CN113965788A - 一种局域网内教学同屏互动系统 - Google Patents

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Abstract

一种局域网内教学同屏互动系统，该系统包括：音视频源模块和接收模块，以上两个模块连接到同一网络内；该音视频源模块采集音视频数据，对采集到的音视频数据进行编码和封装成数据包，并启动指令处理服务和中转程序的中转处理服务，向同一网内的接收模块广播出音视频组播地址，接收模块在接收到该消息后主动加入该组播中等待接收音视频数据包；同一网络内已加入组播的接收模块收到音视频数据包，同时向已经连接上的中转程序发送相同的音视频数据包；接收模块接收到音视频数据包后按照规则解包得到音视频帧并解码播放；接收模块通过获取音视频源模块IP及指令控制端口建立连接并进行互动。

Description

一种局域网内教学同屏互动系统
【技术领域】
本发明涉及局域网内教学系统，尤其涉及一种适应于教学环境下的一对多同屏互动系统。
【背景技术】
在局域网内常用的同屏技术有三种：DLNA、AirPaly、Miracast，DLNA(DigitalLiving Network Alliance数字生活网络联盟，其前身是DHWG-Digital Home WorkingGroup数字家庭工作组)；AirPaly则是苹果公司在iOS4.2中加入的一种播放技术，可以将iphone、iPod touch、iPad上的视频镜像传送到支持AirPlay的设备上播放；而Miracast是Wi-Fi Alliance于2012年9月19日宣布启动的Wi-Fi CERTIFIED MiracastTM认证项目。Miracast设备提供简化发现和设置，用户可以迅速在设备间传输视频。该技术与认证项目由Wi-Fi联盟中的移动与消费性电子设备制造商及芯片厂商共同制定。Miracast用户可以尽情在大屏电视上浏览智能手机拍下的照片，通过会议室投影仪实时共享笔记本屏幕，或者在平板电脑上收看家庭电视机顶盒的直播节目。Miracast通过Wi-Fi CERTIFIED Wi-FiDirectTM形成连接，因此无需接入任何Wi-Fi网络--Miracast认证设备内部具备连接功能。
这三种技术方案只能在同一个网络内实现一对一投屏，不能跨网扩展，也不能一对多地进行同屏。另外再音频信号的传送上存在延迟效应，不能保证多端互动。
在应用到教学领域时，其技术困境就比较明显，不能让传授者一对多将教学屏幕同步投送到多个学习屏幕，而且在教学中存在提问和回答环节的时候，无法进行屏幕操作互动，使用起来存在实际的不便。
【发明内容】
本发明针对以上情况提出了一种在局域网内高效的、可扩展的一对多同屏及互动教学系统。
本发明涉及一种局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该系统包括：音视频源模块和接收模块，以上两个模块连接到同一网络内时，接收模块直接组播数据包的方式实现同屏，接收模块与视频模块直接建立通讯连接并进行双向指令控制实现互动。
当系统扩展到处于不同的网络中的接收模块时，该系统还应包括中转模块，该系统中音视频源模块、接收模块和中转模块进行数据传递：
该音视频源模块采集音视频数据，对采集到的音视频数据进行编码和封装成数据包，并启动指令处理服务和中转模块的中转处理服务，向同一网内的接收模块广播出音视频组播地址，接收模块在接收到该消息后主动加入该组播中等待接收音视频数据包；
同一网络内已加入组播的接收模块收到音视频数据包，同时向已经连接上的中转模块发送相同的音视频数据包；
接收模块接收到音视频数据包后按照规则解包得到音视频帧并解码播放；
接收模块通过获取音视频源模块IP及指令控制端口建立连接并进行互动。
音视频源模块采集音视频信号并编码，编码后的音视频帧数按照规则封装成数据包，该数据包的封装规则：
数据包大小：最大值不超过65000字节；
数据包结构：包头+音频或视频帧数据；
包头：包头的大小一共16位，用于记录当前音视频帧的序列号，从0开始计数，每打包一帧数据计数加1，音频与视频帧分开计数；当计数大于包头所能容纳的大小时，计数清零，从零重新开始计数；
音频或视频帧数据：音频采用AAC编码，视频采用H.264编码。
其中视频封装成的数据包分为两种类型：单一类型当视频帧大小小于或等于数据包大小最大值时，去掉视频帧的起始码后，再添加上对应包头封装成一个数据包；组合类型：当视频帧大小大于数据包大小最大值时，先去掉视频帧的起始码，再按照H.264的FU-A分片规则将视频帧分割成大小小于或等于数据包大小最大值的片段，最后再添加上对应包头封装成一个数据包。
其中音频封装成的数据包：当音频帧数据大小是编码后控制在一个包大小范围内时，直接添加对应包头完成数据包封装。
该音视频源模块会将该音视频源模块所在的主机IP及指令控制端口的信息记录到一个配置文件中，该接收模块接收到包含了主机IP和指令控制端口的配置文件后主动与指令处理服务建立连接，以实现互动。
该系统实现互动的方式有两种：当系统中的音视频源模块和接收模块在同一网络时，该接收模块导出配置文件，并主动请求与音视频源模块建立连接，以实现互动；而当系统中的音视频源模块和接收模块在不同网络时，则该系统需配置中转模块，在其他网络内的接收模块通过接收中转模块发送的音视频数据包来实现同屏，并通过中转模块获取视频源模块的主机IP和指令控制端口的配置文件，并与音视频源模块实现互动。
该指令控制端口的指令处理：指令数据为json格式，包含以下信息：发送者ID、接收者ID、意图、参数。可以用来实现弹幕、提问答题、禁言、签到业务。
接收模块接收到音视频数据包后进行解包的规则是：当接收到数据包后取出前16位数据得到包头同时得到序列号，如果该序列号不等于0且小于之前已获取到的序列号则将该包丢弃。将数据包去除包头得到音视或视频频帧数据，先将该数据默认为是视频帧数据，尝试解析出NAL的头部，如果解析失败则认为该数据为音频帧数据，将其交给音频解码器解码器处理。如果解析NAL头部成功则认为这是视频帧数据，进一步根据NAL中的type类型判断是否为分包类型，如果是分包类型则按H.264的规则将收到的数据组装成一个完整的视频帧后加上起始码再交给视频解码器处理，如果数据是单一类型则直接加上起始码后交给视频解码器处理。
音视频源模块包括第一音视频处理单元和第一信号处理单元，第一音视频处理单元包括视频采集子单元和音频采集子单元，通过视频采集子单元和音频采集子单元采集到数据到第一音视频处理单元进行处理，然后启动的第一信号处理单元进行指令处理。
该第一音视频处理单元需要完成编码、打包和发送的处理。
第一信号处理单元维护与接收模块的连接并处理来自接收模块的信息，并可以向接收模块发送消息。
该接收模块包括第二音视频处理单元和第二信号处理单元，其中第二音视频处理单元负责接收并解码数据包，得到音视频帧进行解码播放，而该第二音视频处理单元负责与音视频源模块连接并收发与处理信息。
该中转模块为交换机或者为交换机和路由器，该中转模块负责将收到的数据包转发给当前网络中的接收模块或者其他网络中的接收模块，缓存音视频源模块中的关键信息，包括但不限于组播地址、音视频源所在主机IP、指令控制端口、最近发送的关键视频帧；以便接收模块能与音视频源模块建立连接实现通讯，以及使用缓存关键视频帧实现首屏秒开功能，加快新加入或断开重连的接收模块显示出画面。
【附图说明】
图1是本发明一种局域网内教学同屏互动系统的架构示意图；
图2是本发明一种局域网内教学同屏互动系统覆盖不同网络的架构示意图；
图3是本发明通过中转模块连接不同网络之间的架构图；
图4是本发明音视频源模块和接收模块结构图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。请参考附图1，其中示出本发明所涉及一种局域网内教学同屏互动系统的构型结构，其中包括：音视频源模块和接收模块，以上两个模块连接到同一网络内；在该系统中还包括中转模块：
该音视频源模块采集音视频数据，对采集到的音视频数据进行编码和封装成数据包，并启动指令处理服务和中转模块的中转处理服务，向同一网内的接收模块广播出音视频组播地址，接收模块在接收到该消息后主动加入该组播中等待接收音视频数据包；
同一网络内已加入组播的接收模块收到音视频数据包，同时向已经连接上的中转模块发送相同的音视频数据包；
接收模块接收到音视频数据包后按照规则解包得到音视频帧并解码播放；
接收模块通过获取音视频源模块IP及指令控制端口建立连接并进行互动。
音视频源模块采集音视频信号并编码，编码后的音视频帧数按照规则封装成数据包，该数据包的封装规则：
数据包大小：最大值不超过65000字节；
数据包结构：包头+音频或视频帧数据；
包头：包头的大小一共16位，用于记录当前音视频帧的序列号，从0开始计数，每打包一帧数据计数加1，音频与视频帧分开计数；当计数大于包头所能容纳的大小时，计数清零，从零重新开始计数；
音频或视频帧数据：音频采用AAC编码，视频采用H.264编码。
其中视频封装成的数据包分为两种类型：单一类型当视频帧大小小于或等于数据包大小最大值时，去掉视频帧的起始码后，再添加上对应包头封装成一个数据包；组合类型：当视频帧大小大于数据包大小最大值时，先去掉视频帧的起始码，再按照H.264的FU-A分片规则将视频帧分割成大小小于或等于数据包大小最大值的片段，最后再添加上对应包头封装成一个数据包。
其中音频封装成的数据包：当音频帧数据大小是编码后控制在一个包大小范围内时，直接添加对应包头完成数据包封装。
该音视频源模块会将该音视频源模块所在的主机IP及指令控制端口的信息记录到一个配置文件中，该接收模块接收到包含了主机IP和指令控制端口的配置文件后主动与指令处理服务建立连接，以实现互动。
请参考附图2：该系统实现互动的方式有两种：当系统中的音视频源模块和接收模块在同一网络时，该接收模块导出配置文件，并主动请求与音视频源模块建立连接，以实现互动；而当系统中的音视频源模块和接收模块在不同网络时，则该系统需配置中转模块，在其他网络内的接收模块通过接收中转模块发送的音视频数据包来实现同屏，并通过中转模块获取视频源模块的主机IP和指令控制端口的配置文件，并与音视频源模块实现互动。
该指令控制端口的指令处理：指令数据为json格式，包含以下信息：发送者ID、接收者ID、意图、参数。可以用来实现弹幕、提问答题、禁言、签到业务。
接收模块接收到音视频数据包后进行解包的规则是：当接收到数据包后取出前16位数据得到包头同时得到序列号，如果该序列号不等于0且小于之前已获取到的序列号则将该包丢弃。将数据包去除包头得到音视或视频频帧数据，先将该数据默认为是视频帧数据，尝试解析出NAL的头部，如果解析失败则认为该数据为音频帧数据，将其交给音频解码器解码器处理。如果解析NAL头部成功则认为这是视频帧数据，进一步根据NAL中的type类型判断是否为分包类型，如果是分包类型则按H.264的规则将收到的数据组装成一个完整的视频帧后加上起始码再交给视频解码器处理，如果数据是单一类型则直接加上起始码后交给视频解码器处理。
请参考附图4：该音视频源模块包括第一音视频处理单元和第一信号处理单元，第一音视频处理单元包括视频采集子单元和音频采集子单元，通过视频采集子单元和音频采集子单元采集到数据到第一音视频处理单元进行处理，然后启动的第一信号处理单元进行指令处理。
该第一音视频处理单元需要完成编码、打包和发送的处理。
该第一信号处理单元维护与接收模块的连接并处理来自接收模块的信息，并可以向接收模块发送消息。
该接收模块包括第二音视频处理单元和第二信号处理单元，其中第二音视频处理单元负责接收并解码数据包，得到音视频帧进行解码播放，而该第二音视频处理单元负责与音视频源模块连接并收发与处理信息。
该中转模块负责将收到的数据包转发给当前网络中的接收模块或者其他网络中的接收模块，缓存音视频源模块中的关键信息，包括但不限于组播地址、音视频源所在主机IP、指令控制端口、最近发送的关键视频帧；以便接收模块能与音视频源模块建立连接实现通讯，以及使用缓存关键视频帧实现首屏秒开功能，加快新加入或断开重连的接收模块显示出画面。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.一种局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该系统包括：音视频源模块和接收模块，以上两个模块连接到同一网络内时，接收模块直接组播数据包的方式实现同屏，接收模块与视频模块直接建立通讯连接并进行双向指令控制实现互动。
2.根据权利要求1所述根据权利要求1所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，当系统扩展到处于不同网络中的接收模块的的时候，该系统还包括中转模块，该系统中音视频源模块、接收模块和中转模块进行数据传递：
该音视频源模块采集音视频数据，对采集到的音视频数据进行编码和封装成数据包，并启动指令处理服务和中转模块的中转处理服务，向同一网内的接收模块广播出音视频组播地址，接收模块在接收到该消息后主动加入该组播中等待接收音视频数据包；
同一网络内已加入组播的接收模块收到音视频数据包，同时向已经连接上的中转模块发送相同的音视频数据包；
接收模块接收到音视频数据包后按照规则解包得到音视频帧并解码播放；接收模块通过获取音视频源模块IP及指令控制端口建立连接并进行互动。
3.根据权利要求2所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该音视频源模块采集音视频信号并编码，编码后的音视频帧数按照规则封装成数据包，该数据包的封装规则：
数据包大小：最大值不超过65000字节；
数据包结构：包头+音频或视频帧数据；
包头：包头的大小一共16位，用于记录当前音视频帧的序列号，从0开始计数，每打包一帧数据计数加1，音频与视频帧分开计数；当计数大于包头所能容纳的大小时，计数清零，从零重新开始计数；
音频或视频帧数据：音频采用AAC编码，视频采用H.264编码。
4.根据权利要求3所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，其中视频封装成的数据包分为两种类型：单一类型当视频帧大小小于或等于数据包大小最大值时，去掉视频帧的起始码后，再添加上对应包头封装成一个数据包；组合类型：当视频帧大小大于数据包大小最大值时，先去掉视频帧的起始码，再按照H.264的FU-A分片规则将视频帧分割成大小小于或等于数据包大小最大值的片段，最后再添加上对应包头封装成一个数据包。
5.根据权利要求4所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，其中音频封装成的数据包：当音频帧数据大小是编码后控制在一个包大小范围内时，直接添加对应包头完成数据包封装。
6.根据权利要求2所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该音视频源模块会将该音视频源模块所在的主机IP及指令控制端口的信息记录到一个配置文件中，该接收模块接收到包含了主机IP和指令控制端口的配置文件后主动与指令处理服务建立连接，以实现互动。
7.根据权利要求6所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该系统实现互动的方式有两种：当系统中的音视频源模块和接收模块在同一网络时，该接收模块导出配置文件，并主动请求与音视频源模块建立连接，以实现互动；而当系统中的音视频源模块和接收模块在不同网络时，则该系统需配置中转模块，在其他网络内的接收模块通过接收中转模块发送的音视频数据包来实现同屏，并通过中转模块获取视频源模块的主机IP和指令控制端口的配置文件，并与音视频源模块实现互动。
8.根据权利要求7所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该指令控制端口的指令处理：指令数据为json格式，包含以下信息：发送者ID、接收者ID、意图、参数，用来实现弹幕、提问答题、禁言、签到业务。
9.根据权利要求2所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，接收模块接收到音视频数据包后进行解包的规则是：当接收到数据包后取出前16位数据得到包头同时得到序列号，如果该序列号不等于0且小于之前已获取到的序列号则将该包丢弃；将数据包去除包头得到音视或视频频帧数据，先将该数据默认为是视频帧数据，尝试解析出NAL的头部，如果解析失败则认为该数据为音频帧数据，将其交给音频解码器解码器处理；如果解析NAL头部成功则认为这是视频帧数据，进一步根据NAL中的type类型判断是否为分包类型，如果是分包类型则按H.264的规则将收到的数据组装成一个完整的视频帧后加上起始码再交给视频解码器处理，如果数据是单一类型则直接加上起始码后交给视频解码器处理。
10.根据权利要求7所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，音视频源模块包括第一音视频处理单元和第一信号处理单元，第一音视频处理单元包括视频采集子单元和音频采集子单元，通过视频采集子单元和音频采集子单元采集到数据到第一音视频处理单元进行处理，然后启动的第一信号处理单元进行指令处理；该第一音视频处理单元需要完成编码、打包和发送的处理；该第一信号处理单元维护与接收模块的连接并处理来自接收模块的信息，并可以向接收模块发送消息；该接收模块包括第二音视频处理单元和第二信号处理单元，其中第二音视频处理单元负责接收并解码数据包，得到音视频帧进行解码播放，而该第二音视频处理单元负责与音视频源模块连接并收发与处理信息。
11.根据权利要求6所述局域网内教学同屏互动系统，其特征在于，该中转模块负责将收到的数据包转发给当前网络中的接收模块或者其他网络中的接收模块，缓存音视频源模块中的关键信息，包括但不限于组播地址、音视频源所在主机IP、指令控制端口、最近发送的关键视频帧；以便接收模块能与音视频源模块建立连接实现通讯，以及使用缓存关键视频帧实现首屏秒开功能，加快新加入或断开重连的接收模块显示出画面。
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