課程錄播系統的研究與應用

【摘要】文章圍繞課程錄播系統展開，闡述了錄播系統的概念、適用范圍、種類、組成、性能要求等。并結合高校的教學中的應用，闡述了全自動錄播系統的特點，結合我校網絡教學的發展及特點，介紹了全自動課程錄播系統在我校的應用。

【關鍵詞】課程錄播系統;單畫面;多畫面;流媒體

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097(2010)08—0044—05

“高等學校教學質量和教學改革工程”(以下簡稱質量工程)，是教育部制訂的《2003-2007年教育振興行動計劃》的重要組成部分[4]，教育部和北京市教委從2003年至2010年已進行了8年的評審工作。我校也大力開展各級精品課的建設工作，網絡教學資源建設尤其是課程錄像資源的制作工作量極其繁重。因此，建設一套高性能、高度自動化、高效率的課程錄播系統是非常必要的。

一 錄播系統綜述

1 錄播系統概念

顧名思義，錄播系統兼具錄和播的功能。“錄”指對客體(Object)進行視頻錄制，分為單畫面錄制模式和多畫面錄制模式;“播”指對客體進行視頻播放，播放形式可以是直播或點播。[1]

因此，錄播系統是可以實現對客體(Object)進行視頻錄制和播放，根據需求生成一個或多個數字視頻文件，具有各種硬件設備和應用軟件的一體化的智能數字系統。

2 錄播系統的適用領域

錄播系統的應用非常廣泛，可以應用于教育系統，如精品課程、微格教學、遠程教育、公開課、優質課評比等場合的視頻錄播。企事業單位及政府機關的各項工作，如企業培訓、視頻會議、會議實錄、系統培訓等。司法系統的數字庭審、模擬法庭、遠程審訊等應用。醫療系統的遠程醫療、手術示教、手術存檔等工作。軍隊系統的軍事演習、會議實錄、作戰訓練、應急指揮等軍事行動。

3 錄播系統的種類

錄播系統的種類可以從錄制畫面模式和部署形式劃分。

(1)按錄制模式劃分

按錄制模式劃分，可分為單畫面(單流)錄制模式和多畫面(多流)錄制模式。

單畫面錄制模式指多路視頻經過切換或疊加等方式成為單個畫面，直播觀看端顯示的是整合后的一路視頻畫面。畫面內容不但支持多路視頻、VGA信號的切換顯示，而且支持畫中畫，單流多畫面等各種顯示模式，并可在各種顯示模式間無縫切換[2]，一般是根據客體內容的邏輯性進行切換，使整個視頻文件保證客體在邏輯上的合理性，很像是電影劇情的發展，所以也稱電影模式。

多畫面錄制模式指多路視頻及VGA信號同步錄制，生成各自獨立的文件，每一路錄制的視頻都是完整的，可通過編輯軟件在后期把其中任意一路視頻導出。各路視頻之間沒有畫面覆蓋的情況，能保留最完整的素材資料。[3]

(2)按部署形式劃分

按部署形式劃分，可分為固定式錄播系統和移動式錄播系統。

固定式錄播系統指固定安裝在一個特定的場所，如教室或會議室等，所有設備都固定在場所的某一位置上，這種系統基本可以不受設備尺寸的限制，可以優先考慮設備性能。

移動式錄播系統指可以具有固定課程錄播系統的全部功能和便攜式特點，所有設備都是臨時安裝到錄制場所，無需布線和固定。錄制結束后，方便收撿和裝箱。

4 課程錄播系統的基本組成

就錄播的應用領域而言，我們更關心的是應用于高校的教室課程錄播系統。下面以教室課程錄播系統為例，闡述一套錄播系統應具有的最基本的組成部分。錄播系統應包括教室端子系統和主控中心子系統，兩部分一般通過校園網進行連接。

教室端子系統應包括如下部分:

(1)多媒體教室子系統

此部分為開展多媒體教學而構建，同時該子系統又是錄播系統的信號源，包括音頻和視頻，既可以配合錄播系統新建，也可以利用原有系統與錄播系統連接。

(2)課堂教學視、音頻信號采集子系統

該部分可以認為是錄播系統的一部分，負責對教學視、音頻的采集。

(3)全自動錄播子系統

這部分是錄播系統的主體。主控中心是用于遠程監控和管理教室端錄播子系統，包括如下部分:

a 主控中心顯示子系統

b 網絡實時直播、點播子系統

c 課件的集中存儲、智能編輯子系統

d 遠程管理控制子系統

5 錄播系統的性能及評價要求

錄播系統應該給用戶一個相對獨立的完整的解決方案，應有非常明確的外特性。這些外特性一方面是錄播系統本身的功能描述，另一方面是非常明確的外部接口特征描述。而外部接口特性主要是指與原有多媒體教學環境的接口和網絡教學平臺的接口。

以上三方面的外特性以錄播系統本身及與多媒體教學環境接口為主，與網絡教學平臺接口外特性不是必需的。所有的構件(包括軟件和硬件)設計，必須具有技術先進性、功能實用性、系統穩定可靠性、功能完備性、系統可拓展性和標準化的目標，經過一系列測試和評價可達到預期目標。錄播系統運行的最終產品是數字化視頻文件，視頻文件要至少滿足網絡點播的基本要求。基本要求要做到:聽覺上實現聲音效果好、音質優美、悅耳動聽;視覺上無盲區、色彩還原好、圖像清晰、傳輸質量穩定可靠;操作上人性化設計、界面設計簡單易操作、智能化程度高、結構緊湊、便于掌握等目標。[3]

(1)設備性能參數

a 視頻、音頻性能應清晰明確，滿足人聽覺舒適感，同時要與視頻同步。具體要求如表1。

b 其它要求

電磁兼容性符合GB9254-1998中A級的有關規定;系統正常工作條件下的觸電危險、絕緣電阻和抗電強度符合GB8898的有關規定，維護操作的安全要求符合GB12641的有關規定。

(2)使用條件

a 電源條件

電源電壓采用交流220V±22V;電源頻率采用50Hz±1Hz。

b 保存錄制文件的要求

文件以網絡共享目錄的方式保存，因此，能夠在主播端，利用任何一臺電腦通過網絡名稱或IP地址訪問到共享目錄，并可以讀寫文件。

c 實現流媒體直播的要求

流媒體直播采用組播方式服務，所有的收視端能夠接收到由主播端發送的組播數據報文。

(3)場所要求

教室內照度要求應按如下標準。

講臺上照度要求:100LUX—1500LUX;

黑板上照度要求:100LUX—1500LUX;

板書定位器照度要求:50LUX—500LUX;

教室學生場景照度要求:150LUX—1500LUX。

(4)錄播服務器

錄播服務器性能應滿足系統運行穩定、功能適用，可采用7×24小時不間斷服務器或具有定時開關機功能的PC機。

(5)彩色攝像機

指固定式攝像機，其成像裝置為1/3\"CCD;分辨率為540TVL;鏡頭為5-50mm(30X光學變焦);光圈為F1.3;技術采用DSP。

(6)球形攝像機

在 4:3和 16:9兩種模式下都可提供PAL制圖像。有效像素PAL 752(水平) x 582(垂直)。平移/俯仰/縮放六個預設值，平移/俯仰角 -170至+170度(平移)，-30至+90度(俯仰)平移/俯仰速度 0.25至60度/秒(平移/俯仰)。12倍光學自動聚焦的變焦鏡頭，f = 3.6至43.2 mm(F1.6至F2.8)。水平視角 4:3 模式:3.3(望遠端)至37.8 度(廣角端)/16:9模式:4.0(望遠端)至45.4 度(廣角端)。最小物距 300 mm(廣角端)，800 mm(望遠端)。最低照度 7 lx at F1.6。信噪比 50 dB。快門速度 PAL 1/10000至1/3秒。增益自動/手動(-3至18 dB，3 dB一級)可切換。白平衡自動，室內，室外，一觸式白平衡，手動。模擬輸出 VBS(BNC)，Y/C(4芯Mini DIN)。攝像機控制接口 RS-232C(VISCA協議)/ RS-422(VISCA協議)。背光補償開/關。工作溫度0至40度。存放溫度-20至60度。電源要求DC 12V。

(7)超聲波定位單元

能使超聲波傳感器的探測信號輸出給場景切換單元，作為場景轉換信息。

(8)超聲波傳感器

能探測人體在講臺范圍內移動時的位置，進行實時判定。

(9)場景切換單元

與超聲波定位單元連接接口，能根據觸發信號，選擇對應攝像機的圖像。

(10)錄播、控制軟件

a.利用接口控制云臺

能利用控制接口 RS-232C(VISCA協議)/ RS-422(VISCA協議)，遠程控制每個云臺攝像機的平移/俯仰/縮放和六個預設值的存儲。

b.錄播時刻表設置

能遠程預先給錄播服務器設定錄像的各個時間段，在錄播服務器本機時鐘到達“開始錄制時刻”、“結束錄制時刻”時，自動(在不需任何人工干預的情況下)進行錄制、存儲。

c.錄播軟件功能

錄播軟件功能應包括填寫課程名稱、主講人姓名等信息;設置手動、自動切換模式;設置片頭/片尾圖片及徽標等內容;設置錄播的課程保存路徑;軟件播放功能包括:開始、暫停、結束、退出、回放、導出直播/錄制的功能;錄制圖像碼流可以在350K--2Mbps之間設置;錄制文件分辨率可選800*600和1024*768;錄播幀率為大于20幀/秒;錄播文件格式為流媒體格式。

二 全自動錄播系統的特征

全自動錄播系統應具備錄播系統的一切基本特征，除此這外，全自動是其最重要的特征。課程自動錄播系統，是將授課教師的視音頻、多媒體教學內容(包括教師的電子講稿、課件等)以及學生學習活動視音頻等教學現場信息以數字化形式同步采集、壓縮、錄制，并自動合成單流或多流實時教學錄像的錄制與播放系統。[2]

全自動錄播系統的基本特征應該包括:

1 教師自動跟蹤功能

教師在講課過程中，在講臺、黑板及教室主體范圍內走動，云臺攝像機應自動跟蹤定位，保持教師在畫面中心位置。

2 攝像機自動切換定位功能

教師在進行板書教學過程中，采用多臺攝像機切換錄播方式時，采用紅外線或超聲波等定位傳感器技術進行跟蹤定位。根據教師在講臺、黑板前等范圍內的走動位置，各攝像機自動切換，保證錄播視頻正確捕獲教師畫面。

3 遠程調整攝像機狀態功能

對于攝像機的各項參數，如角度、焦距、曝光度等參數，應該可以通過遠程監控管理軟件的方式進行調整。

4 多路視頻、音頻流自動合并采集功能

采用電影模式進行課程錄播時，根據教學內容自動在教師本人及板書視頻和課件PPT文檔等VGA信號之間進行自動切換，合并采集為同一視頻流。

5 自動生成視頻文件功能

對于經過多路視、音頻切換合并后的信號，通過自動采集、編碼后生成視頻文件。根據不同需求，視頻文件可以是基于本機播放的文件格式，如mpeg、rm等文件格式，也可以是基本網絡播放的流媒體文件格式，如wmv、asf等文件格式。課程視頻文件名要有一定的意義及規律性，如應包含教師姓名、課程名稱、生成日期時間及流水號等。

6 自動開始/停止錄制或一鍵式錄制功能

在錄制過程中，根據各學校的不同需求，可以采用自動開始/停止錄制方式或一鍵式錄制方式。自動開始/停止錄制方式根據預先設定的錄像課程課表中一學期的所有課次的具體時間由錄播主機自動觸發執行開始錄制和結束錄制。一鍵式錄制方式由講課教師本人在上課期間認為適合的時刻手動啟動開始錄制和結束錄制。

7 自動添加片頭/片尾信息功能

每一節課應為一獨立錄制單元，生成一個獨立的視頻文件，根據不同學校的要求，可能是45分鐘或50分鐘。對每一個獨立錄制單元就包括片頭、片尾信息，片頭/片尾信息預先由管理軟件設置。片頭一般為包含課程名稱、教師信息及第幾講的背景圖片，片尾應為包括結束標志的背景圖片。錄播軟件在錄制過程中應自動添加片頭/片尾信息，持續時間可調，比如5秒至15秒不等。

8 視頻文件自動上傳至網絡教學平臺及備份功能

學校如果部署了網絡教學平臺，錄播系統與網絡教學平臺之間應設計接口構件，用于自動將錄播系統中的視頻文件及時上傳至網絡教學平臺，及時提供教師和學生使用，開展網絡教學活動。同時錄播系統應提供自動網絡備份功能，將錄制好的教學視頻備份至安全的網絡存儲設備中。

9 自動清理硬盤存儲數據功能

在完成一個課程錄制周期(一個學期或一個學年)后，在保證網絡備份成功后，錄播系統應自動清理硬盤錄制數據，包括視頻文件及相關文件應及時被刪除。

10 遠程監控管理軟件設置功能

遠程監控管理軟件是錄播系統的一個重要組成部分，應具有集中多點監控管理功能，所有系統相關設置及初始化都通過該軟件進行，具體應包括以下功能。

a 視頻遠程監視及管理功能

對于各個錄播點(錄播教室)可以實現監視錄制情況以便對出現故障做出及時響應;可以進行遠程管理功能，如遠程手動啟動、暫停、停止視頻錄制等功能。

b 系統狀態設置功能

對于錄播主機及網絡狀態就有充分的顯示，并可以遠程調整及設置。

c 教室攝像機調節功能

教室攝像機可以遠程調節，如角度、焦距、曝光度等參數。

d 錄制課表設置功能

為了實現全自動錄制課程，應預先設置錄制課表，應按一個錄制周期設置，如一學期或一學年。具體操作順序應為:

設置開學信息，如學期第一周開始日期、本學期周次、每周的天數(如周一至周五)、每天上課節次及上下課時間等;

添加/修改課程信息，將本周期要錄制的課程名稱、課程說明等數據輸入;

添加/修改教師信息，將本周期上課教師數據錄入，如教師姓名、所屬院系等數據;

關聯教師/課程數據，關聯上教師對應的課程，允許一名教師上多門課程或一門課程由多名教師上課;

設置上課時間，對于關聯好的教師-課程設置上課時間，包括本學期的周次(如第1、3、5…17周)、每周日期(如周一、周三)、上課日期的節次(如1-2節、7-8節)。

e 課程視頻片頭/片尾設置功能

設置片頭/片尾功能包括選擇預先制作好的背景圖片，設置學校Logo、課程名稱、教師姓名、講次等信息在背景圖片中的位置、字體、字號、顏色等信息，以備在課程錄制時被自動添加到課程視頻中。

三 全自動錄播系統的應用

隨著國家教學質量工程的開展，國家級、北京市級及校級精品課程的大規模建設的需求，需要制作大量精品課程視頻，把這些精品課視頻的寶貴資源保存起來，同時上傳至網絡教學平臺，為廣大師生開展網絡教學活動提供素材。結合我校精品課建設的具體需求，和公司合作研發了一套全自動錄播系統，應用近兩年來取得了比較滿意的效果。

1 錄播系統功能需求

截止到2009年，我校共有精品課程145門，其中國家級精品課程14門，北京市級精品課程37門，校級精品課程94門。按計劃依次要把國家級、北京市級和校級精品課程全部視頻發布到網絡教學平臺。此外，經常有青年教師講課比賽、優秀教師選拔等工作都需要錄制講課視頻，工作量非常巨大，如果用傳統的人工課程錄制方式，幾乎不可能完成。因此，我們提出全自動錄播系統的需求，與公司進行合作共同開發。經過系統需求分析，確定了系統的基本硬件結構，如圖1所示。

如圖1所示，四臺攝像機中三臺覆蓋黑板及講臺全部面積，另一臺是教師用于錄制教師近景;通過超聲波定位單元確定教師在講臺上的位置，再由視頻切換器根據定位單元的信號確定四路視頻中的某一路進行錄播服務器進行錄制;圖中話筒及教師PC示意性地代表教室多媒體教學環境中的計算機和聲音輸入裝置;遠程監控及管理PC機通過校園網或Internet連入錄播服務器。

根據以上的需求分析及系統硬件設備的設計，該系統滿足如下需求。

(1)教師攝像機自動切換

在講臺范圍內覆蓋板書及教師近景的攝像機根據教師講課時所在位置自動切換，始終使一路視頻進入錄播服務器。

(2)教師計算機VGA信號切換策略

教師講課用計算機VGA信號具有比教師攝像機更高的切換優先級，即如果教師觸動鍵盤或鼠標，立即切換到教師計算機VGA信號。

(3)無人干預全自動課程錄像

教師講課的錄制全過程不需任何人工操作，錄播服務器根據預先設定的課表中上下課時間自動開始、停止錄制。

(4)視頻文件需求

為適用校園網及社會遠程公網點播的需求，我們采用電影模式進行錄制，生成兩個不同碼流的流媒體文件。系統按每節課(50分鐘)為單元生成一個文件，自動添加預先設定的片頭及片尾。

2 遠程監控及管理軟件的需求

本系統采用全遠程監控的管理方式，原則上不對教室錄播服務器做任何操作，圖2為部分功能截圖。具體功能如下。

(1)監視功能

對教室正在進行錄播的課程進行監視，包括監視錄制視頻、錄播服務器系統狀態、網絡連通性等。

(2)控制功能

對正在進行錄制的課程，可以遠程啟動、暫停、停止錄制，可以手動切換視頻與VGA信號等。

(3)管理功能

主要是設置課程錄制課表功能，在每學期開始之前，按校歷確定第一周日期，然后依次設置教學周、上課日(周一至周五)、上課日每節課的上課/下課時刻;輸入教師、課程及教師與課程關聯信息;設置關聯課程的上課周次、星期及節次信息。

在做好一切設置之后，錄播系統按照課表進行全自動錄制，在一個學期的錄制過程中不再需要人工干預。如果課表被更改，系統自動按更改后的課表進行錄制。

在本系統應用的兩年時間里，已經錄制了5門400多講的精品課視頻，并全部上傳到網絡教學平臺，開展了網絡教學活動，收到了良好的效果。

四 結束語

課程錄播系統隨著國家教學質量工程的深入開展，將越來越發揮更重要的作用。是全自動無人干預錄播還是全自動一鍵式錄播，采用何種流媒體格式，是遠程監控管理方式還是直接操作錄播工作站方式等問題都是不錄播系統設計的關鍵問題。錄播系統的設計的關鍵問題是要滿足不同高校對錄播功能及性能需求的差異性。為了滿足這種差異性，在錄播系統的頂層設計時，要充分采用模塊化設計，各功能模塊之間相互獨立、易于拼裝，以滿足不同高校、不同類型課程之間的需求的差異性。

參考文獻

[1] 錄播系統[EB/OL].

[2] 冀燕麗， 王玉清. 高校精品課程制作中自動錄播系統的設計與應用[J].中國現代教育裝備，2009，(14).

[3] 鐘曉流. 多媒體教學環境的設計與評價[J]. 現代教育技術， 2010，(6).

[4] 冀燕麗，王玉清.高校精品課程制作中自動錄播系統的設計與應用[J].中國現代教育裝備，2009，(14):44.