传统录播系统升级为云录播系统的设计与实现

DOI：10.15913/ki.kjycx.2024.06.054
传统录播系统升级为云录播系统的设计与实现
张新华，米德勇，杨春勇
（中国气象局气象干部培训学院四川分院，四川成都610071）
摘要：自动化的课程录播系统是教育信息化的重要手段，已经成为信息化和数字化教学系统建设的核心要素之一。

随着相关技术的发展成熟，录播系统正朝着数字化、自动化、智能化、云计算、嵌入式方向发展。

全自动云录播系统不仅极大地促进了优质教学资源的建设共享和教育的均衡发展，还能推进教学改革，提升教师的专业素养和课堂教学质量。

以中国气象局气象干部培训学院四川分院云录播系统升级建设为例，详细介绍了系统升级的技术路线、实现方法和具体应用。

关键词：云录播系统；升级；嵌入式；教学资源
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2095-6835（2024）06-0183-03
近年来，随着“互联网+教育”在国内的快速发展，教育信息化进入了新的发展阶段，促进了教学手段与学习方式的变革。

在信息时代，新型教学模式的构建离不开优质教学资源库的有力支撑，目前国内大部分高校建成了多媒体教学集中管理控制系统，并在此基础之上建设了传统录播系统，很多高校开展了“千门课程上网”“本科生全部课程上网”等工程。

日常教学活动蕴藏着宝贵的培训教学资源，如何基于现有的设备设施，实现多系统（平台）的集成，建设一套基于云平台架构的全自动高清录播系统，实现多媒体教室的常态化录播与管控，是目前许多单位亟待解决的问题。

1 录播系统和视频压缩标准简介
1.1 传统录播系统
传统录播系统是在教室或录播室配置一套单独的录播系统，包含普通摄像机、音响系统、嵌入式录播主机、教师机、交换机、教室中控等设备，授课教师或教室管理员进行录课管控。

系统具有架构简单、稳定性好等优点，缺点是系统建设成本高、扩展性差、设备繁多、部署和使用复杂、浪费人力物力、资源建设效率低且共享性差。

1.2 高清云录播系统
传统录播系统进行资源建设的规模小，无法对所有教学活动实施全过程录制，因此，需要设计一种新型的资源建设模式，以满足视频教学资源建设重点从“精品化”向“规模化、系统化”转变的需求[1]。

高清云录播系统应运而生，其是一种基于物联网，采用云存储、云传输、计算机和信息管理技术来满足现代化教学需求的系统。

系统采用“1云平台+N前端”的架构，前端教室配置高清网络摄像机、定位摄像机、定位主机、拾音器、电源模块、教师机、交换机等设备，所有的录制、剪辑、直播、点播、控制、资源管理均在云平台上实现，有利于降低建设成本、节约人力物力、提高课件资源的建设效率和利用率。

教师日常课堂教学活动与视频录制工作互不干扰，授课教师无需操作任何录制设备，按照自己习惯的方式正常开展教学即可，云录播系统会自动进行同步视频录制。

1.3 视频压缩标准
视频压缩标准是指一种使用现代压缩编码技术来减少视频资料文件大小的一种规范，主流标准有H.263、H.264、H.265、MPEG-4、VP6和VC1等。

H.264是最通用的视频编码技术，也被称为MPEG-4的第10级（AVC），在数字电视广播、实时视频通信、网络流媒体等领域具有广泛的应用，在相同的视觉感知质量上，编码效率比H.263、MPEG-2和MPEG-4提高了50%左右。

H.264不仅具有优异的压缩性能，而且具有良好的网络亲和性[2]。

H.265是H.264的演进，其画质和效率相比H.264有了质的提升，但编码速度明显减慢。

2 录播系统升级需求
2.1 技术进步助力性能提升
本单位原有3个教室部署了传统录播系统，录制的课件质量最高支持720p或1 080i分辨率，其他教室仅有普通云台摄像机、音响系统、显示系统等教学设备。

随着高速通信、音视频信号采集编码、自动编辑、流媒体存储发布等技术的发展成熟，为系统升级建设提供了有力的技术支撑。

2.2 教育信息化建设提出更高要求
《教育信息化2.0行动计划》、数字校园建设等对教育信息化转段升级提出更高要求，后疫情时代的教学方式正发生重大变化，慕课资源建设、翻转课堂教学模式、研讨式案例式教学方式、“混合式”教学模式、课堂
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教学日常监管、教学设备统一管控等都离不开高清云录播系统这个载体。

同时，人们对线上教学质量、课件质量、优质教学资源便捷共享等要求也越来越高，信息技术全面辅助教、学、管三方应用的挑战也越来越大。

3 系统升级的设计与实现
3.1 系统结构与设备选型
系统升级建设目标是实现6个教室和1个课件制作室的录播、存储共享与设备统一管控等功能。

所有设备接入同一局域网，通过网络中心路由器与外网连接；系统需统一客户端，学员通过浏览器收看直播、访问共享教学资源；教师通过内网访问课件资源，可回看自己的课堂教学，为提升自己的教学水平、改进教学方式提供参考，同时可基于同步录制课件进行优质课件开发；教学管理员可在线巡视整体课堂教学情况，进行教学资源的管理；系统管理员通过后台进行统一管控，包括系统及设备管理、网络保障与教学辅助等。

系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图
根据功能需求，需购置必要的新设备及配件，对部分利旧设备进行升级，主要设备信息如表1所示。

序号1 2 3 4 5 6 7 8
设备名称
嵌入式系统开发板
嵌入式系统主板
前端摄像机
中心交换机、前端交换机
内网直播服务器
网络硬盘录像机
专业非编系统及摄像机
NAS
用途
嵌入式应用程序开发、调试
教室前端视频编码
课堂视频（教师、学员）
云录播系统设备独立联网
内网直播
实时录制课件
高质量课件制作
教学资源共享
单位
套
套
台
台
台
套
套
套
数量
1
8
8
7
1
1
1
1
备注
海思芯片
海思芯片
利旧
利旧
开源SRS系统
利旧
利旧
表1 主要设备信息表
3.2 系统实现
3.2.1 组建局域网
组建专用千兆局域网，主干网通过光纤传输，内网直播服务器、网络硬盘录像机、课件共享NAS与核心交换机直接相连，教室前端通过向内网直播服务器推流实现内网线上直播，同时也可以通过第三方直播平台、自建或租用云服务推流实现外网线上直播。

3.2.2 嵌入式应用程序开发
HDMI高清编码器采用定制嵌入式主板的二次开发方案，嵌入式主板支持4路（3路SDI+1路HDMI）全高清信号，集成了海思Hi3521A芯片、1 GB DDR3 RAM、千兆以太网卡以及电源电路等，实现以太网、HDMI、VGA、USB、SATA、BNC、SD、UART、SDI等外设接口的扩展，具备编码器的基本编码、串流、支持特效编辑、导播、网络解码、文件录制、视频轮播等功能。

海思芯片内置ARM A7双核处理器和高性能的H.265、H.264视频编解码引擎，集成了包含多项复杂图像处理算法的高性能图像、视频处理引擎和丰富的外围接口，提供了全高清显示输出功能。

海思Hi3521A的SDK提供了多媒体软件平台（Media Process Platform，MPP），MPP提供的接口可用于视频应用软件快速开发[3]。

为便于搭建开发环境，降低开发门槛，使用运行在Windows系统上的虚拟机软件VirtualBox，创建一台Ubuntu操作系统虚拟机。

对照海思芯片开发技术手册与Demo，根据课件三分屏显示、音视频合成编解码功能、实现与摄像机对接的ONVIF协议等功能需求，基于海思芯片的SDK和第三方快速开发工具，完成音视频编解码、传输协议、音视频合成等代码的二次开发、编译与测试。

3.2.3 中心机房端
内网直播服务器：将固态流媒体系统服务器部署在中心机房，通过按键和液晶显示屏配置服务器内网IP地址，通过设备管理后台创建每间教室的直播节目，如C1_T_PPT.flv、C1_T_V.flv 、C1_S_V.flv分别表示教室1的教师机PPT视频、教师人像视频和学员视频，生成对应的推流地址。

编写学员收看GUI，实现教室单个或组合信号源的选取、播放与暂停等功能，如单画面电影模式、三分屏标准视频课件学习模式。

实时视频教室3～5…
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服务器软件比较多，有Red5、SRS、MistServer、Kurento、Clipbucket、Opencast Streamhash等。

系统搭建的是SRS实时视频服务器，其是一款优秀的开源流媒体服务器软件，可用于直播、录播、视频客服等多种场景，支持RTMP、WebRTC、HLS、HTTP-FLV、SRT等多种协议。

网络硬盘录像机：利旧海康威视32路8盘位硬盘录像机，监控主机支持4K超清画质，存储容量为18 TB。

首次开机按提示输入用户名和密码，登录设备配置主界面，通过“主菜单→系统配置→网络配置→IPv4”，取消“自动获取”，手动指定一个与路由器IP地址段相匹配的IP地址；通过“主菜单→通道管理→通道配置→IP 通道”页面添加每间教室的信号源（网络摄像机、HDMI 编码器等），包含IP地址、协议、管理端口、用户名和密码等信息。

系统管理员和教学管理员可统一管理、监视所有设备的运行情况。

课件资源共享服务器：因网络硬盘录像机的存储空间较小且采用循环覆盖方式，为避免录制的宝贵教学资源丢失，管理员可定期或不定期将录制的原始视频文件进行下载备份或上传到课件资源共享服务器，方便师生随时访问，同时为高质量的视频课件开发提供原始素材。

3.2.4 教室前端
对教室前端带云台高清摄像机进行升级改造。

前端摄像机的光学变焦达20倍，数字变焦达16倍，最大分辨率为1 920×1 080，输出帧频可达60帧/s，同时提供DVI-I（HDMI、YPbPr）、3G-SDI等接口。

通过升级网络固件，将前端摄像机升级为带云台高清网络摄像机，以便进行远程管控。

音频系统充分利用旧有设备，根据需要补充部分拾音器，子系统包含带音效的调音台、功放、讲台有线话筒、领夹和手持无线话筒、高灵敏拾音器等设备。

将教师机、摄像机、HDMI编码器等设备接入专用网络，将音视频信号源分别接入HDMI编码器对应接口（调音台输出接音频输入口、摄像机接SDI输入口、教师机显示输出接HDMI输入口、音频输出接教师机音频输入口、VGA或HDMI输出接监控显示器）。

登录HDMI编码器Web后台设置页面，通过“端口”配置页进行编码设置、OSD设置和音频设置，通过“系统设置→网络设置”配置页设置好网口、DNS及端口等参数。

保存设置后可通过状态显示页预览对应端口的视频，也可通过VLC播放器中的“媒体→打开网络串流”测试对应设备的显示效果。

3.2.5 客户端
拉流播放页面采用html5技术，增加了学习提问、授课评价与教师反馈等功能，学员通过浏览器登录直播教学或课件资源共享服务器地址，观看实时直播教学或课堂回放，访问内网或线上共享的精品教学资源。

4 云录播系统的应用场景
4.1 课件录制与资源建设
利用该系统可以同步录制教室的授课信息，生成单信号源或多信号源组合的高清视频课件，教师可将课件进行下载与分享。

系统与资源管理平台对接，实现课件资源的再加工与有效利用，课件开发人员利用专业的课件制作软件（如Premiere Pro、Camtasia Studio、大洋X-EDIT、EDIUS）制作高质量的视频课件，资源管理中心可以完成包括专家名师授课、科普宣传、领导讲话等重要资源的汇集、整合、管理与发布，推进教学资源库建设，为内部课件共享、慕课平台、线上精品课程网等的点播提供资源。

4.2 教学评估与课堂教学监督
系统实现全方位、多角度、立体化的教学评估。

教学管理者可通过访问监控主页，方便、准确、实时地掌握教师授课质量和课堂教学情况，同时可以组织授课教师开展教学观摩活动，相互交流，取长补短，提高自身教学能力；管理人员可对教室进行监控，可选择任意教室实时查看教师授课视频、PPT课件内容和学员听课状态，也可选择性地截屏，作为教学管理资料。

课程中心可同步建立教师课堂教学电子档案，包括授课视频资源、授课课件、用户评价和教师自我总结等。

在Web终端，允许用户在点播与直播的过程中对课程进行客观评价。

4.3 内网直播
针对同时参训学员较多的面授培训，可以采用内网直播的方式进行。

如每年大规模的雷电防护装置检测专业技术人员职业能力培训，知名专家在主讲教室进行课堂讲授，安排在不同教室的学员通过内网同步收听直播，教学助理负责课堂管理、教学互动、学员管理与学习反馈等。

4.4 外网直播及视频会议
开展大规模的线上直播培训或视频会议，可采用以下2种方式。

方式一：采用第三方直播教学平台，如腾讯会议、阿里钉钉课堂、保利威视频云直播平台等，只需配置好教师机直播平台软件的相关信息即可开启直播，主要是选择音视频源，并设置好相关参数；学员登录直播课堂或网络会议即可收听直播或进行互动交流，如笔者们利用腾讯会议开展了面向全省气象部门职工的网络
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5 结束语
随着今后气象培训人数和规模的进一步提升，以及各系统的升级和业务拓展，需要进一步增强基础设施支撑能力。

下一阶段，干部学院会继续深入研究气象培训应用场景，从实际角度出发，根据不同应用功能精准建设基础支撑环境，组建以虚拟化资源池为主、物理资源池为辅的气象培训基础设施云平台，真正做到因地制宜、因需制宜，实现既满足业务需求又集约资源的目标。

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作者简介：羡小龙（1989—），男，北京人，本科，高级工程师，从事气象培训信息化建设工作。

（编辑：王霞）
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职称答辩、研究型业务技术培训、灾害性天气监测预警专项培训等。

方式二：将视频流推到云视频直播服务商地址。

提前准备好云服务，根据要求配置好编码器端口的外网推流地址以及协议参数，如阿里云、百度云、七牛云等大平台使用RTMP流协议。

近年来，笔者们采用租用四川省政务云和百度云服务的方式开展了全省人影能力建设业务培训、基层财务人员综合业务素质培训、党的二十大精神培训等。

5 结束语
综上所述，系统升级改造完成并投入使用提升了运维管理工作质效，节约了建设成本与人力投入，消除了信息孤岛，提高了教学资源建设成效。

培训教学机构应紧跟信息技术潮流，将新技术快速转化为教学改革动力，为课堂教学质量的提升、教学系统的迭代升级和智慧校园建设提供新动能。

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作者简介：张新华（1975—），本科，高级讲师，研究方向为信息系统集成与开发。

（编辑：王霞）
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