“十模块”分析设计法与网上视频课堂

摘 要:智能集中控制系统、交互式数字白板、视频会议系统、“数字法庭”系统、数字电影系统、数字告示系统、多媒体实时录播系统、智能家居系统,等等,都是信息化音视频系统的具体应用模式。本文是基于北京大学某教学楼的信息化音视频系统工程的建设实例,通过细致绘制出的“系统设备连接拓扑图”,并运用音视频系统的“十模块”分析设计法进行该工程案例的具体技术分析。在此基础上,结合流媒体技术将该套系统与北京大学网上视频课堂进行整合,达到一加一大于二的增值效果和创新应用。

关键词:北京大学 信息化音视频系统 网上视频课堂系统 “十模块”分析设计法 流媒体技术

中图分类号:TP311.52 文献标识码:B 文章编号:1673-8454(2009)13-0047-04

一、引言

二十一世纪是信息化时代,随着计算机技术,网络技术的快速发展,人们的交流信息的形式和途径变得丰富多彩,并且不再满足于简单传统的文字、图画、声音的交流,因此高质量视频的交流和信息传播越来越受到重视与青睐。人们通过网络浏览视频进行学习已经成为一种时尚,同时网络视频的丰富程度和利用网络视频进行交流的实时性和清晰度也越来越受到人们的重视。这些都使人们对信息化音视频系统、技术与设备具有很大的期望。

信息化音视频系统是把计算机技术、音视频技术、网络通信技术、数据库技术和自动化控制技术合为一体,把多媒体系统,流媒体系统和计算机网络紧密联系,将高质量音视频信息进行展现和发布。目前,针对信息化音视频系统的研究主要涉及视频信号源与记录重放技术与设备、视频显示设备技术指标和接口、信号分配、切换、转换和处理技术与设备、视频信号的传输技术和信号的控制技术等等。[1]

本文是基于北京大学某教学楼的信息化音视频系统工程的建设实例,它兼具智能集中控制系统、多媒体实时录播系统和视频会议系统的典型特点。通过细致绘制出的“系统设备连接拓扑图”,并运用音视频系统的“十模块分析设计法”进行该工程案例的具体技术分析。在此基础上,结合流媒体技术将该套系统与北京大学网上视频课堂进行整合,达到一加一大于二的增值效果和创新应用。可以说通过流媒体技术与视频采集压缩技术整合后联动应用的两套系统,实现了网上视频课堂系统从低质量的摄像头图像到高质量实时的摄像机图像传输的较大转变,是一项具有较强的现实意义和参考价值拓展研究。

二、“十模块”分析设计法

信息化音视频系统由多种多样的信息化音视频设备有机地组合而成,主要包括前端设备、外围设备、传输设备和终端设备。比如,摄像机和视频展台就是典型的前端设备,矩阵切换器和信号处理器就是典型的外围设备,同轴电缆、双绞线和光纤就是典型的传输设备,投影机和磁带录像机就是典型的终端设备。

而这里笔者要谈的信息化音视频系统的“十模块”主要包括视频摄像与控制模块、视频切换复合模块、计算机视频转换处理模块、音频发射接收模块、音频切换复合模块、音频降噪模块、音视频监视预览模块、音视频复合录制模块、流媒体压缩发布模块、音视频同步模块。这十个模块主要由上面的前端设备、外围设备、传输设备和终端设备灵活有机地组合。

“十模块”分析设计法就是根据音视频设备的结构、简单原理、系统集成和工程设计等方面的综合知识,按照架设系统要实现的主要目的,全部或者部分选择“十模块”进行集成,最终达到系统要实现的重要功能。其中,“十模块”分析设计法的核心是系统信号和设备拓扑图,以及关键的外围设备的选择与功能分析。

三、使用“十模块”分析设计法进行北京大学某教学楼系统的实例分析

该系统的主要功能相当于一套实时录播系统,主要实现北京大学部分精品课程视频的录制与视频课件的转换功能。使用“十模块”分析设计法分析该系统的信号和设备拓扑图如图1所示,具体来说:

图中的3台视频摄像机和1台摄像机控制器属于视频摄像与控制模块;图中的1台视频切换与数字特技台属于视频切换复合模块;图中的1台视频扫描转换器则主要完成计算机视频转换处理模块的功能,该设备属于重要的外围设备,主要实现将计算机的VGA格式视频信号转换成数字的SDI格式视频信号;图中的2台无线麦克和1台无线传声调谐器属于音频发射接收模块;图中的1台调音台则主要完成音频切换复合模块的功能;图中的1台反馈抑制器属于音频降噪模块;图中的1台或多台画面监视器属于音视频监视预览模块;图中的1台录像机和1台精品课程录播机组成音视频复合录制模块;图中的1台课件录播服务器则完成流媒体压缩发布模块的任务,这台服务器中安装有一块流媒体视频采集压缩卡,主要完成视频的压缩转换功能;音视频同步模块的功能则由上面讲到的视频切换与数字特技台和调音台的内同步设置来完成。

下面从实际工程使用的重点设备的角度来进行系统的具体分析,该系统的视频摄像与控制模块,主要采用松下公司的AW-E650MC、AW-PB504MC、AW-PH360MC、AW-LZ16MD73MC摄像机,如图2所示,以及AW-RP555MC云台控制器,采用AW-PS300AMC,AWPS505AMC电源适配器分别为他们供电,这种摄像机有如下主要优点:

1/2 英寸 3CCD优质图像;水平分辨率850线;信噪比63dB(DNR ON)PAL;高灵敏度2000lux,F14。另外,在该模块中这三台摄像机都提供高清数字输出SDI接口,并配合云台使用为视频的采集提高了灵活度和视频的质量。

该系统的视频切换复合模块,则主要采用松下AV-HS300多格式现场切换台,它的功能十分丰富。这里不加累述,但要说明的是AV-HS300提供的丰富接口(如图3所示)满足了我们这套系统所需要的高清视频的输入输出。

需要重点说明的是该系统的计算机视频转换处理模块,该模块主要选择了Scan Do?誖Pro II 视频扫描转换器,如图4所示。此设备是比较先进的,提供的超级处理功能与专业的广播电视相关的特性和接口,主要实现将计算机显示器的VGA信号视频输出转换为NTSC/PAL的SDI串行数字视频。

这种SDI格式的视频信号输出,正是我们这套系统在设计之初就追求使用的主要的数字音视频信号标准。目前,从标清视频向高清视频升级转换正是信息化音视频系统的主要发展趋势。我们这套系统也正契合了当前的主流趋势,具有很好的前瞻性和应用价值。

另外,该套系统的流媒体压缩发布模块,所用的关键设备是课件录播服务器,该服务器上连接有Osprey 500 DVPRO 视频采集卡如图5所示。该卡是一种能传输未压缩的数字或模拟的视音频信号到微软的Windows Media应用程序的单插卡,它的硬件数字影像预处理功能可以显著地提高传送程序所传送的影像质量。我们曾经使用的是Osprey 210视频采集卡。

两者的区别主要在于后者主要实现模拟信号的压缩输出,而前者则是高清晰度信号的输出。输出的视频主要储存于课件录制服务器中。该服务器上安装流媒体编码软件和视频课件录制软件,可以满足流媒体发布的需求和高质量视频课件的实时制作。流媒体发布是利用录播系统来实现音视频信息实时点播和直播的重要功能,也是目前“录播”系统兼具“录”和“播”双重功能与传统的“录制”系统单纯“录”的重要区别。

此外,该系统还采用了很多重要的设备,包括Sony LMD-1420、LMD-5320多画面监视系统,DSR-45A编辑录像机,调音台YAMAHA-MG-124CX,Sony MB-8N调谐器基础单元,SONY AN-820A UHF天线,SONY的数字反馈抑制器SRB-FR300等。之所以选用上述设备,一方面是满足“十模块”中其他模块的功能实现,更根本的是上述设备都符合设计系统前定下的要使系统的传输信号满足“高清”标准的原则。

最后再说明一点的是,由于系统中所采用的DVI数字视频信号在传输距离上有限制,因为DVI信号的传输距离通常为5~7m,所以系统在前端设备——多媒体计算机DELL-745上加入了CM1-201SA-TR光纤传输器,主要用于解决DVI图像长距离或超长距离高速传输设备,并解决了数据安全、抗磁干扰等问题。

四、网上视频课堂与通过“十模块”分析设计法实现的音视频系统的成功对接

借助流媒体技术,我们只在该系统的课件录制服务器上连接相应的网络设备,并配置一套流媒体服务器系统,就可以将音视频信息在Internet上实时发布出去,真正实现音视频信息的实时传播。

同样,依托流媒体技术和Flash Media Server技术架构的北京大学网上视频课堂系统,通过上面音视频信息的导入,可以实现网上视频课堂系统从低质量的摄像头图像到高质量实时的摄像机图像传输的较大转变,实现两套系统的融合使用,达到一加一大于二的增值效果和创新应用。

网上视频课堂系统(Connect Server)的主要功能之一是提供多个用户参与的实时网络视频会议。该视频会议包含各种显示面板(窗格)和组件,具有多个预置的会议室布局,也可以自定义布局以满足需要。会议室使得多个用户或与会者能够共享计算机屏幕或文件,聊天,广播实时音频和视频,以及参加其他互动在线活动,如学生发言,教师提问,学生回答提问,相互交流讨论等。

下面,以北京大学校本部与北京大学深圳研究生院的在线远程教学为例来说明上面两套系统是如何融合在一起的。假设,北京大学的教授在校本部的一间多媒体教室讲课,深圳研究生院的一间多媒体教室内有所有听课的学生,学生准备好通过网上视频课堂系统,来实时听这位教授的讲课,同时可以与教授进行课堂交互。教授和学生同时进入到网上视频课堂系统中,而我们上面重点分析的实时录播系统则提供了丰富的音视频信息来实现真实教室的视频同步输出。与在真实教室上课不同的是,上课的老师和学生在同一时间内是在相距甚远的异地,老师和学生的交流是通过多媒体计算机的帮助完成的,并且上课的场景可以实时录制、存储,为以后的教学研究提供了极大的方便。

图6是两套系统现实应用的模拟示意图。

图7是使用网上视频课堂系统和实时录播系统,进行北京与深圳异地课程研讨测试时真实记录的效果图。左上角视频是深圳教室的现场情况(摄像头视频),左下角视频是北京教室的现场情况(实时录播系统的摄像机视频,应用“十模块”分析设计法),右上角视频是北京某办公室现场情况(USB摄像头视频)。

除了上面两套系统融合的拓展研究,随着手机3G时代的来临,可以考虑添加无线发布系统的拓展研究,让流媒体的音视频信息不再局限于有线发布,还可以利用蓝牙、红外和其他无线网络传输到手机、PDA和移动电视等主流移动媒体上,供教育和培训使用。这样,一套基于硬件设备的实时录播系统与基于流媒体技术的软件系统结合应用,他们的价值能够得到更好体现。

五、结束语

北京大学教学网中的重要功能就是北京大学网上视频课堂,在视频课堂中通常使用USB摄像头的视频导入来实现简单的视频交流。但是对于大型“公开课”的应用模式,低质量广角小的USB摄像头显然无法满足需要。而通过“十模块”分析设计法实现的音视频系统可以与网上视频课堂成功对接,将教师现场的视频实时高质量地导入并传输,效果比较理想且能够满足多画面切换的要求。

“十模块”分析设计法是笔者经过三年工作实践总结出来的方法,认为它是对信息化音视频系统设计的一次模块化“创新”,对于入门和从事设计系统工作时间不长的工程师将起到很好的帮助作用。该方法主要通过将系统设计中的共性问题进行模块化分类总结,分块设计后再集成,这样会使得设计思路异常清晰,这样设计出来的系统,其扩展性和改造性很强。笔者认为该方法类似于程序编程中的“面向对象”编程法中“类”的作用和意义。今后,笔者将通过更多的实例分析详细撰文,继续探讨。

总之,目前通过将北京大学网上视频课堂与通过“十模块法”分析设计法实现的音视频系统的成功对接,使得两个系统发挥了更大的价值,通过项目积累的经验将为后续工作提供很好的帮助,并具有一定的推广价值。

参考文献:

[1]彭妙颜,周锡韬.信息化音视频设备与系统工程[M].北京:人民邮电出版社, 2008.

[2]孙锋.交互式协同学习环境的研究与系统实现[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士),2001.

[3]苏春燕.基于网络的探究式学习模式的研究及其技术实现[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士),2003.

[4]冯愿.网络教育环境下教学信息资源的设计与开发[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士),2007.

[5]吴义辉.媒体技术在远程教育中的应用[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007.

[6]王建国.基于流媒体技术的现代远程教育视频教学系统的设计与实现[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士),2006.

[7]朱建锋.流媒体技术在网络教学中的研究与应用[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库,2007.

[8]杨武.流媒体技术的研究及其在网络教学系统中的应用[D].中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士),2005.