一種可視互動實驗教學輔助系統的設計與實現

(福建農林大學機電工程學院，福建 福州350002）

嵌入式系統實驗通常是一個軟硬件相結合的系統實驗，實驗難度相對于純軟件實現要復雜得多，學生在實驗過程中會出現各種各樣的問題，很多問題都沒有共性，不方便集中講解，教師往往要在學生中間巡回手把手的個別指導，一堂課下來，教師往往會疲憊不堪，同時由于學生問題經常不能得到及時解決，導致實驗課效率很低。為此，筆者提出了一種可視交互式實驗教學輔助系統，使教師和學生都不必離開自己座位，通過屏幕、語音、文件和文本進行互動，不僅能及時解答個別學生問題，而且還能組織部分或全體學生針對某一問題進行可視互動討論，大大提高了實驗教學的效率?福建農林大學高等教育教學改革基金（01jg04079）。。

1 遠程桌面協議

可視互動實驗教學輔助系統的核心功能是實現將教師PC屏幕實時圖像信息發送到每個學生PC顯示器上實時顯示，同時學生PC屏幕視頻不僅能在教師顯示器上回放，而且教師也能夠遠程操作學生電腦，即 “遠程桌面共享”功能。目前實現遠程桌面共享功能的主流協議有3種[1]，分別是 “X Window”、“RDP”和 “VNC”，X Window是實現Linux系統圖形界面的基石，因此主要運用在Linux系統中；Windows操作下常用的遠程桌面協議是RDP（Remote Desktop Protocol），該協議專門為遠程管理和維護Windows系統設計，適用于多個用戶同時互不影響的管理和使用同一電腦；VNC（Virtual Network Computing）協議核心原理是 “將一個矩形區域的象素點放置在一個特定的位置上”[2]，因此該協議與操作系統本身無關，即VNC是一種跨平臺的遠程桌面協議，能在Windows、Mac和Linux等目前主流操作系統上運行，同時，由于VNC只傳輸屏幕變化的矩形區域部分，因此帶寬消耗低，系統資源開銷小。

實驗教學輔助系統的核心功能是 “雙向遠程桌面共享”，能滿足需求的只有 “X Window”和 “VNC”，但由于嵌入式系統實驗過程中學生要同時使用Windows和Linux操作系統，所以最終只能選擇目前唯一可以跨平臺的VNC協議。

VNC是AT＆T劍橋實驗室研發的基于TCP／IP的瘦客戶平臺，由 VNC Server和 VNC viewer組成[2]，結構如圖1所示。VNC Server產生本地顯示，VNC Viewer將這個顯示畫到自己的屏幕上，兩者之間使用的是VNC協議。

圖1 VNC結構圖

2 系統設計總體框架

系統采用的是C／S架構，由客戶端和服務器端組成，如圖2所示。

圖2 可視互動實驗教學輔助系統結構圖

實驗中教師集中講解時，通過圖2中的屏幕視頻服務，將教師屏幕圖像向所有學生廣播，學生通過自己的顯示器能同步觀看到教師的操作；學生實驗時，教師可隨時任意輪巡觀看學生屏幕，查看實驗進展情況，必要時教師可以遠程操作學生PC，以指導學生完成實驗；實驗過程中教師發現或學生反饋有共性的問題時，教師通過圖2中的文件服務，主動獲取學生電腦上的相關文件，作為典型錯誤的資源，教師及時集中講解或組織學生集體討論以激發學生積極性；學生間以及師生間可隨時通過圖2中的文本服務和語音服務進行簡單交流，問題較復雜時，再啟用前面的雙向屏幕交流方式。

師生間通過以上系統提供的文本、語音、文件和屏幕4種互動方式，能有效解決實驗中的溝通和交流問題，教師及時答疑解惑，增強了學生實驗過程中的自信心，從而提高了教學效率。

3 系統實施和關鍵技術問題解決

圖2所示系統涉及音視頻實時采集、編碼、解碼和回放以及網絡即時通訊、網絡多播等技術難點[3]，系統編程實現難度高工作量極大，系統部署和維護也需要專業人員管理，同時由于視頻數據處理和傳輸都要占用大量的CPU時間和帶寬，為了保證視頻的實時傳輸，必須專門配備至少一臺高性能服務器，因此系統硬件成本也很高。

為了不增加硬件成本，設計時將服務器端功能移植到客戶端中，充分利用實驗室每臺PC的計算能力，不僅節省了購買專門服務器的開支，而且也不需要專業人員進行集中管理維護，系統部署和維護簡單，使用也很方便；通過使用開源和免費軟件，只需進行簡單的源代碼修改和軟件配置，就能快速實現系統的所有功能，也節省了軟件和人力成本。

IP Messenger[4]是一款全球非常流行的開源局域網即時通信軟件，能實現圖2中的 “文本交流”、“語音交流”和 “文件交流”功能，該軟件既是客戶端也是服務器端，能很好地滿足該系統需求，同時該軟件使用上與QQ類似，師生能很快學會使用，編譯生成該軟件的綠色版本，就能方便與該系統集成。

TightVNC[5]是一款全球流行的VNC開源軟件，能很好地實現圖2中的 “屏幕交流”功能，最新版本為V2．0．4，可編譯成為綠色版本：客戶端功能由 “vncviewer．exe”可執行文件提供，服務器由可執行文件 “tvnserver．exe”和動態庫文件 “screenhooks．dll”提供。

如何部署TightVNC是實現該系統核心功能和減輕系統維護工作量的關鍵，現重點說明如下：

1）教師機上只安裝TightVNC客戶端，學生機上只安裝TightVNC服務器端，這樣，教師通過客戶端可隨時查看和控制學生遠程桌面，默認情況下，服務端第一次運行前要求輸入密碼，運行時其圖標會顯示在學生系統托盤中，學生通過該圖標的右鍵菜單可以關閉服務器端，這樣教師就無法遠程查看學生桌面了，學生也可修改服務器端密碼，教師因輸入密碼錯誤而同樣無法訪問學生遠程桌面。解決問題的方法是讓服務器端運行時不提示輸入密碼，也不顯示系統托盤圖標，因為這些信息都是記錄在注冊表中的，因此實現方法是預置所有相關注冊表項，對應表項為 “HKEY＿LOCAL＿MACHINE＼SOFTWARE＼TightVNC＼Server”主鍵下的 “RunControlInterface”和 “ControlPassword”值項，其中密碼是通過DES加密后的密文，通過查看源代碼[5]，默認64位加密密鑰為 “｛23，82，107，6，35，78，88，7｝”，如果修改該密鑰，既使學生知道注冊表項中的密文，也無法破解對應的密碼，系統安全性會更高。

2）教師集中講解時，為了實現學生屏幕與教師屏幕同步顯示，可以通過在教師機上運行服務器端，而學生機上運行客戶端來實現，實踐表明當課堂規模在15人左右時，教師機使用3．0GHz主頻的雙核CPU，系統運行比較流暢，但當學生人數增加時，教師機性能急劇下降，甚至出現長時間無法響應教師操作現象。原因是VNC采用的是點對點有連接TCP方式，每新增一個客戶端，連接數就會增加一個，同時實時屏幕視頻數據就要多傳輸一份，因此系統開銷會增長很快。解決的方法是使用無連接UDP的組播方式，使用該網絡通信方式優點是隨著客戶端數量增加，服務器始終只需傳輸一份視頻數據，即客戶端數量不會影響到服務器性能，不僅減輕了服務器壓力，同時也節省了網絡帶寬。TightProjector軟件[5]就是采用這一機制的高效屏幕廣播軟件，其服務器端由 “tightprj．exe”實現，而客戶端由“tightrcv．exe”實現，通過在教師機上安裝服務器端，學生機上安裝客戶端，實現了教師屏幕向所有學生廣播功能。

4 結 語

筆者提出的設計方法，整合了各種開源和免費軟件資源，不需要增加任何硬件配置，就能快速搭建一套可視互動實驗教學輔助系統，不僅可以解決嵌入式實驗教學中的實際問題，而且所有基于PC的教學和實驗課都可能采用，整個系統運行隱定、實時性好、支持大規模多用戶并發使用，維護和管理極其簡單。由于3大組成部分自成體系，系統與部分是松耦合的，下一階段的工作主要是加強各個部分之間的聯系。

[1]梁飛蝶，李錦濤．瘦客戶計算應用協議中遠程顯示機制的比較 [J]．計算機工程與應用，2004（21）：135-137．

[2]Richardson T，Stafford2Fraser Q，Wood KR，et al．Virtual Network Computing [J]．IEEE Internet Computing，1998，2（1）：33-38．

[3]楊勇，陳新．高性能實時交互式遠程教育環境服務器的設計與實現 [J]．福州大學學報，2009，37（3）：357-361．

[4]IP Message官網 [DB／OL]．http：／／ipmsg．org／index．html．en，2011-03-09．

[5]TightVNC官網 [DB／OL]．http：／／www．tightvnc．com，2011-03-09．