一种可视互动实验教学辅助系统的设计与实现

(福建农林大学机电工程学院，福建 福州350002）

嵌入式系统实验通常是一个软硬件相结合的系统实验，实验难度相对于纯软件实现要复杂得多，学生在实验过程中会出现各种各样的问题，很多问题都没有共性，不方便集中讲解，教师往往要在学生中间巡回手把手的个别指导，一堂课下来，教师往往会疲惫不堪，同时由于学生问题经常不能得到及时解决，导致实验课效率很低。为此，笔者提出了一种可视交互式实验教学辅助系统，使教师和学生都不必离开自己座位，通过屏幕、语音、文件和文本进行互动，不仅能及时解答个别学生问题，而且还能组织部分或全体学生针对某一问题进行可视互动讨论，大大提高了实验教学的效率❶福建农林大学高等教育教学改革基金（01jg04079）。。

1 远程桌面协议

可视互动实验教学辅助系统的核心功能是实现将教师PC屏幕实时图像信息发送到每个学生PC显示器上实时显示，同时学生PC屏幕视频不仅能在教师显示器上回放，而且教师也能够远程操作学生电脑，即 “远程桌面共享”功能。目前实现远程桌面共享功能的主流协议有3种[1]，分别是 “X Window”、“RDP”和 “VNC”，X Window是实现Linux系统图形界面的基石，因此主要运用在Linux系统中；Windows操作下常用的远程桌面协议是RDP（Remote Desktop Protocol），该协议专门为远程管理和维护Windows系统设计，适用于多个用户同时互不影响的管理和使用同一电脑；VNC（Virtual Network Computing）协议核心原理是 “将一个矩形区域的象素点放置在一个特定的位置上”[2]，因此该协议与操作系统本身无关，即VNC是一种跨平台的远程桌面协议，能在Windows、Mac和Linux等目前主流操作系统上运行，同时，由于VNC只传输屏幕变化的矩形区域部分，因此带宽消耗低，系统资源开销小。

实验教学辅助系统的核心功能是 “双向远程桌面共享”，能满足需求的只有 “X Window”和 “VNC”，但由于嵌入式系统实验过程中学生要同时使用Windows和Linux操作系统，所以最终只能选择目前唯一可以跨平台的VNC协议。

VNC是AT＆T剑桥实验室研发的基于TCP／IP的瘦客户平台，由 VNC Server和 VNC viewer组成[2]，结构如图1所示。VNC Server产生本地显示，VNC Viewer将这个显示画到自己的屏幕上，两者之间使用的是VNC协议。

图1 VNC结构图

2 系统设计总体框架

系统采用的是C／S架构，由客户端和服务器端组成，如图2所示。

图2 可视互动实验教学辅助系统结构图

实验中教师集中讲解时，通过图2中的屏幕视频服务，将教师屏幕图像向所有学生广播，学生通过自己的显示器能同步观看到教师的操作；学生实验时，教师可随时任意轮巡观看学生屏幕，查看实验进展情况，必要时教师可以远程操作学生PC，以指导学生完成实验；实验过程中教师发现或学生反馈有共性的问题时，教师通过图2中的文件服务，主动获取学生电脑上的相关文件，作为典型错误的资源，教师及时集中讲解或组织学生集体讨论以激发学生积极性；学生间以及师生间可随时通过图2中的文本服务和语音服务进行简单交流，问题较复杂时，再启用前面的双向屏幕交流方式。

师生间通过以上系统提供的文本、语音、文件和屏幕4种互动方式，能有效解决实验中的沟通和交流问题，教师及时答疑解惑，增强了学生实验过程中的自信心，从而提高了教学效率。

3 系统实施和关键技术问题解决

图2所示系统涉及音视频实时采集、编码、解码和回放以及网络即时通讯、网络多播等技术难点[3]，系统编程实现难度高工作量极大，系统部署和维护也需要专业人员管理，同时由于视频数据处理和传输都要占用大量的CPU时间和带宽，为了保证视频的实时传输，必须专门配备至少一台高性能服务器，因此系统硬件成本也很高。

为了不增加硬件成本，设计时将服务器端功能移植到客户端中，充分利用实验室每台PC的计算能力，不仅节省了购买专门服务器的开支，而且也不需要专业人员进行集中管理维护，系统部署和维护简单，使用也很方便；通过使用开源和免费软件，只需进行简单的源代码修改和软件配置，就能快速实现系统的所有功能，也节省了软件和人力成本。

IP Messenger[4]是一款全球非常流行的开源局域网即时通信软件，能实现图2中的 “文本交流”、“语音交流”和 “文件交流”功能，该软件既是客户端也是服务器端，能很好地满足该系统需求，同时该软件使用上与QQ类似，师生能很快学会使用，编译生成该软件的绿色版本，就能方便与该系统集成。

TightVNC[5]是一款全球流行的VNC开源软件，能很好地实现图2中的 “屏幕交流”功能，最新版本为V2．0．4，可编译成为绿色版本：客户端功能由 “vncviewer．exe”可执行文件提供，服务器由可执行文件 “tvnserver．exe”和动态库文件 “screenhooks．dll”提供。

如何部署TightVNC是实现该系统核心功能和减轻系统维护工作量的关键，现重点说明如下：

1）教师机上只安装TightVNC客户端，学生机上只安装TightVNC服务器端，这样，教师通过客户端可随时查看和控制学生远程桌面，默认情况下，服务端第一次运行前要求输入密码，运行时其图标会显示在学生系统托盘中，学生通过该图标的右键菜单可以关闭服务器端，这样教师就无法远程查看学生桌面了，学生也可修改服务器端密码，教师因输入密码错误而同样无法访问学生远程桌面。解决问题的方法是让服务器端运行时不提示输入密码，也不显示系统托盘图标，因为这些信息都是记录在注册表中的，因此实现方法是预置所有相关注册表项，对应表项为 “HKEY＿LOCAL＿MACHINE＼SOFTWARE＼TightVNC＼Server”主键下的 “RunControlInterface”和 “ControlPassword”值项，其中密码是通过DES加密后的密文，通过查看源代码[5]，默认64位加密密钥为 “｛23，82，107，6，35，78，88，7｝”，如果修改该密钥，既使学生知道注册表项中的密文，也无法破解对应的密码，系统安全性会更高。

2）教师集中讲解时，为了实现学生屏幕与教师屏幕同步显示，可以通过在教师机上运行服务器端，而学生机上运行客户端来实现，实践表明当课堂规模在15人左右时，教师机使用3．0GHz主频的双核CPU，系统运行比较流畅，但当学生人数增加时，教师机性能急剧下降，甚至出现长时间无法响应教师操作现象。原因是VNC采用的是点对点有连接TCP方式，每新增一个客户端，连接数就会增加一个，同时实时屏幕视频数据就要多传输一份，因此系统开销会增长很快。解决的方法是使用无连接UDP的组播方式，使用该网络通信方式优点是随着客户端数量增加，服务器始终只需传输一份视频数据，即客户端数量不会影响到服务器性能，不仅减轻了服务器压力，同时也节省了网络带宽。TightProjector软件[5]就是采用这一机制的高效屏幕广播软件，其服务器端由 “tightprj．exe”实现，而客户端由“tightrcv．exe”实现，通过在教师机上安装服务器端，学生机上安装客户端，实现了教师屏幕向所有学生广播功能。

4 结 语

笔者提出的设计方法，整合了各种开源和免费软件资源，不需要增加任何硬件配置，就能快速搭建一套可视互动实验教学辅助系统，不仅可以解决嵌入式实验教学中的实际问题，而且所有基于PC的教学和实验课都可能采用，整个系统运行隐定、实时性好、支持大规模多用户并发使用，维护和管理极其简单。由于3大组成部分自成体系，系统与部分是松耦合的，下一阶段的工作主要是加强各个部分之间的联系。

[1]梁飞蝶，李锦涛．瘦客户计算应用协议中远程显示机制的比较 [J]．计算机工程与应用，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]杨勇，陈新．高性能实时交互式远程教育环境服务器的设计与实现 [J]．福州大学学报，2009，37（3）：357-361．

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

[5]TightVNC官网 [DB／OL]．http：／／www．tightvnc．com，2011-03-09．