医学临床教育数字播出系统的设计与应用

姜 涛，潘新华，谭 珂，郭天泉

解放军总医院教育技术中心，北京 100853

解放军总医院是一所大型综合性医院，承担着医疗、保健、科研、教学等任务，教学的主体为研究生和进修生，教学场所分布在文化中心和教学大楼。在教学工作中，通过播放手术录像、影像教材等资料，能使学生进一步加深对医学知识的理解，获取医疗工作经验，提高临床操作技能［1］。教学播出系统借助教学播放设备和信息传输技术将视、音频医学教材以直观的形式远程呈现给学生，从而达到教学目的。为满足当前教学播出灵活化、多样化、网络化和便捷化的需求，我们结合现有医学教育媒体资产管理系统，应用数字播出技术和网络流媒体技术，在原教学播出系统基础上设计建设了医学临床教育数字播出系统。通过该系统，学生可在教室内进行集中的观摩学习活动，也可在院内计算机网络上以直播或点播的方式独自学习影视教材，并可为患者播放健康教育节目。

1 流程设计

该系统由非线性编辑系统对数字教材或原盘带教材进行数字化采集，制作完成的教学节目按编目存储于媒体资产管理系统中。当播放教学节目时，数字播出主机先将所播节目从媒体资产管理系统中调用到本地(利于节目播出的流畅性及稳定性)，然后按照教学播出表播出。通过AV矩阵将节目信号根据教学安排切换输出至编码器计算机和相应的调制器，编码器计算机对信号采集、编码后将实时流数据推送至流媒体服务器，再通过院内计算机网络传输至各个计算机终端，实现网络教学直播和点播的功能，经调制器调制的信号通过CATV网络传输至各个教室和病房，实现教学和健康教育的功能。

2 关键技术

2．1 数字播出技术

数字播出技术是将视、音频医学教材以数字化格式存储于媒体数据库中，通过播出软件调用节目数据并控制节目播出的技术。它集多媒体技术、数据库技术、数字视音频编解码技术、自动化播出技术于一身［2］，具有开放的软硬件平台，扩展能力强，能够实现播出系统的数字化、网络化、自动化［3］，多用于电视台的节目播出。

2．2 流媒体技术

流媒体技术就是使用流式传输技术在网络上发布以时间为基础的多媒体数据技术，包括流媒体数据的采集、压缩、编码、存储、传输及网络通信等［4］。它将连续的影像和声音信息经过压缩分割打包处理后实时地向客户端顺序传送，当客户端的系统缓存中存储一定量的数据后，流媒体播放器才从缓存中提取数据并进行播放，同时新的数据陆续地下载到缓存中，从而实现边下载、边播放的实时性。当用户在网上浏览流媒体文件时可进行暂停、快进、倒退等操作，交互性更好。

3 系统结构设计和实现

系统由非线性编辑子系统、媒体资产管理子系统、数字播出子系统、CATV传输子系统、流媒体子系统等组成，其结构如图1所示。

图1 系统结构框图

非线性编辑子系统对教学素材编辑后渲染生成高码流(8 Mbps)的教学节目［5］，按照编目类别将教学节目上载于媒体资产管理子系统进行统一管理，数字播出子系统从媒体资产管理子系统中将节目数据调用到本地播出，此三个系统间通过内部的千兆局域网传输教学节目。数字播出子系统播出的视音频信号经CATV传输子系统传输至多媒体教室和病房的视频显示终端。流媒体子系统将视音频信号采集、压缩、生成适于网络传输的低码流(512 Kbps)的流式数据，经院内计算机网络传输至各个计算机终端。非线性编辑子系统位于多媒体工作室，媒体资产管理子系统位于媒体资源库机房，数字播出子系统、流媒体服务器和CATV传输子系统的调制器位于播放机房。

3．1 非线性编辑子系统

此子系统由非线性编辑工作站和录像机等组成，其功能是通过视频采集卡、声卡将盘带视频教材进行数字化转换［6］，用非线性编辑软件(如:Vegas、After Effects、Premiere、Edius等)对教材和视音频素材进行加工处理，按照6-8Mbps的码率渲染成Mpeg-2文件，将成片的教学节目上载到媒体资产管理系统的媒体数据库中，也可从媒体数据库下载素材用于编辑。

3．2 媒体资产管理子系统

我院现有的媒体资产管理系统能对所有媒体类资源(包括视频、音频、图片等)进行采集、制作、播出、保存和再利用，是一个综合媒体资产管理平台，它融合了数字视频压缩、网络传输、资料检索、存储管理、数据库等技术［7］。按照影视成片编目分类，对非线性编辑子系统制作的教学节目进行节目层、场景层、镜头层和关键帧等多层次编目［8］，以Mpeg-2文件存储于媒体数据库中，同时生成Mpeg-4文件用于检索浏览;如需某一教材，则通过媒体资源管理系统的检索模块依据节目编目属性(如节目名称、主题、类型、来源、人物简介等)查询相关信息，检索到后将其Mpeg-2文件下载到数字播出子系统供教学直播使用，Mpeg-4文件下载到流媒体服务器用于网络点播。两系统的有机结合，使媒体资源的教学作用得以充分发挥。

3．3 数字播出子系统

此子系统首先从媒体资产管理系统中将教学节目数据调用到本地，然后按照设置好的教学播表，由软件控制完成教学节目的自动播出，所播出的信号经Mpeg-2播出卡转换为AV信号，再经AV矩阵根据教学需求切换输出至编码器计算机(数字化编码)和调制器(模拟调制)，并可通过监视器监看播放的教学节目，其结构如图2所示。

图2 数字播出子系统结构图

3．3．1 系统结构此子系统主要由两套数字播出主机和AV矩阵组成，并包括盘带播放机、DVD机等辅助播出设备。播出主机配有Mpeg-2编解码卡并装有自动播放软件系统，其硬盘采用RAID-5结构存储教学节目。两套主机相互独立作业，互不影响。其两路信号与录像机、DVD机等原有设备接入16×16AV矩阵，将AV矩阵切换控制软件装入任一播出主机，通过RS-232线控制AV矩阵完成信号源的选择切换。矩阵的输出共14路，10路分别输往对应的10个调制器，其调制的7个频道用于教学，3个频道用于健康教育;2路输往编码器计算机用于网络直播;2路输往监视器。此系统组网灵活，且性价比较高，便于播出主机和调制器的扩充。

3．3．2 软件功能播出软件是整个系统的重要组成部分，决定着系统的先进性、可靠性、播出质量和播出实效，其主要功能为:①一个教学播表可同时编排多天的教学节目，并能实现节目单的在线编辑和修改，方便节目调整;②支持人工播出、顺序播出、定时播出、定时插播、触发插播、跟随播出等多种播出模式;③支持VCD/DVD/Mpeg-1/Mpeg-2等多种文件格式的直接播放，使教学节目的格式选择更丰富;④动态判别节目时码长度，动态更新节目单总长及当前播出状态;⑤根据栏目名称、栏目类别、播出时间、节目名称等关键词可完成节目的保存、归档和检索，便于随时查询和调用。

3．4 CATV传输子系统

此子系统在原CATV传输网络基础上进行了扩展，将教学节目信号传输至各个多媒体教室和医疗区病房(如图3所示)。信号分三路传输:一路传输至文化中心的多媒体教室，一路传输至教学大楼的多媒体教室，另外一路接入医疗区有线电视网络，为病房输送健康教育节目。调制器将教学节目分别调制在低端频道，采用邻频方式在同轴电缆中传输，其应用的技术指标符合国家GY/T 106-1999有线电视广播系统技术规范要求。

3．5 流媒体子系统流媒体子系统由运行编码器的计算机、Web服务器、流媒体服务器、播放机和计算机网络组成［9］。流媒体节目源有两种:其一为播放的实时节目，运行编码器的计算机将播放的A/V信号通过音视频采集卡转换为适于网络传输的码率为512 Kbps的．wmv文件格式，再使用HTTP协议将内容推送到流媒体服务器，然后由其完成流数据的广播;其二为从媒体资产管理子系统中下载的Mpeg-4编码的．wmv文件(如图4所示)。在流媒体服务器上分别将编码器计算机和．wmv文件设置为广播发布点，并在Web服务器上添加节目的链接［10］，当用户在网页上单击链接请求内容时，Web服务器将请求重新定向到流媒体服务器，并在用户的计算机上打开播放机，然后流媒体服务器与播放机建立直接连接，并开始向用户传输内容，用户端播放机(如Windows Media Player)负责接收解码流数据。流媒体服务器在分发实时节目的同时将节目数据保存在指定目录，并用于用户的点播服务。

图4 流媒体子系统框图

4 系统应用

该数字播出系统满足了教学的实际需求，为医学教育提供了先进的技术手段，使手术录像、医学教材等丰富的教学资源得到更充分的利用。

4．1 教室集中教学

通过系统可将教学视频灵活传输至各教室，方便教学安排，为学生提供清晰的视音频教材，满足教学需求。

4．2 网络直播教学

通过流媒体服务器可将视音频教材压缩编码成适于网络传输的数据，满足学生自主学习的网络直播、点播需求。

4．3 病房健康教育

将健康教育节目调制到电视频道，传输至医疗区，病人可通过电视机收看，满足病区健康教育需求。

4．4 教学直播

将教师授课的视音频信号接入系统，可实现教室及网络的教学直播。

基于数字播出技术和流媒体技术建成的数字播出系统，为医学教育教学的开展提供了先进的教学手段。该系统在教室集中教学、网络直播教学、病房健康教育等工作中得到了广泛应用，深受教师、学生、临床医师、患者的欢迎，取得了较好的应用效果。考虑到实际的条件及需求，此系统并没有完全实现数字化，节目信号的有线电视传输仍采用了模拟技术，网络传输速率也采用了低码流。随着数字技术的发展及推广，网络带宽的提升，将来系统可实现全数字化，视频图像达到高清标准，为教学提供更好的技术支持。

［1］潘新华，郭天泉，谭珂．数字手术影像示教系统的建立与应用［J］．中国医学教育技术，2007，21(6):241-244

［2］谢红军，李国朝．小型硬盘播出系统的设计［J］．福建电脑，2006，(9):142-143

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［4］刘华艳．流媒体技术特点及其在网络教学中的应用［J］．电脑知识与技术，2010，(1):705-706

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［6］林桂亮．非线性编辑技术在高等医学院校课件制作中的应用［J］．电脑知识与技术，2009，(3):2461-2462

［7］潘新华，郭天泉，谭珂．医学院校媒体资产管理系统的建立与应用［J］．中国医学教育技术，2008，22(5):494-497

［8］潘新华，谭珂，郭天泉．医学教育视频资源存储管理系统的建设与应用［J］．军医进修学院学报，2009，(9):915-916

［9］阎飞．基于Windows流媒体技术的现代医学网络教学系统［J］．山西医科大学学报，2010，(5):555-557

［10］匡成宝，陈贻品．网页发布Windows流媒体文件的探讨［J］．福建电脑，2010，(7):154-155