智能化交互式遠程教學系統(tǒng)的構(gòu)建

【摘要】為了更好地實現(xiàn)數(shù)字校園，將現(xiàn)代教育技術(shù)融入教育教學過程中，華東理工大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心構(gòu)建了一個交互式遠程教學系統(tǒng)并對其進行軟、硬件設(shè)備進行篩選和優(yōu)化，在實踐中完成交互式遠程教室的建設(shè)。

【關(guān)鍵詞】交互式;遠程教學;遠程教室;跟蹤定位;視頻;音頻

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2010)03—0135—05

一 引言

近年來，隨著數(shù)字化校園建設(shè)的深入開展與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用遠程教室開展跨地區(qū)課程學習和學術(shù)交流已成為一種新型的教學模式。如何實現(xiàn)無人值守，如何進行高度智能互動，如何通過交互實現(xiàn)不同地區(qū)的任何人，只要得到授課老師的授權(quán)，即可通過一臺連接網(wǎng)絡(luò)的計算機，實時或非實時地融入遠程教室，聽授課老師的講授，與同學老師交流，甚至進行遠程演示，是目前遠程教學系統(tǒng)構(gòu)建中必須解決的問題。

華東理工大學現(xiàn)代教育技術(shù)中心為了能與美國DUKE大學開展本科生選修課互選，更好地促進教育信息化，全面提高本科教育教學水平，于2008年年初全面啟動了交互式遠程教室的建設(shè)工作。在設(shè)計初期我們就明確提出要通過構(gòu)建一個無人值守的交互式遠程教室，把課堂教學中完整的教學部分，包括教師面授、教師板書、教學課件、師生交流等可能的互動教學情景真實完整地利用流媒體技術(shù)、通訊技術(shù)、智能錄播技術(shù)進行展現(xiàn)，并通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，實現(xiàn)實時授課;在直播的同時將這些信息保存于本地服務(wù)器，供課后點播使用，以促進兩地教育教學資源的共享。

二 系統(tǒng)構(gòu)成

“公欲善其事，必先利其器”。智能互動式遠程教室最核心的部件就是一套具有交互功能的軟、硬件設(shè)備。我們在現(xiàn)有教師培訓機房的基礎(chǔ)上添置了視、音頻信號采集系統(tǒng)、智能跟蹤定位系統(tǒng)、遠程互連系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)，以此來構(gòu)建智能交互式遠程教學系統(tǒng)。如圖1:

所有的軟、硬件的工作都基于一套移動式全智能錄播系統(tǒng)。如圖2:

下面就對以上各系統(tǒng)作簡單闡述:

1 視頻信號采集系統(tǒng)

有研究證明，人的感知超過80%是通過視覺呈現(xiàn)的。因此遠程教室的一項重大任務(wù)就是將遠端的視頻信號盡可能真實、完整、及時地傳送至目的端。為提升本系統(tǒng)的性價比，同時考慮到今后的升級問題，我們采用了前后置攝像機的方

式，即在教室后部使用26倍光學變焦，480TV線，具備YH5902M控制云臺的SONY 980P作為教師場景攝像機，主要負責教師畫面的跟蹤與拍攝;在教室前部使用18倍光學變焦，且自帶80個預(yù)制位的SONY D70，作為學生畫面的拍攝與定位。

眾所周知，遠程教室的主體是教師。將教師的每一個動作，每一個表情充分展現(xiàn)給學生是遠程教室很重要的部分。因此盡可能提升攝像頭的分辨率，采用高光學變焦的攝像頭就成為了我們的首選。而教師在講課過程中可能并不定于某個點，而是在一個區(qū)域內(nèi)移動。這就要求攝像機具備旋轉(zhuǎn)控制云臺，且不僅要實現(xiàn)目標自動跟蹤功能，而且在必要的時候?qū)崿F(xiàn)手動控制。在項目開始初期我們選擇紅外線感應(yīng)攝像機作為教師跟蹤的工具。即通過授課教師領(lǐng)夾上的紅外線發(fā)射器引導紅外線感應(yīng)攝像機，從而實現(xiàn)教師端視頻的跟蹤。但是最終實驗表明這種跟蹤方式存在很大的問題。眾所周之，紅外線波長較短，約850～900納米，而可見光中紅光的波長在700納米左右。兩者相差不大的波長導致了一旦紅外攝像機接觸到接近紅色的可見光，目標就會跟丟，甚至出現(xiàn)不可控的來回轉(zhuǎn)動。由于中心機房靠近教師方向都有窗戶，這種跟丟的現(xiàn)象就極其普遍。而且由于紅外線的穿透能力弱，一旦教師背對攝像機就會產(chǎn)生跟丟的現(xiàn)象。雖然有一些解決方法，但涉及到很多問題，讓我們放棄了這種跟蹤方式。期間我們還考慮了用超聲波作為教師跟蹤工具。但是這種跟蹤方式必須要求老師攜帶一個超聲波信號發(fā)射器，并且要在機房頂部安裝超聲波信號探測器。同時經(jīng)過測試，我們發(fā)覺由于超聲波在空氣中損耗較大，且容易造成回波影響，因此最終我們決定使用智能信息識別技術(shù)來解決此問題。

遠程教室的客體是學生。教育技術(shù)研究表明，只有在課堂上實現(xiàn)師生互動，完成主體和客體間的融合，才能教授一節(jié)成功的課程，也是目前教育發(fā)展的方向。因此對學生的視頻采集我們也進行了適當考慮。我們將學生所處位置劃分為4個區(qū)域。如圖3。

將學生攝像機的預(yù)制位設(shè)置如下:

預(yù)制位0:學生區(qū)域全景，即包括學生區(qū)域1～4中的絕大多數(shù)學生。

預(yù)制位1:以學生區(qū)域1中心為焦點，囊括此區(qū)域中的所有學生。

預(yù)制位2:以學生區(qū)域2中心為焦點，囊括此區(qū)域中的所有學生。

預(yù)制位3:以學生區(qū)域3中心為焦點，囊括此區(qū)域中的所有學生。

預(yù)制位4:以學生區(qū)域4中心為焦點，囊括此區(qū)域中的所有學生。

因此我們選擇自帶80個預(yù)制位的SONY D70作為學生場景攝像機，輕松解決學生的視頻問題，并且留下升級空間以方便增加學生區(qū)域。

2 音頻信號采集系統(tǒng)

對于遠程教室而言，音頻信號正常傳輸?shù)闹匾砸稽c都不亞于視頻信號，甚至從某種方面來說其意義超越了視頻信號。有調(diào)查表明，目前絕大多數(shù)課程內(nèi)容以教師講授為主，輔以師生互動，而板書或演示只占課程總課時的20%以下。所以只要音頻信號沒問題，即使視頻信號的中斷，這節(jié)課仍可繼續(xù)。因此如何充分保障音頻信號的傳輸成為本系統(tǒng)最重要的問題。

那么如何衡量遠程教室的聲音質(zhì)量?我們參考了國標GB50371-2006《廳堂擴聲系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中會議類擴聲系統(tǒng)聲學特征指標的最低等級的要求，保證所采集音頻信號的質(zhì)量。

從技術(shù)角度考慮，拾音方式可分為遠距離拾音方式和近距離拾音方式。對于授課而言，我們主要考慮的是近距離拾音方式的效果。近距離拾音，是指聲源與拾音器的距離從幾厘米到1米的范圍。聲源離拾音器越近，拾音器所拾取的低頻部分就越多，低頻信號就越豐滿，越可以展現(xiàn)教師，特別是男教師的音域。但是如果離拾音器太近，就會使拾音器產(chǎn)生過多的低頻諧波共振，導致低頻的變形、失真。因此我們應(yīng)該選擇低靈敏度與動態(tài)范圍寬的超指向性拾音器。

話筒的主要技術(shù)參數(shù)有:頻響特性、指向特性、靈敏度和話筒頭類型。教學錄音系統(tǒng)主要傳輸語音信號，而一般來說語音信號包含的頻率范圍為180Hz～4000Hz。過高的靈敏度會使話筒產(chǎn)生嘯叫，而話筒的指向性又對提高系統(tǒng)傳聲增益、防止錄入周圍噪聲和減少擴聲揚聲器的回授至關(guān)重要。因此如何選擇好的話筒對音頻信號的采集有非常大的影響。經(jīng)過考慮，我們將拾音話筒配置如下:

(1)教師拾音話筒

由于教師上課過程中位置的不斷變動，因此不適宜使用固定安裝的鵝頸會議話筒。而手持式無線話筒在使用過程中不方便，從理論上說，頭戴式“耳麥”無線話筒，不論從防止嘯叫還是提高話音質(zhì)量，即我們所說的提高錄音電平，都有著很大的優(yōu)勢。但是由于目前我校老師授課基本采用領(lǐng)夾式無線話筒，因此我們最后決定采用頻響范圍為100Hz～10kHz，信噪比不低于62dB的超心型單指向性駐極體話筒。

(2)學生拾音話筒

學生拾音的特點是坐位固定而人員分散。為提高拾音質(zhì)量，防止系統(tǒng)嘯叫，我們采用了心型指向性會議話筒。

在圖3中，我們在每一個學生區(qū)域的中間位置放置一個鵝頸式話筒。當開啟話筒后，通過無線云臺控制器，學生場景攝像頭自動轉(zhuǎn)到相應(yīng)的預(yù)制學生區(qū)域。本區(qū)域?qū)W生的互動都通過這個話筒實現(xiàn)。關(guān)閉無線話筒，鏡頭重新切換到教師場景攝像機。在項目初期我們也考慮過用帶紅外線發(fā)射功能的話筒來實現(xiàn)學生場景的跟蹤。這種跟蹤有一定的好處:一旦開啟話筒，攝像頭就可以一直跟蹤講話者，因此可以在學生區(qū)域只使用一個話筒，大大節(jié)省成本。但是通過一段時間的使用我們發(fā)現(xiàn)了其中的不足。首先，因為在話筒開啟后紅外線發(fā)射器就一直工作。這就導致了無線話筒的電池壽命的大大降低。這樣的話筒電池一般很難撐到2個小時;其次由于紅外線的穿透力弱，很容易被人體所阻擋，導致跟丟;再次紅外線由于受其他可見光的影響也容易跟丟。因此最終我們采用了預(yù)制位的方式。使用此方式我們可以很方便地增加話筒數(shù)量，細分學生區(qū)域，甚至可以達到每一個學生都有一個話筒，都有一個預(yù)制位。

3 智能跟蹤定位系統(tǒng)

如前文所述，教師授課位置的移動性必須要求有一套教師場景視頻的跟蹤定位系統(tǒng)。我們采用的是蓋諾智能信息識別系統(tǒng)。如圖4

所謂智能信息識別技術(shù)是指利用分析并比較被檢測對象的體形特征，面部特征，以及衣著的顏色特征，依據(jù)用戶所選定的特征區(qū)域，進行動態(tài)捕抓判斷，做到自動跟蹤鎖定的計算機技術(shù)。利用此技術(shù)，能對教師在教室各個位置的教學活動進行跟隨聚焦，不論教師進行講臺授課、黑板授課，投影顯示區(qū)域授課，還是學生區(qū)域移動授課等，都能準確定位老師位置，實時流暢地進行自動跟蹤拍攝，同時被拍攝者始終處于畫面的主體位置。被拍攝者無需佩戴任何跟蹤定位設(shè)備，保證畫面的常態(tài)化，徹底解決了傳統(tǒng)佩戴紅外等跟蹤設(shè)備，死角盲區(qū)多，受光線等環(huán)境影響較大，失位頻發(fā)，垃圾鏡頭無法避免等弊病。

我們將智能跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)置如下:老師在講臺講課時，鏡頭切換到教師特寫;教師自由移動授課時，系統(tǒng)自動跟蹤教師并保證教師始終處于畫面的主體位置;教師操作鍵盤鼠標時切換到教師機課件畫面;學生提問時切換到學生畫面。通過主畫面的自動切換，完全實現(xiàn)了無人工干預(yù)的遠程交互教學，能夠讓學生最直觀地參與到教學過程，大大提升遠程授課的效果。當然，教師桌面上有個觸摸屏控制器，也可以人為進行鏡頭畫面的切換控制。

4 遠程互連系統(tǒng)

遠程互連系統(tǒng)是遠程教室的核心組件。它負責將本地收集的信號轉(zhuǎn)換為能在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，同時接收遠端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)流并處理，從而實現(xiàn)兩地交互。目前我們所用的遠程互連系統(tǒng)有Polycom和Adobe Acrobat Connect Pro。

(1)Polycom系統(tǒng)

Polycom系統(tǒng)是由寶利通公司開發(fā)的視頻會議系統(tǒng)。它是一款適用于中小規(guī)模應(yīng)用的軟、硬件設(shè)備。它可以單獨由硬件實現(xiàn)，也可以單獨由軟件實現(xiàn)，也可以軟、硬件聯(lián)合實現(xiàn)。

1)硬件Polycom實現(xiàn)遠程互連

我們所用的硬件Polycom系統(tǒng)的型號為Polycom 7000 S IP 。如圖5

通過此硬件系統(tǒng)我們可以和同樣使用此硬件的多方進行實時互連。此硬件的系統(tǒng)有很多優(yōu)點:支持H.264的視頻編碼和Pro-Motion技術(shù)，圖像質(zhì)量得到大幅度提升;支持多方連線;具有360度全方位拾音器，音質(zhì)效果出眾;操作簡單易學，容易上手;系統(tǒng)附件較少，移動及裝卸簡便等。但是此硬件設(shè)備有一個致命缺陷，就是遠程教室兩端均要求使用相同硬件進行數(shù)據(jù)交換。試想，如果我校的遠程教室要與其它學校開展教學合作，要求使用相同的硬件就明顯不合適。

2)軟件Polycom PVX實現(xiàn)遠程互連

Polycom PVX是一款工作于Windows操作系統(tǒng)下的視頻會議軟件。其工作界面如圖6所示

Polycom PVX可以通過個人電腦和Web Cam為個人或企業(yè)提供高質(zhì)量的視頻會議服務(wù)。它通過People+Content技術(shù)，同時分享高質(zhì)量的視頻和高分辨率的數(shù)據(jù)圖像。它通過H.264標準的視頻壓縮技術(shù)，即使在低帶寬情況下，也能傳送清晰、鮮明的圖像。其音頻采樣率也達到了14kHz。同時它可以支持電子白板，應(yīng)用程序共享，視、音頻交互等功能。這樣，只要在教學另一方的遠端電腦上安裝了該軟件，配合耳麥與攝像頭就能與本系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)互連，從而降低遠程端的設(shè)備要求。但是作為一款軟件，Polycom PVX也有很大的局限性:其數(shù)據(jù)通信方式是端對端的，即在同一時間只允許兩方進行即時通訊，而且雙方都需要購買不同的軟件序列號。這樣就在很大程度上制約了多個遠程教室的同時授課。

3)軟、硬件Polycom 聯(lián)合實現(xiàn)遠程互連

經(jīng)過一段時間的調(diào)研和調(diào)試，我們發(fā)覺軟、硬件Polycom在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的是相同的協(xié)議和編、解碼過程。就是說軟、硬件Polycom是可以互連的。這就開啟了我們遠程教室的新局面:如果有多方要求同時聯(lián)入本遠程教室，我們可以在本地主講端使用硬件Polycom，而在多個遠端可以使用同一序列號的Polycom PVX，從而實現(xiàn)多方通話。

(2) Adobe Acrobat Connect Pro系統(tǒng)

Adobe Acrobat Connect Pro是Adobe公司開發(fā)的基于Web方式的視頻會議軟件。它基于全球98%用戶所使用的Adobe Flash Player播放器，且不需在客戶端安裝任何軟件即可實現(xiàn)多方通話。其界面如下圖7:

應(yīng)該來說Adobe Acrobat Connect Pro是一款比較完美的軟件。它能將視、音頻及其他輸入數(shù)據(jù)通過服務(wù)器整合處理，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)淖顑?yōu)化。在視頻方面，它運用自帶的編、解碼技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況，在必要時將一些冗余幀進行丟棄處理，在保證畫質(zhì)的情況下兼顧視頻流暢度;音頻方面，它強調(diào)信號的流暢性和盡量少的延時，同時加入了獨創(chuàng)的抑噪技術(shù)，很好地控制了噪音與嘯叫，達到了比較好的信噪比;在數(shù)據(jù)共享方面，客戶端可被授權(quán)共享桌面、文件或白板，同時允許資源的上傳，并在共享窗口實時播放。各與會者也可進行實時文字交流，可以說完全符合目前遠程教室的要求。

5 顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)是將各個端的信號展現(xiàn)給師生，從而實現(xiàn)遠程教室的展示過程。顯示系統(tǒng)主要包括本地演示信號的處理與展示，屏幕廣播以及遠端的收看。

遠程教室主講端顯示系統(tǒng)包括教師用電腦和電子白板。一般來說，教師在多媒體教室上課時會將自己的屏幕通過投影儀展現(xiàn)給教室中的學生。由于遠程教室不僅要讓本地學生看到上課內(nèi)容，還必須要遠端的學生看到。而一般的攝像頭對投影影像的捕捉效果不好。因此我們在遠程互連系統(tǒng)服務(wù)器中加入了Osprey 200視頻采集卡，通過VGA視頻分配器將教師機信號分到投影機和采集卡中。實現(xiàn)了視頻的多路顯示與采集。而電子白板則是教師機屏幕的延伸。我們知道傳統(tǒng)上課過程中板書的作用十分重要。得益于信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在很多學校用上了電子白板，即用虛擬白板代替了傳統(tǒng)黑板，讓師生遠離粉塵污染，也在一定程度上減輕了教師的工作量。我們采用的是Smart Board 680配合日立HCP-A8短焦投影儀模式，如圖8。

在電子白板上教師不僅可以用手指操作，更可以選擇不同顏色的水筆，用不同的筆觸大小，不同的線型來任意書寫，就像在普通黑板上一樣。同時在遠端學生也同樣可以看到書寫與操作的內(nèi)容。

遠程教室的遠端的顯示設(shè)備比較簡單，一般有一臺普通投影機配合聯(lián)網(wǎng)的電腦就可以。為更好地實現(xiàn)師生交互，我們在中心機房的所有學生機上均安裝了“海天屏幕廣播軟件”。只要教師授權(quán)將自己機器的屏幕進行共享，機房內(nèi)所有學生都可以在本機上看到教師機的畫面，甚至教師可以將機器控制權(quán)交給某一個學生，讓其進行演示，達到完全的交互授課。這套軟件在遠端也同樣可以使用。

三 實際應(yīng)用

自本交互式遠程教室建立以來，主要用于與美國DUKE大學開展遠程教學、精品課程的制作和遠程會議等。

本系統(tǒng)的一大亮點是系統(tǒng)的可移動性。我們將遠程教室的參與者定位為任何能聯(lián)網(wǎng)的用戶。因此客戶端的不確定性要求本系統(tǒng)能在不同場合，不同用戶中使用。特別是在召開遠程會議時，會議室的不確定性給遠程互連系統(tǒng)帶來了較高的要求。為此我們準備了2臺筆記本電腦，配備攝像頭等附件，裝上Polycom PVX作為遠程教室或遠程會議的臨時客戶端使用，一旦聯(lián)網(wǎng)就可以直接與本交互式遠程教學系統(tǒng)互連。

本系統(tǒng)也被用來拍攝精品課程。它分為三個界面(如圖2):教師主講界面(左)、學生界面(右下)與教師演示界面(右上)。默認情況下教師主講界面為主界面，進行教師影像的跟蹤拍攝，主要展示教師授課內(nèi)容;右下方的小界面為學生界面，展示學生場景全景。如果有學生打開了話筒，則界面轉(zhuǎn)變到左側(cè)主界面，且切換到相應(yīng)學生的近景;右上方界面為教師演示界面，展示了教師機的屏幕。一旦系統(tǒng)檢測到教師機鼠標的行為，則將此界面自動切換到左側(cè)主界面，從而實現(xiàn)界面的轉(zhuǎn)換，更好地提高課堂效率。

本系統(tǒng)實際使用非常簡單。在會議或課程之前管理員簡單告知本系統(tǒng)使用方法，同時調(diào)試學生區(qū)域4個無線話筒，看其預(yù)制位是否正常;使用智能跟蹤系統(tǒng)選定教師特征，如面部特征或穿著特征完成教師場景攝像頭的設(shè)置;查看遠程互連系統(tǒng)連接是否正常，遠端是否能接收到本地視頻與聲音。如果需要錄制本次會議或課程則在“蓋諾影音全自動錄播系統(tǒng)”中點擊錄制即可。之后的過程完全由本系統(tǒng)控制，真正實現(xiàn)了無人值守的課堂交互與精品課程的錄制。同時此系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于MBA名師授課、遠程培訓、講座、學術(shù)會議交流等。

四 存在問題

通過一年對該交互式遠程教室的應(yīng)用，總體來說效果不錯。從使用者反饋情況來看，主要問題集中在網(wǎng)絡(luò)帶寬上。雖然我們在本系統(tǒng)設(shè)計初期已經(jīng)考慮到這一情況，將教師、學生畫面作了選擇性處理，在同一時間只能傳輸一種畫面，但是一旦開啟桌面共享等數(shù)據(jù)傳輸量大的程序時，網(wǎng)絡(luò)瓶頸還是明顯存在的，甚至出現(xiàn)信號中斷。這是基于Internet教學普遍存在的問題，而在校園網(wǎng)等局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下就不存在此類問題。

隨著數(shù)字化校園建設(shè)的深入，我校信息化水平有了大幅度的提高。我們接下來的任務(wù)是在目前遠程教室的基礎(chǔ)上進一步對系統(tǒng)軟、硬件設(shè)備進行升級和優(yōu)化，更好地參與到教育信息化進程中，努力為學生拓展國際化視野創(chuàng)造更多的遠程互動教學環(huán)境。

參考文獻

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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

編輯:山石