支持移動終端多用戶協同交流的云黑板平臺實現

應悅 簡琤峰

摘要：本文針對基于云計算的遠程教育對實時性、多樣化、個性化交流的需求，提出了支持移動自主學習的云黑板教學模式，并設計開發了基于移動WEB的多用戶協同交流云黑板系統。

關鍵詞：遠程教育；協同技術；云黑板

中圖分類號：G40-057 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）19-0069-04

● 引言

當前的遠程教育系統，無法充分發揮教室內傳統教學實時交互交流的優勢。雖然能為用戶提供一定的協作交互環境，但都是按照系統預先設置好的步驟進行，缺少靈活性。當需要實時溝通時，基本上是通過視頻、語音和文字的方式進行交流，可許多溝通是需要通過一種類似傳統課堂的黑板媒介來實時交互進行的，這一點在現有的遠程教學系統中卻很難實現。

因此，筆者結合當前的云教育平臺，研究了一種基于移動終端的支持自主移動學習的“云黑板”教學平臺，它具有支持模擬黑板協同交流、支持移動WEB跨平臺和支持多用戶在線實時參與的特點，能為遠程用戶提供實時交流，更能激發學生的學習興趣和學習動力，體現學生學習的能動性和自主性。

● 支持移動自主學習的云黑板模式

現代遠程教育由教師、網絡和學生三個關鍵要素組成。傳統的網絡教育是教師在線直播，學生連接網絡接受授課的在線教育模式。然而直播并不能真正體現遠程教育對實時性的需求，即使學生能夠在線提問、在線留言。筆者提出的云黑板教學模式，不僅會有基本的多用戶語言交流，更能支持師生在云黑板平臺實現模擬黑板的操作，即教師在授課的同時，可以在云黑板上作圖，學生可以實時參與從而協同繪制，最終實現實時“你見即我見”的效果。云服務資源服務器的支持，以及云黑板移動終端客戶端的適配讓遠程教育用戶有了多樣化、個性化的選擇。對移動設備的支持，可以最大程度地減少教師開課以及學生上課時受到的時空限制；學生可以實時參與多種課程的學習，為自己制訂學習計劃，充分體現云黑板系統對多樣化、個性化需求的滿足。這樣，移動終端多用戶協同交流云黑板，真正做到了適應任何人在任何時間、任何地點，選擇任何內容進行學習，真正讓使用對象脫離計算機屏幕的約束，給參與者提供了一種舒適休閑狀態的學習啟發空間，提供了便利的隨時隨地參與學習的自主移動學習途徑。

作為為移動終端客戶端提供云黑板的后臺支持，服務器端運行云黑板支持系統還需要建立相應的遠程教學資源庫。移動終端主要提供云黑板客戶端模塊，如下頁圖1所示，需要解決的關鍵技術有瀏覽器矢量圖形繪制與編輯、矢量圖形對象并發控制，同時需要解決基于服務器推送的協同設計功能。

● 關鍵技術

1.系統架構

移動終端以安卓為例。圖2是云黑板系統的技術架構，從圖中可以看出這是一個混合應用的設計方式，移動WEB客戶端被一個原生應用承載。混合型的云黑板系統移動客戶端不僅保留了一定的可移植性，還保證了類似原生應用的體驗。移動終端客戶端主要分為基本矢量圖形接口、各功能模塊實現層、用戶接口調用層三層。底層基本矢量圖形的接口函數，提供繪制矢量圖形的上層調用，這一層是整個矢量圖形的核心層。功能模塊實現層能實現網頁矢量繪制平臺的大部分功能。在該層調用底層繪圖函數實現動態繪制、圖形數據的異步保存和協同繪制。最上層是矢量圖形顯示及用戶接口層，它為用戶提供繪制基本矢量圖形、選擇矢量圖形、編輯矢量圖形的工具，以及用戶當前操作的圖形顯示和操作狀態顯示。

2.關鍵技術

（1）移動終端的多用戶協同技術

在大多數情況下，協同設計架構主要是C/S（Client/Server）結構，服務器能夠實時向客戶端推送更新的消息，而不需要客戶端向服務器請求。云黑板客戶端為了保持自身的優點，采用了混合模式APP，其核心是移動WEB。且在移動WEB的B/S（Browser/Server）結構中，移動WEB客戶端需要獲得服務器上更新的信息，必須通過請求響應模式，這種模式下用戶獲得的數據沒有實時性，而且有大量不必要的數據更新，因此會產生大量冗余數據的傳輸。為了解決這一問題，筆者專門研究了服務器推送的原理，實現了通過長連接技術，將服務器端更新的矢量圖形推送給相應的移動WEB客戶端，從而達到類似C/S結構實時推送的效果。

為了能在移動WEB客戶端的B/S結構中保證前后端通信的實時性，需要建立客戶端和服務器端之間的長連接。這里采用的WebSocket能更好地節省服務器資源和帶寬，并達到實時通訊。為了在原生應用下實現用戶登錄以及聊天功能，客戶端使用了socket.io，而與服務器建立了另外一條消息通道。socket.io封裝了WebSocket，同時包含了其他的連接方式，如Ajax等。

矢量圖形的協同數據交換過程包括矢量圖形的特征基本屬性信息到矢量圖形協同特征數據模型交換、矢量圖形協同特征數據模型的網絡傳輸服務器數據推送、矢量圖形協同特征數據模型到矢量圖形的數據交換。

每一個繪制的圖形將被保存到一個Model對象中，協同的基本原理是：一個客戶端更新圖形后，將更新后的Model通過socket.io提交到服務器，由服務器向其他客戶端進行廣播，再由其他客戶端對數據進行顯示。

（2）矢量圖形繪制及沖突檢測

圖形的繪制包括圖形對象的創建、更新、存儲。所有矢量圖形繪制都是基于像素的，它們是矢量圖形的最基本單元。如果能在網頁中創建一個最基本的像素單元，使其通過控制這些像素單元的顯示來繪制矢量圖形，就方便多了。基于此原理，筆者以DHTML和JavaScript為開發語言，使用寬為lpx，高為lpx的Div對象作為一個像素。有了像素單元，所有標準圖形將可以直接應用計算機圖形學相關繪圖算法實現繪圖。例如，直線將可直接應用Bresenham快速畫直線的算法。簡單地說，就是直接在滿足給定直線方程的坐標上繪制像素。據此類推，矩形可由四個直線方程表示，填充則是在一個封閉區域畫滿像素。

由于當前移動WEB瀏覽器平臺純網頁模式下不存在圖形繪制環境，不存在基本的圖形庫，因此需要從底層最基本的矢量繪制開始，構建相應的圖形庫，主要建立二維基本矢量圖形庫。基于移動WEB瀏覽器網頁的圖形繪制實現，性能好壞至關重要。它一方面與移動終端硬件以及瀏覽器的Render Engine緊密相關，另一方面與圖形的實現算法并結合網頁元素的特性來表示一些基本的矢量圖形。這樣能大大減少表示矢量圖形的基本像素網頁元素，性能優化主要做這方面的工作。這個過程可以在瀏覽器支持和安全允許的前提下，借用HTML5的canvas圖形引擎功能，直接進行圖形繪制和性能優化的實現。

在網頁上，支持二維矢量圖形協同繪制平臺中所定義的圖元的操作有矢量圖形繪制、選擇、修改、移動、刪除等操作。假設我們定義矢量圖形的操作集合OP，OP={P，S，C，M，D}，其中P代表繪制，S代表選擇，C代表修改，M代表移動，D代表刪除。

針對網頁矢量圖形繪制環境下并發操作的沖突檢測，設用戶Ui，執行操作為OPi，該操作所作用的矢量圖形記為Gi，用戶Uj，執行操作為OPj，該操作所作用的特征對象記為Gj，（Gi可以等于Gj），通過以下步驟檢測并發沖突：①如果Ui操作是繪制矢量圖形Gi，OPi=P，則Uj的操作不與其他用戶產生沖突，檢測結束。②如果Ui操作是選擇矢量圖形Gi，OPi=S，則Uj的操作與其他用戶操作不產生沖突，沖突檢測結束。③如果Ui操作是修改矢量圖形Gi，則Uj與所有與其并發的且對Gi的操作OPj且OPj不屬于{P，S}，產生操作沖突，沖突檢測結束。④如果Ui操作是移動或刪除矢量圖形Gi，則Uj與所有與其并發的且對Gi的操作OPj且OPj不屬于{P，S}，產生操作沖突，沖突檢測結束。

（3）多用戶并發控制策略

多用戶同時操作有很大可能會產生沖突，因此需要并發控制。在分布式系統、多線程系統中，并發控制是普遍需要解決的問題，它也是計算機協同系統需要解決的關鍵技術之一。在實時計算機協同系統中，會存在多個不同用戶都需要訪問的共享對象（如云黑板中的矢量圖形圖元等），因此系統需要對多個不同用戶訪問共享對象的操作進行實時響應，這樣才能達到“你見即我見”的效果。由于多個不同用戶同時對一個矢量圖形的并發訪問是不可避免的，因此會發生不可避免的沖突，并發控制策略是為保證數據的一致性而必須采取合適的策略。其主要目標是保證在對共享資源并發訪問的情況下，能正確地操作共享資源。筆者主要采用對矢量圖形加鎖和協同感知技術，來解決和避免多用戶同時操作矢圖元產生的沖突。

對所繪制的矢量圖形加鎖是保證數據一致性的常用手段，它是對用戶訪問的共享對象進行加鎖和解鎖操作。用戶在對矢量圖形進行繪制、修改、刪除操作之前，必須先對該矢量圖形對象進行加鎖，防止其他用戶進行操作，從而滿足用戶對矢量圖形對象進行操作的要求。其他用戶在訪問加鎖以后的矢量圖形對象時，如果得不到該對象的訪問權限，就必須等待，直到用戶釋放控制此矢量圖形對象的鎖后，才能訪問。

所謂協同感知是指群體協作環境能夠在不影響其他參與者協同工作的情況下，將一個參與者的信息傳遞給各協作參與者，使得各協作參與者能夠彼此感知到對方的狀態信息。其目的是模擬現實世界的協作過程，讓參與協作的人在計算機環境中了解其他人的活動，從而為自己的活動提供一個“上下文”環境，消除由空間上的分布帶來的割裂感。

筆者將上述兩種方法融合，應用到云黑板系統中，實現了當一個用戶編輯某個對象以后，整個編輯過程將被協同，其他用戶可以看到其編輯過程，但不能獲得圖形對象的編輯焦點，需要等待當前編輯用戶完成編輯才能操作。

● 系統實例

云黑板系統采用Nodejs服務器，當網絡正常連接到服務器且登錄成功后，可以直接選擇工具箱中的內容協同作圖。圖3中左圖即為協同作圖效果圖，顯示了當前參與協同的用戶。圖3中右圖為用戶聊天的實現效果。用戶可以隨時交流，獲取資源，體現移動自主學習。

● 總結

云黑板系統不僅可作為遠程教育教學平臺，也可推廣到各種教育培訓機構中使用，作為企業集團培訓、企業客戶培訓等移動終端輔助產品。終端用戶可以是教育人員，也可以是企業客戶以及其他類型參與人員。該系統既吸收了傳統遠程教育平臺優點，又突出了移動終端的優勢，真正做到了施教者與受教者能夠不受時空限制，隨時隨地學習。可見，面向移動終端的云黑板系統使用范圍廣泛，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]馬麗潔.遠程教育與當代信息技術的整合研究[J].成人教育，2016（1）：19-22.

[2]孫立會.開放教育基本特征的變遷——兼議MOOC之本源性問題[J].遠程教育雜志，2014（2）：30-38.

[3]徐苑苑，張際平.基于云架構的網絡教學平臺設計與實現[J].遠程教育雜志，2013（03）：71-78.

[4]張波.基于對象視圖模型WebView的Web應用框架[J].軟件學報，2002（10）：1985-1990.

[5]胡晶.基于HTML5的Web移動應用開發研究[J].工業控制計算機，2014（10）：80-81.

[6]黃經贏.基于Socket.io+Node.js+Redis構建高效即時通訊系統[J].現代計算機（專業版），2014（13）：62-69.

[7]許會元.NodeJS的異步非阻塞I/O研究[J].工業控制計算機，2015（3）：127-129.

[8]陳嶺.基于Web的實時協同編輯系統中的一致性控制[J].計算機研究與發展，2001（12）：1505-1511.

[9]王越.移動互聯網時代協同感知技術研究[J].河南科技，2015（5）：9-11.

作者簡介：應悅，副研究員，碩士，研究方向為遠程教育與技術發展；簡琤峰，副教授、博士，研究方向為云計算、CAD。

基金項目：本文為浙江省科技廳公益技術研究工業項目“支持移動終端手勢識別的‘云黑板’教學平臺”（項目編號：2014C31068）的部分研究成果。