一种应用于常规多媒体教室的简易录播和巡检方案
时间：2023-06-24 12:25:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郑成锵
（锐捷网络股份有限公司 福建省福州市 350002）
高校督导中心主任的常态工作即是对日常教学工作进行督导检查、评价指导、反馈调节等。当前高教大部分课堂都是在多媒体教室教学，然而流于形式的课堂教学还普遍存在，教学方法老旧、没有创新，缺乏互动。而缺乏完善的、易用的督导系统情况下，督导中心主任只能通过抽检或者人工巡视等方式来观察和收集教学数据；
而高校的多媒体教室基本都在上百间同时上课，要完成这么多教室巡视，难度非常大；
同时，这种方式不仅仅效率低，而且督导中心主任也耗费大量时间在人工巡视上，无暇顾及教学改善方法探索上。因此，急需要一种能够大量部署的低成本录巡方案来解决上述问题，方便督导主任能快速巡视当前教室课堂情况、回顾历史课堂教学情况，为督导主任做教学方法改进、教师评价提供有力素材；
同时，该系统也能提供一种简单易操作的方法给教学老师用录制上课过程或关键知识点，用于制作教学素材、学生复习资料传播，以及教学资源的积累[2]。
1.1 传统录播系统
学校现有的录播系统主要用于精品课程录像、专家讲座等视频的录制与网络直播[2]，更多是以教学竞赛获奖为主，同时由于使用频度低、方案成本高，都只建设相当少数量的教室。教学的视频资源在不同学科上存在不均衡、未及时更新，导致这类资源成为摆设，未真正发挥教学资源共享的作用，督导老师也无法利用这样的系统开展巡课等工作。
传统一套完整录播系统需要拾音系统（吊麦、话筒、音频处理器）、视频系统（老师摄像机、学生摄像机、图形跟踪系统主机）、录播主机、导播台、流媒体服务器（包括存储服务器）、云服务器等，方案架构图如图1。
图1
以上方案存在的问题主要有：
（1）精品录播主要以学校自身优势的学科建立，且多以参赛为目的，老师、学生、环境等都需要准备充分，因此太过形式，无法真正体现常规的教学过程，也无法做到大面积覆盖-包括教室覆盖率和学科覆盖率[3][4][5][6][7][8][9]；
（2）需要导播台这种对操控要求高的环境，也难以规模化，授课老师学习成本高，不易操作；
一般这类教室建设上要求也较高，没间授课教室还需单独配备控制室，需要有专业导播员在控制室内进行导播等操作，这也决定了这种方案难以推广到所有常规多媒体教室的应用。
（3）录播主机功能冗余、成本高，录播主机为了兼容不同场景和设备，设计接口数量、种类多（如单视频输入口多达3～4个，覆盖HDMI、DVI、VGA等，用于兼容摄像头、电脑采集等设备），而在常规多媒体教室，当前摄像头基本都已经支持网络推拉流，实际只需要一个HDMI输入接口，用于采集电脑画面。
（4）录播主机一般都配备大容量存储介质，视频存储和课题教学也无法直接关联，往往需要录制后，由专门工作人员拷贝下载后再单独命名存档，工作繁琐、难操作。
1.2 新型云录播系统
当前市场出现的云录播概念，本质是将教室录播主机迁移到服务器，集中式录制和存储[11]。服务器直接拉取教室两个摄像头画面，而教室电脑画面是通过电脑安装应用实时录制电脑画面并推流到服务器，服务器集中存储和转发。该方案将教室内设备最大程度简化，重复利用原有摄像头、电脑资源进行组合，但该方案仍存在三个关键缺陷：
（1）严重依赖互联网网络和校园网网络的稳定性，当前网络出现短暂异常，则会丢失这期间的录制视频；
督导老师无法通过回看历史视频进行巡课工作。
（2）对校园网网络带宽占用太高，学校教学上课时间段集中，这期间所有上课教室需要推送3路码流到集中服务器，导致整个校园网网络出现严重网络拥塞。往往云录播厂家要解决该问题，都需要建设录播系统传输光纤专网，带来建设成本增加，也增加了方案部署的复杂度。
（3）一些利旧教室电脑，配置较低，运行实时录制和推流的电脑应用会消耗电脑性能，导致电脑系统卡顿，影响授课老师教学开展。
常态化的录播和巡检，从教室和课程的覆盖率、易用性以及低成本层面考虑，主要需要包括以下几点要求：
（1）方案独立性和兼容性高。要求能和当前多媒体教室当前已有的信息化设备兼容，包括大屏一体机、扩音系统、网络摄像头、网络系统以及服务器资源等，从而降低建设成本。
（2）视频标准。音视频资源使用通用型MP4格式，音频采用AAC编码，视频采用H.264编码，能够满足几乎所有的播放器和浏览器播放视频资源。
（3）易用性高。普通教师经过简单培训甚至不需要培训，即可以完成教学资源的录制；
督导老师可以快速访问当前各上课教室的音视频画面进行巡检，还可以对学科、教室以往课程进行巡检；
（4）跨平台。采用B/S架构，支持跨平台、免安装软件的方式即可访问、管理以及下载视频资源。
（5）网络带宽要求低。考虑大批量部署场景下，如果所有教室都在实时向服务器传输音视频数据，势必要求带宽足够大，这样显然对学校网络系统要求高。
（6）高可靠性。短时间的校园网故障，不影响教学资源的录制和课程常态化录制。
本设计采用云服务+本地存储的融合方案，教室音视频的采集和视频资源存储均放在学校本地服务器，终端访问网页服务器、课程管理和录制管理放在公有云服务器。网页上的视频地址是访问本地服务器通过NAT端口映射的地址[12]，从而实现公网对学校服务器视频资源的浏览和下载（一种P2P技术方案[13]）。方案架构图如图2，由教室流媒体盒子、教室原有音视频系统（摄像头、电脑、拾音系统）、流媒体服务器、公有云组成。
图2
本方案提供了在线实时巡课（查看当前某教室的上课情况）、历史巡课（查看某教室以往某节课的视频）、AI分析，以及授课老师录制课程（作为教学素材）几大功能。
3.1 流媒体盒子
流媒体盒子做为教室音视频处理最核心设备，也是和学校SRS服务器（流媒体服务器）、云服务直接交互的设备。该设备主要功能包括：视频采集、音频采集、音视频编码以及转码、音视频传输、推流、录制任务管理等。
3.1.1 音视频采集
设备通过标准RTSP协议从摄像头获取视频流，可以兼容市面支持RTSP协议的IPC网络摄像头，分辨率支持1080p（1920×1080）、720p（1280×720）可选配置；
电脑桌面视频采集，使用标准HDMI接口接收，最大支持1080p分辨率。音频是从音频处理器通过3.5mm音频线接入到设备进行采集，包括吊麦拾音和电脑音频经过音频处理器混音后的音频数据，保证可以拾取老师、学生声音，以及课程过程教学视频资源的声音。
3.1.2 音视频编码
视频统一使用H.264编码；
音频采集后使用AAC编码格式。设备自动将采集到的音频和视频生成标准MP4格式文件，MP4格式是目前传播和兼容性最高的视频格式，支持的应用、平台最多。
3.1.3 音视频存储和传输
录制的视频文件存储在流媒体盒子上，并同步上传学校流媒体服务器，支持断点续传，在网络中断或服务中断，待恢复后可继续从中断位置上传。对于多媒体教室，常有下课后老师或管理员就拉闸断电情况，教室本地缓存和断点续传可以保障视频文件能持续正常上传到服务器。
3.1.4 录制任务管理
云平台在学期初课表建立后下发一次录制任务到流媒体盒子，同时如果课表发生变化同步更新到教室设备。该方案相比现在云录播方案，可以增强网络的容错性；
只要设备上存在录制任务列表，教室内网即可以按正常课表任务完成常态化录制。结合设备的缓存和断点续传，可以最大程度保障录制视频不遗漏，保障督导老师对各教室的历史视频进行督导巡检。
3.1.5 视频合成
对于老师发起的教学资源录制，希望能将教室内老师摄像头、学生摄像头、电脑课件画面整合到一个视频文件内，这样方便老师以最小资源下载视频，回看教学过程。流媒体盒子会将两个摄像头的网络流在本地解码后的图像和从电脑采集到图像进行组合合并成1080p大小图像，再编码成H264，完成视频录制。
3.1.6 视频转码推流
流媒体盒子具备视频信号通过实时消息传送协议(real time messaging protocol，rtmp)实时的推流到流媒体服务器，并可以根据业务需求推送不同视频源（教室电脑课件画面、两个摄像头画面），以满足督导中心实时巡课的需求。而对于在线直播的需求，由于需要考虑直播并发量大，会大量占用学校出口带宽，因此需要以较小的码率和分辨率（可支持480p、720p的分辨率）进行推流。同时服务器在处理转码能力上较弱，也兼顾考虑对流媒体服务器的性能要求低的目标，因此转码能力转移到教室侧的流媒体盒子上，这种方式可以充分利用流媒体盒子的硬件资源，实现边缘技术能力，减轻流媒体服务器的依赖。
3.1.7 AI分析
通过教室流媒体盒子的AI计算能力，可以分析课堂中录制的视频、音频来计算学生抬头率、举手、转身、趴桌子、表情（开心、平静等）等等数据，并将数据传输到云平台服务，帮助督导中心主任更高效的判定课堂老师的教学风格、教学质量。传统AI计算，一般通过部署AI服务器方案或云计算方案，将音视频传输到AI服务器方式，在服务器AI分析之后，将分析数据结果呈现给用户。而本方案采用边缘计算方式，一方面节省了服务器的资源费用，同时因为不需要传输音视频到服务器，也提高了AI分析效率，可以实时输出分析结果。
同时，为提高设备可靠性和可用性，流媒体盒子设计了一套基于应用级别保活和系统保活机制，以及业务自恢复机制。系统保活中心服务作为流媒体盒子的可靠性关键服务，一方面负责向硬件看门狗定时器电路喂狗，如果出现系统资源泄露导致保活中心服务无法正常运行，能保障系统能自动重启，不会出现挂死无法恢复；
另一方面，系统保活中心服务作为软件看门狗中心，所有的业务服务向系统保活中心服务喂狗，当业务服务出现程序死循环或死锁等软件故障挂死时候，系统保活中心服务会将对应的业务服务重启（毫秒级别完成重启）。而业务自恢复机制，能保障不管系统重启或服务重启，都能无感的保障业务不中断。流媒体盒子通过保活和自恢复机制，可以保障设备的高可用，确保7*24H的不间断工作。
3.2 教学应用
教学应用软件安装在教室电脑上，该应用不仅有老师常用的教学工具如白板、挑人、抢答等，同时也接入了对流媒体盒子的控制，而控制方式也最大程度简化了操作，只留下“开始”、“结束”的操作，便于老师课中随时可以向流媒体盒子发起录制和结束录制。流媒体盒子根据指令将老师摄像头、学生摄像头和大屏电脑画面合并成一路视频保存，并根据老师的课程自动关联上传到SRS流媒体服务器指定目录。老师课后可以登录平台下载课中录制的教学视频资源。并且，结合教学应用的课程、课表管理，将录制视频同这节课相关文件归档到相同目录以及按课程命名，相比传统录播按时间戳命名存储视频，老师更方便的能找到并下载自己想要的视频文件。
3.3 云服务平台
常态化巡检意味着每间教室、每节课都能保存完整的录制，便于督导主任可以针对某个老师的所有课程进行巡检、督导、评价等。云平台通过对接学校课表可以生成每个教室的录制任务，并同步到教室流媒体盒子。同时，也可以简单的按固定上课时间设置录制任务，即可以不用对接课表就能完成各教室按课节时间启动、结束录制。
3.4 流媒体服务器
流媒体服务器搭建在学校内，各教室流媒体盒子将教室的实时音视频流通过RTMP推流到服务器，流媒体服务器转成TS码流（Transport Stream，ISO13818-1标准），音视频码流通过端口映射到互联网，当终端浏览器访问下载视频、在线巡课时候，流量走校园网流量，可以大量节省云服务流量。而服务器性能上，一台16G内存、4核CPU的window服务器即可以满足400多间多媒体教室的管理和流媒体转发。
4.1 基于任务的管理，网络抗灾能力强，极简配置
平台课表对接后，或者设定每节课上课开始时间、结束时间，即可完成一次配置全学期自动录制。即使校园网汇聚层或核心层出现三天的网络故障，只要教室内局域网交换机工作正常，都不影响教室内的流媒体盒子录制任务，确保录制不中断，保障常态化巡课历史数据不丢失。相比云录播方案（集中式录制，视频实时上传录制服务器存储），有更强网络抗灾能力。
4.2 上传视频可控，传输优先级可控
分布式存储+集中式存储融合方案，相比传统大容量录播主机，教室成本更低，更适合大批量建设。相比云录播，不需要实时传输，可在学校网络相对空闲时候上传视频，如中午休息、晚上时间，从而保障在集中上课时段不会占用大量校园带宽，影响老师上课对网络的正常访问需求。同时，流媒体服务器可根据流量通过自适应控制教室流媒体盒子上传速度、上传优先级，既能保障高优先级业务快速上传完成，也能避免大批量教室同时上传导致网络拥塞。
4.3 云服务和校园本地资源访问融合，云费用更低，资源更安全
基于公有云和本地流媒体服务器的混合云方式，不仅方便督导老师、教学老师在任何有互联网地方进行操作，包括资源下载、在线巡课等工作，而实际视频资源、视频在线巡课的流量是直接访问校园网流媒体服务器。既满足了随时随地访问，又无需花费大量的云服务流量开销。同时，由于教学资源数据都存储在学校部署的服务器上，也保障了数据的安全性。
4.4 更低成本，适合大批量多媒体教室部署
当前多媒体教室上课，主要以电脑播放课件或黑板板书为主，因此教室流媒体设备只需能接入电脑画面即可，接口上可以简化到最常规接口（HDMI-IN*1+Line-IN*1），教室电脑画面通过HDMI接入，音频系统通过普通模拟音频线接入，老师、学生摄像头通过网络流接入，即可完成教室三个画面和音频的录制和在线巡课，整体架构简单，兼容教室原有电脑（无需性能要求）、安防摄像头、音频系统，建设成本低。128G存储能满足即使网络中断情况一周连续每天8节课的录制任务不丢失。
随着信息化的发展，通过电子信息化系统替代人工的一间间教室巡视，完成教学督导、巡检等工作，可以极大帮助督导中心主任提高对教学的巡检、教学指导效率，让督导中心主任更多时间关注课堂老师的教学方法本身，而不需花过多的时间在收集教学过程数据、教学素材等，及时的进行教学评价、教学反馈和调整。本文提出一种高效、低成本、操作简易的方案，使得高校常态化的督导巡课成为可能。
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