精品课程录播系统功能分析与展望

蒋溢君，王文明

（浙江工业大学之江学院 现代教育技术中心，浙江 杭州 310024）

精品课程录播系统功能分析与展望

蒋溢君，王文明

（浙江工业大学之江学院 现代教育技术中心，浙江 杭州 310024）

本文针对现在录播系统生产厂家数量众多、指标规格纷繁复杂的实际情况，将普遍应用的录播系统的主要性能进行了归纳和分析，尤其在摄像机跟踪定位、播放模式、导播控制系统等几个录播系统关键的模块进行了比较分析，并明确指出相应的缺点，提出改进思路，为精品课程录播系统生产厂家和潜在用户提出了比较实际的建议。

录播系统；摄像机跟踪定位；导播控制系统；性能分析

一、引言

教育部于2003年下发《教育部关于启动高等学校教学质量与教学改革工程精品课程建设工作的通知》（教高[2003]1号），精品课程建设正式启动，精品课程录播系统也应运而生。[1]目前，全国共有超过30家的精品课程录播系统生产厂家，不仅是高校，甚至中小学也大量地引进了此类设备，广泛地运用在我们日常的教学活动中，为国家的新课改项目、国家重点发展的职业教育、远程教育提供了良好的平台。

二、摄像机跟踪定位

1.教师自动跟踪定位系统

教师自动跟踪定位系统是精品课程录播系统的重要组成部分，其中板书的摄制，这个过程能让老师更好地讲解板书的内容，同时也可以让学生充分理解和记忆教师讲解的知识点，教师的板书过程是一个循环证明过程，很多情况下不能用多媒体课件替代。目前教师自动跟踪定位系统主要采用两种模式：红外跟踪和超声波定位。红外跟踪采用教师话筒发射红外信号引导摄像机自动定位的方式，在黑板下方安装红外光带解决教师转身板书时红外话筒被遮挡的问题，也有在教师背后同时安装红外发射器的做法。[2]这种方式的问题是当户外光线射入时，会导致跟踪定位系统失灵，甚至投影仪背部的光线也能干扰跟踪定位系统；讲台上无意放置的书包、水瓶也会在教师转身时导致黑板下的红外光带发出错误的定位信号。超声波定位方式是在教师活动范围内安装若干个超声波收发器，以此来确定摄像机的拍摄范围。[3]这种方式的缺点是当教师离开设计的活动范围到学生中互动时，摄像机失去跟踪目标，只能以教室全景进行替代；学生走上讲台与教师进行互动时，摄像机也会因无法同时捕获两个目标而产生错误。

图形和人脸识别将是教师自动跟踪定位的终极方案，人脸捕获是指在一幅图像或视频流的一帧中检测出人像并将人像从背景中分离出来，并自动地将其保存。[4]人像跟踪是指利用人像捕获技术，当指定的人像在摄像头拍摄的范围内移动时自动地对其进行跟踪。录播系统通过对教师的脸部特征和衣着特征的识别，始终无误的跟踪教师而不受任何外界情况或课堂意外情况的干扰。

2.学生定位系统

我们看电影时，单一的镜头使我们昏昏欲睡，录制完成的精品课程也遇到了同样的问题。所以各个厂商努力设计一种镜头频繁切换的系统，以提高课程的观赏性，学生定位系统成为录播系统不可缺失的一个部分。学生定位大多采用三种方式：一种是学生通过无线话筒的开关发射红外信号引导摄像机跟踪；[5]第二种是学生触发安装在课桌上的发射器引导摄像机；第三种是教师使用遥控器或计算机控制摄像机自动找寻设定的学生区域。

这三种方式显然不是最理想的方式，无论哪种方式，或多或少都会让教师和学生扮演导演的角色，从而影响整个课堂的教学效果。图形识别成为无可替代的手段，录播系统通过学生举手起立回答问题的图形变化，自动跟踪和定位学生，并生成特写镜头，以此获得良好的观赏效果。

三、播放模式

目前流行的播放模式为电影模式和三分屏模式。[6]所谓电影模式就是录制完成的课程以单一的一个画面播放，就像我们看电影一样而得名，这种方式的缺点是当我们的显示屏幕受限时，无法同时看清投影画面和板书，一般适合纯板书授课的方式；三分屏模式是指录制完成的课程以计算机屏幕、教师和板书、授课大纲三个屏幕显示，若对其中一个屏幕感兴趣，则可以点击放大该图像，缺点是最后形成的课件同时包含三个图像内容，造成文件过大，同时该课件无法以普通的单一视频文件存在，而只能以包含多个文件的方式存在。应该说电影模式是理想的播放模式，关键是要解决录播系统如何准确自动判别何时播放板书、何时播放计算机画面的问题。

四、导播控制系统

导播控制系统是各个精品课程录播系统生产厂家的核心部分，教师授课、学生答问、交流互动、板书、课件、实物展示等多个教学场景的自动调度和切换，最终目的是脱离管理人员的干预。调度与切换应以实际教学为基准，总是能在恰当的时候将画面切换到需要的场景，形成最贴近课堂实况的教学资源，准确表达教师的意图。[7]该系统结构如图所示。

各个生产厂家都会在导播控制系统中建设自己的特色，其主要目的无非是实现各路视音频信号的切换，一般通过微电脑实现。而在实际应用中，通常用到的策略也不过数十条，所以有些生产厂家就予以了简化处理。系统一般能够实现所谓的智能剪辑功能，遵循授课教师的授课过程和习惯，自动地根据教师在授课过程中对各种多媒体和授课计算机的使用情况与学生互动交流情况，智能地在教师、学生、课件之间进行剪辑，从而形成最贴近授课实况的录像。

有的系统除了支持全自动工作模式以外，必要时可以采用人工导播控制，使得录制的课件更加完美，控制功能包括录制的开启、暂停、结束，任意画面的选择与切换，摄像机角度、焦距的调整等。[8]一种新兴的后台控制技术叫“所框即所得”技术，导播员在图像上用鼠标拖一个方块，摄像机自动旋转区域拍摄并调整合适的焦距，其旋转和定焦一键完成，动作反应迅速。另一种特效技术也将被推广运用，就是影片剪辑时常用的 “淡入淡出”、“卷页”等特效手段，可极大地丰富授课过程录像的表现力。

五、录制效果参数

就像汽车的舒适程度通常和油耗互相矛盾一样，录制的清晰度和录制文件传输所占用的资源也总是矛盾。一般清晰度高，传输时占用的网络带宽也高。系统中图形图像工作站是系统的心脏，它将自动录播剪辑机传送过来的画面进行编码处理，生成标准格式的资料。图像编码是现今高科技技术中的难点，各生产厂商均致力于提高系统生成图像的分辨率同时降低传输码率。

在不同码流的情况下，录制文件的大小不同，占用的储存资源也不同，如表1所示。

表1 相应码流速下占硬盘空间量对照

不同的单位拥有不同的网络资源，录播系统一般具备选择录制效果的参数，如表2所示。

表2选录效果参数

在激烈的市场竞争体制下，各生产厂商为提高录制参数投入了大量的精力，一般画面分辨率都能达到1024×768，最高32位色。在此前提下，关键是要观察其画面清晰流畅的程度，当然这也和录播主机的硬件性能以及网络环境有关系。编码后的数据需要控制在300Kbit/s~2Mbit/s，确保编码后的画面可以轻松地通过互联网传播到远程学生的面前，也可以记录高清晰地数字画面，作为珍贵资料保存。[9]

六、网络性能

精品课程录播系统一般都具备在网络上直播和点播功能，视频直播的核心技术是流媒体技术。所谓流媒体技术就是把连续的影像和声音信息经过压缩处理后放到网站服务器上，让不在现场的师生一边观看一边下载，而不要等到整个压缩文件下载到自己的计算机上才能观看的网络传输技术。[10]流媒体数据流具有三个特点：连续性、实时性、时序性，即其数据流有严格的前后时序关系。流媒体技术不是一种单一的技术，它是网络技术及视音频技术的有机结合，在网络上使用流媒体技术，需要解决流媒体的制作、发布、传输及播放等方面的问题，而这些问题需要利用视音频技术来解决。

以太网由于其成本低、扩展方便等特性，发展迅速，其带宽越来越高位，为视频信号的高质量传播带来了方便。在视频直播系统中，为解决多点视频带来带宽瓶颈等问题，采用分布式流媒体服务器负载均衡技术是一种较好的方法。流媒体服务器中的负载均衡系统是在基于LAN的分布式体系结构下实现的负载均衡,所有来自客户端的请求被透明地分配到若干服务器上。对用户而言,整个分布式系统仿佛是台单一的逻辑服务器。这样的集群系统能够提供较强的可扩展性和较好的吞吐性能。从商业角度而言,不仅可以保护原来的投资,而且也可以通过廉价的集群系统获得高性能计算机所能达到的处理性能。

目前流媒体技术虽然获得广泛的应用，但还没有统一的标准。媒体文件必须经过一定的编码后才能生成直接在网络上发送的流格式文件。主流的流媒体技术包括微软公司的Windows Media流媒体技术、Real Network公司的Real Net-work流媒体技术和Apple公司的Quick Time流媒体技术。一般认为，由于微软的操作系统具有最大的用户群，采用Windows Media流媒体技术会带来最大的方便。

七、结束语

精品课程录播系统集成了自动化控制技术、摄像技术、音视频编辑技术、计算机技术、网络技术、流媒体技术，每种技术的缺陷都会影响最后的录播效果，非常值得我们去研究和讨论，同时图形图像识别技术、分布式流媒体服务器负载均衡技术、影视特技等新技术等的应用和融合，使得录播系统具备更加先进的功能，做到真正的常态化教学并获得优质教学资料。

[1]周贻春,郑庆忠,陈佩妮.精品课程网络实时录播系统的应用与维护[J].科技创新导报,2008,09:229-230.

[2]冀燕丽,王玉清.高校精品课程制作中自动录播系统的设计与应用[J].中国现代教育装备，2009,14:44-46.

[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,2008,8:104-108.

[4]张军，黄忠毅，程樊启.从教学过程的需求分析录播系统的发展趋势[J].中国电化教育,2008,11：113-115.

[5]邓文新.录播系统在精品课程教学录像制作中的应用研究[J].中国电化教育,2008，5：101-103.

[6]左渠.课堂教学录播技术的分析[J].中国现代教育装备,2008,11:16-18.

[7]朱鹏云.网络视频课件的实时自动录播[J].现代教育技术,2009,19:167-168.

[8]叶惠文,杜炫杰.精品课程录播系统方案的设计与实施[J].中国电化教育,2009,9:111-114.

[9]陈宇玺,尹洪峰,程洁.网络精品课程录播平台评测指标研究[N].科技创新导报,2009，9:112.

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

（编辑：杨馥红）

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1673-8454（2011）05-0083-03