同步互动课堂系统设计方案

1 同步互动课堂系统 设计方案 求分析 此次建设的 步互动课堂系统，采用一个平台多种应用的原则，依托市城域网为载体，能够实现学校的互动教学平台与 12 个班级的直播交流。实现远程互动教学、精品课件直播 /录播 /存储、精品课件资源共享、跨区域教学合作/学术交流、创新教学模式和听课模式、视频会议、培训教研等多种应用。 目前， 设一套同步课堂系统。可满足学校的互动教学，并实现12个课堂的直播，具体 需求如下： 核心设备 具有 很 强的稳定 性 ，能够保证 7时 不间断 运行 ，并且采用嵌入式架构，保证不受病毒的干扰； （核心资源采用平顶山市现有资源） 系统在 音视频传输方面需要采用 先进 的硬件平台， 并以 软件视频会议的方式进行交互式传输； 能够适应 现有的教学方式， 能够 自动的实现音视频图像切换技术； 实现图像 的智能 分析 ，对学生 、 老师的发言动作做智能的跟踪； 能够 对本地老师、学生、板书、远端学生的 实时 画面做存储或直播， 共享 优质资源，学生可以通过 后期 点播 或 直播进行收看； 图像 质量 做 到 1920做到 互动 教学 的高清晰视频 目的； 录制 的课堂可以上传到 源平台进行共享 ， 并且具有评分、留言、多平台点播等功能； 采用 统一标准，可以扩展到桌面、移动设备 上 ，以实现名师一对一、 非教室老师、学生通过互联网接入到 课堂 中进行实时互动； 2 步互动课堂设计 “同步互动课堂”系统的功能： “同上一节课”远程互动教学 精品课件直播 /录播 /存储 精品课件资源共享 远程高清视频培训 /会议 跨区域教学合作 /学术交流 创新教学模式和听课模式 整个系统是以普及共享优质课程资源为目的、体现现代教育思想和教育教学规律、展示教师先进教学理念和方法、服务学习者自主学习、通过网络传播的开放课程以及 实现区域性异地多点互动视频教学和远程交互式培训（会议）为建设内容，所有的网络课程、所有的作业，所有的教师互动、学生互动都可以在这个平台上进行。在平台上，教师、学生、社会成员都是网络学习资源的建设者，一个课件每个人都可以做出贡献，真正实现共建共享，实现教学互动。在可控可管的环境下，未来可直接通过扩展达到学生可利用手机、电脑、 终端随时与老师、同学直接互动，共建资源，真正体现了学习与信息技术的结合，达到网络学习空间人人通。 3 步互动课堂布局 室内设备布局如上图所示，本项目中教室内设备以挂高安装为主，避免学生在日常学习生活中容易接触到，具体说明如下： 1) 在教室内吊顶安装 1根据教室实际面积选择），用于对教室内老师及学生声音的采集，可实现高保真立体声 22宽频立体声效果。 2) 安装两个追踪摄像机，一个位于教室中间，以便对讲台上的教师进行画面自动追踪拍摄；一个位于讲台上方，以便对讲台下的学生进行视频自动追踪拍摄。 4 3) 在讲台两侧安装两台高清显示设备（可选择 70 寸的液晶电视互动一体机和 4000左右流明的短焦投影机），以便学生观看远程教 学内容。 4) 机柜的摆放位置，建议安置于讲台的一侧。 像定位系统 图像识别跟踪系统是由辅助摄像头捕捉被拍摄者活动的图像，通过系统计算，可以快速定位被拍摄者的实时位置，并驱动拍摄摄像头对被拍摄者进行跟踪拍摄。 图像识别跟踪踪技术，定位精度高，抗干扰性能强，教师与学生不需要佩戴和操作任何设施，探测、跟踪、切换策略综合（布局）考虑，总体设计，画面严谨周密，无垃圾镜头。 5 通过智能探测的定位，自动跟踪被摄目标和自动切换多机位画面。可模拟人工操作的模式工作，自动拍摄高质量的教学电视节目。 本系统原则上 分教师探测区和学生探测区两种方式，各自形成独立的探测的区域，又相互支持。教师探测区可以弥补学生探测区的盲区，学生探测区也可以弥补教师探测区的盲区。在画面切换的逻辑判断上又相互参考。 学生探测区域，探测学生的目的是学生回答教师的提问时，学生摄像机要捕捉到学生的图像。学生回答问题时，首先要起立。根据这一特点，我们只要探测到站立的人就可以了。在教室的后面墙面，安装智能探测摄像头。， 当教师走下讲台，教师探测区域就不能探测到教师的位置。这时学生探测区域就可以承当探测任务。就是说在教师区域没有教师时，应到学生区域里找。当教师与学生对话时，有可能教师位置会与学生的位置冲突，有两种可能，一是教师与学生在不同的位置，探测器得到两个信息。教师的活动范围是教室前方两米的范围和通道，根据这两个范围就能得出哪一个是教师数据。二是教师和学生是一个位置数据，这时，两台摄像机对准位置即可。 控制多台摄像机，采用图像跟踪定位方式，可定位驱动摄像机的上下、左右、 6 变倍数据。即景别和位置。三个动作都有速度选择，可根据 不同的要求使用不同的速度。这种空间网络定位及跟踪技术，充分考虑了学校教学的特点，从而对目标的跟踪更准确、更灵活，画面更流畅。 图像识别跟踪系统能够智能识别活动的人像，准确捕捉演讲者的位置变化，驱动摄像头对演讲者进行跟踪拍摄，适合在一些全自动视频录制场合使用。被摄者无需佩戴任何标识性物品，简单、易用。 频采集系统 高质量的录播课件，是高质量的图像和高质量的声音相结合的产物。但在实际制作中，人们的注意力往往集中在图像的质量方面，而对声音的质量重视不够，会在制作完后的声音部分出现这样或那样的缺憾。因此 ，我们有必要在声音采集方面进行探讨，以提高录播课件中的声音质量。 360度拾音的 挂式麦克风阵列 ,支持 22无需物理干预即可把焦点对准当前讲话人， 清楚捕捉会场每一点发出的声音 ,从而为 频会议系统带来更好的音频质量 。隐藏式设计，让会场显得更加干净整洁 ,灵活，数字化麦克风，可以屏蔽信号干扰，并除去回音和噪声。 特点和优点 采用 22 技术，支持立体声音频 三个麦克风 元件， 360 度拾音 可自如应对 2800 平方英尺的房间，比同类单向产品大三倍 电子设备隐藏在天花板内，远离地板和桌面，让房间更加灵活 络互动传输 利用网络传输音视频内容，并且能够实时的做交互，需要一个成熟且稳定的 7 系统，因此我们选用通讯行业内具有领先解决方案的宝利通产品。 正是 使视频会议应用得到了普及，正是正是 域网视频会议 系统设计 此 次规划建设的 步互动课堂系统 项 目中采用一个平台多种应用的设计原则， 核心 平台支持召开视频会议的功能，可以把互动教室、视频会议室、领导桌面、外出电脑客户端等多种平台进行音视频的融合通讯，达到召开 108020清视频会议或培训会议。 可实现与上级领导部门、下属校的视频会议互联互通。 域网 点 、 直播 系统 设计 点 直播系统主要针对未部署互动教学系统 的 学校进行实时收听中心校的教学音视频内容， 互联分享各种实况直播、点播视频资源等。 8 采 集 工 作 站流 媒 体主 服 务 器流 媒 体 存 储学 校 信 息 中 心I n t e r n e 信 号 源摄 像 机W E B 服 务 器 数 据 库 服 务 器P C 终 端 流 媒 体 平 台 管 理 平 台教 室办 公 室 礼 堂 、 报 告 厅学 生 、 家 长 、 老 师及 其 它 授 权 帐 号 等远 程 观 看 采 集 工 作 站视 频 信 号 源摄 像 机异 地 直 播 间操 场学 校 校 园 网 各 应 用 场 所以上方案中博融流媒体点 直播 平台提供了自己的编码器（或采集工作站），实现直播的功能，同时也提供接口实现对第三方录播产品的支持，提供与录播的无缝融合，其单画面、多画面的直播数据流能够自动上传到直播服务器上并实现客户端的多画面播放支持，同时其录制的节目可实现自动入库。这样学校之前或者准备做的的录播系统就可以和博融流媒体平台实现无缝融合，其学校的教学本色资源实现跨越时空的传播，最终实现本学校师生、家长、教育局、其它学校教学资源互联分享的综合应用。 9 第一章 一个平台多种系统应用 络录、直播系统应用 整个网络录、直播系统应用包含： 远程交互式教学 精品课堂 公开课评审 教师课后自审 清远程交互式教学 此应用通过 次承建的同步互动课堂项目中的课堂接入平台，呼叫各个教室中的高清视频终端进行远程实时交互式教学，首先，由统一管理软件对每个教室中的编码器进行画面合成策略的下发，一般情况下主讲教室设置为演讲者，可观看到本地老师、本地学生、 件、远端提问的老师或学生等画面的任意组合。具体如下图： 10 如上课所示，在进行远程交互式教学的时候，会以四个画面进行传输，包含本地老师、本地学生、本地课件、远程学生四画面，四个画面之间进行自动 /手动的切换，远端的学生如果需要发言只需要站起来或者通过点击电脑 /平板上面的申请发言即可完成申请，具体如下图： 11 仅有高清晰度的图像仍然不够，课堂中更多的信息是通过双方的声音进行交流的。此高清远程教学系统还可逼真表现对方的高保真立体声音质。麦克风拾取的声音为超越 质的声音，通过远程教学系统可还原出“剧场级”的音质，远端学校汇报人员的声音就像在本地发出一样。另外，立体声技术 可呈现出声音的空间感。如教室内有多人呈并排就座并依次汇报工作，当左边人员汇报时，主讲教室的人员可以听到声音从左方传来，注意力自然集中在屏幕左方的汇报人员之上；之后分会场右边人员汇报工作，主会场又能感觉到声音从右方传来。 同时系统具有独有的讨论模式，可以通过 次承建的同步互动课堂项目中的课堂接入平台的高清多分屏功能，实现同时显示出多个远端会场的画面，并且具有语音激励的模式，进行自动切换，具体如下图： 12 品课堂录制 系统可将老师视频、学生视频、 件、音频同步录制到单个文件中。支持 3路 1080持多流多画面录制模式，录制生成的文件为单一的文件，直播及回放时为多个视频窗口，可任意拉动主画面或全屏播放。 编解码器的构成 编解码器主要由：高清图像编码（解码）模块、计算机（ 像编码（解码）模块、音频信号编码（解码）模块、存储接口模块、同步监测模块、控制模块和管理模块构成；编解码模块核心采用了具有领先技术和强大处理能力的 且提供 面服务。 编码器主要功能 编码器位于系统前台，主要完成各种信号的采集及编码。并内置画面合成器，将接收到的信号进行图像整合，并通过 高清图像的编码 支持对 1080P 60 帧 /秒、 720秒的高清视频进行编码。 混合声音信号的编码 支持对混合声音进行编码，音视频信号编码后，保证唇音同步。 四画面合成 支持四路视频信号的编码，并可以将四路视频画面合 13 成一幅合成画面，点击任意一个小画面可单屏显示。多种显示模式，如：单分屏、二分屏、三分屏、四分屏、等分屏、大小画面等。 远程统一管理 支持全网内所有高清编码器的统一监管，可查看全网内共有多少台设备开启，可访问各个设备查看配置并进行修改，多级用户权限。灵活部署，方便操作与管理。 具体能够实现的功能如下： 智能定位 第四代图像智能自动定位技术，对教室环境没有任何要求，采用先进的图像分析技术，识别率超过 90%。 多画面存储 单文件模式、画中画模式、多文件模式。 后期编辑 内置非编软件。 品课件通过网络直播 系统可通过网络将现场的视频、音频及计算机屏幕进行实时直播，用户以可同步收看现场影音及图文内容 。如下图： 堂录制后的其他应用 公开课评审应用 通过精品课堂录制过程中的直播功能，能够让参加公开课的评审人员在观摩室同步观看并进行评审，评审后的记录可以作为对公开课讲课教师的评审数据。 教师课后自审应用 14 公开课讲课的教师可以通过在课后收看录制的内容对自己的公开课课堂进行总结，提升教师的自我总结能力，并为后期的公开课提供更好的讲课方式。 另外，其他老师也可以通过在课后收看公开课讲课教师的录制课堂内容来进行学习，学习其他老师更先进、更生动的讲课方式来提升自己。 扶、支教综合业务平台应用 校一对一、一对多的帮扶课堂 根据 建的同步课堂互动系统来满足 于其他薄弱学校学生的帮扶课堂。利用智能化设备，优秀教学老师可在本地远程课堂同时和某个学校或多个学校的学生上课，解决了教育较差地区教学质量过低导致的学生素质不达标，真正实现资源均衡发展。 门跨市、跨区帮扶 根据 建的同步课堂互动系统来满足 口支教的其他地市或者其他地区的薄弱学校。针对师资力量相对较差的地市或地区，可以通过平台召开公共课，直接为较差地区远程输送及时优质教学资源帮扶，免去教师必须出差异地支援的烦恼。 频会议系统应用 整个视频会议系统应用包含： 培训会议 领导桌面加入课堂 视频行政会议 训会议 本次建设的同步互动课堂系统还支持强大的远程培训功能，首先是常见的双流应用，他可以实现人物图像传输的同时，再向远端传送一路 像，可以实现将培训人与培训课件同时传送给各会场的效果，降低培训工作的时间和成本，提 高培训工作效率和质量。 15 除此以外，传输设备具有画面叠加技术（ 可以实现让演讲者置身于虚拟环境中。虚拟环境可以为： 高清晰图片 将演讲者和内容通过一个流同时传送。作为新一代的内容发送方式， 议形式更新颖，更能表达培训内容的准确性。 导桌面加入课堂或视频行政会议 领导桌面部署的桌面商务 终端 支持标准 以不用走出办公室加入到高清视频会议或 课堂 中，商务可视电话可以通过邀请确认加入到高清视频会议中。 16 上线下再教育系统应用 整个线上线下再教育系统应用包含： 有线网络线上教学 无线 3 家长互联网接入观察 校外学生再学习 人移动终端设备加入课堂互动 联网 及 3G 安全接入 解决 互联网或 3系统的结构如下： 17 移动终端可以工作在 3G 或者 网络环境下，故可以适用于以下应用场合： 领导外出途中 机场 酒店 在家办公 系统为每个领导注册一个号码，平板电脑视频可以通过拨打不同的会议号码加入不同的会议，也可以从音视频 融合平台 发起呼叫邀请领导的平板电脑加入会议。 板电脑高清移动视频终端 适用于 将免费 让用户随时下载，实现 远程呈现应用扩展至广泛的移动用户，更有效地加强沟通协作， 18 提高教学质量，加快决策进程。移动用户可以在任何地点通过 3G 或 络享有高效的个人沟通以及自由自在的面对面统一通讯体验。 面移动终端的接入 利用 安装在笔记本电脑 上 的免费客户端， 通过 部署在市 教育 局的接入平台进行验证接入， 极大的 方便了老师、学生、教育局工作人员在家或在外出 时 进行音视频互通。 19 师一对一辅导 此 次建设的 同步互动课堂系统 采用 国 际标准 的 音视频编码协议，可以兼容多个 厂家的系统， 例如 学生 可 以通过互联网通过桌面终端、 智能 手机、 平板 电脑、微软 方法与老师进行一对一的互动沟通，也可 以 实现考试前的一对一咨询等功能。 育短缺课程全网覆盖系统应用 整个教育短缺课程全网覆盖系统应用包含： 国家要求的短缺课程入课堂 中心校配备课程教师一对多的远程互动教学 国家教育部对于现阶段学校的教育短缺课程非常重视，要求教育短缺课堂进入普教学校的课堂。教育短缺课程包括了：法律、急救、灾难应急、生理等通识课程。 由于短缺课程与学校常规课程的差异性，不可能每个学校专门配备短缺课程的教师资源。为了贯彻国家教育部对教育短缺课程入课堂的政策， 以在中心校配备师资力量利用承建的同步互动课堂系统完成教育短缺课程的全网覆盖。 件资源网络共享系统 精品网络 资源共享系统包含以下几个模块： 20 可扩展的移动终端 点播系统 时编码转码技术 实时编码 主要是物理信号进入，一分三，不同分辨率，不同码流。实时编码模块首先通过采集设备获取音视频数据流，根据终端性能的不同，对视频图像进行缩放、裁剪，对音频进行采样率调整，以适合不同屏幕分辨率的显示效果；然后采用不同的编码方案（编码类型、码率、帧率、音频采样率等）对音视频进行重新编码，以适合不同终端的播放性能，然后通过网络推送至直播（时移）流服务器。 音 视 频 采 集设 备视 频 编 码 1直 播 频 道 1 - 1视 频 数 据视 频 处 理 1视 频 编 码 处 理 n音 频 编 码 1音 频 数 据音 频 处 理 1音 频 编 码 频 道 1 - 处 理 n图：实时编码技术 实时转码 主要是网络信号进入，一分三，不同分辨率，不同码流 ; 实时转码模块首先通过网络获取音视频数据流，然后分别进行解码，再根据终端性能的不同，对视频图像进行缩放、裁剪，对音频进行采样率调整，以适合不同屏幕分辨率的显示效果；然后采用不同的编码方案（编码类型、码率、帧率、音频采样率等）对音视频进行重新编码，以适合不同终端的播放性能，然后通过网络推送至直播（时移）流服务器。 21 网 络 数 据视 频 数 据音 频 数 据视 频 编 码 1直 播 频 道 1 - 1视 频 解 码视 频 处 理 1视 频 编 码 处 理 n音 频 编 码 1音 频 解 码音 频 处 理 1音 频 编 码 频 道 1 - 处 理 n图：实时转码技术 线 点播 录播回看模块提供流媒体点播回看服务，流服务模块根据请求不同类型终端的请求，将相应数据文件经过协议转换后，通过网络提供给终端播放，例如电脑终端采用 议播放 720P 的文件，高清电视终端采用 议播放 720清电视终端采用 80动终端 2080样可以在最大限度上兼容不同终端，并且保证在各种终端上都有良好的播放效果。 格 式 转 换协 议 转 换电 脑 播 放 器手 机 播 放 器电 视 播 放 器节 目 文 件节 目 文 件 包直 播 频 道直 播 子 频 道 1直 播 子 频 道 文 件 包节 目 录 制图：录播回看业务模型图 量并发技术 术是博融流媒体综合应用系统系统中一个关键技术，它采用自主知识产权的基于网络底层媒体流传输交换技术，极大地提升系统的并发性能。使用 0005000 个并发流。 22 播时移技术 博融流媒体综合应用系统系统，采用了独创的 服务模块接收到采集编码器传输过来的的直播流数据后，一方面进行协议转换后通过网络提供给不同终端进行播放，另一方面写入到本地磁盘以供直播时移播放使用。 为了适应不同终端的播放要求，可以由 多个直播子频道组成一个直播频道，同时接收多组音视频流，流服务模块根据不同类型终端的请求，将虚拟直播频道中的相应数据经过协议转换后，通过网络提供给终端播放，例如电脑终端采用20P 的节目，高清电视终端采用 TS 20清电视终端采用 TS 议播放 480P 的数据，移动终端 用 议分别播放 720P 和 480P 的节目等。这样可以在最大限度上兼容不同终端，并且保证在各种终端上都有良好的播放效果。 直 播 频 道视 频 编 码 1直 播 子 频 道 1视 频 编 码 编 码 1音 频 编 码 子 频 道 转 换电 脑 终 端时 移 文 件时 移 文 件电 视 终 端移 动 终 端录 制 客 户 端协 议 转 换电 脑 终 端电 视 终 端移 动 终 端录 制 客 户 端图：直播时移业务模型图 终端推送功能（可扩展） 通过博融的多终端推送模块，不仅可以实现 视频点播直播应用功能，同时也可快速部署支持 机等移动终端的视频点播、视频直播、直播时移（回看）功能等视频应用功能。 23 安工程应用 现阶段国家对于校园安全问题提升到了非常重视的高度，对于校园安全问题，利用监控 融合网关把监控信号接入到网络课堂中， 家长 可以通过安装在智能手机 等 移动设备上的软件实时观看或浏览监控图像。 24 第二章 系统的优势 频图像自动追踪 图像识别跟踪系统是由辅助摄像头捕捉被拍摄者活动的图像，通过系统计算，可以快速定位被拍摄者的实时位置，并驱动拍摄摄像头对被拍摄者进行跟踪拍摄。 图像识别跟踪踪技术，定位精度高，抗干扰性能强，教师与学生不需要佩戴和操作任何设施，探测、跟踪、切换策略综合（布局）考虑，总体设计，画面严谨周密，无垃圾镜头。 像画面自动 /手动切换 每个教室配置的高清编码器，可以通过远程进行四个画面的任意组合、任意切 换，例如在进行远程交互式教学时，可提前设定好主讲教室、收听教室的画面切换及组合。 动切换 此时如果远端的学生需要提问问题，首先主讲老师经过同意后，可进行排队形式的申请发言，学生可点击电脑上面的按钮，主讲老师端即会显示出所有准备发言的学校名称，可点击进行切换，此时音视频图像都会显示出来，并且放到大的画面中。 动切换 根据远端学生的动作进行切换，远端学生只要站立起来即可自动的把音视频进行切换。 25 带 立体声 音频 协议 用于教学 2 立体声 是 在 2007 年推出的新一代音频编码协议， 利算法与早先的超宽频带音频技术相比具有突破性的优势。在音频和可视化通讯应用中，它的 音质可以让声音更清晰、听者更轻松。而在远程呈现应用中，它先进的立体声能力则可随着讲话人在室内的来回走动，对其 声音进行理想的跟踪，让人们更加感到身临其境。 计算能力的要求显著低于替代型宽频带音频技术，而时延却大幅缩短。 由于 2008年 5月， 升为最新的宽频高保真音频协议 藏式全向数字麦克风 吊顶麦克风通过吊装在天花板上的设计来更有效地消除噪音对拾音的干扰，同时提高了灵敏度增益，演讲者甚至可以站在麦克风的正下方。通过与远真视频通讯系统无缝集成，并采用会议室数字音频处理器，吊顶麦克风能够完美地实现回声消除，降噪和自动增益控制。桌面上的电脑，手机等容易产生震动和噪音的设备对于教学中双方对话的干扰大大减少。 特点和优点 采用 22 技术，支持立体声音频 三个麦克风 元件， 360 度拾音 可自如应对 2800 平方英尺的房间，比同类单向产品大三倍 电子设备隐藏在天花板内，远离地板和桌面，让房间更加灵活 26 术保证远程教学的效果及稳定 订的最新 术现已全面应用于视频会议系统。 系中最高效的视频编码技术，目前视频通信系统中普遍采用的只是它的基本画质标准，称为 推出是视频技术的一个巨大进步， 对于普通的 解码技术而言， 节省网络成本：用户不用升级网络带宽就可实现 1080p，节省 50带宽，具体分辨率和呼叫带宽对应如下： 分辨率及帧数率 4720 7201080 呼叫带宽 1281232果较好：具备 720p、 1080全达到高清品质； 成熟稳定：基于 容性、通用性、扩展性优良。 强网络纠错机制（ 证远程教学 在 频通话中，即使是少量的网络错误或丢包也会对使用效果造成明显的影响。正是出于这个原因，自从上世纪九十年代中后期 频会议技术出现以来，在 “ 有损 ” 的 络上成功召开视频会议的能力一直是一个挑战。近年 27 来，随着低成本，共享式、过度认购的网络线路不断增加 (如 线，卫星，高度拥塞的 用互联网等 )以及使用更高通话速率 (通常需要支持更高的视频分辨率 )则使这一问题显得更为突出。 丢包恢复是最新发布的网络容错技术，其目的是保护 频通话免受网络丢包的影响， 用前向纠错 (法，这是一种差错恢复方法，由发送方系统为发出的数据流添加冗余数据