分布式音視頻編解碼技術在現代教育領域中的融合應用

魯立軍 高江江 安寧

[摘 要]基于傳統矩陣式音視頻編解碼技術在實際應用中存在的問題，對分布式音視頻編解碼技術的可擴展性、實時性、高效性和靈活性等特點進行分析，構建了一套符合多校區辦學需求的多媒體教學視頻分布式管理調度系統。對系統傳輸速率和傳輸錯誤率進行對比測試，結果表明：通過部署多級控制管理架構，可以進一步優化系統性能，擴展教學場景，推動分布式音視頻編解碼技術在教育領域中的應用。

[關鍵詞]分布式音視頻編解碼技術；矩陣式音視頻編解碼技術；分布式管理控制；多校區

[中圖分類號]TN 929.5

[文獻標志碼]A

[文章編號]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

在現代教育技術中，音視頻編解碼技術是不可或缺的核心技術之一。然而，傳統矩陣式音視頻編解碼技術存在單個編解碼器編解碼能力受限的問題。為了解決此問題，分布式音視頻編解碼技術引起業界廣泛關注。分布式音視頻編解碼技術是一種將音視頻信號分割成多個數據塊，再通過多個編碼器和解碼器進行并行處理和傳輸的技術。相對于傳統的音視頻編解碼技術，分布式音視頻編解碼技術具有以下優勢：將任務分布到多個節點上進行處理，提高編碼和傳輸的效率及質量；動態調整編碼參數、選擇合適的傳輸路徑以適應網絡帶寬的變化，并確保音視頻傳輸的流暢度；隨著用戶和數據量的增加，可以通過增加節點來擴展系統的處理能力。

分布式音視頻編解碼技術在現代教育領域中得到廣泛應用，主要應用場景包括遠程教學、視頻會議、多媒體教學系統管理等。在遠程教學中，分布式編解碼技術可以整合多路音視頻數據流，提高課堂的互動性。在視頻會議中，分布式編解碼技術可以保證會議的高清流暢播放，提高參會人員的溝通效率。在多媒體教學系統管理中，分布式編解碼技術能夠有效降低帶寬占用、減少傳輸延遲，實現音視頻數據的高效傳輸和存儲，同時保證系統的穩定性和可靠性。

2021年，教育部發布的《關于加強新時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、數據資源、基礎設施為基本要素，利用信息技術轉變管理理念、創新管理方式、提高管理效率，支撐教育決策、管理和服務，推進教育治理現代化的進程?！被谏鲜隼砟睿疚闹Ψ治龇植际揭粢曨l編解碼技術的特性，并與北京聯合大學多校區辦學的實際需求進行深度融合，通過構建多媒體教學視頻分布式管理調度系統，實現全校一體化管控。這不僅能提高教學過程管理的精細化水平，提升現代教育技術在多媒體教學系統管理中的應用效果，更能有效輔助教學工作的順利進行。

1 多媒體教學視頻分布式管理調度系統建設分析1.1 建設背景

北京聯合大學成立于1985年，是北京市屬綜合性大學。學校設有63個本科專業，涵蓋十一大學科門類，擁有12個校區。經過多年的探索和實踐，學校先后建成互動研討型、多視窗智能AI型、遠程互動型、精品錄播型和云桌面網絡型等多種形式的智慧教學環境。如何將分布式音視頻編解碼技術融合應用到不同維度的教學環境中，并將這些教學場景多角度、實時、靈活地展現出來，有效融合教務管理、教學輔助決策和聽評課等環節，形成閉環管理，進而完善教學管理機制，提升教學管理效能，拓展教學管理的對象和空間，這些是對現代教育教學技術工作提出的新課題。

1.2 音視頻編解碼技術的應用分析

目前，傳統矩陣式音視頻編解碼技術在顯示控制系統應用中存在一些問題：該技術的系統結構過于繁雜，難以進行后期擴展和升級，并且布線施工困難；在應用模式方面，功能單一且不夠靈活，無法實現異地信號共享和分級管理等功能。同時，由于學校擁有分布在多個校區的共480余間教室，教學管理、監控和傳輸設備的建設時間跨度較大，存在音視頻編解碼格式不兼容的問題，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構建的顯示控制系統，具有以下技術特點（見圖1）：①可擴展性：根據需求增加編解碼器和顯示設備的數量，可自由調整和擴展系統規模；②實時性：實時傳輸音視頻信號，滿足對實時性要求較高的應用場景需求，如課程直播、錄播等；③高效性：將音視頻信號的處理和顯示分布到不同設備，提升系統運行效率；④可操作性：將高清視頻源圖像推送至多組大屏，進行跨屏、漫游、縮放、疊加顯示；⑤可靠性：通過冗余設計和錯誤修正算法，降低系統故障率；⑥靈活性：兼容不同編解碼算法和數據格式，實現分級管理機制。

2 多媒體教學視頻分布式管理調度系統的構建與實施

為了解決矩陣式集中處理技術在應用中存在的問題，北京聯合大學構建了多媒體教學視頻分布式管理調度系統。該系統通過網絡連接分布式輸入節點機，實現對音視頻信號的采集，再通過分布式輸出節點機將信號輸出到大屏幕進行顯示。各節點機之間通過千兆網絡進行通信，實現信號的快速共享、轉發和一體化調用。此外，系統還支持異地信號共享和多級管控，有效克服了傳統集中處理技術的局限性。

2.1 系統整體架構

在系統設計中，主控室機房不再采用傳統模擬長距離傳輸設備，而是將所有音視頻信號進行數字化處理并通過網絡傳輸，使得音視頻數據源可以通過網絡在不同區域之間共享和互聯互通。此外，這種系統架構還可以將音視頻信號通過交互網絡傳輸至多個區域進行并發處理，通過網絡系統的資源整合，實現環境控制、音視頻錄制和存儲等多種功能。視頻分布式管理調度系統的拓撲結構如圖2所示。

為了確保音視頻的傳輸質量和系統的穩定運行，本系統采用了廣播級音視頻處理技術，并將系統運維監測手段應用于分布式顯示控制系統中，由此可以實時監測整個系統內的音視頻傳輸質量和設備運行狀態。如果出現異常情況，如視頻馬賽克、靜幀、黑屏、音量過高或過低，以及交換機網絡中斷、節點機服務器故障等情況，系統將立即發出警報，并提供可視化的監測信息。此外，整個系統的運行結構可以實時呈現，方便系統管理人員快速發現、定位和解決系統的異常狀況，以確保系統正常運行。

2.2 系統應用成組及功能概述

1）分布式顯示：通過音視頻同步算法解碼，將前端流媒體信號還原為數字信號，由拼接屏顯示，實現“幀”級別同步顯示輸出畫面。

2）音視頻輸入節點：最多可駁接500路高清數字信號（DVI/HDMI）及音頻信號接入。

3）分布式管理控制：負責統一調度管理系統內的音視頻信號，對顯示大屏進行整體控制、分組、預覽以及信號調度；同時，支持對輸入/輸出節點機和內部服務器的管理、查詢及狀態報表呈現，實現對信號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（包括畫面、布局、調度腳本等）和信號的錄制、原屏回放、實時下載等功能，可同時錄制36路信號；利用網絡組播堆疊技術，可增加錄制任務和數量；支持SAN存儲陣列及7×24 小時錄制，可管理存儲硬盤空間。

5）IP流接入與顯示：負責流媒體信號的匯聚與轉發（IP視頻分發），基于IP的遠程控制，實現信號之間的快速共享。

6）監測與多畫面合成：支持音視頻異態監測報警、信號多畫面組合顯示、音視頻錄制等功能，其中，音視頻異態包括色彩格式異常、靜幀、黑場、音視頻丟失、聲音過高或過低等。

7）KVM遠程控制終端：實現對系統狀態進行遠程檢測及系統全景鏈路的配置。

2.3 系統框架及運行效果

2.3.1 系統應用框架

目前，北京聯合大學已經完成了多媒體教學視頻分布式管理調度系統的部署應用。系統采用IP網絡和分布式架構，以北四環校區主控室作為1級調度中心，工體北路校區和蒲黃榆校區分別作為2級和3級調度中心，實現多級管理。云管理服務器和IP視頻分發服務器在系統中協同工作，實現了校區間音視頻圖像的傳輸和共享。其中，IP視頻分發服務器起到中繼調度的作用，有效保證了音視頻信號的質量，并節省了帶寬資源。校區間多級管理框架結構如圖3所示。

在可視化鏈路監測方面，系統支持對分布式顯示控制系統中的服務器、輸入/輸出節點機等設備進行監測，并以可視化形式展現設備之間的連接關系、網絡狀況和設備在線情況。這種可視化監測功能使管理人員可以直觀地了解系統的整體運行狀態，能夠更加方便地定位故障設備，及時發現并解決問題，系統的可靠性和運行效率均得到了較大提升。

2.3.2 系統運行效果分析及評估

通過應用分布式音視頻編解碼技術，系統實現了多級管理、校區間圖像共享、高質量信號傳輸、節省帶寬資源以及可視化鏈路監測等功能，為教學和管理工作提供了更好的支持。在系統正式上線運行后，我們對其音視頻傳輸速率和播放效果進行了全面測試，系統測試對比結果如圖4所示。

測試數據顯示，與矩陣式集中編解碼技術相比，基于分布式音視頻編解碼技術的系統在平均傳輸速率方面提高了60%以上，而且在傳輸過程中出現的錯誤率降低了50%以上，這表明基于分布式音視頻編解碼技術的系統在相同的網絡環境下具有更快的傳輸速率和更高的播放質量。同時，該系統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于矩陣式編解碼傳輸系統。

3 結束語

現代教育技術是輔助教學并提高教學管理水平的重要手段。將分布式音視頻編解碼技術有效應用于現代教育領域中，可以推動教育技術的創新和發展，提升教育信息化的應用水平。北京聯合大學多媒體教學視頻分布式管理調度系統以信息科學理論為指導，將先進可靠的信號采集與傳輸技術、網絡通信技術、音視頻編解碼技術及屏幕顯示處理技術等集成為一體，通過在學校多個校區的實施應用，實現了多校區音視頻數據資源的按需分配。

多媒體教學視頻分布式管理調度系統實現了分布式音視頻編解碼技術在現代教育領域中的融合應用。這一創新應用不僅提高了學校的教學管理水平，也增強了現代教育技術在多媒體教學系統管理中的應用效果，為后續發展打下了良好基礎。學校將依托該系統開發更多功能，以服務于更廣泛的教學場景。同時，將該系統與教務系統進行數據對接，并結合智能AI無感知學情分析系統，對課堂教學數據進行全過程的分析與反饋，從而建立起較為完善的教學評估及大數據督導體系。

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（責任編輯 白麗媛；責任校對 柴 智）

[收稿日期]2023-04-27

[作者簡介]魯立軍（1975—），男，北京市人，北京聯合大學教務處高級工程師，碩士，主要研究方向為廣播影視編播技術、現代教育技術；安寧（1974—），男，北京市人，北京聯合大學教務處高級工程師，碩士，主要研究方向為現代教育技術。

[通訊作者]高江江（1977—），男，北京市人，北京聯合大學旅游學院助理研究員，碩士，主要研究方向為智慧教學及旅游信息化。E-mail：lytjiangjiang@buu.edu.cn