多层次云平台录播系统的设计及应用研究

赵祥好 王 鹏 方小凡

（1.安徽省委党校 信息中心，安徽合肥 230022；2.内蒙古大学 教务处电教中心，内蒙古呼和浩特010021）

一 引言

终身学习是21世纪的生存概念，建设全民学习、终身学习的学习型社会，已成为世界许多国家和地区教育改革与发展的重要战略目标[1]。党校作为培训和轮训领导干部的主渠道、主阵地，肩负着大规模培训干部、大幅度提高干部素质和推动学习型政党建设的重要职责，党校干部培训工作要积极探索现代成人教育培训规律，树立现代培训观念，充分利用现代信息技术，创新培训内容，改进教学方式，整合信息资源，不断提升课堂教学质量，不断提高党校培训水平。

信息技术的发展给现代教育带来了发展动力，为现代教育提供了更丰富的信息资源与工具[2]。信息技术对党校教育的影响不可估量，引领着党校教学、科研、咨政和管理服务工作的创新发展。信息技术的应用已成为现代教育技术的特征之一，以至于在某些场合中，信息技术和现代教育成了同义词[3]。随着云计算技术的发展，基于分布式课程录播系统的云录播平台，可以根据党校各类课程的特点，分层次搭建在线学习平台和资源共享平台，满足学员个性化、自主化学习的需要。

二 云平台录播系统的系统组成

当前常见的课程拍摄模式有很多种，主要有专业的演播室级拍摄系统和全自动录播系统。但这两种系统目前都无法在学校所有教室里统一安装，不可能大规模普及。主要原因在于：一、使用专业演播室级的人工导播，多机位方式拍摄，虽然可以提供高质量的教学素材，但人力资源消耗比较大，需要数个摄制人员和多台专业的摄录设备，有的还要后期编辑处理，环境要求也比较高。全人工拍摄无法实现大规模教学视频的录制及资源积累。二、传统自动录播模式建设成本高。传统自动录播模式中每个拍摄教室需要一台录播主机，用于视音频信号处理压缩，每套10万左右，要在全校几十间多媒体教室普及安装，仅此一项就要数百万元。因此根据实际教学需要，通过网络共享录播主机，打造云平台、多层次的全自动录播系统，将公用核心设备录播主机放在云端，既解决了摄制人员不足的问题，又大大降低了建设成本，使得每间多媒体教室转变为录播教室成为可能。

传统意义的全自动录播系统需要在每个录播教室建立一套完整的系统设备，有信号采集所需的摄像机和麦克风，有自动跟踪检测设备，也有核心设备视音频编码器、录播服务主机、管理服务器等等，并且根据录制的画面质量要求不同，选择不同档次的录播服务主机、摄像机和视音频编码器。如果想让每间教室都能录制课程，那么每间教室都要安装这样的系统。录播服务器是各种信号源的司令部，掌管着信号的调度，录播镜头切换策略的实现和直播、点播的信息发布，因此这个设备的资金占用是最大的。以我校为例。建设30间录播教室，仅录播服务主机就要花费300万元。基于云平台的全自动录制系统将录播服务主机独立出来，让每个教室各种信号经处理后，通过网络传送到位于学校的教学资源管理中心的录播服务主机，让其统一指挥、统一存储发布。每个录播教室的投资成本也大大降低。通过此系统，短时间内就可以拍摄完成数门完整的视频课程供学员学习，快速积累丰富的优质课程资源。

云计算是基于Internet或者Intranet的计算解决方案，它把原来分散的资源集中到一起，实现计算能力的聚合，然后再把这些计算能力分配给各种应用[4]。云平台录播系统将所有教室的录制信息流程进行了全新分配，把需要教室端处理的信号放在教室处理。如跟踪系统、视音频压缩编码等，不需要在教室端处理的信号放在云端，如信号的调度，录播镜头切换策略的实现和直播、点播的信息发布等，各类设备各司其职、按需分配，实现功能的优化组合。

1 云平台录播系统的整体构架

云平台录播系统整体构架可以分为三个层次：基础设备层、核心设备层和终端接收层。基础设备层主要负责前端信号的采集。主要设备包括：教师摄像机、学生摄像机、教师和学生的定位摄像机、视频编码器、VGA编码器等信号采集及教师、学生活动状态跟踪设备，且根据实际录制课程的需要设置3～5个机位进行拍摄。核心设备层即云端层，主要负责各教室根据录制策略的要求完成电影模式及资源模式课程的录制、存储及发布。主要包括分布式录播主机和资源管理服务器。终端接收层主要指接收和播放的各种终端，如PC终端、移动终端、专用硬件终端等。

2 云平台录播系统的系统模型

云平台录播系统中的设备，按位置分类可以分为前端和后端。前端主要指安装在教室内的设备，后端指控制及发布设备。前后端通过网络形成一个整体。传统意义的录播系统，前后端是一体的，N个教室需要N个前后端。而云平台录播系统，多个前端仅需一个后端，所以配置应用灵活方便。

图1 云平台录播系统拓扑图

前端系统主要完成采集功能，包含信号采集子系统、信号编码子系统、图像识别跟踪子系统。信号采集包括师生的图像采集、音频采集和教师计算机信号采集等。后端系统的录播服务器通过网络将视频的发布和共享进一步整合，形成本区域甚至是跨区域的云端录播系统，如图1所示。

三 多层次的云平台录播系统设计方案

云平台录播系统在实际应用中的搭建情况非常灵活。在党校的日常教学中，有四种类型的录播系统经常被用到：（1）满足精品课程拍摄要求的演播室级录播教室；（2）教学研究型录播教室；（3）常规教学型录播教室；（4）资源积累型录播教室。需要特别说明的是，这四种录播系统，除每个教室的前端设备外，录播服务器可以在云端共享。最终录制的成片由云端的录播服务器自动上传给媒体资源管理平台，完成对媒体的统一管理、直播和点播等任务[5]。

1 演播室级录播教室的设计

党校系统精品课程以及一些重要的理论宣讲专题片，对拍摄和后期制作的要求比普通课程要高许多，对教学环境的光线、记录下来的画面的质量和声音清晰度及成片是否能够真实再现教师教学思想和教学艺术，均提出了很高的要求。普通教室的录制环境和全自动的镜头切换方式均无法满足拍摄需要，应搭建演播室级课程录播教室。传统的演播室拍摄方式，虽然拍摄环境达到了拍摄要求，但所有机位全人工现场拍摄，再后期非线性编辑加工，制作周期长、人员耗费量大，缺点明显。本套系统对传统的演播室环境进行了适当调整，采用四机位拍摄模式，摄像机均为高清摄像机，其中教师近景、学员全景和教学全景采用自动跟踪技术进行拍摄，学员近景采用人工拍摄，以便更好地捕捉师生互动及学员专注的表情。在此基础上因为镜头的切换犹如“傻瓜”相机拍出的照片不如手动拍摄鲜活一样，全自动录播的切换给人生硬之感，所以通过导播切换台，采用人工手动切换镜头，而非生硬的全自动触发式切换，成片直接转码，生成高品质课程视频成片。拍摄与剪辑同步进行，镜头切换自然，人员耗费少，优势明显。

2 教学研究型录播教室

教学是教师按既定的教学目的，通过一定的媒介载体，将知识传递给学生，帮助学生全面发展的师生双边活动，所以作为教学研究型录播教室，要通过摄像机镜头把课堂上教师和学员的教学活动情况及互动细节等完整自动的录制下来。一方面可以帮助老师在课下通过回看教学录像反思教学的不足之处，另一方面帮助各教研部门回看老师的教学情况，分析教学教法，帮助年轻教师尽快成长。在教学活动中，板书可以为学习者提供学习的要点和结构、是课堂教学内容的“脚手架”，板书所反映的知识内容结构是对课本内容浓缩、整合而成的“集成块”，同时板书也是师生互动的平台，所以在教学研究型录播教室中，在摄像机数量和角度上，除了常规的四机位摄像机：讲台全景、学员全景、教师特写、学员特写外，增加了一路单独的板书摄像机，用于反思板书是否文字精炼、突出重点，板书布局是否合理等问题。在笔者所在的党校，用于内容创新和方法创新的新教学专题试讲活动，在全程自动录制后放在资源平台供教师自我反思和提高，研讨类课程如《创新思维与创新管理（研讨式）》、《密切党群关系做好群众工作（研讨式）》全程录制后也放在资源平台供教师和学员反思各自在教学过程的表现。

3 常规教学型录播教室

在日常教学情况下，常态化的把课堂上教师和学员的教学活动情况自动录制下来并上传资源平台。为全景呈现教学情况，特别是师生互动的教学环节，摄像机采用两机位加VGA模式全自动跟踪的拍摄方法，包括讲台全景、学生全景和VGA信号。录制完成以后系统自动上传到资源平台，教师和学员可通过资源平台复习和巩固教学内容，其他班次的学员也可通过在线视频学习该教学专题的内容，扩大了教学资源的受众，提高了教学资源的利用率。党校约百分之九十五以上的教学专题都可以通过该录播模式进行录制，因为全部都采用高清编码信号，录制后视频图像清晰、声音清楚，得到教师和学员的一致好评。

4 资源积累型录播教室（讲座型录播教室）

在党校的培训和教学过程中，很多时候会请某一领域的专家学者到校给学员们做讲座，这种情况常常没有板书，对学员的听讲状态也不需要记录，我们只需要教师特写机位加VGA采集的方式，构建资源积累型录播教室即可完成拍摄任务。教师近景摄像机自动跟踪拍摄教师上课情景，教师PPT直接送VGA编码器编码后送录播系统，云端的录播服务器根据教师的PPT翻页情况触发切换视频信号，再将成片上传至资源服务器，学员可以远程登录资源管理平台利用移动设备在线直播或点播讲座。

四 多层次的云平台录播系统在教学中的应用

多层次的云平台录播系统的建设使每一间多媒体教室成为录播教室，可以在极短的时间内把党校优秀教师、教学名师的课程全部放在教学资源平台上，供广大师生共享学习。无论是教学管理者还是教学研究者，亦或是各类培训班次学员都从中受益良多，逐步形成党校独具特色的在线教学服务模式。

1 促进教学反思常态化

传统授课形式下，因为看不见自己的表现，教师很难发现自己课堂教学中的不足，因而也就不能及时跟进改正。通过自动录播系统，无需老师和学员佩戴任何辅助设备，也无需老师和学员做任何额外动作，常态化教学状态下，可以把课堂上教师、学员的活动和语言互动细节等完整、自动的录制下来。老师通过观看自己的教学录像，能够跳出自身的局限进行反思，更容易找到自己的不足与需要改进的地方[6]。

2 解决“吃不饱”和“难消化”的问题

每个人的学习能力不一样，每个培训班次的课程安排也不一样。有的学员能够很轻松地完成专题课程的学习，而有的学员需要课下反复学习自己理解不了的知识，有的学员由于上课时间冲突，无法聆听其他班次的课程，这些情况在党校的培训过程中都会出现[7]。在传统授课形式下，学员让老师单独再讲几遍几乎是不可能的。但在以云平台录播系统为基础的教学资源平台上，学员可以反复收看老师的教学录像，学习自己感兴趣的知识或者巩固某专题课程，并且可通过平台的互动模块与老师积极沟通。

3 方便教师互助交流

录播系统录制的教学录像放在教学资源平台上，可以及时将每一位教师的上课情况完整呈现，方便教师互学互评，取长补短，不断从其他教师的教学中汲取有益的教学经验，从而应用到自己的教学中，提高自己的教学效果和教学水平[8]。这可以成为督导老师和学校领导考核教师及了解学员上课状态的手段。

4 留下宝贵的影像资料

多层次的云平台录播系统最大优势就是设计方案灵活。在教学专题拍摄中，通过教室端多机位的高清摄像机拍摄、灵活多样的多机位镜头切换策略和后台录播服务器对于视频的H.264的压缩编码和MP4封装，满足各类视频拍摄制作技术标准。课程录制完毕后，电教工作人员运用后期编辑软件对已生成的视频进行精细化后期编辑和艺术加工，形成高水平的专业录像资料。

5 实现优质资源共享

利用录播系统的直播功能，可以实时直播任何一间教室的教学实况。直播系统可通过网络将计算机屏幕内容、教师图像、学员回答问题等内容流畅直播到客户端，延时能够做到小于1秒。收看直播的教室利用本地的多媒体设备，将上课图像还原到本地，很好地解决了基层党校因为师资力量不足、教师数量不够导致的有些课程无法开设的情况。在带宽保证的情况下，通过IE浏览器可以在任何地方收看直播，甚至是家里。

五 云平台录播系统发展方向及趋势

随着云平台录播技术的应用，大量的在线课程在网上供浏览学习。与此同时，对视频质量的要求会越来越高，这要求录播系统向两个方向发展：局域网或宽带专线的高清传播和互联网或移动终端的标清传播。

1 云平台录播系统技术指标的提高

随着网络技术和多媒体技术的发展，在分布式系统的基础层范围内，音视频信号的采集技术、摄像机跟踪定位技术和课堂镜头调度切换策略的智能化方面都会进一步发展。（1）图像效果更加清晰化。现在主流摄像机大部分都是720p 30帧的，为了图像更加清晰，必然向1080p 30帧或者60帧发展。在某些技术类专题教学方面，有时需要传输分辨率达到或优于1920*1080的高清视频信号，以便每一个细节都清晰记录下来，这就需要摄像机达到指标，也需要视频编码器能够处理这样的大信号。（2）自动跟踪技术更加智能。目前使用的自动跟踪技术如红外定位、超声波定位或图像识别技术都不是很完善，离真正的智能化还有差距。有时学员的坐高一些或者有一些多余动作都会造成摄像机的误判，这还需要进一步的智能化。（3）镜头切换策略更加人性化。现在的自动录播系统镜头的切换是依靠教师或学员的动作或者计时器来进行触发切换的，而不是根据老师讲课的内容来进行切换的，所以生成的电影模式影片给人一种生硬的感觉，需要人工进行二次编辑。镜头的切换策略如果能够根据教师的讲课语义来调整，视频的艺术性和感染力会更好。

2 云平台录播系统的功能扩展

作为课堂教学，区别于网校的最大特点是师生间的广泛互动。但目前的录播系统只能通过网络直播、点播手段进行单项传输或广播，终端用户只能单向接收信号，而不能反馈信号，不能做到与现场的双向、多向交互，更谈不上全方位交互了。要实现交互功能必须依靠视频会议终端等外围设备。录播系统未来需要实现师生间声音、图像、文字等全方位交互功能，才能起到教学相长的作用，录播系统本身也才会如虎添翼。

3 云平台录播系统促进教学理念的更新

每一种教学设备，无论技术如何先进必须有先进的教学理念作为支撑，才能在实际教学中起到事半功倍的效果，分布式录播系统也是如此。录播系统的最终落脚点是学习者的学习，系统针对学习者个人信息，学习者情景信息等内容进行建模，通过对交互文本、视音频和系统日志等能够反映过程信息的数据，利用参与度分析法、社会网络分析法和内容分析法等学习分析技术来了解学习者的学习情况，从而提高学习效率，也是未来录播技术发展的趋势之一。

[1]范建丽.中国大学视频公开课现状与发展探究[J].现代教育技术,2014,(2):84-91.

[2][3]郭琴.信息技术对现代教育的影响[J].电化教育研究,2000,(6):8-13.

[4]房栋,李宣.基于云录播的职教微格实训系统设计[J].现代教育技术,2014,(2):115-119.

[5]钟晓流.录播技术与应用系统[M].北京:清华大学出版社,2012:161.

[6]李晓兰,顾钢,向昕彦.全自动智能录播系统在高校精品课程录制中的应用[J].科技创业月刊,2014,(5):98-99

[7]康伟.提高党校教学质量的思考[J].党校之窗,2014,(4):57.

[8]罗虹,卞亚红.精品课程制作中全自动录播系统的应用[J].西北医学教育,2010,(10):66.