教学多功能厅教学展示系统的设计与实现.docx

摘要目前很多学校都有多功能厅，既然有此名则此厅必须具备多项功能，其可以进行教学活动，也可以进行会议活动，既能进行学术交流，也可以文艺表演.当前，由于科技的发展，和电子技术的进步，使得多功能厅能够真正做到名副其实。我的论文主要研究多功能厅的教学方面的功能，淡到教学，目前的学校都采用了工富有趣的多功能手段对学生进行教育，使原本枯燥的学习变得丰富多彩,使原来抽象的知识可以形象直观地展示在学生面前。在此我们主要是讨论如何设汁一个教学展示系统。传统教学般都在课堂进行,课堂教学环节是学生接受系统教育最重要的环,做好教学互动环节，是掌握好教学环节的质量,提高教学水平的关键：现行的教学过程中，传统的签到、疑问确认、提问互动、课堂小测试等环节存在诸多问题.签到过程中，使用纸张签到，效率低且存在代签现象，结果不便于教研统计，提问互动环节和课堂小测试的环节中，教肺给出问题后，学生举手或者口头回答，对于结果，老和不能获得准确的统计数据，而只能根据大体情况来判断是否需要对此知识点进行教授.没仃准确的反馈数据也不能进行后期的数据挖掘和数据统计工作。因此传统的教学方式已经越来越不适应现代化教学的需要，由于当前网络技术的飞速发展,使得基于自动化技术的集智.苞教学、人员考勤、设备管理、环境智越调节、视频资源保存及远程控制于体的新型现代化互动教学具备了基本条件，由此我设想可以设计一个新型的多功能教学展示系统,用来提高教学的直观性，趣味性。本次设计主要是探讨系统的展示功能，包括展示的声，画，多媒体体脸以及最新的虚拟现实等方面。关键词：音质设计，信息技术，情景模拟，教学资源第一章前言教学多功能厅的设计思路体现出运用自动化的三个层次（应用层、网络层、感知层），把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人的泛在能接，实现对物品的智慧化识别、跟踪、监控和管理。同时，能满足学校自动化技术专业开设的自动化片论、传感器原理及应用、无线传感器网络及应用、自动化工程及应用、自动化标准与中间件技术、自动化应用系统设计等课程的实践实训教学需要，并为学生或教师的自动化技术应用项目开发提供平台。教学多功能厅融先进理念和先进科技于一体，时刻能激发教与学的主体自由发展，集成多种教学形式。这种新型多功能厅具有人性化、开放性、交互性、智能性等特性。教学多功能厅中需要包括云技术、网络技术、多屏显示技术、智能环境控制技术、交互显示终端与互动反馈技术等.从教育、技术、空间的角度设计多功能厅的多种媒体，以促进学习者的学习和发展为中心，为学生和老师困新进行设计，以满足多种不同形式的知识、情感与技巧的教学和交流，体现先进性、舒适性、人性化、以及自由、和谐等特点。可以充分调动学生做为学习的主体展开个性化、交互式的学习模式，培养学生独立的学习习惯以及相互协作的团队协作学习能力。系统主要完成根据不同的教学内容整合不同的教学环境、远程互动教学、师生资源互动、双板教学、电子书包、无线投屏以及教师、学生、板书的高清视频自动跟踪采集，音频采集，教师电脑屏幕被取，教师/学生/板书视频/计算机画面智能导播并进行电影模式和资源模式的课件录制、学生考勤系统、环境管控等功能。课常外通过资源集中管理平台在局域网、互联网上将教室内的所有教学场景直播，为远端用户提供在线实时学习的平台。第二章设计目标当前，多功能厅种类繁多，功能不设备质员参差不齐，已建成的教学多功能厅利用率低。为保证本项目的顺利实施，利用有限的资金，把研讨教学多功能厅建设成功能齐全，设备配置流，在教育教学改革中起到引领作用的研讨互动型教室。主要从以下几方面体现： 将传统教室建设成支持自动化覆盖的料慧研讨教学多功能厅： 打造智慧精品教室，集多种教学应用功能于一身的多元化教室； 建立“套应多套”的方案模式，将智修研讨教学多功能厅应用建设成全功能方案： 实现教学资源的均衡共享，发挥多媒体设备在信息化教学中的应用效果： 积极做好教师个人知识管理，专家引领、同伴互助，提高教科研能力： 全面提升学校的软硬件的信息化环境： 为教育均衡化发展提供决策支持数据； 开放的优质教育资源为学生家长提供服务： 为学校发展枳累丰富的教育教学资源，形成学校优质资源和特色资源： 开放的优质教育资源为学生提供服务： 建立在线学习交流平台，实现学生自主学习、充分享受优质资源最佳的主动学习环境。第三章声音的设计和实现设计需要遵守一定的行业规范和设计标准，这是指导设计的根本，木设计方案参照以下规范和标准。K厅雎扩声系统设计规范GB5O37I-2OI96会议系统电及音频特性性能要求GB/TI5831-94民用建筑设计隔声设计规范GB.J118-18C厅堂照明设计及光污染限定标准WHO2O1-2OI8g民用建筑电气设计规范JGJ/TI6-96系统设计原则1 .先进性则采用的系统结构应该是先进的、开放的体系结构，和系统使用当中的科学性。2 .实用性原则一一能够最大限度的满足实际工作的要求，把满足用户的业务管理作为第一要素进行考虑，采用集中管理控制的模式。3 .可扩充性、可维护性原则要为系统以后的升级预留空间，系统维护是整个系统生命周期中所占比例最大的，要充分考虑结构设计的合理、规范对系统的维护可以在很短时间内完成。4 .经济性则在保证系统先进、可靠和高性能价格比的前提卜.，通过优化设计达到最经济性的目标。扩声设计主要实现语言信号传播的清晰、明亮，音乐信号精确的重现原音。系统的声学特性指标应达到和超过国标中GYJ25-86中相应的语言扩声环境和音乐扩声环境中的系统一级的要求必须从建筑声学环境、电声环境进行完善的设计。会议厅的音频扩声系统对整个会议的召开起着至关重要的作用，一个好的音频扩声系统可以带给与会者愉悦的会议享受。会议扩声的总体设计对整个会议室的建设是尤为重要的，它要求设计者必须全盘考虑，思跖清晰，这时的不合理，不周全将会使扩声系统的质盘受到影响。所以，扩声系统设计的定位应该本若实事求是的原则，不追求不切实际的高档和花哨，也不能忽略影晌工程质量的重要功能。除此之外,室内装修，声场设计，安全防火，合理用电，避免环境污染也尤为重要。会议厅内可容纳大概200多人坐席。室内使用面积大约260平米左右，为广能满足所有与会者的听觉需要，会议室内的扩声系统除J'要有足够的声乐外，还需要有均匀的声场效果。同时还要充分利用原有的设备，节省投资。综上我们考虑在主席台两侧，安装两只小型大功率专业扩音音箱作为会场主音箱。在主控室使用了专业有源监听音箱，使控制室操作人员能及时准确监听到现场情况。为了使整个会议室的声场均匀，需要提高会议室的听众区域的声压级，选用了4只全频小型大功率的环绕音响，均匀分布于听众席四方。这4只扬声器选用了两台功放控制。环绕扬声器的应用，为整个会议室提供了更加均匀的音效，而且，它们还可以作为背珏音乐的扩声系统，使用于会议中场休息、会议入场式等等。会议扩声系统不仅能对DVD、录像机、录音卡座等AV音源设备进行扩声，而且，还可实现对会议发言和远端音频信号进行还原扩声：a能接收、发送远端音频信号：b.能对音频信号进行还原、放大，并且不会产生回音和晒叫：c.会议扩声时，以主扬声器为主，其他扬声器则加以配合以达到单点声源的效果：d.系统保证了声场的均匀度指标：C.系统应能平衡主扬声器和辅助扬声器在音质和声压级上的差别：f.数字化调音台信噪比高、失真小,带呼音编组且带有多路输出。保证了调音台背景噪声最小，且有足够的音频信号输出通道提供电视会议及音频录制端II等。g.为了提高系统的可靠性，功放具有可靠性最高的智能化电路控制设计；h.前置反馈抑制、选用强指向话筒及无线话筒采用内置反馈抑制及限幅。话筒在不同位置时均有良好的传声增益，不致引起扬声器啸叫：1.可播放电视会议、摄象、录象、DvDM:DCDMP3、CATV等输出的音频；j.音源要求：能够长时间不中断、连续录音。除了专业CD、专业卡带等音源外，还备方可供了音源设备使用的接入口：k非专业人士也可轻松的进行数字混音、数字调音，预置效果、应用场景可以键到位；1.使每一位与会人员都能听到清晰的声音：m.台下与会人员也可参与发言、讨论：n.会议厅必须具备电视电话会议功能所需的接口：0.会议厅扩声系统达到国家有关语言一级标准：P,能通过接口与集中控制系统连接。一个好的听音环境的建立，包括建筑声学和电声两个方面的内容，专业音响工程的建筑声学主要是厅堂的建筑声学，相同的设备发挥的水平高低不一的原因，一般都是建筑声学条件的不同，无论多么优良的设备，一旦放在建筑声学条件恶劣的环境中，肯定不会达到好的结果，而建筑声学要求还会因为工程的使用要求不同而不同，也会受建筑装饰质量的影响，建筑声学效果好的厅堂应该是混响合理，声音扩敢性好，没有声聚焦，没有可间的振动噪声，没有声阴影，没有声柱波等等，建筑声学的要求不能单方面由音响设计人员进行，它需要建筑装饰技术人员的有力配合，但由于双方的设计思路和要求不尽相同，这就需要音响工程的总体规划工作尽早开始，经常保持双方的联系，以取得相互的理解和密切配合，其中混响时间的选取可以根据工程的性质和川途来确定，必要时应该借鉴一些优良工程的经验“在建筑声学中需处理的问题主要有以下几个方面：3.1确定最佳混响时间自上世纪末建筑声学奠基人赛宾提出混响时间计尊公式以来，因其简明地表达r与大厅容积和室内总吸声他的关系，并与主观听音评价密切相关，而成为音质设计中重要参量，一直沿用迄今。室内吸声装修主要是为了混响时间而设置。混响时间指标的评价标准到现时为止，虽然国际上流行的或国家颁布的标准都没有一个硬性严密的指标，但对不同功能的厅堂都有推荐值。多功能厅堂，最佳混响时间是1.2-1.4杪/500HZ.对于会议厅，最佳混响时间是0.91.3秒500Hz.为了能有良好的扩声环曳，建议在天花和后墙上适当地铺设吸音材料.3.2吸声、反射和扩散等建筑声学条件必须综合考虑混响时间的计算公式是以假定声场充分扩散为前提的，当然在实际工程中达不到这条件，也是计算与实际间出现误差的原因之一。在非理想扩散声场条件K单以混响时间这一参量来评价音质是不够的。在探索第二音质参发过程中发现混响衰变过程中的反射声（尤其是早期部分）结构细节，即反射声序列的时间、强度、数量乃至方向的组合不同，其音质效果也会有很大出入这就联系到房间形体、室内吸声和反射面的布且、以及声源和接收点在室内所处位置和它们附近的声学条件等.成为设计中必须考虑的因素。研究早期反射声结构细节中，有两个重大进展。是认识到掌握早期反射声能与整个（或后期）反射声能之比值是制约语言清晰度和音乐明晰度的更要参最。其二是，在音乐厅（不是所有各类厅堂）设计中,为了获得富有环绕感的音质气氛，呈现出大乐队所特有的宽阔声源场面，更希望这些早期反射声有相当部分来自侧向。于是大厅形体的JR要性在音质设计中愈加凸显，推动了音版设计中的多参员化学虑。上述音质设计方法的逐步完善是建立在综合考虑基础上的，是相互补充的，因此既非对立，乂非替代0在建筑上主要是由美观的角度设计确定，但从建筑声学的角度出发，必须对各个面的具体形状给予仔细的考虑，总的来说是尽可能获得有效的直达声和有利的反射声分布以及消除不利的反射声，使声场达到一定的扩散要求。天花：如果天花为穹顶，为避免声聚焦，使一次反射声能比较均匀地分布在座位上，通常是使前部天花压低，然后以分段的凸孤逐渐向后开张。如果开花高而且平，不利反射声的扩散，而且反射声有可能产生回声现象，可以在顶部吊一些与整体相协调的“浮云式”天花，保证反射声的分布，避免反射延时过长。侧墙：对于平行的恻墙面，很容易形成“颤动回声”，如不作形状处理，应适当地铺吸音材料。后墙：后墙的处理一定要避免声音反射到前面座位形或不利的回声感，应铺设强吸音材料,3. 3早迟声能比和侧向声能比的处理以统计声学理论推导混响时间公式时需要有扩散声场的条件，理论上“扩散场”应满足两个条件：能量密度均匀和声能岗流在各个传播方向上是无规则分布的.当一个短促的声音（实际声源都不是稔态的）在室内发出经多次界面反射以后逐渐衰变，并形成为交混网响.乂称混响过程，在室内没有大面枳强吸声面的情况下，这时的声场接近扩散声场条件。但在混响过程的初始阶段，反射声数量有限，其扩散过程远不如后期。同时，在实际大厅中都有集中在听众席的大片吸声面，所以不可能有理论上的“扩散声场”。为使厅堂具有良好听音条件所需的声场扩散，给听众沉浸于音乐包树之中的感受，对于声音的衰变过程应趋于均匀滑顺，使音质听未有圆润之感。著名声学专家MBUrrVn多年的研究得出，从侧向来的反射声比天花来的反射声更具空间感和环绕感，结合现在的研究和实践表明，要达到好的音乐听感，早期反射声能量和方向具仃关键性作用.这一要求显然不同于理论上的“扩散声场”条件。实际上在一个“充分扩散''的声场中，好比在“混响室”中欣赏音乐，听众将会不辨声源的方向，也不会有好的音质。如何掌握早期侧向反射声的分寸，目前还处于半定量阶段。在设计方法上，主要利用界面，特别是侧墙的特定形状来改善，努力使听众席，尤其是前中座仃较丰富的早期侧向反射声。第四章投影的设计和实现4. 1大屏幕投影显示系统设计说明会议厅内可容纳大概200多人坐席。为了能满足所有与会者的视频观看的需要，会议厅的大屏幕显示是必不可少的。大屏幕的使用，满足r与会者的视频观看的需求。设计采用采用固定方式将投影机吊顶安装在天花板上，投影机采用亮度非常高的松下(Panasonic)PT-WW360O1.液晶投影机(3800ANSI流明，16000:1对比度)，满足大屏幕显示亮度的需要。在使用正投影时,电动大屏噂展开,实现正面投影的话要：在不用时，屏幕收起陷藏在屏幕盒内，对会议厅的整体格局和美观没有丝老的改变，不影响整体装修格调。正投影班幕采用进口电动投影暮，外形美观，保证亮度均匀，色彩还原其实、防火、防潮，使用寿命长。安装时屏幕壳体可嵌入窗帘盒内，整体大画面感觉更显气派.4. 2.实现功能a.能接收、发送远端会议室视频图像信号：b.可将计算机信号、视频信号通过大屏幕显示；c.可播放电视会议、摄象、录象、DVDvCD、CATV等输出的视频图像；d.能将各种不同来源的视须信号分别显示在不同的显示设备上：e.视频多媒体管理系统设有矩阵。f.专业高速云台、高分辨率的彩色摄像头应能及时把现场情况反映给与会者、控制室并能作为会议系统的信息进行存储。g.能清晰的显示、记录电视电话会议远端和本端的图像信号：h.能通过接口与集中控制系统连接。多媒体接口系统设备包含矩阵切换器、放大、分配器和多种安装方式的用口，是用户与系统接触的界面、路径，系统整体性能的好坏、可靠性的高低、可扩充性升级能力等直接表现于此。该设备主要是对多路信号源进行选择并控制再将多路（电脑8路、视频16路）信号联接到输出设备。可以通过RS232遥控操纵选择由哪路信号进入投影机、等离子屏或显示器。所有视音频信号经此设备聚中管理，只须改换指令即可调配各路信号，节省了众多的切换/分配设备，降低了信号在传输过程中的衰减，所有信号集中管理体现了系统的整体性，可靠性也得到了加强“我们还设计了在主席台前部进行安装多媒体接驳接口，以使各种信号线能方便美观牢固地连接第五章总控系统的设计和实现教学多功能厅方若众多的显示设备比如：投影显示、会议系统、扩声系统、灯光系统、电动设备、摄像系统和AV影音源等等。单一的人工手动操作控制，已远远不能满足现代化会议室的要求，所以，会议室的中央控制系统也是现代化会议系统中个必不可少的系统。5. 1中控设备选择会议厅的中央控制系统采用了艾维创最新型主机，它采用了ARMI1.内核的处理器，频率达到了IG赫兹，内存也有1G.2G闪存，支持SS1.加密、A-Contro1.技术：支持SNMP.内置防火端内置WEBSERVER.兼容KNXEIB成员的产品，支持楼控协议MODBUS.BACNET.支持浏览港R，S模式控制，支持IPAD、ANDRon）QS控制模式，支持模块及COMP1.1.ER+喑言编程方式，使系统更加智能、方便、稳定：最大8路独立可编程RS-232/422/485控制接口，用户可编程设置多种控制协议和代码：支持USB2.0和以太网编程通iR；支持本地控制，同时透过E-C1.USTER云平台服务，不需要固定IP实现远程控制：提供开放式的可编程控制平台及开发包、人性化的中文操作界面和交互式的控制结构：1U金属机箱设计，符合国际机箱标准，可安装于任何19英寸的机柜上。全面支持远程网络控制，内建网络接口，支持网络级联，支持IOS（IPad斤PhOne）、andmid（安卓）、传统射频触屏手持终端,通过Wifi与主机通讯：时间轴多线程事件功能，应用于展示互动：支持系统自动云诊断、云备份、云恢复：系统支持主机自备份功能。同时系统配备无线液晶触摸屏，无线液晶触摸屏可以与控制主机间进行双向无线通讯，实现无线触摸屏无线控制整个系统的设备。可以安装在会议厅的进口处,更方便的进行系统设备的简单控制。为了控制更多的开关量如窗帘、屏幕等设备，我们在系统内添加了强电扩展模块。为J'对教室内的灯光进行控制，使室内的灯光无级变化，我们在系统中配置了4路的调光模块。红外发射棒是实现主机对带红外设备的控制诸如：DVD、录像机、R座等.5. 2实现功能a,集控系统的主机采用高集成化、可扩展的主机，满足买方要求的广泛的设备接口；在安装控制系统的控制室内集中控制多个系统,实现多种音视源如VCR、DVD的共享：主控触摸屏采用彩色液晶触摸屏，控触摸屏采用无线彩色屏幕触摸式.具有美观、实用、易操作、可靠性高、对话直观、遥控区域灵活等特点；d.能进行远程控制及操作：e.可以进行佶号源分配：£可以进行传送切换视频图形：g.可以进行事件触发；h.可以进行定时广播；1 .系统接口应有红外、RS-232等，便于现场匹配；j.系统可控制自动混音器、调音台左中右输出音量、专业CD机、专业卡座：k.系统可控制视顼设备（亮度、对比度和色彩）、摄像头（变焦、光圈云台）、矩阵、专业影碟机、专业录像机。1 .系统可控制会议系统的基本操作：m.控制系统的软件有友好的用户界面，而且能同步控制多个系统和预设系使用的情景模式；n.系统具有扩展性；0.系统可设定时间并建立各种控制指令。第六章虚拟仿真系统的设计和实现6.1项目建设内容虚拟3D效果展示系统（弧形边融合系统、CAVE显示系统）虚拟3D效果展示系统主要目地是将编缉好的3维仿真图形，能过软件播放的形式在大屏幕系统上展现出来，通过佩1戴3D眼镜观看虚拟现实的效果。卜图展示了3D效果展示方式图一的上面部分是孤形边融合系统的系统顶视图，以及计第机模拟的立体模型，图一的下半部是CAVEA虚拟3D显示设备的顶视图和计算机模拟立体模型示意图,上图是当前比较常见的几种利用虚拟3D技术开发的体验系统，包括虚拟的游戏环境,以及计算机辅助设计系统6.2体感互动系统通过手势操控大屏幕上播放的内容,如韶页、视频播放、笆停控制等。上图是体感手势控制背景进行切换上图展示了体感互动的展示效果，这种技术不仅可以运用在游戏当中,还可以结合各类触摸互动系统，地图沙盘模拟展示系统等使教学更具有趣味性和多样性。结论本系统依据先进的设计思路和强大的网络，以及声光电等各种手段，完成根据不同的教学内容整合不同的教学环境、远程互动教学、课堂内的师生资源互动、双板教学、电子书包、无线投屏以及教师、学生、板书的高清视频自动跟踪采弟，音频采集，教师电脑屏幕截取，教师/学生/板书视频/计算机画面智能导播并进行电影模式和资源模式的课件录制、学生考勤系统、虚拟现实模拟，环境管控等功能。课堂外通过资源集中管理平台在局域网、互联网上将教室内的所有教学场景直播，为远端用户提供在线实时学习的平台，后期把课件上传至编辑系统实现对精品课程的编辑。以此来达到改变传统枯燥的你教我学，单向被动的学习模式，真正做到了每个人都是教学的主角。