覃遵穎，崔靖茹，王 強，折 波，張 哲

（西安交通大學 網(wǎng)絡信息中心，陜西 西安710049）

一、引言

艾瑞咨詢在線教育變化趨勢數(shù)據(jù)顯示，2016年中國在線教育市場規(guī)模達到1560億元，之后也將繼續(xù)保持20%左右的速度增長，到2019年將會達到2692億元。[1]因此，科技手段推動了現(xiàn)有教育的發(fā)展，加深教育的深度與廣度；采用技術，將教室學習與線上學習相結(jié)合，深化了教學過程的信息化。目前，教學環(huán)境被在線教學重新定義。但是，依靠人工錄像上傳來采集教學資源，暴露問題諸多，大規(guī)模存儲價格昂貴，嚴重影響教學資源的采集與授課，僅僅依靠人工已經(jīng)不能解決。如何解決海量視頻的采集與安全存儲，保障數(shù)據(jù)的準確性、實時性以及系統(tǒng)的常態(tài)化運行和大規(guī)模部署應用，已成為當前在線教育的一個重要研究方向。

校園治安監(jiān)控系統(tǒng)對校區(qū)、教室、人員、設備的安全性有可靠的技術安全保障與威懾作用。但是，龐大的視頻監(jiān)控資源僅僅用于安防監(jiān)控又是對有效資源的浪費。安防系統(tǒng)視頻采集存儲方式有著前瞻性的借鑒方向。在視頻存儲方面，已經(jīng)有適合大規(guī)模存儲的完善系統(tǒng)，但是由于安防的獨特使用特性，相關技術研究之后，視頻存儲有自己獨特的存儲與檢索方式。安防系統(tǒng)并不能完全滿足教學環(huán)境中在線視頻的采集與檢索。

當前，常態(tài)化錄播系統(tǒng)主要用于安防系統(tǒng)的視頻采集與播放。因此，研究一套可以大規(guī)模部署的常態(tài)錄播系統(tǒng)，成為今后最具研究與推廣價值的應用技術之一。

二、錄播系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

從2011年開始，在線教育經(jīng)過了漫長的發(fā)展期，一批在線教育模式開始出現(xiàn)在教育者眼中。紐約州立大學帝國學院創(chuàng)立了“Creativity and Multicultural Communication”；關注在線教育的麻省理工學院也推出MITX，用于推動發(fā)展在線教育平臺；哈佛大學于2012年加入網(wǎng)絡在線教學計劃，并重新命名為edX。最終，edX發(fā)展成為由麻省理工學院、哈佛大學、加州州立大學伯克利分校領導的非營利組織，除了在線教育之外，edX還進行教學法的研究，配合校內(nèi)教學，提高教學質(zhì)量，開展新技術背景下教學手段方面的應用，同時也加強學生們在線對課程效果進行評價。[2]

網(wǎng)絡在線教育有自身的優(yōu)勢，擁有完善的系統(tǒng)架構(gòu)與廣泛的用戶群體。但是，該項計劃的實用性有一定的限制，需要人工上傳課程，編輯教學任務，人工操作復雜，無法實現(xiàn)自動化與智能化。針對大學教育的獨特性質(zhì)，將大學珍貴的授課資源，采用常態(tài)化錄播的手段進行采集，自主研發(fā)大規(guī)模存儲的系統(tǒng)，依照教學方式實現(xiàn)自動化視頻存儲方式是本文主要的研究方向。

2014年9月以來，西安交通大學網(wǎng)絡信息中心大膽探索，提出運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算技術建設與教學過程緊密結(jié)合的新型智能教室，為教師、學生、教務管理提供更多支撐和服務。

新型智能教室以教學計劃組織實施為核心，將教學服務、課后學習、課后評估與教室管理整合，圍繞教學系統(tǒng)，依托校園網(wǎng)、教室物聯(lián)網(wǎng)、一卡通專網(wǎng)和數(shù)字校園平臺建設了一套保障課堂教學為核心的運行服務體系。能夠為教師和學生清晰地了解學習過程提供充分的音視頻資料。本文在智能教室的基礎之上設計實現(xiàn)了一套常態(tài)錄播系統(tǒng)，在無人協(xié)助的情況下，通過對安防系統(tǒng)資源的整合，利用高速可靠的物聯(lián)網(wǎng)自動完成教室上課視頻流的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)同步直播，同時將視頻資源上傳至存儲池中，實現(xiàn)后期網(wǎng)上點播。整體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 常態(tài)錄播系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

三、基于共享安防資源可大規(guī)模部署的常態(tài)錄播系統(tǒng)

在利用信息化技術改善教育理念、方式和方法的背景下，錄播系統(tǒng)應運而生。錄播系統(tǒng)是指能將課堂現(xiàn)場的視頻信號、音頻信號和VGA信號進行同步錄制，并生成標準化的流媒體文件，可用來同步直播、存儲、后期編輯點播的系統(tǒng)。錄播系統(tǒng)[3-4]在教學過程信息化的實現(xiàn)中起著關鍵作用，應該具備如下性質(zhì)：

①高共享性：在教育行業(yè)中為了實現(xiàn)錄播系統(tǒng)，錄播教室要部署音視頻采集設備，設備接入校園網(wǎng)后由統(tǒng)一的錄播后臺中心設備進行視頻流抓取以及保存。所有教室共享錄播后臺中心設備，節(jié)約設備投資，提高設備利用率。

②高可擴展性：錄播系統(tǒng)的規(guī)模應該可以動態(tài)伸縮擴展，滿足用戶動態(tài)增長的需求以及第三方應用的接入，同時系統(tǒng)各組件可以任意更換，無廠商綁定問題。

③高易用性：盡量減少教室內(nèi)為錄播系統(tǒng)額外增加的設備，在不影響教師傳統(tǒng)教學以及學生聽課的前提下實現(xiàn)無人值守自動化錄播。設備的減少將大幅度提高可維護性以及易用性，同時減少維護人員的投入。

④高可靠性：錄播系統(tǒng)的可靠性主要包括兩部分，首先是音視頻流采集的高可靠性，作為錄播系統(tǒng)的基礎，其可靠性直接關乎整個系統(tǒng)的可用性。其次是數(shù)據(jù)存儲的高可靠性，教學視頻的可靠性存儲，不僅保證可以點播的正常使用，還可用于長期的教學數(shù)據(jù)的分析與挖掘。

傳統(tǒng)錄播系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)錄播系統(tǒng)架構(gòu)圖

每間多媒體教室需要單獨配備2臺攝像頭、1臺VGA編碼設備以及1臺分布式錄播主機。分布式錄播工作站抓取攝像機和VGA設備的視頻流并轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心?？刂浦行陌ü芾矸掌?、存儲陣列、流媒體服務器等，實現(xiàn)錄播點播服務。該架構(gòu)的不足之處首先在于每間教室都需要單獨部署視頻采集設備以及錄播主機設備，投資成本大并且維護成本高。其次，目前廠商提供的錄播系統(tǒng)大多是集視頻流采集、存儲和播放于一體的解決方案，廠商在采集、存儲和播放中使用私有協(xié)議，會導致被廠商綁定，難以擴展。如何在減少人力、物力投入的同時，構(gòu)建一個滿足高共享性、高可擴展性、高易用性以及高可靠性的錄播系統(tǒng)成為各高校實現(xiàn)教育信息化的難題。

1.基于共享安防資源可大規(guī)模部署的常態(tài)錄播系統(tǒng)架構(gòu)

大規(guī)模視頻存儲需要配置音視頻采集與轉(zhuǎn)存硬件以及錄播系統(tǒng)軟件，通過整合優(yōu)化系統(tǒng)資源與高速網(wǎng)絡帶寬支持，將不同硬件設備與不同廠商管理協(xié)議實現(xiàn)系統(tǒng)工作，共同完成數(shù)據(jù)采集、存儲與外部訪問。

基于安防的常態(tài)錄播系統(tǒng)存儲結(jié)構(gòu)如圖3所示，由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存層、應用接口層、數(shù)據(jù)訪問層組成。

2.整合共享安防資源的錄播系統(tǒng)

圖3 常態(tài)錄播系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)

安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)[5-6]是高等學校做好安全防范和安全管理工作的基礎，是新形勢下確保校園穩(wěn)定安全不可或缺的部分。本文通過對智能教室安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)資源的優(yōu)化整合共享，設計實現(xiàn)了一套可大規(guī)模部署的常態(tài)錄播系統(tǒng)，在降低成本的同時又能滿足錄播系統(tǒng)的高共享性、高可擴展性、高易用性以及高可靠性的需求。本文設計實現(xiàn)的錄播系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 整合共享安防資源的錄播系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由三個模塊組成，分別為視頻流采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊、視頻轉(zhuǎn)存模塊、流媒體播放模塊。現(xiàn)有的教學平臺或者其他應用可作為“訪問平臺”通過采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊、轉(zhuǎn)存模塊以及流媒體模塊交互來接入錄播系統(tǒng)，“訪問平臺”通過身份認證以及授權(quán)的方式對錄播系統(tǒng)進行管理。

（1）視頻流采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊

按照教室安防要求，正在使用的多媒體教室都配備一前一后兩個攝像頭，實現(xiàn)教室現(xiàn)場全方位實時圖象監(jiān)控及聲音監(jiān)聽，同時所有教室的視頻及音頻保存至安防存儲設備中。利用安防系統(tǒng)攝像頭記錄教師授課以及學生聽課場景，通過在教室中增加VGA編碼設備記錄電腦課件內(nèi)容，將VGA設備也接入安防系統(tǒng)，最終可以實現(xiàn)完成教學場景全數(shù)據(jù)采集。

視頻流獲取模塊利用安防系統(tǒng)可以實現(xiàn)教室教學場景的音視頻數(shù)據(jù)的實時獲，充分利用現(xiàn)有教室的攝像頭資源以及安防系統(tǒng)后臺強大可靠的視頻流抓取能力。

同時，為了實現(xiàn)課堂在線直播，在不影響安防系統(tǒng)視頻流保存的前提下，根據(jù)來自流媒體播放平臺用戶的訪問需求來轉(zhuǎn)發(fā)視頻流到流媒體模塊中，提供課堂在線實時直播。

通過對安防系統(tǒng)資源整合共享的方式對視頻進行采集與轉(zhuǎn)發(fā)有如下優(yōu)點：

①投入成本低，利用現(xiàn)有的攝像頭資源和安防系統(tǒng)可同時采集超過200路以上的720P視頻流。只需要在原有教室中增加VGA編碼設備就能將傳統(tǒng)教室改造為錄播教室，方便大規(guī)模部署。

②易用性好，安防系統(tǒng)7×24小時對視頻流進行抓取，無需用戶操作，不會過多干預教學過程，可以實現(xiàn)無人值守的視頻采集。

③可靠性高，技術成熟的安防系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的視頻流采集以及視頻文件保存，同時安防系統(tǒng)自帶的報警功能可以及時發(fā)現(xiàn)視頻流缺失并定位故障原因。

④可擴展性好，安防系統(tǒng)中無論是攝像頭等采集設備還是后臺錄播存儲設備均支持安防系統(tǒng)行業(yè)標準。因此無論是更換攝像頭等采集設備，還是后臺中心存儲設備，都可以跟已有系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，解除廠商綁定的隱患。

（2）轉(zhuǎn)存模塊

視頻流采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊除了將教室的視頻流進行實時轉(zhuǎn)發(fā)之外，還將生成的流媒體文件保存在安防專業(yè)存儲設備中。在安防行業(yè)標準中，安防視頻保存時間一般為一個月，因此安防系統(tǒng)的存儲容量有限，這勢必會導致無法長期存放教室授課視頻以供后期點播使用。尤其，當接入教室增多時，視頻保存的時間將進一步縮短。例如：一間教室2路1080P攝像機信號和1路720PVGA信號，攝像機視頻流是全天24小時保存，VGA視頻流只在教室上課時才會有，按照每間教室每天上課10小時，平均每天教室多媒體視頻文件的數(shù)據(jù)量約為90GB。為了實現(xiàn)學生教師課后點播觀看，錄播系統(tǒng)中教室視頻資源至少應該保留1學年，那么一間教室占用的存儲容量約為30TB。目前主流安防系統(tǒng)的存儲容量為100T，單臺安防存儲最多保存4間教室的視頻數(shù)據(jù)。在存儲空間不變的前提下，如果要延長視頻的保存時間只能降低每臺安防存儲設備接入的視頻路數(shù)，這勢必浪費了傳統(tǒng)安防可同時接入上百路視頻流的優(yōu)勢，造成設備資源利用率低。同時，過多的安防存儲設備將增加投入成本，導致運維管理復雜和擴展困難。

將教學視頻存儲在安防系統(tǒng)中不僅存在存儲容量有限的問題，另外一個比較重要的問題是多媒體視頻文件的訪問。一方面，安防系統(tǒng)按照自身的存儲方式存儲數(shù)據(jù)，除非安防廠商提供訪問接口，否則第三方應用很難讀取存儲在安防系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。另一方面，安防系統(tǒng)中一般按照監(jiān)控點IP地址檢索文件，并且按照固定的文件大小來存儲7×24小時視頻流，第三方應用則根據(jù)教室上課時間或者上課節(jié)次來訪問授課視頻文件。

為了解決安防系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)容量以及流媒體視頻文件讀取問題，設計實現(xiàn)了常態(tài)錄播系統(tǒng)的轉(zhuǎn)存模塊。轉(zhuǎn)存模塊將根據(jù)制定好的轉(zhuǎn)存任務將教學視頻轉(zhuǎn)存至存儲資源池中，存儲資源池可以根據(jù)現(xiàn)有資源進行整合，可以是NAS、IPSAN等集中式網(wǎng)絡存儲，也可以是HDFS、Ceph等分布式共享存儲，同樣也允許多種資源混合使用。不論是集中式的網(wǎng)絡存儲還是分布式共享存儲都提供標準的訪問接口，可以解決點播以及第三方應用訪問視頻數(shù)據(jù)的問題。轉(zhuǎn)存模塊維護教室內(nèi)攝像頭和VGA的IP地址與教室地點的關聯(lián)信息，利用教室內(nèi)監(jiān)控點IP地址以及視頻起止時間作為參數(shù)訪問安防存儲系統(tǒng)，返回包含課堂教學視頻的文件列表。由于安防系統(tǒng)中文件按照固定大小存儲，因此需要對返回的文件列表根據(jù)課程起止時間進行切割合并，生成每節(jié)課的2路攝像頭以及1路VGA視頻文件。將切割合并好的每節(jié)課所有視頻文件按照教室地點和課程時間的路徑格式存儲在存儲資源池中，方便流媒體播放模塊以及第三方應用根據(jù)上課地點和上課起止時間檢索讀取視頻文件。轉(zhuǎn)存模塊的轉(zhuǎn)存任務分為常規(guī)自動轉(zhuǎn)存任務以及臨時轉(zhuǎn)存任務。常規(guī)自動任務根據(jù)教務系統(tǒng)課表自動生成，當臨時加課，調(diào)課的情況發(fā)生時將動態(tài)生成臨時轉(zhuǎn)存任務。

轉(zhuǎn)存模塊解決安防存儲視頻數(shù)據(jù)的容量以及訪問問題，將授課視頻集中存儲在存儲資源池中，一方面充分利用現(xiàn)有存儲資源，另一方面增加了系統(tǒng)的可擴展性。同時集中存儲提供標準的訪問接口，便于增加第三方基于視頻的分析與應用。轉(zhuǎn)存模塊將錄播系統(tǒng)兩個關鍵的錄與播解耦合，這樣可以分別進行開發(fā)、維護、升級，互不影響。

（3）流媒體播放模塊

流媒體播放模塊既要接收來自視頻采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊的多路教室音視頻流，實現(xiàn)低延遲的實時在線直播，同時要讀取存儲資源池中的視頻文件實現(xiàn)在線點播。目前常用的流媒體協(xié)議主要是RTMP和HLS。HLS（HTTP Live Streaming）是基于HTTP的流媒體傳輸協(xié)議，用于實現(xiàn)流媒體的直播和點播。[7]RTMP（Real Time Messaging Protocol）用于Flash播放器和服務器之間通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸流媒體，包括音頻、視頻和數(shù)據(jù)。[8]在實時性方面，RTMP延遲為秒級，HLS的延遲為10秒級，在兼容性上HLS要優(yōu)于RTMP。同時RTMP是長連接，HLS是短連接，前者在觀看視頻時必須一直維持一個連接，而后者傳輸完一段視頻片段之后就斷開連接，因此性能上前者優(yōu)于后者。

通過對以上兩種協(xié)議的在實時性、兼容性以及性能上的對比以及直播應用和點播應用的實際需求，流媒體播放模塊使用RTMP協(xié)議實現(xiàn)低延遲的在線直播，可以獲得很好的實時性。使用高性能以及兼容性良好的HLS協(xié)議實現(xiàn)點播，滿足大量用戶不同種類終端的接入需求。流媒體播放模塊如圖5所示。

圖5 流媒體播放模塊

目前安防系統(tǒng)普遍采用實時性比較好的RTSP協(xié)議進行視頻流傳輸，因此視頻采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊轉(zhuǎn)發(fā)的視頻流為RTSP流。為此，流媒體模塊實現(xiàn)了一個RTSP流轉(zhuǎn)RTMP流組件，將來自視頻采集轉(zhuǎn)發(fā)模塊的多路RTSP教室授課視頻數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)換為RTMP直播流，推送到流媒體服務器的RTMP模塊，提供實時直播。根據(jù)存儲資源池的類型，使用標準接口讀取存儲資源池中的教室授課視頻文件，利用開源ffmpeg開源軟件將其轉(zhuǎn)換為MPEG-TS流，推送給流媒體服務器中的HLS模塊，實現(xiàn)網(wǎng)上點播。

流媒體播放模塊利用兩種流行的流媒體協(xié)議可以充分滿足直播點播需求，同時提供標準接口與互動教學平臺進行對接，通過身份認證實現(xiàn)基于身份授權(quán)的教學多場景在線直播點播服務。學生可以對與其綁定課程的教師授課視頻和課件視頻進行點播、學習，形成一套“互聯(lián)網(wǎng)+”的學習體系。教師可以對與其綁定課程的教師授課視頻、學生聽課視頻以及課件視頻等全部教學過程視頻進行回顧，通過對自身授課情況和學生聽課情況的分析，不斷改進完善教學方式方法。教務督導人員根據(jù)授權(quán)可以對教學過程全部視頻進行直播、點播，對教師授課以及學生聽課情況進行全面分析和評價。

四、結(jié)束語

本文設計實現(xiàn)了一種通過整合共享安防資源的可大規(guī)模部署的常態(tài)錄播系統(tǒng)，滿足高共享性、高可擴展性、高易用性以及高可靠性需求。該系統(tǒng)利用教室原有安防設備實現(xiàn)視頻流的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，通過轉(zhuǎn)存模塊實現(xiàn)授課視頻的長久存儲和便捷訪問，利用多媒體平臺滿足在線直播和點播需求。目前該系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為教師、學生、教務管理在學習與教學的過程中提供支撐和服務。教師通過系統(tǒng)可以回放上課視頻，為提高教學質(zhì)量提供支撐。學生通過課前觀看視頻，課后復習，形成一套“互聯(lián)網(wǎng)+”的完整學習體系。教務人員利用授課視頻獲得到課率、抬頭率等教學過程的詳細信息來實現(xiàn)精準督導。在常態(tài)化錄播系統(tǒng)之上，深入開展教育內(nèi)容大數(shù)據(jù)、教學行為大數(shù)據(jù)、學習行為大數(shù)據(jù)等綜合分析與關聯(lián)挖掘研究，開展群體泛在協(xié)同學習新模式探索，為“互聯(lián)網(wǎng)+教育”探索出一套互聯(lián)協(xié)同、精細管理、動態(tài)智能、線上線下聯(lián)動的新型技術管理與服務模式。