基于VR技術(shù)的高校英語擬直播教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶媛媛

(西安交通大學(xué)城市學(xué)院， 外語系， 陜西, 西安 710018)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，遠(yuǎn)程教學(xué)模式正在傳統(tǒng)教育行業(yè)中迅速普及，VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成熟使課堂教學(xué)內(nèi)容能夠以更加直觀的形象向?qū)W生進(jìn)行展示[1]。本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于VR技術(shù)的高校英語擬直播教學(xué)系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與網(wǎng)路直播技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，突破了平面多媒體教學(xué)的局限性，使高校英語教學(xué)擺脫了空間與時(shí)間的束縛，極大地提升了英語課程的教學(xué)效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)用戶主要包括2個(gè)群體，一是在校學(xué)生用戶，通過校內(nèi)局域網(wǎng)按課程表學(xué)習(xí)英語課程，二是具有英語學(xué)習(xí)需求的非學(xué)生用戶，通過手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)參與英語課堂。

1.1 校內(nèi)局域網(wǎng)中的課程直播

當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與傳輸速度難以滿足高清直播的技術(shù)要求，因此以擬直播的方式開展課堂教學(xué)，即在教學(xué)樓、圖書館、學(xué)生宿舍等安裝機(jī)頂盒路由器，構(gòu)建校內(nèi)局域網(wǎng)VR直播教學(xué)網(wǎng)絡(luò)[2]。系統(tǒng)按照課程表的安排提前緩存下一堂課程的教學(xué)內(nèi)容，到達(dá)設(shè)定的上課時(shí)間后，教師端所在的主機(jī)開始以組播的方式向?qū)W生端發(fā)送課堂內(nèi)容影像，從而解決了多次拷貝視頻資源和重復(fù)占用網(wǎng)絡(luò)帶寬的問題。面向校內(nèi)局域網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 面向校內(nèi)局域網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)教室教學(xué)場景下的師生互動(dòng)，系統(tǒng)基于Socket進(jìn)行教師端與學(xué)生端的通信連接。教師端可通過機(jī)頂盒路由器觀察在線學(xué)生的課堂狀態(tài)，在教師端和學(xué)生端均設(shè)置了提問與回答的功能，以便師生之間隨時(shí)進(jìn)行交流和溝通。擬直播的課程展示方式保證了VR視頻的清晰度，Socket通信實(shí)現(xiàn)了師生間的實(shí)時(shí)互動(dòng)，二者的結(jié)合充分體現(xiàn)了VR直播教學(xué)的課程完整性和授課便捷性[3]。

1.2 互聯(lián)網(wǎng)中的課程直播

系統(tǒng)為互聯(lián)網(wǎng)中的非學(xué)生手機(jī)用戶建立了用戶檔案，用于記錄用戶的個(gè)人資料、課程收藏、課程預(yù)約、課程點(diǎn)贊、瀏覽歷史等信息，并通過定期對這些信息進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析不斷完善用戶檔案，從而能夠以其為依據(jù)向用戶進(jìn)行更為精準(zhǔn)的智能推薦。用戶登錄系統(tǒng)的次數(shù)越多在線時(shí)間越長，其檔案信息越為細(xì)致和完整。

互聯(lián)網(wǎng)用戶的手機(jī)客戶端主要包括課程預(yù)告、課程推薦、VR直播、往期課程4個(gè)功能模塊。用戶可以通過課程預(yù)告模塊了解后續(xù)時(shí)段的課程安排，以訂閱或收藏的方式提醒自己按時(shí)參加課程。課程推薦模塊根據(jù)現(xiàn)有的用戶檔案信息為其推送可能感興趣的課程，使其知悉課程的時(shí)間安排。通過VR直播模塊，用戶可以觀看當(dāng)前正在播放的課程內(nèi)容，使其能夠不受時(shí)間與地域的限制，隨時(shí)隨地參與課程教學(xué)。如果錯(cuò)過了之前的某些課程，用戶可以在往期課程模塊找到相關(guān)課程并觀看課堂教學(xué)的視頻回放。

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于英語課程遠(yuǎn)程教學(xué)，打破了傳統(tǒng)意義上的課堂在時(shí)間和空間上對學(xué)生的限制，同時(shí)又以立體圖像還原了課堂的場景，極大地提高了遠(yuǎn)程課堂的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 VR影像

系統(tǒng)所提供的英語課堂VR視頻通過Android手機(jī)上安裝的VR播放器呈現(xiàn)，用戶佩戴專用的VR眼鏡即可實(shí)現(xiàn)三維立體效果，但目前市場上沒有開源的VR播放器[4]，因此本次研究基于VR影像的實(shí)現(xiàn)原理開發(fā)了一種功能完備的VR播放器。

VR播放器的技術(shù)難點(diǎn)有2個(gè)，即視頻播放的控制與VR效果的渲染。VR視頻的每一個(gè)幀都是一張全方位立體影像，因此VR效果的渲染主要依靠球形空間的繪制和全景影像的紋理貼圖，且在貼圖完成后要通過投影和相機(jī)視圖以及窗口的裁剪實(shí)現(xiàn)視角的自由切換[5]。本文利用Android系統(tǒng)內(nèi)置的OpenGL ES和GlSufaceView模塊分別進(jìn)行視頻內(nèi)容的渲染和展示。VR視頻的渲染顯示流程[6]如圖2所示。

圖2 VR視頻內(nèi)容的渲染和顯示流程

VR視頻的播放控制基于ijkplayer播放器實(shí)現(xiàn)，為了貼合本系統(tǒng)視頻的播放要求，對該播放器的原有播放控制組件進(jìn)行了改進(jìn)，在FrameLayout的基礎(chǔ)上定義了一個(gè)MyMediaController，進(jìn)而能夠完成VR視頻的播放/暫停、播放模式切換、進(jìn)度條拖動(dòng)等控制操作[7]。

2.2 擬直播

本系統(tǒng)將VR技術(shù)融入視頻直播之中，以沉浸式的互動(dòng)直播教學(xué)模式取代了傳統(tǒng)的平面教學(xué)模式，直播的整體架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 VR直播的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)流程

系統(tǒng)的核心是VR視頻的存儲(chǔ)、分配與播放，具體的教學(xué)內(nèi)容由相應(yīng)的教學(xué)機(jī)構(gòu)提供[8]。系統(tǒng)基于CDN(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn)后臺(tái)的構(gòu)建，依靠部署在不同位置的邊緣服務(wù)器存儲(chǔ)視頻資源，通過中心平臺(tái)對資源進(jìn)行調(diào)度和分發(fā)并保持負(fù)載均衡，使用戶在最短時(shí)間內(nèi)就近獲取所需課程內(nèi)容，從而減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和用戶訪問的快捷性。如前文所述，VR視頻的每一個(gè)幀都是一張全方位立體影像，所以VR直播對分辨率、網(wǎng)絡(luò)的帶寬和延遲等都提出了極高的要求，以致于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很難與之相適應(yīng)。為此，系統(tǒng)引入了擬直播的非實(shí)時(shí)直播方式，將下一次課程內(nèi)容緩存到服務(wù)器中，在設(shè)定的時(shí)間在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行組播。

2.3 遠(yuǎn)程控制

互聯(lián)網(wǎng)中的非學(xué)生手機(jī)用戶通過HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來觀看課程直播、接收系統(tǒng)推送消息、獲取視頻資源，系統(tǒng)在后臺(tái)中進(jìn)行用戶權(quán)限的設(shè)置和課程的安排等，用戶則通過客戶端發(fā)送課程訂閱、資源獲取等請求，所以系統(tǒng)在HTTP云服務(wù)器交互訪問的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)用戶的交互[9]。

校內(nèi)局域網(wǎng)的控制是基于TCP/UCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，以不同設(shè)施中的機(jī)頂盒路由器為中心構(gòu)建直播網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)分局域網(wǎng)包括機(jī)頂盒路由器中的Andriod服務(wù)器和多個(gè)VR教學(xué)設(shè)備，用戶的手機(jī)客戶端通過DatagramSocket發(fā)送UDP廣播對區(qū)域內(nèi)的服務(wù)器進(jìn)行搜索，包含有特征碼的消息由ByteBuffer進(jìn)行數(shù)據(jù)包裝。接收到消息后服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)特征碼將自身的IP和端口信息返回給手機(jī)客戶端，由此實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的TCP通信，具體過程如圖4所示。

圖4 用戶與系統(tǒng)TCP通信建立過程

為了保證多用戶并發(fā)訪問情況下所有客戶端連接的穩(wěn)定性，每個(gè)用戶訪問時(shí)系統(tǒng)都會(huì)開啟新的線程以建立新的TCP通信連接，并且發(fā)送和接收是分開進(jìn)行的。

2.4 用戶檔案

建立用戶檔案的目的是通過檔案中的信息為用戶提供有針對性的個(gè)性化推薦服務(wù)[10]。系統(tǒng)的推薦模塊與用戶檔案緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)英語課程的智能推薦。本系統(tǒng)用戶檔案的構(gòu)建主要圍繞課程類別、課程名稱、教師姓名3個(gè)關(guān)鍵詞進(jìn)行，通過后臺(tái)所記錄的用戶訪問行為，系統(tǒng)能夠分析出用戶的興趣與偏好，并將與之對應(yīng)的課程加入用戶標(biāo)簽中，同時(shí)結(jié)合用戶訪問過程中的點(diǎn)擊、關(guān)注、收藏、訂閱4個(gè)操作的發(fā)生頻率不斷對用戶檔案進(jìn)行完善，以作為系統(tǒng)推薦的依據(jù)。用戶檔案的構(gòu)建流程如圖5所示。

圖5 用戶檔案的構(gòu)建流程

3 系統(tǒng)測試

VR視頻直播教學(xué)的效果取決于網(wǎng)絡(luò)的流暢度，所以系統(tǒng)測試以直播過程中的幀率和緩存速率為關(guān)鍵性能指標(biāo)。系統(tǒng)測試環(huán)境如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試環(huán)境

使用本系統(tǒng)完成多次課程直播，通過編寫代碼，保存系統(tǒng)運(yùn)行日志，記錄測試結(jié)果，取多次統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值得到測試結(jié)果分別如圖6、圖7所示。

圖6 Wi-Fi/4 G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻緩存速率

圖7 Wi-Fi/4 G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下視頻播放幀率和GPU占用情況

由圖6可見，在Wi-Fi和4 G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，視頻緩存速率的變化趨勢基本一致，都是先上升后下降。由圖7可見，課程直播的視頻幀率一直保持在60 fps上下，觀看過程中不會(huì)出現(xiàn)人眼可見的卡頓現(xiàn)象。課程直播過程中計(jì)算機(jī)的GPU占用率穩(wěn)定在15%以下，全程沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)。

測試結(jié)果表明，在正常網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)輸出的VR超清視頻效果良好，穩(wěn)定性強(qiáng)，無卡滯現(xiàn)象發(fā)生，完全符合VR直播教學(xué)的基本要求。

4 總結(jié)

本文提出并設(shè)計(jì)一種基于VR技術(shù)的高校英語擬直播遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，為不同的用戶群體提供了不同的使用方式，對于校內(nèi)局域網(wǎng)中的學(xué)生用戶，通過擬直播的方式解決了網(wǎng)絡(luò)資源需求過高的問題，結(jié)合Socket通信實(shí)現(xiàn)了高清視頻直播。對于互聯(lián)網(wǎng)中的非學(xué)生用戶，根據(jù)其實(shí)際需求設(shè)置了4個(gè)功能模塊，并通過用戶檔案進(jìn)行有針對性的個(gè)性化推薦。本系統(tǒng)的應(yīng)用對于高校英語教學(xué)方式的改革和創(chuàng)新具有十分積極的作用。