基于Openmeetings交互式遠程視頻教學系統

摘 要： 為了實現虛擬課堂、打破時空限制，解決彼此相距千里的教師和學生之間的授課問題，滿足遠程在線“教與學”的需要，實現在線交互式遠程視頻教學。在此闡述了基于Flash的多語言可定制EPL（Eclipse Public License）開源視頻會議 Openmeetings平臺交互式遠程視頻教學系統的設計思想、系統結構以及實現技術；該系統充分利用有線和無線網絡平臺，提供了靈活、開放、不受時間和地域限制的輔助教學形式，完善了輔助教學手段，豐富立體化教學模式。實驗部分主要對系統在不同網絡環境下進行了測試分析，并根據數據分析優化系統，實驗證明其優化策略是行之有效的。

關鍵詞： 交互式遠程視頻教學系統； RIA； RTMP； 電子白板

中圖分類號： TN919?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）14?0100?04

Interactive remote video teaching system based on Openmeetings

HUANG Guo?fu

（Qingdao Agricultural University， Qingdao 266109， China）

Abstract： In order to achieve virtual classroom， break the constraints of time and distance， solve the teaching problem that teachers are far from away to students， meet the needs of the remote online teaching and learning， and implement online interactive remote video teaching， the design idea， system architecture and implementation techniques of the interactive remote video teaching system with customizable Flash?based multilingual EPL （eclipse public license） open source video meeting Openmeetings platform are elaborated. The system takes full advantage of wired and wireless network platforms to provide a flexible assisted instruction in the forms of open， independent of time and geographical constraint， improves secondary teaching me?thods， and enrich three?dimensional teaching model. The system was tested in different network environments， and was optimized according to the data analysis. The experiment proves that the optimization strategy is effective.

Keywords： interactive remote video teaching system； rich Internet application； real time messaging protocol； electronic whiteboard

0 引 言

隨著互聯網和信息技術的迅速發展，信息技術應用于遠程教育領域也日趨廣泛。交互式遠程視頻教學系統[1]是利用有線和無線網絡作為載體，PC和移動設備（諸如手提電腦、智能手機之類的）等作為終端平臺，高性能服務器提供服務，從而進行交互式遠程視頻教學的軟件系統。它可以打破時空限制，使任何地方的用戶都可以通過這樣一個平臺實現在線教與學。由于不受地域、時間以及入學資格等條件限制，任何人只要擁有一臺接入INTERNET的計算機、移動PAD以及智能手機等均可通過安全授權接入本系統，進行授權后老師教學以及學生學習，如果學員錯過實時授課學習時段，課下也可以通過在線點播或下載錄制視頻進行自助學習。

交互式遠程視頻教學系統的研究與開發，可以讓更多的人能夠受到高等教育，就目前而言，在我國能夠受到高等教育的人數只占較少的一部分，有很多人受其各種條件因素影響，不能進入高校學習，又希望通過自學或少量費用來接受高等教育，為此職業培訓、成人教育成為較為受歡迎的教育方式。不過由于當前高校部分專業師資力量短缺，而學員分布又較為廣泛，難于統一集中等困難，所以交互式遠程視頻教學系統可以改變上述現狀，只要在服務器上運行此軟件系統，想要接受學習教育的學員通過有線或無線網路，在自己的個人PC、移動PAD或者智能手機均可以實現在線上課、學習、享受在校學生受教育的同等教學和師資資源。

1 交互式視頻教學系統架構簡介

在線交互式遠程視頻教學系統是一套利用互聯網絡進行遠程視頻互動教學的授課平臺，利用此平臺可以開展教師的網上授課、培訓及針對學生的互動輔導。交互式遠程視頻教學系統具備并能夠實現以下功能：

（1）支持多個網上虛擬教室同時在線培訓授課，具有多個虛擬教室、賬號管理授權功能；

（2）可以通過視頻、音頻、電子白板[2]、即時消息等多種手段達到同步授課、師生在線交流，學生提問，老師在線答疑等；

（3）支持一對多的廣播[3]；

（4）提供在線錄制、遠程共享、協助，在課下學員可以在線點播或下載已授課視頻。

本系統設計是在開源Openmeetings[4]平臺上做二次開發，使用的開發語言主要有Java，Openlaszlo運行的lzx語言（一種基于XML和JavaScript的語言）是一種主流的RIA構建技術，通過JavaScript實現邏輯表達，可以提供豐富的高級UI表現、Web服務遠程調用等。客戶端操作產生的各種事件都會傳輸到服務器端完成各種業務處理。服務端是Red5流媒體服務器，用于開發Web音視頻應用程序，傳輸協議以RTMP實時消息傳輸協議和HTTP協議傳送數據為主，支持發布的LDAP（輕量級目錄訪問協議），同時與FMS兼容。交互式遠程視頻教學系統支持將音視頻內容轉換為播放流，可以實現在線交互教學、錄制課堂內容、學員在線點播視頻、下載視頻、在線咨詢交流、教師答疑等功能。

2 系統模型

交互式視頻教學系統是基于OpenMeetings開發的，服務器端是由Java面向對象語言編寫的，后臺是一系列的service組成的，客戶端與Red5服務器之間通過SOAP消息進行通信。遠程調用服務是由Axis中間件提供的，多媒體數據分發則是基于RTMP協議進行的。RTMP協議最早是由Marcomedia公司開發的，RTMP協議主要是在客服端和Flash服務器之間傳輸和控制流數據。另外Openmeetings平臺是建立在TCP協議之上，使用1935端口，這些service由Java語言編寫，這些service的實現類大多都在包org.openmeetings.app. remote中，該包封裝了大部分前后臺交互的類。如文件服務、用戶服務、會議服務、流服務、日歷服務等。這些service作為接口供前臺調用，系統架構如圖1所示，各服務分別處理不同的業務請求，功能闡述如下：

UserService：用戶注冊、登錄、注銷、修改用戶信息、創建Hash安全碼提供進入系統授權等。

StreamService：視頻音頻錄制，格式轉換，處理視頻流，音頻流。

RoomService ：為核心模塊，提供房間預定、刪除、房間成員管理、房間權限功能管理。

CalendarService：日歷服務包含會議日歷的創建、編輯、刪除，會議提醒等功能。

JabberService：Jabber服務提供一些基本的方法可以實現從OM到Jabber的集成，而且不需要管理員權限即可實現即時通訊的的集成調用。

FileService：文件導入、上傳，文件管理，文件格式轉換。

圖1 系統架構圖

3 系統功能及實現

系統在實現在線交互式視頻教學基本功能的基礎之上，還把教學系統的功能有所擴展，從而滿足當前有線、無線網絡環境下都可以滿足老師授課，學員在線學習的需求。交互式遠程視頻教學系統基本功能有：學員、教師在線注冊、登錄、注銷，授課通知，教師在線實時音視頻交互式教學（提供在線電子白板、各類文檔在線演示如PPT，Doc，PDF，圖片等），在線交流討論；實現的擴展功能有：音視頻教學課堂錄制、授課內容在線點播、授課內容下載、老師在線音視頻答疑咨詢。系統功能如圖2所示。

3.1 注冊授權登錄

教師、學生進入交互式視頻教學[5?6]系統之前，均需事先注冊，由系統管理員審核、授權后方可登錄系統。

（1）注冊用戶：Long regNewUser（String sessionId， String Username， String Password，String Lastname， String Firstname， String Email，String Additionalname， String Street， String Zip， String Fax，long State_id， String Town， long Language_id， String Reg_url）

（2）添加用戶：Long addNewUser（String sessionId， String Username， String Password，String Lastname， String Firstname， String Email，String Additionalname， String Street， String Zip， String Fax，long State_id， String Town， long Language_id， String Reg_url）

（3）授權用戶登錄：String MarkedLoggedInSID （String Username， String Password）

圖2 系統功能圖

3.2 授課通知

注冊并由管理員授權登錄后，教師方可進入系統，可以發布教學通知、進入指定的課堂實施在線教學；學員進入系統后，先選擇所選課程，然后查看相應課程的主講教師發布的教學安排，在指定的授課時間內進入課堂在線學習。添加授課通知：方法是AddRoomWith ModerationAndRecordingFlags，提供主要參數為：安全Hash碼，課堂名稱，教學課堂類型，課堂容納學員人數，教學時間，是否運行學員發言，是否運行錄制。

3.3 交互教學+電子白板

教師在預先安排的授課時間進入教學系統可以進行在線交互式教學，教學功能包括：上傳演講PPT文稿（文件類型：PPT，Doc，Excel，jpg圖片等）；系統視頻窗口區域可以展示教師和學員的視頻畫面；文字討論區域可以實現教師與學員在線文字交流；電子白板提供常用的涂鴉[7]功能，方便老師在線教學；錄制功能可以把實時教學的授課內容錄制下來，存放在視頻服務器上以供學員在線點播和下載。

（1）教師登錄進入教學課堂：UserServiceStub.SetUserObjectAndGenerateRecordingHashByURL，主要參數：安全Hash碼，教師姓名，用戶類型，是否主持，是否有操作白板權限。

（2）學員登錄進入教學課堂：UserServiceStub.SetUserObjectAndGenerateRecordingHashByURL，安全Hash碼，學員姓名，用戶類型，是否學員。

（3）教師錄制教學視頻：RecRequest.setRecording_id（Rec_ID），主要參數：錄制房間碼Rec_ID。

3.4 在線點播+視頻下載

教師一旦把授課視頻錄制完畢后，存放在流媒體服務器上，學員可以根據自身學習進度和需要進行在線點播學習或下載學習。在線點播、下載學習功能非常適合工作繁忙、沒有時間在線接受老師授課的學員，學員如果錯過在線授課時間，線下通過自主學習授課視頻（授課視頻形象生動，比文字教案生動易理解、易看易學），從而不耽誤學習進度，不受傳統授課模式時、空域的限制。

（1）點播在線視頻：String strSecRecHashURLRec = stubUsers.set UserObjectAndGenerateRecordingHashByURL（sRecRecRequest）.get_return（）此方法先獲取教學視頻的錄制鏈接碼，然后在鏈接碼之前加上服務器URL地址即構成點播視頻的進入地址，用戶每次進入點播鏈接地址安全碼是變化的，有效周期是可設置的。

（2）下載教學視頻：服務器URL地址 + DownloadHandler？fileName=\" + flvRecID + \"moduleName= lzRecorderAppparent Path=room_id=sid=\" + ExtMarkedSID，服務器地址、錄制的教學視頻文件名、錄制文件ID、下載模式參數以及下載授權標識碼（ExtMarkedID）一起構成下載鏈接地址，學員登錄后訪問此鏈接碼即可下載教學視頻進行線下自助學習。

3.5 學員在線咨詢，教師在線答疑

教師安排好學員在線咨詢、老師在線答疑的時間，在約定的時間進入咨詢答疑系統即可在線交流。此功能類似于聊天室，可以提供音頻、視頻以及文字交流功能，實現課下學員在線提問、教師在線解答問題，學員可以分布在全國各地、老師也可不受地域限制，學員和老師也可以在有線、無線網絡環境下通過筆記本、iPhone、iPad等移動終端實現在線交流。

（1）教師和學員登錄在線咨詢：javascript：openurl（′enterConsulation.jsp？RoomId=<%=rooms_id%>isModerator=<%=noModerator%>′，750，600，′<%=sMeetingName%>′），主要參數：咨詢答疑房間號ID，咨詢房間類型（Interview類型），教師/學員姓名，主持類型（類型為true則是教師，類型為1則是學員）。

4 實驗評估

為了評估系統的基本性能，本文設計一個測試評估策略，來評估系統在一位教師主持教學，30～40名學員進入課堂參與學習的情況下，系統是否流暢以及視頻畫面質量，從2個層面進行實驗：一個層面教師端和學員端視頻畫面分辨率設置為320×240；另一個層面分辨率設置為640×480，教師端與學員端分辨率要保持一致，或為320×240，或為640×480；視頻的壓縮比設置在70，85，90或100%（范圍在0～100，100表示最高品質，70表示較低品質，85和90等級表示非常不錯的畫面品質）。

但是在實際應用中畫面品質選擇必須有個權衡點，有時會犧牲一部分畫面品質來獲取較好的系統流暢性能，實際教學過程中畫面品質無需高清效果。每次實驗評估我們均使用固定的壓縮比、固定的分辨率和參與人數，然后多次實驗統計后取其中間值作為實驗結果。320×240和640×480分辨率模式下實驗數據結果如表1所示，對比折線圖如3所示。

表1 實驗數據結果

從圖2中可以看出，要讓系統流暢運行，畫面品質越高，視頻幀率就要降低。2種分辨率情況下，畫面品質壓縮比在70～85之間的時候，視頻幀率下降不是很明顯，當壓縮比調整到90甚至更高（畫面品質保真要求非常高）的時候幀率下降尤為明顯。因此為了既保障系統流暢運行又要視頻畫面質量良好，就需要考慮一個權衡策略（從視頻壓縮比和幀效考慮），調整壓縮比到70，75左右，分辨率在320×240或640×480，幀效調整到15幀（畫面播放每秒24幀，剛好達到了動畫的一般要求，由于教學系統劇烈運動畫面很少，大部分時間多為教師和學員靜態畫面，所以設置為15幀基本不影響教學效果）。另外除了上述調整以外，還對RED5服務器緩沖作了策略優化，設置一定的接收緩存，可以將客戶端上行的UDP數據包更好的組裝、更完整地轉發，從而改善視頻和音頻的質量，改善系統的整體運行性能。經過優化后的教學系統在校園網、移動WLAN無線網以及ADSL（2～4 M）網絡環境下測試，教師和學員使用筆記本、iPhone手機、Andriod手機或iPad等終端設備均可流暢地使用該交互式視頻教學系統。

5 結 語

本文闡述了交互式遠程視頻教學系統的設計初衷、系統架構、系統功能以及其實現過程。文中實驗部分設計了測試策略對系統作了基本性能評估。

圖3 對比析淺圖

經過策略優化調整后，系統在單并發 （一對多，一名教師對幾十位學員） 情況下，系統運行比較流暢，未來還需要進一步考慮系統集群策略，考慮多并發狀態下，系統的支撐性能；另外由于當前系統客戶端采集視頻和音頻信號后由Flash插件完成音視頻編碼，編碼算法是封閉的，采用的編碼協議是H.323（視頻編碼為H.263），應用開發者無法優化這一塊，要想獲得H.264編碼的甚低碼流較為困難，這也是影響系統視頻數據傳輸是否流暢的關鍵點，如當前C/S架構下很多系統已采用H.264或者MPEG4編碼的情況相比，Flash對Webcam視頻的編解碼已大大落后了，從帶寬和畫質目前都無法和C/S架構相比。為此下一步改變系統的音視頻編碼支持H.264的編碼器可用于和FMS或RED5配合實現高質量的直播、組播等，為交互式遠程視頻教學系統真正在INTERNET上進入實用階段打下堅實的基礎。

參考文獻

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