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。
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(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