數字化遠程實景課堂監控系統開發

汪 亮

（湖南機電職業技術學院 湖南 長沙 410151）

0 引言

近年來，高職院校在教學特別是實踐性教學中暴露出越來越多的問題，學生數量的增多與教學場所、實訓條件、師資力量不足之間的矛盾日趨嚴重，在實訓教學中，由于工位上人數太多，在教師操作演示時，無法兼顧到所有學生。同時，在現有的條件下，有些課程往往只能停留在理論層次，缺少工廠企業現場專家的講解與指導，這些都大大的影響了教學質量與效果，也有很多老師想了很多辦法，如增加設備、分組教學、巡回指導、企業參觀等，但在資金、人員及場地等眾多客觀因素的影響下，問題還是得不到有效地解決。

傳統的手段已無法解決這些矛盾，而快速發展的信息技術手段進入了人們的視野，本文提出的數字化遠程實景課堂監控系統將是職業教育信息化的特色新途徑，也必成為教育信息化的重要手段，它將是解決職業教育現場教學的有效方法。

1 實景課堂監控系統結構及原理

所謂的“實景課堂”是指利用視頻采集傳輸設備，實時采集現場視頻、音頻信號，將數據利用Wi-Fi或3G無線網絡傳送到學院專用服務器，通過校園網傳送到教室的教師機終端，實現現場的實時教學。教室端的音視頻信號按前述路徑逆向同步傳輸到現場，實現與現場端的實時交互，實景多現場教學。

本實景課堂監控系統基于校園網絡，前端采用高清網絡半球攝像機與高速球攝像機作為固定視頻采集機位，利用高清無線單兵攝錄儀作為移動機位實時進行音視頻信號采集，傳輸部分采用獨立的光纖局域網絡，進一步降低網絡負擔，提高傳輸質量，采用無線AP、光電轉換器和千兆交換機實現線路連接與信號傳遞，后端利用數據中控主機、調音臺、超大液晶電視顯示屏等設備構建了多媒體音視頻教學系統用于終端存儲顯示與視頻實景教學。其具體結構如下圖1所示。

圖1

2 系統設備配置與硬件設計

本實景課堂監控系統有機的整合了實景監控系統、音視頻主控系統、教學顯示發言系統三個子系統。

2.1 實景監控系統。

為更好的實現音視頻信號的采集，確保圖像質量，本系統采用了5個日立原裝機芯，最大分辨率達到960P（1280x960）的130萬CCD高清網絡高速球來進行全局多機位取景，又根據實訓工廠加工中心各機床內部空間狹小，光線暗淡的環境特點選用了6個最小焦距2.8 mm鏡頭,紅外距離15米，200萬像素的CMOS網絡半球攝像機作為內部定點取景，同時選用了兩套集聲視頻采集、3G網絡傳輸、語音雙向對講、Wi-Fi傳輸功能于一體的便攜式單兵攝錄儀作為移動音視頻信號采集互動點。數據傳輸上采用H.264/M-JPEG視頻壓縮算法進行圖像信號壓縮與傳輸，采用4芯光纖、無線AP、光電轉換器、D-LINK千兆交換機組建系統專用局域網，進行線路連接與數據輸送，確保信號質量。

2.2 音視頻主控系統

本系統主控單元采用32位Samsung ARM微處理器，速度210M，包含雙向RS232端口、3.81紅外IR端口、RS485端口、RELAY端口、Y-NET端口等多種數據端口，同時還集成了AV矩陣和VGA矩陣。這些確保了線路端口連接的數量與質量。此外，還配備了無線7.2英寸TFT LCD彩色觸摸屏作為人機對話工具界面，其通訊頻率為433MHz，通訊距離可達120米，教師可持有它突破傳統講臺的局限，在整個教室范圍內自由移動控制整個系統，操作更方便快捷。

2.3 教學顯示發言系統

由于在工廠施工和課堂實訓教學中，工程師、教師、學生都需要到處移動，因此本系統采用了無線發送與接收方式進行聲音的采集與播放，配置了數字無線發射機，其數字對頻無線發射通道大于1000個，同一個發射機能在不同的接收機上使用。同時還配置了2.4G數字無線功放，它內置2.4G無線數字接收器，數字對頻無線接收通道大于1000個，能自動搜索發射機信號進行鎖定、不串頻、抗干擾性強，還可通過RS-232串口連接PC、中控，連接方便、使用穩定。

另外鑒于實訓場地環境噪音大、教學課堂空曠等特點，為到達較好的聲音效果，本系統配備了10路立體聲專業調臺、31段均衡器、雙通道反饋抑制器、立體聲音響功放、輔助擴音音箱等設備。采用了兩個超大液晶電視屏作為終端顯示設備，確保了圖像顯示效果。在電源管理方面采用集成管理：一路220V輸入，3路獨立電源輸出，另外為確保電源質量，避免設備啟動沖擊，配備了電源時序器，它采用恒定Q值控制濾波器，增益/衰減值可以選擇+/-12dB，能消除低頻噪聲，保護低壓喇叭不會過載而燒毀。

3 軟件系統及功能測試

本系統采用Easy7 Client Express管理軟件，它是單獨的CS客戶端，可獨立安裝，支持Windows XP、Windows7等多種操作系統，能實現本地、前端、集中存儲，支持標清/高清、模擬/數字等多種模式視頻流的混合顯示，它最多可以添加64個設備或128個通道，能實現任意畫面顯示，畫面任意拖拉組合，用戶可自定義每行和每列的畫面數量顯示。它能實現存儲位置、錄像主機、組名稱、通道名稱、文件類型等多種錄像查詢方式，支持播放、停止、快進、快退、單幀播放、電子放大等多種播放功能，能實現教學現場的回放講解。其軟件界面如下圖2所示。

在安全性能和用戶管理上，可以設置用戶組、設備組劃分系統用戶和設備，可以針對某個用戶組設定權限，通過這個功能可以實現學生、教師、管理者、校外訪問者等不同組別與權限的設置，實現不同的訪問者具備不同的權限觀看不同的畫面。

經過測試，本系統運行穩定，用戶可以通過系統利用網絡上的任意一臺計算機，或通過手機客戶端，在校外、寢室、辦公室或投影教室經過身份驗證后觀看實訓現場的教學演示，可選擇前端不同的機位與角度，控制前端的攝像機轉動、變倍變焦獲取清晰的操作演示畫面，并可以與實訓現場的專家、教師進行實時反饋交流等，此系統還可以用于監考、教學巡查，一些經典課程還可以錄像制作為課件，進行日常教學、對外交流或作為資料存檔。

4 結束語

目前，在國內相應研究才剛剛起步，成果還較少，與同類型的基于3G技術的系統比較，本系統主要基于高清網絡監控技術，它既能滿足課堂教學需求，而且相對而言其設備開發成本較低，不需要額外支付3G網絡費用，在沒有外網的情況下，局域網中也能運行使用，因此運行成本低，同時系統兼容性高，只要添入協議轉換器就能接入到3G網絡當中，同樣可實現3G通信傳輸，便于進行廣泛的推廣使用。

[1]韓先滿.3G實景課堂—現代職業教育新技術[J].中國教育信息化,2012，5.

[2]段軍棋，蔣丹.遠程視頻監控系統的設計與實現[J].電子科技大學學報,2002,31（5）.

[3]吳元保，張江漢，謝勛碧.分布式數字視頻監控系統的設計與實現[J].計算機工程，2005,31（7）.