多教室联网教学的ＶＧＡ数据采集方式及其应用

张会铭　雷志华　叶仁春　陆云龙

摘要 多教室联网教学已成为高校不可缺少的教学形式,而VGA数据采集是多教室联网教学的关键技术。首先介绍VGA转AV后采集方式、VGA软件抓屏采集方式和专用VGA硬件卡采集方式,并比较各自在网络教学应用中的优缺点,进而提出VGA硬件采集方式在多媒体大课堂联网教学的典型应用。最后说明以DSP为代表的VGA硬件采集卡是今后联网教学的主流技术。

关键词 联网教学;VGA信号;VGA转AV;VGA软件采集;VGA硬件采集

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1671-489X(2009)21-0088-03

Way of VGA Data Collection of Multi-Classroom Network Teachings and Its Application//Zhang Huiming, Lei Zhihua, Ye Renchun, Lu Yunlong

Abstract Multi-Classroom network teaching has already become an indispensable teaching form in university gradually, and the VGA data collection is the key technique foundation of multi-classroom network teachings. In this paper, three kinds of collection method are firstly introduced: VGA to AV, VGA software screenshots and special VGA hardware acquisition card, and the advantages and disadvantages of these techniques in network teaching are indicated, and forward more the VGA hardware card in the multi-media classrooms network teaching typical application is put forward. Finally, the VGA hardware card by DSP, is the main technique of network teaching for the future.

Key words network teaching; VGA signal; VGA to AV; VGA software collection; VGA hardware collection

Authors address Modern Educational Technology Center, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

1 前言

华中科技大学现代教育技术中心管理和维护全校400多间多媒体教室,提供对多媒体环境使用的技术服务和技术支撑;由于学校于2002年始建的西十二楼大课联播教学系统,受到当时计算机软、硬件技术的局限,系统已经落后,维修维护升级无法解决,严重影响多媒体大课联播教学的正常运行。为此,本项目组在2008年5月申请“西十二楼大课联播系统的改造研究”,并得到学校实验技术研究项目基金。

首先根据多教室联网教学的需求,对VGA数据采集方式及应用做了详尽的分析研究,并对采用不同技术方式、不同方案架构的典型录播直播实体系统设备进行调研和实际对比,结果:采用软件抓屏采集方式的2种不同方案架构组成的录播直播系统设备,都出现同样的问题,对动态图像直播传输时出现明显严重掉帧,图像、声音严重不同步,无法满足动态图像图形的教学要求;而采用DSP技术VGA硬件采集卡组成的录播直播系统设备,效果大大好于软件抓屏采集方式,采集图像质量好、声音图像同步,能满足正常教学的要求。因此,最终决定采用硬件采集方式,选用嵌入式基于DSP技术的集VGA采集、编码于一身的“VGA采编卡”组成的录播工作站设备来搭建架构西十二楼大课联播系统。该研究于2009年5月27日通过华中科技大学实验技术学术委员会验收并结题,鉴定结论为良好,为多媒体大课联播教学活动的开展提供了良好的教学资源。

多媒体大课堂联网教学系统就是用多媒体信号传输与处理技术,将多个多媒体教室有机地组合起来。其中一个设计为主播教室,将教师的多媒体课件、讲解实况、教室实况合成一个VGA信号画面,并将投影机、DVD、计算机、音频扩声等系统与VGA信号集成在一起,进行数字化合成,以广播或多播的模式,通过IP网络,将课堂内容直播出去。其他通过网络连接的为听课教室,可以通过B/S架构的Web浏览器直接收看主控教室VGA信号的课堂内容。实现一个教师用多媒体手段上课,多个教室同时听课,有效地优化学校资源和整合师资力量[1]。

2 网络教学的VGA数据采集各种技术特征

多媒体大课堂联网教学系统具有网络传输的技术特征,利用计算机技术、网络技术、音视频压缩技术、自动跟踪技术、多媒体技术,将计算机的VGA信号、摄像系统视频信号或DVD的视频信号,以及整个系统的音频信号,都必须数字化合成,并遵循TCP/IP标准,组成IP网络能够传输的网络信号。其中VGA信号的采集效率高低,决定了多教室联网教学系统的功能选择。

2.1 VGA转AV后采集市面上用得比较早的技术是VGA转AV,是利用专用的VGA转AV信号设备[2],将VGA源转成视频流,再用视频采集卡进行数字化采集和处理,最后转化为遵循TCP/IP标准的数据流,通过IP网络传输出去。客户接收端通过Web浏览器接收的是基于数字视频流的网络信号。

VGA信号中有R、G、B三色模拟视频信号,转化为单一的复合视频AV信号后,信号大量衰减,严重影响图像质量,尤其一些文字等画面根本无法看清,不能真正支持应用,失去精品课程后期编辑的效果,是一种较为落后的技术。此方式价格便宜,所以也有部分学校采用。

2.2 VGA软件抓屏采集这是目前市面上最常用的一种方式,但是这种方式主要利用计算机的运算来完成,对计算机CPU的压力非常大。通过测试,目前超线程3.0 G的CPU进行VGA软件抓屏采集的能力也仅仅每秒10帧左右,完全无法满足需要,也就无法抓取大多数视频播放器的图像,对动态图像直接传输出现明显掉帧,图像声音不同步[3],无法满足动态图像的教学要求,同时对其他VGA源无能为力。

VGA软件抓屏采集优势:通用的成熟技术,没有门槛,技术获取极易;由此形成的产品具有成本价格优势。VGA软件抓屏采集劣势:采集源受限,只能采电脑、笔记本等,无法采集展台、DVD等的信号;须对采集源设备安装软件,在一些场景环境下会受到限制;从市场角度分析,采用软件采集的录播系统不易形成特色的产品形态,对渠道而言不易取利,因而可能不易得到推广。

2.3 专用VGA硬件采集卡采集方式专用的VGA硬件采集卡是目前精品课录播中的主流技术,它采集VGA信号种类全,不干扰教师正常操作PC机,VGA采集图像质量好,压缩后可直接生成通用的标准视频流文件。VGA硬件采集卡基于DSP技术开发,完全独立运算,不占用教学终端或计算机的本地运算能力,无论本地播放多么复杂的课件和多媒体资源,都不会影响采集的效果,不会对课堂教学造成任何影响。VGA信号的实时采集压缩和传输[4]:支持台式机、笔记本、实物展台等VGA输出信号的采集。生成国际标准的WMV文件:采用目前通用的微软windows media player 9进行压缩,直接生成标准的WMV格式视频文件。唯一的缺点是目前造价较高。

硬采即通过专业的硬件板卡实现采集。VGA的硬采技术发展非常快,优势:采集源不受限制,即插即用,所见即所得;不需要对采集的源设备安装软件;比较容易经过二次开发包装形成特色的产品形态,从而成为大多数录播厂商追求的一种技术。硬采的劣势:与软采相比,成本价格是最大的劣势。

2.4 VGA不同采集方式的比较通过以上分析,可以发现VGA软件采集的优势是成本,VGA硬件采集的优势是方便(采集源不受限制)。软采的劣势是先天的,很难突破(展台、DVD这样的设备不可能安装软件)。而硬件采集完全可以通过技术的不断进步、量的提升和应用的普及逐步将成本控制到一个合理区间。对用户而言,尽管展台、DVD的应用少于PC和计算机,但用户在合理的应用引导和合理的价格承受范围内,完全会重新评价软件采集和硬件采集的价值。

采用软采的联网系统将系统的重心向后期应用倾斜,依托后期的完整应用吸引用户,进而减少用户对于前期手段的关注。而采用硬采的联网系统则将重心倾斜在前期的制作环节上,强调制作环节的丰富化、人性化。

短期来看,2种技术会并存,但长久而言,硬采占据一些先机,前提是硬采的成本得到控制。

针对以上分析,形成一个简单的对比(表1)。

3 多教室联网教学VGA数据采集的典型应用

本项目组针对多教室联网教学新的特点[5],采用基于DSP数据信号处理器的VGA采集卡,开发出图1所示基于网络教学的系统拓扑系统,由多个子模块组成,包括多媒体教室模块、教室场景摄像机采集及投影输出VGA采集模块、自动录播模块、网络实时直播模块、B/S架构点播模块、精品课程资源管理模块等。

系统通过自动录播模块、网络实时直播模块实现教学课程的自动录播与直播,并以微软标准的流媒体视频格式WMV格式记录下来,通过课程资源管理平台提交到服务器上还可提供点播。本系统可以在教师现场授课的同时自动生成教学实况录像,并以流媒体的方式在网络中直播、保存,供师生实时收看。实现对教学过程的全方位、立体、真实地记录,实现实时全自动录播或直播。显然,采用VGA转AV后采集,或使用VGA软件采集,是难以实现上述拓扑图系统功能的。

4 结束语

由上面论述可知,VGA转AV后采集由于成本低,容易实现,是早期多媒体大课堂联网教学系统主要应用的方式。VGA软件抓屏采集,属于纯软件实现方式,利用计算机高速CPU来完成,需要复杂的软件运算,无法抓取大多数视频播放器的图像,因成本低,也能实现许多网络课件简单后期编辑,目前在高校应用较多。采用基于DSP技术的VGA采编卡组成的录播工作站设备来构建多教室联网教学系统,其硬件软件架构简捷、操作使用简单、维护维修方便。随着DSP和微控制器以及相关硬件器件的价格降低,专用的VGA硬件采集必然成为网络教学应用的主流技术。

参考文献

[1]宋美臻.基于建构主义的网络教学研究[J].电化教育研究,2006(7):43-45,51

[2]陈巍.VGA显示与TV显示的区别及转换[J].新闻爱好者,1999(3):89-90

[3]李学桥,田现峰,赵磊.基于B/S架构的嵌入式无线图像监控系统的设计[J].微计算机信息,2008,24(8):312-314

[4]梁炎昌.基于嵌入式系统的图像采集技术研究[D].西安电子科技大学,2007

[5]雷志华.多媒体大课堂教学系统建设[J].实验室研究与探索,2004,23(9):26-28,35