“十模塊”分析設(shè)計法與網(wǎng)上視頻課堂

李志剛

摘 要:智能集中控制系統(tǒng)、交互式數(shù)字白板、視頻會議系統(tǒng)、“數(shù)字法庭”系統(tǒng)、數(shù)字電影系統(tǒng)、數(shù)字告示系統(tǒng)、多媒體實時錄播系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng),等等,都是信息化音視頻系統(tǒng)的具體應(yīng)用模式。本文是基于北京大學(xué)某教學(xué)樓的信息化音視頻系統(tǒng)工程的建設(shè)實例,通過細(xì)致繪制出的“系統(tǒng)設(shè)備連接拓?fù)鋱D”,并運用音視頻系統(tǒng)的“十模塊”分析設(shè)計法進(jìn)行該工程案例的具體技術(shù)分析。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合流媒體技術(shù)將該套系統(tǒng)與北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂進(jìn)行整合,達(dá)到一加一大于二的增值效果和創(chuàng)新應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:北京大學(xué) 信息化音視頻系統(tǒng) 網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng) “十模塊”分析設(shè)計法 流媒體技術(shù)

中圖分類號:TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1673-8454(2009)13-0047-04

一、引言

二十一世紀(jì)是信息化時代,隨著計算機(jī)技術(shù),網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,人們的交流信息的形式和途徑變得豐富多彩,并且不再滿足于簡單傳統(tǒng)的文字、圖畫、聲音的交流,因此高質(zhì)量視頻的交流和信息傳播越來越受到重視與青睞。人們通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)已經(jīng)成為一種時尚,同時網(wǎng)絡(luò)視頻的豐富程度和利用網(wǎng)絡(luò)視頻進(jìn)行交流的實時性和清晰度也越來越受到人們的重視。這些都使人們對信息化音視頻系統(tǒng)、技術(shù)與設(shè)備具有很大的期望。

信息化音視頻系統(tǒng)是把計算機(jī)技術(shù)、音視頻技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和自動化控制技術(shù)合為一體,把多媒體系統(tǒng),流媒體系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系,將高質(zhì)量音視頻信息進(jìn)行展現(xiàn)和發(fā)布。目前,針對信息化音視頻系統(tǒng)的研究主要涉及視頻信號源與記錄重放技術(shù)與設(shè)備、視頻顯示設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和接口、信號分配、切換、轉(zhuǎn)換和處理技術(shù)與設(shè)備、視頻信號的傳輸技術(shù)和信號的控制技術(shù)等等。[1]

本文是基于北京大學(xué)某教學(xué)樓的信息化音視頻系統(tǒng)工程的建設(shè)實例,它兼具智能集中控制系統(tǒng)、多媒體實時錄播系統(tǒng)和視頻會議系統(tǒng)的典型特點。通過細(xì)致繪制出的“系統(tǒng)設(shè)備連接拓?fù)鋱D”,并運用音視頻系統(tǒng)的“十模塊分析設(shè)計法”進(jìn)行該工程案例的具體技術(shù)分析。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合流媒體技術(shù)將該套系統(tǒng)與北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂進(jìn)行整合,達(dá)到一加一大于二的增值效果和創(chuàng)新應(yīng)用?？梢哉f通過流媒體技術(shù)與視頻采集壓縮技術(shù)整合后聯(lián)動應(yīng)用的兩套系統(tǒng),實現(xiàn)了網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)從低質(zhì)量的攝像頭圖像到高質(zhì)量實時的攝像機(jī)圖像傳輸?shù)妮^大轉(zhuǎn)變,是一項具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義和參考價值拓展研究。

二、“十模塊”分析設(shè)計法

信息化音視頻系統(tǒng)由多種多樣的信息化音視頻設(shè)備有機(jī)地組合而成,主要包括前端設(shè)備、外圍設(shè)備、傳輸設(shè)備和終端設(shè)備。比如,攝像機(jī)和視頻展臺就是典型的前端設(shè)備,矩陣切換器和信號處理器就是典型的外圍設(shè)備,同軸電纜、雙絞線和光纖就是典型的傳輸設(shè)備,投影機(jī)和磁帶錄像機(jī)就是典型的終端設(shè)備。

而這里筆者要談的信息化音視頻系統(tǒng)的“十模塊”主要包括視頻攝像與控制模塊、視頻切換復(fù)合模塊、計算機(jī)視頻轉(zhuǎn)換處理模塊、音頻發(fā)射接收模塊、音頻切換復(fù)合模塊、音頻降噪模塊、音視頻監(jiān)視預(yù)覽模塊、音視頻復(fù)合錄制模塊、流媒體壓縮發(fā)布模塊、音視頻同步模塊。這十個模塊主要由上面的前端設(shè)備、外圍設(shè)備、傳輸設(shè)備和終端設(shè)備靈活有機(jī)地組合。

“十模塊”分析設(shè)計法就是根據(jù)音視頻設(shè)備的結(jié)構(gòu)、簡單原理、系統(tǒng)集成和工程設(shè)計等方面的綜合知識,按照架設(shè)系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要目的,全部或者部分選擇“十模塊”進(jìn)行集成,最終達(dá)到系統(tǒng)要實現(xiàn)的重要功能。其中,“十模塊”分析設(shè)計法的核心是系統(tǒng)信號和設(shè)備拓?fù)鋱D,以及關(guān)鍵的外圍設(shè)備的選擇與功能分析。

三、使用“十模塊”分析設(shè)計法進(jìn)行北京大學(xué)某教學(xué)樓系統(tǒng)的實例分析

該系統(tǒng)的主要功能相當(dāng)于一套實時錄播系統(tǒng),主要實現(xiàn)北京大學(xué)部分精品課程視頻的錄制與視頻課件的轉(zhuǎn)換功能。使用“十模塊”分析設(shè)計法分析該系統(tǒng)的信號和設(shè)備拓?fù)鋱D如圖1所示,具體來說:

圖中的3臺視頻攝像機(jī)和1臺攝像機(jī)控制器屬于視頻攝像與控制模塊;圖中的1臺視頻切換與數(shù)字特技臺屬于視頻切換復(fù)合模塊;圖中的1臺視頻掃描轉(zhuǎn)換器則主要完成計算機(jī)視頻轉(zhuǎn)換處理模塊的功能,該設(shè)備屬于重要的外圍設(shè)備,主要實現(xiàn)將計算機(jī)的VGA格式視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字的SDI格式視頻信號;圖中的2臺無線麥克和1臺無線傳聲調(diào)諧器屬于音頻發(fā)射接收模塊;圖中的1臺調(diào)音臺則主要完成音頻切換復(fù)合模塊的功能;圖中的1臺反饋抑制器屬于音頻降噪模塊;圖中的1臺或多臺畫面監(jiān)視器屬于音視頻監(jiān)視預(yù)覽模塊;圖中的1臺錄像機(jī)和1臺精品課程錄播機(jī)組成音視頻復(fù)合錄制模塊;圖中的1臺課件錄播服務(wù)器則完成流媒體壓縮發(fā)布模塊的任務(wù),這臺服務(wù)器中安裝有一塊流媒體視頻采集壓縮卡,主要完成視頻的壓縮轉(zhuǎn)換功能;音視頻同步模塊的功能則由上面講到的視頻切換與數(shù)字特技臺和調(diào)音臺的內(nèi)同步設(shè)置來完成。

下面從實際工程使用的重點設(shè)備的角度來進(jìn)行系統(tǒng)的具體分析,該系統(tǒng)的視頻攝像與控制模塊,主要采用松下公司的AW-E650MC、AW-PB504MC、AW-PH360MC、AW-LZ16MD73MC攝像機(jī),如圖2所示,以及AW-RP555MC云臺控制器,采用AW-PS300AMC,AWPS505AMC電源適配器分別為他們供電,這種攝像機(jī)有如下主要優(yōu)點:

1/2 英寸 3CCD優(yōu)質(zhì)圖像;水平分辨率850線;信噪比63dB(DNR ON)PAL;高靈敏度2000lux,F14。另外,在該模塊中這三臺攝像機(jī)都提供高清數(shù)字輸出SDI接口,并配合云臺使用為視頻的采集提高了靈活度和視頻的質(zhì)量。

該系統(tǒng)的視頻切換復(fù)合模塊,則主要采用松下AV-HS300多格式現(xiàn)場切換臺,它的功能十分豐富。這里不加累述,但要說明的是AV-HS300提供的豐富接口(如圖3所示)滿足了我們這套系統(tǒng)所需要的高清視頻的輸入輸出。

需要重點說明的是該系統(tǒng)的計算機(jī)視頻轉(zhuǎn)換處理模塊,該模塊主要選擇了Scan Do?誖Pro II 視頻掃描轉(zhuǎn)換器,如圖4所示。此設(shè)備是比較先進(jìn)的,提供的超級處理功能與專業(yè)的廣播電視相關(guān)的特性和接口,主要實現(xiàn)將計算機(jī)顯示器的VGA信號視頻輸出轉(zhuǎn)換為NTSC/PAL的SDI串行數(shù)字視頻。

這種SDI格式的視頻信號輸出,正是我們這套系統(tǒng)在設(shè)計之初就追求使用的主要的數(shù)字音視頻信號標(biāo)準(zhǔn)。目前,從標(biāo)清視頻向高清視頻升級轉(zhuǎn)換正是信息化音視頻系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。我們這套系統(tǒng)也正契合了當(dāng)前的主流趨勢,具有很好的前瞻性和應(yīng)用價值。

另外,該套系統(tǒng)的流媒體壓縮發(fā)布模塊,所用的關(guān)鍵設(shè)備是課件錄播服務(wù)器,該服務(wù)器上連接有Osprey 500 DVPRO 視頻采集卡如圖5所示。該卡是一種能傳輸未壓縮的數(shù)字或模擬的視音頻信號到微軟的Windows Media應(yīng)用程序的單插卡,它的硬件數(shù)字影像預(yù)處理功能可以顯著地提高傳送程序所傳送的影像質(zhì)量。我們曾經(jīng)使用的是Osprey 210視頻采集卡。

兩者的區(qū)別主要在于后者主要實現(xiàn)模擬信號的壓縮輸出,而前者則是高清晰度信號的輸出。輸出的視頻主要儲存于課件錄制服務(wù)器中。該服務(wù)器上安裝流媒體編碼軟件和視頻課件錄制軟件,可以滿足流媒體發(fā)布的需求和高質(zhì)量視頻課件的實時制作。流媒體發(fā)布是利用錄播系統(tǒng)來實現(xiàn)音視頻信息實時點播和直播的重要功能,也是目前“錄播”系統(tǒng)兼具“錄”和“播”雙重功能與傳統(tǒng)的“錄制”系統(tǒng)單純“錄”的重要區(qū)別。

此外,該系統(tǒng)還采用了很多重要的設(shè)備,包括Sony LMD-1420、LMD-5320多畫面監(jiān)視系統(tǒng),DSR-45A編輯錄像機(jī),調(diào)音臺YAMAHA-MG-124CX,Sony MB-8N調(diào)諧器基礎(chǔ)單元,SONY AN-820A UHF天線,SONY的數(shù)字反饋抑制器SRB-FR300等。之所以選用上述設(shè)備,一方面是滿足“十模塊”中其他模塊的功能實現(xiàn),更根本的是上述設(shè)備都符合設(shè)計系統(tǒng)前定下的要使系統(tǒng)的傳輸信號滿足“高清”標(biāo)準(zhǔn)的原則。

最后再說明一點的是,由于系統(tǒng)中所采用的DVI數(shù)字視頻信號在傳輸距離上有限制,因為DVI信號的傳輸距離通常為5~7m,所以系統(tǒng)在前端設(shè)備——多媒體計算機(jī)DELL-745上加入了CM1-201SA-TR光纖傳輸器,主要用于解決DVI圖像長距離或超長距離高速傳輸設(shè)備,并解決了數(shù)據(jù)安全、抗磁干擾等問題。

四、網(wǎng)上視頻課堂與通過“十模塊”分析設(shè)計法實現(xiàn)的音視頻系統(tǒng)的成功對接

借助流媒體技術(shù),我們只在該系統(tǒng)的課件錄制服務(wù)器上連接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,并配置一套流媒體服務(wù)器系統(tǒng),就可以將音視頻信息在Internet上實時發(fā)布出去,真正實現(xiàn)音視頻信息的實時傳播。

同樣,依托流媒體技術(shù)和Flash Media Server技術(shù)架構(gòu)的北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng),通過上面音視頻信息的導(dǎo)入,可以實現(xiàn)網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)從低質(zhì)量的攝像頭圖像到高質(zhì)量實時的攝像機(jī)圖像傳輸?shù)妮^大轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)兩套系統(tǒng)的融合使用,達(dá)到一加一大于二的增值效果和創(chuàng)新應(yīng)用。

網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)(Connect Server)的主要功能之一是提供多個用戶參與的實時網(wǎng)絡(luò)視頻會議。該視頻會議包含各種顯示面板(窗格)和組件,具有多個預(yù)置的會議室布局,也可以自定義布局以滿足需要。會議室使得多個用戶或與會者能夠共享計算機(jī)屏幕或文件,聊天,廣播實時音頻和視頻,以及參加其他互動在線活動,如學(xué)生發(fā)言,教師提問,學(xué)生回答提問,相互交流討論等。

下面,以北京大學(xué)校本部與北京大學(xué)深圳研究生院的在線遠(yuǎn)程教學(xué)為例來說明上面兩套系統(tǒng)是如何融合在一起的。假設(shè),北京大學(xué)的教授在校本部的一間多媒體教室講課,深圳研究生院的一間多媒體教室內(nèi)有所有聽課的學(xué)生,學(xué)生準(zhǔn)備好通過網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng),來實時聽這位教授的講課,同時可以與教授進(jìn)行課堂交互。教授和學(xué)生同時進(jìn)入到網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)中,而我們上面重點分析的實時錄播系統(tǒng)則提供了豐富的音視頻信息來實現(xiàn)真實教室的視頻同步輸出。與在真實教室上課不同的是,上課的老師和學(xué)生在同一時間內(nèi)是在相距甚遠(yuǎn)的異地,老師和學(xué)生的交流是通過多媒體計算機(jī)的幫助完成的,并且上課的場景可以實時錄制、存儲,為以后的教學(xué)研究提供了極大的方便。

圖6是兩套系統(tǒng)現(xiàn)實應(yīng)用的模擬示意圖。

圖7是使用網(wǎng)上視頻課堂系統(tǒng)和實時錄播系統(tǒng),進(jìn)行北京與深圳異地課程研討測試時真實記錄的效果圖。左上角視頻是深圳教室的現(xiàn)場情況(攝像頭視頻),左下角視頻是北京教室的現(xiàn)場情況(實時錄播系統(tǒng)的攝像機(jī)視頻,應(yīng)用“十模塊”分析設(shè)計法),右上角視頻是北京某辦公室現(xiàn)場情況(USB攝像頭視頻)。

除了上面兩套系統(tǒng)融合的拓展研究,隨著手機(jī)3G時代的來臨,可以考慮添加無線發(fā)布系統(tǒng)的拓展研究,讓流媒體的音視頻信息不再局限于有線發(fā)布,還可以利用藍(lán)牙、紅外和其他無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)、PDA和移動電視等主流移動媒體上,供教育和培訓(xùn)使用。這樣,一套基于硬件設(shè)備的實時錄播系統(tǒng)與基于流媒體技術(shù)的軟件系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用,他們的價值能夠得到更好體現(xiàn)。

五、結(jié)束語

北京大學(xué)教學(xué)網(wǎng)中的重要功能就是北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂,在視頻課堂中通常使用USB攝像頭的視頻導(dǎo)入來實現(xiàn)簡單的視頻交流。但是對于大型“公開課”的應(yīng)用模式,低質(zhì)量廣角小的USB攝像頭顯然無法滿足需要。而通過“十模塊”分析設(shè)計法實現(xiàn)的音視頻系統(tǒng)可以與網(wǎng)上視頻課堂成功對接,將教師現(xiàn)場的視頻實時高質(zhì)量地導(dǎo)入并傳輸,效果比較理想且能夠滿足多畫面切換的要求。

“十模塊”分析設(shè)計法是筆者經(jīng)過三年工作實踐總結(jié)出來的方法,認(rèn)為它是對信息化音視頻系統(tǒng)設(shè)計的一次模塊化“創(chuàng)新”,對于入門和從事設(shè)計系統(tǒng)工作時間不長的工程師將起到很好的幫助作用。該方法主要通過將系統(tǒng)設(shè)計中的共性問題進(jìn)行模塊化分類總結(jié),分塊設(shè)計后再集成,這樣會使得設(shè)計思路異常清晰,這樣設(shè)計出來的系統(tǒng),其擴(kuò)展性和改造性很強(qiáng)。筆者認(rèn)為該方法類似于程序編程中的“面向?qū)ο蟆本幊谭ㄖ小邦悺钡淖饔煤鸵饬x。今后,筆者將通過更多的實例分析詳細(xì)撰文,繼續(xù)探討。

總之,目前通過將北京大學(xué)網(wǎng)上視頻課堂與通過“十模塊法”分析設(shè)計法實現(xiàn)的音視頻系統(tǒng)的成功對接,使得兩個系統(tǒng)發(fā)揮了更大的價值,通過項目積累的經(jīng)驗將為后續(xù)工作提供很好的幫助,并具有一定的推廣價值。

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