一個以Linux為操作系統的團體已經形成，他們急需在Linux平臺上學習和探索。于是，多媒體教學系統必須能夠在以Linux為操作系統的上機環境中使用，提供對Linux的支持。經過三個月的學習和艱苦編程設計工作，我最終完成了多媒體教學系統for Linux的開發并調試成功。雖然在這過程中碰到不少困難和挫折，但我通過使用各種方法都可服了。本文就是在此系統完成后對整個系統開發過程（包括系統的分析、設計、實現技術等環節）的記錄、概括和總結。本論文正文由三個部分組成：第一部分 介紹了多媒體教學系統for Linux的設計思路、方向和對功能模塊的確定劃分，模塊之間的相互關系，模塊使用的主要技術的分析和模塊內有關子功能的設計。第二部分 介紹了多媒體教學系統for Linux各模塊的具體實現過程。由于該軟件涉及的內容很廣，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要介紹。第三部分 介紹了該軟件多媒體教學系統for Linux的使用方法，并以圖示例了程序運行時的情況。此文的附帶軟盤上有此系統的完整源代碼和可執行文件。第1章 概述本章的主要內容：什么是多媒體教學多媒體教學的歷史和發展趨勢多媒體網絡教學的優點 什么是多媒體教學多媒體教學是指在教學過程中，根據教學目標和教學對象的特點，通過教學設計，合理選擇和運用現代教學媒體，并與傳統教學手段有機組合，共同參與教學全過程，以多種媒體信息作用于學生，形成合理的教學過程結構，達到最優化的教學效果。 多媒體教學的歷史和發展趨勢多媒體教學在八十年代已經開始出現，但當時是采用多種電子媒體如幻燈、投影、錄音、錄像等綜合運用與課堂教學。這種教學技術又稱多媒體組合教學或電化教學。九十年代起，隨著計算機技術的迅速發展和普及，多媒體計算機已經逐步取代了以往的多種教學媒體的綜合使用地位。因此，現在我們通常所說的多媒體教學是特指運用多媒體計算機并借助于預先制作的多媒體教學軟件來開展的教學活動的過程。它又可以稱為計算機輔助教學（puter assisted instruction，即CAI）。多媒體計算機輔助教學是指利用多媒體計算機，綜合處理和控制符號、語言、文字、聲音、圖形、圖像、影像等多種媒體信息，把多媒體的各個要素按教學要求，進行有機組合并通過屏幕或投影機投影顯示出來，同時按需要加上聲音的配合，以及使用者與計算機之間的人機交互操作，完成教學訓練過程。多媒體教學的發展趨勢是計算機網絡教室的應用。在網絡教室中，按每個學生配置一臺多媒體計算機，把全部計算機連接成局域網，每臺計算機安裝網絡教室軟件，教師機安裝控制軟件，就組成了計算機網絡教室。在網絡教室中利用多媒體課件開展教學，學生可以直接參與教學活動過程，可以充分調動學生自主學習的作用，利于個性化的學習。教師也可以對學生機的使用進行控制，以及與學生進行直接對話、個別輔導、答疑，也可以進行個別練習、測驗等。還可以根據需要連接到互聯網，充分利用網絡的各種信息，把各種教學資源有機地整合到課堂教學中來。因此，利用網絡教室開展多媒體教學，是一種更有發展前景的現代教育技術應用模式。多種信息載體作用于學生，提高了趣味性，增加了學生的積極性；老師不用在上課時寫很多板書，提高了上課地效率。改變了傳統的單一教學模式，使上課成為老師和學生的交互過程，在保證教的前提下，提高了學習的效率。擴展了教室這個概念，只要同處一個局域網，就算不在一個教室，同樣可以實現教學的目的。第2章 核心技術本章的主要內容：Unix/Linux套接字基礎并發服務器基礎圖像壓縮技術基礎GNOME軟件層次概述 Unix/Linux套接字基礎 Unix/Linux套接字概述追溯歷史，Unix網絡編程接口有兩個發展方向。一個是套接字接口，是由Berkeley Unix系統開發人員在80年代初期開發出來的；另一個是傳輸層接口（TLI），是System V的開發人員于1986年開發的。盡管兩各接口都符合XTI規范，但由于套接字以其簡單實用而得到廣泛的應用。套接字是一種網絡API。它定義了許多函數和例程，程序員可以用它開發應用程序。套接字接口本意在于提供一種進程間通信的方法，使得在相同或不同主機上的進程能以相同的規范進行雙向信息傳送。進程通過調用套接字接口API來實現互相之間的通信。套接字接口又利用下層的網絡通信協議功能和系統調用實現實際的通信工作。 套接字類型套接字支持各種通信域，即多種不同的通信協議。目前Unix/Linux系統主要支持以下幾種資協議：Unix：Unix系統內部協議INET：IP版本4INET6：IP版本6Unix/Linux系統支持多種套接字類型。套接字類型，是指創建套接字的應用程序所希望的通信服務類型。目前，Unix/Linux系統主要定義了一下幾種類型：SOCK_STREAM：提供可靠的面向連接傳輸的數據流，保證數據在傳輸過程中無丟失、無損懷和無冗余。INET地址簇中的TCP協議支持該套接字。SOCK_DGRAM：提供數據的雙向傳輸，但不保證消息的準確到達，即使消息能夠到達，也無法保證其順序性，并可能有冗余或損壞。INET地址簇中的UDP協議支持該套接字。SOCK_RAW：是低于傳輸層的低級協議或物理網絡提供的套接字類型。它可以訪問內部網絡接口。例如。可以接收和發送ICMP包。SOCK_SEQPACKET：提供可靠的、雙向的、順序化的以及面向連接的數據通信。類似于SOCK_STREAM方式，但它的報文大小可變（最大報文長度固定）。SOCK_RDM：類似于SOCK_DRAM方式，但它可以保證數據的正確到達。網絡程序中，最常用的就是SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM兩種類型的套接字。在本系統中，前者用于傳輸控制命令，后者用于傳輸圖像數據。 并發服務器基礎 并發技術并發技術的執行取決于操作系統提供的基本設施。Unix/Linux系統主要提供三種方式以支持并發：進程、線程及I/O多路復用。進程進程是執行中的極端機程序，可以認為是一個程序的一次運行。它是一個動態尸體，是獨立的任務。每個單獨的進程運行在自己的虛擬地址空間，并且只能通過安全的內核管理幾只和其他進程交互。若一個進程崩潰并不會引起系統中另一個進程崩潰。在Unix/Linux系統中，多個進程可以同時執行相同的代碼，從而支持并發。對于單CPU系統而言，CPU一次只能執行一個進程，但操作系統可通過分時處理，每個進程在每個時間段中執行，因此對于用戶而言，這些進程是在同時執行。線程線程與進程類似，也支持并發執行。與進程不同的是，在同一進程中所有線程共享相同的全程變量以及系統分配給進程的資源。因此，線程占用較少的系統資源，并且線程之間的切換更快。I/O多路復用另一種支持并發的方法，是I/O多路復用。select()函數是系統提供的，它可以在多個套接字描述符中選擇被激活的描述符進行操作。當一個進程同時有多個客戶連接，即存在多個TCP套接字描述符時，select()函數將阻塞直到任何一個描述符被激活，即有數據傳輸。從而避免了進程為等待一個已連接上的數據而無法處理其他連接。因而，這是一種分時復用的方法，從用戶角度而言，它實現了在一個進程或線程中的并發處理。并發服務器通常通過多進程/線程實現，但也可以在單個進程/線程中實現。進程/線程可分為主服務器進程/線程。主進程/線程創建套接字并等待客戶請求，當收到客戶請求則產生子進程/線程，進行處理。主進程/線程并不直接與客戶通信，而是交給子進程/線程來完成。當子進程/線程完成與客戶的交互后，則推出執行。以下介紹三種主要的并發服務器算法：由于是無連接服務器，不需要等待每個已連接上的客戶，因而不必采用并發技術也能有效地處理多個用戶，另外，多進成/線程需要大量的系統開銷，因此，無連接服務器一般不采用并發技術。主進程/線程子進程/線程產生UDP套接字綁定套接字到特定地址用recvfrom()函數接收用戶請求產生子進程/線程響應用戶請求處理客戶請求調用sendto()函數發送響應信息退出并發無連接服務器算法示意圖圖21并發無連接服務器算法面向連接的服務器與客戶的通信是建立在連接的基礎上。客戶首與服務器建立連接，然后雙方在連接的基礎上進行交互，交互結束后斷開連接。由于連接服務器需要守候在每個連接上，因此，并發是非常重要的。主進程/線程子進程/線程產生TCP套接字綁定套接字到特定地址監聽調用accept()函數，接受用戶連接，產生子進程/線程，處理用戶請求在建立的連接基礎上與用戶交互處理完一個用戶的所有請求后，關閉連接退出并發連接服務器算法示意圖圖22并發連接服務器算法由于進程/線程需要較多的系統開銷，有時可以采用I/O多路復用來實現處理多個客戶連接，而不必產個進程/線程。單進程/線程的并發服務器算法示意圖單進程/線程產生TCP套接字綁定套接字到特定地址監聽調用select()函數等待被激活的I/O用recv()函數接到用戶請求用send()函數響應用戶關閉連接套接字將監聽套接字加入I/O列表是監聽套接字被激活嗎？接收客戶連接并將新的套接字加入I/O列表是關閉連接？否否是圖23單進程/線程的并發服務器算法在本系統中采用了單線程的并發服務器算法。 圖像壓縮技術基礎圖像壓縮技術可以大致分為無損壓縮和有損壓縮兩大類：無損壓縮利用數據的統計冗余進行壓縮，可完全恢復原始數據而不引入任何失真，但壓縮率受到統計冗余度的理論限制，一般為2:1到5:1。經常使用的無損壓縮方法主要是基于統計的編碼方案，如行程編碼（Run Length）、Huffman編碼、算術編碼和LZW編碼等等。有損壓縮方法利用了人類視覺對圖像中的某些頻率成分不敏感的特性，允許在壓縮過程中損失一定的信息；雖然不能完全恢復原始數據，但是所損失的部分對理解原始圖像的影響較小，卻換來了大得多的壓縮比。常用的有損壓縮方法有：PCM(脈沖編碼調制)、預測編碼、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、時域亞采樣、自適應)等等。下面介紹一下本系統使用到的幾種主要圖像壓縮技術。 行程編碼（Run Length）行程編碼(或稱游程編碼),簡寫為RLE或RLC,是一種十分簡單的壓縮方法，它將數據流中連續出現的字符(稱為行程)用單一的記號來表示，對于連續相同的數據具有很高的壓縮率，即行程越長，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源數據符號出現的概率進行編碼，出現概率越高的符號，分配以越短的編碼，反之，分配以較長的編碼，從而達到用盡可能少的編碼符號表示數據源。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：概率統計（如對一幅圖像做灰度信號統計），得到n各不同概率的信息符號；將信源符號按概率遞