多媒体实时互动远程教育解决方案.docx
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多媒体实时互动远程教育解决方案
多媒体实时互动
远程教育系统解决方案
泰豪科技股份有限公司
2007-12-05
多媒体实时互动
远程教育平台解决方案
一、前言
目前常见的、基于信息技术构建的远程教育平台，其主要功能，体现在静态培训内容的组织管理、存储和传输上。
所谓的交互功能，主要指人机交互。
而培训师和受训人之间的动态交流，多由E-mail和BBS等非实时交互平台实现。
这使得以讨论和交流为主要授课模式的现代培训范式无法得以施展。
因此，如何基于现代网络通信技术和多媒体技术，开发具有实时、交互、多媒体特性的协作式教学工具平台，一直是业内专家和应用技术开发者积极倡导和努力探索的话题。
CDMS引进国际先进的基于Web的实时交互多媒体通信技术，设计开发了一套基于桌面的实时课堂系统――WebClass，并以其为核心，开发了配套的教学管理系统，可以方便地进行排课、发布通知、管理并维护教师和学生档案，形成了一个完整的，基于目前互联网带宽的，以实时交互教学为特色远程教育平台。
它使老师和学生，只要具备一台能上网的电脑、一个桌面摄像头和麦克风，便可以开展实时的授课、辅导、讨论或协作式学习活动。
具有对带宽资源要求低、覆盖面广、无客户端安装要求、不受平台限制、操作简单、开放性强等特点。
WebClass系统具有功能强大的API应用程序接口，可以与现有的异步培训平台进行无缝整合。
二、系统概述
目前流行的实时远程教学系统解决方案主要有两种技术应用平台：
一是多媒体广播技术，包括基于卫星和有线电视网的教学广播系统和网络流媒体技术实现的互联网广播系统，这些技术所能实现的教学，基本上是单向的。
学生与教师之间缺乏双向的交互：
教师不能向学生提问，不能及时得到学生对当堂课的反馈；学生不能向老师提问，遇到的难点问题不能得到及时的解答，从而使远程教育达不到传统教学中的效果，不能保证教学质量，因而不利于远程教育作为一种主流教育模式的长远发展。
二是基于视频会议技术实现的实时交互式远程教学系统。
一般由多媒体授课室、多媒体听课室、多点控制器以及传输网络等组成，教师在授课室通过电子白板、视音频设备、传输网络将授课内容及教学情景实时传送到远端听课室，同时学生可在远端听课室现场回答教师提出的问题或向教师提出疑问，教师在授课时可以看到各听课室的全貌，还可以看到发问、回答问题的学生，如同面对面教学。
第二种平台虽然解决了实时交互问题，但必须建有完备的授课室和听课室，不仅师生所处的地域范围仍然受到局限，而且需要相应的设备、场地、带宽资源的投入，仍不足以体现现代远程教育“随时随地性”的内涵。
WebClass系统的设计，除考虑到系统本身应该具有的实时交互教学功能外，还充分考虑到国内的网络基础设施水平、用户使用习惯、当前企业对远程教育服务的需求特点等因素。
因此系统的设计和技术采用，遵循以下几个指导思想：
1.广播式授课和课堂交流相结合，使虚拟课堂不仅具有现实课堂的功能，还能最大可能地营造出现实课堂的氛围；
2.客户端完全基于标准浏览器，除麦克风和桌面摄像头外，不需要增加或安装其他任何软硬件；
3.可最低限度地满足拔号用户使用；
4.独立的开放软件体系，能够与企业专网和基于互联网的远程教育平台进行无缝整合；
5.可扩展的APIs接口，满足不同用户的个性化定制需求。
6.可升级的平台架构，满足不同规模的实时交互课堂需求。
WebClass底层依托美国WebEx公司的实时交互多媒体通讯技术。
WebEx的互动平台是一个基于行业标准的、分布式的软件体系结构，它提供了一整套功能强大的互动通讯的模块，具有极大的伸缩性、可靠性和可扩展能力。
可以提供电信级的实时交互通讯服务，同时支持数以百万计的声音和数据用户。
1．核心模块
WebClass软件由四个核心模块构成：
课堂管理：
为所有上课者提供可靠的、实时的数据传输。
包括演示、文档、应用程序共享、实时视频等全部数据共享功能。
该模块与现有的防火墙完全兼容；
办公管理：
为每一个注册用户提供个人课堂和管理课堂及处理教学事务的工具。
这些工具包括目录服务、个人主页、文件夹、通讯簿等。
议程管理：
包括课程预定、安全和加密管理等。
电话管理：
在基于Web的交互活动中，支持PSTN和IP电话的交流。
2．行业标准：
WebClass所采用的技术，支持各种行业标准，这些标准包括：
T120：
用于实时多点数据通信的网络协议标准；
H.323：
音视频通信标准
SSL：
数据传输安全标准
LDAP：
目录数据库协议标准
XML：
提供接入底层WIP功能的高级应用程序编程接口的标准。
WebClass所采用的技术平台，对T.120和H.323的标准进行了扩展，创建了一个HTTP隧道协议，因此可以通过一个标准的浏览器连接，来传递由上述标准协议所携带的丰富的数据，包括视频数据。
3．客户端软件
WebClass的客户端不需要特别安装软件，在用户第一次使用时，系统会自动向用户端下载HTML插件。
客户端软件负责对课堂上交互活动所需要传递的信息，在本地机上进行压缩，然后将压缩后的文件通过服务器转发到课堂中每个终端，再在本地机上解压缩。
由于采用的是矢量技术，且每次仅传递讲课人屏幕上变化的内容，因此WebClass对带宽资源要求很低，交互活动的安全性很高。
4．并发容量：
WebClass分高、低二种操作系统版本，高端版本采用SunSolaris和Oracle操作系统，单台服务器最大规模可支持2000个并发用户，即一堂课可容纳2000人，或分成多个并发课堂。
低端版本基于Linux操作系统，单台服务器最大规模可支持并发用户150人。
通过多服务器联结系统提供升级和容错功能，WebClass可以同时支持数以万计的实时课堂。
5．应用程序接口APIs
WebClass提供基于PHP和XML技术的二套应用程序编程接口（APIs），客户能迅速方便能根据需要开发基于WIP的新服务，并把这些服务集成到校园网、教育城域网和基于互联网的远程教育平台中。
三、系统功能
1．课程管理功能
创建课堂：
允许注册用户即时或提前创建新课堂，并预告当堂主要内容；支持远程自动注册和管理员进行注册两种方式。
课堂列表：
系统自动列出正在举行的课程和24小时之内预定的课程，供用户查询。
获得许可的用户可从页面直接进入正在举行的课程；
我的课程：
注册用户的个性化课程安排管理，可查阅数据库中记录的全部相关课程信息。
2．课堂角色功能
为了充分体现远程教育较之传统教育中学生学习的主观能动性更强的特点，WebClass的角色，不完全像传统教育中截然划分成教师和学生两种。
WebClass课堂可分为课堂主持人、讲课人和听课人三种角色，通过三种角色的动态分配，而形成一个活泼有序的互动课堂环境。
描述如下：
课堂主持人：
通常由教师担任，负责创建课程，维护课堂秩序，决定由谁来做讲课人，谁能得到话筒进行发言，同时可以实时召集未进入课堂的学生，或当学生到齐后，锁定/开销课堂，或见有未注册的学生闯入课堂时，立即驱逐。
最后负责关闭课堂。
课堂主持人角色可通过密码切换给其他人。
讲课人：
负责课堂上所进行的活动，并授权给听课人进行共同操作。
在传统授课型的交流中，大部分时候，老师即可以即是课堂主持人，又是讲课人。
在课堂交流中，课堂主持人可随时把讲课人的权限切换给某一个听课人。
WebClass的视频共享首先是讲课人的影像的广播式共享。
在四个视频窗口的版本里，除共享讲课人的视频外，还可以共享其他三个听课人的影像，并可轮播所有人的影像。
听课人：
听课人即传统课堂里的学生，听课人可以实时看到讲课人的视频、听到声音、读到其所调用的讲义。
听课人可随时举手要求发言，也可通过文字交流一对一、一对多或多对多地进行实时讨论。
在主持人的许可下，听课人可以变成讲课人，也可以被指定为主持人。
3．共享功能
讲义共享：
讲课人不需把讲义上传至服务器，即可使课堂内所有人同时共享，可进行高清晰度全屏显示，可共同批注操作。
白板共享：
允许所有人借助使用书写和绘画工具进行白板操作，可放至全屏。
页面导航：
讲课人可带领听课人浏览页面形式的讲义，并在浏览过程中进行标注操作，还可交换控制权；
应用程序共享：
可进行交互时课件操作或课件、软件等分步演示；
文件传送：
讲课可上传任何格式的文件共所有人下载；
课堂测验：
即时标准化测验，供讲课人了解当堂学习效果；
讨论功能：
师生可进行一对一、一对多和多对多的文字交流；
要求发言功能：
学生在课堂上举手可要求发言。
可视画面：
通过简单的桌面摄像头，无需任何特殊装备，软件或设制，实现交互式可视画面。
也可接入大型摄像系统，进行现实课堂的远程演播。
录制与播放：
本系统提供的专用录制和播放软件，可把整个课程完全录制下来，供课后复习或资源备份用。
4．协作式教学活动
强大的功能和灵活便捷的操作方法，使WebClass实时交互多媒体课堂，无论在企业专网内，还是在基于互联网的远程教育平台上，都能够支持多种多样的协作教学活动。
广播式授课：
课堂主持人和讲课人可以取消听课人的所有操作权限，形成一个单向式的授课环境。
这时讲课人只要配备有桌面摄像头和麦克风，通过调用集成的Voip功能，同时调用本地机上准备好的讲义、课件或页面，就可以向所有听课人广播发送视频、音频和数据信息。
讨论式教学：
讲课人可以给听课人部分权限，如文字交流功能、标注功能、白板书写功能、发言权，以及在课件共享过程中的控制权，进行边教边讨论式的授课或答疑。
这时要求听课人都要配有麦克风，条件好的还可以配有桌面摄像头。
协作式学习：
以学生为主导的课堂活动。
课堂主持人可以将讲课人角色轮流分派给每个听课人，由他们引导其他人一起研讨和交流。
这时，每一个讲课人都可以调用本地机上的文档或课件，共大家分享。
四、网络拓扑图
1．局域网环境：
说明：
（1）通过IP地址设置及页面定制，与企业OA系统、MIS系统进行无缝连结；
（2）可选装共享一个视频或四个视频窗口；
（3）可选用50、80、100、150至2000个并发用户规模
（4）基于Linux或Unix操作系统，独立软件，兼容各种局域网平台。
2．广域网环境：
说明：
1.通过IP设置及页面定制，与远程教育网站进行无缝连接；
2.最低限度地支持拔号用户使用；
3.基于Linux或SunSoloria二种平台，单台服务器分别支持最大课堂规模150人，500人，2000人。
4.分布式平台，通过服务器群联结扩大规模。
五、技术构成
1．WebClass技术性能
系统性能
支持的行业标准：
IMPP，XML,H.323,T.120;
独创的HTTP隧道协议，不需打开80以外的防火墙端口；
独特的矢量成像技术，共享文档可多级缩放，占用的带宽资源少；
分布式平台技术，保证容量的可扩展性；
支持不同平台用户的实时交流，
课堂角色分明，保证上课的正常秩序；
可定制的页面，将所有功能整合进客户自己的网站；
自下载用户端插件，无需安装；
产品性能
软硬件一体化系统，即插即用，不受客户平台限制；
支持多个并发会议；
安全性能
上课者密码认证；
课堂上的权限管理；
不公开课堂；
课堂锁定/开锁；
课堂驱逐功能；
数据经特殊编码处理，快速文本传送；
共享文件不需要上传储存在服务器上；
支持SSL128位加密
客户不需改变网络原来的安全层
服务器端要求
并发用户规模
服务器配置
<150人
One3IN1LinuxServer
150－500人
OneSolarisDBServer+3LinuxServer
>500人
TwoSolarisDBServer+6LinuxServer
用户端要求
硬件
Pentium42.4
操作平台
Windows2000以上，Uinx,Linux,Mac
内存
256MB以上
摄像头
标准的USB摄像头
声卡
普通声卡
浏览器
IE5.0或Netscape4以上
网络
连接速率大于或等于64Kbps
网络响应时间
小于200MS
2．技术特点：
作为面向互联网用户提供远程教育服务的平台，WebClass所采用的WebEx技术，具有世界领先水平。
该技术自1999年面世以来，曾多次获得专业机构和专业媒体所颁发的奖项，并在基于Web的实时协作专项技术领域，拥有多项专利。
诺贝尔奖得主ArnoPenzias和NCSA的LarrySmarr曾高度评价“WebEx为互联网创造了一个独特的互动环境，它集成了传统的音频和视频通信，同时还具备目前世界上最先进的实时数据交换能力”。
下面总结了WebClass所采用的技术，在信息交换通讯服务上与那些基于流媒体或存储技术的产品的不同之处。
1.基于互联网技术的实时多媒体交互系统
WebClass所采用的互动平台技术，从底层到集成了的声音、视频和数据交互通讯，都是完全基于Web技术的。
这意味着它与视频会议技术相比，有二个特别的优势：
一是WebClass的用户端软件，只要一次性地自动下载到用户本地机，不需要用户自己进行任何安装操作。
其次，WebClass提供可穿透现有WebSite的防火墙的服务，既便是传送音视频信息，也不需要对提供教育服务的网站进行特别的防火墙设置。
在以Internet为平台提供实时多媒体交互服务的产品中，大部分产品可以做到演示共享和页面导航，有的使用抓屏技术也可以提供应用程序共享。
但是大多数软件供应商不能提供如远程控制和视频共享功能，因为如果要实现这些功能，这些软件必须要求客户修改防火墙，从而影响客户网络的安全性。
而WebClass所采用的平台技术，建立了一种被称为HTTP隧道协议，对被传输的数据进行了特别的压缩，使不同协议携带的数据通过一个标准的浏览器连接就能被安全地传递。
也就是说，WebClass课堂的内容是通过端口80传送的，因此用户只需要在防火墙上打开端口80，而不必打开其他任何端口。
2.可共享任何可打印的文件
在WebClass的课堂中，可共享所有可打印的文件，包括CAD草图、蓝图、网络工程图等等。
WebClass所采用的矢量成像技术能保证共享的演示和文档具有高保真的清晰度，原文件和字体和颜色都不会改变。
WebClass还能调整图象的尺寸来自动适应不同尺寸的屏幕。
也就是说，当一个演示文档满屏播放时，所接入的终端无论是笔记本电脑还是用17寸的显示器，所看到的都是满屏显示的文档。
3.高分辨率、低带宽需求、满屏共享并任意缩放Powerpoint和其他格式文件
WebClass所采用的矢量成像技术，不仅使共享的文档能满屏显示，并任意缩放（从25%－400%），而不损失图象质量和清晰度。
矢量成像的另一个好处是传输图像时对带宽的要求非常低。
而采用位图技术的产品，不能保证图像还原的质量，因此多数产品不能提供图像满屏和缩放功能。
此外位图技术对带宽资源的要求也非常高。
4.完全互动的、跨平台的的应用程序共享和文件传递
与基于抓屏技术的应用程序共享不同，WebClass给用户真正的程序共享和协作能力。
例如，老师可以让学生共享他所做的课件，而不需要学生终端里安装了该课件。
如果老师所做的是一个交互性课件，只要在课件共享过程中，把控制权交给学生，该学生就可以远程进行课件操作，或者进行远程共同制作课件的活动。
而老师还可以利用WebClass的文件传递功能，把课堂上做好的课件传送给所有的学生。
5.主持人和讲课人角色的可转授功能
在WebClass课堂上，讲课人的权限不必在开始上课之前指定，课堂里的所有人都有可能随时被指派为讲课人。
这个步骤，只要点击一下鼠标就可以完成，这特别适用于那些答疑课或小组进行协作式学习的课程。
6.高度安全的实时、瞬时数据交换
WebClass所采用的互动平台，具有独特的信息转换通信机制。
讲课人不必提前将其讲义上传至WebClass的服务器，客户端软件会在讲课人的终端里将这些演示文档转换成矢量图像格式，然后发布到所有参会者的系统中，并在那里还原。
WebClass的服务器并不存储任何文件，所有数据都是实时地传送和交换的。
这种方式不仅提高了课堂的实时性和灵活性，而且作为一种商业性服务，具有更高的安全性。
7.低成本、与防火墙兼容的实时视频传送。
在WebClass的实时课堂中，用户通过一个便宜的桌面摄像头，便可以共享实时视频。
这使得普通学生也能承受购置摄像头的成本，在课堂上达到与现实课堂一样“面对面”交流的效果。
8.真正地基于浏览器的网页导航功能
WebClass提供真正的网页导航功能。
讲课人可以引导听课人到任何网站进行相关内容的浏览，还可以与其他人共享网页浏览的控制权。
而且，如果讲课人不启用共享控制功能，则听课人只能被动地跟着讲课人走，无法离开。
这种方法的优点在于，讲课人在展示Internet或Intranet相关内容时，不必担心听课人会自行其道，分心浏览其他内容。
9.基于T120，完全可升级分布的网络和平台
WebClass所采用的交互技术是基于T120标准开发的，它提供高度可靠的、电信级的、类似于电话交换机的数据交换功能。
T120是一套适于实时多点数据通信的网络协议标准。
除了协作功能外，T120标准还能实现更多的能力，如数据集成、网络透明度、平台独立性、网络独立性和可升级能力等。
10．基于PHP、XML的应用程序开发接口，支持按客户需求的个性化定制和二次开发
WebClass提供基于PHP和XML二种应用程序开发接口，可以为客户定制需要的功能，也可以在短时间内，根据客户需求，开发更加独特的、基于WebClass实时课堂的应用产品。
3．协议标准
●H.323是一种IP多播协议。
H.323：
该标准被设计用来支持和提高基于IP的音视频解决方案的协同工作能力。
是国际电信联盟（ITU）设立的又一个音频和视频通信标准。
WebClass支持该项标准，从而实现了对音、视频通信而言非常关键的一系列功能，并保证了不同解决方案的兼容性。
●T.120等是用于数据和图形会议的国际标准。
T.120–是一套实时多点数据通信的网络协议标准。
T.120是ITU制定的另一项非常重要的行业规范。
除了协同工作能力外，该标准还能确保：
数据的完整性、网络透明度、平台的独立性、网络的独立性和可升级性。
●IMPP是一个即时通讯协议。
实时信息访问协议
即时信息发送和显示协议（IMPP）：
许多致力于开发基于互联网的通讯技术的公司正一起努力开发IMPP，其中包括Microsoft、LotusNotes、WebEx等。
不久，该标准将获得IETF（InternetEngineeringTaskForce）认可，客户可用它来与“即时消息”服务器进行交互。
●XMLeXtensibleMarkupLanguage扩展标记语言
XML：
XML语言是一种数据交换格式，是万维网协会（W3C）管理的标准协议，允许在不同的系统或应用程序间交换数据，并可将数据与外观分离，因而相同的XML数据可通过使用不同的外观文件以多种方式显示，XML语言是一组用于设计数据格式和结构的规则和方法，它易于生成便于不同计算机和应用程序读取的文件。
在国家制定的现代远程教育技术规范（DLTS）V1.0版中，明确的提出了，DLTS-4基于规则的XML绑定技术的指导规范。
WebClass采用该标准为接入底层功能提供了高级应用程序接口。
4．API应用程序接口功能
假设我们已经应用了某非实时的培训平台，该“培训平台”如何与WebClass实时交互平台对接呢？
“培训平台”调用WebClass提供的API接口，可以方便的访问和操作WebClass系统数据，而WebClass系统无需访问“培训平台”系统数据。
图：
“培训平台”系统访问和操作WebClass系统数据。
WebClass提供XMLAPI和PHPAPI两种接口：
WebClass提供的XMLAPI接口，使得用户可以通过JDBC连接到WebClassServer的数据库，完成以下功能：
创建WebClass用户，修改用户、删除用户和取用户信息；创建课程，修改课程，删除课程和取课程信息；取得课程计时数据；取得课程在线用户列表。
WebClass提供的XMLAPI接口安装在“培训平台”WebLogicServer上。
用户调用WebClass提供的PHPAPI接口可以开始课程和参加课程，PHPAPI安装在WebClassServer上。
六．系统配置及报价
（单位：
人民币元）
名称及说明
型号
数量
分销商结算价
WebClass专用服务器
特制机架式系统
1台
操作系统（Linux）
1套
Webclass多媒体实时课堂
1套
Userlicenses
80
支持软件
Redhat7.0
MySQL
Apache
各
1
套
总计：
附件一带宽需求测试报告
影响网络流量的因素
WebClass产生的数据流依赖于文件大小，执行交互的程度，共享程序中图形的大小及内容的多少，是否有声音，是否使用视频及视频的尺寸大小及更新频率等。
WebClass只在产生交互时，比如更新信息时，才会产生网络流量。
另外，如果没有交互发生——比果，一个人只是静静的看屏幕，这样就不产生网络流量。
当强列的交互发生时，网络流量的间歇性的发生，当没有交互时，网络流量又变回很低的状态。
它的这种方式与标准的网络传送文件很相似。
一、WebClass测试者的环境
●1名教师，4名学生
●WebClass
●WebClassServer运行在一台RedHatLinux，1000MB网卡，1024MB内存的服务器上。
●每个与会者都使用WIN2000，100MB网卡，256MB内存。
●所有计算机都在同一个局网内。
二、网络流量测量
WebClass服务器用RedHatLinux平台，所有的交互活动都被送到WebClass服务器并以广播的方式发送到其它的客户端。
因此局网的网络流量可以用单个的流量乘以用户数的方式推断出来。
三、网络流量总结
#
测试项目
平均值（KB/s）
最大值（KB/s）
1
空闲的课程
0.5
2.1
2
聊天
0.9
3.4
3
PowerPoint演示（42页）
26.1
281.4
4
文件共享（37页）
4.0
45.9
5
应用程序共享（PowerPoint）
8.5
66.7
6
应用程序共享（Word）
3.1
19.3
7
视频广播（320x240点,60帧/分）
12.7
14.1
四、测试各阶段说明
1、空闲课程
这个课程已经开始，但还没有人加入。
除了一些网络正常传送所用到的流量外，网络量流实际上是0。
聊天
在这个测试中，5个人不断的执行聊天功能。
参与聊天人的数量支接影响网络流量。
现在网络流量达到了0.9KB/s。
PowerPoint演示（42页）
这个阶段选了一个42页的PowerPoint文件，实际上，这个文件打印以及送到与会者面前总共用了50秒。
在介绍过程中，这个初始化过程是网络流量最差的时候。
经过一个短暂的休息，网络流量又回到最小，即使在页与页之间切换网络流量也停留在这一水平上。
文件
升级会员 