课堂自动录播系统的关键技术研究及应用
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【摘 要】随着社会经济的发展，自动录播系统在在教学中的应用越来越广泛，自动录播系统可以将课堂教学过程进行网络直播，提高优质教学资源的共享程度和教育资源的利用效率。
【关键词】录播系统 目标定位 关键技术
（一）目标跟踪定位技术
目标跟踪就是在图序列中识别出目标并对其进行精确定位，以获取目标的运动的各个参数，进而对运动目标进行处理与分析。目前，目标跟踪定位主要有红外定位、超声波定位、图像定位技术这几种。
1.红外线定位跟踪技术
红外跟踪技术主要是根据自然界中的任何物体都存在红外辐射，而且不同物体甚至同一物体的不同部发射出的红外线的波长也各不相同，用于搜索和跟踪红外目标，确定目标的空间位置并对其运动路线进行跟踪。其基本设备是红外发射源和红外接收装置，通过红外信号的变化，摄像机跟踪定位摄像。教师身上携带一个红外发射装置，红外接收装置可以通过收到的红外信号，实现对教师的跟踪与准确定位。同理，学生的定位也是如此，对拍摄对象的准确定位后，驱动摄像机运转到这个预置位，就可以对教师或学生拍摄特写镜头。
2.超声波定位技术
超声波定位技术主要用在多机位板书定位系统上，通常会在黑板的下沿安装多个超声波感应头，不同的摄像机对应不同的感应头。当主讲教师靠近黑板书写时，超声波感应头就能检测到人体， 对讲台前的人进行定位，不受光线、温度等影响，并立即触发相对应的摄像机对教师的板书画面进行拍摄， 实现对拍摄对象的准确定位，并把该画面切入到自动编辑机中进行编辑处理。但超声波定位技术也存在其缺点，就是由于超声波发射角度过大，导致了拍摄方位的精度较为低下，可能会出现视频信号来回切或摄像机频繁左右摇摆的情况，最后造成空画面或者无效画面。
3.图像识别定位技术
图像定位技术是基于图像的对运动图像进行侦测的一种新技术，计算机或其他仪器设备根据某种算法对目标进行跟踪与定位，并可以智能的根据目标的位置和动向采取相应措施，只要目标始终在其拍摄范围内，就可以通过镜头的推、拉等变化，实现对拍摄对象的定位和自动跟踪。它很好的克服了红外线和超声波容易受到干扰等缺陷，无需教师或者学生携带任何无线发射装置。图像定位技术定位拍摄对象是根据定位摄像机来实现的，以学生的定位为例：由于学生坐在座位上和站起来回答问题这两者的高度不同，所以图像定位技术是根据学生在画面中的高度的不同来判定学生是不是在回答问题。当某学生超过预先设定的高度时，定位摄像机就可以判定该学生要回答问题，这样就会自动把拍摄摄像机对准该学生，进行准确的追踪拍摄。但对于阶梯教室来说，因为其地面不在同一平面，比较难设定一条固定的触发高度线，不适合图像定位系统的使用。
（二）图像解析度转换技术
在录播系统中，图像解析度转换技术是一项关键技术，自动录播系统中有教师、学生的视频信号，计算机信号等，每种视频信号的图像解析度不同，这就需要在编辑合成时进行转换。图像解析度的表示方法是图像的横向像素数X图像的纵向像素数，如720x576它表示该图像的解析度，随着乘号两边数字的增加，图像的解析度也会随之变高，图像也就越清晰。
图像解析度转换器可以将具有一定分辨率的视频或者计算机视频信号转换成另一种分辨率的信号，它有升频器、降频器和计算机图像频率转换器这三种，升频器与降频器是实现NTSC或者PAL视频信号与高分辨率的RGB信号之间的转换，计算机图像频率转换器实现的是不同分辨率的计算机信号之间的转换，如图1所示。解析度转换器在某些系统设计时可以简化系统。如在音视频系统中，若视频信号要被转成与显示器的固有分辨率相匹配时，仅需要一个RGBHV接口，系统就可以和显示设备连接。
（三）数据压缩和网络数据传输技术
自动录播系统原始视音频数据量很大，但它要实现网络同步直播，边拍摄画面、边压缩信号，同时把数据信号向网络直播的功能，必须保持数据量小，才能实现直播信号流畅，这显得数据压缩技术尤为关键。只有好的压缩技术才能把压缩比最大，并保持画面质量最佳。以高清视频压缩标准为例，当今有三种主要的压缩标准：MPEG -2、WMV-HD、H.264。WMV-HD相对于MPEG-2，WMV-HD 的压缩比更高，在录播系统中一般采用微软的WMV标准进行压缩。
（四）网络传输技术
教学自动录播系统需要在教师机和服务器、服务器和学生机之间都需要网络连接来实现课件视频资源的传输，所以传输技术对录播效果的好坏有着重大的影响。好的网络传输技术和通信协议的选择对于流媒体数据传输的实时性至关重要。
如图2所示，由加利福尼亚大学Berkeley分校开发的套接字（Socket）技术刚开始开发是专门用于 Unix 系统所需要的网络通信接口。目前，Socket已经成为最为流行和通用的一种接口，并主要为各种网络通信的应用程序服务。Socket主要是实现了具体的一个通信的端点，各层次的用户都可以在它基础之上开发所需要的 Socket 应用程序，从而实现通过网络进行通信。一般来说，利用TCP协议或者UDP协议进行传统的网络传输也是可以达到要求的，但是录播系统实时性较高，为了实现流媒体数据交换的实时性，需要采用RTP实时传输协议来完成。
（五）实时传输协议 RTP/RTCP
RTP（Real-time Transport Protocol）是在因特网上处理多媒体数据流的一个网络协议，提供具有实时性、端到端特性的数据传输服务。其协议由两个相关的协议 RTP 和 RTCP 组成，且位于应用层和传输层之间，RTP数据采用UDP/IP包的形式来封装。此外其也可以在 TCP 等其他协议之上工作。UDP协议是无序无连接的不可靠的传输协议，通过相互独立的包进行数据传输，具有效率高、延时小的优势。图3所示的是面向此类无连接的通信过程示意图。
二、课堂自动录播系统的应用
录播系统建设最初是由高校开始兴起，近几年，课程录播教室的建设正在不断深入发展，国内职业学习的实习教室以及中小学教育也逐渐使用课程录播，其应用范围主要有以下方面：
（一）制作网络精品课件，构建教学资源库
自动录播系统可以实时录制教师讲课的课件、展台展示的内容、讲课的整个过程，也可以通过智能场景切换，将教师和学生的互动过程录制下来。在后期对录像文件进行删减、合成、索引等编辑，形成可供学生在网络进行点播、下载的课件，构建学校精品教学资源库，方便老师与学生教与学的综合应用。这样学生就可以在课后通过网络点播上课时老师讲授的内容要点，经过多遍回顾，进而反思自我的学习过程。对于老师来说，可以在课后反复观看录制下来的内容，找出自己上课的不足之处，并给予及时纠正，提高自己的教学水平。用录播系统还可以将一些优秀教师的精品课程录制下来，建设一个精品教学资源库，供同行学习和参考。
（二）建设网络教学平台
教学录播系统可提供 B/S 和 C/S 两种结构的资源管理平台，为上传课件和教师资源上传点播网络课程提供了开放式的管理平台。老师上完课后，录制的教学视频会自动生成并上传到服务器端，老师有权限对教学资源进行分类管理。管理平台全面支持基于各种计算机终端对教学课件库资源的访问、浏览器查询及下载应用，不限制学生的自主学习和远程教育。
（三）远程教学应用
随着网络的发展，学校的教学方式从单纯的课堂授课发展到了与网络授课相结合的多种形式。通过课程录播系统，学生的学习不再受空间和时间的限制，可以进行课件的网络直播和随时进行课后的点播学习，学生远程学习等，通过网络这种快捷方便的方式，享受到优秀的教学资源。
三、 结语
自动录播系统可以记录教师课堂讲课的整个过程，通过网络共享，展现优质教学资源和水平，用于教学交流和网络课程学习，可以很好的满足课程录制、教师教研、学生学习等方面的需要。
参考文献：
[1]郑祖周.录播系统建设与使用经验探讨[J].福建电脑，2011（08）：65～66.
[2]周丽，赵亚林，陈园园.数字化录播教室在现代教育模式中的应用[J].中国教育技术装备，2012，02：50.
[3]黄德群.高校精品课程建设研究特点！问题与趋势[J].中国电化教育，2010.5.