數(shù)字化遠(yuǎn)程實(shí)景課堂監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

汪 亮

（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長沙 410151）

0 引言

近年來，高職院校在教學(xué)特別是實(shí)踐性教學(xué)中暴露出越來越多的問題，學(xué)生數(shù)量的增多與教學(xué)場所、實(shí)訓(xùn)條件、師資力量不足之間的矛盾日趨嚴(yán)重，在實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，由于工位上人數(shù)太多，在教師操作演示時(shí)，無法兼顧到所有學(xué)生。同時(shí)，在現(xiàn)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(yè)現(xiàn)場專家的講解與指導(dǎo)，這些都大大的影響了教學(xué)質(zhì)量與效果，也有很多老師想了很多辦法，如增加設(shè)備、分組教學(xué)、巡回指導(dǎo)、企業(yè)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(tǒng)的手段已無法解決這些矛盾，而快速發(fā)展的信息技術(shù)手段進(jìn)入了人們的視野，本文提出的數(shù)字化遠(yuǎn)程實(shí)景課堂監(jiān)控系統(tǒng)將是職業(yè)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(yè)教育現(xiàn)場教學(xué)的有效方法。

1 實(shí)景課堂監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

所謂的“實(shí)景課堂”是指利用視頻采集傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場視頻、音頻信號，將數(shù)據(jù)利用Wi-Fi或3G無線網(wǎng)絡(luò)傳送到學(xué)院專用服務(wù)器，通過校園網(wǎng)傳送到教室的教師機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)教學(xué)。教室端的音視頻信號按前述路徑逆向同步傳輸?shù)浆F(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場端的實(shí)時(shí)交互，實(shí)景多現(xiàn)場教學(xué)。

本實(shí)景課堂監(jiān)控系統(tǒng)基于校園網(wǎng)絡(luò)，前端采用高清網(wǎng)絡(luò)半球攝像機(jī)與高速球攝像機(jī)作為固定視頻采集機(jī)位，利用高清無線單兵攝錄儀作為移動機(jī)位實(shí)時(shí)進(jìn)行音視頻信號采集，傳輸部分采用獨(dú)立的光纖局域網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高傳輸質(zhì)量，采用無線AP、光電轉(zhuǎn)換器和千兆交換機(jī)實(shí)現(xiàn)線路連接與信號傳遞，后端利用數(shù)據(jù)中控主機(jī)、調(diào)音臺、超大液晶電視顯示屏等設(shè)備構(gòu)建了多媒體音視頻教學(xué)系統(tǒng)用于終端存儲顯示與視頻實(shí)景教學(xué)。其具體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1

2 系統(tǒng)設(shè)備配置與硬件設(shè)計(jì)

本實(shí)景課堂監(jiān)控系統(tǒng)有機(jī)的整合了實(shí)景監(jiān)控系統(tǒng)、音視頻主控系統(tǒng)、教學(xué)顯示發(fā)言系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。

2.1 實(shí)景監(jiān)控系統(tǒng)。

為更好的實(shí)現(xiàn)音視頻信號的采集，確保圖像質(zhì)量，本系統(tǒng)采用了5個(gè)日立原裝機(jī)芯，最大分辨率達(dá)到960P（1280x960）的130萬CCD高清網(wǎng)絡(luò)高速球來進(jìn)行全局多機(jī)位取景，又根據(jù)實(shí)訓(xùn)工廠加工中心各機(jī)床內(nèi)部空間狹小，光線暗淡的環(huán)境特點(diǎn)選用了6個(gè)最小焦距2.8 mm鏡頭,紅外距離15米，200萬像素的CMOS網(wǎng)絡(luò)半球攝像機(jī)作為內(nèi)部定點(diǎn)取景，同時(shí)選用了兩套集聲視頻采集、3G網(wǎng)絡(luò)傳輸、語音雙向?qū)χv、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(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸上采用H.264/M-JPEG視頻壓縮算法進(jìn)行圖像信號壓縮與傳輸，采用4芯光纖、無線AP、光電轉(zhuǎn)換器、D-LINK千兆交換機(jī)組建系統(tǒng)專用局域網(wǎng)，進(jìn)行線路連接與數(shù)據(jù)輸送，確保信號質(zhì)量。

2.2 音視頻主控系統(tǒng)

本系統(tǒng)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(shù)據(jù)端口，同時(shí)還集成了AV矩陣和VGA矩陣。這些確保了線路端口連接的數(shù)量與質(zhì)量。此外，還配備了無線7.2英寸TFT LCD彩色觸摸屏作為人機(jī)對話工具界面，其通訊頻率為433MHz，通訊距離可達(dá)120米，教師可持有它突破傳統(tǒng)講臺的局限，在整個(gè)教室范圍內(nèi)自由移動控制整個(gè)系統(tǒng)，操作更方便快捷。

2.3 教學(xué)顯示發(fā)言系統(tǒng)

由于在工廠施工和課堂實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，工程師、教師、學(xué)生都需要到處移動，因此本系統(tǒng)采用了無線發(fā)送與接收方式進(jìn)行聲音的采集與播放，配置了數(shù)字無線發(fā)射機(jī)，其數(shù)字對頻無線發(fā)射通道大于1000個(gè)，同一個(gè)發(fā)射機(jī)能在不同的接收機(jī)上使用。同時(shí)還配置了2.4G數(shù)字無線功放，它內(nèi)置2.4G無線數(shù)字接收器，數(shù)字對頻無線接收通道大于1000個(gè)，能自動搜索發(fā)射機(jī)信號進(jìn)行鎖定、不串頻、抗干擾性強(qiáng)，還可通過RS-232串口連接PC、中控，連接方便、使用穩(wěn)定。

另外鑒于實(shí)訓(xùn)場地環(huán)境噪音大、教學(xué)課堂空曠等特點(diǎn)，為到達(dá)較好的聲音效果，本系統(tǒng)配備了10路立體聲專業(yè)調(diào)臺、31段均衡器、雙通道反饋抑制器、立體聲音響功放、輔助擴(kuò)音音箱等設(shè)備。采用了兩個(gè)超大液晶電視屏作為終端顯示設(shè)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(dú)立電源輸出，另外為確保電源質(zhì)量，避免設(shè)備啟動沖擊，配備了電源時(shí)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(hù)低壓喇叭不會過載而燒毀。

3 軟件系統(tǒng)及功能測試

本系統(tǒng)采用Easy7 Client Express管理軟件，它是單獨(dú)的CS客戶端，可獨(dú)立安裝，支持Windows XP、Windows7等多種操作系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)本地、前端、集中存儲，支持標(biāo)清/高清、模擬/數(shù)字等多種模式視頻流的混合顯示，它最多可以添加64個(gè)設(shè)備或128個(gè)通道，能實(shí)現(xiàn)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(shù)量顯示。它能實(shí)現(xiàn)存儲位置、錄像主機(jī)、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(jìn)、快退、單幀播放、電子放大等多種播放功能，能實(shí)現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)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(shè)置用戶組、設(shè)備組劃分系統(tǒng)用戶和設(shè)備，可以針對某個(gè)用戶組設(shè)定權(quán)限，通過這個(gè)功能可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生、教師、管理者、校外訪問者等不同組別與權(quán)限的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同的訪問者具備不同的權(quán)限觀看不同的畫面。

經(jīng)過測試，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，用戶可以通過系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺計(jì)算機(jī)，或通過手機(jī)客戶端，在校外、寢室、辦公室或投影教室經(jīng)過身份驗(yàn)證后觀看實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場的教學(xué)演示，可選擇前端不同的機(jī)位與角度，控制前端的攝像機(jī)轉(zhuǎn)動、變倍變焦獲取清晰的操作演示畫面，并可以與實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場的專家、教師進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋交流等，此系統(tǒng)還可以用于監(jiān)考、教學(xué)巡查，一些經(jīng)典課程還可以錄像制作為課件，進(jìn)行日常教學(xué)、對外交流或作為資料存檔。

4 結(jié)束語

目前，在國內(nèi)相應(yīng)研究才剛剛起步，成果還較少，與同類型的基于3G技術(shù)的系統(tǒng)比較，本系統(tǒng)主要基于高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，它既能滿足課堂教學(xué)需求，而且相對而言其設(shè)備開發(fā)成本較低，不需要額外支付3G網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用，在沒有外網(wǎng)的情況下，局域網(wǎng)中也能運(yùn)行使用，因此運(yùn)行成本低，同時(shí)系統(tǒng)兼容性高，只要添入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換器就能接入到3G網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，同樣可實(shí)現(xiàn)3G通信傳輸，便于進(jìn)行廣泛的推廣使用。

[1]韓先滿.3G實(shí)景課堂—現(xiàn)代職業(yè)教育新技術(shù)[J].中國教育信息化,2012，5.

[2]段軍棋，蔣丹.遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31（5）.

[3]吳元保，張江漢，謝勛碧.分布式數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005,31（7）.