直播课程的平台

基于IOS的移动学习直播互动平台

曾垂鑫;王加俊;申丽萍;申瑞民

【摘要】根据移动学习的重要性,利用IOS移动终端设备的高性能、便携及随时随

地接入网络等特性,使用HTTPStreaming协议、XMPP协议、SJSP编码等关键技

术,设计并实现一个基于IOS的移动学习平台.该平台由教师端、制作端、数据中心

以及学习中心组成.实际应用结果表明,用户不仅可以收看课程直播或者点播课程,还

可以通过提问的方式进行课堂互动,提高学习效率.

【期刊名称】《计算机工程》

【年(卷),期】2013(039)007

【总页数】4页(P314-317)

【关键词】IOS平台;移动学习;视频点播;互动;SJSP编码;HTTPStreaming协议

【作者】曾垂鑫;王加俊;申丽萍;申瑞民

【作者单位】上海交通大学计算机科学与工程系,上海200030;上海交通大学现代

远程教育研究中心,上海200030;上海交通大学计算机科学与工程系,上海200030;

上海交通大学计算机科学与工程系,上海200030

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

第39卷V01.39第7期No．7计算机工程ComputerEngineering2013年

7月July2013·开发研究与工程应用·文章编号；1000-3428(2013)07-0314-04

文献标识码：A中田分类号：TP391基于IOS的移动学习直播互动平台曾

垂鑫8，王加俊b，申丽萍a，申瑞民8(上海交通大学a．计算机科学与工

程系；b．现代远程教育研究中心，上海200030)摘要：根据移动学习的重要

性，利用IOS移动终端设备的高性能、便携及随时随地接入网络等特性，使用

HTTPStreaming协议、XMPP协议、SJSP编码等关键技术，设计并实现一个

基于IOS的移动学习平台。该平台由教师端、制作端、数据中心以及学习中心

组成。实际应用结果表明，用户不仅可以收看课程直播或者点播课程，还可以通

过提问的方式进行课堂互动，提高学习效率。关健词：IOS平台；移动学习；

视频点播；互动；SJSP编码；HTTPStreaming协议Mobile

LearningLiveandInteractivePlatformBadonlOSZENGChui_xina,WANGJia-

jun',SHENLi-pinga,SHENRui_mina(a.

DepartmentofComputerScienceandEngineering;b.E-IearningLab,

ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)IAbstract}Forthe

importanceofmobileleaming,makinguofthehigh

performance,portabilityandeasyaccesstonetworkofthelOS

devices,usingsomekeytechnologieslike

HTTPStreamingprotocol,XMPPprotocol,SJSPencoding,anIOS-

badmobileleamingplatformis

atformiscompodofteacher'sterminal,

makingterminal,applicationresult

showsthaturscanwatchcoursliveorondemandtolearn

atchingcoursliveorondemand,urscanpost

rdsl

lOSplatform;mobilelearning;

VideoonDemand(VOD);interactive;SJSPencoding;HTTPStreamingprotocol

DOI:10.3969/.1000-3428.2013.07.070实现，该平台使移动学习者能够在

线学习、提问、交互。l概述移动学习是一种借助于手机、个人掌上电脑、

iPod、iPad等移动终端，可以发生在任何时间、任何地点的在线学习…。目前，

移动学习已经成为最热门的跨学科领域的研究‘2】。无线技术和移动终端的发

展，极大地刺激了移动学习的发展，也使得基于移动学习的应用实现起来更加容

易‘3】。随着移动设备便携性的发展与其随处都可以连接网路访问信息的特性，

可帮助学习者充分利用时间去学习。同时，大量针对于移动设备的学习内容的

级数增长，使得建立强大的移动学习平台以支持教学和学习变得十分必要。在进

行移动学习过程中，学习者接入网络来获取学习内容。对于智能手机、个人掌上

电脑这类移动终端设备，有多种网络接入环境，如Wi-Fi、通用分组无线服务技

术(GeneralPacketRadioService，GPRS)、3G、4G等。不同的网络类型具

有不同的接入带宽。相同的网络类型，在信号不同情况下的接入带宽也不尽相同。

因此，需要优化移动学习平台来接受不同的网络类型。本文设计一个基于IOS的

移动学习平台，介绍实现平台的关键技术，包括PPClass[41、编解码及在IOS

上的一些2平台结构通过移动学习平台，IOS客户端可以播放（点播或者直播）

课程进行学习。如图1所示，该移动学习平台由以下部分组成：教师端，制作

端，数据中心以及学习中心。．(1)教师端：流数据的起始端，主要负责数据的

采集与编码，将编码后的数据通过socket通信，发送给服务器，以及在本地生

成完整文件，以备后续编辑使用。(2)制作端：通过对服务器保存的视频文件进行

编辑保存，以便下载点播使用。(3)数据中心：主要是后台数据库以及文件的存

储。主要包括Webrvice(负责直播信息的获取、用户登录、点播课程获取

等)、MuxServer(负责教师端的通信与文件的存储)、文件服务器(利用

HTTP(HypertextTransferProtocol，超文本传送协议)Streaming传输协议，提

供IOS客户端文件的下载、点播、直播）。(4)学习中心：主要是IOS客户端。

用户通过IOS客户端可以连接服务器，下载课件、收看直播点播、记录笔记、

提问、反馈等学习行为。基金项目：上海市科委创新基金资助项目

(1101H133100)作者倚介：曾垂鑫（1988-），男，硕士研究生，主研方向：

移动学习；王加俊，高级工程师；申丽萍，讲师；申瑞民，教授、博士生导

师收稿日期：2012-08-20修回日期：2012-09-26E-mail:

@第39卷V01.397期No．7计算机工程

Computer2013年月July2013曾垂鑫8，王加俊b申丽萍a申瑞民要：根据

移动学习的重要性，利用IOS移动终端设备的高性能、便携及随时随地接入网络

等特性，使用HTTPStreaming协议、XMPP协议、SJSP编码等关键技术，设

计并实现一个基于IOS的移动学习平台。该平台由教师端、制作端、数据中心

以及学习中关健词：IOS平台；移动学习；视频点播；互动；SJSP编码；

HTTPStreaming协议Mobile

LearningLiveandInteractivePlatformBadonlOSChui_xina,WANGJia-

jun',SHENLi-pinga,SHENRui_mina

DepartmentofComputerScienceandEngineering;b.E-IearningLab,

ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Fortheimportanceof

mobileleaming,makinguofthehigh

performance,portabilityandeasyaccesstonetworkofthelOS

devices,usingsomekeytechnologieslike

HTTPStreamingprotocol,XMPPprotocol,SJSPencoding,anIOS-

badmobileleamingplatformis

atformiscompodofteacher'sterminal,

makingterminal,applicationresult

showsthaturscanwatchcoursliveorondemandtolearn

atchingcoursliveorondemand,urscanpost

rdsl

lOSplatform;mobilelearning;

VideoonDemand(VOD);interactive;SJSPencoding;HTTPStreamingprotocoll

概述移动学习是一种借助于手机、个人掌上电脑、iPod、iPad等移动终端，可

以发生在任何时间、任何地点的在线学习…。无线技术和移动终端的发展，极大

地刺激了移动学习的发展，随着移动设备便携性的发展与其随处都可以连接网路访

问信息的特可帮助学习者充分利用时间去学习。同时，大量针对于移动设备的学

习内容的级数增长，使得建立强大的移动学习平台以支持教学和学习变得十分必

要。对于智能手机、个人掌上电脑这类移动终端设备，有多种网络接入环境，如

Wi-Fi、通用分组无线服务技术(GeneralPacketRadioService，GPRS)、3G、

4G等。不同的网络类型具有不同的接入带宽。相同的网络类型，在信号不同情

况下的接入带宽也不尽相同。因此，需要优化移动学习平台来接受不同的网络类

型。本文设计一个基于IOS的移动学习平台，介绍实现平台的关键技术，包括

PPClass[41、编解码及在IOS上的一些2平台结构课程进行学习。如图1所示，

该移动学习平台由以下部分组成：教师端，制作端，数据中心以及学习中

心。．(1)教师端：流数据的起始端，主要负责数据的采集与编码，将编码后的

数据通过socket通信，发送给服务器，以及在本地生成完整文件，以备后续编

辑使用。(2)数据中心：主要是后台数据库以及文件的存储。主要包括

Webrvice(负责直播信息的获取、用户登录、点播课程获取等)、

MuxServer(负责教师端的通信与文件的存储)、文件服务器(利用

HTTP(HypertextTransferProtocol，超文本传送协议)Streaming传输协议，提

供IOS客户端文件的下载、点播、直播）。学习中心：主要是IOS客户端。

用户通过IOS客户端可以连接服务器，下载课件、收看直播点播、记录笔记、

提问、作者倚介：曾垂鑫（1988-），男，硕士研究生，主研方向：移动学习；

王加俊，高级工程师；申丽萍，讲师；申瑞民，教授、博士生第39卷第7期

曾垂鑫，王加俊，申丽萍，等：基于IOS的移动学习直播互动平台315图l平

台结构直播教室中必须有声音和视频的采集设备，电脑中已安装好PPClass录

制程序，同时还需要保证网络的畅通。录制程序将采集声音、视频以及屏幕数

据，然后以编码格式进行编码。教师就像平时上课一样授课，当编码后的数据

转发到服务器中，IOS客户端就可以利用HTTPStreaming的传输协议，到服务

器中请求直播数据，然后进行解码，将最后得到的画面呈现给用户。同时，在

服务器或者本地中，将会保存一个完整文件，制作人员将会对这个文件进行编辑

裁剪以及转码（转换为通用的H．264编码格式），保存成MP4文件到服务

器中，以供客户端下载和点播(VideoOnDemand,VOD)使用。在接收时，三路

流是有优先级区分的，从高到低分别为声音、屏幕、视频。根据IOS客户端的

带宽来区分各路流是否下载。3平台实现系统的具体流程如图2所示。圈2系统

漉程教师端开启录制程序，获取视频、屏幕、声音三路流，然后通过socket

通信传送给服务器，服务器接收到教师端的数据，根据不同流，定时存储为分

片文件，同时更新索引文件。学生端选择课程，通过HTTPStreaming技术，

从服务器中下载分片文件，然后本地的PPClasPlayer进行播放。学生端的解码

是将自己的解码嵌入到FFMPEG(-个开源免费跨平台的视频和音频流方案)中。

3.1编码编码主要包括以下3个部分：(1)声音编码在声音编码方面，平台使用

Speex。Speex是一个免费的专门为演讲设计的编码格式‘5】它是基于码激励

线性预测编码(CodeExcitedLinearPredictio，CELP)算法实现的【6]。大部

分成功的声音压缩算法都是基于CLEP实现的，它的码率介于4.8Kb/s—16Kb/s。

由于它具有高质量、低码率和多采样率等特性，因此CLEP非常适合于声音编

码。Speex压缩的音频的码率是16.8Kb/s，而标准MP3的采样率为44kHz，

码率大概为128Kb/s。在保证声音质量的同时，大大降低数据的传输量和带宽

的占用率。(2)视频编码-H．264在尽可能低的存储情况下获得好的图像质量和

低带宽图像快速传输，已成为视频压缩的两大难题，IEO/IEC/和ITU-T两大国

际标准化组织联手制定了新一代视频压缩标准H.264【7-8l。H．264能够在

减低码率（如低于H.263的一半）的同时保证高质量的画质。为了更好的编码效

率，H.264标准也强调对错误的包容和各种网络的适应性‘6】。同时H.264

也是目前比较通用的编码格式。因此，在视频方面使用H．264进行编码。(3)

屏幕编码-SJSP在屏幕编码方面，使用的是一种新的编码格式SJSP。第39第7

期曾垂鑫，王加俊，申丽萍，等：基于IOS的移动学习直播互动平台图l平台

结构直播教室中必须有声音和视频的采集设备，电脑中已安装好PPClass录制程

序，同时还需要保证网络的畅通。录制程序将采集声音、视频以及屏幕数据，

然后以编码格式进行编码。教师就像平时上课一样授课，当编码后的数据转发到

服务器中，IOS客户端就可以利用HTTPStreaming的传输协议，到服务器中请

求直播数据，然后进行解码，将最后得到的画面呈现给用户。同时，在服务器或

者本地中，将会保存一个完整文件，制作人员将会对这个文件进行编辑裁剪以及

转码（转换为通用的H．264编码格式），保存成MP4文件到服务器中，以

供客户端下载和点播(VideoOnDemand,VOD)使用。在接收时，三路流是有优

先级区分的，从高到低分别为声音、屏幕、视频。根据IOS客户端的带宽来区

分各路流是否下载。3平台实现圈2系统漉程教师端开启录制程序，获取视频、

屏幕、声音三路流，然后通过socket通信传送给服务器，服务器接收到教师端

的数据，根据不同流，定时存储为分片文件，同时更新索引文件。学生端选择

课程，通过HTTPStreaming技术，从服务器中下载分片文件，然后本地的

PPClasPlayer进行播放。3.1编码编码主要包括以下3个部分：声音编码在声音

编码方面，平台使用Speex。Speex是一个免费编码(CodeExcitedLinear

Predictio，CELP)算法实现的【6]大部分成功的声音压缩算法都是基于CLEP

实现的，它的码率介于4.8Kb/s—16Kb/s。由于它具有高质量、低码率和多采

样率等特性，因此CLEP非常适合于声音编码。Speex压缩的音频的码率是

16.8Kb/s，而标准MP3的采样率为44kHz，码率大概为128Kb/s。在保证声

音质量的同时，大大降低数据的传输量和带宽的占用率。在尽可能低的存储情况

下获得好的图像质量和低带宽图像快速传输，已成为视频压缩的两大难题，

IEO/IEC/和ITU-TH．264能够在减低码率（如低于H.263的一半）的同时保证

高质量的画质。为了更好的编码效率，H.264标准也强调对错误的包容和各种网

络的适应性‘6】H．264进行编码。屏幕编码-SJSP在屏幕编码方面，使用的

是一种新的编码格式SJSP。316计算机工程2013年7月15日SJSP是在

SJSC基础上的进一步改进。SJSC主要致力于课程直播中屏幕的录制，根据屏幕

录制的一些特点而设计的一种编码格式。与其他编码格式相比，如

“TechSmithScreenCaptureCodec”和WMV的屏幕录制编码，SJSC具有独

有的码率自适应机制，使它成为更适合在互联网上进行直播录制的编码格式‘9】

目前，存在着多种流媒体传输协议，如实时流传输协议(RTSP)、

HTTPStreaming。相比较与其他传输协议，HTTPStreaming有着高可靠性、

易于部署实现等特点。HTTPStreaming已经在互联网中占据着重要的位置，成

为主流的流媒体传输协议。这主要是因为其基于的TCP/IP协议已经得到广泛应

用[[o]对于本文直播平台，从教师端产生的视频流、屏幕流和声音流被分割成一

系列的碎片文件(Fragment)。这些碎片文件时在服务器中产生的，是从教师端

接收的数据，按照设定的时间进行分割存储的。当学生端向服务器发送请求时，

服务器将分片文件返回给学生端，这样学生端就可以收看直播了。在直播结束

后，这些文件会被移动至另外一个位置，学生可以点播收看课程。3.2FFMPEG

解码器FFMPEG是一个开源免费、跨平台的多媒体框架。它提供了解码、编码、

转码、过滤等功能。支持大部分的编码格式，甚至是一些偏门的格式。它包含

libavcodec的libavutil文件libavformat、libavdevice、libswscale和

libswresample等框架供程序调用…提供了H．264的解码功能，因此在视频解

码方面直接使用FFMPEG的H．264解码功能即可。在音频方面，使用到

Speex，只需在编译是开启Speex功能时即可。在屏幕方面，需要将SJSP的

解码器嵌入到FFMPEG中。由于FFMPEG的高性能，因此在移动客户端中可以

享受流畅的播放效果。3.3可扩展通信和表示协议可扩展通信和表示协议

(ExtensibleMessagingandPres-enceProtocol，XMPP)是一套开放即时消息、

状态、多方聊天、语音和视频通话、内容聚合和广义的XML数据的路由技术。

XMPP因为被GoogleTalk等使用而被广泛应用。它的前身是Jabber，由

JeremieMiller在1998年开发，现在已经相当稳定。它具有开放、标准、证

实可用、分散式、安全、可扩展、弹性佳、多样性等有点。在本文系统中，

利用XMPP使得学生端与教师端能够实时通信[12]3.4交互本文系统提供了一个

交互平台，在学习过程中可以提交自己的问题。如图3所示，在点播或者收看

直播时，提供了以提问的方式进行交互。在点播时，这些问题会首先发送到问

答中心进行匹配搜索答案，如果没有找到答案或者对现有答案不满意，也可以提

交新问题，等待老师回答。在直播时，利用XMPP实时通信协议，这些问题会

第一时间广播给教师和其他观看直播的用户，教师的回答也会第一时间返回给用

户。图3问置输入界面3.5播放器在IOS中，有许多视频点播和媒体文件下载

应用。他们能够收看电视节目和播放一些媒体文件，而不需要对这些媒体文件

进行转码，比如Oplayer和GoodPlayer。IOS自带播放器，如图4所示，它

支持H．264编码的mp4或者mov文件。然而，对于实现一个支持视频流、

屏幕流、声音流的播放器，它们并不适用。图4AVQueuePlayer在IOS中，有

2个框架可以用来播放媒体文件：AVFoundation和MediaPlayer。在进行一

些调研之后，发现MediaPlayer框架中的PMoviePlayerController无法同时播

放视频与屏幕。因此，最后选择了AVFoundation框架中AVPlayer。

PPClassPlayer就是基于AVPlayer实现的。它包含了2个AVPlayer:-个用来播

放视频；另一个用来播放屏幕与声音，它们同时播放。PPClassPlayer提供了

几种观看模式，如图5所示。髑b搿j!衄X12jtIPv6档i;+t目囊lZ_LB曼上畦

凹上lt盅量矗量___T-Xl幻鲤阻娃(a)基本模式(b)屏幕全屏(c)视频全屏图

5PPClassPlayer15日SJSP是在SJSC基础上的进一步改进。SJSC主要致力于课

程直播中屏幕的录制，根据屏幕录制的一些特点而设计的一种编码格式。与其他

编码格式相比，如“TechSmithScreenCaptureCodec”和WMV的屏幕录制编

码，SJSC具有独有议(RTSP)、HTTPStreaming。相比较与其他传输协议，

HTTPStreaming有着高可靠性、易于部署实现等特点。HTTPStreaming已经

在互联网中占据着重要的位置，成为主流的流媒体传输协议。这主要是因为其基

于的TCP/IP协议已经得到广泛应用[[o]对于本文直播平台，从教师端产生的视频

流、屏幕流和声音流被分割成一系列的碎片文件(Fragment)。这些碎片文件时

在服务器中产生的，是从教师端接收的数据，按照设定的时间进行分割存储的。

当学生端向服务器发送请求时，服务器将分片文件返回给学生端，这样学生端就

可以收看直播了。在直播结束后，这些文件会被移动至另外一个位置，学生可以

点播收看课程。3.2解码器提供了解码、编码、转码、过滤等功能。支持大部

分的编码格式，甚至是一些偏门的格式。它包含libavcodec的libavutil文件

libavformat、使用到Speex，只需在编译是开启Speex功能时即可。在屏幕方

面，需要将SJSP的解码器嵌入到FFMPEG中。由于FFMPEG畅的播放效果。

3.3可扩展通信和表示协议可扩展通信和表示协议(ExtensibleMessagingand

Pres-技术。XMPP因为被GoogleTalk等使用而被广泛应用。它的前身是

Jabber，由JeremieMiller在1998年开发，现在已经相当稳定。它具有开放、

标准、证实可用、分散式、安全、3.4交互本文系统提供了一个交互平台，在

学习过程中可以提交自己的问题。如图3所示，在点播或者收看直播时，提供

了以提问的方式进行交互。在点播时，这些问题会首先发送到问答中心进行匹配

搜索答案，如果没有找到答案或者对现有答案不满意，也可以提交新问题，等

待老师回答。在直播时，利用XMPP实时通信协议，这些问题会第一时图3问

置输入界面3.5播放器在IOS有许多视频点播和媒体文件下载应用。他们能够收

看电视节目和播放一些媒体文件，而不需要对这些媒体文件进行转码，比如

Oplayer和GoodPlayer。IOS自带播放器，如图4所示，它支持H．264编

码的mp4或者mov文件。图4AVQueuePlayer有2个框架可以用来播放媒体

文件：AVFoundation和MediaPlayer。在进行一些调研之后，发现

MediaPlayer框架中的PMoviePlayerController无法同时播放视频与屏幕。因

此，最后选择了AVFoundation框架中AVPlayer。PPClassPlayer就是基于

AVPlayer实现的。它包含了2个AVPlayer:-个用来播放视频；另一个用来播放

屏幕与声音，它们同时播放。PPClassPlayer提供了几种观看模式，如图5所示。

髑b搿j!衄X12jtIPv6档i;+t目囊lZ_LB曼上畦凹上lt盅量矗量___T-Xl幻鲤阻

娃(a)基本模式(b)(c)视频全屏图5PPClassPlayer第39卷第7期曾垂鑫，王

加俊，申丽萍，等：基于IOS的移动学习直播互动平台317最基本的模式是视

频与屏幕同是出现，如图5(a)所示，在这个模式下，用户可以看到立体效果的

视屏与屏幕窗口。当用户点击屏幕窗口时，进入屏幕全屏模式，如图5(b)所

示，这是用户可以对屏幕窗口进行放缩、移动等操作，当再次点击屏幕窗口，

返回图5(a)。在基本模式中点击视频窗口，进入视频全屏模式，如图5(c)所示。

对于直播的收看，由于使用碎片文件(Fragment)的方式来接收数据，并且屏幕

不是标准H．264编码，而是采用SJSP，因此没有办法使用AVPlayer来播放

文件。所以，只能使用UllmageView来替代AVPreviewLayer。通过定时使

用FFMpeg解码出图片，然后在UIImageView中显示，实现播放的效果，观

看模式与PPClassPlayer相同。4结束语本文提出一种基于IOS移动学习直播互

动平台，该平台不仅可以支持在线直播与课程点播，同时还便于学生与老师的

互动。目前该平台已在上海交通大学继续教育学院投入使用，反映较好。在后

期的研究中，可考虑利用IOS5云服务(iCloud)的新特性，引入云学习、在线笔

记、分享等功能。同时，为便于师生间的交流和进一步增强学习效果，还可增

加语音与短视频的交互及课堂练习。参考文献[1】Kadirire

LeamingDeMystified[M].[S.1.]:InformingSciencePress,2009:15-

55.‘【2]刘珍芳．移动学习是现代教育技术发展的新方向【J]．中国电化教育，

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XieWeikai,ZhangZhiqiang,LuChenping,s-AClassroomLecture

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ScreenCodecforLiveLectureBroadcasting[C]//

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27)./cpu2000/CFP2000.编辑顾逸斐第39第7曾垂鑫，

王加俊，申丽萍，等：基于IOS的移动学习直播互动平台最基本的模式是视频

与屏幕同是出现，如图5(a)所示，在这个模式下，用户可以看到立体效果的视屏

与屏幕窗口。当用户点击屏幕窗口时，进入屏幕全屏模式，如图5(b)所示，这

是用户可以对屏幕窗口进行放缩、移动等操作，当再次点击屏幕窗口，返回图

5(a)。在基本模式中点击视频窗口，对于直播的收看，由于使用碎片文件

(Fragment)的方式来接收数据，并且屏幕不是标准H．264编码，而是采用

SJSP，因此没有办法使用AVPlayer来播放文件。所以，只能使用

UllmageView来替代AVPreviewLayer。通过定时使用4结束语本文提出一种

基于IOS移动学习直播互动平台，该平台不仅可以支持在线直播与课程点播，同

时还便于学生与老师的互动。目前该平台已在上海交通大学继续教育学院投入使

用，反映较好。在后期的研究中，可考虑利用IOS5云服务(iCloud)的新特性，

引入云学习、在线笔记、分享等功能。同时，为便于师生间的交流和进一步增强

学习效果，还可增加语音与短视频的交互及课堂练习。[1】Kadirire

LeamingDeMystified[M].[S.1.]:InformingSciencePress,2009:15-55.

【2]刘珍芳．移动学习是现代教育技术发展的新方向【J]．中国3]蒋立兵，于

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/cpu2000/CFP2000.编辑顾逸斐

【文献来源】/academic-journal-cn_computer-

engineering_thesis/

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