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智慧教室解決方案(錄播教室)--方案設計

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2.1整體設計

方案整體設計涵蓋教學視頻資源的“建設”與“應用”兩個方面。

資源建設是整個系統設計的基礎,通過建設錄播系統打造視頻錄制需求的硬件支撐。每套錄播系統獨立部署于每間錄播教室,錄播系統之間的運作相互獨立、互不沖突。每間錄播教室錄制的教學視頻資源保存在對應錄播主機的內置存儲空間中,管理員可單獨對每間錄播教室進行電源控制、遠程導播、登錄權限等管理。

在資源建設基礎上,部署資源管理應用平臺,通過“云聚合”技術匯聚分散于各錄播教室的視頻資源,快速形成校本資源,同時對資源進行有效管理和并提供配套的應用服務。各錄播教室的教學視頻資源與教學視頻應用云平臺之間建立無縫對接機制,能夠通過協議磋商在錄播系統空閑時間自動向平臺推送視頻資源。教學視頻應用云平臺能夠在接收到視頻資源后根據視頻的定義信息自動將視頻按年級、科目等進行歸類,同時提供視頻資源點播、視頻直播等多種應用服務。錄播教室俯視圖

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錄播教室后視圖

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錄播教室后視圖

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控制室圖

2.2詳細設計

系統介紹

錄播系統成為解決大批量教學資源專業制作的最有效工具。傳統肩扛手推的視頻拍攝方式需耗費大量人力和時間,更妨礙了師生的正常教學。現在,運用錄播系統的力量,在課堂常態化教學的同時就可以完成課堂的全過程實況拍攝,采用全自動跟蹤拍攝錄制技術,按照授課邏輯自動完成對老師行為、學生行為、電腦畫面的分析與跟蹤,真實記錄、拍攝整個教學過程,做出媲美專業攝像師的精品教學視頻,給視頻觀看者置身真實授課現場的完美體驗。

高清智能錄播一體機采用嵌入式架構設計,支持本地1080P高清攝像機信號和電腦課件信號的同步采集。

架構設計

系統主要由智慧黑板子系統、錄播圖像采集子系統、圖像跟蹤子系統、數字音頻處理子系統、導播子系統及電源控制子系統組成。系統拓撲圖如下圖所示。

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高清錄播系統以精裝修教室為依托,通過最先進的導錄播技術、音視頻處理技術以及圖像識別技術的完美整合,將多媒體課件、現場多路場景音視頻信號實時采集壓縮,以標準的流媒體方式保存,并通過教學視頻資源應用中心,使整個校園內視頻資源得以共建共享,擴大授教范圍,讓更多的學生接受到優秀教師的“面授”教育,我司設計的高清錄播系統主要由以下幾部分構成:

(1)錄播教室視頻采集:配置3臺高清云臺攝像機,主要用于教師特寫、教師全景、學生全景的高清視頻信號的采集,通過高清3G-SDI視頻線傳輸至4K錄播一體機中,進行高清視頻采集、圖像合成、編碼。

(2)錄播教室音頻采集配置:配置1套無線話筒主要用于教師的聲音采集及本地擴聲,天花板吊裝6個強指向性話筒進行教師及學生的聲音采集。音頻經過數字音頻矩陣的均衡、降噪和混音等處理后,輸出到4K錄播一體機進行音頻的錄制、直播及存儲。

(3)教師及學生圖像跟蹤配置: 配置1臺圖像跟蹤一體機及2臺定位攝像機分別對教師、學生進行智能圖像分析,并自動完成跟蹤切換,大大的減少了利用傳統錄制系統需要人為的對教師進行專業攝像的要求,從而減輕了工作量,減小了人力投入。上課時只需按照常規上課模式進行正常教學活動即可,教師及學生無需佩戴任何定位跟蹤設備,抗干擾性強。

(4)預監電視:在錄播教室側墻上安裝一臺預監電視用來實時顯示教室內的錄播畫面。授課教師可以實時了解自己的講課狀態,便于及時調整肢體動作,以保證精品課錄制的效果。

(5)LED時鐘:在錄播教室的后墻正上方安裝一塊LED時鐘,未開始錄課時顯示標準時間,當教師按下開始錄制以后,課程錄播開始,同時LED時鐘從0開始計時,便于教師掌握上課節奏。

(6)控制室主要配置:控制室主要存放4K錄播一體機、圖像跟蹤一體機、數字音頻矩陣、平臺服務器、網絡設備等,為教室前端的音視頻設備提供互聯手段,把信號源有機結合起來,實現教學實況實時錄制、同步直播。在特殊視頻錄制時如文藝節目、家長會直播、分組課堂等情況下,管理員在控制室內可通過鍵盤控制器手動控制攝像機的推、拉、搖、移,確保錄制、直播視頻按照人為意愿進行。

通過上述設備的完美銜接,最終將整個教學過程中的高清錄播教室內所有場景全部錄制下來生成標準MP4視頻文件,教師或學生可通過資源平臺進行直播點播,也可進行后期編輯制作精品課程資源。

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全自動跟蹤示意圖

★導播系統

為方便導播人員進行導播管理控制,錄播主機內嵌導播管理系統,提供滿足課程錄制功能的導播操作平臺。錄播系統支持兩種導播模式:本地導播模式和PC遠程網頁導播模式

導播平臺具有完善的錄課導播功能,包括教師/學生畫面、教師電腦信號等的場景切換,添加LOGO和字幕,切換特效、音量調節,云臺攝像機焦距調節、多畫面顯示布局等功能。同時支持在手動導播過程中通過PC遠程設置添加字幕。

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系統支持鼠標鍵盤直接通過USB接入錄播主機,配合HDMI環出畫面實現本地導播。本地導播使導播應用更加穩定,響應速度更加快速。USB接口支持接入文香導播搖桿控制臺,提供多元化的導播模式。

遠程網絡導播平臺基于B/S架構設計,支持使用IE、360、火狐等瀏覽器通過網絡直接訪問導播平臺,實現網絡遠程導播。

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多種錄制模式

★支持單流和多流錄制模式,單流模式支持單流單畫面、單流多畫面等各種顯示模式,并可在各種顯示模式間無縫切換。多留錄制模式下可支持1路電影模式和6路通道視頻1080P/30fps獨立編碼,并獨立保存為7路視頻,各路視頻之間沒有畫面覆蓋的情況,能保留最完整的素材資料,方便后期編輯。

★多點互動教學

錄播一體機本身具備遠程互動教學功能,內置4點MCU多點互動功能,無需外接任何互動服務器,即可實現同時召開4點互動教學功能;具備視頻會議終端功能,支持H.323協議,可直接與多點互動平臺MCU、會議電視終端互聯互通,組建市、區大規模同步課堂教學應用。

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★領先的圖像跟蹤技術

當系統檢測到教師在課堂中走動較多時,優先采用動態拍攝模式,即多以中景與全景拍攝;當教師在課堂中多以坐姿或靜止方式教學時,優先采用靜態拍攝模式,即多用中景與近景特寫拍攝。

在教室多媒體環境當中,教學互動一體機是必不可少的,因此在采用圖像識別技術進行教師行為跟蹤識別之時,必須考慮到這些圖像源的干擾,為避免誤識別的產生,北京文香充分進行了真實教學場景的模擬,經過多次跟蹤場景的模擬測試,在軟件設置當中允許屏蔽區域的設置,這樣有效避免了一體機動畫、影子、飄動的窗簾等對于跟蹤效果的影響。

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傳統跟蹤當中,是不允許教室過道有人行走通過的,但是在真實教學環境當中,比如聽課教師的進出等等勢必會對正常的學生跟蹤產生誤判,造成垃圾鏡頭的產生。考慮到教學場景的現實狀況,允許在軟件調試過程當中人為設置圖像識別屏蔽區域,這樣可以根據現場環境設置識別有效跟蹤區域,從而避免垃圾鏡頭的產生。

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在不同的教室環境當中,在普教和高教當中,黑板的布局是不同的,同時由于單頭定位的特性,采用單一的矩形框模式來標定黑板的位置已經不能滿足實際教學的需求,設計了先進的不規則畫框方式來適應不同教室的不同教學場景,從而有效提高板書識別跟蹤的準確性,高效性。

①寬場景畫面防抖技術:可對教師在某個自定義的數值范圍內的移動進行忽略,保持攝像機固定拍攝,以保證畫面的流暢及穩定,避免出現畫面跳動、遙移等現象

②窄場景畫面防抖技術:在1.8~2.4米的窄場景中,在0~3m/s的移動速度下,人物精確跟蹤,不抖動,不丟失。并在精確跟蹤教師的同時,完全避免大幅度肢體動作造成的鏡頭抖動問題,解決了多年的業界難題,實現該領域的一個重要突破。

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可以根據教師身高的不同進行自動調整,使教師鏡頭始終處于拍攝的合適位置,保證合理構圖。跟蹤過程連續、穩定、平滑,畫面輸出穩定。

根據教室的大小此次方案布置多支吊裝話筒,采用超心形指向進行拾音,拾音范圍如圖所示,可將教室內聲音進行有效拾取。吊裝話筒指向性強,可有效避免環境噪聲干擾。配置數字音頻處理設備對多路音頻信號的智能混音和音質的調節,使錄制聲音效果更佳清晰;

數字音頻處理器具有AGC自動增益控制,自動增益控制提供語音電平調節能力,它把減弱了的和加強了的信號映射到一個用戶定義的最理想電平。AGC具有區分加強了的信號和輕柔信號的能力,完全避免因多個麥克風拾取同一音源,使聲音重疊傳輸,導致聲音有隧道音,空洞且失真的現象發生,使聲音錄制更加清晰。

數字音頻處理器具有自動噪聲消除功能,噪聲有兩個來源,一是環境噪聲,一是設備噪聲。這種噪聲首先取決于設備的品質,另外線路的排布、設備之間的連接方法、屏蔽方法等都有重要影響。在聲音處理方面具有噪音抑制功能,系統自動根據聲音的頻率不同,將環境噪音及人聲自動分離,并將環境噪聲消除。如圖所示:



回聲是由于自己發言聲音泄漏到自己接收回路中,使自己聲音在音箱內再次被重復,尤其是在遠程音視頻互動教學過程中回聲現象是經常發生。北京文香數字音頻處理器支持回聲抑制功能,完全避免交互過程中回聲的發生。如圖:


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