智能录播系统在高职院校数字化资源建设中的应用探索

（无锡科技职业学院教务处，江苏无锡市，214028） 王 丹

1 需求分析

近年来，随着数字化校园建设与应用的深入，数字视频资源的建设成为发展的重点和热点。为了做好数字化资源的建设，录播系统在教育教学中的应用越来越普及。数字化网络教学资源实时录播系统是高校数字化教学资源建设的重要工具，是构建高校数字化教学环境的重要设施，具有广阔的发展前景。如何根据高职院校的实际需要，确定系统的功能并进行相应的设计，是所有教育科技企业关心的问题。

智能实时录播系统，是针对目前学校对网络教育的需求，针对学校普遍存在的专业课件制作人员的短缺，针对课件应用的急迫性应运而生的一套快速课件制作软件。通过实时录制授课现场的视频、音频以及计算机屏幕内容（包括讲稿、鼠标运动轨迹、电子白板等内容），经过压缩处理后，自动生成流媒体课件，45min的课件，只需要10s就可以生成出来，可极大地提高课件生产效率，实在是目前最高效、最实用的课件制作软件。2014年下半年，随着无锡科技职业学院教学信息化工程建设步伐的日趋加快，为了加强学校网络教学数字化资源建设，推进教学方法与手段的改革，提高数字化资源建设水平，给学生提供更多优秀的课程资源，学校相关部门经过多方论证和市场调查，结合学校的实际情况，采购了科健智能实时录播系统。

数字化网络教学资源实时录播系统基于网络工作，能把上课教师的视频、音频、操作过程、计算机屏幕信息等相关环境信息同步实时地记录下来，既可以通过网络实时广播，也可以以数字媒体形式存储在服务器上，作为学校数字化教学资源，在数字化教学环境中使用。经过需求调查及多方论证，要求系统具备快速生成数字资源，集视频、音频及文档于一体，并且可共享且使用方便。

各系统的自动化程度和集成度很高。系统能将课堂教学情景全面地录制下来，包括教师的音视频、计算机屏幕等，使输入的各种信号自动匹配，快速转换成数字化教学课件，成为一种网络教学资源。传统教学课件展示的主要是知识内容及其联系，缺少教师讲解和引导的信息，而传统的课堂实录也很难清楚地再现现场所使用的多媒体课件信息。数字化网络教学资源实时录播系统，必须兼顾传统课件和课堂实录的优点，将教学现场的教师讲解、演示课件等信息融合在一起，全面再现课堂情景。

系统设计具有良好的开放性。这使录播现场的教师计算机可不必加装任何软件，可以是任何型号、任何操作系统，实时查看或点播的用户计算机也只需具备网络浏览器。由于是基于网络的录播系统，生成的是数字化教学资源，因此，只要授权就可共享，使本地和异地的用户均可通过网络浏览器实时观看，也可实现本地、异地对已经存放在系统服务器上的课件进行点播。

2 系统设计

随着计算机硬件和软件技术的发展，PC机的多媒体性能进一步得到提高，已经可以进行视频、音频的实时采集、解压工作。在实际的教学工作中，很多教师的授课过程需要实时地录制成多媒体文件，课后发布到教学网站上或者制作成光盘，供更多的学生学习。此外，在授课过程中还可能有许多学生利用计算机（学生机）通过Internet或者Intranet实时收看教师的授课过程。为满足以上需求，就需要有一种机制能够实时采集课堂上教室的视频信息、教师的声音以及教师所操作的计算机（教师机）的屏幕信息，并对这三路数据分别以一定的压缩格式进行编码，再将编码后的三路数据保存成多媒体文件， 同时将这三路数据通过网络发送给学生机，以实现对教师的授课过程进行实时录播[1]。为此设计的多媒体教学实时录播系统，使用PC机、摄像机和麦克风。系统结构如图1所示。

图1 多媒体教学实施录播系统结构

在这个系统中，摄像机、麦克风和教师机屏幕是三路实时数据的来源， 要设计专门的软件从这些设备中实时采集数据，然后将三路实时数据分别编码，编码后的数据通过以太网以一定的协议传送给服务器。服务器在接收到三路数据后，同时进行两项操作：一是录制，即将三路数据保存成多媒体文件；二是转发，即将三路数据转发给学生机。实验表明：对三路数据中屏幕数据的采集以及对三路数据进行录制都需要占用很多CPU时间。而教师机是系统资源有限的PC机，教师授课时上面还要运行其他软件，所以在这一系统中，录制过程在一台独立的服务器上进行。

多媒体教学实时录播系统系统支持同时对多个教师的授课过程进行实时录播。在这种情况下多个教师机同时将各自的三路数据传送给服务器，服务器分别进行录制和转发。

学生机可能位于不同的物理网络中，为提高数据转发的性能，服务器采用IP多播[3][4]的方式将三路数据转发给学生机。每台正在授课的教师机对应一个多播组地址，服务器将来自某教师机的三路数据向该教师机对应的多播组地址进行转发，学生机只要加入该多播组，就能实时收看到此教师机上正在讲授的课程。而且，服务器采用多播的方式转发数据，可以减少整个系统对网络带宽的占用量，也能减少对服务器处理资源的占用量。因为服务器，将数据转发到多台学生机采用多播方式，服务器在转发每一个IP数据报时不需要为每一台学生机生成该IP数据报的副本，IP数据报在其传输路径中只在必要的时候进行复制。这样将大大减少系统对网络带宽的占用量和服务器处理资源的占用量，学生机数量的增多不会影响系统的性能。服务器将接收到的教师机摄像头视频进行压缩，并同时将接收到的教师机屏幕数据与声音数据以标准的压缩格式合成一个多媒体文件，将三路数据保存在一个多媒体文件中，供学生实时收看和下载收看。

3 系统核心技术

智能实时录播系统是通过一台专用PC机录制教师的授课现场。授课教师无须改变授课习惯，无须学习使用。在录制过程中，对音频、视频以及计算机屏幕进行监视，以保证课件录制效果。整个系统主要分为两部分：录制端和教师端。录制端主要是：摄录整个教学视频、控制整个系统的程序和后期生成课件；教师端主要是：安装在教师计算机上负责捕获教师计算机的屏幕内容，并发送给录制端。系统运作流程如图2。

图2 系统运作流程

（一）多媒体数据的编码

采集到的教师机屏幕图像和摄像头视频都是RGB格式，这种格式的数据量大小由分辨率决定，而采集到的教师机声音数据是波形格式。根据系统设计，这三路数据既需要在网络上进行传输，也需要保存到多媒体文件中。为了减少对网络带宽的占用量以及尽量缩减录制后生成的多媒体文件的尺寸，就需要对这三路原始多媒体数据进行压缩。对于多媒体数据的压缩，目前有很多编解码算法可供选用（如MPEG4）等[5]，而且这些算法一般都已经被多种编程语言实现了。在实际的系统实现过程中不仅可以购买第三方编解码控件，还可以利用开源的编解码控件或是自己亲自动手来实现编解码算法。

（二）保证多媒体数据在网络上的高效传输

根据系统设计，可能会有很多分布在各地的学生机实时收看教师的授课过程。如果针对每一台学生机都创建实时多媒体数据的一个副本，那么系统对网络宽带的占用将会增大，而且也会给服务器以及网络中的路由器增加额外的负荷。这样，随着学生机数量的增加，系统的性能必将下降。为了使系统的性能不受学生机数量的影响，服务器可以采用IP多播技术来转发三路数据给学生机。在实际的系统实现过程中，可使用RTP[6]协议进行多媒体数据的实时传输，因为RTP协议不但可以利用IP多播技术传送三路多媒体数据，而且可以提供实时数据传输中的时间戳信息以及各数据流的同步功能。

4 系统应用

4.1 录制

当调整好视音频设备后，录制时直接进入系统界面，技术人员根据要求调节一些录播参数，以适应各种需要，选择录制方式后即可进行在后台录制，支持全自动的录播，简单易用。授课教师授课中只需使用教学设备，不涉及本系统的使用，保持了教学的常态化。系统生成的视音频为ASF[流媒体格式[7]，屏幕数据为LASH格式，课件数据量小，节约存储空间和传输时间，从而保证教学视频的实效性、传播性。设备的选购如下：视频设备，包括三个SONYBRC300P摄像机、SV-8000主控系统、视频切换台、监视器等。（如图3所示）

图3 视频设备连接

音频设备，包括扩声设备（有线咪、无线咪）多媒体音源、Clearone PSR1212数字矩阵混音器、SoundcraftEMP12调音台、2台声准功放、音箱等。连接如图4所示。

图4 音频设备连接

4.2 录制效果

录制后的课件分为三个区：视频区、讲稿区、目录索引区，三个区同步播放。

在实际录制时，也可根据需要选择录制内容：录制三分屏；只录制视音频信号；只录制VGA信号（'教师机屏幕内容）。

4.3 后期编辑

录制的课件可进行编辑处理，包括剪切、合并、编辑课程目录、发布、上传、打包、课件加密和设置等。其中，同步编辑视频流和屏幕流内容，可实现对课件任意段落的剪切。另外，可将两个或多个课件合并成一个课件；还可设置屏幕的输出区域，将录制屏幕内容中的某一块区域输出为课件。最后，将屏幕流文件转换成Flash格式，生成通用的流媒体课件。