视频会议技术和虚拟现实技术在远程教学系统中的应用

摘 要 远程教学是在开放式教育网络基础上构建的学习系统。本文对现阶段远程视频会议技术及其在远程教学系统中的应用进行分析，并对虚拟现实技术进行讨论，从而得出远程教学的新模式。视频会议技术可将音视频数据在多个终端设备间进行实时传输，达到即时通信的效果；虚拟现实技术可构建物体及其运动的三维信息，同时嵌入文本、图像等二维信息，使用户置身于三维环境中，给人以真实感受。本文认为将视频会议技术与虚拟现实技术结合，将产生新模式，能满足师生对远程教学的高需求，提高教学质量，实现更理想的远程教学系统。

【关键词】远程教学 视频会议 虚拟现实 新模式

1 前言

随着现代信息技术的发展和我国大力推进慕课教学模式，直播和录播系统在我国教育行业得到迅猛发展，现代远程教育也随之迅速发展成长。现代远程教学，是指利用现代多媒体技术，将教师教学内容的文字、音频和视频信息通过数据传输网络以实时（直播）或非实时（录像）的方式传递给学生，从而达到教学目的的一种教育模式。

现代远程教学系统，多数采用Web平台方式。教师将录制的音、视频文件发布于平台上，利用资源数据库或云为支撑，提供学生选择观看；或通过该平台，实时地直播教学场景。多数平台提供在线答疑功能。该类教学系统需要学生进行自我主动式学习，并且只能提供较少的师生互动方式，无法有效调动学生的学习积极性，不利于提高学习热情。随着视频会议系统的发展，产生了另一种现代远程视频互动教学系统，利用视频会议的互动性，实现远程教学。

本文主要分析视频会议系统，结合最新的虚拟现实技术，讨论远程教学系统发展的新模式。

2 远程教学系统中的视频会议技术分析及应用

2.1 视频会议系统构成及原理

视频会议系统主要由多个视频会议终端、一个多点控制平台（含多点控制单元和管理系统）及数据传输网络构成。视频会议系统的实现及效果依赖各组成部分的配合：

视频会议终端，是直接面对用户的设备，将音频、视频等数据进行数字码流处理后，通过数据传输网络与其他用户终端进行交互。包括数据传输端口、音频输入/输出设备、视频输入/输出设备、视频编码/解码设备、音频编码/解码设备、信息处理设备等；

多点控制单元，是指在系统中通过将视频、音频等数据根据预定算法分配给对应的信道，完成个终端数据的交互，满足视频会议所要求的多点通信控制功能的硬件单元；

数据传输网络，是指在各个设备终端连接并能够将音频、视频通过数据传输的数字信道，包括光缆、电缆、微波以及卫星等。

远程视频互动教学系统，是以视频会议系统为主体开发建设的一套系统。根据会议时终端使用量不同，视频会议分为点对点会议和多点会议，用于远程教学系统时大多采用多点会议方式进行。授课教师使用一个会议终端当主讲人，通过网络对一个或多个会议终端前的学生进行实时教学演讲，统一播放电子教学资料，使师生实时交互，达到教学目的。

2.2 远程视频互动教学系统的分析

通过多次对现代远程视频互动教学系统的实际设计、建设和使用，根据远程视频会议系统终端设备的不同，本文认为该类系统主要分为三类：软件视频互动教学系统、硬件视频互动教学系统、软硬结合视频互动教学系统。

软件视频互动教学系统，利用软件视频会议系统平台，以Web及相关插件为主，同时提供软件客户端。该类教学系统支持视频画面和各类文档格式同步播放，提供多种互动功能支持在线教学，如电子白板、在线答疑、网页同步浏览、投票系统等。操作简单，使用方便，只需移动终端和网络，架设迅速，带宽需求相对低。但是，该类系统视频分辨率普遍低，随着移动终端和IE系统的升级，软件兼容性会成为制约。

硬件视频互动教学系统，利用硬件视频会议终端解码器，如思科、宝利通，结合教室或会议室进行互动教学。该类教学系统依托于硬件终端，只提供师生双方的视频画面和教师电脑画面，实现简单互动功能，并且设备价格高，带宽需求高。但该类硬件系统支持全高清分辨率，提供最好的视频观看效果，网真技术的使用达到了沉浸式教学目的。

软硬结合视频互动教学系统，在拥有前两种系统基础上，产生的新系统。联动硬件系统终端和软件系统平台，教师和少数学生使用软件系统终端，多数学生集中在远程视频教室使用硬件系统终端和软件系统终端。该系统提供软件系统的功能便利和硬件系统的观看效果。

这三类远程教学系统都可实现音、视频同步传输，让师生进行实时互动和交流，但是都拥有各自的优缺点，清晰度、兼容性、互动性、舒适度等方面分别限制了各自的发展。不仅如此，现有系统无法提供更高要求的沉浸式教学体验，实现完全模拟本地教学场景。

3 虚拟现实技术原理及技术支持

虚拟现实（Virtual Reality）技术，首先通过将现实环境中的环境进行三维数据的采集录入，并根据使用者在終端的需求，将所采集的三维数据通过数据库调取、整合、传输等过程，在一定的技术设备支持的基础上模仿出真实的环境，通过模拟使用者真实环境下的感知能力来传输信息。该技术现阶段主要通过下列技术的整合来影响人的感官：

3D视觉技术，是指利用人类左右眼的视觉差距来构建三维图片的原理，将二维图片实现立体显示，是虚拟现实技术的重要构成部分，现阶段主要采用偏振光眼镜法、串行显示法、裸眼实现技术等；

三维声音重构技术，是指使用者利用虚拟现实技术终端设备，通过自身感知能力在虚拟环境中判断声源的具体位置。主要有三维声音定位技术、语音识别技术和语音合成技术；

实时绘制技术，是指当使用者在虚拟现实技术终端进行三维运动时，将模拟环境中的物体通过实时绘制技术进行更新覆盖，以满足在虚拟环境中的真实感。

近几年，世界各大IT公司投入大量资源发展虚拟现实技术，并推出大量VR配套设备，包括：头戴式显示设备、手持式操控器、移动终端平台、360度全景摄像机等，并发展出更复杂的增强现实技术。这对虚拟现实技术的应用提供了有利的设备保障。

4 视频会议与虚拟现实结合的新模式

本文在对虚拟现实技术及原理进行分析研究后，认为将视频会议技术与虚拟现实技术进行结合，可弥补现有远程视频互动教学系统的不足，提供更好的沉浸式体检，达到更好的音、视频等效果，实现更理想的远程视频互动教学系统。

在新的系统模式下，数据网络构架主要依靠视频会议数据传输网络及多点控制单元，达到新系统的各个使用者都能够实现一对多的数据交互；虚拟现实技术主要用于升级改造各终端的设备及技术。根据技术成熟度及推广成本来考虑，本文认为远程教学系统的新模式可采用下列几种终端系统：

桌面式虚拟现实系统，是指通过利用现有的显示设备及简单的附加设备来达到观察及控制虚拟环境中的物体，辅助设备如立体观察器、液晶显示光闸眼镜等造价相对低廉，投资比较低而且能达到比较理想的模拟现实的效果，适宜本文新模式采用并将其推广应用；

沉浸式虚拟现实系统，是指利用各种数据交互设备如头戴式显示设备和数据手套等，将使用者的感知能力完全投入到交互系统生成的虚拟环境中，产生身临其境的感觉。该系统具有实时效能强、体验感真实等特点，但前期投入成本较高，可在条件允许的情况下应用；

多图层式虚拟现实系统，是指使用者通过穿戴设备及三维数据处理系统，将生成的三维图层加载到现实事物上的技术，更加真实的通过数据处理来感受实际事物的变化，增强使用者的感知能力。由于相关技术设备的精确性及成本问题，该系统技术在实际推广普及中还需要一定时间，但未来该系统必然会使新模式达到新高度，有巨大的发展空间和潜力。

新模式下的远程教学系统中，教师、学生通过各自数据终端的虚拟现实设备进行数据采集、转码，并通过多点控制单元实现一对多的数据传输，在其他使用者的接收终端将数据解码。同时，虚拟现实系统提供一个虚拟化的教学场景环境给所有教学活动参与者，该虚拟场景可由教师预先设置或采集现场环境数据使用。

5 新模式的优点

本文设计的新模式，可实现数据的一对多交互，也改变了传统远程教学场景再现差的现状，对提高使用者的感官认知有着大幅提高，具体体现为下列几个方面：

场景还原性高：新模式在数据接收终端采用虚拟现实设备，可以在主观感知中对虚拟环境中的物品进行相互作用，高度还原现实效果，与真实场景无差异；

感知更丰富：新模式增加接收终端的虚拟现实设备，从视觉、听觉、触觉、嗅觉等多方面对使用者的感知能力进行信息传递，增强使用者主观接收能力；

互动性更强：使用者将自身在虚拟环境中的身体移动、甚至面目变化等通过设备进行三维数据的采集转码，并通过网络和接收端设备实现实时动态信息传递，在满足音视频实时交互的同时附带肢体语言交流，并配合系统提供的虚拟场景和相关工具，互动性、舒适性比原有远程教学系统更强。

6 新模式应用前景

采用视频会议技术与虚拟现实技术结合新模式的远程教学，可以为学生提供更为生动的学习环境及氛围，使其具有极大的兴趣与学习积极性，虚拟环境的变化对学生有着独特的吸引力，并且教师讲解知识难点时也可提供相应的虚拟化系统支持，教学场景真实化。该新模式的远程教学系统，不仅仅可以完美实现远程教学的目的，让身处不同地方的师生进行教学活动，还可根据虚拟现实技术，应用于知识学习、提高学生探索能力、技能学习等方面。随着新模式的推广和使用，新系统的使用范围也会提高，应用前景广阔。

7 总结

本文在对视频会议技术与虚拟现实技术进行分析研究后，将视频会议技术与虚拟现实技术进行结合，产生远程教学系统的新模式，可以突破现有系统的限制，在沉浸性、感知性、交互性等方面更有优势，并且应用前景广阔，更好的实现远程教学的目的。虚拟现实行业仍处于高速发展的初级阶段，因此新的远程教学模式在当前依然有许多不完善之处需要改进，包括目前硬件设备的完善、便携性、性价比等，但未来新模式值得期待。随着科学技术的不断发展，和我国互联网、物联网技术的不断提高，远程教学必将推广普及，为教育模式带来新的变化，而将视频会议与虚拟现实技术相结合的新模式的种种优点也会将现代远程教学提升到一个新的高度。

参考文献

[1]戴心来，陈齐荣.网络课程的教学交互及其设计探究[J].电化教育研究，2005（03）：26-29.

[2]王立达.论视频会议系统在成人高等教育教学中的应用[J].寧波大学学报：教育科学版，2015（03）：88-92.

[3]孙昌达，胡新生.基于视频会议技术的远程教学系统及其应用[J].广东广播电视大学学报，2003（04）：21-24.

[4]穆芮.视频会议系统现状分析[J].中国电力教育，2009（S1）：444-445.

[5]徐玲.创新远程教育物理虚拟实验平台的构建[J].中国培训，2016（03）：20-21.

[6]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学：信息科学，2015（02）：157-180.

[7]史铁君.虚拟现实在教育中的应用[D].长春：东北师范大学，2008.

[8]吴伟.具有虚拟现实特征的交互式远程教学技术研究[D].武汉：华中科技大学，2002.

[9]程彤，汪存友.增强现实技术在非正式学习空间中的应用探讨[J].中国教育信息化，2015（22）：83-85.

作者简介

韩冰（1984-），男。硕士学历。现为华东政法大学信息化办公室工程师。主要研究方向为现代教育技术。

作者单位

华东政法大学信息化办公室 上海市 201620