基于云计算的全自动录播系统的设计与实践

卢志标

（广东女子职业技术学院,广东 广州 511450）

随着经济与科技的迅猛发展,人们的生活节奏越来越快,科学技术也真正地改变了人们生活方式。在学校教育业绩培训机构中都涉及到自动录播系统,此系统可以在教师讲课的过程中自动进行记录,包括声音、文字、板书、多媒体课件等各方面,同时还可以在课后进行无限次的重播,帮助学习者进行复习巩固。2003年国家提出了教学质量改革的规划,精品课程成为了很多学校不可或缺的部分,此外很多的体育或者艺术学院在对学生进行专业的训练的同时也注重培养学生的科学文化知识,因此全自动录播系统因其方便性成了这些机构或学校的必备品。

随着大数据、云计算等概念和技术的出现,自动录播系统也有了进一步的发展。云计算的功能就将原本分散的各种资源、能力集中到一起,实现资源能力的聚合,然后再根据需要将计算能力进行分配。传统的全自动录播系统就是在每个录播室里建立一套录播系统,这样的成本是较高的,利用云计算可以采集各种资源然后上传到云端,当需要相应的资源的时候就可以通过网络去申请云计算能力,然后从云端获取相应的存储能力和计算能力,这样就不需要在每个录播室里建立相应的硬件设施,大大节约了成本。云计算的出现使得自动录播系统的普及成为了可能。由于网络技术的发展,云端应用和数据的储存具有了高度的统一性,其速度非常快,安全性能非常可靠。

一、全自动录播系统的简介以及应用

1.全自动录播系统的简介

全自动录播系统可以实现在讲演者讲述的过程中将其授课过程进行实时的记录,在其中要展示讲演者的声音、动作、板书、文字、图像、多媒体课件以及与学生进行互动的过程,最后要自动生成流媒体文件,以供其他人进行学习参考。

全自动录播系统一般是由硬件系统和软件系统组成的,两者相辅相共同记录。它主要包括视频采集系统（包括教师摄像机、学生摄像机、板书摄像机,前两中摄像机基本上都带有旋转云台,可以快速对准跟踪拍摄目标,后者是依据黑板的尺寸特制的）、音频采集系统（包括教师拾音话筒和学生拾音话筒,前者一般使用领夹式无线话筒,后者使用固定式会议话筒）、录播服务器（类似于工作站）、摄像跟踪定位系统（主要运用视频跟踪定位、红外、超声波技术）、流媒体文件生成系统以及自动编辑系统（自动剪接三类摄像机的画面并且插入课件等,整个过程不需要人的参与）组成。

2.全自动录播系统的应用与特点

全自动录播系统在实际的学习生活中有很大的作用,例如网络上各个名校的公开课,一些大学的精品课程,都是利用此系统进行录制的。在录制了这些学习内容之后,就可以永久性地保存,利用价值非常大。例如,一些新入职的老师由于没有实际的讲课经验,对于教学过程可能掌控不了,因而不能够达到预期的教学目标,通过自动录播系统可以将讲课的过程录制下来,在课后进行观看,找出自己的不足提高教学质量,同时可以观看其他有经验教授的讲授过程进行对比分析。对于学习者来讲,视频录播系统给他们带来了无尽的便利,如果对于课程上的内容没有理解透彻,课后便可以利用生成的视频进行补充学习。作为普通的社会一员,我们有可能没有很多的机会去接触各界的大师,但是利用自动录播系统就可以很充分地了解大师的思想和观点,增加自身的素质,提高修养。

虽然全自动录播系统的应用已经很广泛,但是它仍旧存在一些不足之处。例如,其最大的特点就是以单一的教室为单位,各个教室的录制是相互独立的,并不成体系,难以集成。

二、基于云计算的全自动录播系统的设计

Google最先提出了云计算的概念,它是分布式计算的深入,云计算实际上就是将整个网络上的资源（宽带资源、计算资源、存储资源）整合到“云”上,然后经行统一的管理和分配。云计算与传统的计算模式相比有很大的不同,传统模式就好比是原来百姓吃面粉需要自己种小麦收割之后再研磨成面粉,而现在只需要在面粉公司购买面粉即可,不需要知道所购买的面粉是哪块麦田的小麦研磨而成的。

随着科学技术的发展,云计算的能力越来越强,其目标之一就是不断地弱化终端的功能,这就使得终端的设备和投入越来越少,使系统整体的运行越来越畅通。云计算有很多的优点,例如其速度快、可靠性高、安全性能高、总成本低等,因此云计算受到了大家的追捧与信赖。

基于云计算的全自动录播系统（以下简称云录播）并不是简单地将各个不同的录播室连接,它是集成化的工程,需要采用先进的技术和成熟的方案,使改进过的系统有更强的适用性。因此,在设计云录播的时候要遵循一定的原则,主要包括实用性与先进性原则（要在实际需要的基础上提升智能化水平）、可靠性与高性能（运用成熟的方案,保证运行的安全性与稳定性）、完备性与扩展性（要充分发挥整体的最优性,同时遵循各种标准以便于以后的扩展）。

自云计算出现在市场之后,其提供的服务就开始被人们使用。根据所提供的服务,可以将云计算分为三个层次,即应用层、平台层、基础设施层。其分别对应的是软件即服务、平台即服务、基础设施即服务。

基础设施层主要就是指提供服务的硬件支撑,包括前面提到的音频采集系统、视频采集系统等,其中涉及到储存设备、网络设备等。这些设备可以安装在同一个地方,也可以安装在不同的地方,目的即聚合计算能力。

平台层主要涉及一些软件系统,包括用户管理服务、存储服务、文件管理服务等。软件系统同硬件系统的地位一样,是整个系统必不可少的,它和客户的体验是息息相关的。

应用层主要就是给客户带来更多的便利和选择,它能提供很多的应用来满足客户多样化的需求。例如教学视频的观看、课后评价、在线学习、疑难解答等方面,这些应用不要求客户安装相应的软件,只需申请就可以使用。

以上在逻辑层面对云录播进行了详细的阐述,让大家对于云录播有了大致的了解,以下部分将在物理层面对云录播进行设计。

云录播在物理层面分为前端和后端。通俗来讲,前端就是指安装在录播室里的设备,人们可以看到的东西,而后端则是指云本身,这两者之间通过网络进行连接。

前端主要就是进行数据的采集,包含前面提到的控制子系统、视频采集系统、音频采集系统。控制子系统就是确保系统安全性和有序性的保障,主要功能就是完成前端的各个设备的控制以及客户的身份认证。

后端即云本身,为云服务提供应用程序、计算机、服务器和数据存储等。它是全自动录播系统的核心,为资源的虚拟化（将存储、计算以及CPU等资源虚拟之后集成）提供了条件,资源虚拟化并不是真正的,它是逻辑上的统一而不是物理上的统一。后端涉及到的设备主要有智能导播控制主机、多媒体中控、录播服务器等。后端和前端通过网络进行连接。

录播系统的功能一般是多方位的,应有的功能设计及其要求:

环境方面要求录播的温度和湿度都比较适宜,室温应该控制在15-25摄氏度,湿度应该在60%-80%,在录播的过程中最好还要有加湿加热等仪器来配合,噪音声级要求为40dB（A）。录播时要使用三基色灯,背景光最好采用4×36W三基色冷光灯,采用6×36W三基色冷光灯做逆光,并配置1m恒力铰链。录播室最好采用双层玻璃门,噪声要小于40dB,混响时间小于0.6秒。

在录制中,硬盘录像机最好有4个通道,最高使用4:2:2,全高清1920×1080,60MB码流记录。板书摄像机的覆盖区域要达到两米（实际安装数量要根据黑板的长度确定,例如4米黑板安装2个）,要有定位系统的摄像机,扫描在480TV线及以上,能自动变焦。

三、基于云计算的全自动录播系统的实践以及展望

在论文的第二部分清楚地描述了基于与计算的全自动录播系统的设计原则和方法,在实际构建中就需要人们对各种设备的选取进行分析比较,以期在保证系统整体运行平稳的情况下尽可能地降低成本。

在整个云录播的过程中,一直强调的就是资源共享,而且其所有的应用都来自于云端,录播室利用设备将媒体信息采集之后学生就可以利用网络来获取视频资源。为了完成这个过程,我们在前端系统即录播室里面安装了媒体采集编码器,它的任务就是负责采集信息并且编码,这样我们就不用在每个教室配备录播主机,媒体采集器将采集的数据传送到云端。后端系统主要是媒体中心、存储系统、录播服务器等,这些设备也不需要在每一个教室都安装,它们集中安装在一个网络中心。资源使用多的时候可能会出现网络拥堵问题节点服务器,为了解决这一问题,在网络中心上要安装节点服务器,实现流量分流。

实际中,在每个录播室都要配置两个音视频编码器,分别负责老师和学生音频和视频信号的采集,同时还要有VGA编码器,它的功能就是负责采集课件的信号。为了提高画面的质量,系统都采用高性能的嵌入式的编码器,由于它利用DSP编码芯片,所以能够提高工作效率,而且画面质量也会有大幅度提升,整体的稳定性也会提高。网络中心录播服务器的数量要根据实际的培训教室的数量来确定,一般情况下每台服务器都有很多条通道,这样就不需要安装过多的录播服务器。网络中心的其他设备例如集中控制服务器、数据库服务器等各安装一台即可。

云录播给人类的学习带来了新的契机,能够使人们随时随地进行研究学习,但是随着科技的进步,云录播的发展也越来越健全,其图像效果越来越清晰。现在主流摄像机大部分都是720p30帧的,为了图像更加清晰,必然向1080p 30帧或者60帧发展;自动跟踪技术也越来越智能,目前主要的跟踪系统就是红外线定位和超声定位,这些技术并不是很完善,需要加入更多的智能元素;另一方面开始强调以学生为中心,改变原有的传统的座位习惯,以小组的方式增加学生的自主性;同时也将电子书包逐渐地融入教学录播的过程中,其录播过程更加注重师生之间的互动,拥有全方位的交互功能,而且其有望促进教学概念的更新,使教学更加合理化。

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