Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ феномена дистанционной лекции: от технологий видеоконференцсвязи до пользовательских требований 15
1.1 Возможности видеокоммуникаций для целей обучения 15
1.2 Современные технологии и системы видеоконференцсвязи 16
1.3 Обзор существующих систем дистанционного чтения лекций 23
1.4 Пользовательские требования к системам дистанционного чтения лекций и их сравнительный анализ 25
Выводы главы 29
Глава 2. Модель информационных процессов обучения с использованием дистанционных лекций, мультимедиа лекция как ресурс особого типа 30
2.1 Фазы организации обучения с использованием дистанционных лекций 30
2.2 Модель информационных процессов фазы проведения лекции 31
2.3 Модель информационных процессов фазы подготовки лекции 35
2.4 Модель информационных процессов фазы повторного использования 39
2.5 Мультимедиа лекция как ресурс особого типа 41
Выводы главы 44
Глава 3. Архитектура системы и модель взаимодействия участников дистанционной лекции 46
3.1 Общие принципы архитектурного решения 46
3.2 Архитектура системы 47
3.3 Модель взаимодействия участников лекционного процесса 50
3.4 Техника представления учебных материалов через команды управления 53
3.5 Интеграция видеоконференцсвязи на основе отделяемого модуля 55
3.6 Организация подсистемы записи-воспроизведения 57
3.7 Профиль стандартов, спецификаций и рекомендаций 60
Выводы главы 62
Глава 4. Инфологическая модель системы хранения и передачи мультимедиа лекций 65
4.1 Система управления учебными материалами как основная часть системы дистанционного чтения лекций 65
4.2 Термины постреляционных систем. понятия класс, элемент, атрибут, типы атрибутов 66
4.3 Модель данных хранения и представления учебных материалов 68
4.4 Модель данных редактирования учебных материалов 73
4.5 Модель данных процесса чтения лекции 74
4.6 Модель данных повторного использования 77
4.7 Модель данных модерирования учебных курсов 78
4.8 Модель данных администрирования системы 81
4.9 Расширяемость модели 83
Глава 5. Разработка, отладка и тестирование системы организации дистанционных лекций «Мультимедиа лекторий» 84
5.1 Общие принципы построения системы 84
5.2 Построение системы управления учебными материалами на базе Лемма 85
5.3 Разработка компоненты видеоконференцсвязи на платформе ConferenceXP 91
5.4 Типовой ряд полиморфных демонстрационных объектов и возможности его расширения 96
5.5 Реализация подсистемы записи-воспроизведения дистанционных лекций 101
5.6 Реализация подсистемы конвертации лекций мультимедиа лектория на локальные носители 105
5.7 Реализация подсистемы конвертации лекций мультимедиа лектория в веб-ориентированные форматы для просмотра через веб-браузер 106
5.8 Отладка программного комплекса и достижение оптимальных параметров 109
5.9 Тестирование мультимедиа лектория в режимах Юникаст и Мультикаст 110
Выводы главы 112
Глава 6. Апробация 114
Заключение 117
Литература 121
Приложения 127
- Современные технологии и системы видеоконференцсвязи
- Организация подсистемы записи-воспроизведения
- Модель данных хранения и представления учебных материалов
- Разработка компоненты видеоконференцсвязи на платформе ConferenceXP
Введение к работе
Актуальность работы. Современное развитие технологий и программных средств организации видеоконференций делает возможным их практическое применение в образовательных целях [1, 2]. Однако до недавнего времени не существовало систем поддержки видеоконференций, которые бы в должной мере учитывали особенности образовательного процесса. В связи с этим в последние несколько лет появилась серия разработок, адаптирующих универсальные системы и технологии видеоконференцсвязи для проведения дистанционных занятий в форме лекции. Основная функциональность большинства таких систем (Adobe Connect, Amvo.Net, ConferenceXP, GWOTS и т.п.) заключается в возможности сопровождения сеанса видеоконференцсвязи синхронизированным рядом демонстраций и рисованием на доске. Многие важные моменты лекционной деятельности при этом остаются за чертой рассмотрения, в т.ч. организация подготовки, хранения и переиспользования демонстрационного ряда лекции, использование нестандартных типов демонстраций и связанных с ними инструментов, организация обратной связи с аудиторией, включая контроль успеваемости слушателей, преобразование записанной дистанционной лекции в самостоятельное электронное средство обучения.
Такое положение дел связано, в основном, с отсутствием в настоящий момент единого понимания того, что представляет собой дистанционная лекция и какой функциональностью должна обладать специализированная программная система организации дистанционной лекционной работы, а также существенной недооценкой роли средств организации и управления учебными материалами по сравнению со средствами видеоконференцсвязи.
Существующие в настоящее время системы дистанционного чтения лекций базируются, как правило, на системах организации видеоконференций, что не позволяет учесть специфику образовательного лекционного процесса и соответствовать требованиям, предъявляемым к организации лекционного процесса. Более перспективным является подход к построению систем организации дистанционного чтения лекций на базе систем управления обучением (включая управление учебным процессом и учебными материалами) с интеграцией в них средств видеоконференций. На базе такого подхода могут быть широко рассмотрены аспекты организации, подготовки, хранения и переиспользования демонстрационного ряда лекции; разнообразие и расширяемость типов демонстраций и связанных с ними инструментов; средства организации обратной связи; запись и предоставление последующего доступа к
материалам проведенной дистанционной лекции; преобразование записанной дистанционной лекции в самостоятельное электронное средство обучения.
Таким образом, представляется актуальным проведение анализа и выявление основных особенностей дистанционного лекционного процесса и разработка технологии построения прикладных систем электронного обучения, предназначенных для ведения дистанционной лекционной деятельности, рассматривая их как информационные системы особого рода.
Целью работы является анализ и выявление основных особенностей феномена дистанционной лекции как информационного процесса, разработка структур и форматов данных для хранения и представления «Мультимедиа лекций» - самостоятельных информационных ресурсов, представляющих мультимедийный учебный контент лекционного характера:
Анализ существующих решений и технологий, применяемых в дистанционной лекционной работе, определение основных пользовательских требований к структурам данных и системам, обеспечивающим управление лекционными процессами. Построение схемы информационных объектов и процессов, имеющихся в дистанционной лекционной работе, и разработка структуры данных «Мультимедиа лекции» как самостоятельного информационно-образовательного ресурса нового типа.
Проектирование архитектуры управления основными информационными процессами дистанционной лекционной работы, обеспечивающей взаимодействие участников дистанционного лекционного процесса как пользователей системы в соответствии с их ролями и техническими возможностями. Разработка профиля стандартов для хранения и передачи «Мультимедиа лекций».
Разработка концептуальной схемы данных информационной системы, осуществляющей подготовку, хранение и представление «Мультимедиа лекций».
Разработка программной системы, обеспечивающей комплексное ведение дистанционной лекционной работы, и опытная эксплуатация системы в практике дистанционного обучения разных уровней образования.
Научная новизна
Предложен новый подход к построению программных комплексов поддержки дистанционной лекционной работы на основе
специализированной системы управления учебными материалами, сопряженной с системой организации видеоконференцсвязи. Создан новый тип образовательных ресурсов «Мультимедиа лекция», предназначенный для хранения и представления совокупности материалов и процессов дистанционной лекции.
Разработана оригинальная информационная модель дистанционной лекционной работы, комплексно описывающая стадии подготовки и проведения дистанционных лекций, а также их последующее преобразование в переиспользуемые электронные средства обучения. Спроектирован и реализован комплекс программного обеспечения «Мультимедиа лекторий», обеспечивающий построение прикладных информационных систем для дистанционной лекционной работы с рядом функций, впервые реализованных в системах организации образовательных видеоконференций.
Положения, выносимые на защиту
Структура информационных объектов и процессов системы дистанционной лекционной работы, схема данных информационного ресурса «Мультимедиа лекция», предназначенного для хранения и представления совокупности материалов и процессов дистанционной лекции.
Подход к построению и принципиальная архитектура программного комплекса поддержки дистанционной лекционной работы, обеспечивающая взаимодействие участников дистанционного лекционного процесса, а также профиль стандартов для хранения и передачи «Мультимедиа лекций».
Концептуальная модель информационной системы хранения и передачи
«Мультимедиа лекций», учитывающая стадии подготовки, проведения
лекций, а также их преобразования в многократно используемое
электронное средство обучения.
На основе предложенной информационной модели выполнена реализация
программного комплекса, позволившего подготавливать и проводить
дистанционные «Мультимедиа лекции», а также хранить их с возможностью
многократного использования.
Практическая ценность работы заключается в создании методологии построения информационно-коммуникационных систем для ведения дистанционной лекционной работы, а также в реализации конкретной информационно-коммуникационной системы дистанционного обучения
«Мультимедиа лекторий», обеспечивающей комплексное ведение дистанционной лекционной работы.
Результаты работы использованы при выполнении проектов Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (госконтракт ГК № П484 от 04.08.2009 г. по проблеме «Создание научно-технического задела, направленного на разработку новых, эффективных с позиций функциональности и безопасности, основанных на онтологиях, мультиагентных технологий управления распределенными разнородными информационными хранилищами и библиотеками информационных ресурсов» и госконтракт ГК № П2374 от 18 ноября 2009 г. по проблеме «Поисковые исследования и создание информационной системы по спектрам атомов и ионов для построения российского сегмента общеевропейского Виртуального центра атомных и молекулярных исследований (VAMDC)»); НИОКР по теме «Разработка мультимедиа лектория - системы дистанционного чтения лекций с интерактивным демонстрационным рядом» в рамках программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК») 2009-2011 гг.; научно-исследовательской работы «Дистанционный мультимедиа лекторий с поддержкой интерактивных демонстраций» по гранту Всероссийского открытого конкурса «Обучение молодежи новым технологиям», 2006-2007 гг.; проекта JointLab JEP-24025-2003 «Joint Europe-Siberia Distributed Lab of Scientific Multimedia Resources» программы TACIS-Tempus EC, 2004-2007 гг.; а также ряда проектов РФФИ (№ 08-07-00229-а, № 08-07-00306-а, № 02-07-90301-в) и (РГНФ №08-03-12127в, №05-04-12432в, №03-04-12042в).
Достоверность результатов научных исследований подтверждается работающей системой электронного обучения «Мультимедиа лекторий», обеспечивающей комплексное ведение дистанционной лекционной работы, используемой в учебном процессе Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного университета экономики и управления.
Научные и практические результаты, полученные при выполнении диссертационного исследования, внедрены в учебный процесс Новосибирского государственного университета и Института прикладной информатики Новосибирского государственного университета экономики и управления (имеется два акта о внедрении результатов диссертационного исследования, приложенных к диссертации).
Представление работы. Основные результаты и положения диссертации представлялись на следующих российских и международных конференциях: Конференция «EVA 2002» (Москва, 2002); Ежегодная международная
студенческая школа-семинар «Новые информационные технологии» (Украина, Судак, 2002, 2003, 2004, 2006); VIII Международная конференция по электронным публикациям «El-Pub 2003» (Новосибирск, 2003); Ежегодная международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2004, 2006); Научно-практическая конференция молодых ученых и студентов НГУ и ИАиЭ СО РАН (Новосибирск, 2006); VIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Новосибирск, 2007); Ежегодная конференция-конкурс работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Новосибирск, 2007, 2008); VII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2009); XIII Российская конференция «Распределённые информационные и вычислительные ресурсы DICR'2010» (Новосибирск, 2010); Всероссийский конкурс научных работ студентов и аспирантов «Телематика: телекоммуникации, веб-технологии, суперкомпьютинг» (Санкт-Петербург, 2010, 2011).
Также результаты и положения диссертации были представлены на рабочих семинарах российских и зарубежных научных организаций: Рабочий семинар объединенной Европейско-Сибирской расширенной лаборатории научных медиа-ресурсов (JointLab), 2й, Зй, 4й рабочие семинары (Новосибирск, 2005, 2007, Красноярск, 2006); семинар факультета информационных технологий и мультимедиа систем Лейпцигского университета прикладных наук (Германия, Лейпциг, 2006); Объединенный семинар ИВТ, КТИ ВТ и НГУ «Информационные технологии» (Новосибирск, октябрь 2007, март 2010, ноябрь 2010); семинар Центра новых информационных технологий НГУ (Новосибирск, 2008).
Результаты работы были награждены: дипломом I степени за лучшую научную работу, представленную на XII Международной студенческой школе-семинаре (2004); дипломом II степени за работу, представленную на Международную научную студенческую конференцию «Студент и научно-технический прогресс» (2004); грантом фонда «Новые перспективы» на Всероссийском открытом конкурсе «Обучение молодежи новым технологиям» (2006); дипломом I степени за участие в конференции-конкурсе «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (2007); грантом фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на конференции-конкурсе работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования» (2008).
Публикации. Основные научные результаты диссертации с достаточной полнотой изложены в 13 печатных работах, в их числе (в скобках в числителе указан общий объем этого типа публикаций, в знаменателе - объем, принадлежащий лично автору) 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации (2.0/1.5), 9 (0.6/0.5) - в трудах международных и российских конференций, один научно-технический отчет (1.5/1.5). Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610094.
Личный вклад автора. Основные научные и практические результаты диссертации получены автором лично. Из печатных работ, опубликованных соискателем в соавторстве, в диссертационную работу вошли только те результаты, которые содержат непосредственный личный вклад автора на всех этапах - от постановки задач и проектирования до разработки программного обеспечения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 128 страниц машинописного текста, включая 35 иллюстраций, 3 таблицы и библиографический список, включающий наименования 53 литературных источников.
Современные технологии и системы видеоконференцсвязи
Видеоконференцсвязь (ВКС) - телекоммуникационная технология, обеспечивающая организацию видеоконференций между двумя и более абонентами по сети передачи данных. Во время сеанса ВКС обеспечивается интерактивный обмен звуком и изображением. Также абоненты могут транслировать телеметрические данные, компьютерные данные, демонстрировать документы и объекты с использованием дополнительных видеокамер. Передача потока звука и видео по сети передачи данных обеспечивается путем кодирования/декодирования данных (аудио- и видеопотоков) с использованием стандартизованных аудио- и видео-кодеков.
На сегодняшний день видеоконференцсвязь достигла уровня, делающего доступным удаленное общение практически любому современному пользователю ПК. Так для осуществления обычной видеоконференции (Skype или Live Messenger) достаточно современного компьютера из низшего ценового диапазона (от 10 000 руб.), недорогой веб-камеры (порядка 1 000 руб.) и выхода в Интернет с шириной канала 1 Мбит/сек. На данный момент выход в Интернет доступен практически во всех населенных пунктах РФ (например, по технологии ADSL, предоставляемой телекоммуникационной компанией «Ростелеком» по телефонным линиям). Цена передачи видеокоммуникационных данных по Интернет в таком случае будет составлять не более одного рубля в минуту.
Канал шириной 1 Мбит/сек позволяет передавать видео размером 320x240 точек с частотой смены кадров 15 кадров в секунду в хорошем качестве. Поток видеоданных, передаваемых через Интернет, в таком случае будет сжат в 200 раз по сравнению с потоком, поступающим с веб-камеры, при этом потеря качества видеозаписи будет практически не заметна. Такой уровень сжатия достигается благодаря современным алгоритмам сжатия видео, разработанным в рамках стандартов MPEG.
Кроме того, в настоящий момент активно разрабатываются средства векторного кодирования видеоизображения человеческой фигуры. Алгоритм находит характерные точки на лице и туловище, и передает их местоположение через сетевой канал. На другом конце, с учетом этих точек алгоритм строит трехмерную фигуру человека и накладывает на нее специальным образом текстуру. С использованием такой технологии для удаленного общения требуется канал шириной около 10 Кбит/сек [18, 19, 20] для передачи видео и от 64 Кбит/сек для передачи звука. Таким образом, при наличии стандартного на сегодняшний день канала выхода в Интернет 10 Мбит/сек теоретически возможно организовать конференцию с сотней участников, общающихся одновременно.
Для передачи аудио- и видео- данных существует ряд протоколов разного уровня. Аудио- и видео- потоки требуют особого подхода для передачи по сетевым каналам так как они, с одной стороны, содержат очень большие объемы данных, с другой стороны, допускают незначительные потери и искажения данных при передаче. Так, на сегодняшний день, описаны такие протоколы, как RTP [21] - протокол реального времени (ConferenceXP), и основанные на RTP протоколы Н.323 [22] (NetMeeting) и SIP [23] (Windows Messenger).
При передаче одинаковых данных по сети нескольким пользователям обычным способом получается избыточный трафик со стороны сервера (рис. 1) - через сетевой канал отправляется множество потоков абсолютно одинаковых данных, по одному на каждого получателя. В результате, чем больше получателей, тем больше будет сетевой трафик на сервере. При использовании технологии группового вещания (мул ьти каст), сервер отсылает один набор данных на всех конечных пользователей, который идет по сети оптимальным способом и множится непосредственно перед ответвлением каждого пользователя от общего сегмента сети [24].
В настоящее время многие системы видеоконференцсвязи предоставляют возможность демонстрации слайдов PowerPoint в процессе чтения лекций. Таким образом, технически виртуальная конференция обладает инструментами, которые используются на реальной конференции, что позволяет проводить ее удаленно без ущерба информативности. Кроме того современные видеоконференции предоставляют возможность пользователям совместной работы с документами, например Excel или Word.
Вообще, системы видеоконференций можно условно разделить на 4 группы. Первая - комплексные аппаратно-программные системы. Это обычно аппаратно-программный коробочный продукт, подключающийся к IP сети и имеющий в комплекте все периферийные устройства - экран, видеокамера, микрофон и т.п., или предполагающий их дополнительное приобретение из узкого списка устройств, как правило того же производителя. Такой подход избавляет пользователя от поисков и проблем подключения качественных периферийных устройств. Такие системы обычно обладают средствами представления презентации, совместной работы с документами, рисования на доске. Аппаратно-программные комплексы позволяют одновременную видеоконференцсвязь большого количества пользователей и показывают хорошее качество связи на узких каналах в связи с эффективным сжатием и упаковкой аудио- и видео- данных в сетевые пакеты мощными аппаратными средствами.
Такие комплексы стоят по современным меркам довольно дорого для среднего вуза (для примера, средняя по техническим характеристикам система такого класса Polycom HDX 4001 стоит около 250 000 руб.). Кроме того, такие комплексы не имеют возможности адаптации программного обеспечения для целей вуза и тем более, для конкретного курса.
Вторая группа - программные системы. Это программные продукты, предназначенные для установки на персональный компьютер пользователя, использующие стандартные периферийные устройства: экран ПК, веб-камеру, компьютерный микрофон, компьютерные динамики или наушники.
Поскольку персональный компьютер не располагает аппаратными средствами кодирования аудио- и видео- потоков и не всегда располагает высокопроизводительными ресурсами, такие системы не могут задействовать ресурсоемкие эффективные алгоритмы сжатия данных, что отрицательно сказывается на качестве связи по сравнения с аппаратно-программными комплексами.
Программные системы видеоконференцсвязи могут быть коммерческими или свободно распространяемыми, иногда даже с открытым исходным кодом. По функциональности программного обеспечения такие системы во многом похожи на аппаратно-программные комплексы видеоконференций. Более того, такие системы часто выступают более дешевым аналогом аппаратного продукта того же производителя (например, приложение Polycom PVX 8.0.2 стоит около 5 000 руб., лицензия на один год стоит около 1 000 руб.)
Третья группа - веб-конференции, системы проведения конференций, построенные на веб-ориентированных платформах, и, обычно, не требующих установки специфического ПО. Такие системы предназначены, как правило, для отображения в браузере с применением таких технологий, как Adobe Flash, Silverlight, Java, ActiveX.
Адаптированные для веб, такие системы часто теряют некоторые свойства видеоконференций в связи с недостаточным взаимодействием веб-ориентированных платформ с прикладным интерфейсом программирования операционной системы (вследствие ограничений безопасности веб-контента или технических ограничений), а также в связи с недостаточной производительностью таких платформ. Становится невозможным использовать некоторые аппаратные возможности персональных компьютеров а также не хватает ресурсов для выполнения ресурсоемких алгоритмов.
Так, в основном, веб-конференции позволяют передавать аудио- и видео- трансляцию только одного участника конференции. Более того, в реальных условиях при проведении веб-конференции часто отключают видеотрансляцию, оставляя только звуковую коммуникацию. Некоторые системы веб-конференций могут включать в себя сеансы голосований и опросов, что обеспечивает некоторое взаимодействие между аудиторией и лектором. Учебные семинары, проводимые с помощью таких систем, часто называют вебинарами. Веб-конференции обычно имеют средства трансляции слайдов презентаций, доску для рисования, но не могут обеспечить совместную работу с документами.
Организация подсистемы записи-воспроизведения
Важным элементом программного комплекса организации дистанционной лекционной работы является подсистема записи и воспроизведения проводимых дистанционных лекций, обеспечивающая полную синхронизацию аудио-видео потоков с динамикой демонстрационного ряда.
В настоящее время некоторые системы видеоконференцсвязи, в том числе используемые для дистанционного чтения лекций, предоставляют возможность сохранения проведенного сеанса видеоконференции. Как правило, такие системы записывают всю видеоконференцию в один большой видеофайл вместе с демонстрационными материалами. Такой подход не подходит для записи онлайн лекций в разрабатываемой системе, поскольку пользователь сохраненной лекции теряет возможность взаимодействовать с объектами учебного материала, которые в онлайн лекции были интерактивными [39].
Выделим основные требования к подсистеме записи лекций системы.
Во-первых, подсистема записи должна сохранять аудио/видео потоки данных лектора и слушателей, задавших видео-вопросы.
Во-вторых, подсистема записи должна отдельным потоком сохранять данные, необходимые для передачи демонстрационного учебного контента, -команды управления демонстрациями.
В-третьих, подсистема записи должна сохранять данные таким образом, чтобы обеспечить синхронизацию аудио-, видео- потоков и команд управления демонстрациями.
В-четвертых, при воспроизведении записанной лекции у пользователя должна быть возможность интерактивно взаимодействовать с демонстрационным контеном так же, как и при участии в онлайн лекции. В том числе, у пользователя должна быть возможность пройти экспресс-тестирование и узнать свой результат. Неизбежным ограничением функциональности является невозможность задать видео-вопрос лектору. Однако пользователь сможет задать вопрос в специальном форуме.
В-пятых, должна быть возможность проиграть записанную лекцию, используя представляемую систему организации дистанционных лекций. Также желательно наличие дополнительных возможностей распространения лекции - запись на CD-ROM и в веб-совместимом формате.
Спроектируем принципиальную архитектуру подсистемы записи/воспроизведения и ее взаимодействие с остальными компонентами системы.
Основной идеей предлагаемой архитектуры является использование одного или нескольких серверов записи на отдельных серверах, рассматриваемые с точки зрения архитектуры управления системы, как клиентские приложения слушателей особого рода. Таким образом, при записи лекции, сервер записи/воспроизведения подключается к онлайн лекции стандартным способом, как слушатель, получает общие аудио-, видео- потоки и команды управления демонстрациями общим способом. При воспроизведении лекции сервер выступает в роли лектора и передает потоки данных общим способом всем слушателям.
Далее, рассмотрим внутреннюю архитектуру самого приложения воспроизведения/записи (рис. 16). Так же, как и клиентское приложение участника лекции, сервис записи содержит модуль видеоконференцсвязи. Однако вместо окна демонстрации модуль управления сервиса отправляет необработанные потоки данных в модуль сохранения/воспроизведения данных из БД, который сохраняет потоки в специальных таблицах базы данных системы управления учебными материалами.
При воспроизведении модуль извлекает данные из базы системы управления учебными материалами и передает через модуль управления в модуль видеоконференцсвязи. Модуль видеоконференцсвязи транслирует полученные потоки в сеть таким же образом, как клиентские приложения участников дистанционной лекции.
Модель данных хранения и представления учебных материалов
Приведем краткое описание части модели, относящейся к демонстрационному ряду, создаваемому автором лекции, и приведенной на рис. 17.
Лекторий - корневой класс, объединяющий всю систему. Класс Лекторий представляет основной веб-интерфейс ресурса. Основной интерфейс содержит в себе титульную страницы, меню, навигацию, новостную систему и переходы на разделы, отвечающие непосредственно за подготовку, чтение и прослушивание лекций.
Демонстрационный ряд - класс, реализующий заготовку для чтения (сценарий) лекции. Сценарий лекции представляет собой упорядоченный набор слайдов и тестов, используемый для предоставления демонстрационных материалов в процессе чтения лекции. У демонстрационного ряда предусмотрен атрибут «Заголовок» типа STRING, методы «Отобразить список слайдов», «Перейти к следующему слайду», «Перейти к предыдущему слайду», «Перейти к заданному слайду». Демонстрационный ряд связан с классами слайд и тест.
Слайд - некоторая единица демонстрации, предназначенный для отображения учебных материалов параллельно изображению лектора. Слайд может содержать как статические элементы - текст, картинки, так и динамические - флэш-ролики, видео и т.п. Кроме того, слайд может быть интерактивным, то есть изменять свое состояние в ответ на действия лектора. Способы отображения слайда на страничке являются методами класса «Слайд».
Слайд - абстрактный класс, который должен быть реализован одним из типизированных слайдов. Класс «Слайд» содержит атрибут «Заголовок» типа STRING, абстрактный полиморфный метод «Показать слайд», методы, реализующие инструмент «Лекторская доска»: «Включить режим рисования», «Нарисовать линию», «Очистить доску».
Абстрактный класс «Слайд» реализован тремя основными типизированными слайдами - слайд «Текст с изображениями», слайд «Векторная графика», слайд «Видеоролик».
Слайд «Текст с изображениями» содержит форматированный текст (на языке разметки, совместимом с XML, например XHTML, SVG, Silverlight и т.п.) с растровыми изображениями и предоставляет инструменты для форматирования текста налету, такие как выделение фрагмента текста жирным, цветом или маркером, а также лекторскую доску, унаследованную от класса «Слайд». Вставленные в текст изображения хранятся в специальном пуле и прикрепляются к слайду автором лекции. Таким образом, класс «Слайд «Текст с графикой» содержит унаследованный от класса «Слайд» атрибут «Заголовок» типа STRING и представляет атрибут «Содержимое» типа ХМЕМО. Данный класс наследует методы работы с лекторской доской, реализует абстрактный метод базового класса «Показать слайд», представляет методы работы с форматированным текстом: «Выделить жирным», «Выделить цветом», «Выделить маркером».
Слайд «Векторная графика» содержит векторное изображение (на языке разметки, совместимом с XML, например XHTML, SVG, Silverlight и т.п.) и предоставляет инструменты трансформирования изображения налету, такие как поворот изображения на некоторый угол, масштабирование изображения, позиционирование на слайде, а также лекторскую доску, унаследованную от класса «Слайд». Само векторное изображение хранится в специальном пуле и прикрепляется к слайду автором лекции. Таким образом, класс «Слайд «Векторная графика» содержит унаследованный от класса «Слайд» атрибут «Заголовок» типа STRING. Данный класс наследует методы работы с лекторской доской, реализует абстрактный метод базового класса «Показать слайд», представляет методы трансформирования: «Повернуть», «Масштабировать», «Позиционировать».
Слайд «Видеоролик» содержит видеозапись и предоставляет инструменты управления проигрыванием, такие как масштабирование, пауза, воспроизведение, перемотка вперед/назад, покадровый просмотр вперед/назад, воспроизведение с указанного места, а также лекторскую доску, унаследованную от класса «Слайд». Сама видеозапись хранится в специальном пуле и прикрепляется к слайду автором лекции. Таким образом, класс «Слайд «Видеоролик» содержит унаследованный от класса «Слайд» атрибут «Заголовок» типа STRING. Данный класс наследует методы работы с лекторской доской, реализует абстрактный метод базового класса «Показать слайд», представляет методы управления видеозаписью: «Воспроизвести», «Остановить», «Поставить на паузу», «Перейти на следующий кадр», «Перейти на предыдущий кадр», «Перейти на заданный кадр», «Масштабировать».
Также, от класса «Слайд» производится еще один элемент демонстрационного ряда — «Тест». Тест - элемент демонстрации, предоставляющий функциональность экспресс-тестирования аудитории. Это абстрактный класс, который должен быть реализован одним из типизированных тестов. Класс «Тест» наследует у класса «Слайд» атрибут «Заголовок» типа STRING, отношение с классом «Демонстрационный ряд», абстрактный метод «Показать слайд». Класс представляет атрибут «Задание» типа MEMO, абстрактные полиморфные методы «Показать правильный ответ», «Показать результаты аудитории», «Показать свои результаты».
Абстрактный класс «Тест» реализуется классом «Тест-селектор». Тест-селектор содержит унаследованные атрибуты «Заголовок», «Задание»; новые атрибуты «Вопрос» типа MEMO, «Варианты ответа» типа STRING, «Правильный ответ» типа STRING. Тест-селектор реализует полиморфные методы «Показать правильный ответ», «Показать результаты аудитории», «Показать свои результаты».
Изображения, видеоролики, используемые в различных типах слайдов, являются разновидностями демонстрационных объектов, хранящихся в типизированных пулах демонстрационных материалов.
Таким образом, демонстрационный объект - это единица мультимедиа, используемая на том или ином слайде. Это может быть растровое, векторное изображение, математическая формула, трехмерный график с инструментами поворота вокруг осей, флеш-ролик и др. Демонстрационный объект -абстрактный класс, реализующий атрибут «Заголовок» типа STRING. От класса «Демонстрационный объект» наследуются классы «Изображение», «Видео», «Векторное изображение». Демонстрационные объекты одного типа объединены в типизированные пулы.
Так, например, изображения представляются классом «Изображение», который наследуется от класса «Демонстрационный объект» и входят в пул «Пул изображений», произведенный от класса «Типизированный пул». Элементы класса «Изображение» добавляются ассоциативной контекстно-зависимой связью к слайду «Текст с графикой». Класс «Изображение» наследует атрибут «Заголовок» типа STRING и реализует атрибут «Изображение» типа MMEDIA.
Аналогично, видеозаписи представляются классом «Видео», наследуются от класса «Демонстрационный объект», входят в типизированный пул «Пул видеозаписей» и связываются контекстно-зависимой ассоциацией с классом «Слайд «Видеоролик».
Разработка компоненты видеоконференцсвязи на платформе ConferenceXP
Для реализации видеосвязи на основе проведенного в первой главе анализа была выбрана технология Microsoft ConferenceXP. Свойства платформы ConferenceXP полностью удовлетворяют требованиям, предъявленным к модулю видеоконференцсвязи.
ConferenceXP - продукт от группы разработчиков Microsoft Research, позиционируемый как средство для организации дистанционного обучения. ConferenceXP представляет из себя набор приложений, библиотек и сервисов, реализующих многоуровневую распределенную систему видеоконференций в среде .Net, а так же открытый исходный код всех этих компонент.
Использование платформы ConferenceXP для построения модуля видеоконференцсвязи позволит удовлетворить всем предъявленным требованиям. Во-первых, для передачи данных в ConferenceXP используются сети с коммутацией пакетов с негарантированной доставкой данных по IP протоколам, что позволяет использовать систему практически повсеместно. Во-вторых, аудио-, видео- данные по умолчанию передаются в формате Windows Media Audio/Video, при этом существует возможность использовать любые другие кодеки. Использование данных форматов позволяет передавать данные с настраиваемым уровнем сжатия. В-третьих, платформа ConferenceXP позволяет одновременную трансляцию аудио/видео и других потоков данных любого количества участников всем пользователям. В-четвертых, платформа ConferenceXP при правильных настройках и нормальной ширине канала обеспечивает задержку передачи данных порядка 50 мс, что является более чем приемлемым для видеоконференции уровнем.
Кроме того, платформа ConferenceXP предоставляет технологию записи и повторного воспроизведения конференции, которые могут быть использованы для сохранения лекций. Открытый исходный код позволяет создавать на основе данной платформы модули с нестандартной функциональностью, необходимые в проекте.
С использованием платформы ConferenceXP был спроектирован и реализован модуль видеоконференцсвязи для клиентского приложения системы организации дистанционного чтения лекций.
Архитектура платформы ConferenceXP
В документации к платформе ConferenceXP приводится следующее представление архитектуры платформы (рис. 27).
Платформа состоит из следующих основных модулей и компонент: Audio/Video Form, SharedBrowser Form, AudioCapability, VideoCapability, SharedBrowserCapability, Rtp I/O, RtpSource DirectShow Filter, RtpRenderer DirectShow Filter, DirectShow manager.
В качестве модуля передачи данных по сети используется Rtp I/O без изменений функциональности и надстроек. В данном модуле реализованы все необходимые инструменты для отправки/приема данных по сети Интернет.
Модули сжатия аудио/видео и дополнительных данных представлены в ConferenceXP компонентами AudioCapability, VideoCapability, SharedBrowserCapability. Эти компоненты требуют надстройки для работы в составе модуля видеоконференцсвязи клиентского приложения
Модули сжатия аудио/видео и дополнительных данных работают на основе графов фильтров DirectShow и работают по следующей схеме, приведенной в документации ConferenceXP (рис. 28).
В качестве источников данных на клиентском приложении выступают веб-камера и микрофон, далее с помощью выбранных кодеков исходные данные сжимаются и отправляются по сети. На другой стороне в качестве источника данных выступает фильтр, получающий данные по сети, после чего выбранный кодек распаковывает полученные данные и далее данные попадают на воспроизводящее устройство (монитор или акустическую систему).
Видеоокно и браузерное окно не представлены в ConferenceXP как встраиваемые компоненты, вместо этого платформа ConferenceXP содержит готовую форму для воспроизведения видеоизображения и звука и управления настройками воспроизведения, а также отдельную форму с браузерной компонентой для навигации по Интернет. С использованием исходного кода этих компонент были отдельно реализованы компоненты клиенстого приложения - видеоокно, браузерное окно, окна настройки.
Главный модуль модуля видеоконференцсвязи использует программные интерфейсы платформы ConferenceXP и управляет всеми остальными компонентами и потоками данных.
Архитектура модуля видеоконференцсвязи на основе платформы ConferenceXP
Система передачи аудио/видео данных предназначена для обработки и отправки по сети аудио/видео данных, а также данных, необходимых для передачи демонстрационного учебного контента. Данная система встраивается в LCMS (Система управления учебным контентом) в виде отдельного, заменяемого модуля видеоконференцсвязи.
Модуль видеоконференцсвязи состоит из следующих основных компонент: главный модуль, видеоокно, браузерная компонента, окна настройки устройств ввода и вывода, модули сжатия (кодирования) аудио, видео данных, команд управления демонстрациями, модуль передачи данных по сети.
Главный модуль отвечает за управление всеми подчиненными модулями, а также определяет глобальные функции модуля видеоконференцсвязи - воспроизведение входящих аудио-, видео- потоков и демонстраций, запись и отправку по сети исходящих потоков.
Видеоокно - визуальная компонента, отображающая какой-либо видеопоток. Размещается на форме родительского приложения и управляется родительским приложением через интерфейсы главного модуля.
Браузерная компонента - визуальная компонента, представляющая собой встраиваемое окно Интернет браузера. Размещается на форме родительского приложения и управляется через интерфейсы главного модуля. Реагирует на команды управления демонстрациями и генерирует их.
Окна настройки устройств ввода и вывода - формы с инструментами настройки режимов работы видеокамеры, микрофона, акустических устройств, видеоокон. Вызываются родительским приложением через интерфейсы главного модуля.
Модули сжатия аудио/видео потоков и потоков данных отвечают за кодирование исходящих потоков и декодирование входящих кодеками, определяемыми настройками главного модуля.
Модуль передачи данных по сети отправляет готовые, кодированные данные по сети и принимает входящие потоки данных.
В режиме передачи аудио-, видео- и других данных компоненты модуля взаимодействуют следующим образом:
Пользователь выбирает из списка установленных видеокамер необходимую, настраивает разрешение картинки и количество передаваемых кадров в единицу времени, выбирает устройство записи звука из имеющихся микрофонов, настраивает громкость.
Главный модуль запоминает настройки и направляет потоки данных с этих устройств на модули сжатия данных, а оттуда сжатые потоки направляются на модуль передачи данных по сети. При этом с браузерной компоненты команды управления демонстрациями также отправляются в соответствующий модуль сжатия данных и далее отправляются на модуль передачи данных по сети. Кроме того, родительское приложение может с помощью предоставленных интерфейсов главного модуля управлять различными настройками модуля видеоконференцсвязи, как с использованием человеко-машинного интерфейса, так и с использованием автоматического выбора настроек.
В режиме получения аудио-, видео- и других данных компоненты модуля работают по следующей схеме.
Пользователь выбирает настройки видеоокна (разрешение, кол-во кадров в ед. времени), если это необходимо и предоставлено родительским приложением, настраивает громкость аудиосистемы. После этого главный модуль дает команду транслировать потоки, которые идут с модуля передачи данных по сети на модули сжатия/кодирования данных, где они декодируются и отправляются для воспроизведения на видеоокно, аудиосистему и браузерную компоненту.
Похожие диссертации на Разработка технологии поддержки мультимедийных ресурсов обучения
