基于VR技術的高校英語擬直播教學系統(tǒng)設計

陶媛媛

(西安交通大學城市學院， 外語系， 陜西, 西安 710018)

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，遠程教學模式正在傳統(tǒng)教育行業(yè)中迅速普及，VR虛擬現(xiàn)實技術的成熟使課堂教學內(nèi)容能夠以更加直觀的形象向?qū)W生進行展示[1]。本文提出并設計了一種基于VR技術的高校英語擬直播教學系統(tǒng)，將虛擬現(xiàn)實技術與網(wǎng)路直播技術進行有機融合，突破了平面多媒體教學的局限性，使高校英語教學擺脫了空間與時間的束縛，極大地提升了英語課程的教學效果。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)用戶主要包括2個群體，一是在校學生用戶，通過校內(nèi)局域網(wǎng)按課程表學習英語課程，二是具有英語學習需求的非學生用戶，通過手機和互聯(lián)網(wǎng)隨時參與英語課堂。

1.1 校內(nèi)局域網(wǎng)中的課程直播

當前的網(wǎng)絡設備與傳輸速度難以滿足高清直播的技術要求，因此以擬直播的方式開展課堂教學，即在教學樓、圖書館、學生宿舍等安裝機頂盒路由器，構建校內(nèi)局域網(wǎng)VR直播教學網(wǎng)絡[2]。系統(tǒng)按照課程表的安排提前緩存下一堂課程的教學內(nèi)容，到達設定的上課時間后，教師端所在的主機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占用網(wǎng)絡帶寬的問題。面向校內(nèi)局域網(wǎng)的系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 面向校內(nèi)局域網(wǎng)的系統(tǒng)架構

為了實現(xiàn)教室教學場景下的師生互動，系統(tǒng)基于Socket進行教師端與學生端的通信連接。教師端可通過機頂盒路由器觀察在線學生的課堂狀態(tài)，在教師端和學生端均設置了提問與回答的功能，以便師生之間隨時進行交流和溝通。擬直播的課程展示方式保證了VR視頻的清晰度，Socket通信實現(xiàn)了師生間的實時互動，二者的結(jié)合充分體現(xiàn)了VR直播教學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)中的非學生手機用戶建立了用戶檔案，用于記錄用戶的個人資料、課程收藏、課程預約、課程點贊、瀏覽歷史等信息，并通過定期對這些信息進行的統(tǒng)計分析不斷完善用戶檔案，從而能夠以其為依據(jù)向用戶進行更為精準的智能推薦。用戶登錄系統(tǒng)的次數(shù)越多在線時間越長，其檔案信息越為細致和完整。

互聯(lián)網(wǎng)用戶的手機客戶端主要包括課程預告、課程推薦、VR直播、往期課程4個功能模塊。用戶可以通過課程預告模塊了解后續(xù)時段的課程安排，以訂閱或收藏的方式提醒自己按時參加課程。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，使其知悉課程的時間安排。通過VR直播模塊，用戶可以觀看當前正在播放的課程內(nèi)容，使其能夠不受時間與地域的限制，隨時隨地參與課程教學。如果錯過了之前的某些課程，用戶可以在往期課程模塊找到相關課程并觀看課堂教學的視頻回放。

將虛擬現(xiàn)實技術應用于英語課程遠程教學，打破了傳統(tǒng)意義上的課堂在時間和空間上對學生的限制，同時又以立體圖像還原了課堂的場景，極大地提高了遠程課堂的教學效果和學生的學習效率。

2 系統(tǒng)關鍵技術的實現(xiàn)

2.1 VR影像

系統(tǒng)所提供的英語課堂VR視頻通過Android手機上安裝的VR播放器呈現(xiàn)，用戶佩戴專用的VR眼鏡即可實現(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播放器的技術難點有2個，即視頻播放的控制與VR效果的渲染。VR視頻的每一個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視圖以及窗口的裁剪實現(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行了改進，在FrameLayout的基礎上定義了一個MyMediaController，進而能夠完成VR視頻的播放/暫停、播放模式切換、進度條拖動等控制操作[7]。

2.2 擬直播

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

圖3 VR直播的架構與實現(xiàn)流程

系統(tǒng)的核心是VR視頻的存儲、分配與播放，具體的教學內(nèi)容由相應的教學機構提供[8]。系統(tǒng)基于CDN(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡)實現(xiàn)后臺的構建，依靠部署在不同位置的邊緣服務器存儲視頻資源，通過中心平臺對資源進行調(diào)度和分發(fā)并保持負載均衡，使用戶在最短時間內(nèi)就近獲取所需課程內(nèi)容，從而減輕網(wǎng)絡壓力，提高系統(tǒng)的響應速度和用戶訪問的快捷性。如前文所述，VR視頻的每一個幀都是一張全方位立體影像，所以VR直播對分辨率、網(wǎng)絡的帶寬和延遲等都提出了極高的要求，以致于當前的網(wǎng)絡技術很難與之相適應。為此，系統(tǒng)引入了擬直播的非實時直播方式，將下一次課程內(nèi)容緩存到服務器中，在設定的時間在網(wǎng)絡內(nèi)進行組播。

2.3 遠程控制

互聯(lián)網(wǎng)中的非學生手機用戶通過HTTP網(wǎng)絡協(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)在后臺中進行用戶權限的設置和課程的安排等，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云服務器交互訪問的基礎上實現(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)議實現(xiàn)的，以不同設施中的機頂盒路由器為中心構建直播網(wǎng)絡，每個分局域網(wǎng)包括機頂盒路由器中的Andriod服務器和多個VR教學設備，用戶的手機客戶端通過DatagramSocket發(fā)送UDP廣播對區(qū)域內(nèi)的服務器進行搜索，包含有特征碼的消息由ByteBuffer進行數(shù)據(jù)包裝。接收到消息后服務器進行數(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客戶端，由此實現(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，每個用戶訪問時系統(tǒng)都會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性化推薦服務[10]。系統(tǒng)的推薦模塊與用戶檔案緊密結(jié)合，從而實現(xiàn)英語課程的智能推薦。本系統(tǒng)用戶檔案的構建主要圍繞課程類別、課程名稱、教師姓名3個關鍵詞進行，通過后臺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，并將與之對應的課程加入用戶標簽中，同時結(jié)合用戶訪問過程中的點擊、關注、收藏、訂閱4個操作的發(fā)生頻率不斷對用戶檔案進行完善，以作為系統(tǒng)推薦的依據(jù)。用戶檔案的構建流程如圖5所示。

圖5 用戶檔案的構建流程

3 系統(tǒng)測試

VR視頻直播教學的效果取決于網(wǎng)絡的流暢度，所以系統(tǒng)測試以直播過程中的幀率和緩存速率為關鍵性能指標。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)運行日志，記錄測試結(jié)果，取多次統(tǒng)計數(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)絡環(huán)境下視頻緩存速率

圖7 Wi-Fi/4 G無線網(wǎng)絡環(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，觀看過程中不會出現(xiàn)人眼可見的卡頓現(xiàn)象。課程直播過程中計算機的GPU占用率穩(wěn)定在15%以下，全程沒有出現(xiàn)大的波動。

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

4 總結(jié)

本文提出并設計一種基于VR技術的高校英語擬直播遠程教學系統(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)中的學生用戶，通過擬直播的方式解決了網(wǎng)絡資源需求過高的問題，結(jié)合Socket通信實現(xiàn)了高清視頻直播。對于互聯(lián)網(wǎng)中的非學生用戶，根據(jù)其實際需求設置了4個功能模塊，并通過用戶檔案進行有針對性的個性化推薦。本系統(tǒng)的應用對于高校英語教學方式的改革和創(chuàng)新具有十分積極的作用。