分布式音視頻編解碼技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中的融合應(yīng)用

魯立軍 高江江 安寧

[摘 要]基于傳統(tǒng)矩陣式音視頻編解碼技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，對(duì)分布式音視頻編解碼技術(shù)的可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、高效性和靈活性等特點(diǎn)進(jìn)行分析，構(gòu)建了一套符合多校區(qū)辦學(xué)需求的多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)傳輸速率和傳輸錯(cuò)誤率進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：通過(guò)部署多級(jí)控制管理架構(gòu)，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴(kuò)展教學(xué)場(chǎng)景，推動(dòng)分布式音視頻編解碼技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]分布式音視頻編解碼技術(shù)；矩陣式音視頻編解碼技術(shù)；分布式管理控制；多校區(qū)

[中圖分類(lèi)號(hào)]TN 929.5

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]1005-0310（2023）06-0062-05

The Integrated Application of Distributed Audio-Video Encoding

and Decoding Technology in Modern Education

LU Lijun， GAO Jiangjiang， AN Ning

（1.Division of Academic Affairs， Beijing Union University， Beijing 100101， China；

2.Tourism College， Beijing Union University， Beijing 100101， China）

Abstract： Based on the problems associated with traditional matrix-based audio-video encoding and decoding technology in practical applications， an analysis of scalability， real-time capability， efficiency， and flexibility of distributed audio-video encoding and decoding technology was conducted. Subsequently， a multimedia teaching video distributed management and scheduling system， tailored to meet the needs of multi-campus educational institutions was developed. Comparative testing of system transmission rates and error rates was carried out， and the results indicate that through the deployment of a multi-tiered control and management framework， it is possible to further enhance system performance， expand teaching scenarios， and promote the application of distributed audio-video encoding and decoding technology in the field of education.

Keywords： Distributed audio-video encoding and decoding technology；Matrix-based audio-video encoding and decoding technology；Distributed management control；Multi-campus

0 引言

在現(xiàn)代教育技術(shù)中，音視頻編解碼技術(shù)是不可或缺的核心技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)矩陣式音視頻編解碼技術(shù)存在單個(gè)編解碼器編解碼能力受限的問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，分布式音視頻編解碼技術(shù)引起業(yè)界廣泛關(guān)注。分布式音視頻編解碼技術(shù)是一種將音視頻信號(hào)分割成多個(gè)數(shù)據(jù)塊，再通過(guò)多個(gè)編碼器和解碼器進(jìn)行并行處理和傳輸?shù)募夹g(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的音視頻編解碼技術(shù)，分布式音視頻編解碼技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：將任務(wù)分布到多個(gè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行處理，提高編碼和傳輸?shù)男始百|(zhì)量；動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)、選擇合適的傳輸路徑以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，并確保音視頻傳輸?shù)牧鲿扯龋浑S著用戶(hù)和數(shù)據(jù)量的增加，可以通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的處理能力。

分布式音視頻編解碼技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括遠(yuǎn)程教學(xué)、視頻會(huì)議、多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理等。在遠(yuǎn)程教學(xué)中，分布式編解碼技術(shù)可以整合多路音視頻數(shù)據(jù)流，提高課堂的互動(dòng)性。在視頻會(huì)議中，分布式編解碼技術(shù)可以保證會(huì)議的高清流暢播放，提高參會(huì)人員的溝通效率。在多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中，分布式編解碼技術(shù)能夠有效降低帶寬占用、減少傳輸延遲，實(shí)現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的高效傳輸和存儲(chǔ)，同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2021年，教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代教育管理信息化工作的通知》明確提出：“教育管理信息化作為教育信息化的重要組成部分，是以信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源、基礎(chǔ)設(shè)施為基本要素，利用信息技術(shù)轉(zhuǎn)變管理理念、創(chuàng)新管理方式、提高管理效率，支撐教育決策、管理和服務(wù)，推進(jìn)教育治理現(xiàn)代化的進(jìn)程?！被谏鲜隼砟?，本文著力分析分布式音視頻編解碼技術(shù)的特性，并與北京聯(lián)合大學(xué)多校區(qū)辦學(xué)的實(shí)際需求進(jìn)行深度融合，通過(guò)構(gòu)建多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全校一體化管控。這不僅能提高教學(xué)過(guò)程管理的精細(xì)化水平，提升現(xiàn)代教育技術(shù)在多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中的應(yīng)用效果，更能有效輔助教學(xué)工作的順利進(jìn)行。

1 多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)分析1.1 建設(shè)背景

北京聯(lián)合大學(xué)成立于1985年，是北京市屬綜合性大學(xué)。學(xué)校設(shè)有63個(gè)本科專(zhuān)業(yè)，涵蓋十一大學(xué)科門(mén)類(lèi)，擁有12個(gè)校區(qū)。經(jīng)過(guò)多年的探索和實(shí)踐，學(xué)校先后建成互動(dòng)研討型、多視窗智能AI型、遠(yuǎn)程互動(dòng)型、精品錄播型和云桌面網(wǎng)絡(luò)型等多種形式的智慧教學(xué)環(huán)境。如何將分布式音視頻編解碼技術(shù)融合應(yīng)用到不同維度的教學(xué)環(huán)境中，并將這些教學(xué)場(chǎng)景多角度、實(shí)時(shí)、靈活地展現(xiàn)出來(lái)，有效融合教務(wù)管理、教學(xué)輔助決策和聽(tīng)評(píng)課等環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)管理，進(jìn)而完善教學(xué)管理機(jī)制，提升教學(xué)管理效能，拓展教學(xué)管理的對(duì)象和空間，這些是對(duì)現(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)工作提出的新課題。

1.2 音視頻編解碼技術(shù)的應(yīng)用分析

目前，傳統(tǒng)矩陣式音視頻編解碼技術(shù)在顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在一些問(wèn)題：該技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于繁雜，難以進(jìn)行后期擴(kuò)展和升級(jí)，并且布線(xiàn)施工困難；在應(yīng)用模式方面，功能單一且不夠靈活，無(wú)法實(shí)現(xiàn)異地信號(hào)共享和分級(jí)管理等功能。同時(shí)，由于學(xué)校擁有分布在多個(gè)校區(qū)的共480余間教室，教學(xué)管理、監(jiān)控和傳輸設(shè)備的建設(shè)時(shí)間跨度較大，存在音視頻編解碼格式不兼容的問(wèn)題，因此，我們需要探索其他解決方案。

基于分布式音視頻編解碼技術(shù)構(gòu)建的顯示控制系統(tǒng)，具有以下技術(shù)特點(diǎn)（見(jiàn)圖1）：①可擴(kuò)展性：根據(jù)需求增加編解碼器和顯示設(shè)備的數(shù)量，可自由調(diào)整和擴(kuò)展系統(tǒng)規(guī)模；②實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)傳輸音視頻信號(hào)，滿(mǎn)足對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景需求，如課程直播、錄播等；③高效性：將音視頻信號(hào)的處理和顯示分布到不同設(shè)備，提升系統(tǒng)運(yùn)行效率；④可操作性：將高清視頻源圖像推送至多組大屏，進(jìn)行跨屏、漫游、縮放、疊加顯示；⑤可靠性：通過(guò)冗余設(shè)計(jì)和錯(cuò)誤修正算法，降低系統(tǒng)故障率；⑥靈活性：兼容不同編解碼算法和數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)分級(jí)管理機(jī)制。

2 多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)施

為了解決矩陣式集中處理技術(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)題，北京聯(lián)合大學(xué)構(gòu)建了多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接分布式輸入節(jié)點(diǎn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)音視頻信號(hào)的采集，再通過(guò)分布式輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)將信號(hào)輸出到大屏幕進(jìn)行顯示。各節(jié)點(diǎn)機(jī)之間通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速共享、轉(zhuǎn)發(fā)和一體化調(diào)用。此外，系統(tǒng)還支持異地信號(hào)共享和多級(jí)管控，有效克服了傳統(tǒng)集中處理技術(shù)的局限性。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主控室機(jī)房不再采用傳統(tǒng)模擬長(zhǎng)距離傳輸設(shè)備，而是將所有音視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得音視頻數(shù)據(jù)源可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在不同區(qū)域之間共享和互聯(lián)互通。此外，這種系統(tǒng)架構(gòu)還可以將音視頻信號(hào)通過(guò)交互網(wǎng)絡(luò)傳輸至多個(gè)區(qū)域進(jìn)行并發(fā)處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源整合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制、音視頻錄制和存儲(chǔ)等多種功能。視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了確保音視頻的傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，本系統(tǒng)采用了廣播級(jí)音視頻處理技術(shù)，并將系統(tǒng)運(yùn)維監(jiān)測(cè)手段應(yīng)用于分布式顯示控制系統(tǒng)中，由此可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的音視頻傳輸質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。如果出現(xiàn)異常情況，如視頻馬賽克、靜幀、黑屏、音量過(guò)高或過(guò)低，以及交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中斷、節(jié)點(diǎn)機(jī)服務(wù)器故障等情況，系統(tǒng)將立即發(fā)出警報(bào)，并提供可視化的監(jiān)測(cè)信息。此外，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)構(gòu)可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，方便系統(tǒng)管理人員快速發(fā)現(xiàn)、定位和解決系統(tǒng)的異常狀況，以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用成組及功能概述

1）分布式顯示：通過(guò)音視頻同步算法解碼，將前端流媒體信號(hào)還原為數(shù)字信號(hào)，由拼接屏顯示，實(shí)現(xiàn)“幀”級(jí)別同步顯示輸出畫(huà)面。

2）音視頻輸入節(jié)點(diǎn)：最多可駁接500路高清數(shù)字信號(hào)（DVI/HDMI）及音頻信號(hào)接入。

3）分布式管理控制：負(fù)責(zé)統(tǒng)一調(diào)度管理系統(tǒng)內(nèi)的音視頻信號(hào)，對(duì)顯示大屏進(jìn)行整體控制、分組、預(yù)覽以及信號(hào)調(diào)度；同時(shí)，支持對(duì)輸入/輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)和內(nèi)部服務(wù)器的管理、查詢(xún)及狀態(tài)報(bào)表呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源和大屏的可視化觸控操作。

4）大屏錄制與回放：具備大屏幕（包括畫(huà)面、布局、調(diào)度腳本等）和信號(hào)的錄制、原屏回放、實(shí)時(shí)下載等功能，可同時(shí)錄制36路信號(hào)；利用網(wǎng)絡(luò)組播堆疊技術(shù)，可增加錄制任務(wù)和數(shù)量；支持SAN存儲(chǔ)陣列及7×24 小時(shí)錄制，可管理存儲(chǔ)硬盤(pán)空間。

5）IP流接入與顯示：負(fù)責(zé)流媒體信號(hào)的匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)（IP視頻分發(fā)），基于IP的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的快速共享。

6）監(jiān)測(cè)與多畫(huà)面合成：支持音視頻異態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警、信號(hào)多畫(huà)面組合顯示、音視頻錄制等功能，其中，音視頻異態(tài)包括色彩格式異常、靜幀、黑場(chǎng)、音視頻丟失、聲音過(guò)高或過(guò)低等。

7）KVM遠(yuǎn)程控制終端：實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)及系統(tǒng)全景鏈路的配置。

2.3 系統(tǒng)框架及運(yùn)行效果

2.3.1 系統(tǒng)應(yīng)用框架

目前，北京聯(lián)合大學(xué)已經(jīng)完成了多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)的部署應(yīng)用。系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡(luò)和分布式架構(gòu)，以北四環(huán)校區(qū)主控室作為1級(jí)調(diào)度中心，工體北路校區(qū)和蒲黃榆校區(qū)分別作為2級(jí)和3級(jí)調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)多級(jí)管理。云管理服務(wù)器和IP視頻分發(fā)服務(wù)器在系統(tǒng)中協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了校區(qū)間音視頻圖像的傳輸和共享。其中，IP視頻分發(fā)服務(wù)器起到中繼調(diào)度的作用，有效保證了音視頻信號(hào)的質(zhì)量，并節(jié)省了帶寬資源。校區(qū)間多級(jí)管理框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在可視化鏈路監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)支持對(duì)分布式顯示控制系統(tǒng)中的服務(wù)器、輸入/輸出節(jié)點(diǎn)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并以可視化形式展現(xiàn)設(shè)備之間的連接關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)狀況和設(shè)備在線(xiàn)情況。這種可視化監(jiān)測(cè)功能使管理人員可以直觀地了解系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，能夠更加方便地定位故障設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率均得到了較大提升。

2.3.2 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析及評(píng)估

通過(guò)應(yīng)用分布式音視頻編解碼技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多級(jí)管理、校區(qū)間圖像共享、高質(zhì)量信號(hào)傳輸、節(jié)省帶寬資源以及可視化鏈路監(jiān)測(cè)等功能，為教學(xué)和管理工作提供了更好的支持。在系統(tǒng)正式上線(xiàn)運(yùn)行后，我們對(duì)其音視頻傳輸速率和播放效果進(jìn)行了全面測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，與矩陣式集中編解碼技術(shù)相比，基于分布式音視頻編解碼技術(shù)的系統(tǒng)在平均傳輸速率方面提高了60%以上，而且在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤率降低了50%以上，這表明基于分布式音視頻編解碼技術(shù)的系統(tǒng)在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有更快的傳輸速率和更高的播放質(zhì)量。同時(shí)，該系統(tǒng)的播放效果也得到顯著提升，音視頻的同步性和清晰度均優(yōu)于矩陣式編解碼傳輸系統(tǒng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代教育技術(shù)是輔助教學(xué)并提高教學(xué)管理水平的重要手段。將分布式音視頻編解碼技術(shù)有效應(yīng)用于現(xiàn)代教育領(lǐng)域中，可以推動(dòng)教育技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，提升教育信息化的應(yīng)用水平。北京聯(lián)合大學(xué)多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)以信息科學(xué)理論為指導(dǎo)，將先進(jìn)可靠的信號(hào)采集與傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、音視頻編解碼技術(shù)及屏幕顯示處理技術(shù)等集成為一體，通過(guò)在學(xué)校多個(gè)校區(qū)的實(shí)施應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多校區(qū)音視頻數(shù)據(jù)資源的按需分配。

多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分布式音視頻編解碼技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中的融合應(yīng)用。這一創(chuàng)新應(yīng)用不僅提高了學(xué)校的教學(xué)管理水平，也增強(qiáng)了現(xiàn)代教育技術(shù)在多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中的應(yīng)用效果，為后續(xù)發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。學(xué)校將依托該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更多功能，以服務(wù)于更廣泛的教學(xué)場(chǎng)景。同時(shí)，將該系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，并結(jié)合智能AI無(wú)感知學(xué)情分析系統(tǒng)，對(duì)課堂教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行全過(guò)程的分析與反饋，從而建立起較為完善的教學(xué)評(píng)估及大數(shù)據(jù)督導(dǎo)體系。

[參考文獻(xiàn)]

[1]袁大山.分布式視頻處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[2]李慶旭.分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2019：4-6.

[3]金仕龍.視頻會(huì)議系統(tǒng)的架構(gòu)及發(fā)展[J].化工管理，2018（33）：149-150.

[4]教育部關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代教育管理信息化工作的通知[EB/OL].（2021-03-25）[2023-04-20].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/202103/t20210322_521669.html？eqid=ce291a3a007d8a5c00000004642f5fd3.

[5]修曉宇，卓力，沈蘭蓀.一種基于H.264標(biāo)準(zhǔn)的高效比特率轉(zhuǎn)碼結(jié)構(gòu)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2008（3）：7-12.

[6]聶秀英.視頻通信的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].世界電信，2004（4）：44-46.

[7]朱云峰，王蘇蘇，徐陽(yáng).分布式數(shù)字音視頻矩陣系統(tǒng)在談話(huà)錄音系統(tǒng)的應(yīng)用[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，14（6）：29-31.

[8]潘力策，孟利民.基于DM365的雙碼流視頻監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（10）：41-43.

[9]李浙偉.智能時(shí)代 視頻編解碼技術(shù)的發(fā)展及行業(yè)應(yīng)用[J].中國(guó)安防，2022（7）：86-92.

[10]田建林，崔亞強(qiáng)，余淇，等.智慧教學(xué)環(huán)境下課堂教學(xué)行為分析探索與實(shí)踐[J].教育信息技術(shù)，2023（Z2）：138-141.

（責(zé)任編輯 白麗媛；責(zé)任校對(duì) 柴 智）

[收稿日期]2023-04-27

[作者簡(jiǎn)介]魯立軍（1975—），男，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)教務(wù)處高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)閺V播影視編播技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)；安寧（1974—），男，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)教務(wù)處高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代教育技術(shù)。

[通訊作者]高江江（1977—），男，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)旅游學(xué)院助理研究員，碩士，主要研究方向?yàn)橹腔劢虒W(xué)及旅游信息化。E-mail：lytjiangjiang@buu.edu.cn