面向远程教育应用的“视频化身虚拟教室”设计

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发表于 2011-9-9 08:37:44 |只看该作者 |倒序浏览

[摘要] 随着计算机、网络和虚拟现实技术的发展, 使得新技术支持下基于视频会话的教学互动成为可能。本文针对远程教育中的教学需求, 分析了目前虚拟教室的研究现状, 在借鉴国内外已有相关研究成果的基础上, 对虚拟教室的环境建模、网络架构以及带宽和硬件需求进行了深入的探讨, 重点研究了环境建模和视频化身建模的关键技术, 给出了一种能真实地重现教学情境、可通过视频化身交互、外设简单且使用方便的虚拟教室解决方案。

[关键词] 视频化身; 虚拟教室; 远程教育; 交互
   我国的远程教育发端于20 世纪70 年代, 历经近40 年的发展历程, 以其举世瞩目的进展和成就赢得了各国教育界和国际社会的普遍关注。但远程教育在具体实践过程中尚存在一些问题, 国内也有专家、学者撰文指出, 远程教育的教学效果并未达到如人们期许的那样有效。[1][2]人们开始从学习理论和技术应用层面对e- Learning 进行反思, 试图用混合学习(BLearning)来实现“回归”。混合学习就是面对面的课堂学习和在线学习两种方式的有机整合, 其核心思想是综合运用不同的学习理论、采用不同的媒体与信息传递方式以及不同的应用方式来实施“教学”, 而且要求所付代价最小、所获效果最优。
虚拟教室是基于Web 的可实时交互的虚拟远程教学系统, 是计算机、网络通信、多媒体和虚拟现实技术相结合的产物。它运用协同工作(CSCW) 理论, 一定程度上以“虚拟”的形式实现了传统课堂的教学功能,为地域分散的师生提供了一个可共享的协同式虚拟学习环境。目前, 有关虚拟教室的开发和在远程教育中的应用正越来越受到国内外教育领域专家学者的重视, 并已成为一个新的研究热点。我们认为, 开发面向远程教育应用的虚拟教室系统, 关键并不在于内容和资源的丰富, 而是应该针对现代远程教育的特点,重点关注教学交互与教学情境的创设。具体地说, 就是系统应该支持多种教学交互, 并尽可能创设逼真的教学情境来满足教与学的具体需求; 系统应该是可扩展、可维护的, 对使用者的空间地理位置是非限定的;除了PC 外不需要过多的额外硬件支撑, 基本的辅助设备应该是易得的、廉价的。随着计算机性能的不断提高以及高速以太网的逐步普及, 使图像、视频、音频等多媒体信息在局域网上的快速传输成为可能; 多媒体数据压缩算法以及实时通讯协议的不断完善为多媒体通信提供了更好的支持。这使得将视频流的双向交互融入到虚拟教室系统中成为可能。鉴此, 我们试图开发一个既可模拟面对面教学又不受时空制约的虚拟教学环境, 来实现面向远程教育的教学应用。本

文在借鉴他人研究成果和开发方法的基础上, 采用虚拟现实、网络以及多媒体技术, 提出了一种新的基于视频化身的虚拟教室VAVC(Video- based Avatar VirtualClassroom, VAVC) 解决方案。我们所提出的VAVC 解决方案, 并不是类似于Blackboard、WebCT、Anywize 之类的电子学习环境( ELE) 或内容管理系统(CMS) , 而是提供基于三维界面的音频、视频和文本的多通道交互。通过将分布式在线学员的面部信息融入到虚拟教室的三维场景中, 实现准虚拟会晤, 而在会话( 包括师生和学伴之间的会话) 时则切换到一对一的实时视频双向交互模式。
虚拟教室系统的开发是否成功, 除了必须具备基本的教学功能支持外, 关键在于系统是否易用和学习者乐于使用。本文所提出的VAVC 解决方案, 目的在于创建一个有高度真实感的、支持高质量教学场景重现的、硬件费用开销低廉的虚拟教学环境, 这与融合学习的基本观点相吻合, 也是本文研发虚拟教室系统的出发点和归宿。
一、虚拟教室的国内外研究现状
   虚拟教室在远程教育中的应用, 目的是为了创设一个有利于教与学的教学情境。从虚拟教室的实现方法这个角度, 我们可以把目前有关虚拟教室主题下的众多研究分为三类:

( 一) 基于视频会议系统的虚拟教室

   这类虚拟教室的实现方法在利用现有的视频会议系统的基础上改制而成, 即在普通的教室中装备大屏幕的墙面投影和电子白板、摄像头、麦克风等硬件设备, 共享各种信息服务, 如实时的视频信息、数据传递、会话选择、成员角色判断和控制。[4][5]有的还采用SRI 的多Agent 系统Open Agent Architecture(OAA)作为系统的分布式计算环境, 使得教师可以像在普通教室中一样用语言、手势、板书等熟悉的方式来实现远程教学。[6][7][8]

( 二) 二维虚拟教室

   这类虚拟教室通常提供视频、电子白板以及文本交互工具, 有的还提供会话录音功能。这类虚拟教室的典型案例有:WIZIQ, 一个全球最大的免费实时网上教学交流平台; [9] 美国阿克伦大学推出的主要讲授化学质谱分析、统计的在线虚拟教室; [10]Shauna Schullo、Amy Hilbelink 介绍的两种在线同步解决方案Macromedia Breeze 和Elluminate Live; [11] 维吉尼亚工学院的Philip L. Isenhour 和John M. Carroll 等的LiNC 项目, [12]以及C. Abdallah 开发的VCPlayer(Virtual Classroom Player, VCPlayer) 项目。[13]在VCPlayer中, 允许两种媒体流同步结合, 一种是用于显示教师授课的真实视频, 以视频开窗的形式显示在右下角,另一种用于显示PPT 课件内容, 系统允许授课教师在PPT 上手写注释, 并被同步投影到大屏幕上。C. Abdallah指出: 动态的边讲解边注释比仅对静态的PPT讲解能获得更好的教学效果, 利用语音和手写注释更能表达复杂的概念。

( 三) 三维虚拟教室

   这类虚拟教室建立在3D 网络虚拟环境(Virtual Environments, VEs) 和虚拟交互社区(Virtual Interactive Communities, VIC) 概念上。近十年来VIC 发展很快, 最流行的VIC 是大规模多用户角色扮演游戏(Massive Multiplayer Online Role - Playing Games,MMORPGs) , 在全球拥有亿万用户, 其中Second Life、[14]World of Warcraft[15]以及Knight Online[16]就是这类VIC 的典型代表。基于VEs 和VIC 的三维虚拟

教室, 其共同点是: 建立在高速终端PC 上, 该PC 已与网络连接, 带宽稳定; 大多数支持电子白板以及文本交互( 尽管一些已经支持语音交流, 通常是额外付费) ; 学习者由虚拟动画角色来代表, 称作替身(Avatar), 它们代表用户在虚拟教室中的具体位置和动作。这类虚拟教室以学者Joshua Squires、[17]Anna Michailidou、Anastasios A Economides[18]以及南加利福尼亚大学的Albert A Rizzo 和Dean Klimchuk[19]的工作为代表。

   视频化身虚拟教室是我们在现代教育技术应用研究方面的一个努力。我们以虚拟教室在远程教育中的

应用作为背景, 对虚拟教室的系统架构、网络设置和协议、一致性维护和可视化以及视频化身的行为建模作

了探讨, 以期为同类的项目研发提供一种新的思路。

二、目前虚拟教室系统存在的不足

   按照加拿大学者里森、荷兰学者尼拍和英国学者贝茨率先提出和发展的“三代信息技术和三代远程教育”理论, 目前的远程教育属于第三代, 即现代远程教育, 其具体特征是以计算机网络技术为基础, 以人工智能、决策科学和系统科学为指导, 以多种媒体技术为主要手段的一种新型教育形式。[20]尽管已经提出了很多虚拟教室系统, 但并没有像人们事先设想的那样得到广泛的推广应用。其原因自然是多方面的, 但值得我们思考的是目前的虚拟教室系统本身的因素。有些问题需从方法论层面剖析, 有些问题则必须从技术层面着手才能解决, 而后者是本文关注的重点。

( 1) 基于视频会议系统的虚拟教室, 能较好地模拟真实的课堂教学情境, 支持视频、音频的双向对话,有良好的实时性和交互性。但由于受通信容量、传输速率、交换技术等因素的制约, 音、视频数据在传输过程中存在一定程度的不稳定性; 由于视频会议系统是针对会议特性而开发, 并不完全适用于远程教学应用, 需对原有系统进行改造; 不同厂家的视频会议系统之间存在标准与协议等方面的不兼容。[21]此外, 尽管有许多学者提出的各种基于视频会议系统的虚拟教室解决方案见诸于各类刊物, 但大多数文章对该类系统的硬件费用开销、可扩展性以及可移动性并未作清晰深入的分析。

( 2) 以视频、电子白板以及文本聊天为主要特征的二维虚拟教室, 由于其视频是单向的, 授课教师并不能感知有哪些学生在听课, 在创设课堂教学情境方面并不理想。交互的主要形式是文字输入, 学习者遇到学习上的具体困难时, 表述问题本身就已经很费力, 更遑论及时得到老师和学习伙伴的帮助, 由于缺乏及时的答疑解惑, 学习者并不能轻松的逾越学习上的障碍。问题累积的结果, 将严重挫败学习者对该类虚拟教室系统的使用意志。

( 3) 建立在VEs 和VIC 概念上的虚拟教室, 能较好地模拟教室场景, 学习者可选择自己的化身, 在一个共同的虚拟教室场景中彼此感知; 学习者可与虚拟教室场景中的三维实体对象交互, 场景中的化身之间也可交互会话( Session) , 会话内容一般以悬于化身头顶上方的三维文本显示。[22][23]但这类虚拟教室系统大多数并不支持音频、视频的双向交互, 在模拟真实的课堂教学情境方面尚存在一定的缺陷。

   在传统的课堂教学中, 教师可以充分利用语言、手势、目光接触等方式与学生互动。如何把这种丰富的、自然的交互方式迁移到虚拟教室系统, 是促成师生良好互动、提升虚拟教室教学应用效果的关键所在。解决问题的一条思路是: 创设一个能真实模拟课堂教学情境的虚拟教室, 并尽可能提供多通道的、自然的交互方式。这就是本文所探讨的, 以三维交互界面呈现的, 能提供电子白板、音频视频流双向交互等功能的视频化身虚拟教室VAVC。

三、VAVC 的开发方法

   我们定义的VAVC 是一个3D 虚拟教室环境(VCE) , 师生在其中可以像在传统的课堂教学环境中一样开展教学。在笔者的前期研究中, 提出了有关创建虚拟学习环境以及替身物理Agent 的实现方法。这里则呈现了一个包含视频化身相互之间实时交流的虚拟教室应用框架。我们认为: 将图像和实时视频流融合到3D 虚拟教室环境中, 非常适合远程教育中的教学应用, 因为它比目前的虚拟教室解决方案更具有探索性, 更加方便师生的互动交流, 也有利于学习者对能产生归属感的学习共同体的认同。

( 一)VAVC 功能需求分析

   VAVC 的设计目标, 是创建一个有高度真实感的虚拟教室场景, 通过提供一个允许多人在线以及音频视频(A/V) 双向交流的虚拟教室平台, 支持高质量的教学场景重现, 并以此实现远程教育中的教学应用。因为及时的反馈和持续的鼓励, 以及同伴之间自然的探讨和交流, 是促进远程学习者继续学习的最好动力, 为此VAVC 应该支持:

( 1) 实时课程教学。包括同步教学、在线答疑以及视频化身之间的A/V 双向交流。

( 2) 场景切换。通过单击虚拟场景中的功能按钮,实现将关心的主题最大化显示。

( 3) 文本的浏览传输。除了A/V 双向交流, 还应提供简单的文本( 包括概念草图、作业练习和测试的布置) 浏览传输功能。

( 4) 视频录制功能。用于实现异步教学视频录像。

( 5) 数据上传下载。主要用于作业的上传、学习资源的下载。

( 二) VAVC 的网络架构

   考虑到VAVC 的通用性、可移动性和可扩展性,在网络架构时尽可能使用标准协议。通常有多台本地服务器支持VAVC 的网络架构, 考虑到与现行的通信协议标准的兼容以及对传输设备的低程度依赖, 以及对无线接入的支持, VAVC 的大部分运行于多媒体子系统IMS。IMS 是第三代合作伙伴计划3GPP( 3rd Generation Partnership Project, 3GPP) 为移动用户接入多媒体服务而开发的系统。IMS 全面融合了IP 域的技术, 其体系结构设计则采用了软交换技术, 从而实现了业务与控制相分离、呼叫控制与媒体传输相分离。IMS 的底层核心技术是SIP, SIP 是基于纯文本的信令协议, 可以实现会话的连接、建立和释放。终端设备之间的会话可以有多种类型, 如视频、音频以及实时信息处理。此外, SIP 还支持单播、组播和可移动性,若与会话描述协议SDP( Session Description Protocol,SDP) 配合使用, 可动态地调整和修改会话属性, 如通话带宽、所传输的媒体类型及编解码格式。

   VAVC 的网络架构, 其逻辑实体由五个担负不同职责的服务器构成, 分别为文件服务器、数据库服务器、场景服务器、通信服务器以及会话服务器。
文件服务器: 主要用于存储相关教学文档, 并进行各种媒体和数据文件的传输和存取。底层协议采用文件传输协议FTP 和超文本传输协议HTTP。数据库服务器: 主要用于响应客户请求, 保存学员的个人信息、学员IP 地址列表以及客户端的音频、视频配置参数文件。
   场景服务器: 主要用于管理和维护3D 虚拟教室场景的同步和一致性。它包括传输储存于场景服务器的3D 虚拟教室场景、管理一个连续显示的虚拟教室场景, 实时显示场景中的对象和用户状态。用户状态包括视频化身的位置、动作信息以及2D Frame 视窗中的用户表情; 用户和场景的信息刷新采用Enet 协议, Enet 是UDP 顶层的一个轻量级的网络传输协议。

   通信服务器: 主要用于音频、视频流的管理和传输。由于受带宽限制, 目前尚无法支持所有在线用户同时在场景中的视频流交互。我们采用的解决方案是: 只允许师生之间一对一的视频流交互, 其余的在线用户采用静态图像显示。远程学员在发起视频会话请求并获得教师许可后, 客户端的单个A/V 信号流首先传送至通信服务器, 然后再由通信服务器将包含A/V 流实时交互的场景组播。由于A/V 流的实时特点,实时传输协议RTP 是当然的协议选择。会话服务器: 主要是管理授权用户( 如教师、管理员) 和注册用户( 远程学员) 的上线、离线以及用户认证, 负责指明教师与哪个客户端发生会话。同时也被用来发起音频、视频会话, 对流媒体文件传输进行设

定, 并对A/V 会话进行初始化。底层采用会话初始协议SIP。VAVC 的网络结构如图1 所示。

( 三) 硬件和带宽要求

   VAVC 既可运行于台式PC 机, 也支持手提PC 的无线接入。所需的相关硬件参见图1。具体分成两种情况: 一是台式机用户, 主要由主机、显示器、网络摄像头和一体化的耳机麦克风组成, 为了显示三维场景, 显卡需采用支持3D 场景显示的3D 图形加速卡。事实上,现在的家用PC 标准配置是1GB 的内存、奔腾4 的CPU 以及2.4GHz 的主频, 所以对大多数远程教学点和远程学员来说, 这样的配置都能实现。二是手提用户,除了网络摄像头和耳机麦克风外, 其配置是512MB 内存、CPU 奔腾4、主频3.06 GHz。此外, 新近推出的手提自带网络摄像头, 大大方便了用户的使用。

   鉴于有限的带宽资源( 一般为128~256Kbps) , A/V 流的压缩是必须的。MPEG- 4 的着眼点在于解决低带宽上音视频的传输问题, 在164KHz 的带宽上,MPEG- 4 平均可传5~7 帧/秒。采用MPEG- 4 压缩技术的网络型产品可使用带宽较低的PSTN、ISDN、ADSL等网络。本方案采用MPEG- 4 80Kbit QCIF(QCIF等于176 ×144 像素) 压缩视频、Speex Narrowband15Kbit 压缩音频。[25]采用上述压缩标准, 已基本能满足VAVC 的教学应用。

关于带宽, 大部分教学点和家庭用户都已支持宽带接入( 一般都有自己的xDSL 或电缆连接, 下载速率4.4Mb/s, 上传128～256Kb/s) , 同时由于在A/V 流的传输中采用了数据压缩技术, 所以VAVC 在实际教学应用中, 可以实现一对一的基于A/V 流的会话, 以及3D场景的一致性和流畅显示。

四、建模技术讨论

   VAVC 环境包含两部分内容: 一是虚拟教室环境, 包括教室内的教学设施以及固定于场景上端并半透明显示的功能按钮; 二是教室场景中的视频化身,包括化身的三维实体模型和绑定在化身模型上方的2D Frame 框。

( 一) 虚拟教室环境建模

   考虑到尽可能真实地再现教室环境, 所有对象按实际比例建模。首先, 在3dsmax 中完成教室场景模型的

创建以及材质和贴图的设定, 然后对场景进行渲染, 通过Virtools 的Export 插件将场景输出为*.NMO 格式;

其次, 在Virtools DEV 中建立教室的资源库文件( 如ClassroomResources) , 并将*.NMO 文件导入到相应的

分类文件夹中; 第三, 将场景中的桌、椅、墙定义为碰撞检测(Collision) 对象, 将地面定义为Floor 对象, 为视频

化身加入场景后的碰撞检测和物理属性设定做好前期准备; 第四, 在Virtools DEV 中创建相关功能按钮, 并通

过Virtools 自带的BBs, 完成视图切换、工具调用、资源的上传下载以及在线帮助等有关链接和功能设定。

VAVC 场景中预设有多架摄像机, 用户通过单击虚拟场景中的功能按钮, 可实现多个角度的场景切换, 诸如课件最大化、教师视频特写以及虚拟教室鸟瞰等。

( 二) 视频化身实体建模

   视频化身实体建模通过以下步骤实现: 首先是在3ds max 中完成化身模型的创建及材质贴图设定, 并将模型文件导出为*.NMO 格式, 在Virtools DEV 中建立化身的资源库文件( 如Avatar Resources) , 并将*.NMO 文件导入到相应的模型文件夹中; 第二, 在Virtools DEV 中完成相关的属性设定, 如化身与环境的碰撞检测和化身保持在地面上行走; 第三, 在Virtools DEV 中创建2D Frame, 并将其与化身绑定; 第四, 为化身设定跟随摄像机, 并通过BBs 实现用键盘控制化身动作, 用户可通过键盘上的数字键控制视频化身在VAVC 中游览。为了解决每个进入VAVC 的视频化身的初始位置问题, 需要特别注意在Virtools 中将跟随摄像机设置为该视频化身的子对象。化身的初始状态为“等待”, 可设计多种化身供用户选择。考虑到带宽限制、场景的连续性和场景在客户端显示的一致性等因素,每个远程学员在登录场景后, 化身头顶上方的2DFrame 框中均显示学员的静态头像, 只有在请求A/V会话并获得教师许可后, 才被系统切换到A/V 流交互状态; 而教师只要登录VAVC, 就可在2D Frame 框中

全程显示视频。

   通常, 客户端( 包括教师和远程学员) 的身份信息都是事先预知的。可将所有学员的相关信息数据以及静态头像、网络摄像头(WebCam) 及音频的配置等信息都事先设置好, 并将其存储为XML 文档。这样, 在客户端启动VAVC 程序时XML 文档就被解析, 并在本地数据库服务器上备份。当用户上线和离线时, 其个人信息、音频视频配置可通过会话初始协议SIP( Session Initiation Protocol, SIP) 从XML 文档读取, 同时被登记到会话管理服务器中。客户端用户经授权或身份认证后, 即可进入虚拟教室, 此时, 会话管理被自动建立。新加入学员即可获得虚拟教室场景中的相关信息( 如哪些学员在线, 其位置和朝向、头部静态样貌) 。同时, 已在虚拟教室中的学员, 可得到新加入学员的姓名, 以及位置方向等信息, 并可通过化身上方的静态图像看到其头部样貌。

( 三) 视频化身行为建模

   视频化身的行为由三部分构成: 一是视频流( 2D Frame 窗中用户的表情和说话动作) ; 二是化身实体动作( 如等待、行走、转向等) ; 三是音频流( 用户语音) 。视频化身的行为模型如图2 所示。

   客户端的网络摄像头将获取的视频流传送至本地服务器, 然后在Virtools DEV 中通过VSL(Virtools Script Language, VSL) 将获取的视频流图像作为贴图赋给3D 场景中的2D Frame, 这样, 参与A/V 会话的双方就可实时看到彼此的面部表情。化身实体动作建模通过以下步骤实现: 首先是在3DSMax 中完成等待、行走、转向等行为动作设定, 导出为*.NMO 格式, 在Virtools DEV 中, 并将*.NMO 文件导入到资源库文件的Animation 文件夹中; 第二, 在Virtools DEV 中通过BBs 完成键盘控制化身行为动作的相关设定, 用户可通过键盘上的方向键控制视频化身在VAVC 中游览。

   关于音频流的建立、传输和释放通过SIP 实现,已在网络架构部分作了具体介绍, 此处从略。

五、VAVC 的教学功能

   教师是通过授权认证进入虚拟教室场景, 远程学员则通过身份认证后进入相同的虚拟教室场景中, 在

线的师生通过化身彼此感知。VAVC 的远程教学功能可概括为以下几个方面:

( 1) 实时课程教学: 教师通过VAVC 中的电子白板或PPT 实施课程的同步教学, 远程学员可看清高分辨率显示于电子白板或场景中屏幕上的教学内容, 通过耳机可听到教师的声音, 并清晰地看到老师的面部表情, 如同在真实的课堂里学习一样。当任课教师出差时, 可通过带有摄像头并支持无线上网的手提登录VAVC 开展教学。打开IE, 键入VAVC 的IP 地址和端口号, 比如http://10.1.*.21:1024( 1024 为默认的无线网络监控服务端口号) , 通过授权认证后即可登录。对于ADSL、LAN 等Internet 宽带接入, 由于没有固定的IP

地址, 可考虑申请如3322 这样的动态域名。

( 2) 在线答疑: 在线答疑主要通过一对一的A/V交互( 即视频聊天) 来实现, 这类似于使用一个远程会议系统。

( 3) 协作学习: 在线的分布式学员之间主要通过文本或音频聊天的形式开展协作学习。与大规模多人在线的网络游戏中的虚拟社区不同, 远程学员的学习共同体是以班级为单位。因此, 显示于2D Frame 中的远程学员的真实头像, 无疑有益于学员相互之间对同学关系的认同, 这非常有利于协作学习的开展。学员遇到学习上的问题时, 除了在线答疑外, 还可采用“问题征解”的方式, 将相关问题在公告区公布, 通过学员之间的互助来解决。

( 4) 课程教学录像: 由于远程教育对象的特殊性,并不能保证每个学员都能及时跟上实时课程的教学进度。为了支持异步教学, 这些学员可在方便的时候通过下载并观看教学录像来弥补。

( 5) 资源的上传和下载: 提供相关资源链接, 实现交作业和保存教案的功能。

结束语

VAVC 是一个面向远程教育应用的教学平台, 我们希望通过VAVC 能重现面对面的、高品质的课堂教学情境。对于远程学员而言, 功能全面、使用复杂、资源丰富的虚拟学习环境并不一定是适用的。作为一种新的虚拟教室形式, VAVC 更有利于创设课堂教学情境, 给远程学员带来更多探究性的、有趣的学习氛围;对远程教育中存在的情感交流缺失、学习共同体认同模糊也能起到一定的弥补作用。同时, 随着VAVC 教学功能的拓展和完善, 其实际应用价值将凸显。有关VAVC 的多人在线同步视频交互问题, 尚有许多关键技术有待解决, 这也是我们下一步工作关注的重点。

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