高校全自动高清录播系统探析

崔亚强 田建林 田贵明 余淇 王春艳

摘 要：视频资源建设是当前教育信息化建设的热点之一，用于视频资源建设的录播系统也日益受到人们的重点关注。录播系统以其自动录播、大批量录制、完善资源开发与存储等特点，受到广大高校的青睐，但是由于录播设计理念与实现技术等方面的原因，全自动录播方式与人工录制方式相比较，依然存在一些问题。在对录播系统进行全面系统分析的基础上，结合实际使用情况，提出了相应的解决方案，并对其未来发展趋势进行了探讨。

关键词：录播系统；解决方案；发展趋势

中图分类号：G431 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2016）07-0081-04

一、概述

视频资源建设是当前教育信息化建设的热点之一，用于视频资源建设的录播系统也日益受到人们的重点关注。录播系统以其自动录播、大批量录制、完善资源开发与存储等特点，受到广大高校的青睐。随着校内硬件的不断升级、网络条件的不断改善、高清采集领域的日渐兴起，高校对录播系统的需求越来越大、要求也越来越高，从2008年起无论是高教、普教、职业院校或者培训机构，录播系统都得到了广泛的普及和应用。

录播系统，顾名思义，是可以实现对客体（Object）进行视频录制和播放，根据需求生成一个或多个数字视频文件，具有各种硬件设备和应用软件的一体化的智能数字系统。[1]目前主流的录播系统，大都为全自动高清录播系统，即在满足教师现场授课的同时，按照教学时间的先后顺序自动生成高清实况教学录像，完整记录教学全过程，包括教师讲授过程、板书过程、多媒体教学课件过程以及学生互动过程等，该实况录像还允许以流媒体的方式在网络中进行直播与点播。

全自动高清录播系统在教育中的应用非常广泛，涉及微格教学、精品课程、视频会议、远程示范课、教育培训、会议实录、教学示范等，其在提高教学质量、优化教学效果方面发挥了很大作用。第一，促进自我诊断常态化。全自动高清录播系统能够为教师在自然教学状态下完整呈现课堂师生活动、教学内容等细节，使教师跳出自身局限进行自我诊断与反思，促进自我提升。[2]第二，促进校本教研网络化。借助录播系统的“直播”功能，可以大大提高校本教研的影响力，扩大受众范围，克服传统教研活动参与人数的限制， 满足广大教师提高教学能力的需求。第三，促进教师互助交流。录播系统录制的课堂录像可以完整呈现教师上课情况，便于教师之间开展互助交流、互帮互评，使其不断从其他教师教学中汲取有益经验来提高自身教学效果和教学水平。[3]第三，解决学生进度不一。学生可根据自身实际情况，利用教学录像开展自主学习，对自己感兴趣的知识或者有疑问的内容进行反复观看，直至学会。第四，共建共享优质教学资源。全自动高清录播系统为学校优质资源的共建共享提供了一条便捷途径，学校可将一些重点课程或者名师名课进行精品化打造，通过“录播”或“直播”功能，供其它课程教学使用或借鉴。

二、存在的问题

虽然全自动高清录播系统在一定程度上节约了人力与物力，提高了录制的效率，逐步实现了课堂录制工作的批量化和常态化，但由于录播设计理念与实现技术等方面的原因，全自动录播方式与人工录制方式相比较，依然存在一些问题，主要体现在以下几个方面：

第一，景别定义存在偏差。根据《中外影视大辞典》，景别是根据被摄主体在镜头中所占的面积范围做出的一种划分，一般有特写、近景、中景、全景、远景等景别。以成年人在镜头中面积比例大小为准，拍摄头部的为特写，胸部以上的为近景，膝盖以上为中景，人物全身为全景，人物处在大背景中则为远景。[4]录播系统在使用过程中，虽然也提供多种景别画面，如全景、中景、近景、特写等镜头，但其录制过程中涉及的景别范围，并没有达到相关具体要求，更多的是依据经验自行设定、给予呈现。

第二，目标跟踪不智能，镜头切换不合理。跟踪策略是否合理是检验录播系统的核心技术指标，由于设计理念及技术的局限性，目前全自动录播系统并没有达到如人工录制般“自然”、“及时”、“合理”。现在市场上大多产品的目标跟踪技术是采用红外线感应、超声波定位或者图像识别等跟踪技术。其中，红外线感应技术抗干扰性差，跟踪目标易被同一空间中其它物体的红外辐射或室外光线所影响，造成跟丢现象。加之，教师活动范围较大，当进行板书、实物演示或者学生互动时，摄像头短时间内过于频繁地更换角度会造成画面模糊、晃动等不良效果。即使采用红外感应加语音激励的跟踪方式，但由于设备需要一定的反应时间，短时间内也会出现画面晃动的情况，影响课程的录制质量。超声波定位技术因其发射角度偏大，易造成拍摄方位精度不高，出现视频信号来回切换或摄像机频繁左右摇摆误操作，最终可能会形成空画面或者无效画面。[5]另由于无法判断被拍摄对象的高度，所以超声波定位技术不能自动调整摄像机的拍摄高度，视频画面的构图容易出现偏差。而图像识别控制技术更多的是基于“固定模板”进行跟踪，在使用中会频繁出现目标主题跟丢和乱跟现象。在对教学内容（即电脑画面）的跟踪切换方面，也存在问题。目前大部分录播系统是基于鼠标触发方式，但不可避免的是鼠标的意外碰触，将会造成错误的内容显示。除此之外，在跟踪策略上，很多录播产品采用“跟移”方式，即镜头随着教师的走动而移动，容易使人产生眩晕感，增加心理负担，不利于后期视频观看。

第三，定位画面构图不合理。画面是视频质量的灵魂，不合理构图的画面无法向用户提供完整的信息，会降低学生对课程的兴趣。通过文献调研和自身的建设使用经验，发现很多录播系统在一定程度上均存在画面构图不合理的情况。例如，教师画面当由全景切换为特写时，目标人物经常发生偏移，并未处在画面最佳位置。另外，定位画面也没有考虑到教师身高多样性引起的特写画面不合理现象，直接影响画面美观。当授课教师身高较高时，画面容易“头顶天”，而较矮时，则又“压底线”。

第四，声音采集不尽如人意。众所周知，声音会对课程视频质量产生极大的影响。录播系统的声音采集一般通过吊麦或者手持无线话筒来进行。其中，吊麦的设置缺乏标准，个数较少时远处学生互动声音采集太小，但是安装较多时录制视频又会产生较大的噪音。而手持无线话筒方面，出于对人力物力的考虑，并不能为每个学生提供无线话筒，即使提供，很多学生发言时也经常忘记打开，这种“干扰式设计”大大限制了师生的自由互动。

第五，系统稳定性有待提高。录播系统的稳定性至关重要，它的好坏直接决定了高校的使用情况。目前，大多录播产品是通过集成商拼接而成，缺乏完整专利技术，经常故障频发，主要体现在两个方面，一是录制过程不能稳定运行，二是长时运行故障率高，这对于高校的使用、管理与维护极其不易，同时也严重影教师用户的体验。

第六，系统兼容性比较欠缺。在硬件上，不同厂家的录播系统无法与高校现有设备进行连接、整合应用，部分接口并未采用开放、标准式形式，同时在建设过程中也没有预留足够冗余接口以便高校的后续整合应用，这对于成本控制没有起到有效作用。在软件上，不同厂家的录播系统都有相配套的管理平台来进行课程资源的一体化管理，无法与高校自有网络平台进行有机融合，不利于资源的深度使用。

除此之外，录播系统还存在一些其它问题，如多路同时录制不满足、无法与非编系统自动匹配、与中控集成度不高、录制参数阈值过低、二次压缩有损质量、系统用途单一等。[6]

三、解决方案

笔者所处的高校，从2007年引入第一套全自动录播系统开始，就一直在努力进行各种尝试与优化，力求拉近与人工录制效果之间的差距。目前，基于“人工录制一体化”的设计理念，结合工作经验提出全自动高清录播系统解决方案，以期打破当前录播系统建设与使用中存在的瓶颈。

1.“N+X”机位景别设置

考虑到如何完整呈现教学过程并详细记录教学细节，自由呈现被摄主体所处的空间位置，获得最佳画面形象和最恰当景别，笔者所处的高校采用“N+X”机位景别设置，即在教师区配备了两台高清摄像头，专门负责教师区域的全景和特写画面。而在教师特写画面的处理上，考虑到教师身高不一可能产生的画面构图不合理情况，专门在教室前方顶棚安装“身高自适应”跟踪摄像头进行智能调节，以此保证教师特写画面构图的美观性与合理性，这是录播系统解决方案中的一大亮点。在对学生区的设置上同样安装两台高清摄像头，负责该区域的全景和特写画面。除此之外，对教师的板书区域也格外关注，配备了专门摄像头进行信号的采集。在对教师区与学生区的界限定义上，利用半球摄像机进行区域划分，即在教室前方两侧墙壁上各单独安装1个球形摄像头实现区域界定。通过“N+X”机位景别的设置，力求对教学过程进行多景别呈现，真实还原现场。

2.智能跟踪切换策略

在跟踪切换方式上，采用基于图像识别的控制技术。在各个场景镜头的跟踪转换上，均采用“硬切换”方式，符合人的视觉习惯，避免发生“跟移”，给人一种自然真实的体验。为保证目标人物跟踪与画面切换的稳定性、流畅性，笔者所处的高校采用更加智能的跟踪切换策略。当教师在讲台上处于运动状态时，录播系统对教师区进行全景画面处理，待教师状态稳定后，结合身高自适应摄像头给予合理的特写画面。当教师不自觉进行肢体小幅度运动时（如左右晃动），录播系统则通过“安全框”设定，不会认为目标人物发生移动，从而避免特写到全景画面的频繁切换，为我们提供更加稳定的效果。通过“教师安全框”设置，可以为教师量身设定一定范围的安全活动区，进而实现模糊防抖功能。当教师进行板书操作时，录播系统切换为板书特写画面，更加清晰地呈现板书内容。

当教师走下讲台穿过师生边界线进入学生区后，录播系统及时切换为学生区全景画面，然后再切换为教师特写。当学生起立回答问题时，首先显示学生区全景画面，进而切换为学生特写镜头。当多个学生同时站立，则又切换为全景。当学生回答完毕坐下时，录播系统自动切换到全景镜头过渡，而后切换到教师镜头。除此之外，笔者所处高校也格外关注录播系统的抗干扰能力，要求其不会因学生在座位上的举手、挠头等动作而误判，不会因学生在非正常教学互动时走出教室而进行画面切换。

对于教学内容（即电脑画面）的跟踪与切换，在保留鼠标触发式的基础上，添加笔触式设计和智能手势识别功能。笔触式设计可以通过电子笔点击白板给予显示，使切换更加精准与稳定。智能手势识别则是引入的一种新型人机互动方式，是录播系统解决方案中的另一个亮点。当教师站在屏幕前进行常态手势操作时，录播系统能准确判断该动作是否为有效教学肢体活动并进行切换，使录制画面紧跟教师讲授内容，便于后期学生更加合理地开展学习。同时，当教师使用激光笔进行勾画重难点时，录播系统将自动保留激光笔移动痕迹，作为课件标注随同录制。

除此之外，录播系统能够有效识别活动画面（如视频），当电脑进行视频播放时，录制/导播画面始终保持该活动画面，并能科学屏蔽电脑画面四周区域，避免录制弹出的广告影响录制效果。

3.“多格式双码流”录制参数

录播系统的录播模式一般有三种，即全景模式、电影模式和资源模式。目前主流的是电影模式，即按照事件发生的时间顺序，依据人们的视觉习惯，以教学过程为主线，将各路信号直接输出为一个单流单画面形式，有机整合了教师讲课、学生互动、课件展示、板书等授课实况。而资源模式则是将各路信号制作为独立文件，便于后期根据需求再编辑。以往的录播系统，这三种模式是独立设置，不能进行兼容选择，但为了不错过任何一个表现课堂效果的镜头以及开展后期编辑所需要的高质量视频素材，提出电影模式录制下的资源模式同步录制方式。与此同时，在满足教育部相关要求的基础上，提供“多格式双码流”录制，支持多种视频、音频、文件格式，支持多种应用场景。当录制的视频用于网络传播时，可选择H.264标准，高性能压缩，文件小；当视频用于后期编辑，进行教育资源存储时，则可选择MPEG2-I标准，高码高质。

4.录播非编无缝衔接

录播系统生成的多路视频文件，能与后期非编系统进行无缝衔接，一一对应，相互匹配，完成片头片尾的自动合成、台标添加、字幕添加、视频“打点”等工作，便于后期微课程制作，同时视频点可设置提问，方便开展学习进度跟踪。

5.人性化外围配备

录播系统的建设，除了相关的核心部件外，也应关注相关的多媒体配备。例如，教室前方的投影仪使用超短焦投影，避免教师在幕布前讲课，投影画面投射到脸上，影响拍摄。结合电子白板或自带交互组建的投影机，录制效果更好。录制过程，教室后方设置“录制计时器”显示屏，便于及时反馈授课教师是否正常录制，为教师提供及时、贴心的提醒，体现人性化设计的一面。在声音采集方面，使用“1+X吊麦”组合方式，教师通过领夹无线话筒或者手持麦克风，学生则通过“吊麦”拾音，无需手持任何设备。在“吊麦”安装标准上，采用心形指向性麦克风，按照9：1的比例进行，即9个学生共用1个麦克风。

在对录播系统的管理上开通远程服务，管理者在办公室即可直接对其使用情况进行实时操作、监督与管理，满足远程应急操作的需求。远程控制的实现采用两种方式：一种是通过映射录播管理系统的内网IP为外网IP，通过网页登录录播管理系统实现本地操作；另一种方式是搭建远程控制环境，通过远程访问教室内的录播主机实现远程管理与维护。

四、趋势探讨

1.基于云平台的录播系统

随着对录播系统的需求越来越大，很多高校已陆续投入专项资金开展建设工作。众所周知，录播系统的建设成本一般比较高，如果要在全校进行普及安装将大大超出承受范围。所以，将来各高校可根据自身实际需要通过网络共享录播核心设备，打造基于云平台的录播系统，在降低建设成本的同时使每间多媒体普通教室都有可能实现录播功能。

2.基于大数据的录播系统

录播系统的最终受益人是学习者，结合大数据开展学习者的行为分析，也是未来录播系统发展的趋势。录播系统可以根据学习者的使用行为进行数据建模，通过对交互数据，如文本、视频、音频以及操作日志等，来了解学习者的学习过程数据，通过科学的学习分析技术，如社会网络分析法、内容分析法等来了解学习者的学习情况。

3.基于强大扩展应用的录播系统

目前，录播系统已逐渐成为高校进行视频资源建设的主要方式，而对于视频资源的使用却不尽如人意。大多是进行单方面的课程录制，有使用需求则进行拷贝，其价值体现比较低。究其原因，是因为各个厂家录播管理系统并未与校本网络平台完成数据对接，相关视频资源无法上传到特定的网络平台或者网络课程，不便于师生使用，所以基于强大扩展应用的录播系统将成为未来发展趋势。它将有力打破数据壁垒，解决信息共享问题，深层次实现资源共享。除此之外，随着移动互联的发展，移动优先（Mobile First）已经成为诸多教育产品的战略发展方向，录播系统也将提供相应的移动端扩展应用，打通视频资源与师生的最短路径，满足其在任何时间、任何地点开展教学活动的需求。

参考文献：

[1]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.

[2]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.

[3]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（5）：66.

[4]汪流.中外影视大辞典[M].北京：中国广播电视出版社，2001：85-86.

[5]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.

[6]陈建军.全能机在精品课录播中的应用研究[J].现代教育技术，2011（3）：112-116.

（编辑：王天鹏）