基于云計算常態化錄播系統的設計與實現*

陸海鋼

（南京信息工程大學 現代教育技術中心，江蘇南京 210044）

基于云計算常態化錄播系統的設計與實現*

陸海鋼

（南京信息工程大學 現代教育技術中心，江蘇南京 210044）

高質量、規模化、課程體系完善的教學視頻資源是優質數字教育資源的核心。為此，文章結合實際情況，設計并實現了常態化錄播系統。該系統是以多媒體教學課堂為中心，應用云計算技術，集課程錄制、課堂直播、課程資源管理于一體的教育教學應用系統，包括教室錄制終端、錄播管理系統和教學管理中心。該系統軟硬件結構合理、配置科學、性能優越；錄制過程高度自動化，大規模錄制效率高；管理手段先進，教學資源得到有效利用。可以說，該系統在實際應用中具有一定的價值。

教學視頻資源；常態化錄播系統；云計算技術；設計

為推進落實《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》關于教育信息化的總體部署[1]，教育部于2012年印發了《教育信息化十年發展規劃（2011-2020年）》（以下簡稱《規劃》）。《規劃》在“行動計劃”部分指出：“實施優質數字教育資源建設與共享是推進教育信息化的基礎工程和關鍵環節”[2]。高校是國家教育信息化建設的主陣地，因此《規劃》強調高校應“建成與各學科門類相配套、動態更新的數字教育資源體系”，其核心任務就是建設高質量、規模化、課程體系完善的教學視頻資源，實現對全學科各課程的全面覆蓋和教學視頻的動態更新。

傳統的教學視頻資源以精品課程為代表，主要存在以下問題：高校建設的精品課程通常是自身的優勢學科，因此視頻資源學科分布不平衡、覆蓋面不全；為精品而精品，資源建設多以獲獎為主要目的，重形式、輕內涵，而獲批準的精品課程不注重教學內容的更新，也沒有實現真正的資源共享[3][4][5][6][7][8]；精品課程錄制方式的效率低、規模小，無法對所有學科的教學視頻實施全過程錄制。因此需要設計一種新型的資源建設模式，以滿足視頻教學資源建設重點從“精品化”向“規模化、系統化”轉變的需求。

高校根據教學計劃開展日常教學活動，一學年即可完成所有學科的授課任務，覆蓋所有學科課程。就某一門課程而言，既有不同老師同時開課的情況，又有同一個老師多次開課的情況——這個特點有助于實現教學視頻資源的有效更新。因此對日常教學活動進行全過程錄制，是開展大規模教學視頻資源建設的有效途徑。然而對全部日常教學活動進行全過程錄制是一項艱巨而復雜的任務，從效率、數量、人力成本上看，傳統的錄播系統無法滿足實際建設的需要。為了達到規模化、高度自動化的資源建設要求，本文設計并實現了基于云計算技術的常態化錄播系統。通過該系統可以高效便捷地開展常態化錄制工作，建設一批高質量的教學視頻資源，從而推進高校的教育信息化進程。

一 系統的設計與實現

為了建設與學科相配套的、動態更新的數字教學資源，并開展大規模、持續性、全過程的課堂實錄工作，高校迫切需要設計一套高效便捷的錄播系統。本文將從系統的定義、設計原則、體系架構和系統功能實現四個方面，詳細闡述基于云計算技術的常態化錄播系統的設計與實現。

1 系統的定義

常態化錄播系統是以多媒體教學課堂為中心，應用云計算技術，集課程錄制、課堂直播、課程資源管理于一體的教育教學應用系統。它在統一的教學管理平臺上，完成常態化的教學資源建設和教學管理。通過該系統可以有效地提高教學服務的工作效率，擴大教學服務的管理范圍，提升錄播教室運行管理的工作質量，強化對課堂教學的服務和管理。

常態化錄播系統也可以簡單地理解為可實現多路錄制的全自動錄播系統。常態化有兩層含義：一是教師授課的常態化。系統基于日常教學環境自動開展錄制活動，不改變教師的授課習慣；教師無需操作任何錄制設備，只要正常開展教學活動即可。二是視頻錄制的常態化。系統根據教務系統課表制定錄制任務，對全部課程實現全自動、全過程錄制。

2 設計原則

常態化錄播系統以技術先進、性能可靠、功能強大、界面友好、實用性高、拓展性強為建設目標，方案設計主要遵循以下原則：

（1）資源符合國際化標準。為滿足資源共享的需要，為將來大范圍應用打下堅實的基礎，系統采用Scorm標準建設教學視頻資源；視頻文件采用H.264編碼生成MP4格式；客戶端采用B/S模式進行訪問，支持PC、Android和IOS移動設備的管理及收看。系統符合國際化標準，用戶使用簡單、便捷。

（2）零操作、獨立性。系統將多媒體管理、課件錄制、教務排課、用戶認證、資源管理平臺等進行整合，通過校園卡實現權限管理。錄制系統與多媒體系統相對獨立，互不干擾。錄播方式不改變教師的授課習慣和應用環境，教師只需要打開多媒體正常授課即可。

（3）完善安全管理機制。常態化錄播系統是面向全校開放的資源建設與共享平臺，因此該系統必須具有良好的安全控制性能和完善的權限分配體系，實現分級授權、功能授權和資源授權；系統運行安全可靠，平臺數據與用戶數據定時自動備份，確保穩定工作。

（4）擴充性。系統采用開放式結構，能滿足低成本升級和擴展的需求。

3 基于云計算技術的體系架構

以南京信息工程大學建設112個終端、視頻分辨率達1080p（1920×1080）的常態化錄播系統為例（下同），每個教室配備師生攝像機各一臺，僅前端攝像機就達224臺；同時，系統還配備有多臺交換機、服務器等。由此可見，常態化錄播系統是一個高度集成的系統工程，設備數量多、構成復雜、集成難度高、數據傳輸和計算量大、網絡依賴性強，不是多套錄播系統的簡單堆疊和連接就可以完成的。為此，必須采用科學合理的方案來設計系統的總體架構。

云計算技術是21世紀以來信息技術革新的產物。該技術融合了分布式計算（Distributed Computing）、并行計算（Parallel Computing）、效用計算（Utility Computing）、網絡存儲（Network Storage Technologies）、虛擬化（Virtualization）、負載均衡（Load Balance）等傳統的計算機和網絡技術[9][10][11][12]13]，在系統集成行業尤其是分布式流媒體系統構建中得到廣泛應用。在系統設計中整合網絡技術、計算機和信息管理技術，充分應用云計算技術可以優化后期復雜的視頻處理過程，為系統的科學性、可靠性和可用性提供保障，且有效降低了建設成本，提高了系統的運行效率。

常態化錄播系統應用云計算技術，通過網絡把多個教學點的教學視頻場景和授課計算機畫面以標準的流媒體編解碼技術進行實時采集壓縮、集中存儲及監控管理，實現了視頻資源高并發量的錄制和共享。該系統將課程錄制存儲、資源管理共享及課件直播點播等技術與網絡技術有機融合，成為具有強大監控管理能力的輔助教學應用系統。基于云計算技術的常態化錄播系統的體系架構主要包括教室錄制終端、錄播管理系統、教學管理中心三層結構，如圖1所示。

圖1 常態化錄播系統的結構示意圖

圖2 錄播管理系統的結構示意圖

4 系統功能實現

（1）教室錄制終端

教室錄制終端是信息采集單元。終端通過圖像跟蹤系統實現對教師的實時跟蹤，視音頻采集系統記錄教師視頻、音頻、VGA等信息后進行編碼，通過網絡傳輸給服務器端。終端的錄播設備與多媒體設備保持相對獨立，使錄播設備發生故障時多媒體設備不受影響。教室錄制終端的獨立性和零操作有利于教學視頻的常態化錄制。

在教學活動的錄制過程中，錄制終端主要實現以下功能：

①高清視頻采集功能。錄制終端布置2臺高清攝像機，采用索尼原產機芯FCB-CSE6300；1臺跟蹤一體化高清攝像機錄制教師視頻，1臺云臺攝像機錄制學生全景畫面。師生視頻在本地與外部音頻信號同步編碼，自動生成標準MPEG-4/H.264流媒體文件，分辨率為1080p，碼流在400kbs~5Mkbs范圍內可調。編碼好的視頻自動傳輸到錄制服務器。

②教師授課自動跟蹤功能。視頻錄制成功與否的關鍵在于，自動跟蹤系統能否將授課教師始終保持在畫面的合適位置上。常態化錄播教室主要利用日光照明，色溫不固定、光線成分復雜，再加上教師不佩戴額外設備，因此不宜使用紅外、超聲波等跟蹤方式，而應選用圖像跟蹤模式。該模式通過圖像分析技術實現自動跟蹤，不受聲音、電磁波、紅外線、光線等外在因素的影響，抗干擾能力強，適用于復雜的錄播環境。圖像跟蹤系統要求具備平滑跟蹤能力，在陽光、投影機、窗外走動行人等干擾的情況下依然具備高度穩定性；教師做小范圍晃動時，攝像機停止運動，避免鏡頭晃動影響畫面構圖。圖像跟蹤系統分為采集前端和計算后端兩部分，前端采集芯片固化在攝像機中，將圖像信號傳送至后端計算服務器，對比圖像前后變化后發送跟蹤指令到攝像機，完成跟蹤工作。教師畫面構圖以教師半身像為主要景別，在近景模式下，高清攝像機可有效保證板書的清晰程度。

③教師授課聲音采集功能。常態化錄制的視頻資源數量龐大，無法全部配上字幕，因此聲音效果比圖像效果更顯重要。不同于精品課程錄播室的專業錄制環境，常態化錄播教室本身就是多媒體教室，未經專業聲學裝修，環境復雜，采用音箱拾音或吊裝指向性話筒拾音的方式都無法避免環境噪音。考慮到教室都裝有擴音設備，從擴音設備的功放主機獲取音頻信號，采取有線的方式接入教師攝像機，可以有效避免環境噪音。聲音信號與教師視頻同步編碼后傳輸到錄制服務器，保障了音視頻同步。

④計算機VGA信號采集。隨著計算機性能的提高，采用軟件抓屏采集的模式成為可能，采集幀率可達每秒30幀，能夠清晰流暢地捕獲屏幕中所放的DVD、VCD或FLASH動畫，不會出現掉幀現象。通過軟件記錄PPT或Word翻頁信息，識別首行標題信息，自動生成課件資源知識點索引，實現視頻播放的快速跳轉和查找。軟件采集模式不僅降低了建設成本，而且減少了故障點。

（2）錄播管理系統

錄播管理系統是常態化錄制系統的核心部分。在云計算技術的支持下，將集中錄制、在線課堂巡查、設備管理維護、資源建設（全自動的課堂實錄）、資源管理（課件自動分類、在線編輯）、資源應用（學習管理、資源共享）等功能完全基于WBE平臺下統一應用與管理。錄播管理系統由錄制管理端、播出端、資源管理應用平臺和服務器群組成。

錄制管理端與教務系統對接獲取課表形成錄課計劃，教室錄制終端根據計劃自動開展課程錄制；錄制端將錄制的視頻數據推送到錄制服務器進行加工整理；播出端對錄播服務器的視頻資源進行直播；錄制服務器的視頻資源按照課表自動分類后上傳到資源管理應用平臺；通過該平臺，開展視頻資源點播，實現用戶管理、資源管理等功能，如圖2所示。

錄播管理系統在結構上配置合理、設置科學，具有以下優點：

①基于Web平臺的應用與管理工作簡單便捷。系統可在Windows、Mac、Android等平臺下運行，采用B/S架構，管理維護、直播、點播均無需安裝任何專用工具。

②視頻資源質量高，形式多樣。錄制管理端配置1臺IBM3650管理服務器、11臺IBM3650錄制服務器。管理服務器對接教務系統課表，每天自動更新，根據課表自動錄制課程。錄制服務器同步接收采集端傳送過來的屏幕流和教師、學生音視頻數據，實時錄制生成資源模式和電影模式的視頻資源，生成的課件文件格式為MP4格式，視頻分辨率最高為1920×1080。系統支持同時合成高清和標清格式的單畫面電影模式課件，滿足不同帶寬環境下在線學習的需求。資源模式播放課件時，視頻與屏幕窗口可互換，且每個窗口都能全屏觀看，窗口的大小和位置可調整。

③高性能服務器保障錄制過程安全平穩。高清格式的視頻錄制和傳輸對服務器性能要求極高，為保障服務器運算性能及系統的穩定性，錄播系統配置9臺服務器實時錄制，每臺分配搭載錄播教室不超過15間。2臺服務器為備用服務器，當9臺服務器中的任何1臺出現故障時，備用服務器自動啟動，接替問題服務器的錄制任務，保障數據安全和運行平穩。

④實現資源的有效管理、應用和存儲。錄播管理系統具有教室管理、角色管理、課程管理、權限設置、服務器管理、備份管理、資源共享和資源分類等功能。系統配置210T大容量存儲，保證1學年的教學視頻存儲。

（3）教學管理中心

教學管理中心是為各級教育管理者提供教育教學管理服務的現代化教學管理平臺。它擁有由12塊46寸超窄邊屏組成的大屏顯示系統，可接入12路HDMI/VGA信號，為開展教學管理、教學研討、教學觀摩、課堂教學秩序巡查、青年教師授課競賽、新教師試講、教師自我評價等活動提供了先進的可視化平臺。

二 系統的特點

應用云計算技術構建的常態化錄播系統，具有設計理念先進、技術尖端、功能強大、性能穩定等特點，具體表現在以下方面：

1 基于云計算技術的錄播系統性能優良、安全可控、性價比高

首先，系統具備高度集成的特點，將計算機網絡技術與視頻技術合理搭配使用；設計時將數據、語音、視頻、網絡等硬件設施科學部署，提供整體系統冗余空間，具備穩定運行能力。其次，多路高并發量的高清視頻錄制與共享是一個海量數據收集與處理的過程，基于云計算技術構建的錄播系統可以高效快捷地進行海量數據處理、動態化資源分配，實現資源的高速錄制與充分共享；既優化系統結構、提升系統性能，又有效降低建設成本。

2 錄播專網實現了大數據量傳輸和資源校園網內高速共享

常態化錄播系統采用集中錄制模式，教室端將高清視頻信號數據錄制編碼后，集中上傳到錄制服務器。按每個錄制終端數據上傳占用帶寬6M計算，112個錄制終端需要總帶寬達672M。如果使用現有的校園網進行數據傳輸，必將耗盡整個帶寬，不僅嚴重影響校園網的正常使用，而且必然導致錄播系統無法正常使用。為此，學校建設了錄播系統數據傳輸專網，用于終端通過光纖傳輸數據到錄制服務器。錄制服務器、資源管理服務器配置多網卡，采用網絡地址轉換（NAT）的方式將其并入校園網，在實現視頻數據高速傳輸的同時，實現校園網用戶高速訪問錄播系統所建設的共享資源。

3 視頻資源的命名科學規范，應用價值高

近年來許多高校開展了教學視頻資源規模化錄制的工作探索，但普遍存在以下問題：每天錄制的海量視頻超過800G，后期加工處理工作量巨大；自動生成的視頻文件名通常是“日期+時間”，視頻資料沒有有效的命名和目錄分類，因而從海量的資源中快速獲取所需的課程視頻非常困難，大量的視頻資料積累后不能得到及時有效的應用。本系統根據教學課表制定錄制計劃，統一命名規則，自動以教師姓名、課程、日期、班級和教室來命名，并根據所屬學院進行目錄分類，具備資源在線檢索功能，能夠實現資源的多維度檢索和模糊檢索。它賦予教學視頻資源以嶄新的生命力，極大地方便了師生對教學視頻資源的檢索和提取，因此教學視頻資源的應用價值更高，必能產生更大效益。

4 系統結構合理，擴展性好

系統采用樹形網絡結構，具有良好的擴展性，可按需隨時增加錄制終端。

三 系統的應用

根據設計方案，2014年初南京信息工程大學在國內率先建設完成常態化錄播系統，共有教室終端112間。在系統實施中，各項設計功能得到實現，系統運行穩定可靠。

常態化錄播系統不再是傳統意義上的教學視頻錄制系統，而是集教育教學管理、課程資源管理于一體的新型教育教學應用系統。南京信息工程大學依托常態化錄播系統，實施了本科課程課堂教學質量提升工程。該工程實施半年來，在深化教學改革、優化教學管理、提升教學質量方面主要取得了以下成效：

①推進了教學視頻資源的建設。經過一學期的運行，共錄制課程1018門，視頻總時長8萬小時，總容量33T，較好地完成了教學視頻資源的建設任務。

②加強了課堂教學的質量監控。在教學管理中心，全體校領導集體聽課2次，院長34人次，教學副院長65人次，教學督導141人次，輔導員91人次。同時，各級教學管理人員通過校園網絡，進行實時巡課和隨時點播課程（達2000人次），對學校的教學狀況進行信息化教學監督，通過課堂情況精確掌握教師的授課質量、學生的學習進度及學習質量。

③提高了教師的教學能力。教師的教學能力和教學水平是保證高校教學質量、培養高素質創新人才的關鍵。學校利用常態化錄播系統，建立教師課堂教學電子檔案，通過教師回顧自身的教學實踐，對授課過程進行自我反思或集體討論，關注教學方式是否有效，了解學生的接受程度和學習狀況，從而及時調整教學行為，優化教學計劃，改進教學方法，不斷提高教學能力；遴選課堂教學模式有創新、教學改革有特色的優秀教師上公開課，組織教師參加課堂教學觀摩，通過同行點評，促進教師相互學習交流，利于取長補短、提高教學能力；抽取教師課堂教學錄像，作為教師申報教學優秀獎、“十佳教師”、職務晉升的客觀依據，促進課堂教學質量和教師教學能力的提高。

④推動了課堂的教學改革。學校利用常態化錄播系統，以課堂教學改革和校本研究為工程的工作重心，以教學研究為主要手段，以提高教學質量和全面提升學生素質為主要目標，開展教學觀摩、教學研討、教學競賽、教學座談、青年教師授課競賽、新教師試講、教師自我評價等一系列教學活動達40余次。

⑤加強了考風建設。學校依托常態化錄播系統，在考試中推行無人監考的誠信考場，推進考試改革，形成良好的考風、學風。

⑥培養了學生的自主學習能力。經教師授權，學生觀看授課錄像、課后溫習，有利于激發學習興趣，培養自主學習能力。

⑦提升了多媒體教學的服務水平。系統實現多媒體教室（即錄播教室）的整體運行管理，提升了課堂教學的服務水平。

四結語

基于云計算技術構建的常態化錄播系統，其軟硬件結構合理、配置科學、性能優越；在實際應用中，其管理手段先進，大規模錄制效率高，錄制過程高度自動化，教學資源得到有效利用。常態化錄播系統的應用和推廣，必將為推進教育信息化提供有力保障，有助于全方位推動教學資源建設的改革，促進教學環境的改善、教學手段的革新和教學質量的提升。當然，本文所述的常態化錄播系統也仍有待更多的實例應用來進行檢驗，并在實例應用中加以不斷完善。

[1]教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)[OL].

[2]教育部.教育信息化十年發展規劃(2011-2020年)[OL].

[3]張家年,李凌云,孫禎祥.績效視野中精品課程建設、應用與評價的研究[J].中國電化教育,2014,(7):113-118.

[4]宋建功,張冀中.課程錄播系統的研究與應用[J].現代教育技術,2010,(8):44-47.

[5]宋建功,張冀中.高校課程錄播系統需求差異性的研究[J].中國電化教育,2011,(7):131-135.

[6]張倩.視頻課程資源建設的利器——網絡課程錄播系統的應用研究[J].福建教育學院學報,2011,(3):121-124.

[7]李燕.多媒體錄播系統在高校精品課程建設中的應用研究[D].上海:華東師范大學,2011:12-17.

[8]鄧文新.錄播系統在精品課程教學錄像制作中的應用研究[J].中國電化教育,2008,(5):101-103.

[9]劉鵬.云計算[M].第二版.北京:電子工業出版社,2011.

[10]徐苑苑.云計算環境下的開放課程應用研究[D].上海:華東師范大學,2013:31-33.

[11]鮑雅麗.基于云計算的高校圖書館互聯式(IRSM)交流共享系統設計與實現[D].廈門:廈門大學,2013:20-21.

[12]劉艷.云計算環境下圖書館的服務模式與運行機制研究[D].哈爾濱:黑龍江大學,2012:9-11.

[13]李玲,何霖俐,張輝蓉,等.云計算基礎教育質量監測與評價平臺的設計與實現[J].中國電化教育,2013,(5):113-116.

編輯：小西

Design and Implementation of Normalization Recording System based on Cloud Computing

LU Hai-gang

(Modern Educational Technology Center,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,Jiangsu,China 210044)

Higher quality,larger scale and perfect course system is the core of high-quality digital educational resources. Based on these facts,a normalization recording system was designed and implemented.The system centered on the multimedia teaching,and applied the cloud computing technology to integrate the class recording,class broadcasting and educational resources management into the educational and teaching system,which included the classroom recording terminal,recording management system and teaching management center.The system had a suitable structure in both hardware and software and had a scientific configuration and superior performance.The recording process was supermatic and had higher efficiency on large-scale recording.The management means were advanced and the teaching resources were used effectively.Thus,the system has great value in practical application.

teaching video resources;normalization recording system;cloud computing;design

2015年5月28日

G40-057

A【論文編號】1009—8097（2015）12—0103—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.12.016

本文為2015年度江蘇省教育廳高校哲學社會科學研究立項課題“基于可視化教學系統的高校教學質量保障體系研究”（項目編號：2015SJB071）、江蘇省現代教育技術研究2015年度課題“大數據背景下云錄播教學資源的應用研究”(項目編號：2015-R-44935)的階段性研究成果。

陸海鋼，副主任，工程師，碩士，研究方向為教育技術理論與實踐，郵箱為34443055@qq.com。