基于安防视频的大规模存储录播系统研究
摘 要：录播系统是构建智慧校园、实现“互联网+教育”的重要手段。传统录播系统建设成本投入较大，硬件设备安装管理维护复杂，难以满足高校常态化、普及化以及经济性的录播需求。本文设计实现一套大规模存储录播系统，利用传统安防系统采集视频流，通过流转发机制实现教学过程的网络直播。同时，对安防系统录制的视频进行按照课程单元切割并转存至存储资源池中，供點播观看学习。相比传统录播系统，本文提出的录播系统通过对安防资源的整合与共享，在降低成本的同时可提供高实时性和高可靠性的直播点播服务。系统各模块采用松散耦合设计，降低系统整体复杂性和依赖性，易于维护和扩展。
关键词：在线教育；安防；录播；流转发
中图分类号：TP37 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2018）15-0092-05
一、引言
艾瑞咨询在线教育变化趋势数据显示，2016年中国在线教育市场规模达到1560亿元，之后也将继续保持20%左右的速度增长，到2019年将会达到2692亿元。[1]因此，科技手段推动了现有教育的发展，加深教育的深度与广度；采用技术，将教室学习与线上学习相结合，深化了教学过程的信息化。目前，教学环境被在线教学重新定义。但是，依靠人工录像上传来采集教学资源，暴露问题诸多，大规模存储价格昂贵，严重影响教学资源的采集与授课，仅仅依靠人工已经不能解决。如何解决海量视频的采集与安全存储，保障数据的准确性、实时性以及系统的常态化运行和大规模部署应用，已成为当前在线教育的一个重要研究方向。
校园治安监控系统对校区、教室、人员、设备的安全性有可靠的技术安全保障与威慑作用。但是，庞大的视频监控资源仅仅用于安防监控又是对有效资源的浪费。安防系统视频采集存储方式有着前瞻性的借鉴方向。在视频存储方面，已经有适合大规模存储的完善系统，但是由于安防的独特使用特性，相关技术研究之后，视频存储有自己独特的存储与检索方式。安防系统并不能完全满足教学环境中在线视频的采集与检索。
当前，常态化录播系统主要用于安防系统的视频采集与播放。因此，研究一套可以大规模部署的常态录播系统，成为今后最具研究与推广价值的应用技术之一。
二、录播系统发展现状
从2011年开始，在线教育经过了漫长的发展期，一批在线教育模式开始出现在教育者眼中。纽约州立大学帝国学院创立了“Creativity and Multicultural Communication”；关注在线教育的麻省理工学院也推出MITX，用于推动发展在线教育平台；哈佛大学于2012年加入网络在线教学计划，并重新命名为edX。最终，edX发展成为由麻省理工学院、哈佛大学、加州州立大学伯克利分校领导的非营利组织，除了在线教育之外，edX还进行教学法的研究，配合校内教学，提高教学质量，开展新技术背景下教学手段方面的应用，同时也加强学生们在线对课程效果进行评价。[2]
网络在线教育有自身的优势，拥有完善的系统架构与广泛的用户群体。但是，该项计划的实用性有一定的限制，需要人工上传课程，编辑教学任务，人工操作复杂，无法实现自动化与智能化。针对大学教育的独特性质，将大学珍贵的授课资源，采用常态化录播的手段进行采集，自主研发大规模存储的系统，依照教学方式实现自动化视频存储方式是本文主要的研究方向。
2014年9月以来，西安交通大学网络信息中心大胆探索，提出运用物联网、云计算技术建设与教学过程紧密结合的新型智能教室，为教师、学生、教务管理提供更多支撑和服务。
新型智能教室以教学计划组织实施为核心，将教学服务、课后学习、课后评估与教室管理整合，围绕教学系统，依托校园网、教室物联网、一卡通专网和数字校园平台建设了一套保障课堂教学为核心的运行服务体系。能够为教师和学生清晰地了解学习过程提供充分的音视频资料。本文在智能教室的基础之上设计实现了一套常态录播系统，在无人协助的情况下，通过对安防系统资源的整合，利用高速可靠的物联网自动完成教室上课视频流的采集与转发，实现同步直播，同时将视频资源上传至存储池中，实现后期网上点播。整体架构图如图1所示。
三、基于共享安防资源可大规模部署的常态录播系统
在利用信息化技术改善教育理念、方式和方法的背景下，录播系统应运而生。录播系统是指能将课堂现场的视频信号、音频信号和VGA信号进行同步录制，并生成标准化的流媒体文件，可用来同步直播、存储、后期编辑点播的系统。录播系统[3-4]在教学过程信息化的实现中起着关键作用，应该具备如下性质：
①高共享性：在教育行业中为了实现录播系统，录播教室要部署音视频采集设备，设备接入校园网后由统一的录播后台中心设备进行视频流抓取以及保存。所有教室共享录播后台中心设备，节约设备投资，提高设备利用率。
②高可扩展性：录播系统的规模应该可以动态伸缩扩展，满足用户动态增长的需求以及第三方应用的接入，同时系统各组件可以任意更换，无厂商绑定问题。
③高易用性：尽量减少教室内为录播系统额外增加的设备，在不影响教师传统教学以及学生听课的前提下实现无人值守自动化录播。设备的减少将大幅度提高可维护性以及易用性，同时减少维护人员的投入。
④高可靠性：录播系统的可靠性主要包括两部分，首先是音视频流采集的高可靠性，作为录播系统的基础，其可靠性直接关乎整个系统的可用性。其次是数据存储的高可靠性，教学视频的可靠性存储，不仅保证可以点播的正常使用，还可用于长期的教学数据的分析与挖掘。
传统录播系统架构如图2所示。
每间多媒体教室需要单独配备2台摄像头、1台VGA编码设备以及1台分布式录播主机。分布式录播工作站抓取摄像机和VGA设备的视频流并转发到控制中心。控制中心包括管理服务器、存储阵列、流媒体服务器等，实现录播点播服务。该架构的不足之处首先在于每间教室都需要单独部署视频采集设备以及录播主机设备，投资成本大并且维护成本高。其次，目前厂商提供的录播系统大多是集视频流采集、存储和播放于一体的解决方案，厂商在采集、存储和播放中使用私有协议，会导致被厂商绑定，难以扩展。如何在减少人力、物力投入的同时，构建一个满足高共享性、高可扩展性、高易用性以及高可靠性的录播系统成为各高校实现教育信息化的难题。