电子白板及其驱动软件原理(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：詹豪强,李勇

出版社：四川大学出版社

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电子白板及其驱动软件原理试读：

随着计算机及多媒体技术的发展，人机交互成了一个重要的研究课题。基于计算机、大屏幕显示技术、高端电子技术和软件技术的交互式电子白板是人机交互界面研究的一个重要方向。20世纪后期以来，我们经历了从黑板到电子交互白板的演进过程。这一过程大致经历了三个主要阶段：从黑板到书写白板，从书写白板到电子白板，从电子白板到交互白板。从电子白板发展到电子交互白板，这是白板发展史上关键的一步。电子白板可以完全脱离鼠标和键盘，使用手指或特定的指点笔在显示大屏幕上实现对计算机的操作，将大屏幕显示屏作为大型的触摸屏，实现对计算机文件的编辑、注释、保存等，还可以在大屏幕上面任意书写、绘画并即时显示与保存，还可以与视频会议产品结合，组成具备数据、影像、声音等技术的完美视频会议系统。交互式白板实现了白板与计算机之间的双向交互通信与操作。

一般的会议室或办公室用白板代替了黑板，白板笔不同于粉笔，它用墨水解决了粉尘带来的健康问题。然而，普通白板同黑板一样，它不能捕捉板面上的文字和图画使之成为电子文档保存在电脑中，需要会议人员费事地记录会议的内容，也不能使在其他办公室、会议室（不管是否在同一建筑物、城市，还是在世界各地）的人员通过网络进行信息交流、共享会议信息。电子白板能够一笔不漏地记录会议中在白板上所写过的文字或图像，实时显示在计算机屏幕上并可存盘。存盘资料可在任何PC上随时观看、编辑、打印或传送给他人分享，能够很好地弥补上述普通白板的不足。从此，电子白板产品也逐步走入教育部门、政府机关、大型企业、宾馆的会议室以及公安、军事指挥，远程会议和医疗等领域。

20世纪90年代中后期，随着计算机技术的飞速发展，以计算机、投影、幕布、视频展示台、中控系统组成的新教学媒体日益普及，将声音、图像、文字、视频整合为一体的多媒体课件走进了课堂。根据科学的教学方法、教学规律制作的课件更有效地为学生营造良好的学习氛围，再加上有着海量信息的Internet的接入，课堂教学变得更加丰富多彩。随着数字投影、数字展示台、数字讲台的出现，从多媒体辅助教学（CAI）发展的数字化学习（E-learning），使课堂教学开始迈入一个新的时期——数字时代。CAI通常使用的教学工具是交互式电子白板（Interactive Whiteboard，也称电子交互白板、交互白板、电子白板或数码白板）。

根据维基百科的定义：“交互式电子白板是一种可在上面书写且能够被电子捕获的干擦式白板，要求与电脑相连接，有的还可以与电脑图像投影仪相连，通常应用于办公室或教室。交互式电子白板的使用方式有两种：一是捕捉写在白板上的干擦笔墨（dry-erase ink），二是控制（点击并拖动）或标出（注释）由数字投影仪投射在白板上的电脑图像。”需要指出的是，这里所说的“干擦笔墨”实际上指的是由电子感应笔（E-Pen，又称白板笔、鼠标笔或电子笔）在电子白板上所书写的印迹。

1991年，位于加拿大阿尔伯达省卡尔加里的SMART-Technologies公司（成立于1987年，http://www.smarttech.com/）生产出世界上首块数码白板。此后，其他公司也纷纷开始生产，相互竞争的结果使得该项技术飞速发展，不断推陈出新。目前，交互式电子白板在海外已广泛应用于商务活动、各种会议或讨论、课堂教学和远程培训等场合，特别在教学方面显示了强大优势。我国曾于1996年从SMART-Board公司引进首块电子白板，但因价格高昂而被迫束之高阁。直到2004年4月，我国与英国的合作交互电子白板实验研究项目才正式在北京启动，并开始了多媒体教育技术的革命历程。

按照电子白板对笔迹捕获方法的不同，现在市场上的电子白板可分为表1-1所示四类。表1-1 电子白板性能对比（1）扫描式电子白板，如Panasonic公司的KX-BP800电子白板。扫描式电子白板是通过图像传感器（如CCD）将白板上的图像和文字扫描到系统中。由于系统是在书写完一个白板板面后进行扫描的，所以此类电子白板不能做到实时跟踪白板笔笔迹，同时扫描电子白板体积大，比较笨重。（2）触摸式电子白板，如 PolyVision 公司的 Webster 触摸屏（TS）系列电子白板。触摸式电子白板根据白板笔在板面上产生的压力而捕获笔迹，与扫描式电子白板相比而言，具有实时跟踪笔迹的优点。但是，与扫描式电子白板一样都比较笨重，而且价格比较昂贵。（3）无线定位电子白板，如 Virtual Ink公司的Mimio电子白板、Electronics For Imaging公司的Ebeam电子白板。其体积相对小，重量轻，搬运安装方便，同时还具有较高的分辨率优点。（4）激光定位电子白板，如PolyVision公司Webster激光系列电子白板。激光定位电子白板与扫描式电子白板和触摸式电子白板相比，具有高分辨率的优点。

20世纪90年代末，美国Virtual Ink公司研制的Mimio电子白板的出现是电子白板研制方面取得的巨大进步，它体积小、分辨率高、价格便宜且便于安装。不久Electronics For Imaging公司的Ebeam电子白板进一步提高了Mimio电子白板的性能，并能够实现软件升级。随后又出现了性能相近的PolyVision公司的Webster系列电子白板和日本Panasonic公司的KX-BP800电子白板。据了解，目前国产的电子白板主要是扫描式电子白板，而基于无线定位的电子白板只有在信号检测与处理实验室研制成功。

电子白板市场是一个增长十分迅速的市场。现在，高分辨率的产品、配有颜色识别传感器及彩色打印机的产品也逐步投放市场。各生产厂商将开发出更多简单和廉价的电子白板。1.2电子白板概述

电子白板是汇集了尖端电子技术、软件技术等多种高科技手段的高新技术产品，它应用电磁感应、无线定位、激光定位等原理，结合计算机和投影机，可以实现无纸化办公及教学。将电子白板连接到计算机和投影仪，在功能强大的计算机软件支持下，可即时构造一个巨大的交互式的协作教学演示系统环境。电子白板集书写、记忆、储存、打印、控制、演示等功能于一体，当与计算机连接，配合任何型号的投影机使用时，即可实现人机合一、人机交流，教师可以用电子笔代替鼠标在白板上随意操作计算机，进行各种控制操作，还可以对投射到白板上的任何画面进行注释讲解，用电子笔实现在白板上的无痕书写与图画，所有过程都可随时保存及后台编辑管理，并且可以打印和通过互联网发送。电子白板由普通白板发展而来，最早出现的电子白板为复印式电子白板，随着技术的发展及市场的需要，先后出现了触摸屏式电子白板和交互式电子白板。

复印式电子白板即通过用户的简单操作便可将白板上书写的内容通过一定方式扫描并打印出来。其功能完成过程与普通的复印过程一样，首先由图像传感器件对白板上的内容进行采集，采集信号经过一定的图像处理后，最后用热敏、喷墨或其他打印方式输出。输出的纸张一般为A4幅面。这种电子白板的图像传感器件一般是CCD（Chargecoupled Device，电荷耦合元件），扫描方式采用CCD模块运动或白板膜运动两种。打印输出方式一般有热敏纸输出及喷墨普通纸输出，颜色上有黑白及彩色输出两种。除了复印功能外，一些厂家还在此基础上添加了与电脑相连的功能，即可将白板的内容扫描到电脑中，功能表现上相当于一台扫描仪。目前复印式电子白板的厂家有日本的松下和普乐士等，产品售价在一万元左右。

交互式电子白板可以与电脑进行信息通信，将电子白板连接到PC，并利用投影机将PC上的内容投影到电子白板屏幕上，在专门的应用程序支持下，可构造一个大屏幕、交互式的协作会议或教学环境。利用特定的定位笔代替鼠标在白板上进行操作，可运行任何应用程序，可以对文件进行编辑、注释、保存等在计算机上利用键盘及鼠标可以实现的任何操作。交互式电子白板也支持复印，将电子白板直接与打印机连接，通过特定的白板笔进行板书，需要打印时，只需按下面板上的打印键即可实现彩色或黑白打印。还可以作为PC白板使用，将电子白板与PC相连，此时的电子白板就相当于一个面积特别大的手写板，可以在上面任意书写、绘画并即时地在PC上显示，文件保存为图形文件。此功能一般需要一个专用的应用程序支持。如果通过特定的应用程序如Microsoft的Netmeeting，交互式电子白板就可以通过网络与其他办公室、会议室进行连接，实现网络会议。

电子白板系统是通过红外、超声联合进行定位的，在信号笔的笔头处装有红外、超声发射传感器套件。信号笔在书写的同时，会发出定位所需的红外或超声信号。信号接收器上装有红外、超声接收传感器，来接收信号笔所发出的红外或超声信号。接收到定位信号后，信号接收器中的信号处理电路会对接收到的信号进行处理，处理后送给上位机的是时延信息，上位机利用得到的时延信息，通过定位算法可确定信号笔书写的轨迹。微型电子白板还有交互功能，通过信号笔来操作电脑，代替鼠标。

当前市面上可以看到的电子白板按照投影显示的类型可以分为应用于前投影系统的电子白板和应用于背投影系统的电子白板。按照输入方式分可以分为间接书写式和直接书写式。电子白板需要一个信息屏，用来感知用户的输入。间接书写式电子白板带有特殊的感应屏来感应笔触，直接书写式则直接用投影机的屏幕作为信息输入屏。当代投影显示技术的发展方向是大屏幕、高分辨率、平板化以及高亮度，这使得投影屏幕满足了作为电子白板输入屏的条件，所以直接书写式的电子白板是当前电子白板发展的一个重要方向。而按照不同的定位方式，电子白板又可以分为触摸屏式、红外以及声呐定位式和激光扫描式等等。鉴于上述几种方式的成本较高，人们纷纷寻找具有可靠精度的低成本的定位方式。

从外观上看，交互式电子白板看起来跟我们熟悉的投影仪的屏幕没什么两样。但是，交互式电子白板与普通屏幕的最大区别在于：后者只有显示功能；而前者除了显示功能外，还具有直接操作和在上面书写的功能，也就是说，电子白板是可以实现触摸式（可用手指或电子感应笔，但一般用感应笔）操作的电子屏幕。但是，仅有电子白板是无法实现操作的，必须把它与计算机、数字投影仪通过数据线连接起来，只有这样，才能通过交互式电子白板轻松自如地控制计算机，所书写的所有内容才能直接被电脑捕获。

简单地说，交互式电子白板是电子感应白板及感应笔等附件（硬件）与白板操作系统（软件）的集成，是计算机技术、微电子技术与电子通信技术的融合，由此成为计算机的一种输入输出设备，成为人（用户）与计算机进行交互的智能平台。它集书写、记忆、储存、控制、演示以及打印等功能于一体，具有良好的兼容性和实用性。

教学中的交互式电子白板是一组媒体组合，其核心组件是电子白板、投影仪（Projector）和计算机（Computer），三者循环相连；感应笔、打印机和存储器是该组合中的重要附件。如图1-1和1-2所示。白板笔上安装有无线发射机，通过安装在普通白板上的感应器将白板笔的无线发射信号传送入计算机，并在计算机上实时动态地响应其位置，完成笔迹的记录过程。其中，电子白板是系统的主体，它既是感应笔书写与操作的界面，又是计算机的显示器和投影仪的幕布。感应笔具有书写笔和计算机鼠标的双重功能，即笔尖可以在白板上书写，用笔尖单击和双击白板可以直接控制计算机，而不必通过键盘或鼠标，使用起来方便快捷。计算机显示屏上的内容可通过投影仪投射到白板，从而实现交互式电子白板的各类基本操作。图1-1 电子白板系统集成

英国教育与技术部中学司的指导意见认为，交互式电子白板技术的主要特点是：注重全班整体教学策略，包括老师的示范、演示、提示、探询和提出问题，控制全班的讨论，回顾工作进程以便强化由个人活动、小组活动以及班会活动对全班的评价中所产生的要点。交互式电子白板功能强大，从课堂教学实践来看，除了具备一般计算机的PowerPoint的投影功能外，还有一些独特的功能：（1）直接板书。可以使用电子感应笔直接在电子白板上板书，就像用粉笔可以在黑板上板书一样。如果需要，还可以随时保存，方便教师课后整理、打包，循环使用。同时，调用电子白板上不同的色彩进行板书可提高教学效果。图1-2 电子白板的应用示意图（2）电子备注，强调重点。电子白板具有备注功能，在教师授课过程中，可以对所使用的电子文档、软件界面、多媒体课件、教学图片等进行批注。所有这些（包括板书），后台程序会按照教师的教学时间顺序进行记录，并可自动形成电子文档，经回放清楚展现授课过程。根据教学需要，教师可以对指定区域内容进行动态处理，突出显示，也可对区域内容进行放大，强调教学重点。（3）随时调用各种资源。一般而言，电子白板上的页面是无穷的，因此教师备课时可以调用各种数字资源，如图像、视频剪辑，或者在上课过程中根据教学需要随时生成这些材料，甚至可以直接进入网上的在线资源，比如浏览关于某个作家或语言学家的作品、图片等背景知识等等。教师还可以根据教学需要前后自由翻页，这有利于呈现和再呈现教学内容，还可根据需要在白板上随意拖放，这会让学生感到学习内容生动有趣，具有很高的学习热情。例如，教师可通过在屏幕上拖放文本、图像和声音等方式，让学生进行多种形式的挑选、分类和排序等练习活动，还可对这些文本、图像和声音等进行隐藏或显现操作。（4）模板化、程式化。电子白板软件本身所提供的一些模板（如方格纸、乐谱格等）或图示框架（如生产流程图、头脑自由联想模板等）等可使教师在白板上方便有效地进行相关工作，而传统的教学手段很难做到这点。（5）可视功能。根据教学需要，这一功能可以通过点击按钮实现，如转动、跳动、成像等，还可以录音、配音。这样，可使课堂教学内容（比如讲故事、讲授抽象的语法时态等）具有可视性和现场感，学生容易理解和牢固掌握。（6）通信功能。配合数据会议软件，如NetMeeting，通过网络即可与远端进行交流。演讲者或教师通过软件（如WebsterLT, WebsterLT特有的摄像功能可以让用户修改任意文件，进行注释讲解，如可以对实物展台的实物图像进行注释、操作PowerPoint等）就可在白板上与联网的其他与会者进行交流。

交互式电子白板具有课堂上所使用的普通黑板的全部功能，解决了传统教育不便解决或无力解决的教学问题。尤其是可以利用Internet网络，共享全世界的教育资源，实现了信息技术和课堂教学的无缝连接。此外，在现代管理中，各种会议占用的时间几乎是办公时间的40%，因此，提高会议效率受到重视。利用电子白板系统可大大缩短会议时间。这种设备可将书写在其板面上的内容复印出来，人们可不必再记笔记，而能集中精力讨论会议议题，并形成会议纪要。

共享电子白板是常规黑板在网络上的模拟，属于多输入多输出的分布应用。与基于流式的传统计算机辅助教学系统不同，共享电子白板要求在成员间实现信息实时交流与共享，从而体现出教学的互动性。其特点主要体现为：数据信息传送的实时性和共享性，成员间互动的协同性，成员分布广泛且不均匀性，网络及操作环境的异构性。这些特点决定了需借鉴计算机支持协同工作（CSCW）及分布式处理等领域研究的必要性。

电子白板具有以下功能：（1）在白板中可以绘制圆、直线、矩形和自由曲线等简单几何图形；（2）可以设置图形非几何属性（线宽、颜色）；（3）实现了橡皮筋技术，绘制图形的过程中，图形的大小可以跟随鼠标而变换，方便用户判断释放鼠标的位置；（4）可以用不同大小的橡皮擦对白板上的图形进行部分擦除；（5）可以用新建命令对白板进行全部擦除；（6）当白板窗口最小化或移动时，整个白板上的图形可以恢复或跟随移动，以保持相对位置的不变；（7）用户间可通过文字进行交流。

因此，电子白板可用于教学、培训、会议、演示等场合，尤其对多媒体教学有极大帮助。因为它与传统的教学方式结合得最紧密，不仅非常符合传统的教学习惯，又有所创新。整个教学过程授课者可以自由走动而且所做的板书都以电子文档的形式保存，对于电脑的控制都可以在白板上完成，不必再局限于控制台。如果配备相应软件并接入Internet，网络共享电子白板还可实现网络会议、远程教学等功能。1.3多功能电子白板软件的设计1.3.1电子白板的方案设计

根据教学的实际需要，电子白板可以嵌入到基于Windows的教学系统中，把实时计算机屏幕作为白板背景，结合计算机屏幕背景，通过电子白板进行教学。在电子白板软件中主要可实现绘图功能，并配有笔的选择、颜色的选择以及文字输入功能。

电子白板启动后会自动最小化在系统托盘中，使用快捷键Ctrl+Shift+a（A）或鼠标左键单击托盘图标就会最大化成一个透明的屏幕，这时就可把实时计算机屏幕作为白板背景，针对屏幕内容使用电子白板软件进行教学；使用鼠标左键选择起始点，移动鼠标就会按照设定的颜色和画笔宽度绘出线段，放开左键曲线就绘制完毕；单击鼠标右键会弹出菜单，可以根据提示选择适当的画笔颜色和画笔的粗细；选择“添加文字”选项，会弹出提示对话框，输入的文字会显示在屏幕上；使用快捷键Ctrl+Shift+a（A）、快捷键F2或使用鼠标滚轮就会使程序最小化到系统托盘中。1.3.2 电子白板的程序设计

电子教学白板程序使用Visual C++6.0进行开发。启动Visual C++6.0后，创建一个基于对话框的工程，工程名为Test1。考虑到电子白板启动后会自动最小化在系统托盘中，使用快捷键或鼠标左键单击托盘图标就会最大化一个透明的屏幕，可利用NOTIFYICON DATA结构和OnSysCommand函数实现，最大化成一个透明屏幕的主要代码如下：

电子白板软件的绘图功能主要代码如下：1.4电子白板在实时教学/会议系统中的应用

电子白板在实现时可采取两种方式：软件实现的白板允许多个用户通过网络在某文档中进行工作，该文档会同时显示在所有用户的屏幕上，就如同这些用户在同时使用一块硬件的白板一样；硬件实现的白板是把普通白板与计算机技术相结合，具有存储功能和触摸屏功能。

电子白板无论从硬件方式还是软件方式上都最大限度地考虑了教学的需要和方便，使用方法简单，几乎与传统的黑板没有太大的差别。但由于电子白板以其生动、灵活的演示功能，使电子课件的表达能力得到充分的展示，使教师的教学艺术与电子课件的制作技术达到完美的结合，从而提高了教学效率，进一步推动了课堂教学与远程视频会议的数字化进程，进而促进整个教学与会议研讨方式现代化水平的提高。在实时网络教育（或会议）中，教师和学生（或与会者）可利用电子白板进行课堂教学、专题讨论等活动。

系统通过白板信号接收器记录电子笔的轨迹，经过转换成为白板命令，然后通过Media Encoder同步插入脚本到wmv文件中。经网络传输，在远端学生机上提取该脚本，通过ActiveX白板控件绘图，从而完整地重现教师授课时的实时板书。系统充分发挥板书这一传统工具的优势，给教师一个教学发挥的空间，也弥补了普通电教手段的不足。其工作原理图如图1-3所示。图1-3 电子白板直播工作原理框图（邓飞等，2006年）

在电子白板直播工作前要初始化设置与校准白板。在使用电子笔书写阶段，首先将从感应器中收集到的白板数据进行数据解析，使之成为系统自定义格式的白板命令，同时在教师端根据白板命令进行本地绘图。然后，将白板命令通过Media Encoder同步插入脚本到视频直播资源中。视频直播资源通过网络传输到达学生客户端，经过播放器解码后，提取白板命令。最后，在学生网页端，使用嵌入ActiveX控件的方式实现了白板绘图。该ActiveX白板控件使用C++的ATL（Active Template Library）编写，体积小、效率高，同时摆脱了使用VB语言编写引起的运行虚拟机不兼容的缺点。1.4.1 电子白板命令数据插入视频资源

该设计方案（邓飞等，2006年）实现起来比较简单，主要是将白板命令转换成为相应的可以解析的脚本命令，但是在插入视频过程中有一些细节需要注意。（1）在编码器的配置文件（Profile）中，需要将脚本功能打开。（2）使用SourceGroup.AddSource方法为编码器增加脚本源对象。（3）使用编码器对象的SendScript方法发送脚本命令。

AddSource和SendScript方法的具体使用方式，可以参考微软Media Encoder 9 Series SDK中的详细说明。在播放器端，需要使用事件机制来处理自定义的脚本命令，当播放器检测到一个脚本命令后，会触发ScriptCommand事件，重写该事件的响应代码即可实现自定义控制。1.4.2 电子白板绘图

白板绘图包括教师界面的本地白板绘图，也包括学生端网页部分的远程白板绘图。考虑到白板数据频繁获得并且前后两点的距离只差一个像素，所以在不影响图形质量的情况下，采用记数方式，每得到三个点才进行一次画线方法。由于要将白板命令插入到Media Encoder中，为减轻编码器的负担，不频繁插入脚本，同时如果采用画过多的线为一组，则学生端会出现断续现象，因此采用每画五次线为一组才插入一次数据，通过实践证明，取得了良好的效果。在白板绘制中需特别处理的主要问题是：（1）需要维护一个指令队列，以方便重绘。（2）绘制时，需要保持与实际图形的大小比例。（3）网页端要封装成为标准的绘图控件，以对象的形式嵌入网页。1.4.3 电子白板的具体实现

该电子白板系统基于 Microsoft.NET 平台，采用 B/S 结构，运用JavaScript、ActiveX等技术，确保了系统的开放性，使之能快速地与已有系统整合，提供系统的无限扩充能力，适应功能的不断变化。1.4.3.1电子白板数据的插入

首先，定义白板数据结构，其中WB_COLOR是枚举类型，表示点的颜色，x和y分别为白板点的坐标。

其次，将电子白板坐标点数据对象转换为直线结构，使之能够进行图形的绘制。通过记录前一次坐标点的位置，将连续两点的坐标转换为 WBLineArg 对象，其中Start.X和Start.Y是起始点坐标，Finish.X和Finish.Y是结束点坐标，DrawingColor是颜色。

接着，将WBLineArg对象arg转换成为脚本命令格式，即字符串StringBuilder的对象实例CommandBuffer，其目的在于能够在Media Encoder中插入脚本。

然后，定义插入编码器的脚本结构，包括白板命令、脚本序号、脚本标题和记录脚本时间。

进行相关Encoder的设置后，向白板脚本Scripts对象s赋值，其中将白板命令CommandBuffer赋给s.content，最后，在WMEncoder对象encoder中插入白板命令脚本。1.4.3.2电子白板图形的绘制

微软在它新一代软件开发平台．NetFramework框架中，提供了一套相应的功能强大的GDI+图形类库，为图形程序的开发提供了极大的便利，因此，该系统采用GDI+来进行白板图形绘制。同时，在ActiveX控件开发中使用GDI+与在标准窗口应用程序中使用GDI+大体上一致，只是为减少白板绘图控件对运行环境的依赖性，同时减小白板控件的体积，需要将白板绘图生成的．DLL文件打包为．CAB包文件并进行代码签名。

在电子白板绘图过程中，需要根据绘图控件大小，通过缩放矩阵对图元进行坐标变换。其中panelCanvas为白板显示区对象，wbWidth和wbHeight为实际电子白板区域的宽和高。1.4.3.3电子白板系统总体的实现

实时教学系统是在传统的课堂授课活动基础上，引入了大量的最新科技手段，替代了传统的电教设备。其采用基于B/S/C（浏览器/服务器/客户端）结构的系统，其教师端是独立应用程序，学生端则使用普通Internet浏览器，自动下载ActiveX控件，无须安装，降低了系统使用成本。

实时教学系统支持的素材广泛，包括常用的 Word文稿、PowerPoint演示文档、HTML网页，以及各种图片、视频文件，充分满足教师教学的需求。同时，整合了教师教学现场的视频、音频，给学生以身临其境的感受。系统也可以向远端学生机器直播教师端电脑的桌面操作情况，从而进行桌面直播，并且结合同步教学控制命令以及电子白板来重现教师授课时的实时板书，形成完善的教学资源流。为了增强互动性，该系统还提供了文本交流区，教师和学生间、学生与学生间可以进行文本方式的交流，在不占用宝贵的网络带宽同时，充分体现课堂的氛围。在教学同时，教师所有语言、动作、对教学素材的引用命令、板书等信号，系统都可以记录下来，同步生成一个视频教学课件。该课件符合国家和国际教育资源标准，可直接在教育资源网络上发布。

电子白板系统是一类基本的CSCW系统工具，是模拟现实工作中黑板工具的计算机实现。第2章计算机支持协同工作技术：CSCW计算机支持协同工作CSCW（Computer Supported Cooperative Work）是指地域分散的一个群体借助计算机及网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。CSCW系统中的电子白板是一种很好的实现知识共享和信息交流的工具。凡是在计算机及网络环境下，涉及共享信息和群体协同工作的应用领域都可有CSCW的用武之地。基于共享的电子白板是典型的CSCW应用。电子白板系统建立了一个通信环境，可以实时地将一个人的编辑信息传输到所有其他与会者的计算机上。目前许多商业化的电子白板系统都是通过特殊的硬件实现的。CSCW是现实生活中的黑板在网络环境中的模拟实现，通过一块虚拟的共享区域来支持分布环境中的多个协作者在各自计算机上观看同一内容和讨论同一问题，其中协作者通过绘图、文本等形式进行交流。特点正好符合我们网上教学系统设计的目标，即要求在学生之间、学生和老师之间实现信息的及时交流与共享，从而体现出教与学的互动性。2.1CSCW技术概述

计算机技术的发展把人类社会带入了信息化时代，随着信息化进程的深入，通信技术与计算机及网络技术相融合，产生了一个新的研究领域：计算机支持协同工作（CSCW）（如图2-1所示）。它是信息化进程发展的一个必然产物（最早出现在1984年的MIT），将提高人们的工作效率，促进社会生产力的发展，深刻影响人类群体的生产方式、工作方式和生活方式。

基于CSCW的应用从时间上可分为同步和异步两种方式，从空间上可以分为本地协同系统和远程协同系统。CSCW为在时空上分散的人们提供了一个良好的协同工作环境，支持多个时间上分离、空间上分散而又在学习工作上相互依赖的协作成员的协同工作，这样计算机系统就从传统的只能提高个体工作效率变为可以提高群体协作者工作效率，因此受到人们日益广泛的重视。图2-1 用户通过CSCW系统协作的示意图

CSCW的形成和发展有一定的必然性。首先，信息化社会中人的生活方式和劳动方式具有群体性、交互性、分布性和协作性等特点。其次，计算机技术（包括并行处理和分布处理技术、多媒体技术、数据库技术和认知科学等）、群组通信及计算机网络技术的飞速发展，构成了CSCW实现的技术基础。CSCW主要研究计算机技术如何支持一组有共同目标的用户协同工作。用于远程实时教学系统中的电子白板是一种同步远程分布的CSCW系统，是CSCW中要求较高的一种协作技术。分布处理强调的是应用进程间的通信和协同，在共享电子白板中强调的是通过计算机网络实现人们的实时交互与协作，包括人机交互与分布的进程间交互两个部分。

CSCW支持一组用户参与一个共同的任务，并提供给他们访问共享环境的接口。多个用户为完成共同的任务而组成用户群，CSCW为本用户群提供协同支持。CSCW以计算机互联、互操作和协同工作构成的网络计算和协同计算为基础，并依托计算机通信技术得以发展。CSCW的研究内容涉及很多方面，它包括群体协作控制机制、协作模式、CSCW模型、协作同步机制和体系结构、群组通信支持、CSCW应用开发环境、协作安全控制和应用共享技术等。近年来，CSCW的发展非常迅速，CSCW技术已经成功地应用到远端协同诊断、桌面会议系统、合同编著系统等领域。随着Internet和多媒体等技术的发展，CSCW将广泛地应用于当今社会的各个领域。

CSCW理论是一个涉及计算机科学、认知科学、人类工程学、社会学、心理学等多个学科综合的群体社会动力学，这是因为CSCW系统的功能特征与群体工作的社会因素紧密联系。其每个功能不仅仅影响协作成员的行为，而且它还影响整个群体协作伙伴之间的心理、文化。因此，需要研究人类在合作过程中的社会动力学，以建立合适的描述CSCW模型的理论。完整的CSCW系统应当由CSCW操作系统和支持CSCW的管理、使用、实现协作的若干工具组成。所以，必须在研究多种实际协作过程的基础上抽象和开发出一套通用的、可组合运用的、符合标准的、多媒体交互的CSCW工具。网络资源管理研究网上CSCW资源的一致性、分布性、安全性、可维护性和透明性。多用户协作管理研究如何实现多用户协作过程中有效的权限管理，真正体现不同用户之间在CSCW中的不同“角色”。

在远程教育上进行计算机协同工作越来越有必要。在远程教育领域，可应用CSCW技术，借助于多种类型的信息网络，实现远程交互式授课、交互式讨论和辅导等，可以不受地域与时间的限制来使用那些优秀的教学资源；还可以使用协同式授课，由群体异地共同完成某教学文档，减少教学资源的制作时间，提高效率。网络虚拟教室是计算机协同工作CSCW的应用。CSCW的应用使虚拟学习中的协商讨论、信息共事和相互交流形成新型群体协作的教学模式，强调协同工作、分工合作、交互讨论，共同完成教学任务。CSCW现在已经成为研究热点，国际上的许多大学、研究机构和软件公司都在这方面做研究。CSCW及其在虚拟教室方面的应用上也取得了一定的成果。例如，同步会议系统，它就是以会议形式来完成协同工作的系统。协作方之间的信息交流是实时的，具有很短的延迟限制。网络虚拟教室的功能模块的实现就是属于这个范畴。

随着物联网概念的出现，近年来CSCW的发展势头强劲，有一批专门刊物报道该领域的最新研究成果，如CSCW Journal、Group and Organization Management等。美国的ACM自1986年起每两年组织一次CSCW国际会议，欧洲的学术工作者也组织了ECSCW国际会议。我国1998年召开了第一次全国CSCW学术会议，并成立了CCSCW专业委员会，指导我国的CSCW研究的发展。但是，目前CSCW还处于探索和发展阶段。国内外主要研究情况如下：2.1.1 在理论上主要研究情况（1）协同工作模型的研究。CSCW 不同于传统的分布式系统，要建立一个通用、高效的CSCW系统结构很困难，目前只能针对具体的应用背景进行分析和设计，现有对协同工作模型的研究主要基于会议系统和协同编辑系统。（2）对同步机制的研究。多媒体通信同步是实现CSCW系统中协作成员间面对面交互的基础和关键。在 CSCW 中，主要研究并实现 MHEG（Multimedia and Hypermedia Coding Expert Group）提出的同步机制，即脚本同步、条件同步、时空同步和系统同步，着重研究同步机制的分层协议。（3）对当前通信网络进行改造，逐步实现适合于多媒体传输的网络体系，如ATM技术、组播、IPv6等。2.1.2 在应用产品开发方面

应用产品有视频会议、共同编辑、远程医疗诊断、远程教学、多媒体电子邮件等。

与视频会议系统类似，当前市场上流行的白板一般都是以专门硬件的形式提供的。如日本Hitachi公司的Digitalboard系列、美国Microtouch的ibid系列等。这些系统一般提供专门的显示屏幕（共享空间），也提供专门的笔和擦除设备，可以直接在屏幕上写、画和擦除。系统可独立运行，也可以通过串行口（COM）或USB与桌面系统连接起来。这些系统提供的功能比较强大，各用户可以比较自然地进行协同，但需要专门的硬件和较宽的网络带宽，价格也比较昂贵。

随着多媒体电脑的普及并大量走入一般家庭，基于普通PC平台和Internet的电子白板系统逐渐成为研究的热点，并有一些产品相继出现。比较著名的是Microsoft与Internet Explore一起提供的Netmeeting系统，其集成的电子白板系统立足于对象模式上，窗口中所显示的一切都用对象表示。对象可以比较方便地缩放，但对对象的修改是全局的，不便于对对象进行局部修改，而且局部选择也不容易实现。Netmeeting系统也提供了一些局部锁定措施来避免冲突。但没有提供协同感知能力，在多用户条件下难以把图形对象与此对象的操作人相对应。

Agent技术的迅速发展为电子白板系统的智能化注入了新的思路。国外研究Agent技术已有多年，而且有很多已经完成的模型或系统；国内方面，中国科学院计算机所、国家智能计算机研究中心、国防科技大学计算机学院等单位对Agent的研究都较为深入，也形成一些自己的理论。但在电子白板领域，Agent技术的应用还处于探索阶段，而将CSCW理论和Agent技术这两者结合起来应用于移动电子白板系统，这方面的研究则更少。2.2体系结构

整个共享电子白板系统分为三层，依次为客户端（Client）、中间层（Middle Tier）和数据库（DataBase），如图2-2所示。在设计中，中间层以Java实现：首先定义若干服务代理对象，通过Common Object Request Broker Architecture（CORBA），这些对象可以被远程客户端调用并执行相应功能。服务代理对象与数据库的连接构建在JDBCODBC桥上，以保证对JDBC的调用无缝地转换到ODBC，达到使用任何ODBC兼容数据库的目的。数据库内包含了系统存放和使用的各种元数据，其中包含当前白板状态的即时数据和以往的历史数据，同时还有成员使用的私用数据。客户端分为两部分：图形用户界面（GUI）和XML脚本层。GUI提供成员本地操作界面，可显示和输入各种状态数据信息。这些信息并不直接和中间层关联，而是经由XML脚本层分析。XML脚本层内定义了系统使用的置标集合，在GUI发出请求后脚本层将请求的数据及结构转换成XML数据流形式，再封装成Object Request Broker（ORB）提交给CORBA对象实现通信；当得到服务代理对象反馈的XML数据流时则使用Parser（解析器）还原为数据格式提供给GUI。图2-2 共享电子白板三层系统

作为系统的核心，服务的提供基于CORBA技术。将服务代理对象化，通过向对象发送消息和在对象间建立协同来实现整个共享电子白板逻辑功能。引入电子白板空间概念有助于服务代理对象的划分。

电子白板空间可分为由参加成员、共享资源、协同工具共同构成的白板共享工作空间以及每个成员的个人工作构成的成员私用空间。成员可以工作在私用空间下，也可加入电子白板共享空间实现和其他成员的交互。作为信宿，成员可读取个人私用空间里的位图、文字等信息，也可接收共享空间里的实时白板位图、文字等，并即时显示出来。作为信源，成员可以通过鼠标、键盘等方式输入或编辑白板位图、文字信息等，可将这些信息保存在私用空间内以便日后再次使用，也可在得到授权的条件下将这些信息发往共享空间。空间功能通过定义如下若干服务代理对象来描述。（1）成员代理对象。作为成员与共享空间交互的代理，接收成员请求，向其他对象申请服务并反馈给成员。（2）管理代理对象。是共享空间的管理者，维持共享白板的正常运行，包括对多输入的并发控制。另一项主要功能就是管理成员对共享空间操作的权限。（3）资源代理对象。管理资源单元的并发操作。（4）纪录代理对象。纪录某段时间内共享白板的内容变化过程。纪录的信息可保存，便于日后的分析与回顾。（5）信息管理代理对象。属成员私用空间，成员将当前白板内容保存到私用空间或从私用空间中读取历史信息。2.3核心技术2.3.1 并发控制

在网络条件（网络带宽、传输时延）的限制下，电子白板系统为提高系统的响应时间，一般将共享对象（如协作的文档、协同设计的工程图等）复制到各用户本地端，各用户对共享对象的操作以消息的形式通知其他用户，其他用户在接收到消息后在本地执行相应的操作，从而保持各用户端共享对象的一致性和达到用户间相互感知的目的。在各用户端维护共享对象，虽然避免了传输共享对象带来的网络拥塞和响应时延，但如果电子白板系统没有任何的并发控制机制，所有的操作按照它们到来的顺序执行，往往会造成各用户端上的共享对象的不一致，影响协同工作的正常进行。

组播地址（Multicast IP）对应了一组关联的主机，对实时多点系统而言，组播地址就对应网络内广泛分布的多个成员。因此，在共享电子白板系统中该地址具有清晰、明确的意义，即加入特定组播组就相当于加入电子白板共享工作空间；从信道角度而言，该地址具有单一性和不变性，有利于简化并发及同步机制。但由于事件执行以不同次序进行，会出现无法按照实际操作顺序来发送、接收信息或对资源进行调用，从而引起各种不一致的问题，因此，在组播基础上还须建立适当的协调机制。

由于传统锁机制存在降低并发性及其他弊端，不利于紧密的协同工作，因此，采用串行化方法，各用户通过对共享白板的协作感知来协调各自的操作。考虑到系统主要以教师操作为主，对学生的操作存在着授权机制，故倾向于采用简单、乐观的并发控制机制，有助于提高人机接口响应速度，尽可能满足电子白板实时性要求。一种较符合该系统的方案是借助时间戳，将时间戳打包到数据分组中一起发送，接收端就可利用该时间戳得到每个报文分组发送的准确时刻，达到对实际操作顺序排序的目的。为降低实现难度，系统采用全网绝对时间戳。通过网络时钟协议NTP或简单网络时钟协议SNTP定时查询某世界标准时授时服务器可得到和校对该绝对时间戳。

CSCW的典型应用主要有以下三种：（1）消息系统：对于消息系统，系统合作成员间利用电子邮件的方式交换结构化信息对象，如用Email进行讨论、问题解答、提供学习资料等。（2）协同编辑系统：对于协同编辑系统，系统合作成员可以在共享文档不同部分进行标注与修改，其中参与者暂时不能看到别人的工作，只有当其完成一段内容后，才允许别人看。（3）同步会议系统：同步会议系统是以会议形式来协同工作的系统，协作双方间的信息交流是实时的，具有很短的延迟限制。交流的内容包括文字、图形、图像乃至音频、视频信息。2.3.2 图像的描述与压缩

传输数据量的大小在现阶段对于网络应用，尤其是广域环境下的应用，有至关重要的影响。而没有处理过的白板图片数据存在相当的冗余，因此，有必要采用有效的机制降低冗余，减小传送的数据量。由于在电子白板上绘制的是图形，可考虑将白板上的图形单元矢量化描述，以矢量信息代替位图信息来降低编码的数据冗余；同时，系统的设计并不排斥位图的应用（读取位图文件等）。基于此，项目中采用了W3C正式推荐的新一代网络图像开放标准SVG（Scalable Vector Graphics）。它克服了传统位图格式的不足，可伸缩，可查询，与平台无关，文本描述基于XML，支持SMIL，与系统框架和要求吻合。

SVG文件格式由三部分组成：矢量图形、位图和文字。这样，SVG不仅可以应用矢量图像和文字对象；同样，可以纳入位图，达到任何其他格式图像能达到的效果。由于文件格式是文本形式的，因此很容易进行修改。

目前SUN尚未提供完整的对SVG的支持，但是提供了类库com.sun.awt.svg.*（目前尚未被纳入Java2平台下）；这里可再借助第三方的DOM（Document Object Model）来获得完整的支持。首先创建org.w3c.dom.Document对象实例（也可选择其他DOM来实现），得到对象树支撑架构，以此为基础，就可创建SVG图像类SVG Graphics 2D的实例。由于该类是由抽象类java.awt.Graphics 2D派生而来的，因此实例化的SVG Graphics 2D对象可以使用前者的所有绘图方法。每次对SVG Graphics 2D实例对象发出绘图方法的调用时，新的DOM对象将被添加入DOM对象树，该DOM对象包含了该次绘图动作的属性，代表了同等意义的SVG内容。最后，调用该SVG Graphics 2D实例对象的stream（）方法就可得到SVG格式（XML文本）输出流。

如果对数据量非常敏感，可对该输出流套接压缩过滤器。由于输出数据流是基于文本格式的，使用开放源码无版权的工业标准压缩格式GZIP可以有较高的压缩比。2.3.3 系统的实现与评估

教师端界面如图2-3所示。右边有一个在线学生名单列表框，用鼠标点击列表内的某列可对该列学生进行授权操作。读取按钮用于载入图像文件，支持当前广泛使用的JPEG和GIF等格式。学生端和教师端类似，所不同的是没有在线学生列表框，多出一个被授权指示灯，用以提示该学生可否对白板进行操作。

电子白板系统在CSCW理论基础上，采用分布处理结构实现。具有以下特点：图2-3 电子白板教师端界面图（1）引入统一的网络界面——XML脚本层将客户端的各种请求数据转换成XML标准语言描述，有效屏蔽了不同客户端网络及操作环境的异构性。同时，使逻辑业务与客户界面分离，有利于系统的扩展，适应不同规模的应用。另外XML从框架上为SVG格式提供最根本的支持。（2）通过将计算重心分解到数个服务代理对象上，系统适于分布实现，便于开发。（3）引入白板共享空间和私用空间概念使传统白板功能得到延伸——白板不仅是信息交流共享的工具，同时也可在工作、学习中起到类似便笺的作用。（4）基于XML的SVG格式综合了矢量图形、点阵图像和纯文字的优点，以一种标准将其统一描述，标准的统一和开放有助于增强网络的交流。

基于CSCW的共享电子白板是传统意义的黑板在网络上的延伸，是远程教育中重要的工具。该系统的实现为推动远程教育的发展做了有益的尝试。为适应今后的发展，系统还有待进一步的研究与改进：（1）拟将系统向基于B/S的多层结构转移，实现“零”客户端，以解决广域环境下开发和维护的不便；同时，利用HTTP协议的无状态性改善服务器性能，支持更大客户数。（2）在远程教学实际应用中，仅有白板绘图这种单一媒体是不够的，为达到更好的互动效果，还需要其他媒体的配合。可在音频、视频、联机讨论等多种媒体的支持下做进一步研究。（3）改善广播路由算法，提高连续媒体流的传输可靠性。2.4电子白板模块的设计与实现2.4.1 一致性的保持

现在常见、实用的并发控制方法有事务机制、轮流法、锁定法、集中控制等。事务机制在分布式数据库系统领域内，是一种被广泛采用和深入研究的并发控制方法，但其响应和告知性能低，事务的执行过程不可见，因此不适合用于实时CSCW系统中的并发控制。轮流法保证同时只有一位用户拥有令牌，从而能够编辑共享文档，因此不会发生不一致问题。但其不支持并发编辑，不适用于那些以多用户并发活动流为协同特性的应用环境。锁定法使一个对象（如一个单词、一种文字、一个图形）在改动前首先被锁定，使得在同时仅有一个用户能够改动此对象，但这并不能完全解决不一致问题，并且响应时间比较长。集中控制使用一个集中控制进程，管理所有对共享数据的操作，它接受用户的数据操作请求，并将其广播给所有用户，从而使操作有序，确保了数据的一致性。虽然操作的传送也会延长系统的响应时间，但由于系统主要应用于宽带网络，该延时在可接受的范围内。

通过对以上并发控制方法的比较，上海交通大学（袁稹等，2001年）采用集中管理的并发控制方法，其结构如图2-4所示。因为参与协作的计算机上运行的协作工具可能不只有电子白板，还有闲聊器或其他的协作工具，系统中加入了会话管理部分，各协作工具的操作请求都通过它传递给服务器，从而避免了各个协作工具各自分离。系统中加入电子白板服务器、闲聊服务器等多个服务器，提高了系统的通用性。图2-4 结构图2.4.2 用户间的感知

用户间感知是指一个用户的操作能被其他用户了解的能力。由于电子白板是分布在不同区域的各个用户在同一块工作空间进行操作，用户间不能通过话语、手势交流，其用户间感知问题就相当重要。如果用户间缺乏足够的相互感知能力，一个用户的工作就可被另一用户忽视甚至破坏。上海交通大学（袁稹等，2001年）提供的用户间感知服务有：（1）远程指针服务：远程指针指其他会议成员的鼠标在本地屏幕上的显示，用于感知其他成员正在进行操作的位置。（2）多用户窗口滚动条服务：窗口滚动条能控制电子白板窗口内的显示区域。多用户窗口滚动条是单用户窗口滚动条功能的扩展，用于指示其他会议成员正在观看的电子白板窗口区域。（3）缩略图服务：提供两个窗口来显示共享工作空间。其中一个窗口是工作窗口，用户在这个窗口上进行各种操作；另一个窗口是当前工作空间的缩略图，当前工作空间中的所有共享对象在其中缩小显示。缩略图服务能加强用户对全局情况的了解。

通过上述服务，可以了解其他用户的操作区域、正在进行的操作和全局分布情况。这样，小到其他用户的一举一动，大到全局的总体概况，使用者都能掌控。2.4.3 模块的具体设计和实现2.4.3.1实现途径

具体实现是基于Tcl/Tk8.0语言，借助于Group Kit 5.0工具包进行多站点操作的同步协同，在SGI 02工作站实现的。实现途径具有下列特点：（1）由于Tcl/Tk是跨Unix、Windows、Mac OS的语言，Group Kit 5.0工具包亦支持这些操作系统，因此所开发的程序可直接运行在这些操作系统上。（2）Group Kit是University of Calgary开发的一套群件工具箱。Group Kit是Tcl/Tk语言的扩展，使用Tcl内置的Socket命令作为其底层网络通信，提供了一个能够处理大多数建立群件所需细节的应用框架，使应用软件开发商能将大部分精力花在应用需求本身上，更加方便开发群件应用。

从电子白板模块的开发过程和效果来看，这种实现途径是可行的。2.4.3.2电子白板内部实体

电子白板内部实体指位于电子白板内部的可观看的对象。电子白板内部所包含的实体分为可操作实体、背景实体和文字3类。（1）可操作实体：在电子白板中所能操作的实体。包括线段、矩形、圆和用于表示与实际世界相关联的物体（人员、车辆等）的可移动单元。（2）背景实体：在电子白板中的背景实体。包括作为整个电子白板的最底层背景的地图、作为整个电子白板的次下层背景的图片、用于标注和示意的随笔手写。（3）文字：在电子白板中，文字指用键盘输入的一段字符串，一般用于对实体的标注、用语言来对某一实体或现象进行解释。2.4.3.3模块的结构

电子白板模块的结构如图2-5所示，系统中有一个服务器，起着会议管理的作用，负责管理会议的注册、查询、与会者参与情况的显示等。分布在各处的工作站通过宽带网络相联，系统对开发者隐藏了底层通信的细节，各节点间的互操作通过远程过程调用（RPC）实现。系统在进行远程过程调用时，可指明是所有节点（除本机外的其他节点），还是某一特定节点，从而提高应用的灵活性。图2-5 电子白板模块的结构图

为此，基于协作系统的应用需求，制定了以共享的虚拟工作空间为思想的应用模型，设计了用户互操作的流程规范，实现了无中心点的分布式电子白板中的互操作控制、用户间感知、多参与者同步、共享空间一致性保持、本地和远程响应速度并感觉不到明显时延的设计目标。2.5电子白板功能的设计与实现2.5.1 使用连接点和接收器完成白板操作

系统（张刚毅，2005年）设计一个DCOM服务器，它有一个接口（IEBlankBoard），该接口有多个方法，这些方法完成白板的具体操作，例如画图、文本输入等。由于每个客户操作都必须使全组所有成员（教师或学生）看到，所以应该采用调用服务器的方法（函数）来操作白板才能保证所有用户都能收到并显示出结果。同时，对于服务器，其本身并不能在客户端完成具体的操作，所以实际上在服务端并不需要实现该方法（函数）的具体工作，它只是通过连接点回调客户端接收器的接口函数来实现最终操作。服务器将使所有客户做同样的动作。2.5.1.1具体实现

1．事件接口的添加（DCOM 服务器端的实现）

DCOM服务器的开发较为简单，因为服务器并没有做任何实质性的工作，它只是通过连接点调用客户端接收器的接口函数来实现最终的操作。（1）使用VC++6.0新建一个ATL工程，在向导的第二步中选择服务类型为“Service[EXE]”。向导自动生成的服务器只有一个CSeviceMoudle类和 _tWinMain函数。在WinMain函数里通过解析命令行和写注册表自动注册一个服务。（2）添加接口，该接口支持连接点。方法是选择菜单Insert→New ATL Object→Simple Object，在弹出的Names选项卡命名接口IEBlankBoard，在Att ributes选项卡中选择Support Connection Points（支持连接点）。（3）为接口添加方法和连接点的代理类。添加连接点的方法为：在工作区中选中接口类CEBlankBoard并单击右键，在弹出的菜单中选择“Implement Connect Point”项，在弹出的对话框中选中 _IEBlankBoardEvents的接口。需要注意的是，在此过程之前，必须编译该程序，否则上面的过程会失败。成功完成上述步骤后，就会增加一个代理类CProxy_IEBlankBoard。接下来便可在IEBlankBoardEvents的接口下增加函数，这些函数就是连接点函数，这些函数将在客户端最终实现。（4）工作过程：DCOM服务器调用连接点代理类的函数，该代理类函数（即连接点函数）再调用客户端函数的具体实现来完成自己的实现。

2.DCOM客户端的实现

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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