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摘要：针对目前学生无法到工业生产现场实训的难题,使用增强现实和虚拟现实技术实现教师在生产现场远程与教室内学生端开展丰富的教学互动等活动。为实现远程多人交互功能,设计了系统的体系架构、协同机制、网络架构和交互方式等内容,制定了开发方法和研究途径,为今后交互式系统的研发过程做出了规划设计。
关键词：远程交互；多人系统；课堂系统
Research on the Design of Remote Multi-person Interactive Classroom System
ZHANG Wei
(Baotou Railway Vocational and Technical College,Baotou Inner Mongolia 014060)
【Abstract】：Aiming at the current problem that students cannot go to the industrial production site for practical training,augmented reality and virtual reality technology are used to enable teachers to carry out rich teaching interaction activities on the production site remotely with the students in the classroom.In order to realize the remote multi-person interaction function,the system architecture,coordination mechanism,network architecture and interaction methods are designed,development methods and research approaches are formulated,and the development process of interactive systems is planned and designed in the future.
【Key words】：remote interaction;multiplayer collaboration;classroom system
0引言
目前,增强现实技术和虚拟现实技术正在飞速发展,已经广泛应用于各专业工种的培训中,对职业教育产生了巨大的影响,是未来教学培训模式发展的主要形式之一。当前的轨道交通运输安全要求极高,正在运营中的设备不能用于教学培训使用,因此学生不可能到真实车站进行实训。而学校建设实训基地投入资金巨大,场地有限,设备型号不全,设备数量少,根本无法满足教师教学和学生实训的需求,普遍产生了“一个人练、一群人看”的现状。因此,提升轨道交通专业的教学水平、教学质量和效率十分困难,急需一种先进手段解决这种“工、学”矛盾。充分利用5G网络的发展机会,结合增强现实技术和虚拟现实技术,搭建能够实现远程交互的互动课堂教学系统。实现轨道交通现场职工教师与课堂学生的互动式教学过程,将运输现场的实景实时传输到教室中,教师可以通过增强现实眼镜等设备以主观第一人称视角来采集现场设备画面,并且可以投射虚拟物体到画面中进行讲解,学生端可以通过平板电脑、手机或VR头盔等设备实时接收画面显示,并且可以向职工教师提出问题,职工教师可以实时回答辅导,实现将“火车”开进课堂的效果,极大的提升职业化教学的质量。
远程多人交互式课堂虚拟协同培训系统可改变传统的课堂教学方式,实现多用户协同操作,在虚拟的环境中共同完成课堂的教学过程,则需研究计算机支持的协同工作和协同体系架构等功能并进行设计。
1远程多人交互体系整体架构设计
远程多人交互式课堂系统根据功能需要,整个体系应包含人机交互层、运算决策层、系统资源层和应用平台层[1],如图1所示。
1.1基础通信层
系统数据通信和互联基础环境,为系统提供底层通信连接和数据传输功能,确保数据能够有效传输。
1.2协同机制层
即多人协同基础功能平台,为系统提供协同基础功能的支持服务,如共同场景的生产和同步、事件碰撞检测、操作权限的管理等。
1.3系统接口层
系统多人协同事件处理接口,为系统提供可调用的各类协同事件、函数和方法,形成各类具体应用的基础功能,例如教师发布信息、语音通话、标注指示、显示或隐藏物体等。
1.4人机交互层
人机交互层通过各类人机交互操作界面,以及电脑、手机、VR头盔等各类硬件客户终端设备实现人机交互操作功能,获得操作数据。
1.5运算决策层
运算决策层实现整个系统的数据计算以及分析决策等功能的处理,通过用户的请求判断调用相关图形图像资源,读取系统规则条件,检查当前各类函数和变量中的数据,根据变量值控制场景中各个用户的交互响应状态以及反馈动作,同时将当前的数据状态写入记录单元中,驱动整个系统的运行,并控制整个系统的操作过程。
1.6系统资源层
系统资源层负责加载所有远程多人交互运行过程中需要调用的三维场景、数据库数据、用户形象、题库等基础数据资源,为系统提供构建虚拟场景所需要的各类外部资源。
1.7应用平台层
应用平台层主要为远程多人交互系统提供应用软件运行平台和网络传输的数据协议等,实现网络连接、数据传输和程序运行等功能。运行具体课程应用的平台,是基于远程多人互动课堂系统提供的基础功能,在此基础上根据具体课程内容开发的具有教学内容的应用程序。
2远程多人交互协同机制设计
远程多人交互协同的基础是获得合作者交互的时间和其所在的位置,按照时间和空间两个维度进行分析,应当包括同时同地、同时异地、异时同地、异时异地四种情况[2]。远程多人交互系统的网络协同组建方法主要有分布式协同、集中式协同和组合式协同三种情况,其中分布式协同中各个客户端都是独立的个体,拥有相同的网络权限,在接收到网络信息后,在本地进行数据处理,再将结果发送到其他各个同网络内的其他客户端进行仲裁,分布式协同中各客户端的负载压力较低,网络资源分配合理,但实现起来涉及的环节较多,过程复杂,适合大规模的多人协同操作系统。集中式协同机制中必须有一个功能强大且配置较高的服务器,由该服务器统一发送协同指令和相关数据信息给网络内的各个客户端,并且接收网络内各个客户端的反馈信息,由服务器统一进行运算决策处理后,再将结果发送给各客户端。集中式协同机制统一处理信息和冲突,实现过程相对简单,运行稳定性高,易于管理和维护,适合小规模范围内的多人协同操作。组合型协同机制是融合分布式协同机制和集中式协同机制的一种综合型协同机制,分为服务器和客户端两个重要组成部分,服务器和客户端通过网络协议进行连接并进行数据通信。组合型协同机制融合了分布式协同机制和集中式协同机制的优点,服务器端提供了数据库和数据同步等程序运行和管理平台,而客户端则在本地调用本地图形和图像等基础资源,并且通过本地逻辑运算,将可以在本地进行处理的事件都在本地进行运算和处理,并且将部分只需要客户端读取的数据存储在本地,将需要服务器端进行存储和判断的数据单独传输给服务器端,相当于客户端保持了一定的自主权,并且客户端可以通过下载服务器的升级信息,对本地客户端进行远程升级,实现与服务器版本的同步。组合式协同机制相对于分布式协同机制和集中式协同机制而言对单个设备负载要求较低,数据传输量比较平均,系统运行速度快,整体性能优异[3]。通过对上述三种交互结构进行分析和综合考虑,决定采用组合式协同机制,并结合系统实际功能基于C/S模式架构搭建远程多人交互课堂系统,采用TCP协议的Socket通信进行数据传输,能够有效的保证系统的实时性和同步性。
远程多人交互式课堂系统相当于群体异地协同共同完成一项任务,需要建立群体决策的支持机制,包括群件任务协调分配和合作机制,以及群件协同工作中出现操作冲突时的控制和解决机制。群件任务协调分配是指发起者如何将任务分配给多位成员,通过群体协同高效完成。在远程多人交互式课堂中,教师需要同时给多位学员发送位置、时间、三维数据、视频流数据、图片数据、文字数据等各类信息,如何有效的进行数据传递,实训多人远程互动,协同完成教师布置的任务。当数据传输过程中出现问题,如何解决数据不同步的问题,则需要设计出完善的远程多人交互协同机制,不断修正数据同步的错误,最终完成整个远程交互的过程[4]。在协同机制中最重要的就是要解决多人同时触发一个事件进行数据交互时的数据冲突,为防止多名学员对同一对象进行操作,保证互动课堂的实时性和同步性,让教师和每位学员都能实时同步获得其他学员的操作信息和数据,保证交互效果。处理数据冲突常用方法为操作权限的等级设定、操作互锁、以及触发条件后转换等,在本系统中采用令牌机制和动态权限分配方法控制并行操作过程,可有效保证系统运行的稳定性。
3远程多人交互系统网络架构设计
多人交互体系目前主要有客户端/服务器模式C/S(Client/Server)和浏览器/服务器B/S(Browser/Server)模式两种架构,两者优缺点如下：
C/S结构在技术上非常成熟,它的重要特征就是交互性强、拥有安全的存取形式、网络通信数量低、响应速度快、利于处置大量数据。缺点是运用该结构的程序必须进行针对性开发,变更不够灵活,维护与管理的难度较大。这个结构的每个客户端都需要安装相对应的客户端程序,但由于互动课堂是专用型系统,因此可以要求每名用户使用前下载安装客户端程序,并且可以要求用户配合升级维护等工作,因此可以避免该模式的缺点和局限性。
B/S结构应用程序相对于传统的C/S结构应用程序来说是一个巨大的进步。B/S结构的重要特征就是分布性强、维护方便、开发简单并且共享性强、总体拥有费用低。但该结构对服务器要求极高,同时数据传输速度慢,数据安全性难以保证、应用程序体积和规模受限等问题,因此难以完成高质量的交互功能,难以达到高水平的表现效果。
综合考虑远程多人交互式课堂系统的功能及性能需求,C/S架构系统响应速度快且界面和操作内容丰富,能够将大量的课程教学内容存放到客户端来运行,极大的降低了对服务器负载的要求,仅需要运行管理和维护平台,以及装载数据库和管理系统等程序。系统的功能分散在服务器端和客户端,系统的响应速度快,客户端可充分利用网络和软硬件实现交互式课堂功能。
4结语
近年来,增强现实和虚拟现实技术已经广泛应用于教育的各个阶段,逐步成为影响教育的重要手段之一。通过三维立体化的显示,可以提升学生对教材内容的认知和理解程度。沉浸式的教学模式让学生对知识记忆更加深刻,有助于职业教育的发展。今后该技术和教学模式将会广泛应用于院校、工业生产和安全等领域,发展前景十分广阔。
参考文献
[1]赵超,李星新,夏空,等.面向协同虚拟维修的并发操作控制方法[J].计算机系统应,2014,23(10):198-201.
[2]张志利,李向阳,高钦和,等.基于资源竞争的协同式维修操作过程建模[J].系统仿真学报,2015,27(1):82-92.
[3]袁帅,陈斌,易超,等.虚拟地理环境中沉浸式多人协同交互技术研究及实现[J].地球信息科学学报,2018,20(8):1055-1063.[4]蔡猛,徐乃平,李克己.多机协同空战仿真的分布式虚拟环境研究[J].系统仿真学报,2001,13(6):690-692.
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