高校全自动智能录播系统方案设计*

彭国建 莫 轶 刘志明

南华大学 湖南衡阳 421001

高校全自动智能录播系统方案设计*

彭国建 莫 轶 刘志明

南华大学 湖南衡阳 421001

文章分析了高校全自动智能录播系统的基本架构,介绍了流媒体格式文件生成系统、视音频信号采集系统、摄像跟踪定位系统、自动编辑系统与后台导播设计方案，对比了MPEG-4和H.264视音频压缩编码的依据和应用，最后以南华大学为例介绍了全自动录播系统的设计实践与应用。

智能录播；自动跟踪；自动编辑

随着数字化校园建设的深入，现代教育技术新产品的应用为提高高校教学质量，发挥着越来越大的作用。自教育部启动质量工程与精品课程建设以来，精品课程建设在全国各高校掀起了新高潮，在任务紧人员有限的情况下，如何才能保质保量地制作出精品课程课堂教学录像，也逐步引起各高校对设备的思索。本文以高校教学录像需求为出发点，通过分析主流录播系统的技术特性和发展趋势，探讨了全自动智能录播系统的框架、功能单元组成设计，并结合我校的全自动智能录播系统进行实例论述。

一、全自动智能录播系统组成与设计

全自动智能录播系统一般由录播服务器(图形图像工作站)、视音频信号采集系统(含教师摄像机、学生摄像机、板书摄像机、教师与学生声音采集麦克风)、摄像跟踪定位系统、流媒体文件生成系统、智能自动编辑系统及人工导播几部分组成。如图1所示(以我校安装的全自动录播系统为例)。

图1 智能全自动录播系统框架图

智能全自动录播系统可在教师现场授课的同时，自动生成课堂教学实况录像，实时将教师授课视音频、板书、教师讲课的多媒体课件、师生互动场景等，自动编辑生成标准MPEG-4/H.264流媒体文件，形成单画面电影模式或多画面资源模式，自动上传到学校任意指定服务器，可同步实现在校园网或互联网上视频直播，全真再现课堂教学的全过程。

1.流媒体格式文件生成系统

流媒体(Stream Media)是为解决网络直播、远程教学、远程监控、VOD视频点播和视频会议等多媒体信息实时传输的一种新技术,一般具有高画质、低码流的特性,目前市场主要有MPEG-4和H.264两种流媒体格式。

MPEG-4压缩技术生成的是Microsoft(微软)格式的ASF流媒体格式文件，码率为500kbps、分辨率为720×576/CIF，在4～8帧/秒56kbps低码率下也基本能保证图像的清晰度。H.264压缩生成的文件须用专门的H.264视频解码器才能收看，能支持128kbps低速率的可视电话系统，384kbps～2Mbps中速率视频会议系统，2Mbps～10Mbps实时转播和远程教育等。

流媒体格式文件生成系统的核心设备是图形图像工作站,主要是对完成自动编辑后的视音频信号进行压缩编码,生成适合互联网系统的流媒体格式文件和数据包。

2.视音频信号采集系统

(1)视频信号采集

视频信号采集系统由摄像机组(包括教师摄像机、学生摄像机、板书摄像机)组成。教师摄像机、学生摄像机通常都采用带有旋转云台快速球形摄像机，分别对准跟踪拍摄目标。

板书摄像机主要拍摄黑板上的文字和图形(8cm×8cm)，数量可根据黑板宽度和摄像跟踪定位方案不同而各异，通常有两种设计方案：(1)采用定焦距固定安装的多摄像机定位摄制方案，每台摄像机的覆盖区域为2m，如4m宽的黑板用2台固定摄像机，6m宽的黑板设置了3台固定摄像机；(2)采用带有旋转云台的快速球形摄像机1台(共享教师摄像机)，设有自动跟踪定位，扫描在480TV线及以上，具有自动变焦功能。

(2)音频信号采集

声音效果是录播课程质量的重要指标，一定程度上，声音效果比图像效果更加重要。录播系统的声音质量设计应参考国标“厅堂扩声系统设计规范”(GB50371-2006)中会议类扩声系统声学特征指标的最低等级(二级)的要求，以保证采集信号的质量。

录播教室声音采集方式多种多样,不同的厂商采用不同的方案。在师生互动性强的教学现场,要如实地记录教师与学生之间的对话,教师的声音采集相对容易一些,而学生方面,由于座位分散、回答问题声音偏小、整体发声时音量偏大等矛盾，话筒设计需注意以下事项：

①教师拾音话筒：由于教师上课位置变动频繁，不适宜使用固定安装的鹅颈话筒，为防止扩声系统啸叫和提高录音电平，常采用头载式或领夹式无线话筒。手持式无线话筒不适用教师拾音。

②学生拾音话筒：学生拾音的特点是坐位固定而分散，为避免发生系统啸叫，通常采用固定安装的心型指向会议话筒，安装方式采取桌面固定或吊挂安装两种。另外，强指向话筒，采用全场景全自动拾音技术，是“远距离”拾音的较佳工具。

图2是某录播教室声音信号的采集平面图，每格为0.5m，在教室的不同区域里，共安装8支强指向话筒(如MK430)，教师4个(可全部安装到学生位置)，学生4个。根据录播教室拾音需求，要求教师在教室前部的活动范围内，教师的头部与话筒的最远距离不得超过1.5m。图中教师话筒1和2，位于教室前方两侧，距黑板2m，高度为2.2～2.5m之间，向下倾斜25度，主要保证教师在讲台两侧讲话时话筒正确的拾音。讲台话筒在讲台桌面上，向黑板方向倾斜65度左右。

图2 声音信号采集示意图

学生话筒在教室中部，距黑板2.5m和5.5m，在教室中线的两侧各2支。话筒朝向教室的后方，向下倾斜40度。多路话筒需要使用调音台进行音量控制，自动调音台可根据话筒的主次使用不同的门限电平，在音量和信噪比等方面较完美地协调和兼顾，如通过E-4080型全场景全自动调音台能很好地解决调整音量、开闭话筒自动完成。另一种学生拾音方式是采用手持式无线话筒，在使用过程中须采用手接手接力方式(即一只话筒使用时另外其它话筒处于关闭状态)，这样才能克服啸叫，该方案的优点是施工方便。

3.摄像跟踪定位系统

目前市场上跟踪技术主要有红外、超声波、视频跟踪定位技术3种。

(1)教师摄像机自动跟踪拍摄系统

教师摄像机一般采用1台具有旋转云台的高性能球形摄像机,吊挂在教室后面中部位置的天花板下面或安装在教室后墙合适位置,拍摄教师讲课的全部场景。通过摄像机的自动变焦功能,可拍摄教师讲课的特写镜头和黑板全屏画面。教师摄像机的自动跟踪系统应能确保教师始终处于画面的中心位置,并能在教师摄像画面、学生摄像画面、板书画面和电子课件画面之间进行智能自动切换,而且这种切换不产生画面模糊的“垃圾镜头”。实现画面间的切换是通过跟踪系统定位,由自动编辑系统进行调度，输出合理的视频信号。

以红外跟踪技术为例：红外线的波长为850～900纳米(10-9m)，它对物体表面的反射特性和透光特性与可见光相同。红外线的波长很短(纳米级)，波束很窄，定位精度较高，无辐射，可直接佩带在人体上。红外发射源和接收天线均由红外L E D组成，结构简单，易受可见光干扰和周围环境颜色影响。

(2)学生摄像机自动跟踪拍摄系统

学生摄像机拍摄系统一般采用单机位带预置位云台的球形摄像机，安装在教室黑板上方。通过旋转云台可拍摄到学生与教师互动教学的全部场景。学生摄像机预置位跟踪拍摄主要有3种控制方式：①在学生座位上用固定安装的有线遥控按键点击学生摄像机预置位(学生控制)；②学生或教师用红外遥控按键点击学生摄像机预置位；③教师用鼠标点击教师计算机屏幕上的学生座位表先定学生摄像机的预置位。

(3)板书摄像系统的跟踪定位系统

板书摄像机有多机位固定安装和带旋转云台的单机快球摄像机系统两种。

①多机位板书摄像机定位拍摄方案。多机位固定安装板书摄像机系统的每台摄像机镜头的覆盖区为2.4～2.8m,即板书摄像机之间的距离为2m,触发摄像机定点拍摄和板书画面的切换由设置在黑板下沿的超声波感应头(每台摄像机对应有2个感应头)控制。超声波感应头是一个超声波收发器,有效作用距离为0.5～1m,可以调节(如图3所示)。当教师靠近黑板时,相应的超声波感应头检测到人体,并触发相应的摄像机拍摄板书画面,并把该画面切入到自动编辑机进行处理；未检测到人体的其它板书摄像机则处于封闭状态。

图3 多机位固定安装板书摄像的定位系统

②单机板书摄像机的自动跟踪拍摄方案。板书摄像机的另一种方案是由单机位旋转云台自动跟踪摄像机组成。教师胸前佩带一个红外线发射器(或无线电频发射击器)，黑板下沿设有若干个红外接收器(即板书传感器)，它的有效作用距离为0.5～1m。教师面向黑板时，板书传感器捕获到红外信号，并根据摄像机镜头轴线对准教师的误角度启动旋转云台进行自动跟踪拍摄，摄像机是连续拍摄的。该方案结构简单、但云台的旋转会引起画面产生微量抖动。

4.自动编辑系统与后台导播

(1)自动编辑系统

自动编辑系统的功能是按讲课时间顺序，自动剪接3种类型摄像机的画面和插入多媒体电子课件等内容，自动生成实时播出、电影模式、3分屏(或6分屏等)模式的音视频资料。整个过程无需人工干预，由自动编辑机完成。

(2)后台导播

后台导播是根据用户的需求选择性地拾取镜头进行切换输出,主要通过计算机网络在远程对教室端录播系统相关设备进行操作控制,如控制录播系统的启动、暂停、停止、摄像机云台旋转、摄像镜头的切换等操作完成。后台导播需在远程计算机上安装后台导播软件(如图4所示),可实现教师、学生、板书、计算机画面的切换、教室摄像机控制、自动导播与人工导播转换以及信号的录播、直播功能等。图4中教师场景视窗(左边)显示教师主场景内容,辅助场景视窗(右边)显示图中6路视频窗口中任意经调度的视频信号等,同时,可实现声音的监听、教室端与远程端的实时对讲。

图4 后台导播界面

二、全自动录播系统的实践与效果

随着各种视音频设备器材日新月异的发展，技术性能越来越优异，因此，在设计数字化多功能录播室时需经多方考察与论证，并根据学校自己的实际，有所创新和发展。由于我校精品课程音视频制作设备陈旧、过程繁琐、人员缺乏，经过组织调研，我校于2008年3月建设了全自动录播教室，在本科教学中发挥了积极的作用，已为学校建设了国家级、省级、校级20多门精品课程的主讲教师录像和课程全程录像，促进了精品课程的标准化建设,提高了制作质量，大大减少了编辑人员的工作量，缓解了教师录像时的紧张心理，同时，在学校教学示范和观摩活动中，采取全校直播的方式，与学校现有的网络教学平台紧密结合，发挥了较好的效益，获得了师生良好的评价。

[1]马小强.建立全面的视频资源制作体系—录播系统面面观[J].中国电化教育,2008，5：97～100

[2]杨国威.课堂录播技术的变革[J].中国教育信息化,2007，8：74～76

[3]张飞碧.全自动智能录播系统的架构分析[J].中国电化教育,2008，5：104～108

[4]邓文新.录播系统在精品课程教学录像制作中应用研究[J].中国电化教育,2006，7：101～103

Design of automatic intelligent record -broadcast system for universities

Peng Guojian, MoYi, Liu Zhiming
University of south china，Hengyang，421001，China

This paper analyzing the framework of campus’s automatic intelligent record-broadcast system in the universities, expounds the programs of video and audio signal acquisition, automatic tracking and shooting synchronous pickup, and briefly illustrates the automatic editing system and its basic working principle of the background module director, contrasts MPEG-4 with H.264 compression format for streaming media encoding technology, in the end ,it presents the practice of construction and application of automatic intelligent record -broadcast system in university of south china.

intelligent record-broadcast；automatic tracking；automatic editing

book=59,ebook=397

2009-11-26

彭国建，本科，助理实验师。莫轶，本科，实验师。刘志明，硕士，副教授，现代教育技术中心主任。

*本文系2007年湖南省普通高等学校教学改革研究立项项目(湘教通〔2007〕230号)。