Система дистанционного обучения в режиме реального

СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ В РЕЖИМЕ
РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
Алексей Николаевич Царьков, Президент - Председатель Правления МОУ «ИИФ,
Президент НОУ ВПО «ИИТУ», Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических
наук, профессор;
Игорь Александрович Бугаков, Вице-президент МОУ «ИИФ» по инновационным
проектам, ректор НОУ ВПО «ИИТУ», Заслуженный изобретатель РФ, доктор
технических наук, профессор;
Александр Михайлович Вальваков, доктор технических наук, профессор;
Владимир Михайлович Ванюшин, Заслуженный работник связи РФ, доктор
технических наук, профессор;
Петр Иванович Медведев, первый проректор НОУ ВПО «ИИТУ», доцент;
Максим Эдуардович Лобанов, инженер-программист НОУ ВПО «ИИТУ»;
Андрей Владимирович Полончиков, заместитель начальника отдела по техническому
обеспечению МОУ «ИИФ»
Система дистанционного обучения в режиме реального времени с обратной связью
относится к области автоматизированных систем обучения и может быть использована для
проведения обучающих интернет-видеотрансляций с обратной связью между ее территориальнораспределенными участниками в режиме реального времени и различного рода централизованных
массовых онлайн-мероприятий, рассчитанных на целевую аудиторию.
Актуальность данной системы состоит в том, что предлагаемая система дистанционного
обучения в режиме реального времени с обратной связью позволяет одновременно и
централизованно проводить обучающие занятия различной видовой принадлежности в
территориально-распределенных аудиториях и увеличивает численность обучающихся за счет
реализации минимально достаточной обратной связи с обучающимися и ее автоматизации, тем
самым решается задача доступности образовательных услуг для максимально возможного круга лиц
с использованием сети Интернет.
Таким образом, за счет одновременного проведения обучающих занятий в территориальнораспределенных аудиториях в нескольких учебных заведениях и использования эффективного
механизма реализации обратной связи обучающихся с обучающим, увеличивается общее число
обучающихся, одновременно получающих знания в различных областях профессиональной
деятельности, а за счет использования управляемой поворотной камеры с изменяющимся фокусным
расстоянием расширяется видовой спектр предлагаемых обучающих занятий и усиливается «эффект
присутствия» у обучающихся.
1. Общая схема системы. Состав и связи. Ее описание.
Система дистанционного обучения в режиме реального времени с обратной связью есть
совокупность технических и программных средств, человеческих ресурсов, объединѐнных между
собой каналами связи, направленная на обеспечение непрерывного и качественного обеспечения
трансляции аудио- видеопотоков в режиме реального времени на оконечные устройства.
В частном случае система содержит следующие структурные элементы (см. рисунок 2):
- стационарные и поворотные сетевые видеокамеры с оптическим зумом;
- аудиооборудование (беспроводные микрофоны, петличные микрофоны, микрофонный пассивный
сплиттер, микрофонный предусилитель, микрофонный микшер);
- АРМ оператора видеотрансляции с программным обеспечением для микширования видеопотоков
(при использовании более чем одной сетевой видеокамеры);
- АРМ докладчика;
- АРМ оператора обратной связи;
- проектор;
- интерактивная доска;
- сервер с программным обеспечением для потокового вещания аудио- видеоинформации в режиме
реального времени;
- сервер для хранения оффлайн-версий видеотрансляций;
- веб-сервер для регистрации и авторизации участников видеотрансляций с интерфейсом приема
видеотрансляций в режиме реального времени;
- удаленные клиентские рабочие места для приема видеотрансляций (как правило, компьютер с
предустановленным браузером).
2. Описание функционирования системы дистанционного обучения в режиме реального
времени с обратной связью
Обобщенная схема функционирования системы дистанционного обучения в режиме реального
времени с обратной связью представлена на рисунке 1.
Система дистанционного обучения в режиме реального времени с обратной связью в общем
случае включает N территориально-распределенных аудиторий для проведения видеотрансляций, M
мест приема видеотрансляций
и программно-аппаратный комплекс потокового вещания,
обеспечивающий трансляцию видеопотоков на M мест приема видеотрансляций. Взаимодействие
элементов системы осуществляется посредством глобальной сети Internet или в рамках городской
вычислительной сети (MAN).
В аудиториях
размещены, как минимум, 2 сетевые видеокамеры, соответствующее
аудиооборудование, интерактивная доска, проектор, рабочие места оператора видеотрансляции,
оператора обратной связи и докладчика (рисунок 2,3).
Сетевые видеокамеры могут быть стационарными и поворотными с оптическим зумом и
изменяемым углом наклона и положением, с фиксированным или вариофокальным объективом.
Видеокамеры должны быть оснащены встроенным микрофоном или соответствующим аудиовходом
для подключения внешнего микрофона. Для проведения видеотрансляции используются проводные и
беспроводные микрофоны. Все микрофоны подключаются в микрофонный микшер, при этом для
лучшей звукопередачи сигнал с микрофонов предварительно усиливается при помощи микрофонного
предусилителя. После чего усиленный сигнал с микрофонного микшера передается на активный
микрофонный сплиттер и разделяется на аудиовходы сетевых видеокамер.
Сжатые видеопотоки со звуком с каждой сетевой видеокамеры передаются по локальной сети и
затем обрабатываются на АРМ оператора видеотрансляции при помощи специализированного
программного обеспечения (программного видеомикшера), которое позволяет оператору
видеотрансляции переключаться между видеокамерами в процессе видеотрансляции, формируя
единый смешанный поток, а также управлять поворотной сетевой видеокамерой.
Изображение с АРМ докладчика передается на проектор и отображается на интерактивной
доске. Сам докладчик и интерактивная доска находятся в поле зрения сетевой камеры 1. Докладчик в
процессе видеотрансляции должен использовать микрофон, как правило, беспроводной. При помощи
интерактивной доски докладчик имеет возможность управлять презентацией, запускать приложения,
файлы и т.д., при этом «рабочий стол» АРМ докладчика в полноэкранном режиме по локальной сети
в режиме реального транслируется на АРМ оператора видеотрансляции и оператор имеет
возможность при необходимости включить изображении с АРМ докладчика в видеотрансляцию,
например, при представлении докладчиком презентации.
Поворотная сетевая видеокамера 2 направлена на аудиторию и позволяет видеть слушателей
находящихся в ней с разных ракурсов, акцентируя внимание на задающих вопросы докладчику или
участвующих в дискуссии людей. Как правило, при проведении семинаров, когда число
одновременно выступающих превышает двух целесообразно использовать всенаправленные
конденсаторные микрофоны.
АРМ оператора обратной связи необходим для принятия и автоматизированной обработки
вопросов от участников видеотрансляции при помощи соответствующего программного обеспечения,
интегрированного в электронную почту, с последующей отправкой на АРМ докладчика, для
обеспечения связи между участниками видеотрансляции и для информационной рассылки до и после
видеотрансляции. Оператор обратной связи оперативно реагирует на возникающие технические
проблемы на стороне приема видеотрансляции и дистанционно их решает. Взаимодействие оператора
обратной связи с участниками видеотрансляции происходит посредством сети Internet.
Центральным звеном системы является программно-аппаратный комплекс для потокового
вещания, который состоит из сервера потокового вещания, сервера для хранения оффлайн-версий
видеотрансляций и веб-сервера.
Смешанный поток с заданным разрешением и битрейтом, обработанный при помощи
программного видеомикшера на АРМ оператора видеотрансляции, передаѐтся на сервер потокового
вещания и сервер для хранения оффлайн-версий видеотрансляций.
На сервере для хранения оффлайн-версий видеотрансляций происходит запись
потоков
видеотрансляций с формированием конечных файлов, доступных через веб-сервер для просмотра в
оффлайн-режиме и последующего скачивания авторизированными пользователями.
Веб-сервер через специализированный интерфейс принимает запросы на авторизацию
участников видеотрансляций, запросы на просмотр видеотрансляций в режиме реального времени, на
просмотр в оффлайн-режиме и скачивание.
При поступлении запросов на просмотр видеотрансляций в режиме реального времени вебсервер обращается к серверу потокового вещания, который ретранслирует заданные потоки в режиме
реального времени для K клиентских рабочих мест.
Место приема видеотрансляции М состоит из K клиентских рабочих мест, при этом клиентское
рабочее место может представлять собой как единичное АРМ для одного участника (или мобильные
устройство: смартфон, планшетный компьютер и т.д.), так и аудиторию для большого количества
участников со специализированным оборудованием для коллективного просмотра.
Просмотр видеотрансляции в режиме реального времени с клиентского рабочего места
осуществляется через специализированный интерфейс веб-сервера
посредством одного из
распространѐнных браузеров с поддержкой Flash-технологии и глобальной сети Internet (или MAN)
после предварительной авторизации. Обратная связь осуществляется через сеть Internet через АРМ
оператора обратной связи: участники могут задавать вопросы докладчикам и получать ответы в
режиме реального времени, а операторы обратной связи оперативно оказывать консультации
участникам.
3. Преимущества использования системы дистанционного обучения в режиме реального
времени с обратной связью
- одновременное проведение интернет-видеотрансляций в территориально-распределенных
аудиториях;
- низкие требования к пропускной способности сети на стороне приема видеотрансляции за счет
использования эффективных алгоритмов сжатия видеопотоков;
- присутствие программного механизма обратной связи, интегрированного с электронной почтой,
оператора обратной связи, обеспечивающих прием и отображение вопросов к докладчикам в режиме
реального времени, возможность двухсторонней связи участников друг с другом, реагирование на
технические проблемы, возникающие в процессе видеотрансляции и дистанционное их решение;
- для приема видеотрансляций на клиентской стороне достаточно одного из распространѐнных
браузеров и доступа в сеть Internet без необходимости использовать сложное в установке и настройке
оборудование и программное обеспечение;
- возможность для докладчиков использовать в процессе видеотрансляции любой дополнительный
аудио- видеоматериал, демонстрировать слайды презентаций, файлы, изображения, отображать
«рабочий стол» компьютера и т.д.
- использование стационарных и скоростных поворотных видеокамер позволяет усилить «эффект
присутствия» у зрителя, демонстрируя происходящее с разных ракурсов
4. Опыт применения и перспективы развития системы дистанционного обучения в режиме
реального времени с обратной связью
Система дистанционного обучения в режиме реального времени с обратной связью впервые
была успешно апробирована в 2013 году. В последующем на базе данной системы проводились
онлайн-мероприятия различной тематики среди школ Московской области, система была внедрена в
Инновационном центре дополнительного образования "Развитие-21 век" при НОУ ВПО «Институт
информационных технологий и управления», г. Серпухов.
В перспективе планируется техническое усовершенствование системы, реализация на ее основе
платного сервиса по предоставлению услуг образовательным организациям среднего и высшего
профессионального образования в организации интернет-видеотрансляций для дистанционного
обучения и других аспектах образовательной деятельности.
Аудитория проведения видеотрансляции 1
Программно-аппаратный комплекс
потокового вещания
…
Аудитория проведения видеотрансляции N
Internet
(MAN)
Место приема видеотрансляции 1
…
Место приема видеотрансляции M
Рисунок 1. Схема (обобщенная) функционирования системы проведения интернет-видеотрансляций с обратной связью в режиме реального
времени
Программно-аппаратный комплекс потокового
вещания
Аудитория проведения видеотрансляции N
Сетевая видеокамера 1
канал связи
АРМ оператора
видеотрансляции
канал связи
канал связи
канал связи
АРМ оператора
обратной связи
канал связи
канал связи
Сервер для
хранения оффлайнверсий
видеотрансляций
Проектор
канал связи
канал связи
АРМ докладчика
Аудиооборудование
канал связи
вещания
канал связи
Поворотная сетевая
видеокамера 2
Сервер потокового
канал связи
Веб-сервер
канал связи
…
Интерактивная доска
…
канал связи
(MAN)
канал связи
Клиентское рабочее
место 1 для приема
видеотрансляции
канал связи
Internet
…
канал связи
Клиентское рабочее
место K для приема
видеотрансляции
Место приема видеотрансляции M
Рисунок 2. Схема функционирования системы проведения интернет-видеотрансляций с обратной связью в режиме реального времени
Рисунок 3. Схема размещения оборудования в аудитории проведения интернет-видеотрансляции
Места для слушателей
Проектор
АРМ
оператора
обратной
связи
АРМ
оператора
видеотрансл
яции
АРМ
докладчика
Интерактивная доска
Поворотная
сетевая камера 2
Сетевая камера 1