【摘要】文章围绕课程录播系统展开,阐述了录播系统的概念、适用范围、种类、组成、性能要求等。并结合高校的教学中的应用,阐述了全自动录播系统的特点,结合我校网络教学的发展及特点,介绍了全自动课程录播系统在我校的应用。
【关键词】课程录播系统;单画面;多画面;流媒体
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B【论文编号】1009―8097(2010)08―0044―05
“高等学校教学质量和教学改革工程”(以下简称质量工程),是教育部制订的《2003-2007年教育振兴行动计划》的重要组成部分[4],教育部和北京市教委从2003年至2010年已进行了8年的评审工作。我校也大力开展各级精品课的建设工作,网络教学资源建设尤其是课程录像资源的制作工作量极其繁重。因此,建设一套高性能、高度自动化、高效率的课程录播系统是非常必要的。
一 录播系统综述
1 录播系统概念
顾名思义,录播系统兼具录和播的功能。“录”指对客体(Object)进行视频录制,分为单画面录制模式和多画面录制模式;“播”指对客体进行视频播放,播放形式可以是直播或点播。[1]
因此,录播系统是可以实现对客体(Object)进行视频录制和播放,根据需求生成一个或多个数字视频文件,具有各种硬件设备和应用软件的一体化的智能数字系统。
2 录播系统的适用领域
录播系统的应用非常广泛,可以应用于教育系统,如精品课程、微格教学、远程教育、公开课、优质课评比等场合的视频录播。企事业单位及政府机关的各项工作,如企业培训、视频会议、会议实录、系统培训等。司法系统的数字庭审、模拟法庭、远程审讯等应用。医疗系统的远程医疗、手术示教、手术存档等工作。军队系统的军事演习、会议实录、作战训练、应急指挥等军事行动。
3 录播系统的种类
录播系统的种类可以从录制画面模式和部署形式划分。
(1)按录制模式划分
按录制模式划分,可分为单画面(单流)录制模式和多画面(多流)录制模式。
单画面录制模式指多路视频经过切换或叠加等方式成为单个画面,直播观看端显示的是整合后的一路视频画面。画面内容不但支持多路视频、VGA信号的切换显示,而且支持画中画,单流多画面等各种显示模式,并可在各种显示模式间无缝切换[2],一般是根据客体内容的逻辑性进行切换,使整个视频文件保证客体在逻辑上的合理性,很像是电影剧情的发展,所以也称电影模式。
多画面录制模式指多路视频及VGA信号同步录制,生成各自独立的文件,每一路录制的视频都是完整的,可通过编辑软件在后期把其中任意一路视频导出。各路视频之间没有画面覆盖的情况,能保留最完整的素材资料。[3]
(2)按部署形式划分
按部署形式划分,可分为固定式录播系统和移动式录播系统。
固定式录播系统指固定安装在一个特定的场所,如教室或会议室等,所有设备都固定在场所的某一位置上,这种系统基本可以不受设备尺寸的限制,可以优先考虑设备性能。
移动式录播系统指可以具有固定课程录播系统的全部功能和便携式特点,所有设备都是临时安装到录制场所,无需布线和固定。录制结束后,方便收捡和装箱。
4 课程录播系统的基本组成
就录播的应用领域而言,我们更关心的是应用于高校的教室课程录播系统。下面以教室课程录播系统为例,阐述一套录播系统应具有的最基本的组成部分。录播系统应包括教室端子系统和主控中心子系统,两部分一般通过校园网进行连接。
教室端子系统应包括如下部分:
(1)多媒体教室子系统
此部分为开展多媒体教学而构建,同时该子系统又是录播系统的信号源,包括音频和视频,既可以配合录播系统新建,也可以利用原有系统与录播系统连接。
(2)课堂教学视、音频信号采集子系统
该部分可以认为是录播系统的一部分,负责对教学视、音频的采集。
(3)全自动录播子系统
这部分是录播系统的主体。主控中心是用于远程监控和管理教室端录播子系统,包括如下部分:
a 主控中心显示子系统
b 网络实时直播、点播子系统
c 课件的集中存储、智能编辑子系统
d 远程管理控制子系统
5 录播系统的性能及评价要求
录播系统应该给用户一个相对独立的完整的解决方案,应有非常明确的外特性。这些外特性一方面是录播系统本身的功能描述,另一方面是非常明确的外部接口特征描述。而外部接口特性主要是指与原有多媒体教学环境的接口和网络教学平台的接口。
以上三方面的外特性以录播系统本身及与多媒体教学环境接口为主,与网络教学平台接口外特性不是必需的。所有的构件(包括软件和硬件)设计,必须具有技术先进性、功能实用性、系统稳定可靠性、功能完备性、系统可拓展性和标准化的目标,经过一系列测试和评价可达到预期目标。录播系统运行的最终产品是数字化视频文件,视频文件要至少满足网络点播的基本要求。基本要求要做到:听觉上实现声音效果好、音质优美、悦耳动听;视觉上无盲区、色彩还原好、图像清晰、传输质量稳定可靠;操作上人性化设计、界面设计简单易操作、智能化程度高、结构紧凑、便于掌握等目标。[3]
(1)设备性能参数
a 视频、音频性能应清晰明确,满足人听觉舒适感,同时要与视频同步。具体要求如表1。
b 其它要求
电磁兼容性符合GB9254-1998中A级的有关规定;系统正常工作条件下的触电危险、绝缘电阻和抗电强度符合GB8898的有关规定,维护操作的安全要求符合GB12641的有关规定。
(2)使用条件
a 电源条件
电源电压采用交流220V±22V;电源频率采用50Hz±1Hz。
b 保存录制文件的要求
文件以网络共享目录的方式保存,因此,能够在主播端,利用任何一台电脑通过网络名称或IP地址访问到共享目录,并可以读写文件。
c 实现流媒体直播的要求
流媒体直播采用组播方式服务,所有的收视端能够接收到由主播端发送的组播数据报文。
(3)场所要求
教室内照度要求应按如下标准。
讲台上照度要求:100LUX―1500LUX;
黑板上照度要求:100LUX―1500LUX;
板书定位器照度要求:50LUX―500LUX;
教室学生场景照度要求:150LUX―1500LUX。
(4)录播服务器
录播服务器性能应满足系统运行稳定、功能适用,可采用7×24小时不间断服务器或具有定时开关机功能的PC机。
(5)彩色摄像机
指固定式摄像机,其成像装置为1/3"CCD;分辨率为540TVL;镜头为5-50mm(30X光学变焦);光圈为F1.3;技术采用DSP。
(6)球形摄像机
在 4:3和 16:9两种模式下都可提供PAL制图像。有效像素PAL 752(水平) x 582(垂直)。平移/俯仰/缩放六个预设值,平移/俯仰角 -170至+170度(平移),-30至+90度(俯仰)平移/俯仰速度 0.25至60度/秒(平移/俯仰)。12倍光学自动聚焦的变焦镜头,f = 3.6至43.2 mm(F1.6至F2.8)。水平视角 4:3 模式:3.3(望远端)至37.8 度(广角端)/16:9模式:4.0(望远端)至45.4 度(广角端)。最小物距 300 mm(广角端),800 mm(望远端)。最低照度 7 lx at F1.6。信噪比 50 dB。快门速度 PAL 1/10000至1/3秒。增益自动/手动(-3至18 dB,3 dB一级)可切换。白平衡自动,室内,室外,一触式白平衡,手动。模拟输出 VBS(BNC),Y/C(4芯Mini DIN)。摄像机控制接口 RS-232C(VISCA协议)/ RS-422(VISCA协议)。背光补偿开/关。工作温度0至40度。存放温度-20至60度。电源要求DC 12V。
(7)超声波定位单元
能使超声波传感器的探测信号输出给场景切换单元,作为场景转换信息。
(8)超声波传感器
能探测人体在讲台范围内移动时的位置,进行实时判定。
(9)场景切换单元
与超声波定位单元连接接口,能根据触发信号,选择对应摄像机的图像。
(10)录播、控制软件
a.利用接口控制云台
能利用控制接口 RS-232C(VISCA协议)/ RS-422(VISCA协议),远程控制每个云台摄像机的平移/俯仰/缩放和六个预设值的存储。
b.录播时刻表设置
能远程预先给录播服务器设定录像的各个时间段,在录播服务器本机时钟到达“开始录制时刻”、“结束录制时刻”时,自动(在不需任何人工干预的情况下)进行录制、存储。
c.录播软件功能
录播软件功能应包括填写课程名称、主讲人姓名等信息;设置手动、自动切换模式;设置片头/片尾图片及徽标等内容;设置录播的课程保存路径;软件播放功能包括:开始、暂停、结束、退出、回放、导出直播/录制的功能;录制图像码流可以在350K--2Mbps之间设置;录制文件分辨率可选800*600和1024*768;录播帧率为大于20帧/秒;录播文件格式为流媒体格式。
二 全自动录播系统的特征
全自动录播系统应具备录播系统的一切基本特征,除此这外,全自动是其最重要的特征。课程自动录播系统,是将授课教师的视音频、多媒体教学内容(包括教师的电子讲稿、课件等)以及学生学习活动视音频等教学现场信息以数字化形式同步采集、压缩、录制,并自动合成单流或多流实时教学录像的录制与播放系统。[2]
全自动录播系统的基本特征应该包括:
1 教师自动跟踪功能
教师在讲课过程中,在讲台、黑板及教室主体范围内走动,云台摄像机应自动跟踪定位,保持教师在画面中心位置。
2 摄像机自动切换定位功能
教师在进行板书教学过程中,采用多台摄像机切换录播方式时,采用红外线或超声波等定位传感器技术进行跟踪定位。根据教师在讲台、黑板前等范围内的走动位置,各摄像机自动切换,保证录播视频正确捕获教师画面。
3 远程调整摄像机状态功能
对于摄像机的各项参数,如角度、焦距、曝光度等参数,应该可以通过远程监控管理软件的方式进行调整。
4 多路视频、音频流自动合并采集功能
采用电影模式进行课程录播时,根据教学内容自动在教师本人及板书视频和课件PPT文档等VGA信号之间进行自动切换,合并采集为同一视频流。
5 自动生成视频文件功能
对于经过多路视、音频切换合并后的信号,通过自动采集、编码后生成视频文件。根据不同需求,视频文件可以是基于本机播放的文件格式,如mpeg、rm等文件格式,也可以是基本网络播放的流媒体文件格式,如wmv、asf等文件格式。课程视频文件名要有一定的意义及规律性,如应包含教师姓名、课程名称、生成日期时间及流水号等。
6 自动开始/停止录制或一键式录制功能
在录制过程中,根据各学校的不同需求,可以采用自动开始/停止录制方式或一键式录制方式。自动开始/停止录制方式根据预先设定的录像课程课表中一学期的所有课次的具体时间由录播主机自动触发执行开始录制和结束录制。一键式录制方式由讲课教师本人在上课期间认为适合的时刻手动启动开始录制和结束录制。
7 自动添加片头/片尾信息功能
每一节课应为一独立录制单元,生成一个独立的视频文件,根据不同学校的要求,可能是45分钟或50分钟。对每一个独立录制单元就包括片头、片尾信息,片头/片尾信息预先由管理软件设置。片头一般为包含课程名称、教师信息及第几讲的背景图片,片尾应为包括结束标志的背景图片。录播软件在录制过程中应自动添加片头/片尾信息,持续时间可调,比如5秒至15秒不等。
8 视频文件自动上传至网络教学平台及备份功能
学校如果部署了网络教学平台,录播系统与网络教学平台之间应设计接口构件,用于自动将录播系统中的视频文件及时上传至网络教学平台,及时提供教师和学生使用,开展网络教学活动。同时录播系统应提供自动网络备份功能,将录制好的教学视频备份至安全的网络存储设备中。
9 自动清理硬盘存储数据功能
在完成一个课程录制周期(一个学期或一个学年)后,在保证网络备份成功后,录播系统应自动清理硬盘录制数据,包括视频文件及相关文件应及时被删除。
10 远程监控管理软件设置功能
远程监控管理软件是录播系统的一个重要组成部分,应具有集中多点监控管理功能,所有系统相关设置及初始化都通过该软件进行,具体应包括以下功能。
a 视频远程监视及管理功能
对于各个录播点(录播教室)可以实现监视录制情况以便对出现故障做出及时响应;可以进行远程管理功能,如远程手动启动、暂停、停止视频录制等功能。
b 系统状态设置功能
对于录播主机及网络状态就有充分的显示,并可以远程调整及设置。
c 教室摄像机调节功能
教室摄像机可以远程调节,如角度、焦距、曝光度等参数。
d 录制课表设置功能
为了实现全自动录制课程,应预先设置录制课表,应按一个录制周期设置,如一学期或一学年。具体操作顺序应为:
设置开学信息,如学期第一周开始日期、本学期周次、每周的天数(如周一至周五)、每天上课节次及上下课时间等;
添加/修改课程信息,将本周期要录制的课程名称、课程说明等数据输入;
添加/修改教师信息,将本周期上课教师数据录入,如教师姓名、所属院系等数据;
关联教师/课程数据,关联上教师对应的课程,允许一名教师上多门课程或一门课程由多名教师上课;
设置上课时间,对于关联好的教师-课程设置上课时间,包括本学期的周次(如第1、3、5…17周)、每周日期(如周一、周三)、上课日期的节次(如1-2节、7-8节)。
e 课程视频片头/片尾设置功能
设置片头/片尾功能包括选择预先制作好的背景图片,设置学校Logo、课程名称、教师姓名、讲次等信息在背景图片中的位置、字体、字号、颜色等信息,以备在课程录制时被自动添加到课程视频中。
三 全自动录播系统的应用
随着国家教学质量工程的开展,国家级、北京市级及校级精品课程的大规模建设的需求,需要制作大量精品课程视频,把这些精品课视频的宝贵资源保存起来,同时上传至网络教学平台,为广大师生开展网络教学活动提供素材。结合我校精品课建设的具体需求,和公司合作研发了一套全自动录播系统,应用近两年来取得了比较满意的效果。
1 录播系统功能需求
截止到2009年,我校共有精品课程145门,其中国家级精品课程14门,北京市级精品课程37门,校级精品课程94门。按计划依次要把国家级、北京市级和校级精品课程全部视频发布到网络教学平台。此外,经常有青年教师讲课比赛、优秀教师选拔等工作都需要录制讲课视频,工作量非常巨大,如果用传统的人工课程录制方式,几乎不可能完成。因此,我们提出全自动录播系统的需求,与公司进行合作共同开发。经过系统需求分析,确定了系统的基本硬件结构,如图1所示。
如图1所示,四台摄像机中三台覆盖黑板及讲台全部面积,另一台是教师用于录制教师近景;通过超声波定位单元确定教师在讲台上的位置,再由视频切换器根据定位单元的信号确定四路视频中的某一路进行录播服务器进行录制;图中话筒及教师PC示意性地代表教室多媒体教学环境中的计算机和声音输入装置;远程监控及管理PC机通过校园网或Internet连入录播服务器。
根据以上的需求分析及系统硬件设备的设计,该系统满足如下需求。
(1)教师摄像机自动切换
在讲台范围内覆盖板书及教师近景的摄像机根据教师讲课时所在位置自动切换,始终使一路视频进入录播服务器。
(2)教师计算机VGA信号切换策略
教师讲课用计算机VGA信号具有比教师摄像机更高的切换优先级,即如果教师触动键盘或鼠标,立即切换到教师计算机VGA信号。
(3)无人干预全自动课程录像
教师讲课的录制全过程不需任何人工操作,录播服务器根据预先设定的课表中上下课时间自动开始、停止录制。
(4)视频文件需求
为适用校园网及社会远程公网点播的需求,我们采用电影模式进行录制,生成两个不同码流的流媒体文件。系统按每节课(50分钟)为单元生成一个文件,自动添加预先设定的片头及片尾。
2 远程监控及管理软件的需求
本系统采用全远程监控的管理方式,原则上不对教室录播服务器做任何操作,图2为部分功能截图。具体功能如下。
(1)监视功能
对教室正在进行录播的课程进行监视,包括监视录制视频、录播服务器系统状态、网络连通性等。
(2)控制功能
对正在进行录制的课程,可以远程启动、暂停、停止录制,可以手动切换视频与VGA信号等。
(3)管理功能
主要是设置课程录制课表功能,在每学期开始之前,按校历确定第一周日期,然后依次设置教学周、上课日(周一至周五)、上课日每节课的上课/下课时刻;输入教师、课程及教师与课程关联信息;设置关联课程的上课周次、星期及节次信息。
在做好一切设置之后,录播系统按照课表进行全自动录制,在一个学期的录制过程中不再需要人工干预。如果课表被更改,系统自动按更改后的课表进行录制。
在本系统应用的两年时间里,已经录制了5门400多讲的精品课视频,并全部上传到网络教学平台,开展了网络教学活动,收到了良好的效果。
四 结束语
课程录播系统随着国家教学质量工程的深入开展,将越来越发挥更重要的作用。是全自动无人干预录播还是全自动一键式录播,采用何种流媒体格式,是远程监控管理方式还是直接操作录播工作站方式等问题都是不录播系统设计的关键问题。录播系统的设计的关键问题是要满足不同高校对录播功能及性能需求的差异性。为了满足这种差异性,在录播系统的顶层设计时,要充分采用模块化设计,各功能模块之间相互独立、易于拼装,以满足不同高校、不同类型课程之间的需求的差异性。
参考文献
[1] 录播系统[EB/OL].
[2] 冀燕丽, 王玉清. 高校精品课程制作中自动录播系统的设计与应用[J].中国现代教育装备,2009,(14).
[3] 钟晓流. 多媒体教学环境的设计与评价[J]. 现代教育技术, 2010,(6).
[4] 冀燕丽,王玉清.高校精品课程制作中自动录播系统的设计与应用[J].中国现代教育装备,2009,(14):44.