視頻云服務(wù)在高校視頻教學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

楊炳華，楊海超

（云南開放大學(xué)（云南國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院），云南 昆明650500）

一、引言

近年來“互聯(lián)網(wǎng)+教育”發(fā)展較快，比達咨詢發(fā)布的《2018年中國在線教育行業(yè)發(fā)展報告》顯示，我國在線教育用戶規(guī)模達1.72億人，高校教育占在線教育細分領(lǐng)域38.3%，是最龐大的社會剛需[1]。在線視頻教學(xué)因能承載更多信息量，能給教學(xué)提供更好的參與感，是各高校發(fā)展遠程教育最典型的應(yīng)用和需求之一。

與此同時，國家高度重視云計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后出臺了《關(guān)于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導(dǎo)意見》《云計算發(fā)展三年行動計劃（2017-2019年）》等文件，經(jīng)多年發(fā)展，我國的云計算服務(wù)能力及應(yīng)用水平已達較高水平。視頻云服務(wù)也得到全方位發(fā)展，顛覆了傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)建設(shè)思路，大幅降低業(yè)務(wù)門檻。

本文對國內(nèi)視頻云服務(wù)行業(yè)的特點進行分析，研究以云服務(wù)的模式建設(shè)高校視頻教學(xué)平臺的思路和優(yōu)勢。

二、高校視頻應(yīng)用的需求及特點

1.高校視頻應(yīng)用需求

高校視頻應(yīng)用以解決教學(xué)需求為主，主要有教學(xué)視頻點播、在線視頻教學(xué)直播和在線互動教學(xué)直播三種。教學(xué)視頻點播是視頻點播 （VOD，Video on Demand）[2]的典型應(yīng)用，將教學(xué)視頻內(nèi)容預(yù)先錄制、編輯好，通過流媒體服務(wù)器供用戶自由點播，是最普遍的視頻教學(xué)應(yīng)用方式。在線視頻教學(xué)直播通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面向?qū)W員提供實時視頻直播教學(xué)，與點播的區(qū)別在于學(xué)員觀看到的是實時的遠端教學(xué)內(nèi)容。在線互動教學(xué)直播在視頻教學(xué)直播的基礎(chǔ)上，提供教師與學(xué)員、學(xué)員與學(xué)員之間的交互能力，包括文字、語音和視頻等互動形式。視頻互動教學(xué)直播具有最好的現(xiàn)場還原能力，用戶體驗最好，但實現(xiàn)成本、技術(shù)難度也最大。

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，高校視頻應(yīng)用的需求也在不斷擴大，視頻應(yīng)用成為高校一種重要的新興媒體。例如用于開展遠程視頻會議、遠程視頻教學(xué)研討，用于畢業(yè)典禮、校慶等活動的視頻直播和互動需求。

2.高校視頻應(yīng)用的特點

高校視頻應(yīng)用是互聯(lián)網(wǎng)視頻領(lǐng)域的一個細分應(yīng)用，具備互聯(lián)網(wǎng)視頻發(fā)展的所有特點，不斷從PC向移動化發(fā)展，音視頻質(zhì)量不斷提升，更加注重互動性，大量應(yīng)用人工智能技術(shù)。此外，還具有以下幾個特點：①數(shù)據(jù)量較大。音視頻已成為高校最主要的教學(xué)資源類型，每門課程甚至每一節(jié)課都需要視頻化，它們構(gòu)成了高校新的“知識庫”，是重要的無形資產(chǎn)，數(shù)據(jù)量相對較大。②要求支持多應(yīng)用系統(tǒng)。高校信息化應(yīng)用程度普遍較高，往往建有多種應(yīng)用系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)整合角度，視頻資源是高校重要的教學(xué)資源，需為所有應(yīng)用系統(tǒng)共享。因此視頻服務(wù)需面向多個應(yīng)用系統(tǒng)提供接入支持。③專業(yè)技術(shù)力量薄弱。音視頻服務(wù)涉及從網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲到應(yīng)用系統(tǒng)、軟件優(yōu)化、編解碼等各領(lǐng)域技術(shù)，對專業(yè)技術(shù)要求較高，而大部分高校的信息技術(shù)團隊在這方面是薄弱的。④成本投資敏感。音視頻系統(tǒng)的建設(shè)和運維投入較高，而高校的視頻應(yīng)用要考慮經(jīng)濟性、擴展性和延續(xù)性，對成本投資比較敏感。⑤安全保障要求高。除功能需求外，網(wǎng)絡(luò)信息安全是高校的首要指標(biāo)，一方面是平臺的網(wǎng)絡(luò)安全，另一方面是內(nèi)容安全。音視頻服務(wù)作為新興媒體形式，尤其是直播和互動直播，大大增加了內(nèi)容安全監(jiān)管的難度。

視頻應(yīng)用是高校推進教育信息化的重要組成部分，具有量大、多變等特點，對投資成本和管理成本比較敏感。因此，尋求一種可靠、高效、靈活、經(jīng)濟的音視頻服務(wù)體系可以幫助高?？焖俨渴鹨曨l應(yīng)用，將精力集中在頂層應(yīng)用設(shè)計和資源建設(shè)中。

三、傳統(tǒng)視頻系統(tǒng)建設(shè)痛點

成本高、難度大、周期長、淘汰快、風(fēng)險高是傳統(tǒng)視頻服務(wù)系統(tǒng)的痛點。要求校方建設(shè)機房、服務(wù)器、帶寬、視頻處理等所有系統(tǒng)，配備全棧技術(shù)人員。初期建設(shè)和后期人力成本非常高，且難度大、建設(shè)周期長、淘汰快。實際應(yīng)用中，所投資的計算、存儲和帶寬資源要么不夠用，要么長期未滿載運行，處于閑置狀態(tài)造成浪費。

以基于會議系統(tǒng)的互動直播平臺為例，需大量部署MCU（MulTI-point Control Unit多點控制單元）[3]和終端設(shè)備，要求各節(jié)點間提供高速、可靠的帶寬保障，開放多個專用TCP、UDP端口，限制了其使用范圍和效果。且由于技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)的限制，仍然會存在卡頓、延時等問題，用戶體檢較差。

四、視頻云服務(wù)

1.國內(nèi)視頻云服務(wù)市場發(fā)展現(xiàn)狀

我國互聯(lián)網(wǎng)在線視頻業(yè)務(wù)起步于2005年，典型代表是提供視頻內(nèi)容服務(wù)為主的土豆網(wǎng)、樂視網(wǎng)、優(yōu)酷網(wǎng)等。2015年，各種直播、短視頻App持續(xù)火爆，隨著云計算市場的發(fā)展，公有云廠商紛紛開始提供視頻云服務(wù)，2016年被稱為“直播元年”[4]。在此背景下，傳統(tǒng)視頻通訊廠商、主流云計算企業(yè)都開始提供視頻云服務(wù)，2016年也被稱為“云視頻元年”。2017年以來，圍繞視頻的云服務(wù)已經(jīng)非常豐富，服務(wù)能力涵蓋了IaaS、PaaS和SaaS[5]，各層都有完整、可靠的解決方案。

典型的視頻云服務(wù)商有三類：①主流云計算服務(wù)商，如騰訊云、金山云、阿里云、百度云等，依托其豐富I-aaS資源和服務(wù)能力，不斷向PaaS、SaaS層擴展，逐漸提供全棧視頻云服務(wù)。②專注于視頻云服務(wù)的廠商，如七牛云、網(wǎng)易云信、聲網(wǎng)等，以PaaS層服務(wù)為主。③面向行業(yè)、注重場景化應(yīng)用的SaaS層視頻云服務(wù)，如保利威、263企業(yè)通、小魚易連等。隨著市場和技術(shù)發(fā)展的需要，為緩解標(biāo)準(zhǔn)化、定制化之間的矛盾，各廠商不斷向其他層擴張，面向用戶提供“一籃子”服務(wù)，使得IaaS、PaaS和SaaS層的界限日益模糊。

2.視頻云服務(wù)的特點

視頻云服務(wù)相較于傳統(tǒng)建設(shè)模式，在成本、難度、周期等方面有絕對優(yōu)勢。

（1）低成本。主要體現(xiàn)在：①零基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本。無需建設(shè)機房、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)帶寬等，節(jié)省高昂資產(chǎn)投資。②低運維成本。省去基礎(chǔ)設(shè)施運維工作，節(jié)約人力成本。③按需按量付費?？筛鶕?jù)實際按需、按量彈性付費。④升級成本低。云服務(wù)的升級對用戶是透明的，用戶可隨時以服務(wù)方式選用最新技術(shù)，成本較低。⑤其他間接成本。因技術(shù)門檻、實施難度、運維難度下降，為用戶帶來大量間接經(jīng)濟效應(yīng)。

（2）高效率。云服務(wù)商提供全套、成熟的解決方案，可“即買即用”，項目實施周期可以天為單位推進，效率極高。

（3）技術(shù)先進。云服務(wù)商具有強大的資金、技術(shù)、人才整合能力，技術(shù)起點高，代表著行業(yè)最先進水平，保障了平臺的先進性、可靠性、穩(wěn)定性。如，大部分云平臺已開始提供人工智能、Quic[7]和 H.265[8]等前沿技術(shù)。

（4）功能豐富。視頻云服務(wù)提供點播、直播、互動直播等所有主流業(yè)務(wù)，功能豐富，覆蓋IaaS、PaaS、SaaS的全部能力。

（5）靈活性強。一是部署靈活，既可模塊化單選，也可購買整套成熟產(chǎn)品；二是支持彈性配置；三是計費方式靈活。

（6）擴展能力強。支持彈性升級、動態(tài)分配，資源擴展能力強。

3.如何實施視頻云服務(wù)項目

視頻直播的技術(shù)體系龐大、業(yè)務(wù)復(fù)雜，要求全面籌備和規(guī)劃作為保障。

（1）充分調(diào)研云服務(wù)市場。國內(nèi)現(xiàn)有各類視頻云服務(wù)廠商30余個，技術(shù)能力、業(yè)務(wù)側(cè)重、服務(wù)能力各有所長。需首先應(yīng)對云服務(wù)市場全面考察、充分調(diào)研。

（2）明確需求和目標(biāo)。視頻教學(xué)本身只是一種技術(shù)手段，并不能解決教學(xué)本質(zhì)的問題。應(yīng)結(jié)合自身特點和需求，以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，設(shè)計教學(xué)措施和方法，從而確定視頻教學(xué)的需求和目標(biāo)。

（3）產(chǎn)品選型。根據(jù)需求設(shè)計產(chǎn)品指標(biāo)、劃定產(chǎn)品選型。主要的選型依據(jù)包括：①性能。②功能完整性。③易用性。④支持能力。⑤節(jié)點及區(qū)域覆蓋。節(jié)點數(shù)量、覆蓋面通常與服務(wù)能力成正比。⑥服務(wù)商發(fā)展前景。⑦經(jīng)濟性。進行橫向?qū)Ρ?，?yōu)選最經(jīng)濟的廠商。

（4）明確商務(wù)模式。對于高校，按需分配、彈性消費等優(yōu)點如何與正規(guī)的立項、采購和驗收流程相匹配，仍然需要探討。需結(jié)合地方及學(xué)校實際，研究和探索一種合理的商務(wù)模式，既發(fā)揮云服務(wù)的靈活性等優(yōu)勢，又不違背項目實施相關(guān)規(guī)定。

圖1 某視頻云服務(wù)解決方案架構(gòu)圖

4.視頻云服務(wù)的功能體系

圖1為某視頻云服務(wù)商提供的直播云端到端解決方案，是典型的視頻云服務(wù)架構(gòu)，涵蓋了從主播（內(nèi)容提供方）到觀眾的全流程服務(wù)。云服務(wù)商以公有云的形式提供業(yè)務(wù)服務(wù)器，并提供音視頻采集和播放端SDK及實時流網(wǎng)絡(luò)支持。業(yè)務(wù)服務(wù)器定義了直播所需的開發(fā)支持；采集端SDK提供多終端API支持，支持PC、Android和iOS，集成了美顏濾鏡、編碼壓縮優(yōu)化、推流優(yōu)化等；播放端同樣實現(xiàn)多終端支持，內(nèi)置了解碼、硬件加速、秒開、動態(tài)追幀等性能優(yōu)化；實時流網(wǎng)絡(luò)通過服務(wù)器端SDK接入業(yè)務(wù)服務(wù)器，集成推、拉流的優(yōu)化，提供鑒權(quán)、鑒黃、錄制等功能。

各廠商的視頻云服務(wù)內(nèi)容本質(zhì)上是一致的，核心流程如圖2所示。

圖2 視頻云服務(wù)主要業(yè)務(wù)流程

采集、編碼和解碼、播放分別是音視頻的源端、目的端，通常以SDK開發(fā)包形式供用戶的業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用，在音視頻采集、編碼壓縮等基礎(chǔ)上完善了回音抑制、美顏濾鏡、推流等服務(wù)。個別廠商將軟、硬件功能集成在一起，提供直接可用的系統(tǒng)，如小魚易連。

云端處理和分發(fā)是視頻云服務(wù)的云端核心能力，負責(zé)媒體信息接收、存儲、轉(zhuǎn)碼、連麥、互動等，分發(fā)是實現(xiàn)視頻高性能的關(guān)鍵，一方面提供對HTTP、RTMP等多協(xié)議的支持，同時提供高速CDN（Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）[6]服務(wù)。

五、視頻云服務(wù)實施案例分析

云南開放大學(xué)的前身是云南廣播電視大學(xué)，2010年10月，國務(wù)院批準(zhǔn)云南作為全國開展“探索開放大學(xué)建設(shè)模式”的試點省份，2012年12月，教育部正式批準(zhǔn)云南廣播電視大學(xué)更名為云南開放大學(xué)，試點遠程開放教育成為云南開放大學(xué)的重要使命。為落實國家下達的試點建設(shè)任務(wù)，云南開放大學(xué)明確了構(gòu)建以網(wǎng)絡(luò)信息化為支撐的“空中大學(xué)”的目標(biāo)，定制研發(fā)了集招生、教務(wù)、教學(xué)等為一體的“綜合信息化服務(wù)平臺”。截至目前，平臺在籍學(xué)員16.9萬余人，招生范圍涉及全省所有地州。在整個開放教學(xué)體系中，線上遠程視頻服務(wù)是最主要、最基本的教學(xué)手段，通過遠程視頻的方式，面向云南省所有地區(qū)，提供統(tǒng)一、優(yōu)質(zhì)的教學(xué)服務(wù)，取得顯著成效。

云南開放大學(xué)的遠程教學(xué)主要依靠在線教學(xué)平臺和“云教室”兩個系統(tǒng)：①在線教學(xué)平臺始建于2011年，是一套定制的、以教學(xué)點播功能為主的軟件系統(tǒng)，已有各類教學(xué)資源約7TB，其中視頻資源約6TB。為支撐該系統(tǒng)研發(fā)、運行，學(xué)校投入近400萬元進行開發(fā)（含招生、教務(wù)等管理功能），先后購買了兩批共24臺刀片服務(wù)器和2套FC-SAN高端存儲陣列，每年支出100余萬元購買中國電信、中國移動雙線出口IP專線，成本較高。②“云教室”直播系統(tǒng)是一套基于硬件的直播互動系統(tǒng)，實現(xiàn)省校與各地州教學(xué)點間互動教學(xué)功能。該系統(tǒng)要求省校配置中高端MCU和高速互聯(lián)網(wǎng)IP專線，各接入點也配置相應(yīng)的MCU設(shè)備，并要求所有點提供上下行穩(wěn)定、不受防火墻限制的公網(wǎng)IP。

在線教學(xué)平臺和“云教室”系統(tǒng)為云南開放大學(xué)的遠程辦學(xué)提供了有力的支撐，但其建設(shè)、運行和管理成本較高，設(shè)備故障率高，利用率低，第三方音視頻編解碼服務(wù)效率低、用戶體驗較差，面臨設(shè)備淘汰、技術(shù)更新等難題。為有效解決需求與投資建設(shè)和運維管理之間的矛盾，學(xué)校于2017年底開始調(diào)研公有云服務(wù)應(yīng)用，并于2018年采購了國內(nèi)某知名廠商的視頻公有云租賃服務(wù)和云直播系統(tǒng)。

在線視頻點播方面，云南開放大學(xué)2018年投入40萬元采購公有云租賃服務(wù)，購買內(nèi)容包括13臺不同配置的高性能彈性云服務(wù)器、10TB對象存儲服務(wù)及彈性出口帶寬、多線BGP公網(wǎng)IP、負載均衡、網(wǎng)絡(luò)安全等資源。其中視頻點播服務(wù)根據(jù)轉(zhuǎn)碼時長、存儲容量、CDN服務(wù)情況彈性計費，集成了濾鏡、鑒權(quán)、AI鑒黃等功能。軟件開發(fā)商投入半個月時間即完成將原有自建平臺遷移至公有云平臺，轉(zhuǎn)碼效率、穩(wěn)定性、CDN支持等方面取得非常明顯的性能提升，且具有較好的經(jīng)濟性、擴展性和安全性。直播教學(xué)方面，通過購買基于云服務(wù)的軟、硬件一體化直播系統(tǒng)，將系統(tǒng)建設(shè)成本降低至少3/4，無需專用網(wǎng)絡(luò)接入，不需要公網(wǎng)IP，支持多種終端接入直播，可快速部署互動節(jié)點，零維護成本。

云南開放大學(xué)的兩個視頻云服務(wù)實例，實現(xiàn)了低成本、短周期、易使用、易管理、高可靠的目標(biāo)，效益非常顯著。

視頻教學(xué)是“互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)”的重要手段，根據(jù)學(xué)校實際教學(xué)需求，開展豐富多樣的視頻教學(xué)模式，可快速提升教學(xué)效果和效率。相較于傳統(tǒng)自建方式，云服務(wù)的發(fā)展革新了視頻項目實施，解決了成本高、難度大等諸多難題，且技術(shù)成熟，案例豐富。選擇基于視頻云服務(wù)建設(shè)視頻教學(xué)點播、直播平臺，其可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性都有保障，投資效益較高。但在實際應(yīng)用中，一是云服務(wù)的商務(wù)模式，二是視頻服務(wù)與教學(xué)如何結(jié)合，仍有很大探索和創(chuàng)新的空間。避免“為建系統(tǒng)而建系統(tǒng)”，真正使之服務(wù)于教學(xué)才是價值所在。