高清視頻在“云教室”的應(yīng)用

摘 要：隨著4G的來臨和高清晰度視頻和各種圖像數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸應(yīng)用，高清視頻會(huì)議和智能云終端系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用也日益廣泛，其先進(jìn)的技術(shù)為國家開放大學(xué)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代科技教育及開展遠(yuǎn)程教學(xué)的實(shí)現(xiàn)提供了高質(zhì)量的應(yīng)用平臺(tái)：本文以高清視頻會(huì)議系統(tǒng)產(chǎn)品的技術(shù)為例，結(jié)合國家開放大學(xué)和廣西廣播電視大學(xué)遠(yuǎn)程高清雙向視頻會(huì)議系統(tǒng)，探討闡述了云教室數(shù)字高清晰度視頻的關(guān)鍵技術(shù)原理和系統(tǒng)構(gòu)建的最新發(fā)展應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高清視頻；云教室；智能云終端

中圖分類號：G728

國家開放大學(xué)依托高水平IT終端的生產(chǎn)企業(yè)，研發(fā)構(gòu)建了國家開放大學(xué)云教室高質(zhì)量的視頻會(huì)議互聯(lián)學(xué)習(xí)終端，建造了強(qiáng)大的遠(yuǎn)程教育信息化的支撐云平臺(tái)，為全國電大用戶提供了學(xué)習(xí)支持與技術(shù)服務(wù)。因此對高清晰度遠(yuǎn)程雙向視頻會(huì)議系統(tǒng)、高清視頻和云教室智能云終端各體系的關(guān)鍵技術(shù)和理論進(jìn)行了解，便成為了我們當(dāng)前掌握和探索現(xiàn)代科技與教育技術(shù)的深度融合。

1 云教室高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)介紹

1.1 云教室高清視頻會(huì)議系統(tǒng)技術(shù)。云教室視頻會(huì)議軟件系統(tǒng)和視頻會(huì)議硬件系統(tǒng)是利用各種通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在不同的地方實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊。通過多點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向視頻數(shù)據(jù)通信的交流平臺(tái)；將會(huì)議、教學(xué)等人物的動(dòng)態(tài)圖像、影像、聲音及語音、文字圖片資料等送到各個(gè)用戶的會(huì)議系統(tǒng)終端上，對視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程監(jiān)控三大功能模塊等多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了支持整合。使得在不同地方的終端用戶可以共聚一處進(jìn)行多媒體通信的典型應(yīng)用系統(tǒng)。

視頻會(huì)議系統(tǒng)對于高清視頻傳輸技術(shù)來說，畫面的清晰度無疑是設(shè)備性能的首要考察方向。衡量圖像清晰度的標(biāo)準(zhǔn)是分辨率，單位是像素，分辨率越高，圖像越清晰。高清是在成像領(lǐng)域內(nèi)高質(zhì)量的象征，是一個(gè)完整的技術(shù)概念，從圖像采集、轉(zhuǎn)換、壓縮、傳輸、存儲(chǔ)、控制、顯示等一個(gè)完整的圖像處理流程。在H.323協(xié)議簇中，規(guī)定了視頻采集設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)采集分辨率CIF（Common Intermediate Format）=352×288像素。分辨率是常用的標(biāo)準(zhǔn)化圖像格式，傳統(tǒng)標(biāo)清系統(tǒng)和高清視頻系統(tǒng)相比，有著數(shù)十倍的變化。720p的分辨率是常用的標(biāo)準(zhǔn)化圖像格式分辨率的9倍，1080i/1080p的分辨率是CIF分辨率的20倍。對于高清視頻會(huì)議系統(tǒng)，必須要有一個(gè)整體的高清解決方案來支持完成，其關(guān)鍵的技術(shù)也必須要求符合實(shí)現(xiàn)各種遠(yuǎn)程傳輸?shù)募夹g(shù)條件。

1.2 支持高清圖像顯示格式的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。高清是數(shù)字電影成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美融合。即高清設(shè)備，高清格式，高清電視，高清電影等。視頻會(huì)議領(lǐng)域同樣也廣泛沿用了廣播電視的標(biāo)準(zhǔn)，高清晰視頻是DTV標(biāo)準(zhǔn)中最高的一種，將“高清”定義為逐行720p（1280×720）、隔行1080i（1920×1080）與逐行1080p（1920×1080）三種標(biāo)準(zhǔn)形式。高清圖像主要的兩個(gè)指標(biāo)分別是指分辨率和寬幅比。一種是可支持分辨率，是指電視內(nèi)部圖像驅(qū)動(dòng)芯片可以驅(qū)動(dòng)的圖像分辨力；另一種主要是物理高清分辨率，是看得到的實(shí)物指標(biāo)。另一個(gè)寬幅比即是屏幕縱橫比例為16：9，能增加臨場感和符合人眼觀看的習(xí)慣。數(shù)字電視的發(fā)展從1080i到720p再到1080p，都是一種格式。高清視頻的顯示格式主要有：H.264、WMA-HD、MPEG2-TS、MPEG4和VC-1等。

1.3 支持高清視頻壓縮模式的編解碼標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，是在MPEG-4技術(shù)基礎(chǔ)之上演變而來的，是目前應(yīng)用最為廣泛的視頻編解碼技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)上的高清格式基本都是基于H.264進(jìn)行編碼，高清視頻會(huì)議的發(fā)展過程基本上就是信息處理技術(shù)特別是視頻壓縮技術(shù)的發(fā)展過程，主要是針對各種媒體信息進(jìn)行壓縮和處理。具有H.264的編解碼高壓縮比作為高清視頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn)和高圖像還原質(zhì)量的視頻協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)才能支持高清視頻會(huì)議及通訊；才能夠?qū)⒁曨l圖像以最為真實(shí)的效果顯示出來，是不可缺的重要條件，其數(shù)據(jù)壓縮比已經(jīng)比傳統(tǒng)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)提升了至少1.5倍以上。其中視頻壓縮、圖像標(biāo)準(zhǔn)以及網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議在視頻會(huì)議當(dāng)中也必須要統(tǒng)一才能使得視頻會(huì)議實(shí)現(xiàn)高清。

視頻采集輸出的大量各種畫面圖形圖像，是一組數(shù)據(jù)量很大數(shù)據(jù)。而圖像數(shù)據(jù)是視頻傳輸中重要處理的技術(shù)對象，視頻壓縮技術(shù)，就是將圖像數(shù)據(jù)文件中占據(jù)著大量的存儲(chǔ)空間的各種冗余和不相關(guān)信息去除，為節(jié)省空間方便傳輸；這時(shí)就要進(jìn)行壓縮成小文件，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸。而視頻流傳輸業(yè)務(wù)隸屬于流特性業(yè)務(wù)，制作畫面圖形圖像是一種編碼壓縮模式，壓縮模式根據(jù)軟件的不同生成不同的壓縮方式，產(chǎn)生了各種圖像格式。因此壓縮技術(shù)包含幀內(nèi)圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、幀間圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和熵編碼壓縮技術(shù)。其次就是要解決在壓縮后視頻質(zhì)量保證的問題。既要有較大的壓縮比，又要保證有視頻壓縮后質(zhì)量的相互矛盾。H.264視頻壓縮技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)主要有幀內(nèi)預(yù)測編碼、幀間預(yù)測編碼、隔行編碼、整數(shù)變換編碼、量化、熵編碼。其編解碼流程主要包括：幀間和幀內(nèi)預(yù)測、變換和反變換、量化和反量化、環(huán)路濾波、熵編碼5個(gè)部分。其資源消耗的主要步驟分別是流處理，逆變換，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，去方塊濾波4個(gè)部分。

1.4 高清視頻會(huì)議通訊協(xié)議的技術(shù)?，F(xiàn)在所有的通信網(wǎng)絡(luò)都以IP技術(shù)為基礎(chǔ)，第3代移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連接速度最高可達(dá)每秒2兆，比目前快200倍。今后第4代技術(shù)的傳輸速度最高可達(dá)每秒100兆。目前對于視頻會(huì)議系統(tǒng)的通訊傳輸過程的實(shí)際應(yīng)用，都證實(shí)說明了網(wǎng)絡(luò)寬帶是一個(gè)不可或缺的因素。在對信息數(shù)據(jù)壓縮完畢之后，下一步的程序就是數(shù)據(jù)的傳輸。只有一定的傳輸帶寬才能保證高清音視頻包進(jìn)行傳輸，目前高清互動(dòng)視頻會(huì)議能達(dá)到的要求最低的數(shù)據(jù)高清傳輸帶寬速率為1Mbit/s以上。對保證視頻會(huì)議進(jìn)行期間穩(wěn)定的效果，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)圖像傳送，這必須有一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議在背后支持。

網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議通常包括國際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組（ITU-T）提出的H.323協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）提出的應(yīng)用層的信令控制協(xié)議（SIP）。H.323是基于TCP/IP協(xié)議之上，其標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)是目前應(yīng)用最為廣泛的，H.323建議中定義了4個(gè)主要的組件是終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)管理軟件和多點(diǎn)控制單元。所有的終端都必須支持語音通信，視頻和數(shù)據(jù)通信；必須支持H.245標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)用于控制信道使用情況和信道性能；網(wǎng)關(guān)是H.323系統(tǒng)的一個(gè)可選件；關(guān)守是H.323系統(tǒng)的一個(gè)可選組件，由軟件來完成管理功能；多點(diǎn)控制單元MCU（Multipoint Control Unit）實(shí)現(xiàn)了在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行多點(diǎn)通信，通過MCU使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.5 高清立體聲音頻的壓縮技術(shù)。H.323是目前視頻會(huì)議系統(tǒng)中應(yīng)用得最廣泛的協(xié)議，H.323音視頻協(xié)議技術(shù)的特點(diǎn)是帶寬管理視頻會(huì)議音頻傳輸對帶寬要求很高，44KHz的立體聲是高清音頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。通過提供帶寬管理來解決阻塞網(wǎng)絡(luò)這一問題。H.323音視頻協(xié)議能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)中并發(fā)的音視頻協(xié)議連接數(shù)以及H.323應(yīng)用可獲得的帶寬總量進(jìn)行限制。要求有1M以上的傳輸帶寬才能保證高清音視頻包達(dá)到很好的傳輸。

1.6 前端圖像信號采集和信號播放源的支持技術(shù)。前端的高清圖像采集，需要高清攝像機(jī)的支持。前端圖像信號的采集過程是圖象經(jīng)過采樣，即數(shù)字信號0和1量化以后將視頻源的模擬信號通過處理轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖象，由視頻采集芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳至臨時(shí)存儲(chǔ)器中，再由視頻壓縮芯片執(zhí)行壓縮算法，將龐大的視頻信號壓縮變小，最后并將這些壓縮后數(shù)字視頻信號信息輸入、存儲(chǔ)到幀存儲(chǔ)器上的過程。實(shí)時(shí)視頻會(huì)議所采集圖像質(zhì)量完全忠實(shí)于源信號，實(shí)時(shí)采集效果具有高分辨率、高清晰度、高保真的特點(diǎn)。前端圖像采集設(shè)備的攝像機(jī)和鏡頭是視頻應(yīng)用的前端設(shè)備，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備。是高清圖像采集部分和圖像處理部分的接口，前端信號的采集系統(tǒng)要采用統(tǒng)一架構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足高清圖像的前端采集。為獲得高分辨率圖像，需要配置16：9標(biāo)準(zhǔn)支持最低720p真實(shí)高清的攝像頭。

1.7 后端圖像顯示高清設(shè)備的支持技術(shù)。高清圖像屏幕幅型的比例為16：9，后端的圖像輸出顯示的是高清圖像信號才能顯示高清圖像。在系統(tǒng)的配置上，只有在16：9的顯示設(shè)備下，才能完全保證視頻質(zhì)量的逼真與現(xiàn)實(shí)。多點(diǎn)控制單元（MCU）必須是標(biāo)準(zhǔn)化（H.264）產(chǎn)品，各點(diǎn)是相同的MCU和視頻會(huì)議終端設(shè)備，這樣才能確保達(dá)到最佳的端到端性能。目前視頻會(huì)議產(chǎn)品形態(tài)主要分為兩個(gè)部分：多點(diǎn)控制單元和視頻終端。多點(diǎn)控制單元MCU它是視訊會(huì)議的核心部分，在H.323標(biāo)準(zhǔn)下，MCU由必不可少的多點(diǎn)控制器以及零個(gè)或多個(gè)多點(diǎn)處理器組成。

2 云教室高清視頻會(huì)議系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)案例

北海廣播電視大學(xué)云教室是國家開放大學(xué)基于云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的云教室，是國家開放大學(xué)云終端體系建設(shè)的教學(xué)環(huán)境重要組成部分；是在中央廣播電視大學(xué)物理框架的基礎(chǔ)上構(gòu)建的覆蓋全國的網(wǎng)絡(luò)云教室高清視頻會(huì)議互聯(lián)學(xué)習(xí)的終端系統(tǒng)；其構(gòu)建了“云教室、PAD、手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)電視、PC”等多終端融合的數(shù)字環(huán)境下高清晰度視頻教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)。是三位一體教室的終端體系建設(shè)的重要組成部分；其具有遠(yuǎn)程授課、視頻會(huì)議、考試監(jiān)控構(gòu)建的功能。云教室可以支持、滿足各種網(wǎng)絡(luò)條件下遠(yuǎn)程雙向高清視頻、網(wǎng)上實(shí)時(shí)教學(xué)、網(wǎng)上大規(guī)模直播教學(xué)、視頻監(jiān)控等，并具有互聯(lián)網(wǎng)出口及不同類型網(wǎng)絡(luò)接口，包括有線、無線（Wi-Fi、3G、4G）等。同時(shí)，云教室具備現(xiàn)代電子教室的全部功能，包括交互電子白板、短焦投影、實(shí)物投影、課堂錄播等。

云教室active class 3.0遠(yuǎn)程多媒體交互教學(xué)系統(tǒng)，采用mpeg-4/h.264視頻壓縮技術(shù)和g.7x語音壓縮技術(shù)，是一套基于tcp/ip、udp、rtp/rtcp/rsvp和multicast協(xié)議架構(gòu)，用于開展遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互教學(xué)和培訓(xùn)的純軟件統(tǒng)。active class 3.0系統(tǒng)基于web登錄模式，運(yùn)行在internet、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)、校園網(wǎng)中，通過音視頻廣播、屏幕廣播、課件同步、網(wǎng)頁同步、電子白板等功能，為學(xué)校和企業(yè)提供一個(gè)完整、統(tǒng)一的遠(yuǎn)程教育、異地培訓(xùn)的網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)解決方案。云教室終端的“Cisco TelePresence Quick Set C20視頻會(huì)議系統(tǒng)”是基于最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（ITU-T、H.264SVC）創(chuàng)建的高清視頻會(huì)議系統(tǒng)。

圖1 北海云教室高清視頻會(huì)議系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

云教室的CISCO SX20視頻會(huì)議系統(tǒng)的高清終端設(shè)備其主要特色是集時(shí)尚輕巧外觀與強(qiáng)大功能于一體的視頻通信系統(tǒng)，不僅具備了與思科C系列1080P高清終端相同的通信能力，更支持超高清1080P 60幀超流暢畫質(zhì)，具有4倍變焦與12倍變焦兩種鏡頭可供選擇。是業(yè)界領(lǐng)先的超高清60幀圖像質(zhì)量；其支持1080P 60幀的視頻會(huì)議終端，長時(shí)間參加30幀視頻會(huì)議視覺不會(huì)疲勞，可以使畫面更連貫效果更完美。利用強(qiáng)大內(nèi)置MCU，輕松創(chuàng)建小型多方會(huì)議。SX20配備思科自行研發(fā)的最新一代1080P高清攝像機(jī)—思科Precision 1080P，它具有目前視頻通信業(yè)界最佳的視頻效果，能隨時(shí)捕捉到傳神的視頻圖像。并且具有清晰的CD級音頻體驗(yàn)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)雙流功能。思科提供20KHz CD級別的寬頻音頻算法MPEG4 AAC-LD，提供了CD級清晰傳神的立體聲音頻體驗(yàn)。在用戶視頻會(huì)議項(xiàng)目中，不僅需要實(shí)現(xiàn)1080P視頻通信，還需實(shí)現(xiàn)高分辨率的數(shù)據(jù)雙流通信效果。思科SX20高清編解碼器符合ITU-T H.239、IEFT BFCP數(shù)據(jù)雙流標(biāo)準(zhǔn)，可隨時(shí)發(fā)送PC和高清視頻源的數(shù)據(jù)雙流。SX20還提供了簡單易用的菜單，使用遙控器或思科獨(dú)創(chuàng)的Intouch觸摸屏即可輕松完成所有的會(huì)議操作，并配置10/100/1000MB自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。

目前高清視頻會(huì)議已經(jīng)進(jìn)入了云計(jì)算時(shí)代，其根本理念是指通過網(wǎng)絡(luò)提供給用戶所需的計(jì)算力、存儲(chǔ)空間、軟件功能和信息服務(wù)等，使用戶終端簡化成一個(gè)單純的輸入輸出設(shè)備，并能按需享受“云”的強(qiáng)大計(jì)算處理能力。本系統(tǒng)體系的智能云終端，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控體系具有根據(jù)各類考試考點(diǎn)的需求、調(diào)用功能。監(jiān)控體系按照標(biāo)準(zhǔn)配備考場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，兼容其他專業(yè)的高清攝像機(jī)，高清切換臺(tái)所傳來的圖像。利用視頻會(huì)議方便地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)考試與考試監(jiān)控等現(xiàn)場監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多功能控制及數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程視頻調(diào)焦、遠(yuǎn)程云臺(tái)控制等等。

3遠(yuǎn)程高清視頻會(huì)議教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)案例

廣西電大高清視頻會(huì)議系統(tǒng)設(shè)備是深圳捷視飛通公司提供Rights的產(chǎn)品和高清硬件系統(tǒng)與軟視頻融合的方案。其系統(tǒng)組網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)原理框圖模塊如下圖2：

圖2 廣西電大遠(yuǎn)程高清視頻會(huì)議系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

在北海電大多媒體教室設(shè)置1臺(tái)全高清MCV2000視頻終端，全區(qū)106個(gè)媒體教室一共設(shè)置500多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)高清視頻通訊系統(tǒng)（NetMedia）軟視頻終端，省電大網(wǎng)絡(luò)中心，采用4臺(tái)MCV 8000 MCU服務(wù)組建具有強(qiáng)大媒體處理能力的分布式服務(wù)集群。MCV2000NE高清會(huì)議室終端，支持1路720P及1路4CIF視頻輸入。本產(chǎn)品采用嵌入式操作系統(tǒng)與能力出眾的專用數(shù)字信號處理器DSP（Digital Signal Processing）處理卡相結(jié)合的技術(shù)，為NetMedia組網(wǎng)用戶提供超強(qiáng)的會(huì)議室交互綜合多媒體視頻應(yīng)用。MCV2000NE高清會(huì)議室終端采用了多項(xiàng)音頻、視頻、數(shù)據(jù)處理的專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集視頻交互、音頻交互、電子白板、文檔共享、屏幕共享、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程協(xié)助、交流、媒體共享、資料分發(fā)、會(huì)議錄制等多項(xiàng)功能于一體的綜合多媒體遠(yuǎn)程會(huì)議平臺(tái)。構(gòu)建本系統(tǒng)會(huì)議平臺(tái)采用的是先進(jìn)的云計(jì)算技術(shù)，其信息傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性都得到了極大的提高。

4 結(jié)束語

北海廣播電視大學(xué)是首批基層電大運(yùn)用高清晰度視頻系統(tǒng)開展教學(xué)的示范性點(diǎn)。運(yùn)用高清晰度視頻會(huì)議系統(tǒng)來開展教學(xué)，是國家開放大學(xué)探索教育、創(chuàng)新技術(shù)環(huán)境的需求和技術(shù)實(shí)現(xiàn)可行性與可擴(kuò)展性教育培訓(xùn)的模式。高清晰度視頻會(huì)議系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的虛擬體系會(huì)議系統(tǒng)，隨著三網(wǎng)融合進(jìn)程的加速以及第4代（4G）“信息高速公路”網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來，高清視頻會(huì)議系統(tǒng)技術(shù)在各方面的應(yīng)用也會(huì)得到更好的發(fā)展和完善。

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作者簡介：郭庚雄（1956.08-），男，廣西合浦人，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用、電子視頻技術(shù)。

作者單位：北海市廣播電視大學(xué)信息技術(shù)科，廣西北海 536000

基金項(xiàng)目：本文來源廣西廣播電視大學(xué)項(xiàng)目研究課題，項(xiàng)目名稱：《數(shù)字化手段提升北部灣社區(qū)教育功能理論與實(shí)踐研究》（項(xiàng)目編號：2012JGA265）。