智能錄播系統(tǒng)在高職院校數(shù)字化資源建設中的應用探索

（無錫科技職業(yè)學院教務處，江蘇無錫市，214028） 王 丹

1 需求分析

近年來，隨著數(shù)字化校園建設與應用的深入，數(shù)字視頻資源的建設成為發(fā)展的重點和熱點。為了做好數(shù)字化資源的建設，錄播系統(tǒng)在教育教學中的應用越來越普及。數(shù)字化網(wǎng)絡教學資源實時錄播系統(tǒng)是高校數(shù)字化教學資源建設的重要工具，是構建高校數(shù)字化教學環(huán)境的重要設施，具有廣闊的發(fā)展前景。如何根據(jù)高職院校的實際需要，確定系統(tǒng)的功能并進行相應的設計，是所有教育科技企業(yè)關心的問題。

智能實時錄播系統(tǒng)，是針對目前學校對網(wǎng)絡教育的需求，針對學校普遍存在的專業(yè)課件制作人員的短缺，針對課件應用的急迫性應運而生的一套快速課件制作軟件。通過實時錄制授課現(xiàn)場的視頻、音頻以及計算機屏幕內容（包括講稿、鼠標運動軌跡、電子白板等內容），經(jīng)過壓縮處理后，自動生成流媒體課件，45min的課件，只需要10s就可以生成出來，可極大地提高課件生產(chǎn)效率，實在是目前最高效、最實用的課件制作軟件。2014年下半年，隨著無錫科技職業(yè)學院教學信息化工程建設步伐的日趨加快，為了加強學校網(wǎng)絡教學數(shù)字化資源建設，推進教學方法與手段的改革，提高數(shù)字化資源建設水平，給學生提供更多優(yōu)秀的課程資源，學校相關部門經(jīng)過多方論證和市場調查，結合學校的實際情況，采購了科健智能實時錄播系統(tǒng)。

數(shù)字化網(wǎng)絡教學資源實時錄播系統(tǒng)基于網(wǎng)絡工作，能把上課教師的視頻、音頻、操作過程、計算機屏幕信息等相關環(huán)境信息同步實時地記錄下來，既可以通過網(wǎng)絡實時廣播，也可以以數(shù)字媒體形式存儲在服務器上，作為學校數(shù)字化教學資源，在數(shù)字化教學環(huán)境中使用。經(jīng)過需求調查及多方論證，要求系統(tǒng)具備快速生成數(shù)字資源，集視頻、音頻及文檔于一體，并且可共享且使用方便。

各系統(tǒng)的自動化程度和集成度很高。系統(tǒng)能將課堂教學情景全面地錄制下來，包括教師的音視頻、計算機屏幕等，使輸入的各種信號自動匹配，快速轉換成數(shù)字化教學課件，成為一種網(wǎng)絡教學資源。傳統(tǒng)教學課件展示的主要是知識內容及其聯(lián)系，缺少教師講解和引導的信息，而傳統(tǒng)的課堂實錄也很難清楚地再現(xiàn)現(xiàn)場所使用的多媒體課件信息。數(shù)字化網(wǎng)絡教學資源實時錄播系統(tǒng)，必須兼顧傳統(tǒng)課件和課堂實錄的優(yōu)點，將教學現(xiàn)場的教師講解、演示課件等信息融合在一起，全面再現(xiàn)課堂情景。

系統(tǒng)設計具有良好的開放性。這使錄播現(xiàn)場的教師計算機可不必加裝任何軟件，可以是任何型號、任何操作系統(tǒng)，實時查看或點播的用戶計算機也只需具備網(wǎng)絡瀏覽器。由于是基于網(wǎng)絡的錄播系統(tǒng)，生成的是數(shù)字化教學資源，因此，只要授權就可共享，使本地和異地的用戶均可通過網(wǎng)絡瀏覽器實時觀看，也可實現(xiàn)本地、異地對已經(jīng)存放在系統(tǒng)服務器上的課件進行點播。

2 系統(tǒng)設計

隨著計算機硬件和軟件技術的發(fā)展，PC機的多媒體性能進一步得到提高，已經(jīng)可以進行視頻、音頻的實時采集、解壓工作。在實際的教學工作中，很多教師的授課過程需要實時地錄制成多媒體文件，課后發(fā)布到教學網(wǎng)站上或者制作成光盤，供更多的學生學習。此外，在授課過程中還可能有許多學生利用計算機（學生機）通過Internet或者Intranet實時收看教師的授課過程。為滿足以上需求，就需要有一種機制能夠實時采集課堂上教室的視頻信息、教師的聲音以及教師所操作的計算機（教師機）的屏幕信息，并對這三路數(shù)據(jù)分別以一定的壓縮格式進行編碼，再將編碼后的三路數(shù)據(jù)保存成多媒體文件， 同時將這三路數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡發(fā)送給學生機，以實現(xiàn)對教師的授課過程進行實時錄播[1]。為此設計的多媒體教學實時錄播系統(tǒng)，使用PC機、攝像機和麥克風。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 多媒體教學實施錄播系統(tǒng)結構

在這個系統(tǒng)中，攝像機、麥克風和教師機屏幕是三路實時數(shù)據(jù)的來源， 要設計專門的軟件從這些設備中實時采集數(shù)據(jù)，然后將三路實時數(shù)據(jù)分別編碼，編碼后的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)以一定的協(xié)議傳送給服務器。服務器在接收到三路數(shù)據(jù)后，同時進行兩項操作：一是錄制，即將三路數(shù)據(jù)保存成多媒體文件；二是轉發(fā)，即將三路數(shù)據(jù)轉發(fā)給學生機。實驗表明：對三路數(shù)據(jù)中屏幕數(shù)據(jù)的采集以及對三路數(shù)據(jù)進行錄制都需要占用很多CPU時間。而教師機是系統(tǒng)資源有限的PC機，教師授課時上面還要運行其他軟件，所以在這一系統(tǒng)中，錄制過程在一臺獨立的服務器上進行。

多媒體教學實時錄播系統(tǒng)系統(tǒng)支持同時對多個教師的授課過程進行實時錄播。在這種情況下多個教師機同時將各自的三路數(shù)據(jù)傳送給服務器，服務器分別進行錄制和轉發(fā)。

學生機可能位于不同的物理網(wǎng)絡中，為提高數(shù)據(jù)轉發(fā)的性能，服務器采用IP多播[3][4]的方式將三路數(shù)據(jù)轉發(fā)給學生機。每臺正在授課的教師機對應一個多播組地址，服務器將來自某教師機的三路數(shù)據(jù)向該教師機對應的多播組地址進行轉發(fā)，學生機只要加入該多播組，就能實時收看到此教師機上正在講授的課程。而且，服務器采用多播的方式轉發(fā)數(shù)據(jù)，可以減少整個系統(tǒng)對網(wǎng)絡帶寬的占用量，也能減少對服務器處理資源的占用量。因為服務器，將數(shù)據(jù)轉發(fā)到多臺學生機采用多播方式，服務器在轉發(fā)每一個IP數(shù)據(jù)報時不需要為每一臺學生機生成該IP數(shù)據(jù)報的副本，IP數(shù)據(jù)報在其傳輸路徑中只在必要的時候進行復制。這樣將大大減少系統(tǒng)對網(wǎng)絡帶寬的占用量和服務器處理資源的占用量，學生機數(shù)量的增多不會影響系統(tǒng)的性能。服務器將接收到的教師機攝像頭視頻進行壓縮，并同時將接收到的教師機屏幕數(shù)據(jù)與聲音數(shù)據(jù)以標準的壓縮格式合成一個多媒體文件，將三路數(shù)據(jù)保存在一個多媒體文件中，供學生實時收看和下載收看。

3 系統(tǒng)核心技術

智能實時錄播系統(tǒng)是通過一臺專用PC機錄制教師的授課現(xiàn)場。授課教師無須改變授課習慣，無須學習使用。在錄制過程中，對音頻、視頻以及計算機屏幕進行監(jiān)視，以保證課件錄制效果。整個系統(tǒng)主要分為兩部分：錄制端和教師端。錄制端主要是：攝錄整個教學視頻、控制整個系統(tǒng)的程序和后期生成課件；教師端主要是：安裝在教師計算機上負責捕獲教師計算機的屏幕內容，并發(fā)送給錄制端。系統(tǒng)運作流程如圖2。

圖2 系統(tǒng)運作流程

（一）多媒體數(shù)據(jù)的編碼

采集到的教師機屏幕圖像和攝像頭視頻都是RGB格式，這種格式的數(shù)據(jù)量大小由分辨率決定，而采集到的教師機聲音數(shù)據(jù)是波形格式。根據(jù)系統(tǒng)設計，這三路數(shù)據(jù)既需要在網(wǎng)絡上進行傳輸，也需要保存到多媒體文件中。為了減少對網(wǎng)絡帶寬的占用量以及盡量縮減錄制后生成的多媒體文件的尺寸，就需要對這三路原始多媒體數(shù)據(jù)進行壓縮。對于多媒體數(shù)據(jù)的壓縮，目前有很多編解碼算法可供選用（如MPEG4）等[5]，而且這些算法一般都已經(jīng)被多種編程語言實現(xiàn)了。在實際的系統(tǒng)實現(xiàn)過程中不僅可以購買第三方編解碼控件，還可以利用開源的編解碼控件或是自己親自動手來實現(xiàn)編解碼算法。

（二）保證多媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上的高效傳輸

根據(jù)系統(tǒng)設計，可能會有很多分布在各地的學生機實時收看教師的授課過程。如果針對每一臺學生機都創(chuàng)建實時多媒體數(shù)據(jù)的一個副本，那么系統(tǒng)對網(wǎng)絡寬帶的占用將會增大，而且也會給服務器以及網(wǎng)絡中的路由器增加額外的負荷。這樣，隨著學生機數(shù)量的增加，系統(tǒng)的性能必將下降。為了使系統(tǒng)的性能不受學生機數(shù)量的影響，服務器可以采用IP多播技術來轉發(fā)三路數(shù)據(jù)給學生機。在實際的系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，可使用RTP[6]協(xié)議進行多媒體數(shù)據(jù)的實時傳輸，因為RTP協(xié)議不但可以利用IP多播技術傳送三路多媒體數(shù)據(jù)，而且可以提供實時數(shù)據(jù)傳輸中的時間戳信息以及各數(shù)據(jù)流的同步功能。

4 系統(tǒng)應用

4.1 錄制

當調整好視音頻設備后，錄制時直接進入系統(tǒng)界面，技術人員根據(jù)要求調節(jié)一些錄播參數(shù)，以適應各種需要，選擇錄制方式后即可進行在后臺錄制，支持全自動的錄播，簡單易用。授課教師授課中只需使用教學設備，不涉及本系統(tǒng)的使用，保持了教學的常態(tài)化。系統(tǒng)生成的視音頻為ASF[流媒體格式[7]，屏幕數(shù)據(jù)為LASH格式，課件數(shù)據(jù)量小，節(jié)約存儲空間和傳輸時間，從而保證教學視頻的實效性、傳播性。設備的選購如下：視頻設備，包括三個SONYBRC300P攝像機、SV-8000主控系統(tǒng)、視頻切換臺、監(jiān)視器等。（如圖3所示）

圖3 視頻設備連接

音頻設備，包括擴聲設備（有線咪、無線咪）多媒體音源、Clearone PSR1212數(shù)字矩陣混音器、SoundcraftEMP12調音臺、2臺聲準功放、音箱等。連接如圖4所示。

圖4 音頻設備連接

4.2 錄制效果

錄制后的課件分為三個區(qū)：視頻區(qū)、講稿區(qū)、目錄索引區(qū)，三個區(qū)同步播放。

在實際錄制時，也可根據(jù)需要選擇錄制內容：錄制三分屏；只錄制視音頻信號；只錄制VGA信號（'教師機屏幕內容）。

4.3 后期編輯

錄制的課件可進行編輯處理，包括剪切、合并、編輯課程目錄、發(fā)布、上傳、打包、課件加密和設置等。其中，同步編輯視頻流和屏幕流內容，可實現(xiàn)對課件任意段落的剪切。另外，可將兩個或多個課件合并成一個課件；還可設置屏幕的輸出區(qū)域，將錄制屏幕內容中的某一塊區(qū)域輸出為課件。最后，將屏幕流文件轉換成Flash格式，生成通用的流媒體課件。