基于H.264编码的常态化录播教学系统的设计

王宗志

摘要：针对现有录播系统，该文设计了一种基于H.264编码的常态化录播教学系统。该系统具有云存储服务器设备、全自动H.264编码录播系统、教师/学生图像自动识别跟踪系统、音频系统四个单元。设备采用H.264编码方式对视频进行存储编码传输，数据传输更快，更保真。

关键词：H.264编码;录播系统;电教系统

中图分类号：TP399 文献标识码：A

1绪论

随着互联网以及视频编解码技术的高速发展，当代教学方法，相较于以往的教学方法产生了很大转变。录播电子系统在现代教学中获得了普遍运用并且逐渐受到教师与学生的青睐，录播系统越来越多地被大中专院校以及广播电视大学用来改善现有的教学模式，以及教学、培训技术方式。录播系统已经成为提高学生成绩、提高学生质量的主要手段和重要手段。

尤其是伴随我国精品课程战略的不断实施，多媒体技术、云计算技术，互联网技术等诸多技术的飞速更新，也促进了我国教育领域的不断发展。在当代教育体系中，精品課程已然成为我国许多院校保障自身教学质量的关键环节，在此情况下究竟以何种方式构建智能化多媒体录播系统，培养现代复合型人才，对于我国教育领域来说是非常重要的。

通过运用录播系统，可让当代大学生在学习期间，发挥自身主观能动性，并将这种主观能动性和客观能动性二者之间进行良好结合，以在学习过程中彰显出自身的主体地位。同时在这种教学方式下，也能够激发学生的相关兴趣，使以往的教学模式能够和当代计算机技术二者之间进行有效融合，从而真正提升教学质量，使学生能够在信息化社会中能够更好地适应。

录播系统作为一种最行之有效、最直观的教学方式，该系统在教育传播，调研工作，信息获取，技能提升等许多方面，均有着十分重要的价值，尤其是在当前社会环境下，各项技术的日益普及，也使得录播系统的运用愈发成熟，能够给教育领域所带来的益处数不胜数。

自在线教育方式应运而生后，教师在开展教学活动时，对其运用计算机技术，各类教学软件的效果也提出了更为严苛的要求，需确保视频、音频、视频编码这三者的实施质量。同时录播系统还被要求操作简单易使用、在录制过程中实现录播一体化、视频全自动生成，从而达到录播系统在课程教学中被广泛使用。

2录播系统面临问题

一般我们所指的常态化教学是指在日常中的教学活动，包括常态的上课、教学需要的黑板等硬件、施教对象以及使用的教学手段。基于上述要求，在运用录播系统的过程中，需防止其影响到教师的上课心态，以及学生的学习状态，不可让录播工具对师生产生干扰。该系统对教师与学生身心层面上的影响，主要涵盖录播对于人的影响，自教师开展课堂教学后、和学生明确本节课需要使用录像机进行录制的时候，教师和学生在心理感官上一般都会有紧张以及害羞的情绪。特别有些年轻的、教学经验不够丰富的教师在视频课程的录制过程中会出现精神紧张、忘词等问题，从而影响了正常教学水平的发挥，以及学生的课程质量。再者也有不少学生，由于性格较内向，会在课堂学习中产生怯于举手发言，低头不语等状况，在运用录播设备时，会对教学进度产生一定影响，现阶段很多录播系统在进行课程录制时，均需借助相应的辅助设备，如需要教师佩戴“小蜜蜂”，激光笔等，而学生进行课间问题回答需要配套相应的抢答器等这些额外教学设备的也会影响师生的教学质量，同时这些设备也容易引起一系列的录制故障。例如，多个学生在问题必须按抢答器进行答题，抢答器进行计算才能准许学生答题并且检测，才会经过摄像头进行切换，将录制主角换为学生，若学生未能按下抢答器，亦或选择让其他同学作答，那么录播系统就难以准确地进行画面切换。

3H.264编解码技术编码介绍

本系统采用H.264编解码技术进行视频编码，H.264编解码技术是一种相对性能比较高的视频编解码技术。目前国际上比较权威的视频编码指定制定组织有两个，一个是“国际电联（ITU-T）”，它制定的标准有（H.261）、（H.263）、（H.263+）等，另一个是“国际标准化组织（ISO）”该组织制定的标准有（MPEG-1）、（MPEG-2）、（MPEG-4）等。而H.264编解码技术而是由权威组织一同构建的视频组，构建视频编码规范，因此其不但为H.264编解码技术，也为MPEC-4图像视频编码（AdvancedVideoCoding，AVC），且也可当作MPEG-4标准的一部分。所以，不管为MPEG-4 AVC、亦或ISO/IEC 14496-10，均为H.264编解码技术。

相对于其他的编解码技术，H.264编解码技术最大的优势是还具备良好的数据压缩比例，在同一图像质量的情况下，H.264编解码技术的实际压缩比超过MPEC-2约为2倍，超过MPEG-4约为1.5～2倍。例如，原始文件若为88GB，实施MPEG-2压缩标准压缩之后变为3.5GB，压缩比例为25：1，而采用H.264编解码技术压缩标准压缩后变为879MB，从88GB到879MB.H.264编解码技术的压缩比达到惊人的102，和ISO/IEC所指定的MPEG-2和MPEG-4ASP等压缩技术进行传输时间比较，H.264编解码技术压缩技术将大大节省用户的下载时间和上在时间。特别值得注意的是，H.264编解码技术在具有高压缩比的同时还拥有高质量流畅的图像。因此H.264编解码技术特别适合应用于录播系统中。

4录播教学系统结构

在字面意义上，“录”主要指的是把教师上课所运用的课件，学生在课上所回答的相关问题，利用录播主机、摄像机等进行记录，将其记录为图像语言的一种文件资源，并且在录制结束后，也可将录制结果进行传输，将其传输至资源管理平台之上。“播”则主要指的是播放所录制的语音或者视频，这样在课堂中就能够对相应课件进行点播或者直播。IP网络观看端利用mternet，explorer观看资源平台的点播与直播内容。

根据上述要求，录播系统中软硬件主要由以下几部分构成：云存储服务器、全自动高清录播系统、教师，学生图像识别跟踪系统、音频系统，如图1所示。

云存储服务器：所谓云存储概念是在数据云计算概念上进化出来的一种新的服务。该技术将网络中各类存储设备汇集在云计算系统设备中。通过所谓的云计算模式相互串联起来记性协同工作。同时该系统提供数据存储和业务响应的访问以及使用功能。

人们常说的私有云存储是一个全新的云状结构的存储系统概念，该网络存储系统采用多个服务器组成，并且通过集群配合、分布式的文件关系统和类似网格计算的凡是功能联合起来协同工作。

并且云系统能够通过特定的应用软件或应用接口，对用户提供响应的存储服务。

云系统是智能录播系统的核心，该系统能够将多路视频信号進行存储与备份。视并且当点播是，能够进行切换看视频。云系统决定了智能录播系统所有数据的调配。

全自动录播系统：一般采用图像识别+人物形态跟踪作识别跟踪技术，使用骨架识别算法，能够准确地识别人的行为。该技术只需要摄像头，并无其他配套硬件设备，就能够实现教学过程全自动跟踪拍摄。支持上课教师特写、教室的全景拍摄、回答本体学生特写拍摄、学生全景、板书、相应的电脑视频拍摄录制。同时该系统能够支持3路本地1080P/720P高清视频信号/VGA信号的同步采集工作。

并且该视频编码采用目前国际上领先的基于H.264编解码技术High Profile高清编码方式，课件所采用的音频编码采用AAC高清音频编码方式，从而实现教学音、视频超高清录制的需求。

教师，学生图像识别跟踪系统：运用图像识别这一技术所具备的自动跟踪系统后，在课堂教学中教师并不需要任何辅助设备，也不需要使用课桌椅，则能够确保课堂教学的常态化，实现对相应资源的良好运用，且也能够美观班级装饰效果。跟踪系统可精准、自动的实施定位，明确教师或者学生的实际位置，同时也能够跟踪拍摄教师或者学生的授课状态以及学习状态，确保师生特写画面处在预置的范围中。跟踪拍摄板书内容以及整个讲解阶段，还能够设置活动区域，精准识别教师在教室中的位置，配合主机切换相应场景，从而保障对整个教学过程的清晰拍摄。利用图像识别跟踪这一技术，也能够精准定位处在发言状态学生的位置，对于板书的特写位置也能够进行跟踪拍摄，检测黑板范围。运用逻辑区域设定形式，将黑板与白板划分为诸多子区域，而后以这一形式实施拍摄，如此则能够清晰地将字体拍摄出来。该系统也不会受到电磁、光线等因素的影响致使跟踪错误。

音频系统：包括拾音子系统和扩声子系统。负责采集教学实时声音和扩声。拾音子系统用于对上课的朗读声以及老师教课声进行还原从而得到高保真。扩声子系统用于对学生回答问题，老师上课的声音进行扩大使得更多人听清楚。

本文所涉及的常态化录播教学系统主要使用在常态化上课任务的清晰直播所录制的视频，需满足《精品视频公开课拍摄制作技术标准》之中的相关要求，且需适用于诸多管理平台之中。

本文所介绍的系统支持电影模式拍摄，也支持以往多画面拍摄方式，且这一系统利于清晰拍摄教师所运用信息技术的屏幕。且满足1920*1080分辨率和38fps帧率指标。系统能配合触控机器同步录制下来。

并且本方案除了其他设备所有的支持单画面的电影模式录制及多画面课件形式录制，还在上述功能的基础上增加了国内独创的单流多画面系统，该功能能够支持1920*1024的分辨率，实现超越一般平台一机两模式，实现一机三模式的切换。同时本方案也在上述平台硬件的基础上，支持单流多画面/单流多画面录制功能，以供用户更好地根据需求应用不同的录制效果。

了解项目运用与建筑需求，物理设备包含观摩室、精品录播教室以及直播观看教室等，在充分了解大中专及电学校的需求和实际项目需求后，整体物理结构设计架构如图2所示。

本凭条主要完成下述功能及作用：构建自动录播系统，录制常态精品课程，并且构建优秀教师课程库，为教师与学生课下学习提供保障，实现共享资源;此凭条也可推动教育局建设课堂教学信息化的程度，提升教育信息化建设能力;并且能够建立在线相应的在线学习交流环境，从而实现学生的课后学习、提前学习的便利，同时提高学生学习的主观能动性与自主性。通过构建教师之间共同探究学习的良好空间，能够为教师之间彼此学习、彼此竞争，彼此帮助提供探究学习的空间与平台。

5总结

总之，智能录播系统是网络技术发展以及科学技术进行的最新成果。同样也是教学相长的必经绝点。该平台应用包括常态化课程录像、上课内容直播、教学软性资源管理、课程点播、微格评估、后期编辑这样一个完整的录播应用体系，最终实现录播教室。该平台具有很高的应用价值。