基于H.264編碼的常態化錄播教學系統的設計

王宗志

摘要：針對現有錄播系統，該文設計了一種基于H.264編碼的常態化錄播教學系統。該系統具有云存儲服務器設備、全自動H.264編碼錄播系統、教師/學生圖像自動識別跟蹤系統、音頻系統四個單元。設備采用H.264編碼方式對視頻進行存儲編碼傳輸，數據傳輸更快，更保真。

關鍵詞：H.264編碼;錄播系統;電教系統

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A

1緒論

隨著互聯網以及視頻編解碼技術的高速發展，當代教學方法，相較于以往的教學方法產生了很大轉變。錄播電子系統在現代教學中獲得了普遍運用并且逐漸受到教師與學生的青睞，錄播系統越來越多地被大中專院校以及廣播電視大學用來改善現有的教學模式，以及教學、培訓技術方式。錄播系統已經成為提高學生成績、提高學生質量的主要手段和重要手段。

尤其是伴隨我國精品課程戰略的不斷實施，多媒體技術、云計算技術，互聯網技術等諸多技術的飛速更新，也促進了我國教育領域的不斷發展。在當代教育體系中，精品課程已然成為我國許多院校保障自身教學質量的關鍵環節，在此情況下究竟以何種方式構建智能化多媒體錄播系統，培養現代復合型人才，對于我國教育領域來說是非常重要的。

通過運用錄播系統，可讓當代大學生在學習期間，發揮自身主觀能動性，并將這種主觀能動性和客觀能動性二者之間進行良好結合，以在學習過程中彰顯出自身的主體地位。同時在這種教學方式下，也能夠激發學生的相關興趣，使以往的教學模式能夠和當代計算機技術二者之間進行有效融合，從而真正提升教學質量，使學生能夠在信息化社會中能夠更好地適應。

錄播系統作為一種最行之有效、最直觀的教學方式，該系統在教育傳播，調研工作，信息獲取，技能提升等許多方面，均有著十分重要的價值，尤其是在當前社會環境下，各項技術的日益普及，也使得錄播系統的運用愈發成熟，能夠給教育領域所帶來的益處數不勝數。

自在線教育方式應運而生后，教師在開展教學活動時，對其運用計算機技術，各類教學軟件的效果也提出了更為嚴苛的要求，需確保視頻、音頻、視頻編碼這三者的實施質量。同時錄播系統還被要求操作簡單易使用、在錄制過程中實現錄播一體化、視頻全自動生成，從而達到錄播系統在課程教學中被廣泛使用。

2錄播系統面臨問題

一般我們所指的常態化教學是指在日常中的教學活動，包括常態的上課、教學需要的黑板等硬件、施教對象以及使用的教學手段。基于上述要求，在運用錄播系統的過程中，需防止其影響到教師的上課心態，以及學生的學習狀態，不可讓錄播工具對師生產生干擾。該系統對教師與學生身心層面上的影響，主要涵蓋錄播對于人的影響，自教師開展課堂教學后、和學生明確本節課需要使用錄像機進行錄制的時候，教師和學生在心理感官上一般都會有緊張以及害羞的情緒。特別有些年輕的、教學經驗不夠豐富的教師在視頻課程的錄制過程中會出現精神緊張、忘詞等問題，從而影響了正常教學水平的發揮，以及學生的課程質量。再者也有不少學生，由于性格較內向，會在課堂學習中產生怯于舉手發言，低頭不語等狀況，在運用錄播設備時，會對教學進度產生一定影響，現階段很多錄播系統在進行課程錄制時，均需借助相應的輔助設備，如需要教師佩戴“小蜜蜂”，激光筆等，而學生進行課間問題回答需要配套相應的搶答器等這些額外教學設備的也會影響師生的教學質量，同時這些設備也容易引起一系列的錄制故障。例如，多個學生在問題必須按搶答器進行答題，搶答器進行計算才能準許學生答題并且檢測，才會經過攝像頭進行切換，將錄制主角換為學生，若學生未能按下搶答器，亦或選擇讓其他同學作答，那么錄播系統就難以準確地進行畫面切換。

3H.264編解碼技術編碼介紹

本系統采用H.264編解碼技術進行視頻編碼，H.264編解碼技術是一種相對性能比較高的視頻編解碼技術。目前國際上比較權威的視頻編碼指定制定組織有兩個，一個是“國際電聯（ITU-T）”，它制定的標準有（H.261）、（H.263）、（H.263+）等，另一個是“國際標準化組織（ISO）”該組織制定的標準有（MPEG-1）、（MPEG-2）、（MPEG-4）等。而H.264編解碼技術而是由權威組織一同構建的視頻組，構建視頻編碼規范，因此其不但為H.264編解碼技術，也為MPEC-4圖像視頻編碼（AdvancedVideoCoding，AVC），且也可當作MPEG-4標準的一部分。所以，不管為MPEG-4 AVC、亦或ISO/IEC 14496-10，均為H.264編解碼技術。

相對于其他的編解碼技術，H.264編解碼技術最大的優勢是還具備良好的數據壓縮比例，在同一圖像質量的情況下，H.264編解碼技術的實際壓縮比超過MPEC-2約為2倍，超過MPEG-4約為1.5～2倍。例如，原始文件若為88GB，實施MPEG-2壓縮標準壓縮之后變為3.5GB，壓縮比例為25：1，而采用H.264編解碼技術壓縮標準壓縮后變為879MB，從88GB到879MB.H.264編解碼技術的壓縮比達到驚人的102，和ISO/IEC所指定的MPEG-2和MPEG-4ASP等壓縮技術進行傳輸時間比較，H.264編解碼技術壓縮技術將大大節省用戶的下載時間和上在時間。特別值得注意的是，H.264編解碼技術在具有高壓縮比的同時還擁有高質量流暢的圖像。因此H.264編解碼技術特別適合應用于錄播系統中。

4錄播教學系統結構

在字面意義上，“錄”主要指的是把教師上課所運用的課件，學生在課上所回答的相關問題，利用錄播主機、攝像機等進行記錄，將其記錄為圖像語言的一種文件資源，并且在錄制結束后，也可將錄制結果進行傳輸，將其傳輸至資源管理平臺之上。“播”則主要指的是播放所錄制的語音或者視頻，這樣在課堂中就能夠對相應課件進行點播或者直播。IP網絡觀看端利用mternet，explorer觀看資源平臺的點播與直播內容。

根據上述要求，錄播系統中軟硬件主要由以下幾部分構成：云存儲服務器、全自動高清錄播系統、教師，學生圖像識別跟蹤系統、音頻系統，如圖1所示。

云存儲服務器：所謂云存儲概念是在數據云計算概念上進化出來的一種新的服務。該技術將網絡中各類存儲設備匯集在云計算系統設備中。通過所謂的云計算模式相互串聯起來記性協同工作。同時該系統提供數據存儲和業務響應的訪問以及使用功能。

人們常說的私有云存儲是一個全新的云狀結構的存儲系統概念，該網絡存儲系統采用多個服務器組成，并且通過集群配合、分布式的文件關系統和類似網格計算的凡是功能聯合起來協同工作。

并且云系統能夠通過特定的應用軟件或應用接口，對用戶提供響應的存儲服務。

云系統是智能錄播系統的核心，該系統能夠將多路視頻信號進行存儲與備份。視并且當點播是，能夠進行切換看視頻。云系統決定了智能錄播系統所有數據的調配。

全自動錄播系統：一般采用圖像識別+人物形態跟蹤作識別跟蹤技術，使用骨架識別算法，能夠準確地識別人的行為。該技術只需要攝像頭，并無其他配套硬件設備，就能夠實現教學過程全自動跟蹤拍攝。支持上課教師特寫、教室的全景拍攝、回答本體學生特寫拍攝、學生全景、板書、相應的電腦視頻拍攝錄制。同時該系統能夠支持3路本地1080P/720P高清視頻信號/VGA信號的同步采集工作。

并且該視頻編碼采用目前國際上領先的基于H.264編解碼技術High Profile高清編碼方式，課件所采用的音頻編碼采用AAC高清音頻編碼方式，從而實現教學音、視頻超高清錄制的需求。

教師，學生圖像識別跟蹤系統：運用圖像識別這一技術所具備的自動跟蹤系統后，在課堂教學中教師并不需要任何輔助設備，也不需要使用課桌椅，則能夠確保課堂教學的常態化，實現對相應資源的良好運用，且也能夠美觀班級裝飾效果。跟蹤系統可精準、自動的實施定位，明確教師或者學生的實際位置，同時也能夠跟蹤拍攝教師或者學生的授課狀態以及學習狀態，確保師生特寫畫面處在預置的范圍中。跟蹤拍攝板書內容以及整個講解階段，還能夠設置活動區域，精準識別教師在教室中的位置，配合主機切換相應場景，從而保障對整個教學過程的清晰拍攝。利用圖像識別跟蹤這一技術，也能夠精準定位處在發言狀態學生的位置，對于板書的特寫位置也能夠進行跟蹤拍攝，檢測黑板范圍。運用邏輯區域設定形式，將黑板與白板劃分為諸多子區域，而后以這一形式實施拍攝，如此則能夠清晰地將字體拍攝出來。該系統也不會受到電磁、光線等因素的影響致使跟蹤錯誤。

音頻系統：包括拾音子系統和擴聲子系統。負責采集教學實時聲音和擴聲。拾音子系統用于對上課的朗讀聲以及老師教課聲進行還原從而得到高保真。擴聲子系統用于對學生回答問題，老師上課的聲音進行擴大使得更多人聽清楚。

本文所涉及的常態化錄播教學系統主要使用在常態化上課任務的清晰直播所錄制的視頻，需滿足《精品視頻公開課拍攝制作技術標準》之中的相關要求，且需適用于諸多管理平臺之中。

本文所介紹的系統支持電影模式拍攝，也支持以往多畫面拍攝方式，且這一系統利于清晰拍攝教師所運用信息技術的屏幕。且滿足1920*1080分辨率和38fps幀率指標。系統能配合觸控機器同步錄制下來。

并且本方案除了其他設備所有的支持單畫面的電影模式錄制及多畫面課件形式錄制，還在上述功能的基礎上增加了國內獨創的單流多畫面系統，該功能能夠支持1920*1024的分辨率，實現超越一般平臺一機兩模式，實現一機三模式的切換。同時本方案也在上述平臺硬件的基礎上，支持單流多畫面/單流多畫面錄制功能，以供用戶更好地根據需求應用不同的錄制效果。

了解項目運用與建筑需求，物理設備包含觀摩室、精品錄播教室以及直播觀看教室等，在充分了解大中專及電學校的需求和實際項目需求后，整體物理結構設計架構如圖2所示。

本憑條主要完成下述功能及作用：構建自動錄播系統，錄制常態精品課程，并且構建優秀教師課程庫，為教師與學生課下學習提供保障，實現共享資源;此憑條也可推動教育局建設課堂教學信息化的程度，提升教育信息化建設能力;并且能夠建立在線相應的在線學習交流環境，從而實現學生的課后學習、提前學習的便利，同時提高學生學習的主觀能動性與自主性。通過構建教師之間共同探究學習的良好空間，能夠為教師之間彼此學習、彼此競爭，彼此幫助提供探究學習的空間與平臺。

5總結

總之，智能錄播系統是網絡技術發展以及科學技術進行的最新成果。同樣也是教學相長的必經絕點。該平臺應用包括常態化課程錄像、上課內容直播、教學軟性資源管理、課程點播、微格評估、后期編輯這樣一個完整的錄播應用體系，最終實現錄播教室。該平臺具有很高的應用價值。