視頻會(huì)議技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要 遠(yuǎn)程教學(xué)是在開放式教育網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。本文對(duì)現(xiàn)階段遠(yuǎn)程視頻會(huì)議技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行討論，從而得出遠(yuǎn)程教學(xué)的新模式。視頻會(huì)議技術(shù)可將音視頻數(shù)據(jù)在多個(gè)終端設(shè)備間進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，達(dá)到即時(shí)通信的效果；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可構(gòu)建物體及其運(yùn)動(dòng)的三維信息，同時(shí)嵌入文本、圖像等二維信息，使用戶置身于三維環(huán)境中，給人以真實(shí)感受。本文認(rèn)為將視頻會(huì)議技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合，將產(chǎn)生新模式，能滿足師生對(duì)遠(yuǎn)程教學(xué)的高需求，提高教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更理想的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】遠(yuǎn)程教學(xué) 視頻會(huì)議 虛擬現(xiàn)實(shí) 新模式

1 前言

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和我國(guó)大力推進(jìn)慕課教學(xué)模式，直播和錄播系統(tǒng)在我國(guó)教育行業(yè)得到迅猛發(fā)展，現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育也隨之迅速發(fā)展成長(zhǎng)?，F(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)，是指利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)，將教師教學(xué)內(nèi)容的文字、音頻和視頻信息通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以實(shí)時(shí)（直播）或非實(shí)時(shí)（錄像）的方式傳遞給學(xué)生，從而達(dá)到教學(xué)目的的一種教育模式。

現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，多數(shù)采用Web平臺(tái)方式。教師將錄制的音、視頻文件發(fā)布于平臺(tái)上，利用資源數(shù)據(jù)庫(kù)或云為支撐，提供學(xué)生選擇觀看；或通過(guò)該平臺(tái)，實(shí)時(shí)地直播教學(xué)場(chǎng)景。多數(shù)平臺(tái)提供在線答疑功能。該類教學(xué)系統(tǒng)需要學(xué)生進(jìn)行自我主動(dòng)式學(xué)習(xí)，并且只能提供較少的師生互動(dòng)方式，無(wú)法有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于提高學(xué)習(xí)熱情。隨著視頻會(huì)議系統(tǒng)的發(fā)展，產(chǎn)生了另一種現(xiàn)代遠(yuǎn)程視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，利用視頻會(huì)議的互動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)。

本文主要分析視頻會(huì)議系統(tǒng)，結(jié)合最新的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，討論遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的新模式。

2 遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中的視頻會(huì)議技術(shù)分析及應(yīng)用

2.1 視頻會(huì)議系統(tǒng)構(gòu)成及原理

視頻會(huì)議系統(tǒng)主要由多個(gè)視頻會(huì)議終端、一個(gè)多點(diǎn)控制平臺(tái)（含多點(diǎn)控制單元和管理系統(tǒng)）及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。視頻會(huì)議系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及效果依賴各組成部分的配合：

視頻會(huì)議終端，是直接面對(duì)用戶的設(shè)備，將音頻、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字碼流處理后，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)與其他用戶終端進(jìn)行交互。包括數(shù)據(jù)傳輸端口、音頻輸入/輸出設(shè)備、視頻輸入/輸出設(shè)備、視頻編碼/解碼設(shè)備、音頻編碼/解碼設(shè)備、信息處理設(shè)備等；

多點(diǎn)控制單元，是指在系統(tǒng)中通過(guò)將視頻、音頻等數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)定算法分配給對(duì)應(yīng)的信道，完成個(gè)終端數(shù)據(jù)的交互，滿足視頻會(huì)議所要求的多點(diǎn)通信控制功能的硬件單元；

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，是指在各個(gè)設(shè)備終端連接并能夠?qū)⒁纛l、視頻通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字信道，包括光纜、電纜、微波以及衛(wèi)星等。

遠(yuǎn)程視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，是以視頻會(huì)議系統(tǒng)為主體開發(fā)建設(shè)的一套系統(tǒng)。根據(jù)會(huì)議時(shí)終端使用量不同，視頻會(huì)議分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)會(huì)議和多點(diǎn)會(huì)議，用于遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)時(shí)大多采用多點(diǎn)會(huì)議方式進(jìn)行。授課教師使用一個(gè)會(huì)議終端當(dāng)主講人，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)一個(gè)或多個(gè)會(huì)議終端前的學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)教學(xué)演講，統(tǒng)一播放電子教學(xué)資料，使師生實(shí)時(shí)交互，達(dá)到教學(xué)目的。

2.2 遠(yuǎn)程視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的分析

通過(guò)多次對(duì)現(xiàn)代遠(yuǎn)程視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)、建設(shè)和使用，根據(jù)遠(yuǎn)程視頻會(huì)議系統(tǒng)終端設(shè)備的不同，本文認(rèn)為該類系統(tǒng)主要分為三類：軟件視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、硬件視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)、軟硬結(jié)合視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。

軟件視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，利用軟件視頻會(huì)議系統(tǒng)平臺(tái)，以Web及相關(guān)插件為主，同時(shí)提供軟件客戶端。該類教學(xué)系統(tǒng)支持視頻畫面和各類文檔格式同步播放，提供多種互動(dòng)功能支持在線教學(xué)，如電子白板、在線答疑、網(wǎng)頁(yè)同步瀏覽、投票系統(tǒng)等。操作簡(jiǎn)單，使用方便，只需移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)，架設(shè)迅速，帶寬需求相對(duì)低。但是，該類系統(tǒng)視頻分辨率普遍低，隨著移動(dòng)終端和IE系統(tǒng)的升級(jí)，軟件兼容性會(huì)成為制約。

硬件視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，利用硬件視頻會(huì)議終端解碼器，如思科、寶利通，結(jié)合教室或會(huì)議室進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)。該類教學(xué)系統(tǒng)依托于硬件終端，只提供師生雙方的視頻畫面和教師電腦畫面，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單互動(dòng)功能，并且設(shè)備價(jià)格高，帶寬需求高。但該類硬件系統(tǒng)支持全高清分辨率，提供最好的視頻觀看效果，網(wǎng)真技術(shù)的使用達(dá)到了沉浸式教學(xué)目的。

軟硬結(jié)合視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，在擁有前兩種系統(tǒng)基礎(chǔ)上，產(chǎn)生的新系統(tǒng)。聯(lián)動(dòng)硬件系統(tǒng)終端和軟件系統(tǒng)平臺(tái)，教師和少數(shù)學(xué)生使用軟件系統(tǒng)終端，多數(shù)學(xué)生集中在遠(yuǎn)程視頻教室使用硬件系統(tǒng)終端和軟件系統(tǒng)終端。該系統(tǒng)提供軟件系統(tǒng)的功能便利和硬件系統(tǒng)的觀看效果。

這三類遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)都可實(shí)現(xiàn)音、視頻同步傳輸，讓師生進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)和交流，但是都擁有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，清晰度、兼容性、互動(dòng)性、舒適度等方面分別限制了各自的發(fā)展。不僅如此，現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)法提供更高要求的沉浸式教學(xué)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)完全模擬本地教學(xué)場(chǎng)景。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理及技術(shù)支持

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)，首先通過(guò)將現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的環(huán)境進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集錄入，并根據(jù)使用者在終端的需求，將所采集的三維數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)取、整合、傳輸?shù)冗^(guò)程，在一定的技術(shù)設(shè)備支持的基礎(chǔ)上模仿出真實(shí)的環(huán)境，通過(guò)模擬使用者真實(shí)環(huán)境下的感知能力來(lái)傳輸信息。該技術(shù)現(xiàn)階段主要通過(guò)下列技術(shù)的整合來(lái)影響人的感官：

3D視覺(jué)技術(shù)，是指利用人類左右眼的視覺(jué)差距來(lái)構(gòu)建三維圖片的原理，將二維圖片實(shí)現(xiàn)立體顯示，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要構(gòu)成部分，現(xiàn)階段主要采用偏振光眼鏡法、串行顯示法、裸眼實(shí)現(xiàn)技術(shù)等；

三維聲音重構(gòu)技術(shù)，是指使用者利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)終端設(shè)備，通過(guò)自身感知能力在虛擬環(huán)境中判斷聲源的具體位置。主要有三維聲音定位技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和語(yǔ)音合成技術(shù)；

實(shí)時(shí)繪制技術(shù)，是指當(dāng)使用者在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)終端進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)時(shí)，將模擬環(huán)境中的物體通過(guò)實(shí)時(shí)繪制技術(shù)進(jìn)行更新覆蓋，以滿足在虛擬環(huán)境中的真實(shí)感。

近幾年，世界各大IT公司投入大量資源發(fā)展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并推出大量VR配套設(shè)備，包括：頭戴式顯示設(shè)備、手持式操控器、移動(dòng)終端平臺(tái)、360度全景攝像機(jī)等，并發(fā)展出更復(fù)雜的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。這對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用提供了有利的設(shè)備保障。

4 視頻會(huì)議與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的新模式

本文在對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及原理進(jìn)行分析研究后，認(rèn)為將視頻會(huì)議技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，可彌補(bǔ)現(xiàn)有遠(yuǎn)程視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)的不足，提供更好的沉浸式體檢，達(dá)到更好的音、視頻等效果，實(shí)現(xiàn)更理想的遠(yuǎn)程視頻互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)。

在新的系統(tǒng)模式下，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架主要依靠視頻會(huì)議數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及多點(diǎn)控制單元，達(dá)到新系統(tǒng)的各個(gè)使用者都能夠?qū)崿F(xiàn)一對(duì)多的數(shù)據(jù)交互；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要用于升級(jí)改造各終端的設(shè)備及技術(shù)。根據(jù)技術(shù)成熟度及推廣成本來(lái)考慮，本文認(rèn)為遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的新模式可采用下列幾種終端系統(tǒng)：

桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是指通過(guò)利用現(xiàn)有的顯示設(shè)備及簡(jiǎn)單的附加設(shè)備來(lái)達(dá)到觀察及控制虛擬環(huán)境中的物體，輔助設(shè)備如立體觀察器、液晶顯示光閘眼鏡等造價(jià)相對(duì)低廉，投資比較低而且能達(dá)到比較理想的模擬現(xiàn)實(shí)的效果，適宜本文新模式采用并將其推廣應(yīng)用；

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是指利用各種數(shù)據(jù)交互設(shè)備如頭戴式顯示設(shè)備和數(shù)據(jù)手套等，將使用者的感知能力完全投入到交互系統(tǒng)生成的虛擬環(huán)境中，產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)效能強(qiáng)、體驗(yàn)感真實(shí)等特點(diǎn)，但前期投入成本較高，可在條件允許的情況下應(yīng)用；

多圖層式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，是指使用者通過(guò)穿戴設(shè)備及三維數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將生成的三維圖層加載到現(xiàn)實(shí)事物上的技術(shù)，更加真實(shí)的通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)感受實(shí)際事物的變化，增強(qiáng)使用者的感知能力。由于相關(guān)技術(shù)設(shè)備的精確性及成本問(wèn)題，該系統(tǒng)技術(shù)在實(shí)際推廣普及中還需要一定時(shí)間，但未來(lái)該系統(tǒng)必然會(huì)使新模式達(dá)到新高度，有巨大的發(fā)展空間和潛力。

新模式下的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)中，教師、學(xué)生通過(guò)各自數(shù)據(jù)終端的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)碼，并通過(guò)多點(diǎn)控制單元實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸，在其他使用者的接收終端將數(shù)據(jù)解碼。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供一個(gè)虛擬化的教學(xué)場(chǎng)景環(huán)境給所有教學(xué)活動(dòng)參與者，該虛擬場(chǎng)景可由教師預(yù)先設(shè)置或采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)使用。

5 新模式的優(yōu)點(diǎn)

本文設(shè)計(jì)的新模式，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一對(duì)多交互，也改變了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程教學(xué)場(chǎng)景再現(xiàn)差的現(xiàn)狀，對(duì)提高使用者的感官認(rèn)知有著大幅提高，具體體現(xiàn)為下列幾個(gè)方面：

場(chǎng)景還原性高：新模式在數(shù)據(jù)接收終端采用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，可以在主觀感知中對(duì)虛擬環(huán)境中的物品進(jìn)行相互作用，高度還原現(xiàn)實(shí)效果，與真實(shí)場(chǎng)景無(wú)差異；

感知更豐富：新模式增加接收終端的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，從視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)等多方面對(duì)使用者的感知能力進(jìn)行信息傳遞，增強(qiáng)使用者主觀接收能力；

互動(dòng)性更強(qiáng)：使用者將自身在虛擬環(huán)境中的身體移動(dòng)、甚至面目變化等通過(guò)設(shè)備進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)碼，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和接收端設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息傳遞，在滿足音視頻實(shí)時(shí)交互的同時(shí)附帶肢體語(yǔ)言交流，并配合系統(tǒng)提供的虛擬場(chǎng)景和相關(guān)工具，互動(dòng)性、舒適性比原有遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)更強(qiáng)。

6 新模式應(yīng)用前景

采用視頻會(huì)議技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合新模式的遠(yuǎn)程教學(xué)，可以為學(xué)生提供更為生動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境及氛圍，使其具有極大的興趣與學(xué)習(xí)積極性，虛擬環(huán)境的變化對(duì)學(xué)生有著獨(dú)特的吸引力，并且教師講解知識(shí)難點(diǎn)時(shí)也可提供相應(yīng)的虛擬化系統(tǒng)支持，教學(xué)場(chǎng)景真實(shí)化。該新模式的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，不僅僅可以完美實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)的目的，讓身處不同地方的師生進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，還可根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，應(yīng)用于知識(shí)學(xué)習(xí)、提高學(xué)生探索能力、技能學(xué)習(xí)等方面。隨著新模式的推廣和使用，新系統(tǒng)的使用范圍也會(huì)提高，應(yīng)用前景廣闊。

7 總結(jié)

本文在對(duì)視頻會(huì)議技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行分析研究后，將視頻會(huì)議技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，產(chǎn)生遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)的新模式，可以突破現(xiàn)有系統(tǒng)的限制，在沉浸性、感知性、交互性等方面更有優(yōu)勢(shì)，并且應(yīng)用前景廣闊，更好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)仍處于高速發(fā)展的初級(jí)階段，因此新的遠(yuǎn)程教學(xué)模式在當(dāng)前依然有許多不完善之處需要改進(jìn)，包括目前硬件設(shè)備的完善、便攜性、性價(jià)比等，但未來(lái)新模式值得期待。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，和我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提高，遠(yuǎn)程教學(xué)必將推廣普及，為教育模式帶來(lái)新的變化，而將視頻會(huì)議與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的新模式的種種優(yōu)點(diǎn)也會(huì)將現(xiàn)代遠(yuǎn)程教學(xué)提升到一個(gè)新的高度。

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作者簡(jiǎn)介

韓冰（1984-），男。碩士學(xué)歷。現(xiàn)為華東政法大學(xué)信息化辦公室工程師。主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代教育技術(shù)。

作者單位

華東政法大學(xué)信息化辦公室 上海市 201620