基于安防视频的大规模存储录播系统研究*

覃遵颖，崔靖茹，王 强，折 波，张 哲

（西安交通大学 网络信息中心，陕西 西安710049）

一、引言

艾瑞咨询在线教育变化趋势数据显示，2016年中国在线教育市场规模达到1560亿元，之后也将继续保持20%左右的速度增长，到2019年将会达到2692亿元。[1]因此，科技手段推动了现有教育的发展，加深教育的深度与广度；采用技术，将教室学习与线上学习相结合，深化了教学过程的信息化。目前，教学环境被在线教学重新定义。但是，依靠人工录像上传来采集教学资源，暴露问题诸多，大规模存储价格昂贵，严重影响教学资源的采集与授课，仅仅依靠人工已经不能解决。如何解决海量视频的采集与安全存储，保障数据的准确性、实时性以及系统的常态化运行和大规模部署应用，已成为当前在线教育的一个重要研究方向。

校园治安监控系统对校区、教室、人员、设备的安全性有可靠的技术安全保障与威慑作用。但是，庞大的视频监控资源仅仅用于安防监控又是对有效资源的浪费。安防系统视频采集存储方式有着前瞻性的借鉴方向。在视频存储方面，已经有适合大规模存储的完善系统，但是由于安防的独特使用特性，相关技术研究之后，视频存储有自己独特的存储与检索方式。安防系统并不能完全满足教学环境中在线视频的采集与检索。

当前，常态化录播系统主要用于安防系统的视频采集与播放。因此，研究一套可以大规模部署的常态录播系统，成为今后最具研究与推广价值的应用技术之一。

二、录播系统发展现状

从2011年开始，在线教育经过了漫长的发展期，一批在线教育模式开始出现在教育者眼中。纽约州立大学帝国学院创立了“Creativity and Multicultural Communication”；关注在线教育的麻省理工学院也推出MITX，用于推动发展在线教育平台；哈佛大学于2012年加入网络在线教学计划，并重新命名为edX。最终，edX发展成为由麻省理工学院、哈佛大学、加州州立大学伯克利分校领导的非营利组织，除了在线教育之外，edX还进行教学法的研究，配合校内教学，提高教学质量，开展新技术背景下教学手段方面的应用，同时也加强学生们在线对课程效果进行评价。[2]

网络在线教育有自身的优势，拥有完善的系统架构与广泛的用户群体。但是，该项计划的实用性有一定的限制，需要人工上传课程，编辑教学任务，人工操作复杂，无法实现自动化与智能化。针对大学教育的独特性质，将大学珍贵的授课资源，采用常态化录播的手段进行采集，自主研发大规模存储的系统，依照教学方式实现自动化视频存储方式是本文主要的研究方向。

2014年9月以来，西安交通大学网络信息中心大胆探索，提出运用物联网、云计算技术建设与教学过程紧密结合的新型智能教室，为教师、学生、教务管理提供更多支撑和服务。

新型智能教室以教学计划组织实施为核心，将教学服务、课后学习、课后评估与教室管理整合，围绕教学系统，依托校园网、教室物联网、一卡通专网和数字校园平台建设了一套保障课堂教学为核心的运行服务体系。能够为教师和学生清晰地了解学习过程提供充分的音视频资料。本文在智能教室的基础之上设计实现了一套常态录播系统，在无人协助的情况下，通过对安防系统资源的整合，利用高速可靠的物联网自动完成教室上课视频流的采集与转发，实现同步直播，同时将视频资源上传至存储池中，实现后期网上点播。整体架构图如图1所示。

图1 常态录播系统整体结构图

三、基于共享安防资源可大规模部署的常态录播系统

在利用信息化技术改善教育理念、方式和方法的背景下，录播系统应运而生。录播系统是指能将课堂现场的视频信号、音频信号和VGA信号进行同步录制，并生成标准化的流媒体文件，可用来同步直播、存储、后期编辑点播的系统。录播系统[3-4]在教学过程信息化的实现中起着关键作用，应该具备如下性质：

①高共享性：在教育行业中为了实现录播系统，录播教室要部署音视频采集设备，设备接入校园网后由统一的录播后台中心设备进行视频流抓取以及保存。所有教室共享录播后台中心设备，节约设备投资，提高设备利用率。

②高可扩展性：录播系统的规模应该可以动态伸缩扩展，满足用户动态增长的需求以及第三方应用的接入，同时系统各组件可以任意更换，无厂商绑定问题。

③高易用性：尽量减少教室内为录播系统额外增加的设备，在不影响教师传统教学以及学生听课的前提下实现无人值守自动化录播。设备的减少将大幅度提高可维护性以及易用性，同时减少维护人员的投入。

④高可靠性：录播系统的可靠性主要包括两部分，首先是音视频流采集的高可靠性，作为录播系统的基础，其可靠性直接关乎整个系统的可用性。其次是数据存储的高可靠性，教学视频的可靠性存储，不仅保证可以点播的正常使用，还可用于长期的教学数据的分析与挖掘。

传统录播系统架构如图2所示。

图2 传统录播系统架构图

每间多媒体教室需要单独配备2台摄像头、1台VGA编码设备以及1台分布式录播主机。分布式录播工作站抓取摄像机和VGA设备的视频流并转发到控制中心。控制中心包括管理服务器、存储阵列、流媒体服务器等，实现录播点播服务。该架构的不足之处首先在于每间教室都需要单独部署视频采集设备以及录播主机设备，投资成本大并且维护成本高。其次，目前厂商提供的录播系统大多是集视频流采集、存储和播放于一体的解决方案，厂商在采集、存储和播放中使用私有协议，会导致被厂商绑定，难以扩展。如何在减少人力、物力投入的同时，构建一个满足高共享性、高可扩展性、高易用性以及高可靠性的录播系统成为各高校实现教育信息化的难题。

1.基于共享安防资源可大规模部署的常态录播系统架构

大规模视频存储需要配置音视频采集与转存硬件以及录播系统软件，通过整合优化系统资源与高速网络带宽支持，将不同硬件设备与不同厂商管理协议实现系统工作，共同完成数据采集、存储与外部访问。

基于安防的常态录播系统存储结构如图3所示，由数据采集层、数据转存层、应用接口层、数据访问层组成。

2.整合共享安防资源的录播系统

图3 常态录播系统的存储结构

安防视频监控系统[5-6]是高等学校做好安全防范和安全管理工作的基础，是新形势下确保校园稳定安全不可或缺的部分。本文通过对智能教室安防视频监控系统资源的优化整合共享，设计实现了一套可大规模部署的常态录播系统，在降低成本的同时又能满足录播系统的高共享性、高可扩展性、高易用性以及高可靠性的需求。本文设计实现的录播系统架构如图4所示。

图4 整合共享安防资源的录播系统架构

系统由三个模块组成，分别为视频流采集转发模块、视频转存模块、流媒体播放模块。现有的教学平台或者其他应用可作为“访问平台”通过采集转发模块、转存模块以及流媒体模块交互来接入录播系统，“访问平台”通过身份认证以及授权的方式对录播系统进行管理。

（1）视频流采集转发模块

按照教室安防要求，正在使用的多媒体教室都配备一前一后两个摄像头，实现教室现场全方位实时图象监控及声音监听，同时所有教室的视频及音频保存至安防存储设备中。利用安防系统摄像头记录教师授课以及学生听课场景，通过在教室中增加VGA编码设备记录电脑课件内容，将VGA设备也接入安防系统，最终可以实现完成教学场景全数据采集。

视频流获取模块利用安防系统可以实现教室教学场景的音视频数据的实时获，充分利用现有教室的摄像头资源以及安防系统后台强大可靠的视频流抓取能力。

同时，为了实现课堂在线直播，在不影响安防系统视频流保存的前提下，根据来自流媒体播放平台用户的访问需求来转发视频流到流媒体模块中，提供课堂在线实时直播。

通过对安防系统资源整合共享的方式对视频进行采集与转发有如下优点：

①投入成本低，利用现有的摄像头资源和安防系统可同时采集超过200路以上的720P视频流。只需要在原有教室中增加VGA编码设备就能将传统教室改造为录播教室，方便大规模部署。

②易用性好，安防系统7×24小时对视频流进行抓取，无需用户操作，不会过多干预教学过程，可以实现无人值守的视频采集。

③可靠性高，技术成熟的安防系统可以实现稳定可靠的视频流采集以及视频文件保存，同时安防系统自带的报警功能可以及时发现视频流缺失并定位故障原因。

④可扩展性好，安防系统中无论是摄像头等采集设备还是后台录播存储设备均支持安防系统行业标准。因此无论是更换摄像头等采集设备，还是后台中心存储设备，都可以跟已有系统实现无缝对接，解除厂商绑定的隐患。

（2）转存模块

视频流采集转发模块除了将教室的视频流进行实时转发之外，还将生成的流媒体文件保存在安防专业存储设备中。在安防行业标准中，安防视频保存时间一般为一个月，因此安防系统的存储容量有限，这势必会导致无法长期存放教室授课视频以供后期点播使用。尤其，当接入教室增多时，视频保存的时间将进一步缩短。例如：一间教室2路1080P摄像机信号和1路720PVGA信号，摄像机视频流是全天24小时保存，VGA视频流只在教室上课时才会有，按照每间教室每天上课10小时，平均每天教室多媒体视频文件的数据量约为90GB。为了实现学生教师课后点播观看，录播系统中教室视频资源至少应该保留1学年，那么一间教室占用的存储容量约为30TB。目前主流安防系统的存储容量为100T，单台安防存储最多保存4间教室的视频数据。在存储空间不变的前提下，如果要延长视频的保存时间只能降低每台安防存储设备接入的视频路数，这势必浪费了传统安防可同时接入上百路视频流的优势，造成设备资源利用率低。同时，过多的安防存储设备将增加投入成本，导致运维管理复杂和扩展困难。

将教学视频存储在安防系统中不仅存在存储容量有限的问题，另外一个比较重要的问题是多媒体视频文件的访问。一方面，安防系统按照自身的存储方式存储数据，除非安防厂商提供访问接口，否则第三方应用很难读取存储在安防系统中的数据。另一方面，安防系统中一般按照监控点IP地址检索文件，并且按照固定的文件大小来存储7×24小时视频流，第三方应用则根据教室上课时间或者上课节次来访问授课视频文件。

为了解决安防系统存储数据容量以及流媒体视频文件读取问题，设计实现了常态录播系统的转存模块。转存模块将根据制定好的转存任务将教学视频转存至存储资源池中，存储资源池可以根据现有资源进行整合，可以是NAS、IPSAN等集中式网络存储，也可以是HDFS、Ceph等分布式共享存储，同样也允许多种资源混合使用。不论是集中式的网络存储还是分布式共享存储都提供标准的访问接口，可以解决点播以及第三方应用访问视频数据的问题。转存模块维护教室内摄像头和VGA的IP地址与教室地点的关联信息，利用教室内监控点IP地址以及视频起止时间作为参数访问安防存储系统，返回包含课堂教学视频的文件列表。由于安防系统中文件按照固定大小存储，因此需要对返回的文件列表根据课程起止时间进行切割合并，生成每节课的2路摄像头以及1路VGA视频文件。将切割合并好的每节课所有视频文件按照教室地点和课程时间的路径格式存储在存储资源池中，方便流媒体播放模块以及第三方应用根据上课地点和上课起止时间检索读取视频文件。转存模块的转存任务分为常规自动转存任务以及临时转存任务。常规自动任务根据教务系统课表自动生成，当临时加课，调课的情况发生时将动态生成临时转存任务。

转存模块解决安防存储视频数据的容量以及访问问题，将授课视频集中存储在存储资源池中，一方面充分利用现有存储资源，另一方面增加了系统的可扩展性。同时集中存储提供标准的访问接口，便于增加第三方基于视频的分析与应用。转存模块将录播系统两个关键的录与播解耦合，这样可以分别进行开发、维护、升级，互不影响。

（3）流媒体播放模块

流媒体播放模块既要接收来自视频采集转发模块的多路教室音视频流，实现低延迟的实时在线直播，同时要读取存储资源池中的视频文件实现在线点播。目前常用的流媒体协议主要是RTMP和HLS。HLS（HTTP Live Streaming）是基于HTTP的流媒体传输协议，用于实现流媒体的直播和点播。[7]RTMP（Real Time Messaging Protocol）用于Flash播放器和服务器之间通过互联网传输流媒体，包括音频、视频和数据。[8]在实时性方面，RTMP延迟为秒级，HLS的延迟为10秒级，在兼容性上HLS要优于RTMP。同时RTMP是长连接，HLS是短连接，前者在观看视频时必须一直维持一个连接，而后者传输完一段视频片段之后就断开连接，因此性能上前者优于后者。

通过对以上两种协议的在实时性、兼容性以及性能上的对比以及直播应用和点播应用的实际需求，流媒体播放模块使用RTMP协议实现低延迟的在线直播，可以获得很好的实时性。使用高性能以及兼容性良好的HLS协议实现点播，满足大量用户不同种类终端的接入需求。流媒体播放模块如图5所示。

图5 流媒体播放模块

目前安防系统普遍采用实时性比较好的RTSP协议进行视频流传输，因此视频采集转发模块转发的视频流为RTSP流。为此，流媒体模块实现了一个RTSP流转RTMP流组件，将来自视频采集转发模块的多路RTSP教室授课视频数据实时转换为RTMP直播流，推送到流媒体服务器的RTMP模块，提供实时直播。根据存储资源池的类型，使用标准接口读取存储资源池中的教室授课视频文件，利用开源ffmpeg开源软件将其转换为MPEG-TS流，推送给流媒体服务器中的HLS模块，实现网上点播。

流媒体播放模块利用两种流行的流媒体协议可以充分满足直播点播需求，同时提供标准接口与互动教学平台进行对接，通过身份认证实现基于身份授权的教学多场景在线直播点播服务。学生可以对与其绑定课程的教师授课视频和课件视频进行点播、学习，形成一套“互联网+”的学习体系。教师可以对与其绑定课程的教师授课视频、学生听课视频以及课件视频等全部教学过程视频进行回顾，通过对自身授课情况和学生听课情况的分析，不断改进完善教学方式方法。教务督导人员根据授权可以对教学过程全部视频进行直播、点播，对教师授课以及学生听课情况进行全面分析和评价。

四、结束语

本文设计实现了一种通过整合共享安防资源的可大规模部署的常态录播系统，满足高共享性、高可扩展性、高易用性以及高可靠性需求。该系统利用教室原有安防设备实现视频流的采集与转发，通过转存模块实现授课视频的长久存储和便捷访问，利用多媒体平台满足在线直播和点播需求。目前该系统稳定运行，为教师、学生、教务管理在学习与教学的过程中提供支撑和服务。教师通过系统可以回放上课视频，为提高教学质量提供支撑。学生通过课前观看视频，课后复习，形成一套“互联网+”的完整学习体系。教务人员利用授课视频获得到课率、抬头率等教学过程的详细信息来实现精准督导。在常态化录播系统之上，深入开展教育内容大数据、教学行为大数据、学习行为大数据等综合分析与关联挖掘研究，开展群体泛在协同学习新模式探索，为“互联网+教育”探索出一套互联协同、精细管理、动态智能、线上线下联动的新型技术管理与服务模式。