一種可視互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州350002）

嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)通常是一個(gè)軟硬件相結(jié)合的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)難度相對(duì)于純軟件實(shí)現(xiàn)要復(fù)雜得多，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，很多問(wèn)題都沒(méi)有共性，不方便集中講解，教師往往要在學(xué)生中間巡回手把手的個(gè)別指導(dǎo)，一堂課下來(lái)，教師往往會(huì)疲憊不堪，同時(shí)由于學(xué)生問(wèn)題經(jīng)常不能得到及時(shí)解決，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課效率很低。為此，筆者提出了一種可視交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)，使教師和學(xué)生都不必離開(kāi)自己座位，通過(guò)屏幕、語(yǔ)音、文件和文本進(jìn)行互動(dòng)，不僅能及時(shí)解答個(gè)別學(xué)生問(wèn)題，而且還能組織部分或全體學(xué)生針對(duì)某一問(wèn)題進(jìn)行可視互動(dòng)討論，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率?福建農(nóng)林大學(xué)高等教育教學(xué)改革基金（01jg04079）。。

1 遠(yuǎn)程桌面協(xié)議

可視互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的核心功能是實(shí)現(xiàn)將教師PC屏幕實(shí)時(shí)圖像信息發(fā)送到每個(gè)學(xué)生PC顯示器上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)學(xué)生PC屏幕視頻不僅能在教師顯示器上回放，而且教師也能夠遠(yuǎn)程操作學(xué)生電腦，即 “遠(yuǎn)程桌面共享”功能。目前實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面共享功能的主流協(xié)議有3種[1]，分別是 “X Window”、“RDP”和 “VNC”，X Window是實(shí)現(xiàn)Linux系統(tǒng)圖形界面的基石，因此主要運(yùn)用在Linux系統(tǒng)中；Windows操作下常用的遠(yuǎn)程桌面協(xié)議是RDP（Remote Desktop Protocol），該協(xié)議專門為遠(yuǎn)程管理和維護(hù)Windows系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適用于多個(gè)用戶同時(shí)互不影響的管理和使用同一電腦；VNC（Virtual Network Computing）協(xié)議核心原理是 “將一個(gè)矩形區(qū)域的象素點(diǎn)放置在一個(gè)特定的位置上”[2]，因此該協(xié)議與操作系統(tǒng)本身無(wú)關(guān)，即VNC是一種跨平臺(tái)的遠(yuǎn)程桌面協(xié)議，能在Windows、Mac和Linux等目前主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，同時(shí)，由于VNC只傳輸屏幕變化的矩形區(qū)域部分，因此帶寬消耗低，系統(tǒng)資源開(kāi)銷小。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)的核心功能是 “雙向遠(yuǎn)程桌面共享”，能滿足需求的只有 “X Window”和 “VNC”，但由于嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中學(xué)生要同時(shí)使用Windows和Linux操作系統(tǒng)，所以最終只能選擇目前唯一可以跨平臺(tái)的VNC協(xié)議。

VNC是AT＆T劍橋?qū)嶒?yàn)室研發(fā)的基于TCP／IP的瘦客戶平臺(tái)，由 VNC Server和 VNC viewer組成[2]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。VNC Server產(chǎn)生本地顯示，VNC Viewer將這個(gè)顯示畫(huà)到自己的屏幕上，兩者之間使用的是VNC協(xié)議。

圖1 VNC結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框架

系統(tǒng)采用的是C／S架構(gòu)，由客戶端和服務(wù)器端組成，如圖2所示。

圖2 可視互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)中教師集中講解時(shí)，通過(guò)圖2中的屏幕視頻服務(wù)，將教師屏幕圖像向所有學(xué)生廣播，學(xué)生通過(guò)自己的顯示器能同步觀看到教師的操作；學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可隨時(shí)任意輪巡觀看學(xué)生屏幕，查看實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況，必要時(shí)教師可以遠(yuǎn)程操作學(xué)生PC，以指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師發(fā)現(xiàn)或?qū)W生反饋有共性的問(wèn)題時(shí)，教師通過(guò)圖2中的文件服務(wù)，主動(dòng)獲取學(xué)生電腦上的相關(guān)文件，作為典型錯(cuò)誤的資源，教師及時(shí)集中講解或組織學(xué)生集體討論以激發(fā)學(xué)生積極性；學(xué)生間以及師生間可隨時(shí)通過(guò)圖2中的文本服務(wù)和語(yǔ)音服務(wù)進(jìn)行簡(jiǎn)單交流，問(wèn)題較復(fù)雜時(shí)，再啟用前面的雙向屏幕交流方式。

師生間通過(guò)以上系統(tǒng)提供的文本、語(yǔ)音、文件和屏幕4種互動(dòng)方式，能有效解決實(shí)驗(yàn)中的溝通和交流問(wèn)題，教師及時(shí)答疑解惑，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的自信心，從而提高了教學(xué)效率。

3 系統(tǒng)實(shí)施和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題解決

圖2所示系統(tǒng)涉及音視頻實(shí)時(shí)采集、編碼、解碼和回放以及網(wǎng)絡(luò)即時(shí)通訊、網(wǎng)絡(luò)多播等技術(shù)難點(diǎn)[3]，系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)難度高工作量極大，系統(tǒng)部署和維護(hù)也需要專業(yè)人員管理，同時(shí)由于視頻數(shù)據(jù)處理和傳輸都要占用大量的CPU時(shí)間和帶寬，為了保證視頻的實(shí)時(shí)傳輸，必須專門配備至少一臺(tái)高性能服務(wù)器，因此系統(tǒng)硬件成本也很高。

為了不增加硬件成本，設(shè)計(jì)時(shí)將服務(wù)器端功能移植到客戶端中，充分利用實(shí)驗(yàn)室每臺(tái)PC的計(jì)算能力，不僅節(jié)省了購(gòu)買專門服務(wù)器的開(kāi)支，而且也不需要專業(yè)人員進(jìn)行集中管理維護(hù)，系統(tǒng)部署和維護(hù)簡(jiǎn)單，使用也很方便；通過(guò)使用開(kāi)源和免費(fèi)軟件，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的源代碼修改和軟件配置，就能快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能，也節(jié)省了軟件和人力成本。

IP Messenger[4]是一款全球非常流行的開(kāi)源局域網(wǎng)即時(shí)通信軟件，能實(shí)現(xiàn)圖2中的 “文本交流”、“語(yǔ)音交流”和 “文件交流”功能，該軟件既是客戶端也是服務(wù)器端，能很好地滿足該系統(tǒng)需求，同時(shí)該軟件使用上與QQ類似，師生能很快學(xué)會(huì)使用，編譯生成該軟件的綠色版本，就能方便與該系統(tǒng)集成。

TightVNC[5]是一款全球流行的VNC開(kāi)源軟件，能很好地實(shí)現(xiàn)圖2中的 “屏幕交流”功能，最新版本為V2．0．4，可編譯成為綠色版本：客戶端功能由 “vncviewer．exe”可執(zhí)行文件提供，服務(wù)器由可執(zhí)行文件 “tvnserver．exe”和動(dòng)態(tài)庫(kù)文件 “screenhooks．dll”提供。

如何部署TightVNC是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)核心功能和減輕系統(tǒng)維護(hù)工作量的關(guān)鍵，現(xiàn)重點(diǎn)說(shuō)明如下：

1）教師機(jī)上只安裝TightVNC客戶端，學(xué)生機(jī)上只安裝TightVNC服務(wù)器端，這樣，教師通過(guò)客戶端可隨時(shí)查看和控制學(xué)生遠(yuǎn)程桌面，默認(rèn)情況下，服務(wù)端第一次運(yùn)行前要求輸入密碼，運(yùn)行時(shí)其圖標(biāo)會(huì)顯示在學(xué)生系統(tǒng)托盤(pán)中，學(xué)生通過(guò)該圖標(biāo)的右鍵菜單可以關(guān)閉服務(wù)器端，這樣教師就無(wú)法遠(yuǎn)程查看學(xué)生桌面了，學(xué)生也可修改服務(wù)器端密碼，教師因輸入密碼錯(cuò)誤而同樣無(wú)法訪問(wèn)學(xué)生遠(yuǎn)程桌面。解決問(wèn)題的方法是讓服務(wù)器端運(yùn)行時(shí)不提示輸入密碼，也不顯示系統(tǒng)托盤(pán)圖標(biāo)，因?yàn)檫@些信息都是記錄在注冊(cè)表中的，因此實(shí)現(xiàn)方法是預(yù)置所有相關(guān)注冊(cè)表項(xiàng)，對(duì)應(yīng)表項(xiàng)為 “HKEY＿LOCAL＿M(jìn)ACHINE＼SOFTWARE＼TightVNC＼Server”主鍵下的 “RunControlInterface”和 “ControlPassword”值項(xiàng)，其中密碼是通過(guò)DES加密后的密文，通過(guò)查看源代碼[5]，默認(rèn)64位加密密鑰為 “｛23，82，107，6，35，78，88，7｝”，如果修改該密鑰，既使學(xué)生知道注冊(cè)表項(xiàng)中的密文，也無(wú)法破解對(duì)應(yīng)的密碼，系統(tǒng)安全性會(huì)更高。

2）教師集中講解時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生屏幕與教師屏幕同步顯示，可以通過(guò)在教師機(jī)上運(yùn)行服務(wù)器端，而學(xué)生機(jī)上運(yùn)行客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐表明當(dāng)課堂規(guī)模在15人左右時(shí)，教師機(jī)使用3．0GHz主頻的雙核CPU，系統(tǒng)運(yùn)行比較流暢，但當(dāng)學(xué)生人數(shù)增加時(shí)，教師機(jī)性能急劇下降，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法響應(yīng)教師操作現(xiàn)象。原因是VNC采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)有連接TCP方式，每新增一個(gè)客戶端，連接數(shù)就會(huì)增加一個(gè)，同時(shí)實(shí)時(shí)屏幕視頻數(shù)據(jù)就要多傳輸一份，因此系統(tǒng)開(kāi)銷會(huì)增長(zhǎng)很快。解決的方法是使用無(wú)連接UDP的組播方式，使用該網(wǎng)絡(luò)通信方式優(yōu)點(diǎn)是隨著客戶端數(shù)量增加，服務(wù)器始終只需傳輸一份視頻數(shù)據(jù)，即客戶端數(shù)量不會(huì)影響到服務(wù)器性能，不僅減輕了服務(wù)器壓力，同時(shí)也節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。TightProjector軟件[5]就是采用這一機(jī)制的高效屏幕廣播軟件，其服務(wù)器端由 “tightprj．exe”實(shí)現(xiàn)，而客戶端由“tightrcv．exe”實(shí)現(xiàn)，通過(guò)在教師機(jī)上安裝服務(wù)器端，學(xué)生機(jī)上安裝客戶端，實(shí)現(xiàn)了教師屏幕向所有學(xué)生廣播功能。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者提出的設(shè)計(jì)方法，整合了各種開(kāi)源和免費(fèi)軟件資源，不需要增加任何硬件配置，就能快速搭建一套可視互動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)輔助系統(tǒng)，不僅可以解決嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題，而且所有基于PC的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)課都可能采用，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行隱定、實(shí)時(shí)性好、支持大規(guī)模多用戶并發(fā)使用，維護(hù)和管理極其簡(jiǎn)單。由于3大組成部分自成體系，系統(tǒng)與部分是松耦合的，下一階段的工作主要是加強(qiáng)各個(gè)部分之間的聯(lián)系。

[1]梁飛蝶，李錦濤．瘦客戶計(jì)算應(yīng)用協(xié)議中遠(yuǎn)程顯示機(jī)制的比較 [J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004（21）：135-137．

[2]Richardson T，Stafford2Fraser Q，Wood KR，et al．Virtual Network Computing [J]．IEEE Internet Computing，1998，2（1）：33-38．

[3]楊勇，陳新．高性能實(shí)時(shí)交互式遠(yuǎn)程教育環(huán)境服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37（3）：357-361．

[4]IP Message官網(wǎng) [DB／OL]．http：／／ipmsg．org／index．html．en，2011-03-09．

[5]TightVNC官網(wǎng) [DB／OL]．http：／／www．tightvnc．com，2011-03-09．