多層次云平臺錄播系統的設計及應用研究

趙祥好 王 鵬 方小凡

（1.安徽省委黨校 信息中心，安徽合肥 230022；2.內蒙古大學 教務處電教中心，內蒙古呼和浩特010021）

一 引言

終身學習是21世紀的生存概念，建設全民學習、終身學習的學習型社會，已成為世界許多國家和地區教育改革與發展的重要戰略目標[1]。黨校作為培訓和輪訓領導干部的主渠道、主陣地，肩負著大規模培訓干部、大幅度提高干部素質和推動學習型政黨建設的重要職責，黨校干部培訓工作要積極探索現代成人教育培訓規律，樹立現代培訓觀念，充分利用現代信息技術，創新培訓內容，改進教學方式，整合信息資源，不斷提升課堂教學質量，不斷提高黨校培訓水平。

信息技術的發展給現代教育帶來了發展動力，為現代教育提供了更豐富的信息資源與工具[2]。信息技術對黨校教育的影響不可估量，引領著黨校教學、科研、咨政和管理服務工作的創新發展。信息技術的應用已成為現代教育技術的特征之一，以至于在某些場合中，信息技術和現代教育成了同義詞[3]。隨著云計算技術的發展，基于分布式課程錄播系統的云錄播平臺，可以根據黨校各類課程的特點，分層次搭建在線學習平臺和資源共享平臺，滿足學員個性化、自主化學習的需要。

二 云平臺錄播系統的系統組成

當前常見的課程拍攝模式有很多種，主要有專業的演播室級拍攝系統和全自動錄播系統。但這兩種系統目前都無法在學校所有教室里統一安裝，不可能大規模普及。主要原因在于：一、使用專業演播室級的人工導播，多機位方式拍攝，雖然可以提供高質量的教學素材，但人力資源消耗比較大，需要數個攝制人員和多臺專業的攝錄設備，有的還要后期編輯處理，環境要求也比較高。全人工拍攝無法實現大規模教學視頻的錄制及資源積累。二、傳統自動錄播模式建設成本高。傳統自動錄播模式中每個拍攝教室需要一臺錄播主機，用于視音頻信號處理壓縮，每套10萬左右，要在全校幾十間多媒體教室普及安裝，僅此一項就要數百萬元。因此根據實際教學需要，通過網絡共享錄播主機，打造云平臺、多層次的全自動錄播系統，將公用核心設備錄播主機放在云端，既解決了攝制人員不足的問題，又大大降低了建設成本，使得每間多媒體教室轉變為錄播教室成為可能。

傳統意義的全自動錄播系統需要在每個錄播教室建立一套完整的系統設備，有信號采集所需的攝像機和麥克風，有自動跟蹤檢測設備，也有核心設備視音頻編碼器、錄播服務主機、管理服務器等等，并且根據錄制的畫面質量要求不同，選擇不同檔次的錄播服務主機、攝像機和視音頻編碼器。如果想讓每間教室都能錄制課程，那么每間教室都要安裝這樣的系統。錄播服務器是各種信號源的司令部，掌管著信號的調度，錄播鏡頭切換策略的實現和直播、點播的信息發布，因此這個設備的資金占用是最大的。以我校為例。建設30間錄播教室，僅錄播服務主機就要花費300萬元。基于云平臺的全自動錄制系統將錄播服務主機獨立出來，讓每個教室各種信號經處理后，通過網絡傳送到位于學校的教學資源管理中心的錄播服務主機，讓其統一指揮、統一存儲發布。每個錄播教室的投資成本也大大降低。通過此系統，短時間內就可以拍攝完成數門完整的視頻課程供學員學習，快速積累豐富的優質課程資源。

云計算是基于Internet或者Intranet的計算解決方案，它把原來分散的資源集中到一起，實現計算能力的聚合，然后再把這些計算能力分配給各種應用[4]。云平臺錄播系統將所有教室的錄制信息流程進行了全新分配，把需要教室端處理的信號放在教室處理。如跟蹤系統、視音頻壓縮編碼等，不需要在教室端處理的信號放在云端，如信號的調度，錄播鏡頭切換策略的實現和直播、點播的信息發布等，各類設備各司其職、按需分配，實現功能的優化組合。

1 云平臺錄播系統的整體構架

云平臺錄播系統整體構架可以分為三個層次：基礎設備層、核心設備層和終端接收層。基礎設備層主要負責前端信號的采集。主要設備包括：教師攝像機、學生攝像機、教師和學生的定位攝像機、視頻編碼器、VGA編碼器等信號采集及教師、學生活動狀態跟蹤設備，且根據實際錄制課程的需要設置3～5個機位進行拍攝。核心設備層即云端層，主要負責各教室根據錄制策略的要求完成電影模式及資源模式課程的錄制、存儲及發布。主要包括分布式錄播主機和資源管理服務器。終端接收層主要指接收和播放的各種終端，如PC終端、移動終端、專用硬件終端等。

2 云平臺錄播系統的系統模型

云平臺錄播系統中的設備，按位置分類可以分為前端和后端。前端主要指安裝在教室內的設備，后端指控制及發布設備。前后端通過網絡形成一個整體。傳統意義的錄播系統，前后端是一體的，N個教室需要N個前后端。而云平臺錄播系統，多個前端僅需一個后端，所以配置應用靈活方便。

圖1 云平臺錄播系統拓撲圖

前端系統主要完成采集功能，包含信號采集子系統、信號編碼子系統、圖像識別跟蹤子系統。信號采集包括師生的圖像采集、音頻采集和教師計算機信號采集等。后端系統的錄播服務器通過網絡將視頻的發布和共享進一步整合，形成本區域甚至是跨區域的云端錄播系統，如圖1所示。

三 多層次的云平臺錄播系統設計方案

云平臺錄播系統在實際應用中的搭建情況非常靈活。在黨校的日常教學中，有四種類型的錄播系統經常被用到：（1）滿足精品課程拍攝要求的演播室級錄播教室；（2）教學研究型錄播教室；（3）常規教學型錄播教室；（4）資源積累型錄播教室。需要特別說明的是，這四種錄播系統，除每個教室的前端設備外，錄播服務器可以在云端共享。最終錄制的成片由云端的錄播服務器自動上傳給媒體資源管理平臺，完成對媒體的統一管理、直播和點播等任務[5]。

1 演播室級錄播教室的設計

黨校系統精品課程以及一些重要的理論宣講專題片，對拍攝和后期制作的要求比普通課程要高許多，對教學環境的光線、記錄下來的畫面的質量和聲音清晰度及成片是否能夠真實再現教師教學思想和教學藝術，均提出了很高的要求。普通教室的錄制環境和全自動的鏡頭切換方式均無法滿足拍攝需要，應搭建演播室級課程錄播教室。傳統的演播室拍攝方式，雖然拍攝環境達到了拍攝要求，但所有機位全人工現場拍攝，再后期非線性編輯加工，制作周期長、人員耗費量大，缺點明顯。本套系統對傳統的演播室環境進行了適當調整，采用四機位拍攝模式，攝像機均為高清攝像機，其中教師近景、學員全景和教學全景采用自動跟蹤技術進行拍攝，學員近景采用人工拍攝，以便更好地捕捉師生互動及學員專注的表情。在此基礎上因為鏡頭的切換猶如“傻瓜”相機拍出的照片不如手動拍攝鮮活一樣，全自動錄播的切換給人生硬之感，所以通過導播切換臺，采用人工手動切換鏡頭，而非生硬的全自動觸發式切換，成片直接轉碼，生成高品質課程視頻成片。拍攝與剪輯同步進行，鏡頭切換自然，人員耗費少，優勢明顯。

2 教學研究型錄播教室

教學是教師按既定的教學目的，通過一定的媒介載體，將知識傳遞給學生，幫助學生全面發展的師生雙邊活動，所以作為教學研究型錄播教室，要通過攝像機鏡頭把課堂上教師和學員的教學活動情況及互動細節等完整自動的錄制下來。一方面可以幫助老師在課下通過回看教學錄像反思教學的不足之處，另一方面幫助各教研部門回看老師的教學情況，分析教學教法，幫助年輕教師盡快成長。在教學活動中，板書可以為學習者提供學習的要點和結構、是課堂教學內容的“腳手架”，板書所反映的知識內容結構是對課本內容濃縮、整合而成的“集成塊”，同時板書也是師生互動的平臺，所以在教學研究型錄播教室中，在攝像機數量和角度上，除了常規的四機位攝像機：講臺全景、學員全景、教師特寫、學員特寫外，增加了一路單獨的板書攝像機，用于反思板書是否文字精煉、突出重點，板書布局是否合理等問題。在筆者所在的黨校，用于內容創新和方法創新的新教學專題試講活動，在全程自動錄制后放在資源平臺供教師自我反思和提高，研討類課程如《創新思維與創新管理（研討式）》、《密切黨群關系做好群眾工作（研討式）》全程錄制后也放在資源平臺供教師和學員反思各自在教學過程的表現。

3 常規教學型錄播教室

在日常教學情況下，常態化的把課堂上教師和學員的教學活動情況自動錄制下來并上傳資源平臺。為全景呈現教學情況，特別是師生互動的教學環節，攝像機采用兩機位加VGA模式全自動跟蹤的拍攝方法，包括講臺全景、學生全景和VGA信號。錄制完成以后系統自動上傳到資源平臺，教師和學員可通過資源平臺復習和鞏固教學內容，其他班次的學員也可通過在線視頻學習該教學專題的內容，擴大了教學資源的受眾，提高了教學資源的利用率。黨校約百分之九十五以上的教學專題都可以通過該錄播模式進行錄制，因為全部都采用高清編碼信號，錄制后視頻圖像清晰、聲音清楚，得到教師和學員的一致好評。

4 資源積累型錄播教室（講座型錄播教室）

在黨校的培訓和教學過程中，很多時候會請某一領域的專家學者到校給學員們做講座，這種情況常常沒有板書，對學員的聽講狀態也不需要記錄，我們只需要教師特寫機位加VGA采集的方式，構建資源積累型錄播教室即可完成拍攝任務。教師近景攝像機自動跟蹤拍攝教師上課情景，教師PPT直接送VGA編碼器編碼后送錄播系統，云端的錄播服務器根據教師的PPT翻頁情況觸發切換視頻信號，再將成片上傳至資源服務器，學員可以遠程登錄資源管理平臺利用移動設備在線直播或點播講座。

四 多層次的云平臺錄播系統在教學中的應用

多層次的云平臺錄播系統的建設使每一間多媒體教室成為錄播教室，可以在極短的時間內把黨校優秀教師、教學名師的課程全部放在教學資源平臺上，供廣大師生共享學習。無論是教學管理者還是教學研究者，亦或是各類培訓班次學員都從中受益良多，逐步形成黨校獨具特色的在線教學服務模式。

1 促進教學反思常態化

傳統授課形式下，因為看不見自己的表現，教師很難發現自己課堂教學中的不足，因而也就不能及時跟進改正。通過自動錄播系統，無需老師和學員佩戴任何輔助設備，也無需老師和學員做任何額外動作，常態化教學狀態下，可以把課堂上教師、學員的活動和語言互動細節等完整、自動的錄制下來。老師通過觀看自己的教學錄像，能夠跳出自身的局限進行反思，更容易找到自己的不足與需要改進的地方[6]。

2 解決“吃不飽”和“難消化”的問題

每個人的學習能力不一樣，每個培訓班次的課程安排也不一樣。有的學員能夠很輕松地完成專題課程的學習，而有的學員需要課下反復學習自己理解不了的知識，有的學員由于上課時間沖突，無法聆聽其他班次的課程，這些情況在黨校的培訓過程中都會出現[7]。在傳統授課形式下，學員讓老師單獨再講幾遍幾乎是不可能的。但在以云平臺錄播系統為基礎的教學資源平臺上，學員可以反復收看老師的教學錄像，學習自己感興趣的知識或者鞏固某專題課程，并且可通過平臺的互動模塊與老師積極溝通。

3 方便教師互助交流

錄播系統錄制的教學錄像放在教學資源平臺上，可以及時將每一位教師的上課情況完整呈現，方便教師互學互評，取長補短，不斷從其他教師的教學中汲取有益的教學經驗，從而應用到自己的教學中，提高自己的教學效果和教學水平[8]。這可以成為督導老師和學校領導考核教師及了解學員上課狀態的手段。

4 留下寶貴的影像資料

多層次的云平臺錄播系統最大優勢就是設計方案靈活。在教學專題拍攝中，通過教室端多機位的高清攝像機拍攝、靈活多樣的多機位鏡頭切換策略和后臺錄播服務器對于視頻的H.264的壓縮編碼和MP4封裝，滿足各類視頻拍攝制作技術標準。課程錄制完畢后，電教工作人員運用后期編輯軟件對已生成的視頻進行精細化后期編輯和藝術加工，形成高水平的專業錄像資料。

5 實現優質資源共享

利用錄播系統的直播功能，可以實時直播任何一間教室的教學實況。直播系統可通過網絡將計算機屏幕內容、教師圖像、學員回答問題等內容流暢直播到客戶端，延時能夠做到小于1秒。收看直播的教室利用本地的多媒體設備，將上課圖像還原到本地，很好地解決了基層黨校因為師資力量不足、教師數量不夠導致的有些課程無法開設的情況。在帶寬保證的情況下，通過IE瀏覽器可以在任何地方收看直播，甚至是家里。

五 云平臺錄播系統發展方向及趨勢

隨著云平臺錄播技術的應用，大量的在線課程在網上供瀏覽學習。與此同時，對視頻質量的要求會越來越高，這要求錄播系統向兩個方向發展：局域網或寬帶專線的高清傳播和互聯網或移動終端的標清傳播。

1 云平臺錄播系統技術指標的提高

隨著網絡技術和多媒體技術的發展，在分布式系統的基礎層范圍內，音視頻信號的采集技術、攝像機跟蹤定位技術和課堂鏡頭調度切換策略的智能化方面都會進一步發展。（1）圖像效果更加清晰化。現在主流攝像機大部分都是720p 30幀的，為了圖像更加清晰，必然向1080p 30幀或者60幀發展。在某些技術類專題教學方面，有時需要傳輸分辨率達到或優于1920*1080的高清視頻信號，以便每一個細節都清晰記錄下來，這就需要攝像機達到指標，也需要視頻編碼器能夠處理這樣的大信號。（2）自動跟蹤技術更加智能。目前使用的自動跟蹤技術如紅外定位、超聲波定位或圖像識別技術都不是很完善，離真正的智能化還有差距。有時學員的坐高一些或者有一些多余動作都會造成攝像機的誤判，這還需要進一步的智能化。（3）鏡頭切換策略更加人性化。現在的自動錄播系統鏡頭的切換是依靠教師或學員的動作或者計時器來進行觸發切換的，而不是根據老師講課的內容來進行切換的，所以生成的電影模式影片給人一種生硬的感覺，需要人工進行二次編輯。鏡頭的切換策略如果能夠根據教師的講課語義來調整，視頻的藝術性和感染力會更好。

2 云平臺錄播系統的功能擴展

作為課堂教學，區別于網校的最大特點是師生間的廣泛互動。但目前的錄播系統只能通過網絡直播、點播手段進行單項傳輸或廣播，終端用戶只能單向接收信號，而不能反饋信號，不能做到與現場的雙向、多向交互，更談不上全方位交互了。要實現交互功能必須依靠視頻會議終端等外圍設備。錄播系統未來需要實現師生間聲音、圖像、文字等全方位交互功能，才能起到教學相長的作用，錄播系統本身也才會如虎添翼。

3 云平臺錄播系統促進教學理念的更新

每一種教學設備，無論技術如何先進必須有先進的教學理念作為支撐，才能在實際教學中起到事半功倍的效果，分布式錄播系統也是如此。錄播系統的最終落腳點是學習者的學習，系統針對學習者個人信息，學習者情景信息等內容進行建模，通過對交互文本、視音頻和系統日志等能夠反映過程信息的數據，利用參與度分析法、社會網絡分析法和內容分析法等學習分析技術來了解學習者的學習情況，從而提高學習效率，也是未來錄播技術發展的趨勢之一。

[1]范建麗.中國大學視頻公開課現狀與發展探究[J].現代教育技術,2014,(2):84-91.

[2][3]郭琴.信息技術對現代教育的影響[J].電化教育研究,2000,(6):8-13.

[4]房棟,李宣.基于云錄播的職教微格實訓系統設計[J].現代教育技術,2014,(2):115-119.

[5]鐘曉流.錄播技術與應用系統[M].北京:清華大學出版社,2012:161.

[6]李曉蘭,顧鋼,向昕彥.全自動智能錄播系統在高校精品課程錄制中的應用[J].科技創業月刊,2014,(5):98-99

[7]康偉.提高黨校教學質量的思考[J].黨校之窗,2014,(4):57.

[8]羅虹,卞亞紅.精品課程制作中全自動錄播系統的應用[J].西北醫學教育,2010,(10):66.