Verteiltes Video-basiertes mobiles Lernen - ein praktischer Beitrag zum e-learning an der FHTW

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1 Verteiltes Video-basiertes mobiles Lernen - ein praktischer Beitrag zum e-learning an der FHTW H.L.Cycon, M.Palkow, H.Regensburg, S.Hensel Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Abstract: Wir berichten über ein Multimediakommunikations- und Videokonferenzsystem und seine Anwendungen in verschiedenen e-learning Szenarien. Das System ist für Intranetanwendung konzipiert, aber auch für Internet und Funknetzanwendungen (WLAN) geeignet. Mit diesem System werden auch neue e-learning Szenarien ermöglicht wie verteiltes videobasiertes Präsentieren, verteiltes Aufzeichnen und Streaming der gesamten aufgezeichneten Aktionen. 1. Einleitung E-learning, das Lernen mit und über elektronische Medien, ist in aller Munde und erweckt diffuse Erwartungen. Während manche darin neue Hoffnung auf den Nürnberger Trichter sehen, glauben andere, dass hier ein riesiges Potential zur Personaleinsparung an den Hochschulen liegt. Beide Hoffnungen muss man enttäuschen. Es gibt noch immer nicht einen direkten Zugriff zum menschlichen Bewusstsein und die Produktion und Pflege von e- learning-materialien ist um ein Vielfaches personalintensiver als bei klassischen Vorlesungen. Um auch einem anderen verbreiteten Missverständnis zu entgegnen: e-learning bedeutet nicht, dass die klassischen Lernmethoden durch neuartige e-learning Methoden völlig ersetzt werden sollen oder können. Die ideale Lernsituation ist unseres Erachtens nach wie vor die direkte physische Anwesenheit des Lehrenden und des Lernenden. E-learning dient zur sinnvollen Ergänzung der klassischen Lehre (Zeitversetztes Lernen, Wiederholungsphasen etc.) oder, wenn physische Anwesenheit nicht möglich bzw. nicht finanzierbar ist, zu deren Ersatz. Insbesondere eignen sich die elektronischen Techniken aber auch zur Anreicherung der Lernmaterialien mit Bildern. Viele technische und mathematische Zusammenhänge, die bisher nur formal darstellbar waren, lassen sich heute mit moderner Simulationssoftware in sehr suggestiven Bildern und Animationen darstellen. Bilder vermitteln Wissen unmittelbar, sie haben einen direkteren Zugang zu unserem Bewusstsein und sie sind immer perfektere Modelle der Wirklichkeit. Hier liegt eine wesentliche Stärke der elektronischen Materialien. Im Gebrauch des Internet hat ein Paradigmenwechsel stattgefunden. Während bis vor wenigen Jahren nur Wissenschaftler oder Geschäftsleute mit fest installierten Desktop PCs im Internet kommunizierten, ist dieses Medium heute für jedermann verfügbar im Alltagsgebrauch. Mit Hilfe von kleinen mobilen Geräten wird das Internet immer mehr genutzt zur Information, Kommunikation und Unterhaltung. Auch innerhalb der Hochschulen gewinnt insbesondere die mobile Nutzung des Internets bei der Realisierung von Lehr- und Lernszenarien zunehmend an Bedeutung. Die WLAN Funkstandards a/b und g (siehe[10],[11]) stellen ausreichend Bandbreite zur Verfügung für datenintensive Anwendungen wie z.b. Videokonferenzen über wireless Verbindungen. Das neue Paradigma des ubiquitären Rechnens und Kommunizierens wird sich daher in naher Zukunft auch auf Sprach- und Videoanwendungen über IP erweitern. Im vorliegenden Artikel berichten wir über ein Multimedia-Kommunikationssystem, entwickelt um ein VCoIP- (Video Conferencing over Internet Protocol) System, mit verteilter Architektur und über die damit erzielten Lösungen für e-lernszenarien. Einige dieser Szenarien wurden innerhalb mehrerer Projekte an der FHTW Berlin Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt durch das EFRE Programm der European Commission und durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung.

2 (siehe[4],[5]) realisiert und getestet. Wesentliches Merkmal des Systems ist die so genannte verteilte Architektur, d.h. es gibt keine zentrale Einheit, alle Teilnehmer sind gleichberechtigt. Der Verbindungsaufbau erfolgt ähnlich leicht wie bei Kommunikation, bei der keine zentrale Vermittlungseinheit benötigt wird. Die Partner werden angerufen durch Anklicken oder Eingabe der entsprechenden Adresse. Dies steht im Kontrast zu den Standard-Videokonferenzlösungen (zum Standard, siehe [1]), die immer eine zentrale MCU (Multi Conference Unit) benötigen. Diese verteilte Realisierung eines VCoIP Systems entspricht dem Entwicklungsschritt vom zentral gesteuerten Telefonvermittlungssystem zum Telefonieren über IP (VoIP) der zweiten Generation (wie z.b. SKYPE [9]) bei der die Kommunikation rein peer to peer (siehe[15]) erfolgt. Der Lernprozess ist u.a. ein permanenter Dialog zwischen Lehrendem und Lernenden aber auch der Lernenden, der peer group, untereinander. Diese Überlegungen sind in die Entwicklung des unten beschriebenen Systems eingegangen, d.h. wir wollen diese Situation abbilden in die virtuelle Situation im Netz. Konkret wird dies durch die Kommunikationsmöglichkeiten der Teilnehmer in kleinen virtuellen Untergruppen ermöglicht. 2. Die Software Das digitale Multimedia-Konferenzsystem das wir hier beschreiben ist eine von den Autoren entwickelte mehrpunktfähige Videokonferenzsoftware ohne zentrale Mehrfach-Konferenzeinheit (MCU). Es ist als peer-topeer-modell entworfen, d.h. die Verbindungen erfolgen immer direkt zwischen den Teilnehmern. Die Idee ist dabei, ein Konferenzsystem zu haben, das so leicht wie zu benutzen ist. Nur ein PC mit Internetanschluss, Kamera, Mikrofon und Lautsprecher (oder Headset) wird benötigt. Dies bedeutet allerdings, dass das System nicht zum Videokonferenz-Standard H323 [1] konform ist. Da man im Internet mit sehr eingeschränkten Datenübertragungsraten rechnen muss, ist es wesentlich für ein solches System, dass man die anfallenden Audio- und Videodaten geeignet komprimiert. Ein zusätzliches Problem ist dabei, dass für ein flüssiges Video diese Algorithmen sehr schnell sein müssen, da Bilder kodiert und dekodiert werden müssen. Kernkomponente des Systems ist daher ein schneller, hoch effizienter wavelet-basierter Videokompressionskodec (genauer beschrieben in [2]), bei dem während des Betriebs Qualität und Kompression steuerbar sind. Damit kann man durch geeignete Steuerparameter die darum herum entwickelte Kommunikationssoftware im laufenden Betrieb auf Bandbreiten von 64 bis 4000 KBit/s einstellen. Die Audiodaten werden mit einem MP3 Algorithmus komprimiert, mit sehr geringen Verzögerungszeiten. Die Verzögerung ist abhängig von der gewählten Puffergröße (dies ist ein Zwischenspeicher, der die Bandbreitenfluktuation im Übertragungsnetz ausgleichen soll). Zusätzlich ist auch noch ein so genanntes Applicationsharing -Modul integriert, das PC Anwendungen, wie z.b. eine Präsentation auf dem eigenen PC, an die anderen Teilnehmer verteilt - aber auch gemeinsames Arbeiten an einer Anwendung ermöglicht. Das System ist konzipiert für Intranetverbindungen - aber auch für Internet und drahtlos verbundene Videokonferenzen geeignet, da die notwendige minimale Übertragungsbandbreite 64 Kbit/s beträgt und die Audio-/Videoqualität an die verfügbare Bandbreite angepasst werden kann. Für kleinere verfügbare Bandbreiten kann der Videostrom auch abgeschaltet werden. Wenn die Verbindungsstrecken sehr störungsanfällig sind wie zum Beispiel bei Funkstrecken, kann das Verbindungsprotokoll auf unicast TCP umgeschaltet werden. Das heißt, die versendeten Datenpakete werden überprüft und bei Verlusten neu angefordert. Dies führt zu deutlichen Qualitätsgewinnen für die übertragenen Videos; hat aber den Nachteil, dass bei sehr stark verlustbehafteten Verbindungen Verzögerungen auftreten, die den Videofluss zum Stocken bringen können. Für Einpunkt- Mehrpunktverbindungssituationen wie z.b. in einem virtuellen Klassenzimmer gibt es auch die Möglichkeit, auf ein so genanntes Multicast UDP Protokoll umzuschalten. Dabei werden die Informationen von den Netzwerkkomponenten vervielfacht. Dies vermeidet das mehrfache Versenden eines und desselben Videos an eine Gruppe von Empfängern und verringert damit den Kodieraufwand und die benötigte Bandbreite auf den Verbindungsstrecken.

3 Abb.1a) Bedienoberfläche des MM Kommunikation Systems, b) Verbindungsaufbau mit Hilfe der Registrierung in einem LDAP- Server und Teilnehmerlokali-- sierung über Adresse Die Übertragung an den richtigen Adressaten erfolgt dadurch, dass den Datenpaketen auf der Senderseite die IP Nummer des Adressaten aufgeprägt wird und sie dann damit den Weg im Netz selbst suchen. (Die IP Nummer ist die physikalische Adresse über die Kommunikation im Internet gesteuert wird). Problematisch ist das, wenn der Adressat wechselnde IP Nummern hat, die entweder automatisch zugewiesen werden oder sich infolge eine Ortswechsels ändern. In diesem Fall ist die Adresse die einzig eindeutige Identifizierungsmöglichkeit. Mit Hilfe eines so genannten LDAP (Lightweight Directory Access Protocol) Servers wird dann die globale Adresse in die aktuelle IP Nummer, die den tatsächlichen Ort des Teilnehmers abgibt, umgesetzt. Auf diese Weise wird eine eindeutige Adressierung und Kommunikation im ganzen weltweiten Netz möglich (siehe auch [7]). Bei jedem Verbindungswunsch wird dann mit Hilfe der Adresse auf dem LDAP Server die IP Nummer abgefragt und dem Sender übergeben. Dieser kann dann die Sendepakete mit der richtigen aktuellen IP- Nummer des Empfängers versehen und verschicken (Abb.1. b)). Die Software ist auch mit einer Aufzeichnungsfunktion versehen, so dass jede Station die Konferenzsitzungen mitschneiden kann. Die Grundsoftware ist in der FHTW frei verfügbar und kann entweder direkt installiert werden (siehe [14]) oder demnächst als so genanntes plugin aus dem Netz geladen werden. 3. Verteilte Lehr- und Lernszenarien Das oben beschriebene System kann zur Realisierung verschiedener Lehr- und Lernszenarien eingesetzt werden. Der Vortragende kann seinen Vortrag und seine PC-Anwendungen, einschließlich Zeigerbewegungen, Animationen etc. an die PCs der Studierenden schicken. Die Studenten können die Vorlesungen per Realzeit- Video sehen und hören oder nur hören je nach verfügbarer Bandbreite. Sie können auch wahlweise aktiv über einen Video- und/oder Audio-Rückkanal teilnehmen. In anderen Szenarien können Studenten auch selbst in kleinen Gruppen per Videokonferenz zusammenarbeiten. Innerhalb eines peer to peer- Netzwerks kann jeder Student PC- Anwendungen senden und empfangen. Sie können auch gemeinsam an einer Anwendung arbeiten (Applicationsharing). Das ganze kann im Prinzip auch mobil per WLAN Funknetz stattfinden (s.abb.3a)). In unseren Versuchen konnten bis zu 7 Laptops über ein g WLAN Funknetz in einer peer to peer Videokonferenz kommunizieren. Es gibt auch die Möglichkeit eines asynchronen verteilten Lernszenarios (s. Abb.3b). Jede teilnehmende Station kann die Sitzung aufzeichnen. Die Daten werden lokal in einem proprietären Format gespeichert, und kann dann in ein Microsoft streaming Format transkodiert werden und auf einem Streaming-Server bereitgestellt und jederzeit im Netz über Windows-kompatible Browser abgerufen werden.

4 Abb. 3 a)verteiltes WLAN/LAN Lehr- & Präsentationsszenario b) Asynchrones u. Synchrones Lernen Das System wird auch benutzt für so genanntes Crossteaching zwischen verschiedenen Universitäten, wie z.b. der Universität Linz, der FH Hagenberg, der ODU in Virginia und der FHTW Berlin (siehe[8], Abb.4a)). Dabei sind an beiden Orten Professoren und Studenten in einem Hörsaal. Die Videos inklusive dynamischer Anwendungen der jeweils anderen Seite werden auf eine Leinwand projiziert. Die Professoren können ihre Vorträge alternativ präsentieren oder innerhalb einer Diskussion einbringen. Auch die Studenten können per Funkmikrofon teilnehmen. Alle Sitzungen können an beiden Orten aufgezeichnet und in einem Streaming-Format gespeichert werden. Das Besondere daran ist, dass dies über gewöhnliche Internet IP Verbindungen abgewickelt werden kann und keine speziellen Leitungen bereitgestellt werden müssen, was natürlich auch die Risiken gestörter oder überlasteter Internetverbindungen einschließt. Abb 4 a) Crossteaching und b) Diplomprüfung Chicago-Berlin über IP Dies wurde auch erfolgreich eingesetzt bei einer mündlichen Diplomprüfung, wobei der Prüfling in Chicago und die Prüfer in Berlin saßen (s.abb.4b). Die Aufzeichnungsfunktion des Systems hat die Besonderheit, dass neben Audio und Video auch alle Aktionen und Animationen auf dem PC Bildschirm des Vortragenden mit aufgezeichnet werden können. Dies wird in der FHTW zur digitalen Produktion von Vorlesungen benutzt, die dann im Netz als Streamingversion jederzeit verfügbar sind. Dies wird z.z. unter anderem systematisch eingesetzt bei ESF-finanzierten Weitebildungsprojekten (siehe[12], Abb.5a) und [13]).

5 Abb.:5 a) Aufzeichnung einer Vorlesung b) Übertragung der Inhalte auf die Studenten PCs In manchen Situationen gibt es mehr Studenten als ein Laborraum fassen kann. Dann kann das System benutzt werden, um Vorlesungen in andere Räume zu übertragen. Dabei werden die Lehrinhalte (Powerpoints etc) direkt auf die Bildschirme der Studenten PCs übertragen. Dies ist auch sinnvoll, wenn in einem Raum die Sichtverhältnisse auf eine Projektionsfläche so ungünstig sind, dass man wichtige Einzelheiten dort nicht erkennen kann (siehe Abb.5b)). Eine andere Anwendung erfolgte innerhalb des Notebook-University Projekts Medumobile an der Charité Berlin durch Prof. Nguyen Dobinsky und G. Kaiser [6]. Das Projekt wurde entworfen und realisiert um Lehrszenarien in der Universitätsklinik am Krankenbett zu ermöglichen. Anstelle einer ganzen Gruppe von Studenten werden die Patienten dabei neben den behandelnden Ärzten bzw. Professoren nur von einem kleinen Kamerateam aufgesucht. Die Professoren können dann ihre Vorlesungen direkt vom Krankenbett zu den Studenten übertragen. Die Übertragung erfolgte live per WLAN Video Konferenz im Intranet des Universitätscampus. Die Studenten können auch interaktiv teilnehmen und Fragen an den Vortragenden oder den Patienten stellen. Neben dem Video aus dem Krankenzimmer können auch andere medizinische Bildmaterialien wie Röntgen- oder Ultraschallaufnahmen aus Archiven oder direkt aus den Aufnahmegeräten auf die Studentennotebooks eingespielt werden. 4. Fazit Mit den wachsenden Kommunikationsmöglichkeiten im Internet sind auch neue Bedürfnisse entstanden. Dies hat die Entwicklung und den Einsatz eines peer to peer Videokommunikationssystems stimuliert und ermöglicht auch neue e-learning Szenarien, die die reale physische Lernsituation virtuell ins Netz abbilden. Einige dieser Techniken kommen an der FHTW bereits zum Einsatz. Literatur und Links ITU-T Recommendation H.323: Infrastructure of audio-visual services Systems and terminal equipment for audio-visual services: Packet-based multimedia communications systems, Draft Version 4, H. L. Cycon, M. Palkow, T. C. Schmidt, M. Wählisch, and D. Marpe: A Fast Wavelet-Based Video Coder and Its Application in an IP Version 6-Ready Serverless Videoconferencing System. International Journal of Wavelets, Multiresolution and Information Processing (IJWMP), vol. 2, no. 2, pp , June [1]. [2]. [3].

6 [4]. G. Kaiser, T. N. Nguyen-Dobinsky: Komplexe Lehrszenarien in der interaktiven, zeitsynchronen, patientennahen Online Ausbildung in der Medizin GML² Workshop, March 2004, TU Berlin. [5]. T.C. Schmidt, M. Wählisch, H.L. Cycon, M. Palkow: Global Serverless Videoconferencing over IP, Future Generation Computer Systems 19, pp , Amsterdam, [6]. [7]. [8]. [9]. [10]. [11]. [12]. [13].