基于云计算常态化录播系统的设计与实现*

陆海钢

（南京信息工程大学 现代教育技术中心，江苏南京 210044）

基于云计算常态化录播系统的设计与实现*

陆海钢

（南京信息工程大学 现代教育技术中心，江苏南京 210044）

高质量、规模化、课程体系完善的教学视频资源是优质数字教育资源的核心。为此，文章结合实际情况，设计并实现了常态化录播系统。该系统是以多媒体教学课堂为中心，应用云计算技术，集课程录制、课堂直播、课程资源管理于一体的教育教学应用系统，包括教室录制终端、录播管理系统和教学管理中心。该系统软硬件结构合理、配置科学、性能优越；录制过程高度自动化，大规模录制效率高；管理手段先进，教学资源得到有效利用。可以说，该系统在实际应用中具有一定的价值。

教学视频资源；常态化录播系统；云计算技术；设计

为推进落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》关于教育信息化的总体部署[1]，教育部于2012年印发了《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》（以下简称《规划》）。《规划》在“行动计划”部分指出：“实施优质数字教育资源建设与共享是推进教育信息化的基础工程和关键环节”[2]。高校是国家教育信息化建设的主阵地，因此《规划》强调高校应“建成与各学科门类相配套、动态更新的数字教育资源体系”，其核心任务就是建设高质量、规模化、课程体系完善的教学视频资源，实现对全学科各课程的全面覆盖和教学视频的动态更新。

传统的教学视频资源以精品课程为代表，主要存在以下问题：高校建设的精品课程通常是自身的优势学科，因此视频资源学科分布不平衡、覆盖面不全；为精品而精品，资源建设多以获奖为主要目的，重形式、轻内涵，而获批准的精品课程不注重教学内容的更新，也没有实现真正的资源共享[3][4][5][6][7][8]；精品课程录制方式的效率低、规模小，无法对所有学科的教学视频实施全过程录制。因此需要设计一种新型的资源建设模式，以满足视频教学资源建设重点从“精品化”向“规模化、系统化”转变的需求。

高校根据教学计划开展日常教学活动，一学年即可完成所有学科的授课任务，覆盖所有学科课程。就某一门课程而言，既有不同老师同时开课的情况，又有同一个老师多次开课的情况——这个特点有助于实现教学视频资源的有效更新。因此对日常教学活动进行全过程录制，是开展大规模教学视频资源建设的有效途径。然而对全部日常教学活动进行全过程录制是一项艰巨而复杂的任务，从效率、数量、人力成本上看，传统的录播系统无法满足实际建设的需要。为了达到规模化、高度自动化的资源建设要求，本文设计并实现了基于云计算技术的常态化录播系统。通过该系统可以高效便捷地开展常态化录制工作，建设一批高质量的教学视频资源，从而推进高校的教育信息化进程。

一 系统的设计与实现

为了建设与学科相配套的、动态更新的数字教学资源，并开展大规模、持续性、全过程的课堂实录工作，高校迫切需要设计一套高效便捷的录播系统。本文将从系统的定义、设计原则、体系架构和系统功能实现四个方面，详细阐述基于云计算技术的常态化录播系统的设计与实现。

1 系统的定义

常态化录播系统是以多媒体教学课堂为中心，应用云计算技术，集课程录制、课堂直播、课程资源管理于一体的教育教学应用系统。它在统一的教学管理平台上，完成常态化的教学资源建设和教学管理。通过该系统可以有效地提高教学服务的工作效率，扩大教学服务的管理范围，提升录播教室运行管理的工作质量，强化对课堂教学的服务和管理。

常态化录播系统也可以简单地理解为可实现多路录制的全自动录播系统。常态化有两层含义：一是教师授课的常态化。系统基于日常教学环境自动开展录制活动，不改变教师的授课习惯；教师无需操作任何录制设备，只要正常开展教学活动即可。二是视频录制的常态化。系统根据教务系统课表制定录制任务，对全部课程实现全自动、全过程录制。

2 设计原则

常态化录播系统以技术先进、性能可靠、功能强大、界面友好、实用性高、拓展性强为建设目标，方案设计主要遵循以下原则：

（1）资源符合国际化标准。为满足资源共享的需要，为将来大范围应用打下坚实的基础，系统采用Scorm标准建设教学视频资源；视频文件采用H.264编码生成MP4格式；客户端采用B/S模式进行访问，支持PC、Android和IOS移动设备的管理及收看。系统符合国际化标准，用户使用简单、便捷。

（2）零操作、独立性。系统将多媒体管理、课件录制、教务排课、用户认证、资源管理平台等进行整合，通过校园卡实现权限管理。录制系统与多媒体系统相对独立，互不干扰。录播方式不改变教师的授课习惯和应用环境，教师只需要打开多媒体正常授课即可。

（3）完善安全管理机制。常态化录播系统是面向全校开放的资源建设与共享平台，因此该系统必须具有良好的安全控制性能和完善的权限分配体系，实现分级授权、功能授权和资源授权；系统运行安全可靠，平台数据与用户数据定时自动备份，确保稳定工作。

（4）扩充性。系统采用开放式结构，能满足低成本升级和扩展的需求。

3 基于云计算技术的体系架构

以南京信息工程大学建设112个终端、视频分辨率达1080p（1920×1080）的常态化录播系统为例（下同），每个教室配备师生摄像机各一台，仅前端摄像机就达224台；同时，系统还配备有多台交换机、服务器等。由此可见，常态化录播系统是一个高度集成的系统工程，设备数量多、构成复杂、集成难度高、数据传输和计算量大、网络依赖性强，不是多套录播系统的简单堆叠和连接就可以完成的。为此，必须采用科学合理的方案来设计系统的总体架构。

云计算技术是21世纪以来信息技术革新的产物。该技术融合了分布式计算（Distributed Computing）、并行计算（Parallel Computing）、效用计算（Utility Computing）、网络存储（Network Storage Technologies）、虚拟化（Virtualization）、负载均衡（Load Balance）等传统的计算机和网络技术[9][10][11][12]13]，在系统集成行业尤其是分布式流媒体系统构建中得到广泛应用。在系统设计中整合网络技术、计算机和信息管理技术，充分应用云计算技术可以优化后期复杂的视频处理过程，为系统的科学性、可靠性和可用性提供保障，且有效降低了建设成本，提高了系统的运行效率。

常态化录播系统应用云计算技术，通过网络把多个教学点的教学视频场景和授课计算机画面以标准的流媒体编解码技术进行实时采集压缩、集中存储及监控管理，实现了视频资源高并发量的录制和共享。该系统将课程录制存储、资源管理共享及课件直播点播等技术与网络技术有机融合，成为具有强大监控管理能力的辅助教学应用系统。基于云计算技术的常态化录播系统的体系架构主要包括教室录制终端、录播管理系统、教学管理中心三层结构，如图1所示。

图1 常态化录播系统的结构示意图

图2 录播管理系统的结构示意图

4 系统功能实现

（1）教室录制终端

教室录制终端是信息采集单元。终端通过图像跟踪系统实现对教师的实时跟踪，视音频采集系统记录教师视频、音频、VGA等信息后进行编码，通过网络传输给服务器端。终端的录播设备与多媒体设备保持相对独立，使录播设备发生故障时多媒体设备不受影响。教室录制终端的独立性和零操作有利于教学视频的常态化录制。

在教学活动的录制过程中，录制终端主要实现以下功能：

①高清视频采集功能。录制终端布置2台高清摄像机，采用索尼原产机芯FCB-CSE6300；1台跟踪一体化高清摄像机录制教师视频，1台云台摄像机录制学生全景画面。师生视频在本地与外部音频信号同步编码，自动生成标准MPEG-4/H.264流媒体文件，分辨率为1080p，码流在400kbs~5Mkbs范围内可调。编码好的视频自动传输到录制服务器。

②教师授课自动跟踪功能。视频录制成功与否的关键在于，自动跟踪系统能否将授课教师始终保持在画面的合适位置上。常态化录播教室主要利用日光照明，色温不固定、光线成分复杂，再加上教师不佩戴额外设备，因此不宜使用红外、超声波等跟踪方式，而应选用图像跟踪模式。该模式通过图像分析技术实现自动跟踪，不受声音、电磁波、红外线、光线等外在因素的影响，抗干扰能力强，适用于复杂的录播环境。图像跟踪系统要求具备平滑跟踪能力，在阳光、投影机、窗外走动行人等干扰的情况下依然具备高度稳定性；教师做小范围晃动时，摄像机停止运动，避免镜头晃动影响画面构图。图像跟踪系统分为采集前端和计算后端两部分，前端采集芯片固化在摄像机中，将图像信号传送至后端计算服务器，对比图像前后变化后发送跟踪指令到摄像机，完成跟踪工作。教师画面构图以教师半身像为主要景别，在近景模式下，高清摄像机可有效保证板书的清晰程度。

③教师授课声音采集功能。常态化录制的视频资源数量庞大，无法全部配上字幕，因此声音效果比图像效果更显重要。不同于精品课程录播室的专业录制环境，常态化录播教室本身就是多媒体教室，未经专业声学装修，环境复杂，采用音箱拾音或吊装指向性话筒拾音的方式都无法避免环境噪音。考虑到教室都装有扩音设备，从扩音设备的功放主机获取音频信号，采取有线的方式接入教师摄像机，可以有效避免环境噪音。声音信号与教师视频同步编码后传输到录制服务器，保障了音视频同步。

④计算机VGA信号采集。随着计算机性能的提高，采用软件抓屏采集的模式成为可能，采集帧率可达每秒30帧，能够清晰流畅地捕获屏幕中所放的DVD、VCD或FLASH动画，不会出现掉帧现象。通过软件记录PPT或Word翻页信息，识别首行标题信息，自动生成课件资源知识点索引，实现视频播放的快速跳转和查找。软件采集模式不仅降低了建设成本，而且减少了故障点。

（2）录播管理系统

录播管理系统是常态化录制系统的核心部分。在云计算技术的支持下，将集中录制、在线课堂巡查、设备管理维护、资源建设（全自动的课堂实录）、资源管理（课件自动分类、在线编辑）、资源应用（学习管理、资源共享）等功能完全基于WBE平台下统一应用与管理。录播管理系统由录制管理端、播出端、资源管理应用平台和服务器群组成。

录制管理端与教务系统对接获取课表形成录课计划，教室录制终端根据计划自动开展课程录制；录制端将录制的视频数据推送到录制服务器进行加工整理；播出端对录播服务器的视频资源进行直播；录制服务器的视频资源按照课表自动分类后上传到资源管理应用平台；通过该平台，开展视频资源点播，实现用户管理、资源管理等功能，如图2所示。

录播管理系统在结构上配置合理、设置科学，具有以下优点：

①基于Web平台的应用与管理工作简单便捷。系统可在Windows、Mac、Android等平台下运行，采用B/S架构，管理维护、直播、点播均无需安装任何专用工具。

②视频资源质量高，形式多样。录制管理端配置1台IBM3650管理服务器、11台IBM3650录制服务器。管理服务器对接教务系统课表，每天自动更新，根据课表自动录制课程。录制服务器同步接收采集端传送过来的屏幕流和教师、学生音视频数据，实时录制生成资源模式和电影模式的视频资源，生成的课件文件格式为MP4格式，视频分辨率最高为1920×1080。系统支持同时合成高清和标清格式的单画面电影模式课件，满足不同带宽环境下在线学习的需求。资源模式播放课件时，视频与屏幕窗口可互换，且每个窗口都能全屏观看，窗口的大小和位置可调整。

③高性能服务器保障录制过程安全平稳。高清格式的视频录制和传输对服务器性能要求极高，为保障服务器运算性能及系统的稳定性，录播系统配置9台服务器实时录制，每台分配搭载录播教室不超过15间。2台服务器为备用服务器，当9台服务器中的任何1台出现故障时，备用服务器自动启动，接替问题服务器的录制任务，保障数据安全和运行平稳。

④实现资源的有效管理、应用和存储。录播管理系统具有教室管理、角色管理、课程管理、权限设置、服务器管理、备份管理、资源共享和资源分类等功能。系统配置210T大容量存储，保证1学年的教学视频存储。

（3）教学管理中心

教学管理中心是为各级教育管理者提供教育教学管理服务的现代化教学管理平台。它拥有由12块46寸超窄边屏组成的大屏显示系统，可接入12路HDMI/VGA信号，为开展教学管理、教学研讨、教学观摩、课堂教学秩序巡查、青年教师授课竞赛、新教师试讲、教师自我评价等活动提供了先进的可视化平台。

二 系统的特点

应用云计算技术构建的常态化录播系统，具有设计理念先进、技术尖端、功能强大、性能稳定等特点，具体表现在以下方面：

1 基于云计算技术的录播系统性能优良、安全可控、性价比高

首先，系统具备高度集成的特点，将计算机网络技术与视频技术合理搭配使用；设计时将数据、语音、视频、网络等硬件设施科学部署，提供整体系统冗余空间，具备稳定运行能力。其次，多路高并发量的高清视频录制与共享是一个海量数据收集与处理的过程，基于云计算技术构建的录播系统可以高效快捷地进行海量数据处理、动态化资源分配，实现资源的高速录制与充分共享；既优化系统结构、提升系统性能，又有效降低建设成本。

2 录播专网实现了大数据量传输和资源校园网内高速共享

常态化录播系统采用集中录制模式，教室端将高清视频信号数据录制编码后，集中上传到录制服务器。按每个录制终端数据上传占用带宽6M计算，112个录制终端需要总带宽达672M。如果使用现有的校园网进行数据传输，必将耗尽整个带宽，不仅严重影响校园网的正常使用，而且必然导致录播系统无法正常使用。为此，学校建设了录播系统数据传输专网，用于终端通过光纤传输数据到录制服务器。录制服务器、资源管理服务器配置多网卡，采用网络地址转换（NAT）的方式将其并入校园网，在实现视频数据高速传输的同时，实现校园网用户高速访问录播系统所建设的共享资源。

3 视频资源的命名科学规范，应用价值高

近年来许多高校开展了教学视频资源规模化录制的工作探索，但普遍存在以下问题：每天录制的海量视频超过800G，后期加工处理工作量巨大；自动生成的视频文件名通常是“日期+时间”，视频资料没有有效的命名和目录分类，因而从海量的资源中快速获取所需的课程视频非常困难，大量的视频资料积累后不能得到及时有效的应用。本系统根据教学课表制定录制计划，统一命名规则，自动以教师姓名、课程、日期、班级和教室来命名，并根据所属学院进行目录分类，具备资源在线检索功能，能够实现资源的多维度检索和模糊检索。它赋予教学视频资源以崭新的生命力，极大地方便了师生对教学视频资源的检索和提取，因此教学视频资源的应用价值更高，必能产生更大效益。

4 系统结构合理，扩展性好

系统采用树形网络结构，具有良好的扩展性，可按需随时增加录制终端。

三 系统的应用

根据设计方案，2014年初南京信息工程大学在国内率先建设完成常态化录播系统，共有教室终端112间。在系统实施中，各项设计功能得到实现，系统运行稳定可靠。

常态化录播系统不再是传统意义上的教学视频录制系统，而是集教育教学管理、课程资源管理于一体的新型教育教学应用系统。南京信息工程大学依托常态化录播系统，实施了本科课程课堂教学质量提升工程。该工程实施半年来，在深化教学改革、优化教学管理、提升教学质量方面主要取得了以下成效：

①推进了教学视频资源的建设。经过一学期的运行，共录制课程1018门，视频总时长8万小时，总容量33T，较好地完成了教学视频资源的建设任务。

②加强了课堂教学的质量监控。在教学管理中心，全体校领导集体听课2次，院长34人次，教学副院长65人次，教学督导141人次，辅导员91人次。同时，各级教学管理人员通过校园网络，进行实时巡课和随时点播课程（达2000人次），对学校的教学状况进行信息化教学监督，通过课堂情况精确掌握教师的授课质量、学生的学习进度及学习质量。

③提高了教师的教学能力。教师的教学能力和教学水平是保证高校教学质量、培养高素质创新人才的关键。学校利用常态化录播系统，建立教师课堂教学电子档案，通过教师回顾自身的教学实践，对授课过程进行自我反思或集体讨论，关注教学方式是否有效，了解学生的接受程度和学习状况，从而及时调整教学行为，优化教学计划，改进教学方法，不断提高教学能力；遴选课堂教学模式有创新、教学改革有特色的优秀教师上公开课，组织教师参加课堂教学观摩，通过同行点评，促进教师相互学习交流，利于取长补短、提高教学能力；抽取教师课堂教学录像，作为教师申报教学优秀奖、“十佳教师”、职务晋升的客观依据，促进课堂教学质量和教师教学能力的提高。

④推动了课堂的教学改革。学校利用常态化录播系统，以课堂教学改革和校本研究为工程的工作重心，以教学研究为主要手段，以提高教学质量和全面提升学生素质为主要目标，开展教学观摩、教学研讨、教学竞赛、教学座谈、青年教师授课竞赛、新教师试讲、教师自我评价等一系列教学活动达40余次。

⑤加强了考风建设。学校依托常态化录播系统，在考试中推行无人监考的诚信考场，推进考试改革，形成良好的考风、学风。

⑥培养了学生的自主学习能力。经教师授权，学生观看授课录像、课后温习，有利于激发学习兴趣，培养自主学习能力。

⑦提升了多媒体教学的服务水平。系统实现多媒体教室（即录播教室）的整体运行管理，提升了课堂教学的服务水平。

四结语

基于云计算技术构建的常态化录播系统，其软硬件结构合理、配置科学、性能优越；在实际应用中，其管理手段先进，大规模录制效率高，录制过程高度自动化，教学资源得到有效利用。常态化录播系统的应用和推广，必将为推进教育信息化提供有力保障，有助于全方位推动教学资源建设的改革，促进教学环境的改善、教学手段的革新和教学质量的提升。当然，本文所述的常态化录播系统也仍有待更多的实例应用来进行检验，并在实例应用中加以不断完善。

[1]教育部.国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)[OL].

[2]教育部.教育信息化十年发展规划(2011-2020年)[OL].

[3]张家年,李凌云,孙祯祥.绩效视野中精品课程建设、应用与评价的研究[J].中国电化教育,2014,(7):113-118.

[4]宋建功,张冀中.课程录播系统的研究与应用[J].现代教育技术,2010,(8):44-47.

[5]宋建功,张冀中.高校课程录播系统需求差异性的研究[J].中国电化教育,2011,(7):131-135.

[6]张倩.视频课程资源建设的利器——网络课程录播系统的应用研究[J].福建教育学院学报,2011,(3):121-124.

[7]李燕.多媒体录播系统在高校精品课程建设中的应用研究[D].上海:华东师范大学,2011:12-17.

[8]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.

[9]刘鹏.云计算[M].第二版.北京:电子工业出版社,2011.

[10]徐苑苑.云计算环境下的开放课程应用研究[D].上海:华东师范大学,2013:31-33.

[11]鲍雅丽.基于云计算的高校图书馆互联式(IRSM)交流共享系统设计与实现[D].厦门:厦门大学,2013:20-21.

[12]刘艳.云计算环境下图书馆的服务模式与运行机制研究[D].哈尔滨:黑龙江大学,2012:9-11.

[13]李玲,何霖俐,张辉蓉,等.云计算基础教育质量监测与评价平台的设计与实现[J].中国电化教育,2013,(5):113-116.

编辑：小西

Design and Implementation of Normalization Recording System based on Cloud Computing

LU Hai-gang

(Modern Educational Technology Center,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing,Jiangsu,China 210044)

Higher quality,larger scale and perfect course system is the core of high-quality digital educational resources. Based on these facts,a normalization recording system was designed and implemented.The system centered on the multimedia teaching,and applied the cloud computing technology to integrate the class recording,class broadcasting and educational resources management into the educational and teaching system,which included the classroom recording terminal,recording management system and teaching management center.The system had a suitable structure in both hardware and software and had a scientific configuration and superior performance.The recording process was supermatic and had higher efficiency on large-scale recording.The management means were advanced and the teaching resources were used effectively.Thus,the system has great value in practical application.

teaching video resources;normalization recording system;cloud computing;design

2015年5月28日

G40-057

A【论文编号】1009—8097（2015）12—0103—07

10.3969/j.issn.1009-8097.2015.12.016

本文为2015年度江苏省教育厅高校哲学社会科学研究立项课题“基于可视化教学系统的高校教学质量保障体系研究”（项目编号：2015SJB071）、江苏省现代教育技术研究2015年度课题“大数据背景下云录播教学资源的应用研究”(项目编号：2015-R-44935)的阶段性研究成果。

陆海钢，副主任，工程师，硕士，研究方向为教育技术理论与实践，邮箱为34443055@qq.com。