多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的ＶＧＡ數(shù)據(jù)采集方式及其應(yīng)用

張會(huì)銘　雷志華　葉仁春　陸云龍

摘要 多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)已成為高校不可缺少的教學(xué)形式,而VGA數(shù)據(jù)采集是多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)。首先介紹VGA轉(zhuǎn)AV后采集方式、VGA軟件抓屏采集方式和專用VGA硬件卡采集方式,并比較各自在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)而提出VGA硬件采集方式在多媒體大課堂聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的典型應(yīng)用。最后說明以DSP為代表的VGA硬件采集卡是今后聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的主流技術(shù)。

關(guān)鍵詞 聯(lián)網(wǎng)教學(xué);VGA信號(hào);VGA轉(zhuǎn)AV;VGA軟件采集;VGA硬件采集

中圖分類號(hào):TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-489X(2009)21-0088-03

Way of VGA Data Collection of Multi-Classroom Network Teachings and Its Application//Zhang Huiming, Lei Zhihua, Ye Renchun, Lu Yunlong

Abstract Multi-Classroom network teaching has already become an indispensable teaching form in university gradually, and the VGA data collection is the key technique foundation of multi-classroom network teachings. In this paper, three kinds of collection method are firstly introduced: VGA to AV, VGA software screenshots and special VGA hardware acquisition card, and the advantages and disadvantages of these techniques in network teaching are indicated, and forward more the VGA hardware card in the multi-media classrooms network teaching typical application is put forward. Finally, the VGA hardware card by DSP, is the main technique of network teaching for the future.

Key words network teaching; VGA signal; VGA to AV; VGA software collection; VGA hardware collection

Authors address Modern Educational Technology Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

1 前言

華中科技大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心管理和維護(hù)全校400多間多媒體教室,提供對(duì)多媒體環(huán)境使用的技術(shù)服務(wù)和技術(shù)支撐;由于學(xué)校于2002年始建的西十二樓大課聯(lián)播教學(xué)系統(tǒng),受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的局限,系統(tǒng)已經(jīng)落后,維修維護(hù)升級(jí)無(wú)法解決,嚴(yán)重影響多媒體大課聯(lián)播教學(xué)的正常運(yùn)行。為此,本項(xiàng)目組在2008年5月申請(qǐng)“西十二樓大課聯(lián)播系統(tǒng)的改造研究”,并得到學(xué)校實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究項(xiàng)目基金。

首先根據(jù)多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)的需求,對(duì)VGA數(shù)據(jù)采集方式及應(yīng)用做了詳盡的分析研究,并對(duì)采用不同技術(shù)方式、不同方案架構(gòu)的典型錄播直播實(shí)體系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研和實(shí)際對(duì)比,結(jié)果:采用軟件抓屏采集方式的2種不同方案架構(gòu)組成的錄播直播系統(tǒng)設(shè)備,都出現(xiàn)同樣的問題,對(duì)動(dòng)態(tài)圖像直播傳輸時(shí)出現(xiàn)明顯嚴(yán)重掉幀,圖像、聲音嚴(yán)重不同步,無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)圖像圖形的教學(xué)要求;而采用DSP技術(shù)VGA硬件采集卡組成的錄播直播系統(tǒng)設(shè)備,效果大大好于軟件抓屏采集方式,采集圖像質(zhì)量好、聲音圖像同步,能滿足正常教學(xué)的要求。因此,最終決定采用硬件采集方式,選用嵌入式基于DSP技術(shù)的集VGA采集、編碼于一身的“VGA采編卡”組成的錄播工作站設(shè)備來搭建架構(gòu)西十二樓大課聯(lián)播系統(tǒng)。該研究于2009年5月27日通過華中科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)術(shù)委員會(huì)驗(yàn)收并結(jié)題,鑒定結(jié)論為良好,為多媒體大課聯(lián)播教學(xué)活動(dòng)的開展提供了良好的教學(xué)資源。

多媒體大課堂聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)就是用多媒體信號(hào)傳輸與處理技術(shù),將多個(gè)多媒體教室有機(jī)地組合起來。其中一個(gè)設(shè)計(jì)為主播教室,將教師的多媒體課件、講解實(shí)況、教室實(shí)況合成一個(gè)VGA信號(hào)畫面,并將投影機(jī)、DVD、計(jì)算機(jī)、音頻擴(kuò)聲等系統(tǒng)與VGA信號(hào)集成在一起,進(jìn)行數(shù)字化合成,以廣播或多播的模式,通過IP網(wǎng)絡(luò),將課堂內(nèi)容直播出去。其他通過網(wǎng)絡(luò)連接的為聽課教室,可以通過B/S架構(gòu)的Web瀏覽器直接收看主控教室VGA信號(hào)的課堂內(nèi)容。實(shí)現(xiàn)一個(gè)教師用多媒體手段上課,多個(gè)教室同時(shí)聽課,有效地優(yōu)化學(xué)校資源和整合師資力量[1]。

2 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的VGA數(shù)據(jù)采集各種技術(shù)特征

多媒體大課堂聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)特征,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、音視頻壓縮技術(shù)、自動(dòng)跟蹤技術(shù)、多媒體技術(shù),將計(jì)算機(jī)的VGA信號(hào)、攝像系統(tǒng)視頻信號(hào)或DVD的視頻信號(hào),以及整個(gè)系統(tǒng)的音頻信號(hào),都必須數(shù)字化合成,并遵循TCP/IP標(biāo)準(zhǔn),組成IP網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)信號(hào)。其中VGA信號(hào)的采集效率高低,決定了多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)的功能選擇。

2.1 VGA轉(zhuǎn)AV后采集市面上用得比較早的技術(shù)是VGA轉(zhuǎn)AV,是利用專用的VGA轉(zhuǎn)AV信號(hào)設(shè)備[2],將VGA源轉(zhuǎn)成視頻流,再用視頻采集卡進(jìn)行數(shù)字化采集和處理,最后轉(zhuǎn)化為遵循TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)流,通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸出去?？蛻艚邮斩送ㄟ^Web瀏覽器接收的是基于數(shù)字視頻流的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

VGA信號(hào)中有R、G、B三色模擬視頻信號(hào),轉(zhuǎn)化為單一的復(fù)合視頻AV信號(hào)后,信號(hào)大量衰減,嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量,尤其一些文字等畫面根本無(wú)法看清,不能真正支持應(yīng)用,失去精品課程后期編輯的效果,是一種較為落后的技術(shù)。此方式價(jià)格便宜,所以也有部分學(xué)校采用。

2.2 VGA軟件抓屏采集這是目前市面上最常用的一種方式,但是這種方式主要利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算來完成,對(duì)計(jì)算機(jī)CPU的壓力非常大。通過測(cè)試,目前超線程3.0 G的CPU進(jìn)行VGA軟件抓屏采集的能力也僅僅每秒10幀左右,完全無(wú)法滿足需要,也就無(wú)法抓取大多數(shù)視頻播放器的圖像,對(duì)動(dòng)態(tài)圖像直接傳輸出現(xiàn)明顯掉幀,圖像聲音不同步[3],無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)圖像的教學(xué)要求,同時(shí)對(duì)其他VGA源無(wú)能為力。

VGA軟件抓屏采集優(yōu)勢(shì):通用的成熟技術(shù),沒有門檻,技術(shù)獲取極易;由此形成的產(chǎn)品具有成本價(jià)格優(yōu)勢(shì)。VGA軟件抓屏采集劣勢(shì):采集源受限,只能采電腦、筆記本等,無(wú)法采集展臺(tái)、DVD等的信號(hào);須對(duì)采集源設(shè)備安裝軟件,在一些場(chǎng)景環(huán)境下會(huì)受到限制;從市場(chǎng)角度分析,采用軟件采集的錄播系統(tǒng)不易形成特色的產(chǎn)品形態(tài),對(duì)渠道而言不易取利,因而可能不易得到推廣。

2.3 專用VGA硬件采集卡采集方式專用的VGA硬件采集卡是目前精品課錄播中的主流技術(shù),它采集VGA信號(hào)種類全,不干擾教師正常操作PC機(jī),VGA采集圖像質(zhì)量好,壓縮后可直接生成通用的標(biāo)準(zhǔn)視頻流文件。VGA硬件采集卡基于DSP技術(shù)開發(fā),完全獨(dú)立運(yùn)算,不占用教學(xué)終端或計(jì)算機(jī)的本地運(yùn)算能力,無(wú)論本地播放多么復(fù)雜的課件和多媒體資源,都不會(huì)影響采集的效果,不會(huì)對(duì)課堂教學(xué)造成任何影響。VGA信號(hào)的實(shí)時(shí)采集壓縮和傳輸[4]:支持臺(tái)式機(jī)、筆記本、實(shí)物展臺(tái)等VGA輸出信號(hào)的采集。生成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的WMV文件:采用目前通用的微軟windows media player 9進(jìn)行壓縮,直接生成標(biāo)準(zhǔn)的WMV格式視頻文件。唯一的缺點(diǎn)是目前造價(jià)較高。

硬采即通過專業(yè)的硬件板卡實(shí)現(xiàn)采集。VGA的硬采技術(shù)發(fā)展非?？?優(yōu)勢(shì):采集源不受限制,即插即用,所見即所得;不需要對(duì)采集的源設(shè)備安裝軟件;比較容易經(jīng)過二次開發(fā)包裝形成特色的產(chǎn)品形態(tài),從而成為大多數(shù)錄播廠商追求的一種技術(shù)。硬采的劣勢(shì):與軟采相比,成本價(jià)格是最大的劣勢(shì)。

2.4 VGA不同采集方式的比較通過以上分析,可以發(fā)現(xiàn)VGA軟件采集的優(yōu)勢(shì)是成本,VGA硬件采集的優(yōu)勢(shì)是方便(采集源不受限制)。軟采的劣勢(shì)是先天的,很難突破(展臺(tái)、DVD這樣的設(shè)備不可能安裝軟件)。而硬件采集完全可以通過技術(shù)的不斷進(jìn)步、量的提升和應(yīng)用的普及逐步將成本控制到一個(gè)合理區(qū)間。對(duì)用戶而言,盡管展臺(tái)、DVD的應(yīng)用少于PC和計(jì)算機(jī),但用戶在合理的應(yīng)用引導(dǎo)和合理的價(jià)格承受范圍內(nèi),完全會(huì)重新評(píng)價(jià)軟件采集和硬件采集的價(jià)值。

采用軟采的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將系統(tǒng)的重心向后期應(yīng)用傾斜,依托后期的完整應(yīng)用吸引用戶,進(jìn)而減少用戶對(duì)于前期手段的關(guān)注。而采用硬采的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)則將重心傾斜在前期的制作環(huán)節(jié)上,強(qiáng)調(diào)制作環(huán)節(jié)的豐富化、人性化。

短期來看,2種技術(shù)會(huì)并存,但長(zhǎng)久而言,硬采占據(jù)一些先機(jī),前提是硬采的成本得到控制。

針對(duì)以上分析,形成一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比(表1)。

3 多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)VGA數(shù)據(jù)采集的典型應(yīng)用

本項(xiàng)目組針對(duì)多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)新的特點(diǎn)[5],采用基于DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的VGA采集卡,開發(fā)出圖1所示基于網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的系統(tǒng)拓?fù)湎到y(tǒng),由多個(gè)子模塊組成,包括多媒體教室模塊、教室場(chǎng)景攝像機(jī)采集及投影輸出VGA采集模塊、自動(dòng)錄播模塊、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)直播模塊、B/S架構(gòu)點(diǎn)播模塊、精品課程資源管理模塊等。

系統(tǒng)通過自動(dòng)錄播模塊、網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)直播模塊實(shí)現(xiàn)教學(xué)課程的自動(dòng)錄播與直播,并以微軟標(biāo)準(zhǔn)的流媒體視頻格式WMV格式記錄下來,通過課程資源管理平臺(tái)提交到服務(wù)器上還可提供點(diǎn)播。本系統(tǒng)可以在教師現(xiàn)場(chǎng)授課的同時(shí)自動(dòng)生成教學(xué)實(shí)況錄像,并以流媒體的方式在網(wǎng)絡(luò)中直播、保存,供師生實(shí)時(shí)收看。實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)過程的全方位、立體、真實(shí)地記錄,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全自動(dòng)錄播或直播。顯然,采用VGA轉(zhuǎn)AV后采集,或使用VGA軟件采集,是難以實(shí)現(xiàn)上述拓?fù)鋱D系統(tǒng)功能的。

4 結(jié)束語(yǔ)

由上面論述可知,VGA轉(zhuǎn)AV后采集由于成本低,容易實(shí)現(xiàn),是早期多媒體大課堂聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)主要應(yīng)用的方式。VGA軟件抓屏采集,屬于純軟件實(shí)現(xiàn)方式,利用計(jì)算機(jī)高速CPU來完成,需要復(fù)雜的軟件運(yùn)算,無(wú)法抓取大多數(shù)視頻播放器的圖像,因成本低,也能實(shí)現(xiàn)許多網(wǎng)絡(luò)課件簡(jiǎn)單后期編輯,目前在高校應(yīng)用較多。采用基于DSP技術(shù)的VGA采編卡組成的錄播工作站設(shè)備來構(gòu)建多教室聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng),其硬件軟件架構(gòu)簡(jiǎn)捷、操作使用簡(jiǎn)單、維護(hù)維修方便。隨著DSP和微控制器以及相關(guān)硬件器件的價(jià)格降低,專用的VGA硬件采集必然成為網(wǎng)絡(luò)教學(xué)應(yīng)用的主流技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]宋美臻.基于建構(gòu)主義的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)研究[J].電化教育研究,2006(7):43-45,51

[2]陳巍.VGA顯示與TV顯示的區(qū)別及轉(zhuǎn)換[J].新聞愛好者,1999(3):89-90

[3]李學(xué)橋,田現(xiàn)峰,趙磊.基于B/S架構(gòu)的嵌入式無(wú)線圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(8):312-314

[4]梁炎昌.基于嵌入式系統(tǒng)的圖像采集技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2007

[5]雷志華.多媒體大課堂教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2004,23(9):26-28,35