CN109118855A - 一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统 - Google Patents

一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统,包括总控室和N个直播室；所述总控室，用于通过互联网服务器及音频视频同步模块实现对所有直播室的教学管理和监控；所述直播室，通过互联网与所述总控室进行通信连接，用于在能容纳多人的教学空间，通过视频音频处理进行授课和/或听课的直播互动，其中1个直播室作为授课室，其他N‑1个直播室作为听课室，N为大于等于2的自然数。本发明通过总控室对整个控制系统进行协调控制，直播室既可作为授课内，也可作为听课室，可在公共互联网上进行跨运营商跨终端的高质量、高稳定性的音视频直播，360度模拟真实课堂，满足师生互动，生生互动的学习型即时社交环境。

Description

一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统
技术领域
本发明涉及网络教育领域，更具体地，涉及一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统。
背景技术
我国现有的教育体系十分庞大，而优秀的教育资源却不多，相当多的地区尤其是偏远地区的教育质量，由于缺乏良好的师资力量根本无法与发达地区的教育质量相比，在很大程度上造成了教育资源分配的不公平。而随着技术的不断发展，科技的应用触角以及因特网的应用层面渐渐地融入到了教学领域，远程教学系统方兴未艾。
然而，在现有的网络教学技术应用中，很多的网络学习只是单纯的转变了一下上课的地点，由原来的面对面教学改成了“声音教学”，但是学生的被动接受知识的地位还是没有得到很好的改变；由于网络课堂的针对性不强，“太过自由”而使得教学过程的管理相对比较松散。
目前，在线教育的授课模式主要有三种，一是录播课程，二是在线一对一教育，三是直播课程教育。
在线教育最早的形态就是录播课程，从开始到现在，各类网校层出不穷。基本套路是：挑选优秀的老师，把他们上课的视频拍摄下来，放在网上售卖。随着在线教育行业的不断发展完善，录播课程的弊端也逐渐明朗起来。最大的问题就是学员毫无参与感，老师讲老师的，学员听不听随意。而且课后也难以交流沟通，上课效果难以保证。再者，现在许多录播课程质量无法保证，许多机构只急功近利，导致课程粗制滥造。
在线一对一模式的优势在于因材施教，以学生为中心，一对一交谈，真实互动，更善于调动学生的学习兴趣。能够提高学生的学习能力和坚持学习率；一对一的针对性也非常强，及时查漏补缺，针对学生存在的问题做改善。缺点是，存在难以大规模地推广、优质师资难以全面保障、受教育成本过高等问题。
远程教学直播系统，能够利用网络不受地域传播的优势，接收最优秀教育资源，为欠发达地区服务，并能够解决录播授课的随意性和一对一授课的高成本等问题。然而，传统的直播系统的视频采集系统，都是采用的现有技术，硬件设备没有针对教学系统进行优化，而且体积庞大，不太适用于真实的课堂教学环境。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的巨屏全息还原真实场景的网络教学系统。
根据本发明的一个方面，提供一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统，包括总控室和N个直播室；
所述总控室，用于通过互联网服务器及音频视频同步模块实现对所有直播室的教学管理和监控；
所述直播室，通过互联网与所述总控室进行通信连接，用于在能容纳多人的教学空间，通过视频音频处理进行授课和/或听课的直播互动；其中，1个直播室作为授课室，其他N-1个直播室作为听课室，N为大于等于2的自然数。
进一步，所述总控室包括主服务器模块和音频视频同步模块；
所述主服务器模块，用于实现数据的收发、传输、存储、下载和上传；
所述音频视频同步模块，与所述主服务器模块通信连接，用于通过虚拟专用网络VPN专线将教学音频和/或视频传输至所述直播室。
进一步，所述直播室包括视频采集模块、音频采集模块、视频显示模块和直播互动模块；
所述视频采集模块，用于进行直播互动的视频采集、视频图像降噪、对降噪后的视频图像进行编码压缩和存储；
所述音频采集模块，用于进行直播互动的音频采集、降噪、编码压缩和传输；
所述视频显示模块，用于通过LED显示屏进行教学内容的音频和/或视频显示，以及三维图像重构；
所述直播互动模块，用于实现授课者与听课者之间的视频、音频和文字的实时沟通；
所述直播室还包括，在所述教学空间的每个座位的桌面上设置音频、视频和文字互动系统，以使每个座位成为一个直播端。
进一步，所述直播室还包括时间延迟优化模块；所述时间延迟优化模块用于利用XMPP协议优化主播与直播之间的时间差，包括：
将直播数据文件分片，得到分片文件；将所述分片文件推送至虚拟聊天室，所述虚拟聊天室的用户包括所有当前直播端；
当有新分片文件产生时，向当前直播端广播所述新分片文件的分片号，以供所述当前直播端根据所述分片号下载所述新分片文件。
进一步，所述时间延迟优化模块还用于通过第一优化处理和/或第二优化处理对主播与直播之间的时间差进行处理；
所述第一优化处理包括：对于延时要求更敏感的直播数据，对每个直播端连接维持一个较小的缓冲队列；对于卡顿要求更高的直播，对每个直播端连接维持一个较大的缓冲队列；
所述第二优化处理包括：对所有直播端连接的网络情况进行智能检测；当任一直播端连接的网络状况良好时，缩小所述任一直播端连接的缓冲队列；而当任一直播端连接当网络状况较差时，增大所述任一直播端连接的缓冲队列。
进一步，所述主服务器模块包括：数据收发模块、适应性判定单元、模板单元、合成编码单元和云共享服务器；
所述数据收发模块，用于接收视频数据，并将合成编码单元的编码后视频数据传送给各直播端，还用于在适应性判断单元的判定结果为否时，向对应的直播端发送分辨率更改通知；
所述适应性判定单元，用于判断视频数据的分辨率是否与当前视频模板中对应的子窗口的视频尺寸相适应，如果相适应，则判断结果为是，如果不相适应，则判断结果为否；
所述模板单元，用于存储和设定当前使用的当前视频模板；
所述合成编码单元，用于根据各直播端的视频通道号，将各直播端的视频数据分别复制到所述当前视频模板中与各直播端对应的子窗口，对所述当前视频模板的视频数据进行编码；
所述云共享服务器，内置于所述主服务器模块，用于对直播传输信号进行缓存，并进行上传和下载教学资料。
进一步，所述视频采集模块包括摄像单元、降噪单元、中央处理器单元和存储单元；
所述摄像单元，包括2-8个高清摄像头，用于采集并生成视频信号，进行编码压缩；
所述降噪单元，用于对图像进行降噪处理并与所述摄像单元相连；
所述中央处理器单元，与所述降噪单元连接，将降噪后的图像进行压缩转化成为视频图像编码格式；
所述存储单元，用于接收中央处理器单元转换的视频信号图像编码。
进一步，所述音频采集模块包括拾音器单元、降噪滤波单元、音频控制单元、音频输出单元；
所述拾音器单元，与所述降噪滤波单元连接，用于采集声音数据，数据原始格式为PCM格式；
所述降噪滤波单元，采用双路降噪滤波器，用于实现独立左右声道增益调节和降噪级别调节；
所述音频控制单元，与所述降噪滤波单元连接，用于控制音频的声音大小和传输效果；
所述音频输出单元，与所述音频控制单元连接，用于利用speex编码器对音频数据进行编码压缩后，通过输出接口采用左右声道独立输出。
进一步，所述视频显示模块还包括视觉传感器、LED光源控制模块、视频图像读取模块、空间信息计算模块和三维图像重构模块。
所述的LED光源控制模块，用于控制LED显示屏发出全彩色全景结构光；
所述视觉传感器，用于当所述LED光源控制模块使LED光源的供电电源处于ON状态时，获取得所述教学空间中的任意物点的深度和方位角度信息；当所述LED光源控制模块使LED光源的供电电源处于OFF状态时，获取所述教学空间中的任意物点的实际色彩信息；
所述视频图像读取模块，与所述的空间信息计算模块连接，用于读取所述视觉传感器的视频图像并存储；
所述空间信息计算模块，用于计算：所述教学空间中的任意物点到立体视觉测量装置中心点的距离及入射角；所述任意物点与所述视觉传感器以实焦点的距离；所述任意物点与所述LED显示屏的实焦点的距离；所述任意物点与中央眼的距离以及入射角；
所述三维图像重构模块，与所述空间信息计算模块及所述视觉传感器连接，用于将在所述视觉传感器中所获取的全景图像进行柱状展开运算。
进一步，所述直播互动模块包括主持人系统、后台系统、用户端模块、人脸识别模块和互动切换模块；
所述主持人系统，用于将用户端模块与后台系统进行通信连接，将用户端模块的视频、音频或文字数据发送给后台系统进行处理；利用所述人脸识别模块对直播室的用户进行表情分析；
所述后台系统，用于根据用户端模块的视频、音频或文字数据进行分析判断，获取教学互动话题；
所述用户端模块，连接所述直播端，用于获取所述直播端的视频、音频或文字数据；
所述的互动切换模块，用于将延迟时间与时间预设值进行判断比较，若所述延迟时间大于第一预设值并小于第二预设值，则保持语音教学和文字展示；若所述延迟时间大于等于第二时间预设值，则关闭视频互动和语音教学，进行文字展示；若所述延迟时间小于第一预设值，则进行视频、音频以及文字的互动；
所述的人脸识别模块，包括人脸检测与定位模块、规范化模块、特征提取模块、识别模块；所述的定位与检测模块用于捕捉人眼坐标，并由人眼坐标得到人脸左上顶点和右下顶点的坐标；所述的规范化模块对采集的人脸图像进行规范化处理，将人脸对齐纠正所述的特征提取模块用于构造特征提取算子，提取人脸图像特征向量；所述的识别模块基于稀疏表征，采用SRC人脸识别算法进行多人脸识别。
本发明提出一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统，通过总控室对整个控制系统进行协调控制，直播室既可作为授课内，也可作为听课室，可在公共互联网上进行跨运营商跨终端的高质量、高稳定性的音视频直播，360度模拟真实课堂，满足师生互动，生生互动的学习型即时社交环境。
附图说明
图1为本发明实施例一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明通过一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统，让工作繁忙的知识原创者不用离开自己的居住地，就能与听课者分享高品质、低成本的超值课程，能够实现让知识的原创者与听课者面对面、直接对话、无障碍交流，让真正的知识原创大师为听课者点燃智慧的明灯，让听课者约会世界上最好的思想和原创知识创造者。
本发明结合传统课堂的优点，不同地域学生在同一个类似的实际空间(能够容纳30-300人的统一标准模式的阶梯教室)里进行学习，有利于培养学生的团结协作精神、责任心和正常的人际交往，这也是现有网络课堂所缺乏的。该课堂又可根据需要作为直播授课教室使用，一室两用，达到巨屏全息还原真实场景的网络直播教学的同时，授课教师不再单纯地面对摄像机位，也会面对真实的人进行授课，能更好地保证讲课效果、教学氛围以及实时互动效果。
如图1所述，一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统，包括总控室和N个直播室；
所述总控室，用于通过互联网服务器及音频视频同步模块实现对所有直播室的教学管理和监控；
所述直播室，通过互联网与所述总控室进行通信连接，用于在能容纳多人的教学空间，通过视频音频处理进行授课和/或听课的直播互动；其中，1个直播室作为授课室，其他N-1个直播室作为听课室，N为大于等于2的自然数。
本发明实施例所述授课室用于老师授课直播，所述听课室用于学员接收网络直播的授课内容。
本发明实施例所述教学空间可以为普通教室、阶梯教室或视听室等；优选的，所述教学空间为能够容纳30-300人的统一标准模式的阶梯教室，能够在不同地域进行复制，不同地域的听课者在同一个类似的实际空间里进行学习，有利于培养学生的团结协作精神、责任心、认同感和正常的人际交往。
本发明实施例通过总控室对整个控制系统进行协调控制，直播室既可作为授课内，也可作为听课室，可在公共互联网上进行跨运营商跨终端的高质量、高稳定性的音视频直播，360度模拟真实课堂，满足师生互动，生生互动的学习型即时社交环境。
在一个实施例中，所述总控室包括主服务器模块和音频视频同步模块；
所述主服务器模块，用于实现数据的收发、传输、存储、下载和上传；
所述音频视频同步模块，与所述主服务器模块通信连接，用于通过虚拟专用网络VPN专线将教学音频和/或视频传输至所述直播室。
本发明实施例所述VPN即虚拟专用网络(Virtual Private Network，简称VPN)，指的是在公用网络上建立专用网络的技术。其之所以称为虚拟网，主要是因为整个VPN网络的任意两个节点之间的连接并没有传统专网所需的端到端的物理链路，而是架构在公用网络服务商所提供的网络平台，如Internet、ATM(异步传输模式)、Frame Relay(帧中继)等之上的逻辑网络，用户数据在逻辑链路中传输。它涵盖了跨共享网络或公共网络的封装、加密和身份验证链接的专用网络的扩展。VPN主要采用了彩隧道技术、加解密技术、密钥管理技术和使用者与设备身份认证技术。
本发明实施例所述总控室，通过主服务器模块和音频视频同步模块实现网络教学的管理和监控。
在一个实施例中，所述直播室包括视频采集模块、音频采集模块、视频显示模块和直播互动模块；
所述视频采集模块，用于进行直播互动的视频采集、视频图像降噪、对降噪后的视频图像进行编码压缩和存储；
所述音频采集模块，用于进行直播互动的音频采集、降噪、编码压缩和传输；
所述视频显示模块，用于通过LED显示屏进行教学内容的音频和/或视频显示，以及三维图像重构；
所述直播互动模块，用于实现授课者与听课者之间的视频、音频和文字的实时沟通；
所述直播室还包括，在所述教学空间的每个座位的桌面上设置音频、视频和文字互动系统，以使每个座位成为一个直播端。
本发明实施例中，所述直播室在所述教学空间的每个座位的桌面上设置音频、视频和文字互动系统，以使每个座位成为一个直播端，每个直播端可对应一个学员；然后通过视频采集模块、音频采集模块、视频显示模块和直播互动模块与总控室进行通信连接，直播室与直播室之间通过总控室进行教学交互。当直播室为授课室，或直播室为听课室时，授课室与听课室之间可以进行直播互动。
更进一步地，在直播听课室教室内设置红外线面部识别装置，该红外线面部识别装置可以设置在墙壁或天花板上。
更进一步地，本发明在课桌上安装VR(虚拟现实)眼镜，令与授课者处于不同领域的听课者有身临授课现场的感受。
在一个实施例中，所述直播室还包括时间延迟优化模块；所述时间延迟优化模块用于利用XMPP协议优化主播与直播之间的时间差，包括：
将直播数据文件分片，得到分片文件；将所述分片文件推送至虚拟聊天室，所述虚拟聊天室的用户包括所有当前直播端；
当有新分片文件产生时，向当前直播端广播所述新分片文件的分片号，以供所述当前直播端根据所述分片号下载所述新分片文件。
本发明实施例所述XMPP(可扩展消息处理现场协议)是基于可扩展标记语言(XML)的协议，它用于即时消息(IM)以及在线现场探测。它在促进服务器之间的准即时操作。这个协议可能最终允许因特网用户向因特网上的其他任何人发送即时消息，即使其操作系统和浏览器不同。
本发明实施例所述XMPP的前身是Jabber，一个开源形式组织产生的网络即时通信协议。XMPP目前被IETF国际标准组织完成了标准化工作。标准化的核心结果分为两部分，包括核心的XML流传输协议和基于XML流传输的即时通讯扩展应用。
XMPP的核心XML流传输协议的定义使得XMPP能够在一个比以往网络通信协议更规范的平台上。借助于XML易于解析和阅读的特性，使得XMPP的协议能够非常漂亮。
XMPP的即时通讯扩展应用部分是根据IETF在这之前对即时通讯的一个抽象定义的，与其他业已得到广泛使用的即时通讯协议，诸如AIM，QQ等有功能完整，完善等先进性。
XMPP的扩展协议Jingle使得其支持语音和视频。
本发明实施例中，考虑到直播教学的延续性，如何优化主播和直播之间的时间差优化，即在第一时间获取最新的分片文件非常关键。本发明一个实施例是采用XMPP协议来解决时间差优化问题，让服务器push主播视频编码的新的分片文件号给直播视频方。当直播用户开始收看直播时，先加入一个虚拟的聊天室，服务器应用也加入该虚拟聊天室，当服务器有新的分片文件产生时，服务器向虚拟的聊天室广播消息，通知有新的分片文件产生，并告知最新的分片文件号，直播用户的客户端收到分片文件号之后就去下载最新的分片文件。由于XMPP的实时性，直播用户的客户端能够在第一时间获取最新分片，并向服务器请求最新分片文件内容，并进行播放，从而达到了缩小延迟的目的。
表1显示了利用本发明实施例时间延迟优化模块之前的延迟时间对比，优化后的直播效果明显好于优化前，且7秒-10秒的延时无论从直播效果上、还是直播效率上都是最好的延时范围。
表1
在一个实施例中，所述时间延迟优化模块还用于通过第一优化处理和/或第二优化处理对主播与直播之间的时间差进行处理；
所述第一优化处理包括：对于延时要求更敏感的直播数据，对每个直播端连接维持一个较小的缓冲队列；对于卡顿要求更高的直播，对每个直播端连接维持一个较大的缓冲队列；
所述第二优化处理包括：对所有直播端连接的网络情况进行智能检测；当任一直播端连接的网络状况良好时，缩小所述任一直播端连接的缓冲队列；而当任一直播端连接当网络状况较差时，增大所述任一直播端连接的缓冲队列。
本发明实施例中，服务端提供灵活的配置策略，对于延时要求更敏感的，则在服务端在保证关键帧的情况下，对每个连接维持一个较小的缓冲队列；对于卡顿要求更高的直播，则适当增加缓冲队列的长度，保证播放的流畅。二是服务端对所有连接的网络情况进行智能检测，当网络状况良好时，服务端会缩小该连接的缓冲队列的大小，降低延迟；而当网络状况较差时，特别是检测到抖动较为明显时，服务端对该连接增加缓冲队列长度，优先保证播放的流畅性。
进一步地，通过主动的延时，防止技术问题，防止人为事故。过滤掉一些反动言论、色情图片等不适合直播、不利于和谐的内容，这个延时通过总控室控制。
在一个实施例中，所述主服务器模块包括：数据收发模块、适应性判定单元、模板单元、合成编码单元和云共享服务器；
所述数据收发模块，用于接收视频数据，并将合成编码单元的编码后视频数据传送给各直播端，还用于在适应性判断单元的判定结果为否时，向对应的直播端发送分辨率更改通知；
所述适应性判定单元，用于判断视频数据的分辨率是否与当前视频模板中对应的子窗口的视频尺寸相适应，如果相适应，则判断结果为是，如果不相适应，则判断结果为否；
所述模板单元，用于存储和设定当前使用的当前视频模板；
所述合成编码单元，用于根据各直播端的视频通道号，将各直播端的视频数据分别复制到所述当前视频模板中与各直播端对应的子窗口，对所述当前视频模板的视频数据进行编码；
所述云共享服务器，内置于所述主服务器模块，用于对直播传输信号进行缓存，并进行上传和下载教学资料。
本发明实施例所述总控室的所述音频视频同步模块将教师授课的计算机屏幕通过虚拟专用网络VPN专线传送到远方，配合音视频信号即时生动再现课堂场景。所述的虚拟专用网络VPN专线通过光纤、双绞线等多种形式，接入互联网，实现基于IP-MAN的VPN组网。
所述总控室可以通过主服务器模块控制屏幕显示的内容，可以显示授课教师讲课场景，可以展示直播听课教室的实时镜头，还可展示课堂互动的内容，甚至可以用画中画的形式展示不同类型、不同物理区域的视频。
在一个实施例中，所述视频采集模块包括摄像单元、降噪单元、中央处理器单元和存储单元；
所述摄像单元，包括2-8个高清摄像头，用于采集并生成视频信号，进行编码压缩；
所述降噪单元，用于对图像进行降噪处理并与所述摄像单元相连；
所述中央处理器单元，与所述降噪单元连接，将降噪后的图像进行压缩转化成为视频图像编码bgra32数据格式；
所述存储单元，用于接收中央处理器单元转换的视频信号图像编码。
具体的，所述摄像单元利用libx264将采集的视频信号进行编码压缩成H.264格式。所述中央处理器单元将降噪后的图像进行压缩转化成为视频图像编码bgra32数据格式。
在一个优选的实施例中，安装4个360度电脑控制旋转高清摄像头，加装三角盘录像机，能在控制室内调节监控内容，能够实现推近、拉远、旋转、跟踪监视等；如果作为直播授课室使用时，可增加2个人工控制的摄像机进行配合，能够全方位展现主演播教室的真实情形。
在另一个优选的实施例中，安装15个360度电脑控制旋转高清摄像头，加装三角盘录像机，能在控制室内调节监控内容，能够实现推近、拉远、旋转、跟踪监视等；并结合2个人工控制的摄像机进行配合，能够全方位展现主演播教室的真实情形。
中央处理器单元内部采用广播级10bit灰度处理，消除视频画面人工雕琢痕迹，色彩还原更加真实，颜色过渡更加和缓，色彩饱和度高，实现真正的彩色还原，光色渐变，提高视频图像的显示效果。
在一个实施例中，直播听课室的视频采集模块还包括互动手势识别系统，授课者和听课者之间、听课者和听课者之间通过手势识别能在大屏上实现互动。
在一个实施例中，所述音频采集模块包括拾音器单元、降噪滤波单元、音频控制单元、音频输出单元；
所述拾音器单元，与所述降噪滤波单元连接，用于采集声音数据，数据原始格式为PCM格式；
所述降噪滤波单元，采用双路降噪滤波器，用于实现独立左右声道增益调节和降噪级别调节；
所述音频控制单元，与所述降噪滤波单元连接，用于控制音频的声音大小和传输效果；
所述音频输出单元，与所述音频控制单元连接，用于利用speex编码器对音频数据进行编码压缩后，通过输出接口采用左右声道独立输出。
具体的，所述拾音器单元通过AudioQueue进行采集声音数据。所述降噪滤波单元对独立左右声道增益的调节范围为-20dB～20dB，对降噪级别的调节范围为0～40dB。
本发明实施例通过降噪滤波、音频控制等，极大的优化了硬件资源以及施工的复杂度，整体上降低了项目前期投入和后期的维护成本。
更具体地，当直播室作为授课直播教室使用时，更进一步地，增加可佩戴至授课教师身上的、输出功率为0.005-0.02W的无线麦克风进行采音，采音器可佩戴到头上、可手持、可佩带到衣领上。
在一个具体实施例中，增加可佩戴至授课教师头上的、输出功率为0.01W的无线麦克风进行采音。
在一个实施例中，所述视频显示模块还包括视觉传感器、LED光源控制模块、视频图像读取模块、空间信息计算模块和三维图像重构模块。
所述的LED光源控制模块，用于控制LED显示屏发出全彩色全景结构光；
所述视觉传感器，用于当所述LED光源控制模块使LED光源的供电电源处于ON状态时，获取得所述教学空间中的任意物点的深度和方位角度信息；当所述LED光源控制模块使LED光源的供电电源处于OFF状态时，获取所述教学空间中的任意物点的实际色彩信息；
所述视频图像读取模块，与所述的空间信息计算模块连接，用于读取所述视觉传感器的视频图像并存储；
所述空间信息计算模块，用于计算：所述教学空间中的任意物点到立体视觉测量装置中心点的距离及入射角；所述任意物点与所述视觉传感器以实焦点的距离；所述任意物点与所述LED显示屏的实焦点的距离；所述任意物点与中央眼的距离以及入射角；
所述三维图像重构模块，与所述空间信息计算模块及所述视觉传感器连接，用于将在所述视觉传感器中所获取的全景图像进行柱状展开运算。
本发明实施例所述LED显示屏可以为全景彩色结构光发生器。
本发明实施例在一些特殊场合，如需要全景彩色结构光发生器发出的是红外光谱，因此将LED器件的光谱范围选择在700nm～2000nm。
本发明实施例所述视频显示模块，利用LED全景大屏全方位直播讲课内容，充分利用LED显示屏集声、光电于一体的特性，令听课者身临其境，并能通过大屏幕实现与授课老师课堂互动，授课老师根据不同课堂反馈回来的问题，对讲课内容和讲课方式进行适时调整，真正实现了沉浸式的直播互动教学。
当直播室作为授课直播教室使用时，所述视频显示模块还可作为授课老师课件展示的屏幕使用。
所述视频显示模块还包括可在总控室进行远程控制的显示屏的开关、音响的控制、空调的控制、PLC智能上电系统等。此外，LED显示屏屏体采用“分步加电”的上电方式，既避免大负载对电网瞬间的冲击，又有效地保护显示屏体的工作组件，延长屏体的使用寿命，LED全景大屏如有特殊情况PLC系统可自动切断电源。
本发明实施例所述LED显示屏为全景大屏显示屏，其控制驱动电路具有过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、断路保护、过热保护、意外掉电保护等功能设置。
本发明实施例的LED全景大屏箱体采用热辐射性能好的材料，加快热量的散失；LED电子屏屏体装饰部分采用阻燃性能好的材料；LED显示屏设立温度、烟雾、湿度监控系统，通过热传感器，使屏体具有超温自动报警和自动调节功能。
为了适应情况的多变性，本发明实施例的LED全景大屏预留人工干预接口，以便采取应急处理措施。对于可能出现变化的部分，昼彩应急调节的手段，将合法的画面自动锁定。
优选地，所述LED显示屏为直立触控式电子装置。
优选地，所述LED显示屏为16：9或4：3的大尺寸显示幕。
优选地，所述LED显示屏的尺寸为(5-10)M*(2-5)M的其中一种尺寸，优选为7M*3M的尺寸。
为了实现LED大屏的立体全景效果，可配合授课者的课件进行自动的灯光调节，使得直播视频的讲课效果更真实化。
在一个实施例中，所述直播互动模块包括主持人系统、后台系统、用户端模块、人脸识别模块和互动切换模块；
所述主持人系统，用于将用户端模块与后台系统进行通信连接，将用户端模块的视频、音频或文字数据发送给后台系统进行处理；利用所述人脸识别模块对直播室的用户进行表情分析；
所述后台系统，用于根据用户端模块的视频、音频或文字数据进行分析判断，获取教学互动话题；
所述用户端模块，连接所述直播端，用于获取所述直播端的视频、音频或文字数据；
所述的互动切换模块，用于将延迟时间与时间预设值进行判断比较，若所述延迟时间大于第一预设值并小于第二预设值，则保持语音教学和文字展示；若所述延迟时间大于等于第二时间预设值，则关闭视频互动和语音教学，进行文字展示；若所述延迟时间小于第一预设值，则进行视频、音频以及文字的互动；
所述的人脸识别模块，包括人脸检测与定位模块、规范化模块、特征提取模块、识别模块；所述的定位与检测模块用于捕捉人眼坐标，并由人眼坐标得到人脸左上顶点和右下顶点的坐标；所述的规范化模块对采集的人脸图像进行规范化处理，将人脸对齐纠正所述的特征提取模块用于构造特征提取算子，提取人脸图像特征向量；所述的识别模块基于稀疏表征，采用SRC人脸识别算法进行多人脸识别。
本发明实施例中，在互动环节地学员服务包括课程预告(课程介绍、讲师介绍、预习资料)、学习参与(签到、提问、讨论等互动环节)、考试作业(课堂测验、课后作业、课后考试)、资料下载(课前预习资料、课后讲师讲义)、反馈建议(课程和讲师评价)、个人中心(查阅上课情况、平时积分及考试分数)。
综上所述，本发明所述一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统，其结构包括直播室和总控室。其中，直播室既可作为授课内，也可作为听课室，通过总控室对整个控制系统进行协调控制。任何一个听课室都可作为授课室使用，降低了另外设置授课直播教室的成本，授课老师可以根据需要选择自己最方便的直播室进行授课，授课教室内有听课者实际入场，便于调节教室氛围，更进一步提升教师讲课的效果。不同地域的听课者同样可选取离自己最近的直播室进行培训教育。本发明具有如下有益效果：
1、任何一个直播室都可以通过多机位的电脑控制和人工控制相结合摄像机布置实现授课者现场风采最优化的展现。
2、通过光、色渐变的LED全景大屏结合标准配备的阶梯教室实现听课者身临其境的感觉。
3、通过三维音效布置，实现音效身临其境的体验感。
4、通过人脸识别系统，控制多地音视频文字互动，用算法保证互动效果的最佳化。
5、利用先进的VPN传播方式，实现音视频数据的无损传播。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种巨屏全息还原真实场景的网络教学系统，其特征在于，包括总控室和N个直播室；
所述总控室，用于通过互联网服务器及音频视频同步模块实现对所有直播室的教学管理和监控；
所述直播室，通过互联网与所述总控室进行通信连接，用于在能容纳多人的教学空间，通过视频音频处理进行授课和/或听课的直播互动；其中，1个直播室作为授课室，其他N-1个直播室作为听课室，N为大于等于2的自然数。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述总控室包括主服务器模块和音频视频同步模块；
所述主服务器模块，用于实现数据的收发、传输、存储、下载和上传；
所述音频视频同步模块，与所述主服务器模块通信连接，用于通过虚拟专用网络VPN专线将教学音频和/或视频传输至所述直播室。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直播室包括视频采集模块、音频采集模块、视频显示模块和直播互动模块；
所述视频采集模块，用于进行直播互动的视频采集、视频图像降噪、对降噪后的视频图像进行编码压缩和存储；
所述音频采集模块，用于进行直播互动的音频采集、降噪、编码压缩和传输；
所述视频显示模块，用于通过LED显示屏进行教学内容的音频和/或视频显示，以及三维图像重构；
所述直播互动模块，用于实现授课者与听课者之间的视频、音频和文字的实时沟通；
所述直播室还包括，在所述教学空间的每个座位的桌面上设置音频、视频和文字互动系统，以使每个座位成为一个直播端。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直播室还包括时间延迟优化模块；所述时间延迟优化模块用于利用XMPP协议优化主播与直播之间的时间差，包括：
将直播数据文件分片，得到分片文件；将所述分片文件推送至虚拟聊天室，所述虚拟聊天室的用户包括所有当前直播端；
当有新分片文件产生时，向当前直播端广播所述新分片文件的分片号，以供所述当前直播端根据所述分片号下载所述新分片文件。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述时间延迟优化模块还用于通过第一优化处理和/或第二优化处理对主播与直播之间的时间差进行处理；
所述第一优化处理包括：对于延时要求更敏感的直播数据，对每个直播端连接维持一个较小的缓冲队列；对于卡顿要求更高的直播，对每个直播端连接维持一个较大的缓冲队列；
所述第二优化处理包括：对所有直播端连接的网络情况进行智能检测；当任一直播端连接的网络状况良好时，缩小所述任一直播端连接的缓冲队列；而当任一直播端连接当网络状况较差时，增大所述任一直播端连接的缓冲队列。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主服务器模块包括：数据收发模块、适应性判定单元、模板单元、合成编码单元和云共享服务器；
所述数据收发模块，用于接收视频数据，并将合成编码单元的编码后视频数据传送给各直播端，还用于在适应性判断单元的判定结果为否时，向对应的直播端发送分辨率更改通知；
所述适应性判定单元，用于判断视频数据的分辨率是否与当前视频模板中对应的子窗口的视频尺寸相适应，如果相适应，则判断结果为是，如果不相适应，则判断结果为否；
所述模板单元，用于存储和设定当前使用的当前视频模板；
所述合成编码单元，用于根据各直播端的视频通道号，将各直播端的视频数据分别复制到所述当前视频模板中与各直播端对应的子窗口，对所述当前视频模板的视频数据进行编码；
所述云共享服务器，内置于所述主服务器模块，用于对直播传输信号进行缓存，并进行上传和下载教学资料。
7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述视频采集模块包括摄像单元、降噪单元、中央处理器单元和存储单元；
所述摄像单元，包括2-8个高清摄像头，用于采集并生成视频信号，进行编码压缩；
所述降噪单元，用于对图像进行降噪处理并与所述摄像单元相连；
所述中央处理器单元，与所述降噪单元连接，将降噪后的图像进行压缩转化成为视频图像编码格式；
所述存储单元，用于接收中央处理器单元转换的视频信号图像编码。
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述音频采集模块包括拾音器单元、降噪滤波单元、音频控制单元、音频输出单元；
所述拾音器单元，与所述降噪滤波单元连接，用于采集声音数据，数据原始格式为PCM格式；
所述降噪滤波单元，采用双路降噪滤波器，用于实现独立左右声道增益调节和降噪级别调节；
所述音频控制单元，与所述降噪滤波单元连接，用于控制音频的声音大小和传输效果；
所述音频输出单元，与所述音频控制单元连接，用于利用speex编码器对音频数据进行编码压缩后，通过输出接口采用左右声道独立输出。
9.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述视频显示模块还包括视觉传感器、LED光源控制模块、视频图像读取模块、空间信息计算模块和三维图像重构模块。
所述的LED光源控制模块，用于控制LED显示屏发出全彩色全景结构光；
所述视觉传感器，用于当所述LED光源控制模块使LED光源的供电电源处于ON状态时，获取得所述教学空间中的任意物点的深度和方位角度信息；当所述LED光源控制模块使LED光源的供电电源处于OFF状态时，获取所述教学空间中的任意物点的实际色彩信息；
所述视频图像读取模块，与所述的空间信息计算模块连接，用于读取所述视觉传感器的视频图像并存储；
所述空间信息计算模块，用于计算：所述教学空间中的任意物点到立体视觉测量装置中心点的距离及入射角；所述任意物点与所述视觉传感器以实焦点的距离；所述任意物点与所述LED显示屏的实焦点的距离；所述任意物点与中央眼的距离以及入射角；
所述三维图像重构模块，与所述空间信息计算模块及所述视觉传感器连接，用于将在所述视觉传感器中所获取的全景图像进行柱状展开运算。
10.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述直播互动模块包括主持人系统、后台系统、用户端模块、人脸识别模块和互动切换模块；
所述主持人系统，用于将用户端模块与后台系统进行通信连接，将用户端模块的视频、音频或文字数据发送给后台系统进行处理；利用所述人脸识别模块对直播室的用户进行表情分析；
所述后台系统，用于根据用户端模块的视频、音频或文字数据进行分析判断，获取教学互动话题；
所述用户端模块，连接所述直播端，用于获取所述直播端的视频、音频或文字数据；
所述的互动切换模块，用于将延迟时间与时间预设值进行判断比较，若所述延迟时间大于第一预设值并小于第二预设值，则保持语音教学和文字展示；若所述延迟时间大于等于第二时间预设值，则关闭视频互动和语音教学，进行文字展示；若所述延迟时间小于第一预设值，则进行视频、音频以及文字的互动；
所述的人脸识别模块，包括人脸检测与定位模块、规范化模块、特征提取模块、识别模块；所述的定位与检测模块用于捕捉人眼坐标，并由人眼坐标得到人脸左上顶点和右下顶点的坐标；所述的规范化模块对采集的人脸图像进行规范化处理，将人脸对齐纠正所述的特征提取模块用于构造特征提取算子，提取人脸图像特征向量；所述的识别模块基于稀疏表征，采用SRC人脸识别算法进行多人脸识别。
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