□ 宋巍

H.264技術(shù)在移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)中的應(yīng)用*

□ 宋巍

本研究的目的是為了促進(jìn)移動(dòng)學(xué)習(xí)方式的發(fā)展。移動(dòng)學(xué)習(xí)在數(shù)字化學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上通過(guò)有效結(jié)合移動(dòng)計(jì)算技術(shù)帶給學(xué)習(xí)者隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的全新感受，被認(rèn)為是未來(lái)學(xué)習(xí)不可缺少的一種學(xué)習(xí)模式。本文提出了一種H.264編碼技術(shù)解決移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)視頻處理問(wèn)題的方案，在Android操作系統(tǒng)中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)軟件，本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)軟件具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可操作性，為移動(dòng)學(xué)習(xí)和使公眾能更好地利用高校教學(xué)資源提供了一種解決方案。

開(kāi)放大學(xué)；移動(dòng)學(xué)習(xí)；Android；H.264

隨著當(dāng)今移動(dòng)通信設(shè)備市場(chǎng)銷量的驚人增長(zhǎng)，移動(dòng)學(xué)習(xí)方式越來(lái)越普及。移動(dòng)學(xué)習(xí)（MobileLearn?ing）是一種在移動(dòng)計(jì)算設(shè)備幫助下的、能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)發(fā)生的學(xué)習(xí)，它所使用的設(shè)備必須能夠有效地呈現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容并提供教師與學(xué)習(xí)者之間的雙向交流。因此，移動(dòng)學(xué)習(xí)不僅是原有遠(yuǎn)程教育在教學(xué)手段上的突破和延伸，更重要的是移動(dòng)學(xué)習(xí)有其自身的特點(diǎn)，即移動(dòng)學(xué)習(xí)方式下的學(xué)習(xí)者可以真正做到隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)。移動(dòng)學(xué)習(xí)中不但學(xué)習(xí)環(huán)境可以是移動(dòng)的，教師、研究人員、技術(shù)人員和學(xué)習(xí)者都是移動(dòng)的，學(xué)習(xí)者不再被限制在電腦桌前，可以自由自在、隨時(shí)隨地進(jìn)行不同目的、不同方式的學(xué)習(xí)。

我國(guó)的開(kāi)放大學(xué)是在廣播電視大學(xué)的基礎(chǔ)上組建的、面向全體社會(huì)成員的沒(méi)有圍墻的新型大學(xué)，肩負(fù)著建設(shè)學(xué)習(xí)型社會(huì)賦予的獨(dú)特的大學(xué)使命，因此必須在教學(xué)模式上有所突破，以現(xiàn)代化信息技術(shù)為基礎(chǔ)，為我國(guó)社會(huì)成員提供多樣化的繼續(xù)教育服務(wù)和新的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)以適應(yīng)終身教育發(fā)展、現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展和國(guó)家發(fā)展的趨勢(shì)。開(kāi)放大學(xué)的性質(zhì)決定了移動(dòng)學(xué)習(xí)將是其必不可少的一種學(xué)習(xí)方式，因此搭建適當(dāng)?shù)囊苿?dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)成為當(dāng)前遠(yuǎn)程教育關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)是指利用信息技術(shù)搭建的、能夠使學(xué)習(xí)者進(jìn)行移動(dòng)式學(xué)習(xí)的軟、硬件環(huán)境。移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的落后嚴(yán)重制約著移動(dòng)學(xué)習(xí)的發(fā)展。在當(dāng)今學(xué)習(xí)材料、參考資料和知識(shí)產(chǎn)品終將數(shù)字化的趨勢(shì)下，這一問(wèn)題顯得尤為突出。

一、移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)大都基于智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，采用專用硬件系統(tǒng)的僅占很小一部分，未來(lái)智能手機(jī)和平板電腦將在移動(dòng)學(xué)習(xí)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟（Interna?tionalTelecommunicationUnion）（2011）發(fā)表的報(bào)告，全球有超過(guò)50億手機(jī)用戶，相當(dāng)于世界人口的87%。國(guó)際數(shù)據(jù)公司（InternationalDataCorpora?tion)預(yù)測(cè)，到2013年年底，全球手機(jī)用戶將達(dá)到69億，到2016年年底，數(shù)量將增長(zhǎng)到80億，屆時(shí)平板電腦的銷量也將達(dá)到2.8億多臺(tái)。而國(guó)際數(shù)據(jù)公司發(fā)布的最新報(bào)告中，谷歌Android系統(tǒng)的裝機(jī)量占到所有智能手機(jī)和平板電腦出貨量的75%以上，而且這一數(shù)據(jù)還在逐年增加，也就是說(shuō)，Android系統(tǒng)將會(huì)在未來(lái)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)中占據(jù)絕對(duì)主流的地位。

Android操作系統(tǒng)是一種基于Linux內(nèi)核的、主要面向移動(dòng)平臺(tái)的開(kāi)源智能操作系統(tǒng)，最初由An?droid公司開(kāi)發(fā)，2005年由Google公司收購(gòu)并公開(kāi)源代碼。Android系統(tǒng)具有豐富的軟硬件資源，支持絕大多數(shù)主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和觸屏輸入，并且具有開(kāi)源免費(fèi)等特點(diǎn)，成為當(dāng)今最流行的智能手機(jī)操作系統(tǒng)[1]。任何Android開(kāi)發(fā)者都可以開(kāi)發(fā)自己的組件，因此具有大量的開(kāi)發(fā)者從事應(yīng)用軟件（apps）開(kāi)發(fā)并進(jìn)一步充實(shí)了Android的功能，本文的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)就是基于Android操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。

1.當(dāng)前移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)存在的問(wèn)題

當(dāng)前移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有了一些應(yīng)用案例，但普遍存在著一些問(wèn)題，包括界面小操作不便、交互性差、學(xué)習(xí)資源可更新性差、產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量大、移動(dòng)平臺(tái)過(guò)于耗電導(dǎo)致待機(jī)時(shí)間短等。究其原因多數(shù)是由技術(shù)缺陷導(dǎo)致的，其中一個(gè)較重要的因素是這些應(yīng)用案例中采用的視頻編碼技術(shù)性能不佳，導(dǎo)致了當(dāng)前移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)數(shù)據(jù)流量大、耗電、視頻效果不佳等問(wèn)題。大多數(shù)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)采用MPEG-4視頻編碼技術(shù)，該技術(shù)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定的，相較于H.264編碼技術(shù)，MPEG-4具有以下主要缺點(diǎn)：①圖像質(zhì)量較差，視頻圖像的流暢性和連續(xù)性都沒(méi)有H.264好；②碼流相對(duì)較高，也就是相同圖像質(zhì)量情況下采用MPEG-4編碼的視頻數(shù)據(jù)量更大；③網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)能力較差，網(wǎng)絡(luò)情況不穩(wěn)定時(shí)兼容錯(cuò)誤能力較弱[2][3][4]。因此，如果采用性能更好的H.264編解碼技術(shù)將大大節(jié)約客戶端的數(shù)據(jù)流量，同時(shí)也能加快平臺(tái)響應(yīng)速度，減小服務(wù)器負(fù)擔(dān)，并得到更加清晰的圖像，從而提高用戶體驗(yàn)。

2.H.264視頻編碼技術(shù)

H.264是聯(lián)合視頻組（JVT）制定的一種高性能視頻編解碼技術(shù)，是一種主流的視頻數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和未來(lái)的大數(shù)據(jù)量高清環(huán)境中都將繼續(xù)適用。相較于其他視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264具有低碼率、圖像質(zhì)量高、容錯(cuò)能力強(qiáng)和網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在相同的重建圖像質(zhì)量情況下，H.264標(biāo)準(zhǔn)的碼率較H.263標(biāo)準(zhǔn)低了50%左右。H.264可以工作在實(shí)時(shí)通信應(yīng)用（如視頻會(huì)議）低延時(shí)模式下，也可以工作在沒(méi)有延時(shí)的視頻存儲(chǔ)或視頻流服務(wù)器中。H.264增加了多模式運(yùn)動(dòng)估計(jì)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、多幀預(yù)測(cè)、基于內(nèi)容的變長(zhǎng)編碼、4x4二維整數(shù)變換等新的編碼方式，提高了編碼效率和視頻畫(huà)面質(zhì)量。其工作流程如圖1所示。

H.264編碼技術(shù)和其他編碼技術(shù)相比具有很高的編碼效率，相同圖像質(zhì)量條件下，H.264的數(shù)據(jù)壓縮比比MPEG-2高2-3倍，比MPEG-4高1.5-2倍。也就是說(shuō)，同樣的100M數(shù)據(jù)用H.264標(biāo)準(zhǔn)編碼后只有9.9M左右，采用MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)編碼后數(shù)據(jù)卻有19.8-29.7M左右。因此，采用H.264標(biāo)準(zhǔn)編碼的視頻課程占用更小的帶寬。

圖1 H.264編碼技術(shù)框架解析

二、H.264技術(shù)在移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)中的應(yīng)用

（一）移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的開(kāi)放大學(xué)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)軟件（手機(jī)微課堂）主要功能是使開(kāi)放大學(xué)學(xué)員能夠隨時(shí)隨地利用移動(dòng)智能設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和交流。系統(tǒng)主要包括以下四部分：

（1）通過(guò)有線或無(wú)線（Wi-Fi、3G、4G）網(wǎng)絡(luò)連接到開(kāi)放大學(xué)課程資料中心，瀏覽或下載學(xué)習(xí)資料；

（2）在線課程學(xué)習(xí)系統(tǒng)，通過(guò)高清視頻播放功能在線學(xué)習(xí)或在本地學(xué)習(xí)課件內(nèi)容；

（3）較豐富的在線交互功能；

（4）后臺(tái)管理系統(tǒng)，提供用戶、權(quán)限、安全校驗(yàn)等管理功能。

當(dāng)前移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)在設(shè)計(jì)構(gòu)架上主要有B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)兩種形式，B/S結(jié)構(gòu)雖然具有適用性廣和開(kāi)發(fā)便捷的優(yōu)勢(shì)，但也具有交互性差、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量大、操作繁瑣等缺點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)時(shí)本研究采用了具有系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)流量小、操作簡(jiǎn)便靈活的C/S構(gòu)架（如圖2所示）。

其中采用H.264編碼技術(shù)錄制的課程視頻存放于H.264視頻服務(wù)器上，移動(dòng)學(xué)習(xí)終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取視頻數(shù)據(jù)流后，通過(guò)移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)中的H.264解碼器解析出視頻數(shù)據(jù)，再用Android系統(tǒng)中提供的播放器播放視頻課程。

圖2 移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)框架圖

（二）采用H.264視頻編解碼技術(shù)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

1.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C/S構(gòu)架設(shè)計(jì)，服務(wù)器端通過(guò)php網(wǎng)站管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)終端在Android系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)一個(gè)專用app應(yīng)用軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)分為三層：界面層、邏輯層和功能層，每個(gè)功能模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn)后再集成到移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)系統(tǒng)中。在制作服務(wù)器端視頻課程資源和開(kāi)發(fā)客戶端視頻解碼器時(shí)都采用了H.264視頻編解碼技術(shù)。雖然目前Android操作系統(tǒng)中未提供H.264接口，但可以通過(guò)對(duì)FFmpeg代碼庫(kù)中H.264編解碼器的移植實(shí)現(xiàn)這一功能，由于FFmpeg開(kāi)源代碼庫(kù)成熟度較高，代碼的效率、適用性和穩(wěn)定性都較好，因此移植后的系統(tǒng)也將具有較好的性能。

該方案的優(yōu)勢(shì)在于：①采用H.264視頻編解碼技術(shù)提高視頻解碼效率，大大減少移動(dòng)學(xué)習(xí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量并提高視頻畫(huà)面效果，提升用戶體驗(yàn)；②采用C/S構(gòu)架保證平臺(tái)的穩(wěn)定性和可操作性，加強(qiáng)學(xué)習(xí)過(guò)程的交互性；③開(kāi)發(fā)效率高并能保證平臺(tái)的適用性。

2.系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程如下：

（1）建立Android開(kāi)發(fā)平臺(tái)

①加強(qiáng)相關(guān)職業(yè)生涯規(guī)劃?rùn)C(jī)構(gòu)與高校之間的溝通與合作。目前，相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)于高校教師的培訓(xùn)，對(duì)象是教師，而不是大學(xué)生。機(jī)構(gòu)應(yīng)該更多地與高校一起，共同研究以學(xué)生為規(guī)劃指導(dǎo)對(duì)象的有效的教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式。

Android開(kāi)發(fā)平臺(tái)由AndroidSDK模擬平臺(tái)、eclipse插件、JAVAJDK工具和ADT插件組成，均可在Google公司的官方網(wǎng)站上免費(fèi)下載，安裝好這些工具就搭建好了Android開(kāi)發(fā)平臺(tái)[5][6][7][8]。由于An?droid應(yīng)用需要在PC機(jī)上開(kāi)發(fā)，在手機(jī)上運(yùn)行，即開(kāi)發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境不同，所以還需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)AVD虛擬機(jī)來(lái)仿真硬件運(yùn)行環(huán)境。

（2）H.264解碼器編譯移植

Android系統(tǒng)中未集成H.264解碼器，因此需要先將其他系統(tǒng)中的解碼庫(kù)進(jìn)行移植并在Android系統(tǒng)中進(jìn)行封裝，然后再用Java調(diào)用實(shí)現(xiàn)解碼。

H.264解碼可以分為前端碼流處理、H.264解碼和后端視頻顯示這三個(gè)功能模塊[9][10][11]。

前端碼流處理模塊主要完成數(shù)據(jù)讀取任務(wù)，在Java層實(shí)現(xiàn)，利用java.io.FileInputStream類從碼流中分割出NAL，交給底層的C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼。

H.264解碼模塊是整個(gè)解碼過(guò)程的核心，需要通過(guò)本地C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)和解碼庫(kù)對(duì)碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成H.264解碼實(shí)現(xiàn)圖像重建。該模塊通過(guò)移植FFm?peg解碼庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼。

后端視頻顯示模塊接收H.264解碼模塊解碼后的視頻數(shù)據(jù)，并在Android客戶端進(jìn)行顯示。該模塊也需要在Android的Java應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。

視頻數(shù)據(jù)的處理在底層解碼器中完成。解碼的過(guò)程如下：首先打開(kāi)解碼器并為解碼幀分配內(nèi)存，然后從碼流中不停地提取幀數(shù)據(jù)，針對(duì)視頻幀調(diào)用解碼器，最后解碼完成后釋放解碼器。

（3）課程播放模塊的開(kāi)發(fā)

在移植了H.264解碼器后，通過(guò)Android系統(tǒng)提供的MediaPlayer類播放解碼后的video視頻課程數(shù)據(jù)。視頻課程可在線進(jìn)行播放也可下載到本地再進(jìn)行播放。由于網(wǎng)速的限制可能導(dǎo)致在線播放視頻課程時(shí)速度較慢，建議先將視頻文件下載到本地SD卡中，解碼后利用MediaPlayer播放器在客戶端播放。下載課程視頻文件時(shí)系統(tǒng)采取了多線程和斷點(diǎn)續(xù)傳方式，下載過(guò)程中把下載信息不斷存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，提高下載效率[12][13][14][15][16]。下載結(jié)束后刪除下載的臨時(shí)信息并將課程視頻文件的存放信息保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，以便后期維護(hù)。

（三）各信息交互功能模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的在線交互功能包括在線答疑、在線測(cè)試、在線提問(wèn)、公告新聞瀏覽、成績(jī)查詢等。該模塊功能比較分散，需要單獨(dú)實(shí)現(xiàn)和分別調(diào)用。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)交換功能時(shí)大量使用JSON來(lái)完成移動(dòng)終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的信息交互。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)后臺(tái)服務(wù)線程連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，讀取最新數(shù)據(jù)以更新本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，僅讀取本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容用以初始化系統(tǒng)界面，采用異步初始化界面使系統(tǒng)運(yùn)行更加流暢。

三、移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的環(huán)境下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，服務(wù)器端為學(xué)校網(wǎng)站，客戶端為基于Android的智能手機(jī)，采用黑盒測(cè)試法反復(fù)進(jìn)行，結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，訪問(wèn)視頻課程速度較快，課程圖像清晰度及平臺(tái)操作便利性等均達(dá)到預(yù)期效果。

2013年9月2日至2013年9月27日間，遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系的96名在校生和3位教師參加了基于Android和H.264技術(shù)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用體驗(yàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，實(shí)驗(yàn)參與者下載平臺(tái)軟件并安裝到Android智能手機(jī)上，再使用學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)移動(dòng)學(xué)習(xí)服務(wù)器上的部分微課程進(jìn)行了學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后以問(wèn)卷形式移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行了滿意度調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

表1 基于Android和H.264技術(shù)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)用戶滿意度調(diào)查

由表1可見(jiàn)，大部分實(shí)驗(yàn)參與者對(duì)該移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)較為滿意。在操作的便利性、可靠性、界面風(fēng)格、響應(yīng)速度和實(shí)用性上都得到了較高的認(rèn)可。

為了便于廣大學(xué)員接受，移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)手機(jī)微課堂采用了類似于微信的滑動(dòng)窗口風(fēng)格（如圖3所示）。

圖3 移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)手機(jī)微課堂主界面

圖4和圖5分別顯示了學(xué)校新聞和選課中心界面。

圖4 學(xué)校新聞界面

圖5 選課中心界面

四、結(jié)束語(yǔ)

本文基于Android設(shè)計(jì)的移動(dòng)學(xué)習(xí)平臺(tái)使用了一種輕量級(jí)的H.264解碼方式，可在使用Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)和平板電腦上使用，學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)隨地利用智能終端設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，能夠方便地使用高校公開(kāi)課資源，具有課程選擇、課程下載、在線答疑和在線測(cè)試等功能。該平臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)部分已經(jīng)在國(guó)家版權(quán)局登記注冊(cè)，其模型具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可操作性，使公眾更好地利用高校教學(xué)資源提供了一種移動(dòng)解決方案。但是，本研究還很不完善，需要在今后不斷改進(jìn)，尤其在實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)參與者較少，范圍較集中。然而，移動(dòng)學(xué)習(xí)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了遠(yuǎn)程教育在實(shí)現(xiàn)終身教育手段上的局限性，越來(lái)越普及。希望本研究能夠起到拋磚引玉的作用。

[1]（美）艾佛瑞.Android多媒體開(kāi)發(fā)高級(jí)編程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

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責(zé)任編輯 日 新

TP391 TP274

A

1009—458x（2014）02—0087—04

2013－10－30

宋巍，高級(jí)工程師，碩士，遼寧廣播電視大學(xué)（110161）。

*課題信息：遼寧現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育學(xué)會(huì)課題“高職院校師資隊(duì)伍繼續(xù)教育的研究與實(shí)踐（2013XH01-25）”階段性研究成果。