基于FFmpeg的教學用途視頻管理系統設計

林弋程

摘要：針對教學用途設計一個以FFmpeg為核心技術支撐的視頻管理系統，支持視頻入/出庫、基于屬性的視頻檢索、常見視頻格式轉換、視頻播放、基于視頻標簽截取與合并視頻片段等功能，可基本滿足教師日常備課的視頻管理和制做需求。其突出特點是通過視頻屬性記錄以及視頻標記功能，大大提高視頻檢索、視頻片段截取與合并操作的效率。

關鍵詞：視頻標簽；視頻管理系統；FFmpeg

一、引言

一圖抵千言，更別說視頻了。相對于其它媒體，視頻具有表現力強、信息傳輸量大等特點。如果運用得當，視頻輔助教學常常可以起到事半功倍的效果。例如，危玉妹、危薇將法律視頻案例運用到教學中，有效提高了教學效率[1]。周娟認為微視頻能呈現普通課堂不易呈現的內容，合理應用微視頻可以有效提高學生的自主學習能力和學生的實際獲得[2]。Amanda L Roshier等對諾丁漢大學獸醫科學學院為促進學生學習而開發的在線視頻學習資源的教學效果進行了實證研究，結果表明在教學中使用視頻輔助教學獲得了學生的積極評價[3]。就教學視頻的獲取而言，隨著信息技術的迅猛發展和網絡應用的推廣普及，教師可獲取的視頻資源極大地豐富起來了，同時教育管理部門和各高校也在大力建設各類教學資源庫，教師可以便利地獲得大量視頻資源。但是，由于教學研究本身就是個具有創造性的學術工作，教師個體對于具體教學實踐的視頻需要有著巨大差異，因此，積累和制作適合自身教學用途的教學視頻在一定意義上來說是每一名教師都必須做到的。然而，教師要想制成好用的教學視頻并不是一件容易的事。雖然如今視頻管理和編輯工具越來越容易獲得，工具掌握的難度也越來越低，但是就目前而言，已有的視頻管理和編輯工具對于大數量視頻的管理和編輯效率很低（編輯高清大視頻文件時情況尤甚，常會造成計算機系統卡頓），更為重要的是，相比于文字資源內容的易搜索性，當前技術對視頻資源內容的檢索難度極大，教師常常為了尋找切合某個教學主題的多個短時視頻片斷，花費大量時間在眾多長視頻中進行全程人工搜索，效率極低。鑒于此，本文提出設計一種適合管理和編輯大數量視頻的管理工具。

二、FFmpeg介紹

Ffmpeg既是一款音視頻編解碼工具，同時也是一組音視頻編解碼開發套件。作為編解碼開發套件，它為開發者提供了豐富的音視頻處理的調用接口[5]，在許多商用和自由軟件中得到了廣泛采用。它的開發套件中包含的函數庫主要有：1）libavcodec函數庫：音視頻編解碼；2）libavformat函數庫：處理音頻、視頻以及字幕封裝和解封裝。本文提出的視頻管理系統依賴Ffmpeg的這兩個函數庫提供的API來完成對視頻的處理。

三、教學用途視頻管理系統的需求分析

為了滿足教學的多方面需要，教師平時往往積累了大量的教學基礎視頻，為了備課時能快速調用并編輯特定主題視頻，教學用途視頻管理系統（以下簡稱：系統）需要具備特殊的“增刪改查”功能。常規的，系統需要提供視頻入庫（出于便捷考慮，視頻入庫功能需支持多個視頻一次性文件入庫操作）和視頻出庫（即把某個/某些視頻保存到指定目錄）功能。同時，為了便于教師調取特定內容的入庫視頻，系統必須提供依據屬性的視頻檢索功能。我們知道，視頻文件在入庫前一般只帶有文件名、時長、大小、幀數率等簡單屬性，不能滿足復雜檢索的需要，因此系統在原有屬性的基礎上重點應為視頻提供額外屬性，包括固定屬性和擴展屬性。前者包括內容描述（1個）、關鍵詞（任意多個，支持任何常見的間隔符號），這對于從眾多視頻文件中迅速找到特定主題的視頻非常有幫助，后者為特殊需要提供定制化屬性。此外，為方便使用，系統還應提供最近使用視頻的列表的功能。

為了便于后續高效搜索視頻內容，視頻入庫以后，用戶可以在任何時候為視頻中任意時段做具體的內容標記。為此，系統提供創建、刪除、編輯和搜索視頻標簽的功能，用戶通過它在視頻中標記感興趣的視頻片段。為了方便使用，系統還提供最近使用視頻標簽列表的功能。如此，教師平時在收集、使用、編輯視頻時，就可以方便地在視頻中的任意時段做標記（包括感興趣的視頻片段的起止時間、內容描述和關鍵詞等），將來為某個教學需要進行內容檢索時，就可以從大量長視頻中迅速定位到特定主題的視頻片斷，節省重復人工觀看視頻查找特定內容的大量時間。這樣，教師平時所積累的大量視頻就不僅僅是令人望而生嘆難以實際使用的堆積物，而是可以隨時調用的數據資源庫。

在將視頻實際用于教學的時候，教師對于視頻的使用有三種可能性：一是完整播放原有視頻，二是播放某個視頻的部分片段，三是播放融合了多個視頻片段的視頻。這就要求系統為用戶提供視頻播放、視頻格式轉換、視頻截取和視頻合并的功能。對于視頻格式轉換、視頻截取和視頻合并，由于有時候需要處理的數量較大，為了方便使用，系統以批處理方式提供相應的功能：先由用戶指定要對哪些視頻進行格式轉換，要對哪些視頻截取哪部分視頻片段，要合并哪些視頻片段，作為任務列表，再由系統集中處理完成。需要特別指出的是，為了輔助教學，教師常會運用運動相機拍攝教學素材。如王亮等將運動相機用于輔助游泳教學[3]。在拍攝過程中，運動相機會同時錄制高清版本和低清版本兩個視頻。高清版本的視頻文件的大小通常都達到數G規模，直接用來編輯常常會因為占用計算機過多資源導致卡頓現象，極大影響用戶體驗。此時，系統支持用戶通過觀看低清版本視頻文件來設置編輯參數，待設置完成后交由系統對高清版本視頻執行編輯任務，從而極大地提高編輯效率。如果原先沒有對應的低清版本視頻，系統對高清版本視頻進行壓縮處理，生成低清版本視頻。

為了保障系統信息的安全，系統還提供用戶管理功能，包括用戶注冊/注銷、用戶身份驗證和對視頻文件訪問的權限管理。系統的用戶分為管理用戶和應用用戶兩類。系統設置一個永久存在的管理用戶，負責自身密碼修改和對應用用戶的管理，包括注銷應用用戶，將應用用戶密碼重置為默認密碼，但不能查看應用用戶的信息和訪問系統中的視頻信息。應用用戶可以根據需要注冊和注銷，修改密碼，以及為視頻設置私有或公開訪問權限，默認為公開權限。

四、教學用途視頻管理系統的設計

（一）系統的信息存儲設計

對視頻，選擇以文件形式進行存儲，系統以相對路徑進行訪問。對其它信息，選擇以數據庫形式進行存儲。考慮到信息規模并不大，為了簡化系統配置，選擇采用輕型數據庫管理系統SQLite進行信息管理。

（二）系統的事務處理設計

通過以上需求分析，可以看到系統需要提供用戶管理、視頻文件管理、視頻標簽管理和視頻編輯任務管理的功能。為此，系統設置了用戶管理模塊、視頻文件管理模塊、視頻標簽管理模塊和視頻編輯任務管理模塊等相應模塊，它們的接口描述如下：

1.用戶管理模塊：通過訪問數據庫為系統提供實現用戶管理的支撐，包括用戶注冊，用戶注銷，用戶身份驗證，當前登錄用戶記錄和讀取，用戶密碼修改等。

2.視頻文件管理模塊：為前端播放器提供視頻文件地址，最近入庫/修改的視頻列表及列表中視頻數量的設置，根據查詢條件搜索視頻，視頻文件入庫出庫與刪除，視頻文件屬性記錄生成、刪除和編輯，為視頻文件增加/刪除定制化屬性等。

3.視頻標簽管理模塊：最近生成/修改的標簽列表及其列表中標簽數量的設置，根據查詢條件搜索視頻標簽，視頻標簽生成與刪除等。

4.視頻編輯任務管理模塊：任務列表創建/刪除，任務添加，任務順序調整，任務列表提交，任務列表撤銷等。

（三）系統的用戶界面設計

總體上應遵循Theo Mandel提出的3條用戶界面設計“黃金準則”：1）用戶操作控制；2）減少用戶的記憶負擔；3）保持界面一致[6]。因此，系統的整個界面從上到下設置三大分區（菜單區、按鈕區和工作區），其中，“菜單區”含有系統可供用戶使用的所有功能項，“按鈕區”設置常用按鈕，“工作區”隨工作內容顯示對當前操作有幫助的信息，提供鍵盤快捷鍵操作（可極大提高編輯效率）和快捷菜單操作。

（四）系統架構

綜上，教學用途視頻管理系統選擇如下圖所示的分層架構。圖中的箭頭表示箭頭發出模塊需要調用箭頭指向模塊的功能。

五、結語

設計上述視頻管理系統的出發點是讓教師個人管理和編輯視頻變得輕松便捷，其突出特點是通過視頻屬性記錄以及視頻標記功能，可以極大提高教師備課實際工作中視頻檢索、視頻片段截取與合并操作的效率。但是，該系統提供的功能還比較少，特別是對視頻的編輯只包含視頻格式轉換、視頻片段截取和視頻片段合并功能，需要在今后加以完善。

參考文獻

[1]危玉妹， 危薇. 視頻案例教學：法律教學的新突破[J]. 福建師范大學學報（哲學社會科學版）， 2006（6）：175-178.

[2]周娟. 微視頻在教學中的積極作用[J]. 中國教育學刊， 2018（5）.

[3]Roshier A L， Foster N， Jones M A. Veterinary students' usage and perception of video teaching resources.[J]. Bmc Medical Education， 2011， 11（1）：1.

[4]陳宗讓， 李驥平， 李曉銘. 教學視頻資源在課堂教學中的應用研究[J]. 電化教育研究， 2009（7）：95-97.

[5]劉琦， 趙文杰. FFmpeg 從入門到精通[M]. 機械工業出版社，2018.

[6]Mandel T . The Elements of User Interface Design[M]. John Wiley & Sons， Inc. 1997.

[3]王亮， 吳雙. 運動相機在游泳日常教學中的創新應用[J]. 文體用品與科技， 2016（4）：125-126.