数字化远程实景课堂监控系统开发

汪 亮

（湖南机电职业技术学院 湖南 长沙 410151）

0 引言

近年来，高职院校在教学特别是实践性教学中暴露出越来越多的问题，学生数量的增多与教学场所、实训条件、师资力量不足之间的矛盾日趋严重，在实训教学中，由于工位上人数太多，在教师操作演示时，无法兼顾到所有学生。同时，在现有的条件下，有些课程往往只能停留在理论层次，缺少工厂企业现场专家的讲解与指导，这些都大大的影响了教学质量与效果，也有很多老师想了很多办法，如增加设备、分组教学、巡回指导、企业参观等，但在资金、人员及场地等众多客观因素的影响下，问题还是得不到有效地解决。

传统的手段已无法解决这些矛盾，而快速发展的信息技术手段进入了人们的视野，本文提出的数字化远程实景课堂监控系统将是职业教育信息化的特色新途径，也必成为教育信息化的重要手段，它将是解决职业教育现场教学的有效方法。

1 实景课堂监控系统结构及原理

所谓的“实景课堂”是指利用视频采集传输设备，实时采集现场视频、音频信号，将数据利用Wi-Fi或3G无线网络传送到学院专用服务器，通过校园网传送到教室的教师机终端，实现现场的实时教学。教室端的音视频信号按前述路径逆向同步传输到现场，实现与现场端的实时交互，实景多现场教学。

本实景课堂监控系统基于校园网络，前端采用高清网络半球摄像机与高速球摄像机作为固定视频采集机位，利用高清无线单兵摄录仪作为移动机位实时进行音视频信号采集，传输部分采用独立的光纤局域网络，进一步降低网络负担，提高传输质量，采用无线AP、光电转换器和千兆交换机实现线路连接与信号传递，后端利用数据中控主机、调音台、超大液晶电视显示屏等设备构建了多媒体音视频教学系统用于终端存储显示与视频实景教学。其具体结构如下图1所示。

图1

2 系统设备配置与硬件设计

本实景课堂监控系统有机的整合了实景监控系统、音视频主控系统、教学显示发言系统三个子系统。

2.1 实景监控系统。

为更好的实现音视频信号的采集，确保图像质量，本系统采用了5个日立原装机芯，最大分辨率达到960P（1280x960）的130万CCD高清网络高速球来进行全局多机位取景，又根据实训工厂加工中心各机床内部空间狭小，光线暗淡的环境特点选用了6个最小焦距2.8 mm镜头,红外距离15米，200万像素的CMOS网络半球摄像机作为内部定点取景，同时选用了两套集声视频采集、3G网络传输、语音双向对讲、Wi-Fi传输功能于一体的便携式单兵摄录仪作为移动音视频信号采集互动点。数据传输上采用H.264/M-JPEG视频压缩算法进行图像信号压缩与传输，采用4芯光纤、无线AP、光电转换器、D-LINK千兆交换机组建系统专用局域网，进行线路连接与数据输送，确保信号质量。

2.2 音视频主控系统

本系统主控单元采用32位Samsung ARM微处理器，速度210M，包含双向RS232端口、3.81红外IR端口、RS485端口、RELAY端口、Y-NET端口等多种数据端口，同时还集成了AV矩阵和VGA矩阵。这些确保了线路端口连接的数量与质量。此外，还配备了无线7.2英寸TFT LCD彩色触摸屏作为人机对话工具界面，其通讯频率为433MHz，通讯距离可达120米，教师可持有它突破传统讲台的局限，在整个教室范围内自由移动控制整个系统，操作更方便快捷。

2.3 教学显示发言系统

由于在工厂施工和课堂实训教学中，工程师、教师、学生都需要到处移动，因此本系统采用了无线发送与接收方式进行声音的采集与播放，配置了数字无线发射机，其数字对频无线发射通道大于1000个，同一个发射机能在不同的接收机上使用。同时还配置了2.4G数字无线功放，它内置2.4G无线数字接收器，数字对频无线接收通道大于1000个，能自动搜索发射机信号进行锁定、不串频、抗干扰性强，还可通过RS-232串口连接PC、中控，连接方便、使用稳定。

另外鉴于实训场地环境噪音大、教学课堂空旷等特点，为到达较好的声音效果，本系统配备了10路立体声专业调台、31段均衡器、双通道反馈抑制器、立体声音响功放、辅助扩音音箱等设备。采用了两个超大液晶电视屏作为终端显示设备，确保了图像显示效果。在电源管理方面采用集成管理：一路220V输入，3路独立电源输出，另外为确保电源质量，避免设备启动冲击，配备了电源时序器，它采用恒定Q值控制滤波器，增益/衰减值可以选择+/-12dB，能消除低频噪声，保护低压喇叭不会过载而烧毁。

3 软件系统及功能测试

本系统采用Easy7 Client Express管理软件，它是单独的CS客户端，可独立安装，支持Windows XP、Windows7等多种操作系统，能实现本地、前端、集中存储，支持标清/高清、模拟/数字等多种模式视频流的混合显示，它最多可以添加64个设备或128个通道，能实现任意画面显示，画面任意拖拉组合，用户可自定义每行和每列的画面数量显示。它能实现存储位置、录像主机、组名称、通道名称、文件类型等多种录像查询方式，支持播放、停止、快进、快退、单帧播放、电子放大等多种播放功能，能实现教学现场的回放讲解。其软件界面如下图2所示。

在安全性能和用户管理上，可以设置用户组、设备组划分系统用户和设备，可以针对某个用户组设定权限，通过这个功能可以实现学生、教师、管理者、校外访问者等不同组别与权限的设置，实现不同的访问者具备不同的权限观看不同的画面。

经过测试，本系统运行稳定，用户可以通过系统利用网络上的任意一台计算机，或通过手机客户端，在校外、寝室、办公室或投影教室经过身份验证后观看实训现场的教学演示，可选择前端不同的机位与角度，控制前端的摄像机转动、变倍变焦获取清晰的操作演示画面，并可以与实训现场的专家、教师进行实时反馈交流等，此系统还可以用于监考、教学巡查，一些经典课程还可以录像制作为课件，进行日常教学、对外交流或作为资料存档。

4 结束语

目前，在国内相应研究才刚刚起步，成果还较少，与同类型的基于3G技术的系统比较，本系统主要基于高清网络监控技术，它既能满足课堂教学需求，而且相对而言其设备开发成本较低，不需要额外支付3G网络费用，在没有外网的情况下，局域网中也能运行使用，因此运行成本低，同时系统兼容性高，只要添入协议转换器就能接入到3G网络当中，同样可实现3G通信传输，便于进行广泛的推广使用。

[1]韩先满.3G实景课堂—现代职业教育新技术[J].中国教育信息化,2012，5.

[2]段军棋，蒋丹.远程视频监控系统的设计与实现[J].电子科技大学学报,2002,31（5）.

[3]吴元保，张江汉，谢勋碧.分布式数字视频监控系统的设计与实现[J].计算机工程，2005,31（7）.