視頻會議技術和虛擬現實技術在遠程教學系統中的應用

摘 要 遠程教學是在開放式教育網絡基礎上構建的學習系統。本文對現階段遠程視頻會議技術及其在遠程教學系統中的應用進行分析，并對虛擬現實技術進行討論，從而得出遠程教學的新模式。視頻會議技術可將音視頻數據在多個終端設備間進行實時傳輸，達到即時通信的效果；虛擬現實技術可構建物體及其運動的三維信息，同時嵌入文本、圖像等二維信息，使用戶置身于三維環境中，給人以真實感受。本文認為將視頻會議技術與虛擬現實技術結合，將產生新模式，能滿足師生對遠程教學的高需求，提高教學質量，實現更理想的遠程教學系統。

【關鍵詞】遠程教學 視頻會議 虛擬現實 新模式

1 前言

隨著現代信息技術的發展和我國大力推進慕課教學模式，直播和錄播系統在我國教育行業得到迅猛發展，現代遠程教育也隨之迅速發展成長。現代遠程教學，是指利用現代多媒體技術，將教師教學內容的文字、音頻和視頻信息通過數據傳輸網絡以實時（直播）或非實時（錄像）的方式傳遞給學生，從而達到教學目的的一種教育模式。

現代遠程教學系統，多數采用Web平臺方式。教師將錄制的音、視頻文件發布于平臺上，利用資源數據庫或云為支撐，提供學生選擇觀看；或通過該平臺，實時地直播教學場景。多數平臺提供在線答疑功能。該類教學系統需要學生進行自我主動式學習，并且只能提供較少的師生互動方式，無法有效調動學生的學習積極性，不利于提高學習熱情。隨著視頻會議系統的發展，產生了另一種現代遠程視頻互動教學系統，利用視頻會議的互動性，實現遠程教學。

本文主要分析視頻會議系統，結合最新的虛擬現實技術，討論遠程教學系統發展的新模式。

2 遠程教學系統中的視頻會議技術分析及應用

2.1 視頻會議系統構成及原理

視頻會議系統主要由多個視頻會議終端、一個多點控制平臺（含多點控制單元和管理系統）及數據傳輸網絡構成。視頻會議系統的實現及效果依賴各組成部分的配合：

視頻會議終端，是直接面對用戶的設備，將音頻、視頻等數據進行數字碼流處理后，通過數據傳輸網絡與其他用戶終端進行交互。包括數據傳輸端口、音頻輸入/輸出設備、視頻輸入/輸出設備、視頻編碼/解碼設備、音頻編碼/解碼設備、信息處理設備等；

多點控制單元，是指在系統中通過將視頻、音頻等數據根據預定算法分配給對應的信道，完成個終端數據的交互，滿足視頻會議所要求的多點通信控制功能的硬件單元；

數據傳輸網絡，是指在各個設備終端連接并能夠將音頻、視頻通過數據傳輸的數字信道，包括光纜、電纜、微波以及衛星等。

遠程視頻互動教學系統，是以視頻會議系統為主體開發建設的一套系統。根據會議時終端使用量不同，視頻會議分為點對點會議和多點會議，用于遠程教學系統時大多采用多點會議方式進行。授課教師使用一個會議終端當主講人，通過網絡對一個或多個會議終端前的學生進行實時教學演講，統一播放電子教學資料，使師生實時交互，達到教學目的。

2.2 遠程視頻互動教學系統的分析

通過多次對現代遠程視頻互動教學系統的實際設計、建設和使用，根據遠程視頻會議系統終端設備的不同，本文認為該類系統主要分為三類：軟件視頻互動教學系統、硬件視頻互動教學系統、軟硬結合視頻互動教學系統。

軟件視頻互動教學系統，利用軟件視頻會議系統平臺，以Web及相關插件為主，同時提供軟件客戶端。該類教學系統支持視頻畫面和各類文檔格式同步播放，提供多種互動功能支持在線教學，如電子白板、在線答疑、網頁同步瀏覽、投票系統等。操作簡單，使用方便，只需移動終端和網絡，架設迅速，帶寬需求相對低。但是，該類系統視頻分辨率普遍低，隨著移動終端和IE系統的升級，軟件兼容性會成為制約。

硬件視頻互動教學系統，利用硬件視頻會議終端解碼器，如思科、寶利通，結合教室或會議室進行互動教學。該類教學系統依托于硬件終端，只提供師生雙方的視頻畫面和教師電腦畫面，實現簡單互動功能，并且設備價格高，帶寬需求高。但該類硬件系統支持全高清分辨率，提供最好的視頻觀看效果，網真技術的使用達到了沉浸式教學目的。

軟硬結合視頻互動教學系統，在擁有前兩種系統基礎上，產生的新系統。聯動硬件系統終端和軟件系統平臺，教師和少數學生使用軟件系統終端，多數學生集中在遠程視頻教室使用硬件系統終端和軟件系統終端。該系統提供軟件系統的功能便利和硬件系統的觀看效果。

這三類遠程教學系統都可實現音、視頻同步傳輸，讓師生進行實時互動和交流，但是都擁有各自的優缺點，清晰度、兼容性、互動性、舒適度等方面分別限制了各自的發展。不僅如此，現有系統無法提供更高要求的沉浸式教學體驗，實現完全模擬本地教學場景。

3 虛擬現實技術原理及技術支持

虛擬現實（Virtual Reality）技術，首先通過將現實環境中的環境進行三維數據的采集錄入，并根據使用者在終端的需求，將所采集的三維數據通過數據庫調取、整合、傳輸等過程，在一定的技術設備支持的基礎上模仿出真實的環境，通過模擬使用者真實環境下的感知能力來傳輸信息。該技術現階段主要通過下列技術的整合來影響人的感官：

3D視覺技術，是指利用人類左右眼的視覺差距來構建三維圖片的原理，將二維圖片實現立體顯示，是虛擬現實技術的重要構成部分，現階段主要采用偏振光眼鏡法、串行顯示法、裸眼實現技術等；

三維聲音重構技術，是指使用者利用虛擬現實技術終端設備，通過自身感知能力在虛擬環境中判斷聲源的具體位置。主要有三維聲音定位技術、語音識別技術和語音合成技術；

實時繪制技術，是指當使用者在虛擬現實技術終端進行三維運動時，將模擬環境中的物體通過實時繪制技術進行更新覆蓋，以滿足在虛擬環境中的真實感。

近幾年，世界各大IT公司投入大量資源發展虛擬現實技術，并推出大量VR配套設備，包括：頭戴式顯示設備、手持式操控器、移動終端平臺、360度全景攝像機等，并發展出更復雜的增強現實技術。這對虛擬現實技術的應用提供了有利的設備保障。

4 視頻會議與虛擬現實結合的新模式

本文在對虛擬現實技術及原理進行分析研究后，認為將視頻會議技術與虛擬現實技術進行結合，可彌補現有遠程視頻互動教學系統的不足，提供更好的沉浸式體檢，達到更好的音、視頻等效果，實現更理想的遠程視頻互動教學系統。

在新的系統模式下，數據網絡構架主要依靠視頻會議數據傳輸網絡及多點控制單元，達到新系統的各個使用者都能夠實現一對多的數據交互；虛擬現實技術主要用于升級改造各終端的設備及技術。根據技術成熟度及推廣成本來考慮，本文認為遠程教學系統的新模式可采用下列幾種終端系統：

桌面式虛擬現實系統，是指通過利用現有的顯示設備及簡單的附加設備來達到觀察及控制虛擬環境中的物體，輔助設備如立體觀察器、液晶顯示光閘眼鏡等造價相對低廉，投資比較低而且能達到比較理想的模擬現實的效果，適宜本文新模式采用并將其推廣應用；

沉浸式虛擬現實系統，是指利用各種數據交互設備如頭戴式顯示設備和數據手套等，將使用者的感知能力完全投入到交互系統生成的虛擬環境中，產生身臨其境的感覺。該系統具有實時效能強、體驗感真實等特點，但前期投入成本較高，可在條件允許的情況下應用；

多圖層式虛擬現實系統，是指使用者通過穿戴設備及三維數據處理系統，將生成的三維圖層加載到現實事物上的技術，更加真實的通過數據處理來感受實際事物的變化，增強使用者的感知能力。由于相關技術設備的精確性及成本問題，該系統技術在實際推廣普及中還需要一定時間，但未來該系統必然會使新模式達到新高度，有巨大的發展空間和潛力。

新模式下的遠程教學系統中，教師、學生通過各自數據終端的虛擬現實設備進行數據采集、轉碼，并通過多點控制單元實現一對多的數據傳輸，在其他使用者的接收終端將數據解碼。同時，虛擬現實系統提供一個虛擬化的教學場景環境給所有教學活動參與者，該虛擬場景可由教師預先設置或采集現場環境數據使用。

5 新模式的優點

本文設計的新模式，可實現數據的一對多交互，也改變了傳統遠程教學場景再現差的現狀，對提高使用者的感官認知有著大幅提高，具體體現為下列幾個方面：

場景還原性高：新模式在數據接收終端采用虛擬現實設備，可以在主觀感知中對虛擬環境中的物品進行相互作用，高度還原現實效果，與真實場景無差異；

感知更豐富：新模式增加接收終端的虛擬現實設備，從視覺、聽覺、觸覺、嗅覺等多方面對使用者的感知能力進行信息傳遞，增強使用者主觀接收能力；

互動性更強：使用者將自身在虛擬環境中的身體移動、甚至面目變化等通過設備進行三維數據的采集轉碼，并通過網絡和接收端設備實現實時動態信息傳遞，在滿足音視頻實時交互的同時附帶肢體語言交流，并配合系統提供的虛擬場景和相關工具，互動性、舒適性比原有遠程教學系統更強。

6 新模式應用前景

采用視頻會議技術與虛擬現實技術結合新模式的遠程教學，可以為學生提供更為生動的學習環境及氛圍，使其具有極大的興趣與學習積極性，虛擬環境的變化對學生有著獨特的吸引力，并且教師講解知識難點時也可提供相應的虛擬化系統支持，教學場景真實化。該新模式的遠程教學系統，不僅僅可以完美實現遠程教學的目的，讓身處不同地方的師生進行教學活動，還可根據虛擬現實技術，應用于知識學習、提高學生探索能力、技能學習等方面。隨著新模式的推廣和使用，新系統的使用范圍也會提高，應用前景廣闊。

7 總結

本文在對視頻會議技術與虛擬現實技術進行分析研究后，將視頻會議技術與虛擬現實技術進行結合，產生遠程教學系統的新模式，可以突破現有系統的限制，在沉浸性、感知性、交互性等方面更有優勢，并且應用前景廣闊，更好的實現遠程教學的目的。虛擬現實行業仍處于高速發展的初級階段，因此新的遠程教學模式在當前依然有許多不完善之處需要改進，包括目前硬件設備的完善、便攜性、性價比等，但未來新模式值得期待。隨著科學技術的不斷發展，和我國互聯網、物聯網技術的不斷提高，遠程教學必將推廣普及，為教育模式帶來新的變化，而將視頻會議與虛擬現實技術相結合的新模式的種種優點也會將現代遠程教學提升到一個新的高度。

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作者簡介

韓冰（1984-），男。碩士學歷。現為華東政法大學信息化辦公室工程師。主要研究方向為現代教育技術。

作者單位

華東政法大學信息化辦公室 上海市 201620