智能化交互式远程教学系统的构建_远程教学软件

　　【摘要】为了更好地实现数字校园,将现代教育技术融入教育教学过程中,华东理工大学现代教育技术中心构建了一个交互式远程教学系统并对其进行软、硬件设备进行筛选和优化,在实践中完成交互式远程教室的建设。
　　【关键词】交互式;远程教学;远程教室;跟踪定位;视频;音频
　　【中图分类号】G40-057【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)03―0135―05
　　
　　一 引言
　　
　　近年来,随着数字化校园建设的深入开展与计算机网络技术的广泛应用,利用远程教室开展跨地区课程学习和学术交流已成为一种新型的教学模式。如何实现无人值守,如何进行高度智能互动,如何通过交互实现不同地区的任何人,只要得到授课老师的授权,即可通过一台连接网络的计算机,实时或非实时地融入远程教室,听授课老师的讲授,与同学老师交流,甚至进行远程演示,是目前远程教学系统构建中必须解决的问题。
　　华东理工大学现代教育技术中心为了能与美国DUKE大学开展本科生选修课互选,更好地促进教育信息化,全面提高本科教育教学水平,于2008年年初全面启动了交互式远程教室的建设工作。在设计初期我们就明确提出要通过构建一个无人值守的交互式远程教室,把课堂教学中完整的教学部分,包括教师面授、教师板书、教学课件、师生交流等可能的互动教学情景真实完整地利用流媒体技术、通讯技术、智能录播技术进行展现,并通过网络进行传输,实现实时授课;在直播的同时将这些信息保存于本地服务器,供课后点播使用,以促进两地教育教学资源的共享。
　　
　　二 系统构成
　　
　　“公欲善其事,必先利其器”。智能互动式远程教室最核心的部件就是一套具有交互功能的软、硬件设备。我们在现有教师培训机房的基础上添置了视、音频信号采集系统、智能跟踪定位系统、远程互连系统以及显示系统,以此来构建智能交互式远程教学系统。如图1:
　　所有的软、硬件的工作都基于一套移动式全智能录播系统。如图2:
　　下面就对以上各系统作简单阐述:
　　1 视频信号采集系统
　　有研究证明,人的感知超过80%是通过视觉呈现的。因此远程教室的一项重大任务就是将远端的视频信号尽可能真实、完整、及时地传送至目的端。为提升本系统的性价比,同时考虑到今后的升级问题,我们采用了前后置摄像机的方
　　式,即在教室后部使用26倍光学变焦,480TV线,具备YH5902M控制云台的SONY 980P作为教师场景摄像机,主要负责教师画面的跟踪与拍摄;在教室前部使用18倍光学变焦,且自带80个预制位的SONY D70,作为学生画面的拍摄与定位。
　　众所周知,远程教室的主体是教师。将教师的每一个动作,每一个表情充分展现给学生是远程教室很重要的部分。因此尽可能提升摄像头的分辨率,采用高光学变焦的摄像头就成为了我们的首选。而教师在讲课过程中可能并不定于某个点,而是在一个区域内移动。这就要求摄像机具备旋转控制云台,且不仅要实现目标自动跟踪功能,而且在必要的时候实现手动控制。在项目开始初期我们选择红外线感应摄像机作为教师跟踪的工具。即通过授课教师领夹上的红外线发射器引导红外线感应摄像机,从而实现教师端视频的跟踪。但是最终实验表明这种跟踪方式存在很大的问题。众所周之,红外线波长较短,约850～900纳米,而可见光中红光的波长在700纳米左右。两者相差不大的波长导致了一旦红外摄像机接触到接近红色的可见光,目标就会跟丢,甚至出现不可控的来回转动。由于中心机房靠近教师方向都有窗户,这种跟丢的现象就极其普遍。而且由于红外线的穿透能力弱,一旦教师背对摄像机就会产生跟丢的现象。虽然有一些解决方法,但涉及到很多问题,让我们放弃了这种跟踪方式。期间我们还考虑了用超声波作为教师跟踪工具。但是这种跟踪方式必须要求老师携带一个超声波信号发射器,并且要在机房顶部安装超声波信号探测器。同时经过测试,我们发觉由于超声波在空气中损耗较大,且容易造成回波影响,因此最终我们决定使用智能信息识别技术来解决此问题。
　　远程教室的客体是学生。教育技术研究表明,只有在课堂上实现师生互动,完成主体和客体间的融合,才能教授一节成功的课程,也是目前教育发展的方向。因此对学生的视频采集我们也进行了适当考虑。我们将学生所处位置划分为4个区域。如图3。
　　将学生摄像机的预制位设置如下:
　　预制位0:学生区域全景,即包括学生区域1～4中的绝大多数学生。
　　预制位1:以学生区域1中心为焦点,囊括此区域中的所有学生。
　　预制位2:以学生区域2中心为焦点,囊括此区域中的所有学生。
　　预制位3:以学生区域3中心为焦点,囊括此区域中的所有学生。
　　预制位4:以学生区域4中心为焦点,囊括此区域中的所有学生。
　　因此我们选择自带80个预制位的SONY D70作为学生场景摄像机,轻松解决学生的视频问题,并且留下升级空间以方便增加学生区域。
　　2 音频信号采集系统
　　对于远程教室而言,音频信号正常传输的重要性一点都不亚于视频信号,甚至从某种方面来说其意义超越了视频信号。有调查表明,目前绝大多数课程内容以教师讲授为主,辅以师生互动,而板书或演示只占课程总课时的20%以下。所以只要音频信号没问题,即使视频信号的中断,这节课仍可继续。因此如何充分保障音频信号的传输成为本系统最重要的问题。
　　那么如何衡量远程教室的声音质量?我们参考了国标GB50371-2006《厅堂扩声系统设计规范》中会议类扩声系统声学特征指标的最低等级的要求,保证所采集音频信号的质量。
　　从技术角度考虑,拾音方式可分为远距离拾音方式和近距离拾音方式。对于授课而言,我们主要考虑的是近距离拾音方式的效果。近距离拾音,是指声源与拾音器的距离从几厘米到1米的范围。声源离拾音器越近,拾音器所拾取的低频部分就越多,低频信号就越丰满,越可以展现教师,特别是男教师的音域。但是如果离拾音器太近,就会使拾音器产生过多的低频谐波共振,导致低频的变形、失真。因此我们应该选择低灵敏度与动态范围宽的超指向性拾音器。
　　话筒的主要技术参数有:频响特性、指向特性、灵敏度和话筒头类型。教学录音系统主要传输语音信号,而一般来说语音信号包含的频率范围为180Hz～4000Hz。过高的灵敏度会使话筒产生啸叫,而话筒的指向性又对提高系统传声增益、防止录入周围噪声和减少扩声扬声器的回授至关重要。因此如何选择好的话筒对音频信号的采集有非常大的影响。经过考虑,我们将拾音话筒配置如下:
　　(1)教师拾音话筒
　　由于教师上课过程中位置的不断变动,因此不适宜使用固定安装的鹅颈会议话筒。而手持式无线话筒在使用过程中不方便,从理论上说,头戴式“耳麦”无线话筒,不论从防止啸叫还是提高话音质量,即我们所说的提高录音电平,都有着很大的优势。但是由于目前我校老师授课基本采用领夹式无线话筒,因此我们最后决定采用频响范围为100Hz～10kHz,信噪比不低于62dB的超心型单指向性驻极体话筒。
　　(2)学生拾音话筒
　　学生拾音的特点是坐位固定而人员分散。为提高拾音质量,防止系统啸叫,我们采用了心型指向性会议话筒。
　　在图3中,我们在每一个学生区域的中间位置放置一个鹅颈式话筒。当开启话筒后,通过无线云台控制器,学生场景摄像头自动转到相应的预制学生区域。本区域学生的互动都通过这个话筒实现。关闭无线话筒,镜头重新切换到教师场景摄像机。在项目初期我们也考虑过用带红外线发射功能的话筒来实现学生场景的跟踪。这种跟踪有一定的好处:一旦开启话筒,摄像头就可以一直跟踪讲话者,因此可以在学生区域只使用一个话筒,大大节省成本。但是通过一段时间的使用我们发现了其中的不足。首先,因为在话筒开启后红外线发射器就一直工作。这就导致了无线话筒的电池寿命的大大降低。这样的话筒电池一般很难撑到2个小时;其次由于红外线的穿透力弱,很容易被人体所阻挡,导致跟丢;再次红外线由于受其他可见光的影响也容易跟丢。因此最终我们采用了预制位的方式。使用此方式我们可以很方便地增加话筒数量,细分学生区域,甚至可以达到每一个学生都有一个话筒,都有一个预制位。
　　3 智能跟踪定位系统
　　如前文所述,教师授课位置的移动性必须要求有一套教师场景视频的跟踪定位系统。我们采用的是盖诺智能信息识别系统。如图4
　　所谓智能信息识别技术是指利用分析并比较被检测对象的体形特征,面部特征,以及衣着的颜色特征,依据用户所选定的特征区域,进行动态捕抓判断,做到自动跟踪锁定的计算机技术。利用此技术,能对教师在教室各个位置的教学活动进行跟随聚焦,不论教师进行讲台授课、黑板授课,投影显示区域授课,还是学生区域移动授课等,都能准确定位老师位置,实时流畅地进行自动跟踪拍摄,同时被拍摄者始终处于画面的主体位置。被拍摄者无需佩戴任何跟踪定位设备,保证画面的常态化,彻底解决了传统佩戴红外等跟踪设备,死角盲区多,受光线等环境影响较大,失位频发,垃圾镜头无法避免等弊病。
　　我们将智能跟踪定位系统设置如下:老师在讲台讲课时,镜头切换到教师特写;教师自由移动授课时,系统自动跟踪教师并保证教师始终处于画面的主体位置;教师操作键盘鼠标时切换到教师机课件画面;学生提问时切换到学生画面。通过主画面的自动切换,完全实现了无人工干预的远程交互教学,能够让学生最直观地参与到教学过程,大大提升远程授课的效果。当然,教师桌面上有个触摸屏控制器,也可以人为进行镜头画面的切换控制。
　　4 远程互连系统
　　远程互连系统是远程教室的核心组件。它负责将本地收集的信号转换为能在网络传输的数据格式并通过网络发送,同时接收远端发送过来的数据流并处理,从而实现两地交互。目前我们所用的远程互连系统有Polycom和Adobe Acrobat Connect Pro。
　　(1)Polycom系统
　　Polycom系统是由宝利通公司开发的视频会议系统。它是一款适用于中小规模应用的软、硬件设备。它可以单独由硬件实现,也可以单独由软件实现,也可以软、硬件联合实现。
　　1)硬件Polycom实现远程互连
　　我们所用的硬件Polycom系统的型号为Polycom 7000 S IP 。如图5
　　通过此硬件系统我们可以和同样使用此硬件的多方进行实时互连。此硬件的系统有很多优点:支持H.264的视频编码和Pro-Motion技术,图像质量得到大幅度提升;支持多方连线;具有360度全方位拾音器,音质效果出众;操作简单易学,容易上手;系统附件较少,移动及装卸简便等。但是此硬件设备有一个致命缺陷,就是远程教室两端均要求使用相同硬件进行数据交换。试想,如果我校的远程教室要与其它学校开展教学合作,要求使用相同的硬件就明显不合适。
　　2)软件Polycom PVX实现远程互连
　　Polycom PVX是一款工作于Windows操作系统下的视频会议软件。其工作界面如图6所示
　　Polycom PVX可以通过个人电脑和Web Cam为个人或企业提供高质量的视频会议服务。它通过People+Content技术,同时分享高质量的视频和高分辨率的数据图像。它通过H.264标准的视频压缩技术,即使在低带宽情况下,也能传送清晰、鲜明的图像。其音频采样率也达到了14kHz。同时它可以支持电子白板,应用程序共享,视、音频交互等功能。这样,只要在教学另一方的远端电脑上安装了该软件,配合耳麦与摄像头就能与本系统构建系统互连,从而降低远程端的设备要求。但是作为一款软件,Polycom PVX也有很大的局限性:其数据通信方式是端对端的,即在同一时间只允许两方进行即时通讯,而且双方都需要购买不同的软件序列号。这样就在很大程度上制约了多个远程教室的同时授课。
　　3)软、硬件Polycom 联合实现远程互连
　　经过一段时间的调研和调试,我们发觉软、硬件Polycom在数据传输过程中使用的是相同的协议和编、解码过程。就是说软、硬件Polycom是可以互连的。这就开启了我们远程教室的新局面:如果有多方要求同时联入本远程教室,我们可以在本地主讲端使用硬件Polycom,而在多个远端可以使用同一序列号的Polycom PVX,从而实现多方通话。
　　(2) Adobe Acrobat Connect Pro系统
　　Adobe Acrobat Connect Pro是Adobe公司开发的基于Web方式的视频会议软件。它基于全球98%用户所使用的Adobe Flash Player播放器,且不需在客户端安装任何软件即可实现多方通话。其界面如下图7:
　　应该来说Adobe Acrobat Connect Pro是一款比较完美的软件。它能将视、音频及其他输入数据通过服务器整合处理,实现网络传输的最优化。在视频方面,它运用自带的编、解码技术,根据网络情况,在必要时将一些冗余帧进行丢弃处理,在保证画质的情况下兼顾视频流畅度;音频方面,它强调信号的流畅性和尽量少的延时,同时加入了独创的抑噪技术,很好地控制了噪音与啸叫,达到了比较好的信噪比;在数据共享方面,客户端可被授权共享桌面、文件或白板,同时允许资源的上传,并在共享窗口实时播放。各与会者也可进行实时文字交流,可以说完全符合目前远程教室的要求。
　　5 显示系统
　　显示系统是将各个端的信号展现给师生,从而实现远程教室的展示过程。显示系统主要包括本地演示信号的处理与展示,屏幕广播以及远端的收看。
　　远程教室主讲端显示系统包括教师用电脑和电子白板。一般来说,教师在多媒体教室上课时会将自己的屏幕通过投影仪展现给教室中的学生。由于远程教室不仅要让本地学生看到上课内容,还必须要远端的学生看到。而一般的摄像头对投影影像的捕捉效果不好。因此我们在远程互连系统服务器中加入了Osprey 200视频采集卡,通过VGA视频分配器将教师机信号分到投影机和采集卡中。实现了视频的多路显示与采集。而电子白板则是教师机屏幕的延伸。我们知道传统上课过程中板书的作用十分重要。得益于信息技术的发展,现在很多学校用上了电子白板,即用虚拟白板代替了传统黑板,让师生远离粉尘污染,也在一定程度上减轻了教师的工作量。我们采用的是Smart Board 680配合日立HCP-A8短焦投影仪模式,如图8。
　　在电子白板上教师不仅可以用手指操作,更可以选择不同颜色的水笔,用不同的笔触大小,不同的线型来任意书写,就像在普通黑板上一样。同时在远端学生也同样可以看到书写与操作的内容。
　　远程教室的远端的显示设备比较简单,一般有一台普通投影机配合联网的电脑就可以。为更好地实现师生交互,我们在中心机房的所有学生机上均安装了“海天屏幕广播软件”。只要教师授权将自己机器的屏幕进行共享,机房内所有学生都可以在本机上看到教师机的画面,甚至教师可以将机器控制权交给某一个学生,让其进行演示,达到完全的交互授课。这套软件在远端也同样可以使用。
　　
　　三 实际应用
　　
　　自本交互式远程教室建立以来,主要用于与美国DUKE大学开展远程教学、精品课程的制作和远程会议等。
　　本系统的一大亮点是系统的可移动性。我们将远程教室的参与者定位为任何能联网的用户。因此客户端的不确定性要求本系统能在不同场合,不同用户中使用。特别是在召开远程会议时,会议室的不确定性给远程互连系统带来了较高的要求。为此我们准备了2台笔记本电脑,配备摄像头等附件,装上Polycom PVX作为远程教室或远程会议的临时客户端使用,一旦联网就可以直接与本交互式远程教学系统互连。
　　本系统也被用来拍摄精品课程。它分为三个界面(如图2):教师主讲界面(左)、学生界面(右下)与教师演示界面(右上)。默认情况下教师主讲界面为主界面,进行教师影像的跟踪拍摄,主要展示教师授课内容;右下方的小界面为学生界面,展示学生场景全景。如果有学生打开了话筒,则界面转变到左侧主界面,且切换到相应学生的近景;右上方界面为教师演示界面,展示了教师机的屏幕。一旦系统检测到教师机鼠标的行为,则将此界面自动切换到左侧主界面,从而实现界面的转换,更好地提高课堂效率。
　　本系统实际使用非常简单。在会议或课程之前管理员简单告知本系统使用方法,同时调试学生区域4个无线话筒,看其预制位是否正常;使用智能跟踪系统选定教师特征,如面部特征或穿着特征完成教师场景摄像头的设置;查看远程互连系统连接是否正常,远端是否能接收到本地视频与声音。如果需要录制本次会议或课程则在“盖诺影音全自动录播系统”中点击录制即可。之后的过程完全由本系统控制,真正实现了无人值守的课堂交互与精品课程的录制。同时此系统还可广泛应用于MBA名师授课、远程培训、讲座、学术会议交流等。
　　
　　四 存在问题
　　
　　通过一年对该交互式远程教室的应用,总体来说效果不错。从使用者反馈情况来看,主要问题集中在网络带宽上。虽然我们在本系统设计初期已经考虑到这一情况,将教师、学生画面作了选择性处理,在同一时间只能传输一种画面,但是一旦开启桌面共享等数据传输量大的程序时,网络瓶颈还是明显存在的,甚至出现信号中断。这是基于Internet教学普遍存在的问题,而在校园网等局域网络环境下就不存在此类问题。
　　随着数字化校园建设的深入,我校信息化水平有了大幅度的提高。我们接下来的任务是在目前远程教室的基础上进一步对系统软、硬件设备进行升级和优化,更好地参与到教育信息化进程中,努力为学生拓展国际化视野创造更多的远程互动教学环境。
　　
　　参考文献
　　[1] 金永涛,曲凤娟.IP网络视频会议系统的研究[J].信息技术,2006,(1).
　　[2] 刘庆祥,熊杰.一种用于高职教育的“远程教室”教学系统[J].职业技术教育,2006,(11)
　　[3] 罗文浪,王志辉.数字化网络教学资源-实时录播系统的功能与设计[J].中国市场,2006,31.
　　
　　The Way to Build a Intelligent and Interactive Digital Campus
　　SHEN Jian WANG Xiao
　　(East China University of Science and Technology, Shanghai, 200237,China)
　　Abstract:In order to better achieve the Digital Campus, processing modern educational technology into the teaching, Modern Educational Technology Center in East China University of Science and Technology has built an interactive distance learning system and makes software and hardware equipment for screening and optimization, completing the construction of the interactive remote classroom in practice.
　　Keywords: Interactive; Distance Learning; Remote Classroom; Tracking; Video; Audio
　　编辑:山石

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