分布式音视频编解码技术在现代教育领域中的融合应用

鲁立军 高江江 安宁

[摘 要]基于传统矩阵式音视频编解码技术在实际应用中存在的问题，对分布式音视频编解码技术的可扩展性、实时性、高效性和灵活性等特点进行分析，构建了一套符合多校区办学需求的多媒体教学视频分布式管理调度系统。对系统传输速率和传输错误率进行对比测试，结果表明：通过部署多级控制管理架构，可以进一步优化系统性能，扩展教学场景，推动分布式音视频编解码技术在教育领域中的应用。

[关键词]分布式音视频编解码技术；矩阵式音视频编解码技术；分布式管理控制；多校区

[中图分类号]TN 929.5

[文献标志码]A

[文章编号]1005-0310（2023）06-0062-05

The Integrated Application of Distributed Audio-Video Encoding

and Decoding Technology in Modern Education

LU Lijun， GAO Jiangjiang， AN Ning

（1.Division of Academic Affairs， Beijing Union University， Beijing 100101， China；

2.Tourism College， Beijing Union University， Beijing 100101， China）

Abstract： Based on the problems associated with traditional matrix-based audio-video encoding and decoding technology in practical applications， an analysis of scalability， real-time capability， efficiency， and flexibility of distributed audio-video encoding and decoding technology was conducted. Subsequently， a multimedia teaching video distributed management and scheduling system， tailored to meet the needs of multi-campus educational institutions was developed. Comparative testing of system transmission rates and error rates was carried out， and the results indicate that through the deployment of a multi-tiered control and management framework， it is possible to further enhance system performance， expand teaching scenarios， and promote the application of distributed audio-video encoding and decoding technology in the field of education.

Keywords： Distributed audio-video encoding and decoding technology；Matrix-based audio-video encoding and decoding technology；Distributed management control；Multi-campus

0 引言

在现代教育技术中，音视频编解码技术是不可或缺的核心技术之一。然而，传统矩阵式音视频编解码技术存在单个编解码器编解码能力受限的问题。为了解决此问题，分布式音视频编解码技术引起业界广泛关注。分布式音视频编解码技術是一种将音视频信号分割成多个数据块，再通过多个编码器和解码器进行并行处理和传输的技术。相对于传统的音视频编解码技术，分布式音视频编解码技术具有以下优势：将任务分布到多个节点上进行处理，提高编码和传输的效率及质量；动态调整编码参数、选择合适的传输路径以适应网络带宽的变化，并确保音视频传输的流畅度；随着用户和数据量的增加，可以通过增加节点来扩展系统的处理能力。

分布式音视频编解码技术在现代教育领域中得到广泛应用，主要应用场景包括远程教学、视频会议、多媒体教学系统管理等。在远程教学中，分布式编解码技术可以整合多路音视频数据流，提高课堂的互动性。在视频会议中，分布式编解码技术可以保证会议的高清流畅播放，提高参会人员的沟通效率。在多媒体教学系统管理中，分布式编解码技术能够有效降低带宽占用、减少传输延迟，实现音视频数据的高效传输和存储，同时保证系统的稳定性和可靠性。

2021年，教育部发布的《关于加强新时代教育管理信息化工作的通知》明确提出：“教育管理信息化作为教育信息化的重要组成部分，是以信息系统、数据资源、基础设施为基本要素，利用信息技术转变管理理念、创新管理方式、提高管理效率，支撑教育决策、管理和服务，推进教育治理现代化的进程。”基于上述理念，本文着力分析分布式音视频编解码技术的特性，并与北京联合大学多校区办学的实际需求进行深度融合，通过构建多媒体教学视频分布式管理调度系统，实现全校一体化管控。这不仅能提高教学过程管理的精细化水平，提升现代教育技术在多媒体教学系统管理中的应用效果，更能有效辅助教学工作的顺利进行。

1 多媒体教学视频分布式管理调度系统建设分析1.1 建设背景

北京联合大学成立于1985年，是北京市属综合性大学。学校设有63个本科专业，涵盖十一大学科门类，拥有12个校区。经过多年的探索和实践，学校先后建成互动研讨型、多视窗智能AI型、远程互动型、精品录播型和云桌面网络型等多种形式的智慧教学环境。如何将分布式音视频编解码技术融合应用到不同维度的教学环境中，并将这些教学场景多角度、实时、灵活地展现出来，有效融合教务管理、教学辅助决策和听评课等环节，形成闭环管理，进而完善教学管理机制，提升教学管理效能，拓展教学管理的对象和空间，这些是对现代教育教学技术工作提出的新课题。

1.2 音视频编解码技术的应用分析

目前，传统矩阵式音视频编解码技术在显示控制系统应用中存在一些问题：该技术的系统结构过于繁杂，难以进行后期扩展和升级，并且布线施工困难；在应用模式方面，功能单一且不够灵活，无法实现异地信号共享和分级管理等功能。同时，由于学校拥有分布在多个校区的共480余间教室，教学管理、监控和传输设备的建设时间跨度较大，存在音视频编解码格式不兼容的问题，因此，我们需要探索其他解决方案。

基于分布式音视频编解码技术构建的显示控制系统，具有以下技术特点（见图1）：①可扩展性：根据需求增加编解码器和显示设备的数量，可自由调整和扩展系统规模；②实时性：实时传输音视频信号，满足对实时性要求较高的应用场景需求，如课程直播、录播等；③高效性：将音视频信号的处理和显示分布到不同设备，提升系统运行效率；④可操作性：将高清视频源图像推送至多组大屏，进行跨屏、漫游、缩放、叠加显示；⑤可靠性：通过冗余设计和错误修正算法，降低系统故障率；⑥灵活性：兼容不同编解码算法和数据格式，实现分级管理机制。

2 多媒体教学视频分布式管理调度系统的构建与实施

为了解决矩阵式集中处理技术在应用中存在的问题，北京联合大学构建了多媒体教学视频分布式管理调度系统。该系统通过网络连接分布式输入节点机，实现对音视频信号的采集，再通过分布式输出节点机将信号输出到大屏幕进行显示。各节点机之间通过千兆网络进行通信，实现信号的快速共享、转发和一体化调用。此外，系统还支持异地信号共享和多级管控，有效克服了传统集中处理技术的局限性。

2.1 系统整体架构

在系统设计中，主控室机房不再采用传统模拟长距离传输设备，而是将所有音视频信号进行数字化处理并通过网络传输，使得音视频数据源可以通过网络在不同区域之间共享和互联互通。此外，这种系统架构还可以将音视频信号通过交互网络传输至多个区域进行并发处理，通过网络系统的资源整合，实现环境控制、音视频录制和存储等多种功能。视频分布式管理调度系统的拓扑结构如图2所示。

为了确保音视频的传输质量和系统的稳定运行，本系统采用了广播级音视频处理技术，并将系统运维监测手段应用于分布式显示控制系统中，由此可以实时监测整个系统内的音视频传输质量和设备运行状态。如果出现异常情况，如视频马赛克、静帧、黑屏、音量过高或过低，以及交换机网络中断、节点机服务器故障等情况，系统将立即发出警报，并提供可视化的监测信息。此外，整个系统的运行结构可以实时呈现，方便系统管理人员快速发现、定位和解决系统的异常状况，以确保系统正常运行。

2.2 系统应用成组及功能概述

1）分布式显示：通过音视频同步算法解码，将前端流媒体信号还原为数字信号，由拼接屏显示，实现“帧”级别同步显示输出画面。

2）音视频输入节点：最多可驳接500路高清数字信号（DVI/HDMI）及音频信号接入。

3）分布式管理控制：负责统一调度管理系统内的音视频信号，对显示大屏进行整体控制、分组、预览以及信号调度；同时，支持对输入/输出节点机和内部服务器的管理、查询及状态报表呈现，实现对信号源和大屏的可视化触控操作。

4）大屏录制与回放：具备大屏幕（包括画面、布局、调度脚本等）和信号的录制、原屏回放、实时下载等功能，可同时录制36路信号；利用网络组播堆叠技术，可增加录制任务和数量；支持SAN存储阵列及7×24 小时录制，可管理存储硬盘空间。

5）IP流接入与显示：负责流媒体信号的汇聚与转发（IP视频分发），基于IP的遠程控制，实现信号之间的快速共享。

6）监测与多画面合成：支持音视频异态监测报警、信号多画面组合显示、音视频录制等功能，其中，音视频异态包括色彩格式异常、静帧、黑场、音视频丢失、声音过高或过低等。

7）KVM远程控制终端：实现对系统状态进行远程检测及系统全景链路的配置。

2.3 系统框架及运行效果

2.3.1 系统应用框架

目前，北京联合大学已经完成了多媒体教学视频分布式管理调度系统的部署应用。系统采用IP网络和分布式架构，以北四环校区主控室作为1级调度中心，工体北路校区和蒲黄榆校区分别作为2级和3级调度中心，实现多级管理。云管理服务器和IP视频分发服务器在系统中协同工作，实现了校区间音视频图像的传输和共享。其中，IP视频分发服务器起到中继调度的作用，有效保证了音视频信号的质量，并节省了带宽资源。校区间多级管理框架结构如图3所示。

在可视化链路监测方面，系统支持对分布式显示控制系统中的服务器、输入/输出节点机等设备进行监测，并以可视化形式展现设备之间的连接关系、网络状况和设备在线情况。这种可视化监测功能使管理人员可以直观地了解系统的整体运行状态，能够更加方便地定位故障设备，及时发现并解决问题，系统的可靠性和运行效率均得到了较大提升。

2.3.2 系统运行效果分析及评估

通过应用分布式音视频编解码技术，系统实现了多级管理、校区间图像共享、高质量信号传输、节省带宽资源以及可视化链路监测等功能，为教学和管理工作提供了更好的支持。在系统正式上线运行后，我们对其音视频传输速率和播放效果进行了全面测试，系统测试对比结果如图4所示。

测试数据显示，与矩阵式集中编解码技术相比，基于分布式音视频编解码技术的系统在平均传输速率方面提高了60%以上，而且在传输过程中出现的错误率降低了50%以上，这表明基于分布式音视频编解码技术的系统在相同的网络环境下具有更快的传输速率和更高的播放质量。同时，该系统的播放效果也得到显著提升，音视频的同步性和清晰度均优于矩阵式编解码传输系统。

3 结束语

现代教育技术是辅助教学并提高教学管理水平的重要手段。将分布式音视频编解码技术有效应用于现代教育领域中，可以推动教育技术的创新和发展，提升教育信息化的应用水平。北京联合大学多媒体教学视频分布式管理调度系统以信息科学理论为指导，将先进可靠的信号采集与传输技术、网络通信技术、音视频编解码技术及屏幕显示处理技术等集成为一体，通过在学校多个校区的实施应用，实现了多校区音视频数据资源的按需分配。

多媒体教学视频分布式管理调度系统实现了分布式音视频编解码技术在现代教育领域中的融合应用。这一创新应用不仅提高了学校的教学管理水平，也增强了现代教育技术在多媒体教学系统管理中的应用效果，为后续发展打下了良好基础。学校将依托该系统开发更多功能，以服务于更广泛的教学场景。同时，将该系统与教务系统进行数据对接，并结合智能AI无感知学情分析系统，对课堂教学数据进行全过程的分析与反馈，从而建立起较为完善的教学评估及大数据督导体系。

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（责任编辑 白丽媛；责任校对 柴 智）

[收稿日期]2023-04-27

[作者简介]鲁立军（1975—），男，北京市人，北京联合大学教务处高级工程师，硕士，主要研究方向为广播影视编播技术、现代教育技术；安宁（1974—），男，北京市人，北京联合大学教务处高级工程师，硕士，主要研究方向为现代教育技术。

[通讯作者]高江江（1977—），男，北京市人，北京联合大学旅游学院助理研究员，硕士，主要研究方向为智慧教学及旅游信息化。E-mail：lytjiangjiang@buu.edu.cn