精品課程錄播系統(tǒng)功能分析與展望

蔣溢君，王文明

（浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，浙江 杭州 310024）

精品課程錄播系統(tǒng)功能分析與展望

蔣溢君，王文明

（浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，浙江 杭州 310024）

本文針對現(xiàn)在錄播系統(tǒng)生產(chǎn)廠家數(shù)量眾多、指標(biāo)規(guī)格紛繁復(fù)雜的實際情況，將普遍應(yīng)用的錄播系統(tǒng)的主要性能進(jìn)行了歸納和分析，尤其在攝像機(jī)跟蹤定位、播放模式、導(dǎo)播控制系統(tǒng)等幾個錄播系統(tǒng)關(guān)鍵的模塊進(jìn)行了比較分析，并明確指出相應(yīng)的缺點(diǎn)，提出改進(jìn)思路，為精品課程錄播系統(tǒng)生產(chǎn)廠家和潛在用戶提出了比較實際的建議。

錄播系統(tǒng)；攝像機(jī)跟蹤定位；導(dǎo)播控制系統(tǒng)；性能分析

一、引言

教育部于2003年下發(fā)《教育部關(guān)于啟動高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程精品課程建設(shè)工作的通知》（教高[2003]1號），精品課程建設(shè)正式啟動，精品課程錄播系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。[1]目前，全國共有超過30家的精品課程錄播系統(tǒng)生產(chǎn)廠家，不僅是高校，甚至中小學(xué)也大量地引進(jìn)了此類設(shè)備，廣泛地運(yùn)用在我們?nèi)粘５慕虒W(xué)活動中，為國家的新課改項目、國家重點(diǎn)發(fā)展的職業(yè)教育、遠(yuǎn)程教育提供了良好的平臺。

二、攝像機(jī)跟蹤定位

1.教師自動跟蹤定位系統(tǒng)

教師自動跟蹤定位系統(tǒng)是精品課程錄播系統(tǒng)的重要組成部分，其中板書的攝制，這個過程能讓老師更好地講解板書的內(nèi)容，同時也可以讓學(xué)生充分理解和記憶教師講解的知識點(diǎn)，教師的板書過程是一個循環(huán)證明過程，很多情況下不能用多媒體課件替代。目前教師自動跟蹤定位系統(tǒng)主要采用兩種模式：紅外跟蹤和超聲波定位。紅外跟蹤采用教師話筒發(fā)射紅外信號引導(dǎo)攝像機(jī)自動定位的方式，在黑板下方安裝紅外光帶解決教師轉(zhuǎn)身板書時紅外話筒被遮擋的問題，也有在教師背后同時安裝紅外發(fā)射器的做法。[2]這種方式的問題是當(dāng)戶外光線射入時，會導(dǎo)致跟蹤定位系統(tǒng)失靈，甚至投影儀背部的光線也能干擾跟蹤定位系統(tǒng)；講臺上無意放置的書包、水瓶也會在教師轉(zhuǎn)身時導(dǎo)致黑板下的紅外光帶發(fā)出錯誤的定位信號。超聲波定位方式是在教師活動范圍內(nèi)安裝若干個超聲波收發(fā)器，以此來確定攝像機(jī)的拍攝范圍。[3]這種方式的缺點(diǎn)是當(dāng)教師離開設(shè)計的活動范圍到學(xué)生中互動時，攝像機(jī)失去跟蹤目標(biāo)，只能以教室全景進(jìn)行替代；學(xué)生走上講臺與教師進(jìn)行互動時，攝像機(jī)也會因無法同時捕獲兩個目標(biāo)而產(chǎn)生錯誤。

圖形和人臉識別將是教師自動跟蹤定位的終極方案，人臉捕獲是指在一幅圖像或視頻流的一幀中檢測出人像并將人像從背景中分離出來，并自動地將其保存。[4]人像跟蹤是指利用人像捕獲技術(shù)，當(dāng)指定的人像在攝像頭拍攝的范圍內(nèi)移動時自動地對其進(jìn)行跟蹤。錄播系統(tǒng)通過對教師的臉部特征和衣著特征的識別，始終無誤的跟蹤教師而不受任何外界情況或課堂意外情況的干擾。

2.學(xué)生定位系統(tǒng)

我們看電影時，單一的鏡頭使我們昏昏欲睡，錄制完成的精品課程也遇到了同樣的問題。所以各個廠商努力設(shè)計一種鏡頭頻繁切換的系統(tǒng)，以提高課程的觀賞性，學(xué)生定位系統(tǒng)成為錄播系統(tǒng)不可缺失的一個部分。學(xué)生定位大多采用三種方式：一種是學(xué)生通過無線話筒的開關(guān)發(fā)射紅外信號引導(dǎo)攝像機(jī)跟蹤；[5]第二種是學(xué)生觸發(fā)安裝在課桌上的發(fā)射器引導(dǎo)攝像機(jī)；第三種是教師使用遙控器或計算機(jī)控制攝像機(jī)自動找尋設(shè)定的學(xué)生區(qū)域。

這三種方式顯然不是最理想的方式，無論哪種方式，或多或少都會讓教師和學(xué)生扮演導(dǎo)演的角色，從而影響整個課堂的教學(xué)效果。圖形識別成為無可替代的手段，錄播系統(tǒng)通過學(xué)生舉手起立回答問題的圖形變化，自動跟蹤和定位學(xué)生，并生成特寫鏡頭，以此獲得良好的觀賞效果。

三、播放模式

目前流行的播放模式為電影模式和三分屏模式。[6]所謂電影模式就是錄制完成的課程以單一的一個畫面播放，就像我們看電影一樣而得名，這種方式的缺點(diǎn)是當(dāng)我們的顯示屏幕受限時，無法同時看清投影畫面和板書，一般適合純板書授課的方式；三分屏模式是指錄制完成的課程以計算機(jī)屏幕、教師和板書、授課大綱三個屏幕顯示，若對其中一個屏幕感興趣，則可以點(diǎn)擊放大該圖像，缺點(diǎn)是最后形成的課件同時包含三個圖像內(nèi)容，造成文件過大，同時該課件無法以普通的單一視頻文件存在，而只能以包含多個文件的方式存在。應(yīng)該說電影模式是理想的播放模式，關(guān)鍵是要解決錄播系統(tǒng)如何準(zhǔn)確自動判別何時播放板書、何時播放計算機(jī)畫面的問題。

四、導(dǎo)播控制系統(tǒng)

導(dǎo)播控制系統(tǒng)是各個精品課程錄播系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的核心部分，教師授課、學(xué)生答問、交流互動、板書、課件、實物展示等多個教學(xué)場景的自動調(diào)度和切換，最終目的是脫離管理人員的干預(yù)。調(diào)度與切換應(yīng)以實際教學(xué)為基準(zhǔn)，總是能在恰當(dāng)?shù)臅r候?qū)嬅媲袚Q到需要的場景，形成最貼近課堂實況的教學(xué)資源，準(zhǔn)確表達(dá)教師的意圖。[7]該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

各個生產(chǎn)廠家都會在導(dǎo)播控制系統(tǒng)中建設(shè)自己的特色，其主要目的無非是實現(xiàn)各路視音頻信號的切換，一般通過微電腦實現(xiàn)。而在實際應(yīng)用中，通常用到的策略也不過數(shù)十條，所以有些生產(chǎn)廠家就予以了簡化處理。系統(tǒng)一般能夠?qū)崿F(xiàn)所謂的智能剪輯功能，遵循授課教師的授課過程和習(xí)慣，自動地根據(jù)教師在授課過程中對各種多媒體和授課計算機(jī)的使用情況與學(xué)生互動交流情況，智能地在教師、學(xué)生、課件之間進(jìn)行剪輯，從而形成最貼近授課實況的錄像。

有的系統(tǒng)除了支持全自動工作模式以外，必要時可以采用人工導(dǎo)播控制，使得錄制的課件更加完美，控制功能包括錄制的開啟、暫停、結(jié)束，任意畫面的選擇與切換，攝像機(jī)角度、焦距的調(diào)整等。[8]一種新興的后臺控制技術(shù)叫“所框即所得”技術(shù)，導(dǎo)播員在圖像上用鼠標(biāo)拖一個方塊，攝像機(jī)自動旋轉(zhuǎn)區(qū)域拍攝并調(diào)整合適的焦距，其旋轉(zhuǎn)和定焦一鍵完成，動作反應(yīng)迅速。另一種特效技術(shù)也將被推廣運(yùn)用，就是影片剪輯時常用的 “淡入淡出”、“卷頁”等特效手段，可極大地豐富授課過程錄像的表現(xiàn)力。

五、錄制效果參數(shù)

就像汽車的舒適程度通常和油耗互相矛盾一樣，錄制的清晰度和錄制文件傳輸所占用的資源也總是矛盾。一般清晰度高，傳輸時占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬也高。系統(tǒng)中圖形圖像工作站是系統(tǒng)的心臟，它將自動錄播剪輯機(jī)傳送過來的畫面進(jìn)行編碼處理，生成標(biāo)準(zhǔn)格式的資料。圖像編碼是現(xiàn)今高科技技術(shù)中的難點(diǎn)，各生產(chǎn)廠商均致力于提高系統(tǒng)生成圖像的分辨率同時降低傳輸碼率。

在不同碼流的情況下，錄制文件的大小不同，占用的儲存資源也不同，如表1所示。

表1 相應(yīng)碼流速下占硬盤空間量對照

不同的單位擁有不同的網(wǎng)絡(luò)資源，錄播系統(tǒng)一般具備選擇錄制效果的參數(shù)，如表2所示。

表2選錄效果參數(shù)

在激烈的市場競爭體制下，各生產(chǎn)廠商為提高錄制參數(shù)投入了大量的精力，一般畫面分辨率都能達(dá)到1024×768，最高32位色。在此前提下，關(guān)鍵是要觀察其畫面清晰流暢的程度，當(dāng)然這也和錄播主機(jī)的硬件性能以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)系。編碼后的數(shù)據(jù)需要控制在300Kbit/s~2Mbit/s，確保編碼后的畫面可以輕松地通過互聯(lián)網(wǎng)傳播到遠(yuǎn)程學(xué)生的面前，也可以記錄高清晰地數(shù)字畫面，作為珍貴資料保存。[9]

六、網(wǎng)絡(luò)性能

精品課程錄播系統(tǒng)一般都具備在網(wǎng)絡(luò)上直播和點(diǎn)播功能，視頻直播的核心技術(shù)是流媒體技術(shù)。所謂流媒體技術(shù)就是把連續(xù)的影像和聲音信息經(jīng)過壓縮處理后放到網(wǎng)站服務(wù)器上，讓不在現(xiàn)場的師生一邊觀看一邊下載，而不要等到整個壓縮文件下載到自己的計算機(jī)上才能觀看的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。[10]流媒體數(shù)據(jù)流具有三個特點(diǎn)：連續(xù)性、實時性、時序性，即其數(shù)據(jù)流有嚴(yán)格的前后時序關(guān)系。流媒體技術(shù)不是一種單一的技術(shù)，它是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及視音頻技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)上使用流媒體技術(shù)，需要解決流媒體的制作、發(fā)布、傳輸及播放等方面的問題，而這些問題需要利用視音頻技術(shù)來解決。

以太網(wǎng)由于其成本低、擴(kuò)展方便等特性，發(fā)展迅速，其帶寬越來越高位，為視頻信號的高質(zhì)量傳播帶來了方便。在視頻直播系統(tǒng)中，為解決多點(diǎn)視頻帶來帶寬瓶頸等問題，采用分布式流媒體服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)是一種較好的方法。流媒體服務(wù)器中的負(fù)載均衡系統(tǒng)是在基于LAN的分布式體系結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)的負(fù)載均衡,所有來自客戶端的請求被透明地分配到若干服務(wù)器上。對用戶而言,整個分布式系統(tǒng)仿佛是臺單一的邏輯服務(wù)器。這樣的集群系統(tǒng)能夠提供較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和較好的吞吐性能。從商業(yè)角度而言,不僅可以保護(hù)原來的投資,而且也可以通過廉價的集群系統(tǒng)獲得高性能計算機(jī)所能達(dá)到的處理性能。

目前流媒體技術(shù)雖然獲得廣泛的應(yīng)用，但還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。媒體文件必須經(jīng)過一定的編碼后才能生成直接在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的流格式文件。主流的流媒體技術(shù)包括微軟公司的Windows Media流媒體技術(shù)、Real Network公司的Real Net-work流媒體技術(shù)和Apple公司的Quick Time流媒體技術(shù)。一般認(rèn)為，由于微軟的操作系統(tǒng)具有最大的用戶群，采用Windows Media流媒體技術(shù)會帶來最大的方便。

七、結(jié)束語

精品課程錄播系統(tǒng)集成了自動化控制技術(shù)、攝像技術(shù)、音視頻編輯技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、流媒體技術(shù)，每種技術(shù)的缺陷都會影響最后的錄播效果，非常值得我們?nèi)パ芯亢陀懻?，同時圖形圖像識別技術(shù)、分布式流媒體服務(wù)器負(fù)載均衡技術(shù)、影視特技等新技術(shù)等的應(yīng)用和融合，使得錄播系統(tǒng)具備更加先進(jìn)的功能，做到真正的常態(tài)化教學(xué)并獲得優(yōu)質(zhì)教學(xué)資料。

[1]周貽春,鄭慶忠,陳佩妮.精品課程網(wǎng)絡(luò)實時錄播系統(tǒng)的應(yīng)用與維護(hù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2008,09:229-230.

[2]冀燕麗,王玉清.高校精品課程制作中自動錄播系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009,14:44-46.

[3]張飛碧.全自動智能錄播系統(tǒng)的架構(gòu)分析[J].中國電化教育,2008,8:104-108.

[4]張軍，黃忠毅，程樊啟.從教學(xué)過程的需求分析錄播系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].中國電化教育,2008,11：113-115.

[5]鄧文新.錄播系統(tǒng)在精品課程教學(xué)錄像制作中的應(yīng)用研究[J].中國電化教育,2008，5：101-103.

[6]左渠.課堂教學(xué)錄播技術(shù)的分析[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2008,11:16-18.

[7]朱鵬云.網(wǎng)絡(luò)視頻課件的實時自動錄播[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009,19:167-168.

[8]葉惠文,杜炫杰.精品課程錄播系統(tǒng)方案的設(shè)計與實施[J].中國電化教育,2009,9:111-114.

[9]陳宇璽,尹洪峰,程潔.網(wǎng)絡(luò)精品課程錄播平臺評測指標(biāo)研究[N].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2009，9:112.

[10]楊國威.課堂錄播技術(shù)的變革[J].中國教育信息化,2007,8:74-76.

（編輯：楊馥紅）

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1673-8454（2011）05-0083-03