高校課堂網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張志剛,白 然

（1.石家莊鐵道大學(xué)，河北石家莊，050043；河北師范大學(xué)，河北石家莊，050043）

近年來(lái)，高校教學(xué)信息化進(jìn)程日新月異，逐步實(shí)現(xiàn)教學(xué)管理自動(dòng)化，校園網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得以不斷推進(jìn)，并逐步滲透于各種教學(xué)核心資源，直接影響整個(gè)教學(xué)工作的開展。在流媒體和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)迅速發(fā)展的今天，如何借助于這一資源優(yōu)勢(shì)，拓展高校教學(xué)的時(shí)空范圍，增進(jìn)師生之間的互動(dòng)交流，方便教學(xué)管理，逐漸成為現(xiàn)代校園建設(shè)的重點(diǎn)問題。借此，本文準(zhǔn)備通過架設(shè)高校課堂網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)來(lái)全程收入整個(gè)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，為高校課堂教學(xué)提供寶貴的資料資源。相較于傳統(tǒng)的PPT和板書教學(xué)而言，多媒體錄播系統(tǒng)能夠方便快捷的實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源共享、突破時(shí)空限制、豐富教學(xué)途徑以及實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的人性化管理，有助于切實(shí)推進(jìn)高校教學(xué)實(shí)踐工作的更好開展。

1 網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)需求分析

與傳統(tǒng)教學(xué)方式不同，網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)旨在通過應(yīng)用現(xiàn)代多媒體和通信技術(shù)手段整合優(yōu)秀教學(xué)資源，對(duì)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)和教學(xué)課件進(jìn)行全方位的立體化再現(xiàn)，以學(xué)生為中心，節(jié)約教學(xué)資源是錄播系統(tǒng)的顯著特性。通過多媒體錄播系統(tǒng)的使用，可以更加便捷實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀教育資源的再利用，具有可操作、可保存、可重現(xiàn)的特點(diǎn)，具有實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用，多網(wǎng)合一的特點(diǎn)，這也代表了未來(lái)高校教育的發(fā)展趨勢(shì)。就網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，需具體做好如下具體環(huán)節(jié)的工作。

1.1 音頻資料采集與錄制

對(duì)于高校網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)架設(shè)而言，需要對(duì)教師授課過程中的動(dòng)作和聲音進(jìn)行采集和錄制，對(duì)此首先要配置好相應(yīng)的輸入設(shè)備，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭視頻的采集和現(xiàn)場(chǎng)音頻資料的錄制，實(shí)時(shí)捕捉保存好攝像頭所采集的課堂畫面和聲音，同時(shí)應(yīng)根據(jù)視頻窗口調(diào)整其角度，以方便老師結(jié)合課堂教學(xué)實(shí)踐靈活采集課堂重要畫面。對(duì)此，目前主要采用配合以數(shù)字信號(hào)處理器的專門硬件設(shè)備，面對(duì)數(shù)字信息的不斷發(fā)展，VGA信號(hào)實(shí)時(shí)采集壓縮卡通過將輸入信號(hào)實(shí)時(shí)壓縮，有效解決了信號(hào)的失真和不連續(xù)問題。相比于傳統(tǒng)板書教學(xué)，音頻采集工具及時(shí)捕捉電腦桌面的變化，并以視頻格式保存下來(lái)，大大方便了學(xué)生課后自學(xué)和重溫功課，相對(duì)來(lái)說，桌面視屏主要保存的資料內(nèi)容為：屏幕圖像、鼠標(biāo)位置及狀態(tài)。

1.2 音頻文件資料傳輸

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在教師所使用計(jì)算機(jī)上都配備了麥克風(fēng)和攝像頭，將攝像機(jī)視頻、麥克風(fēng)音頻和機(jī)操作電腦屏幕數(shù)據(jù)編碼后通過以太網(wǎng)傳輸至服務(wù)器端，后者將其保存成多媒體教學(xué)視頻，并通過上述三路數(shù)據(jù)傳輸給學(xué)生。考慮到整個(gè)數(shù)據(jù)采集過程需要占據(jù)較大系統(tǒng)資源，對(duì)此建議在一臺(tái)獨(dú)立的服務(wù)器上開展錄制工作。對(duì)于錄播系統(tǒng)的功能使用而言，要能讓學(xué)生最大限度瀏覽各項(xiàng)課程，既可以通過特定多播組實(shí)時(shí)收看正在進(jìn)行的課程，也可以下載或者在線收看已經(jīng)錄制好的課程，以網(wǎng)站形式實(shí)現(xiàn)與學(xué)生互動(dòng)。對(duì)此，可采用基于三層B/S模式來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)：表示層，用以實(shí)現(xiàn)與用戶的交互功能；功能層，起到承上啟下的關(guān)鍵銜接作用，完成對(duì)用戶需求信息的接收、請(qǐng)求和反饋；數(shù)據(jù)層，完成對(duì)基本數(shù)據(jù)的增、刪、改操作，接收功能層的請(qǐng)求并返回結(jié)果。

1.3 音頻資料后期編輯與管理

受現(xiàn)場(chǎng)錄播條件的限制，或是教師自身原因，或是受其他主客觀因素影響，所錄制課件在后期都要進(jìn)行不斷完善，因此，高校網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)也必須具備后期編輯和管理功能，使用專業(yè)的視頻軟件對(duì)前期收集的視頻資料進(jìn)行加工編輯，力求做到內(nèi)容與聲音的同步、真實(shí)和完整。隨著該系統(tǒng)的不斷完善和使用，其累積資料也會(huì)越來(lái)越多，因此，如何方便有效的管理這些寶貴的教學(xué)資源，也成為一個(gè)亟待解決的問題，需要積極發(fā)揮軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的整合管理作用，配備專門的管理人員，對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，做好相關(guān)資料的管理和分類，便于學(xué)生查詢點(diǎn)播。

2 網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

對(duì)于高校課堂教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，基于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)主要用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和功能集成，從傳統(tǒng)的教學(xué)模式向Web互聯(lián)網(wǎng)模式發(fā)展，在此必須充分考慮通訊模式改變所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)管理需求，以便實(shí)現(xiàn)安全、高效、穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展需求。作為現(xiàn)代高效教學(xué)工作轉(zhuǎn)型升級(jí)的一項(xiàng)重要工具，網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵守如下原則開展落實(shí)相關(guān)工作：先進(jìn)性，使得開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠很好的與其他設(shè)備形成相互兼容，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)用于改進(jìn)高校教學(xué)工作；可靠性，應(yīng)切實(shí)提高應(yīng)變能力和容錯(cuò)機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的備份和改進(jìn)故障恢復(fù)工作；安全性，結(jié)合現(xiàn)代通訊技術(shù)特征調(diào)整提升數(shù)據(jù)安全性，防止數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生丟失和毀損現(xiàn)象，與此同時(shí)，還應(yīng)使其具備網(wǎng)絡(luò)管理性、局域網(wǎng)擴(kuò)展性能、廣域網(wǎng)優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性原則。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)全自動(dòng)化的設(shè)想要求，確定本體統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)安排如下：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

在正常使用中，該系統(tǒng)有如下四個(gè)場(chǎng)景系統(tǒng)：教師、學(xué)生、板書和課件，分別由攝像機(jī)、拾音設(shè)備、板書定位及各種場(chǎng)景采集外設(shè)，將學(xué)生互動(dòng)終端場(chǎng)景信息采集后上傳至錄播場(chǎng)景調(diào)度控制機(jī)，后者基于智能化的調(diào)度策略對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行預(yù)處理，將最佳場(chǎng)景提供給錄播主機(jī)施以高質(zhì)量的壓縮編碼，最終形成模式化的多媒體課堂教學(xué)資料，并由多媒體設(shè)備提供轉(zhuǎn)換、直播、編輯、存儲(chǔ)、點(diǎn)播等功能操作。

2.3 網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)場(chǎng)景分析

對(duì)于該網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)而言，在架設(shè)過程中主要涉及到教師、學(xué)生、板書和課件四個(gè)場(chǎng)景的相關(guān)內(nèi)容，在此，對(duì)其做詳細(xì)介紹如下：教師場(chǎng)景，分別由定位、拾音和攝像構(gòu)成，定位系統(tǒng)主要用于跟蹤教師場(chǎng)景內(nèi)的位置移動(dòng)，及時(shí)向其提供位置信息，攝像機(jī)則依據(jù)定位系統(tǒng)的信息指示調(diào)整場(chǎng)景，準(zhǔn)確記錄教師的語(yǔ)言、表情和肢體動(dòng)作，拾音系統(tǒng)則記錄教師的授課聲音；學(xué)生場(chǎng)景系統(tǒng)，通過無(wú)指向拾音設(shè)備和智能調(diào)度系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取學(xué)生聽課、回答和交流的互動(dòng)場(chǎng)景，通過互動(dòng)處罰終端進(jìn)行相應(yīng)的錄制工作。板書系統(tǒng)主要由場(chǎng)景定位和攝像系統(tǒng)構(gòu)成，借此真實(shí)準(zhǔn)確的記錄好半數(shù)的文字、圖形和表格內(nèi)容；課件場(chǎng)景，主要由電腦、電子白板、投影儀、DVD和中控設(shè)備構(gòu)成，通過這些設(shè)備的協(xié)力配合實(shí)現(xiàn)在不同場(chǎng)景之間的相互切換，甚至可以將多媒體信息調(diào)度至當(dāng)前場(chǎng)景中加以錄制，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)準(zhǔn)確的記錄整個(gè)課堂教學(xué)過程。

3 網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)

在做好上述需求分析和總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)積極著手于物理平臺(tái)建設(shè)和系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)方面積極落實(shí)相關(guān)工作。

3.1 物理平臺(tái)建設(shè)

結(jié)合網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)的功能需求，在物理平臺(tái)建設(shè)方面應(yīng)著重從圖像和聲音兩方面落實(shí)相關(guān)工作，建設(shè)好相應(yīng)的多媒體錄播教室，分別包含媒體教室：中控、講臺(tái)、展臺(tái)、筆記本和投影機(jī)，圖像采集、VGA采集、跟蹤檢測(cè)、拾音、擴(kuò)音、網(wǎng)絡(luò)直播、B/S架構(gòu)以及系統(tǒng)資源管理等模塊構(gòu)成。在對(duì)教師授課視頻資源進(jìn)行采集時(shí)，主要實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，以便實(shí)現(xiàn)后續(xù)數(shù)字化編輯、處理和存儲(chǔ)，在對(duì)應(yīng)編碼方式的選擇上通常結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行靈活選擇，在前后臺(tái)編碼時(shí)常用的硬件設(shè)備有DVD，必要時(shí)也可以選用專業(yè)編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便降低系統(tǒng)處理的復(fù)雜性。在圖像處理方面，需使用VGA采編和視頻采集模塊，并預(yù)先裝好課堂錄播和網(wǎng)絡(luò)直播的平臺(tái)軟件。對(duì)于錄播聲音系統(tǒng)，可考慮適當(dāng)加大聲音采集方面的探討和建設(shè)力度，不斷改善錄播課件的聲音質(zhì)量。

3.2 軟件支持

在Windows XP平臺(tái)下，主要使用如下幾種軟件進(jìn)行相關(guān)開發(fā)工作：Internet網(wǎng)絡(luò)體系，以便實(shí)現(xiàn)更廣范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)資源共享；Microsoft Visual Studio，用以創(chuàng)建Windows平臺(tái)下的應(yīng)用程序，對(duì)于客戶端和服務(wù)器端的軟件設(shè)計(jì)主要使用其中的C++來(lái)實(shí)現(xiàn)；ASP.net，主要用于錄播系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)課程部分審計(jì)；SQL SERVER 2005，用于數(shù)據(jù)資源信息的存儲(chǔ)；Microsoft DirectX 9.0 SDK，主要使用其包含的DirectShow 集成開發(fā)環(huán)境；Windows Media Format 9.5 SDK，主要用于視頻格式的配置。此外，在開發(fā)環(huán)境配置方面，還使用了Windows Media Format 9.5 SDK和Microsoft DirectX 9.0 SDK這兩個(gè)開發(fā)包。

3.3 錄播系統(tǒng)主要模塊的實(shí)現(xiàn)

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)視頻、音頻的錄制處理是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其具體功能實(shí)現(xiàn)又包括檢測(cè)與連接、系統(tǒng)登錄、權(quán)限判斷和功能操作四個(gè)方面，主要流程為系統(tǒng)登錄后進(jìn)行儀器設(shè)備檢測(cè)，同時(shí)做好參數(shù)配置和通道連接，確保各子系統(tǒng)能正常工作，并借助COM組件來(lái)體現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，如表1所示：

表1 錄制系統(tǒng)的主要功能類/接口

在攝像機(jī)視頻采集模塊，又分為視頻錄制和視頻傳輸兩個(gè)模塊，對(duì)應(yīng)的成員變量主要有Filter管理類、控制類和事件類的程序包，以及Filter輸入、輸出、輔助組建和配置profile構(gòu)成。對(duì)于桌面屏幕的捕捉，主要由Filter輸入、輸出、管理類、控制類和事件類以及音頻輸入Filter構(gòu)成，共同組建構(gòu)成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)錄播體統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)代高校課堂教學(xué)實(shí)踐中，網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)作為信息化發(fā)展的產(chǎn)物，對(duì)促進(jìn)改善高校課堂教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)產(chǎn)生了非常積極的影響，有效突破傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中的時(shí)空限制和資源限制，能將優(yōu)秀教學(xué)資源更加形象、生動(dòng)、立體的展現(xiàn)在大家面前。隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)錄播系統(tǒng)也會(huì)得到進(jìn)一步認(rèn)可與推進(jìn)，進(jìn)而不斷推動(dòng)我國(guó)高?，F(xiàn)代教育事業(yè)的更好發(fā)展。

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