多教室聯網教學的ＶＧＡ數據采集方式及其應用

張會銘　雷志華　葉仁春　陸云龍

摘要 多教室聯網教學已成為高校不可缺少的教學形式,而VGA數據采集是多教室聯網教學的關鍵技術。首先介紹VGA轉AV后采集方式、VGA軟件抓屏采集方式和專用VGA硬件卡采集方式,并比較各自在網絡教學應用中的優缺點,進而提出VGA硬件采集方式在多媒體大課堂聯網教學的典型應用。最后說明以DSP為代表的VGA硬件采集卡是今后聯網教學的主流技術。

關鍵詞 聯網教學;VGA信號;VGA轉AV;VGA軟件采集;VGA硬件采集

中圖分類號:TP393 文獻標識碼:A 文章編號:1671-489X(2009)21-0088-03

Way of VGA Data Collection of Multi-Classroom Network Teachings and Its Application//Zhang Huiming, Lei Zhihua, Ye Renchun, Lu Yunlong

Abstract Multi-Classroom network teaching has already become an indispensable teaching form in university gradually, and the VGA data collection is the key technique foundation of multi-classroom network teachings. In this paper, three kinds of collection method are firstly introduced: VGA to AV, VGA software screenshots and special VGA hardware acquisition card, and the advantages and disadvantages of these techniques in network teaching are indicated, and forward more the VGA hardware card in the multi-media classrooms network teaching typical application is put forward. Finally, the VGA hardware card by DSP, is the main technique of network teaching for the future.

Key words network teaching; VGA signal; VGA to AV; VGA software collection; VGA hardware collection

Authors address Modern Educational Technology Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

1 前言

華中科技大學現代教育技術中心管理和維護全校400多間多媒體教室,提供對多媒體環境使用的技術服務和技術支撐;由于學校于2002年始建的西十二樓大課聯播教學系統,受到當時計算機軟、硬件技術的局限,系統已經落后,維修維護升級無法解決,嚴重影響多媒體大課聯播教學的正常運行。為此,本項目組在2008年5月申請“西十二樓大課聯播系統的改造研究”,并得到學校實驗技術研究項目基金。

首先根據多教室聯網教學的需求,對VGA數據采集方式及應用做了詳盡的分析研究,并對采用不同技術方式、不同方案架構的典型錄播直播實體系統設備進行調研和實際對比,結果:采用軟件抓屏采集方式的2種不同方案架構組成的錄播直播系統設備,都出現同樣的問題,對動態圖像直播傳輸時出現明顯嚴重掉幀,圖像、聲音嚴重不同步,無法滿足動態圖像圖形的教學要求;而采用DSP技術VGA硬件采集卡組成的錄播直播系統設備,效果大大好于軟件抓屏采集方式,采集圖像質量好、聲音圖像同步,能滿足正常教學的要求。因此,最終決定采用硬件采集方式,選用嵌入式基于DSP技術的集VGA采集、編碼于一身的“VGA采編卡”組成的錄播工作站設備來搭建架構西十二樓大課聯播系統。該研究于2009年5月27日通過華中科技大學實驗技術學術委員會驗收并結題,鑒定結論為良好,為多媒體大課聯播教學活動的開展提供了良好的教學資源。

多媒體大課堂聯網教學系統就是用多媒體信號傳輸與處理技術,將多個多媒體教室有機地組合起來。其中一個設計為主播教室,將教師的多媒體課件、講解實況、教室實況合成一個VGA信號畫面,并將投影機、DVD、計算機、音頻擴聲等系統與VGA信號集成在一起,進行數字化合成,以廣播或多播的模式,通過IP網絡,將課堂內容直播出去。其他通過網絡連接的為聽課教室,可以通過B/S架構的Web瀏覽器直接收看主控教室VGA信號的課堂內容。實現一個教師用多媒體手段上課,多個教室同時聽課,有效地優化學校資源和整合師資力量[1]。

2 網絡教學的VGA數據采集各種技術特征

多媒體大課堂聯網教學系統具有網絡傳輸的技術特征,利用計算機技術、網絡技術、音視頻壓縮技術、自動跟蹤技術、多媒體技術,將計算機的VGA信號、攝像系統視頻信號或DVD的視頻信號,以及整個系統的音頻信號,都必須數字化合成,并遵循TCP/IP標準,組成IP網絡能夠傳輸的網絡信號。其中VGA信號的采集效率高低,決定了多教室聯網教學系統的功能選擇。

2.1 VGA轉AV后采集市面上用得比較早的技術是VGA轉AV,是利用專用的VGA轉AV信號設備[2],將VGA源轉成視頻流,再用視頻采集卡進行數字化采集和處理,最后轉化為遵循TCP/IP標準的數據流,通過IP網絡傳輸出去。客戶接收端通過Web瀏覽器接收的是基于數字視頻流的網絡信號。

VGA信號中有R、G、B三色模擬視頻信號,轉化為單一的復合視頻AV信號后,信號大量衰減,嚴重影響圖像質量,尤其一些文字等畫面根本無法看清,不能真正支持應用,失去精品課程后期編輯的效果,是一種較為落后的技術。此方式價格便宜,所以也有部分學校采用。

2.2 VGA軟件抓屏采集這是目前市面上最常用的一種方式,但是這種方式主要利用計算機的運算來完成,對計算機CPU的壓力非常大。通過測試,目前超線程3.0 G的CPU進行VGA軟件抓屏采集的能力也僅僅每秒10幀左右,完全無法滿足需要,也就無法抓取大多數視頻播放器的圖像,對動態圖像直接傳輸出現明顯掉幀,圖像聲音不同步[3],無法滿足動態圖像的教學要求,同時對其他VGA源無能為力。

VGA軟件抓屏采集優勢:通用的成熟技術,沒有門檻,技術獲取極易;由此形成的產品具有成本價格優勢。VGA軟件抓屏采集劣勢:采集源受限,只能采電腦、筆記本等,無法采集展臺、DVD等的信號;須對采集源設備安裝軟件,在一些場景環境下會受到限制;從市場角度分析,采用軟件采集的錄播系統不易形成特色的產品形態,對渠道而言不易取利,因而可能不易得到推廣。

2.3 專用VGA硬件采集卡采集方式專用的VGA硬件采集卡是目前精品課錄播中的主流技術,它采集VGA信號種類全,不干擾教師正常操作PC機,VGA采集圖像質量好,壓縮后可直接生成通用的標準視頻流文件。VGA硬件采集卡基于DSP技術開發,完全獨立運算,不占用教學終端或計算機的本地運算能力,無論本地播放多么復雜的課件和多媒體資源,都不會影響采集的效果,不會對課堂教學造成任何影響。VGA信號的實時采集壓縮和傳輸[4]:支持臺式機、筆記本、實物展臺等VGA輸出信號的采集。生成國際標準的WMV文件:采用目前通用的微軟windows media player 9進行壓縮,直接生成標準的WMV格式視頻文件。唯一的缺點是目前造價較高。

硬采即通過專業的硬件板卡實現采集。VGA的硬采技術發展非常快,優勢:采集源不受限制,即插即用,所見即所得;不需要對采集的源設備安裝軟件;比較容易經過二次開發包裝形成特色的產品形態,從而成為大多數錄播廠商追求的一種技術。硬采的劣勢:與軟采相比,成本價格是最大的劣勢。

2.4 VGA不同采集方式的比較通過以上分析,可以發現VGA軟件采集的優勢是成本,VGA硬件采集的優勢是方便(采集源不受限制)。軟采的劣勢是先天的,很難突破(展臺、DVD這樣的設備不可能安裝軟件)。而硬件采集完全可以通過技術的不斷進步、量的提升和應用的普及逐步將成本控制到一個合理區間。對用戶而言,盡管展臺、DVD的應用少于PC和計算機,但用戶在合理的應用引導和合理的價格承受范圍內,完全會重新評價軟件采集和硬件采集的價值。

采用軟采的聯網系統將系統的重心向后期應用傾斜,依托后期的完整應用吸引用戶,進而減少用戶對于前期手段的關注。而采用硬采的聯網系統則將重心傾斜在前期的制作環節上,強調制作環節的豐富化、人性化。

短期來看,2種技術會并存,但長久而言,硬采占據一些先機,前提是硬采的成本得到控制。

針對以上分析,形成一個簡單的對比(表1)。

3 多教室聯網教學VGA數據采集的典型應用

本項目組針對多教室聯網教學新的特點[5],采用基于DSP數據信號處理器的VGA采集卡,開發出圖1所示基于網絡教學的系統拓撲系統,由多個子模塊組成,包括多媒體教室模塊、教室場景攝像機采集及投影輸出VGA采集模塊、自動錄播模塊、網絡實時直播模塊、B/S架構點播模塊、精品課程資源管理模塊等。

系統通過自動錄播模塊、網絡實時直播模塊實現教學課程的自動錄播與直播,并以微軟標準的流媒體視頻格式WMV格式記錄下來,通過課程資源管理平臺提交到服務器上還可提供點播。本系統可以在教師現場授課的同時自動生成教學實況錄像,并以流媒體的方式在網絡中直播、保存,供師生實時收看。實現對教學過程的全方位、立體、真實地記錄,實現實時全自動錄播或直播。顯然,采用VGA轉AV后采集,或使用VGA軟件采集,是難以實現上述拓撲圖系統功能的。

4 結束語

由上面論述可知,VGA轉AV后采集由于成本低,容易實現,是早期多媒體大課堂聯網教學系統主要應用的方式。VGA軟件抓屏采集,屬于純軟件實現方式,利用計算機高速CPU來完成,需要復雜的軟件運算,無法抓取大多數視頻播放器的圖像,因成本低,也能實現許多網絡課件簡單后期編輯,目前在高校應用較多。采用基于DSP技術的VGA采編卡組成的錄播工作站設備來構建多教室聯網教學系統,其硬件軟件架構簡捷、操作使用簡單、維護維修方便。隨著DSP和微控制器以及相關硬件器件的價格降低,專用的VGA硬件采集必然成為網絡教學應用的主流技術。

參考文獻

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[3]李學橋,田現峰,趙磊.基于B/S架構的嵌入式無線圖像監控系統的設計[J].微計算機信息,2008,24(8):312-314

[4]梁炎昌.基于嵌入式系統的圖像采集技術研究[D].西安電子科技大學,2007

[5]雷志華.多媒體大課堂教學系統建設[J].實驗室研究與探索,2004,23(9):26-28,35