具有互動研討功能的錄播系統(tǒng)設計

錢震　張秋

【摘要】隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，教育信息化也得到了迅速發(fā)展。目前教育信息化已逐步從硬件基礎設施建設轉向以應用和資源建設為主的階段。重視資源建設成為一種教育行業(yè)的共識，教學資源，很大部分還是通過錄播系統(tǒng)記錄、獲取。互動研討功能的錄播系統(tǒng)是將傳統(tǒng)意義上的手拉手會議系統(tǒng)、互動平板電視與錄播系統(tǒng)相結合的綜合性多功能系統(tǒng)。既可以組合，也可以分解成幾個子系統(tǒng)，用戶可以自由選擇搭建，比較好地適應各種教學需求，節(jié)省開支。文章介紹了互動研討錄播系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，供大家參考。

【關鍵詞】互動研討；錄播系統(tǒng)；教學資源

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】A【論文編號】1009－8097(2012)09－0045－05

隨著中國教育技術協(xié)會技術標準委員會制定的教育技術行業(yè)標準《多媒體教學環(huán)境工程建設規(guī)范》的正式頒布，教育技術行業(yè)的從業(yè)人員在設計與建設相關的系統(tǒng)項目時，有了一套完整的指導規(guī)范。如今，在高校的教學中，研究生教育引起越來越多的重視，招生規(guī)模也越來越大，各高校教師給研究生上課大量采用的是互動研討教學模式。互動研討型的教學模式給研發(fā)錄播系統(tǒng)的企業(yè)帶來了新的市場。為此，蘇州科技學院網(wǎng)絡與教育技術中心和深圳市銳取信息技術股份有限公司合作，以教育技術行業(yè)標準《多媒體教學環(huán)境工程建設規(guī)范》為技術基礎，共同設計研發(fā)了一套適合研討型課堂教學的錄播系統(tǒng)，供大家參考。

一錄播系統(tǒng)總體要求

錄播系統(tǒng)是數(shù)字教學資源建設的重要工具，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制和數(shù)字媒體資源的共享，這是教學資源建設的總體要求。

1、錄播系統(tǒng)的基本要求

錄播系統(tǒng)應當盡可能完整地記錄和直播有效的課堂信息，包括：授課教師的音視頻信息；教學設備的音視頻信息；學生的音視頻信息。

2、錄播系統(tǒng)的擴展要求

建立遠程監(jiān)控，建立與其他數(shù)字化信息系統(tǒng)的安全共享是對錄播系統(tǒng)的擴展要求。

3、錄播系統(tǒng)功能要求

錄播系統(tǒng)應具有對音頻、視頻和計算機信號等多路音視頻信號同步(聲畫同步、行場同步)錄制、直播、點播的功能；

錄播系統(tǒng)應具備對各種信號進行采集、編碼、傳輸、混合、存儲的能力；

錄播系統(tǒng)應具備對錄制內容自動上傳、分類存儲、發(fā)布、檢索的功能；

錄播系統(tǒng)應具備在線用戶的管理功能；

錄播系統(tǒng)應具備第三方系統(tǒng)接口，可與其他系統(tǒng)對接實現(xiàn)文件發(fā)布、共享；

錄播系統(tǒng)應支持集中控制，能對設備進行集中管理、控制和操作；

錄播系統(tǒng)的攝像機控制系統(tǒng)應具備變焦控制、聚焦控制，光圈控制、白平衡控制、黑平衡控制、云臺可變速旋轉控制和預置記憶功能；

錄播系統(tǒng)自動跟蹤系統(tǒng)在講臺區(qū)域內應平穩(wěn)、準確地控制攝像機對授課教師的跟蹤，且拍攝的畫面構圖合理；

高清錄播系統(tǒng)應兼容標清錄播。

4、錄播系統(tǒng)的擴展功能

錄播系統(tǒng)宜具備遠程監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊應具備對錄播系統(tǒng)的完全實時監(jiān)控能力。包括錄播操作(開始、停止、暫停、畫面切換)，錄音電平的實時監(jiān)控，攝像機的實時監(jiān)控，錄播模式的選擇，錄制媒體格式和參數(shù)的設置，錄播分類管理，錄制內容網(wǎng)絡存儲位置設置等；

宜支持校園用戶信息導入、課表關聯(lián)功能；宜支持多級用戶訪問權限；宜具備存儲空間的擴展能力；宜具備遠程網(wǎng)絡升級能力；宜具備自動添加片頭、片尾能力；宜具備疊加字幕和圖片能力，可生成水印效果。

系統(tǒng)錄制模式宜支持單畫面電影單流模式、多畫面單流模式、多畫面多流模式的選擇；系統(tǒng)宜具備對錄制視頻添加元數(shù)據(jù)的能力；

系統(tǒng)宜具備對錄制的視頻添加章節(jié)索引能力，支持PPT自動索引及手動索引功能，索引宜采用文字索引、圖片索引方式；系統(tǒng)宜具備生成SCORM資源格式；

系統(tǒng)宜支持單播、組播兩種直播方式。

錄播系統(tǒng)的詳細功能要求參照參考文獻[1]。

二具有互動研討功能的錄播系統(tǒng)

所謂互動研討功能，是指該系統(tǒng)除了能夠通過網(wǎng)絡與其他教室進行互動外，在本地也可以進行發(fā)言者之間的互動，即老師與學生之間、學生與學生之間均可以互動。且每個發(fā)言者的演講內容都可以在具有互動功能的液晶平板電視或者是帶有互動功能的電子白板上顯示出來。發(fā)言者既可以在自己的座位上演講，也可以到大屏幕顯示設備前演講。發(fā)言者的形象和發(fā)言內容，通過錄播系統(tǒng)同步記錄下來。

互動研討功能的錄播系統(tǒng)是在常規(guī)的錄播系統(tǒng)基礎上，再加上會議系統(tǒng)、手拉手攝像自動跟蹤系統(tǒng)、互動平板顯示系統(tǒng)、視音頻信號切換等子系統(tǒng)共同構建，見圖1“系統(tǒng)連接拓撲圖”。它除了需要包含上述錄播系統(tǒng)所具有的要求和功能以外，還需要具備以下功能；

(1)手拉手會議發(fā)言系統(tǒng)主要完成本地的聲音拾取，并配合攝像自動跟蹤系統(tǒng)完成對發(fā)言者的跟蹤；

(2)攝像自動跟蹤系統(tǒng)根據(jù)手拉手發(fā)言主機的信息自動完成攝像機的跟蹤拍攝工作；

(3)視音頻信號切換系統(tǒng)主要是實現(xiàn)在不插拔信號線的情況下，完成不同研討者攜帶電腦的視音頻信號在大屏幕和擴音設備上的顯示與播放；

(4)互動平板顯示系統(tǒng)或者帶有互動功能的電子白板是將發(fā)言者的講演內容顯示給現(xiàn)場觀眾，并能實現(xiàn)人機互動：

(5)錄播系統(tǒng)完成整個研討課程實況的錄播和對外發(fā)布功能：

三具有互動研討功能錄播系統(tǒng)的設計

1、要求

本項目是在一間8m×10m的小教室里，設計一套能夠舉行小型會議、學術研討，滿足研究生上課要求，并能通過網(wǎng)絡將現(xiàn)場視音頻信號傳達到其他教室，實現(xiàn)直播，錄播和點播功能的教學系統(tǒng)。

2、需求分析

目前常規(guī)的錄播系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場直播，錄播和點播功能是沒有問題的。但是遇到多人發(fā)言的小型會議、多人演講的學術研討，并且每個發(fā)言者既可以在自己的座位上，通過筆記本電腦和大屏顯示設備與現(xiàn)場觀眾研討，又可以到大屏顯示設備前，通過與大屏顯示設備實現(xiàn)人機互動，將演講內容展示給現(xiàn)場觀眾；系統(tǒng)還能將演講人和演講內容實時記錄或發(fā)布。這就常規(guī)的錄播系統(tǒng)的自動跟蹤帶來了新的課題。

圖2所示為我們設計的系統(tǒng)設備的現(xiàn)場布局圖。

3、設計的關鍵點

常規(guī)的錄播系統(tǒng)，主要是針對一名教師與眾多學生之間的互動教學活動的錄制、發(fā)布。在錄制時，老師的行走路線是比較固定的、有規(guī)律的，通過投影機或其他大屏幕顯示設備顯示的老師的講授內容以及學生回答問題的畫面等，都可以通過人臉識別技術和基于機器視覺原理的圖像跟蹤方式來實現(xiàn)對移動人員的跟蹤拍攝。

圖像跟蹤設備完全基于高速DSP處理及先進的智能視覺處理技術，一鏡實現(xiàn)360°全域精確目標跟蹤定位，直接對錄制視頻圖像進行分析，主講人講課時無需佩戴任何定位設備，也無須安裝任何紅外、超聲波、射頻發(fā)射器等輔助定位裝置，更無需安裝圖像定位攝像機，完全實現(xiàn)常態(tài)化教學。

系統(tǒng)采用精密云臺機械傳動結構和先進的云臺驅動控制算法，可無噪音地完成跟蹤動作，對拍攝現(xiàn)場影響極低，可與周邊環(huán)境自然融合在一起。

跟蹤過程中不受光線或光源干擾、不受目標姿態(tài)變化影響，不受其他目標干擾等的影響，能夠過濾所跟蹤目標的微小動作，具有非常穩(wěn)定、平滑、自然的平移/俯仰/縮放動作，十分適合在教室、會議室等場合使用。當主講人頭部進入事先設置的觸發(fā)區(qū)域，自動跟蹤系統(tǒng)會發(fā)出指令調用近景預置位將教師進行鎖定跟蹤。圖3為全景、近景位置的跟蹤模式。

系統(tǒng)支持各種標準云臺控制協(xié)議的標清、高清攝像機，可根據(jù)實際情況靈活選擇，保證自然、清晰、穩(wěn)定的高質量跟蹤視頻圖像，不同跟蹤模式的比較見表1。

具有互動研討功能錄播系統(tǒng)除了可以像上述錄播系統(tǒng)一樣，完成教學錄制任務外，還可以將多個演講人的演講內容實時顯示并且做到系統(tǒng)自動跟蹤發(fā)言者，拾取其講話內容和講話畫面。

這次設計的具有互動研討功能錄播系統(tǒng)，設置了10個固定發(fā)言席和1個自由發(fā)言席。11個發(fā)言席都可以將各自的發(fā)言內容顯示到大屏幕上，實現(xiàn)現(xiàn)場交流互動。

4、主要設備配置

系統(tǒng)主要設備配置如表2所示，整個系統(tǒng)配置了4臺攝像機，其中3臺配合手拉手系統(tǒng)實現(xiàn)攝像自動跟蹤功能，另外1臺完成現(xiàn)場的全景圖像和大屏顯示設備前區(qū)域的實時跟蹤拍攝工作。現(xiàn)場布局如圖2所示，除麥克風和攝像機放置在研討教室內，其他設備均放置在隔壁控制室的機柜中，所有線材在預埋時均置于房間的同一角落，并露出地面2-3米。

四主要子系統(tǒng)配置和功能說明

1、錄播系統(tǒng)

鑒于學術研討室對現(xiàn)場拍攝圖像的高標準要求，在記錄發(fā)言人的圖像同時，還要將會場其他圖像實時記錄下來。

錄播設備具體配置如下：

錄播服務器1臺：實現(xiàn)學術研討室錄像與直播。

標清編碼器5臺；負責拾取學術研討室中4個攝像機的圖像信號以及1個自動跟蹤切換信號，支持的信號有CIF／4CIF／D1

VGA編碼器1臺：VGA編碼器主要負責采集電腦信號，學術研討室中一般主要是對PPT信號。分辨率最高支持1280×1024，幀率15幀。

錄播系統(tǒng)的功能主要有如下7條：

(1)實時直播功能

系統(tǒng)采用B／S訪問架構，支持跨瀏覽器、跨操作系統(tǒng)平臺直播功能，無論使用的是Windows操作系統(tǒng)還是Mac OS，均可使用相應瀏覽器接受教學直播。可通過所有流行的瀏覽器登錄錄播服務器接收直播的視頻、音頻和計算機動態(tài)屏幕內容，包括Microsoi～Intemet Explorer、Mozilla Firefox、AppleSafari等。

可根據(jù)需要自由切換直播界面顯示模式，包括全屏、畫中畫、畫外畫、等畫面、獨立畫面等5種畫面顯示模式。

(2)事后點播功能

系統(tǒng)內置課程點播功能，可通過m瀏覽器點播。點播時用戶可通過文本模式或圖片模式查找想要點播的文件，也可以通過課件名稱、課程錄制時間、講課教師、課程名等信息搜索需要點播的文件。點播時觀看到的內容不僅包括視頻、音頻內容還可根據(jù)PPT圖片索引或文字索引跳轉點播課件的段落。

系統(tǒng)支持圖片、文字、圖片+文字三種索引方式查看課件內容。

(3)智能的錄制功能

采用分布式導播功能，可以實現(xiàn)前端6路視頻輸入以及多間教室的導播切換功能，多種分辨率可調。經(jīng)過導播后，單流單畫面的電影模式視頻文件和多流多路文件同時生成，方便后期編輯。

(4)課件點評功能

點播用戶觀看完點播文件后可發(fā)表對教師講課效果的評論，點評形式同時支持文字評論和直接打分兩種形式，點評內容直接通過瀏覽器發(fā)布到多媒體錄播系統(tǒng)。其他點播用戶可以實時查看到課程點評信息，也可以給出自己的評論。

(5)用戶管理功能

系統(tǒng)支持多級用戶權限管理功能，用戶可靈活進行權限分配。用戶可將系統(tǒng)的管理權限分為多個不同級別的用戶組，不同級別的用戶組的管理權限也不一樣，當有新用戶加入時，只需要將該用戶分配到事先建好的用戶組中即可。靈活、強大的用戶管理功能滿足多間教室、多用戶管理需求。

(6)在線編輯功能

在線編輯可對前期通過自動圖片索引功能生成的課件進行編輯，不需具備專業(yè)的視頻編輯知識，教師可以通過Web的方式，對錄制的課程視頻在線添加索引，刪除、替換已有索引文件，可加入文字索引，輕松實現(xiàn)圖片、文字雙索引功能，以便用戶進行點播時更便捷地觀看。可添加課件的片頭、片尾。

可對視頻文件進行剪切和替換，編輯完后可在線保存實時發(fā)布，也可以保存為新的課件實時發(fā)布。視頻剪切和替換可同時進行，可對同一文件多處進行逐一修改，修改完后統(tǒng)一保存，不會影響視頻、音頻和計算機動態(tài)屏幕的同步播放。

通過在線編輯功能，也可以將多個課程文件合并為一個課程文件。

(7)課件管理功能

具有課件管理權限的用戶可對錄制好的課件進行管理，可查看課件的詳細信息(包括：課件名稱、課件時長、錄制時間、課件的錄制質量等)；可修改課件基本信息(包括：課件名、課程名、授課教師、備注信息等)；可將該課件歸檔到其他的授課教室，以便其他班級的學生可以觀看；通過下載工具可將課件下載到本地離線觀看或將錄制文件刻成光盤以便保存。

用戶可通過文本模式或圖片模式查看課件基本信息。

2、VGA切換系統(tǒng)

在研討教學中，會有多人進行發(fā)言討論，需要在大屏幕上顯示發(fā)言者自帶電腦的視音頻信號，如果使用一般的視音頻矩陣或切換器，進行信號源切換時，需要到機柜位置進行操作，增加了與研討不相干的工作量，如果使用中控設備，這樣會增加額外的費用。

綜合考慮，我們在每個座位對應的會議桌面上安裝快切按鍵進行視音頻信號切換，使用方便，資金投入較少。

3、手拉手及攝像跟蹤系統(tǒng)

研討型課堂的一個特點就是發(fā)言人眾多，且發(fā)言人隨機性高，因此需要部署多個發(fā)言單元，將每個發(fā)言人的形象和演講內容實時錄制下來以滿足實際應用需求。考慮到這兩方面的因素，我們采用了手拉手會議系統(tǒng)，同時主機配置自動跟蹤模塊，從而滿足研討的錄制需求。如圖4所示。

4、大屏幕顯示系統(tǒng)

由于教室比較小，只有8m×10m，按照《多媒體教學環(huán)境建設規(guī)范》要求，選用了一臺70寸的具有人機互動功能的液晶平板電視，既能在研討時將發(fā)言者的演講內容顯示出來，也可以將視頻信息傳輸給錄播服務器，還能在普通課堂上顯示教學板書。

5、擴聲系統(tǒng)

擴聲系統(tǒng)的設計，采用了吸頂揚聲器嵌頂安裝方式。功率與設備選型參照參考文獻[2]。

6、聲場環(huán)境

考慮到在這么小的空間，既要拾音又要擴音，還要錄音。適當對墻面和房頂做一些吸音處理是很有必要的。墻面采用2cm龍骨加穿孔板，內填吸音棉；房頂采用穿孔石膏板。設計要求參照參考文獻[3]。

總之，在設計上考慮了互動研討型錄播系統(tǒng)的兼容性，可以按照需要自由組合，實現(xiàn)諸如常規(guī)錄播系統(tǒng)、互動教室系統(tǒng)，視頻會議系統(tǒng)和研討課堂系統(tǒng)等功能。

產(chǎn)、學、研相結合，是教育技術工作者和教育行業(yè)企業(yè)的共識。正如本項目所體現(xiàn)，當教學、教研有所需求時，企業(yè)必須能夠全方位地為其解決問題，才能實現(xiàn)共同發(fā)展。