智慧多媒体教室方案.doc

交交 互互 式式 多多 媒媒 体体 教教 室室 设设 技技 方方 案案 xx 科技有限公司 目 录 第一章第一章 项目概述项目概述 1 1 1.1 项目概况.1 1.1.1 建设目标 .1 1.1.2 建设规模 .1 1.1.3 建设内容 .1 1.2 设计描述.2 1.2.1 设计原则 .2 1.2.2 设计标准 .2 第二章第二章 需求分析需求分析 4 4 2.1 功能建设需求分析.6 2.1.1 多媒体教室管理系统 .6 2.1.2 数字视频监控系统数字视频监控系统 .6 2.1.3 安防报警系统安防报警系统 .6 2.1.4 课堂录播系统课堂录播系统 .7 2.1.5 资产管理系统资产管理系统 .7 第三章第三章 多媒体教室建设方案综述多媒体教室建设方案综述 8 8 3.1 方案设计思路.8 3.2 系系统拓扑结构.10 3.3 系统功能结构图.11 3.4 方案优势分析.12 3.4.1 强大的多媒体信息交互能力 .12 3.4.2 独立的本地运算体系 .12 3.4.3 稳定性强，具备极佳的全天候工作能力 .12 3.4.4 开放式结构，因需定制，体现强大的定制特性 .13 3.4.5 模块化设计，灵活搭建，扩展性强 .14 3.4.6 共平台，多种类型统一建设，统一管理 .14 3.4.7 基于 DSPDSP 的多处理器架构全面提升多媒体处理能力 .15 3.4.8 轻松扩展完整的录播系统应用 .15 3.5 关键技术介绍.16 3.5.1 ARM 技术技术16 3.5.2 DSP.16 3.5.3 VGA 采采/编编 .17 3.5.4 网络流量控制技术网络流量控制技术 .18 3.5.5 安全管理体系 .18 1 第四章第四章 多媒体教室方案系统组成多媒体教室方案系统组成 2121 4.1 多媒体教室管理系统.21 4.1.1 系统结构 .21 4.1.2 核心设备介绍核心设备介绍 .22 4.1.3 系统功能系统功能 .26 4.2 数字视频监控系统.34 4.2.1 系统结构 .34 4.2.2 核心设备介绍核心设备介绍 .34 4.2.3 系统功能 .38 4.3 安防报警系统.40 4.3.1 系统结构 .40 4.3.2 核心设备介绍核心设备介绍 .41 4.3.3 系统功能 .43 4.4 课堂录播系统.44 4.4.1 系统结构 .44 4.4.2 录播系统介绍 .45 4.4.3 系统功能描述 .47 4.5 资产管理系统.50 4.5.1 系统结构 .50 4.5.2 系统功能 .50 1 第一章 项目概述 1.1 项目概况 xx 科技有限公司就 XX 学校多媒体教室学校多媒体教室 的建设需求进行了大量的咨询工作，经过 仔细研究后，我们组织从事教学环境设计研究、设计开发及有关工程技术人员就该项目 的设计方案与规划进行了深入的交流和讨论。我们将按照校方提出的总体需求，在总体 实现功能不变的前提下，提出我们自己的设计方案。 XX 学校多媒体教室学校多媒体教室 项目整体设计规划如下： 1.1.1 建设目标 拥有国内一流的现代化教学与信息基础设施，提供各种信息环境和多媒体教学环境， 提供具有多种远程教学、管理手段的典型数字化教学基地。达到真正的多媒体教学资源 共享，教学管理一体化标准，充分利用起网络的有利资源。多媒体教学环境在总体设计 上要求采用国际先进的技术，做到功能完善、系统先进、安全稳定、拓展性强。 1.1.2 建设规模 1)建设多媒体教室 间； 2)建设主控中心 间。 1.1.3 建设内容 我公司认真分析 XX 学校多媒体教室学校多媒体教室项目的具体要求，依据整体规划、模块化设计 的指导思想，将本项目合理规划为以下几个子系统的建设： 1)多媒体管理系统 2)数字视频监控系统 3)课堂录播系统 4)安防报警系统 5)资产管理系统 在后面的章节中我们将对以上子系统建设进行详尽的描述。 2 1.2 设计描述 1.2.1 设计原则 XX 学校多媒体教室学校多媒体教室 项目的整体方案设计将遵循以下基本原则： 1)先进性：先进的设计思想、网络结构、开发工具，市场覆盖率高、标准化和 技术成熟的软硬件产品。 2)灵活性：采用积木式模块组合和结构化设计，使系统配置灵活，满足学校逐 步到位的建网原则，使网络具有强大的可增长性和强壮性。 3)发展性：网络规划设计既要满足用户发展在配置上的预留，又能满足因技术 发展需要而实现低成本扩展和升级的需求。 4)可靠性：具有容错功能，管理、维护方便。方案的设计、选型、安装、调试 等各环节进行统一规划和分析，确保系统运行可靠。整体系统软、硬 件设备具有高可靠性，具备长期稳定工作的能力，可实现系统冗余功 能，并具有防止误操作等行为对系统造成的破坏。 5)实用性：方案设计合理，支持多种数据通信，符合国际相关标准和技术规范， 并且容易使用、操作简便。并应充分考虑利用各种资源，人机界面友 好，能使用户最方便地实现各种功能。 6)开放性：在满足安全可靠和实用的前提下，系统设计应采用开放技术、开放 结构、开放系统组件和开放用户接口，以利于网络的维护、扩展升级 及良好的灵活性、兼容性和可移植性。 7)兼容性：系统建设应具有良好的兼容性，充分考虑系统向下、向上的兼容， 将系统建设和现有的系统资源以及未来的系统规划充分结合。 1.2.2 设计标准 1)网络设计和网络设备符合以下标准： IEEE802.3 10Base-T 网络标准； IEEE802.3 100Base-TX 快速以太网标准 2)通讯协议标准 网络层和传输层 TCP/IP 协议并兼容 IPX 协议，支持 PPP 和 SLIP 协议。 3)布线和电气安装标准 方案设计中靠近以下标准： 3 中国电气设计规范 工业电气设计规范 GB/T50311-2000 建筑与建筑群综合布线工程设计规范 ANSI EIA/TIA607 民用建筑通讯接地标准 ANSI EIA/TIA-568A 商务建筑布线标准 ANSI EIA/TIA-569A 商务建筑通道标准 ANSI EIA/TIA-606 商务建筑布线系统文档建立标准 EIA/TIA TSB-67 商务建筑布线系统测试标准 GB50254-50259-96电气装置安装工程施工及验收设计规范 GA/T75-94中华人民共和国公共安全行业标准 GYJ125-86厅堂扩声系统声学特性指标标准 GB6510-8630MHz-1GHz 音频和视频信号电缆分配系统 GBJ有线电视广播系统技术规范 GY106-92民用建筑电缆电视系统工程技术规范 民用建筑电气设计标准 4)专用产品标准 设计中采用的专用产品，其生产检验过程符合我公司制定的企业产品标准。 标准号：Q/HDZQX001-2002。 4 第二章 需求分析 多媒体教室一直以来都是学校信息化建设的重点，通过合理的技术方式将文字、图 形、图像、声音集合在一起，采用生动活泼的声像显示，不仅丰富了教学手段，扩充了 教学资源，而且更提高了课堂教学效果。充实、形象、生动的授课内容，声像并茂的教 学形式，激发学生的学习兴趣，强调了“以学生为主”的教学新思路，极大的提高了教 学质量。 多媒体教室近年来的发展十分迅猛，多媒体教室的建设和管理工作已成为教育技术 中心当务之急的一项核心任务。 多媒体教室数量激增。随着教育事业的发展，学校多媒体教室扩容与日俱增，一般 从起步时的几个教室，近年已扩展到数十个乃至几百个，且分布面也日益扩大。这就给 教室的管理工作以巨大的压力，迫切需要从软、硬件与管理机制上进行大的改革。 多媒体教室的使用率高。使用现代媒体进行教学与自学已越来越受到师生们的青睐， 成为他们的迫切需求，甚至更有些专业和课程教学已离不开使用多媒体教室，因而教室 的使用率空前提高，而学校的行政管理部门也十分需要依靠教育技术中心了解多媒体教 室的使用情况，以便于日常的管理和调度，这又迫使教育技术中心要对多媒体教室采用 群控和集控的模式方能应对严峻局面。 当前，很多学校的传统多媒体教室和基础校园网建设已相继完成。随着多媒体、计 算机、网络等高新技术的飞速发展，多媒体教室建设需求不断发展，出现许多新的特性， 对新兴的网络化多媒体教室建设提出了新的要求。 从功能应用方面分析： 1)1) 多媒体教室的网络化集中管理、控制和维护；多媒体教室的网络化集中管理、控制和维护； 对于多媒体教室，学校要求可管理性不断提高，可管理的范围不断扩大，使多媒体 教室纳入有序化管理；同时，对于多媒体教室的控制力度加强，维护更加简易化，从设 备配置、基础信息、状态报告、统计分析、远程调试、远程协助、远程升级等多方面实 现控制。 2)2) 多媒体教室实现可视化管理，全面扩展安全防盗系统；多媒体教室实现可视化管理，全面扩展安全防盗系统； 多媒体教室引入数字视频系统，实现可视化管理，提高管理效率；同时，系统要实 现复用，配合电子锁、门磁、红外感应器、双鉴探测器等前端设备在特定时段实现安全 5 防盗应用，这样，对于多媒体教室的核心设备中控的全天候工作能力提出了更高的 要求。 3)3) 课堂录播系统的建设；课堂录播系统的建设； 在多媒体教室环境下，通过合理的扩展，采用先进高效的 VGA 采编技术，将主播 教室多媒体课件内容和多路教学现况实时采编，传输，广播，点播，编辑等功能，实现 优质课堂全方位、立体化再现，有效开展精品课程建设。 4)4) 系统整合，实现综合应用；系统整合，实现综合应用； 实现校园网、多媒体教室和数字化资源合理整合，实现基于多媒体教室环境下的教 学管的综合应用。实现数字视音频直播功能、数字监控功能、IP 电话功能、 VOD、AOD、COD 等多媒体教学功能； 从系统性能方面分析： 1)1) 多媒体教室的管理核心多媒体教室的管理核心中控设备的稳定性；中控设备的稳定性； 中控功能越来越强大，已经成为多媒体教室的管理核心，大部分的管理工作都依靠 中控来实现，因此对中控工作的性能要求就很高，尤其是稳定性，需要从基础技术、工 艺结构、设计开发、人机界面等多方面进行解决。 2)中控全天候工作的能力；中控全天候工作的能力； 可视化管理成为多媒体教室建设的必然趋势，可视化的一个重要应用就是安全防盗， 整个中控系统不仅要满足教学时段的应用，还要满足非教学时段的应用，这就要求整个 管理的核心中控要具备极佳的全天候不间断的工作能力。 3)中控管理的灵活性和定制性；中控管理的灵活性和定制性； 由于教学方式和管理方式的差异，不同学校在多媒体教室的建设标准、应用标准和 管理标准都是不一样，这就要求基于中控为核心的多媒体教室建设要灵活，整体规划， 模块化搭建，管理模式可定制，以最适合学校用户需求的标准自主创建多媒体教室的建 设和管理应用。 4)设备操作的简便性；设备操作的简便性； 操作的简便性是系统应用的基本特性，充分体现友好的人机交互和系统的人性化。 本方案基于以上分析将网络化多媒体教室建设细分为多媒体教室管理系统、视频监 控系统、安防报警系统、课堂录播系统、可视 IP 电话通讯系统、PC 机远程管理维护系 6 统、资产管理系统等子系统建设。在后面的章节将针对各子系统进行详细的介绍。 2.1 功能建设需求分析 2.1.1 多媒体教室管理系统 1) 本地/远程信号切换、设备开关、幕布升降、音量调节等基本控制； 2) 钢制讲台、投影机、计算机的本地/远程开启/关闭； 3) 多层次树形结构，灵活分级、分类查看； 4) 所有教室状态、设备状态的远程监看和管理； 5) 课表自动导入，课表开关机； 6) 多种形式的定时管理； 7) 日志记录及统计分析管理； 8) 用户及权限管理； 9) 本地调试设置，B/S 结构远程设置、维护、升级，远程 WEB 管理界面； 10) IC 卡管理（接触式、感应式） ； 11) IC 卡刷卡，PC 机软件客户端自动登陆； 12) 控制自定义，实现基本控制、组合控制等的随意定制； 2.1.2 数字视频监控系统数字视频监控系统 1)多画面集中监看，自动或手动巡视，远程云台镜头控制； 2)数字电视墙集中监看，灵活布局，集中管理； 3)手动或定时录像，集中管理，分布存储； 4)录像资料管理，加密、抓拍、截取、回放等； 5)多级体系的电子监考系统； 6)移动侦测，自动录像； 7)教学评估，微格评测系统； 8)教学示范，广播、现场直播。 2.1.3 安防报警系统安防报警系统 1)红外灯、探测器、双鉴等触发报警； 2)电子锁远程开启/关闭； 7 3)门磁报警； 4)断线报警（投影机线、摄像机视频丢失报警等等） ； 5)移动侦测报警； 6)本地和远程触发声光报警。 7)IC 非法刷卡报警（非法用户、非允许时段等） 2.1.4 课堂录播系统课堂录播系统 1)多路音视频、VGA 信号同步采集、编码、压缩、传输； 2)所见即所录，VGA 信号采编自适应（分辨率、刷新率） ，不同的 VGA 信号源 （PC 机、笔记本、展台）任意切换也可轻松采编； 3)课堂直播，多路视频流同步直播，任意切换控制； 4)课堂录制，多流合一，生成一个或多个标准 AVI 文件，便于后期编辑； 5)资料编辑，添加标题、索引、背景资料，裁减，提供通用播放平台界面等； 6)离线课堂，资源可以生成网页或 DVD 格式，便于传播； 7)课堂录制资源自动导入资源管理平台。 2.1.5 资产管理系统资产管理系统 1)PC 机的配置硬件（包括显卡、CPU、内存、硬盘等）信息统计； 2)投影机灯泡计时信息统计； 3)其他设备配置及使用信息统计； 4)统计信息形成并输出资产报表（Excel 格式）。 8 第三章 多媒体教室建设方案综述 3.1 方案设计思路 多媒体教室建设方案是一个多种应用、多种设备整合的一个应用方案，这其中的核 心就是中控，中控的技术架构就决定了整个多媒体教室建设的模式、特点和应用。学校 多媒体教室已发展多年，目前，多媒体教室的建设已经从单纯的设备控制变成了基于网 络环境的教学管的综合应用，这就对核心设备中控的功能扩展和性能提出了更 高的要求。 这些要求从功能方面分析有： 1) 多媒体教室的网络化集中管理、控制和维护； 2) 多媒体教室实现可视化管理，全面扩展安全防盗系统； 3) 课堂录播系统的建设； 4) 系统整合，实现综合应用； 从性能方面分析有： 1) 多媒体教室的管理核心中控设备的稳定性； 2) 中控全天候工作的能力； 3) 中控管理的灵活性和定制性； 4) 设备操作的简便性； 为了满足这些需求，目前在中控领域主要有三种主流的技术架构：单片机架构、PC 机架构、嵌入式架构。 单片机架构在中控领域发展时间比较长，稳定性较好，但面临基于网络环境的教单片机架构在中控领域发展时间比较长，稳定性较好，但面临基于网络环境的教 学管的综合应用比较大的问题就是扩展性；学管的综合应用比较大的问题就是扩展性； PCPC 机架构刚刚开始进入中控领域，比较好的解决了基于网络环境的教学管的综机架构刚刚开始进入中控领域，比较好的解决了基于网络环境的教学管的综 合应用，但合应用，但 PCPC 架构的特性使中控的稳定性、全天候工作能力方面产生了严重问题。架构的特性使中控的稳定性、全天候工作能力方面产生了严重问题。 采用嵌入式架构可以充分发挥以上两种技术架构的优点，屏蔽缺点，具体的思路有：采用嵌入式架构可以充分发挥以上两种技术架构的优点，屏蔽缺点，具体的思路有： 9 1)1) 嵌入式平台低功耗、发热小、稳定性高；嵌入式平台低功耗、发热小、稳定性高； 2)2) 嵌入式嵌入式 LinuxLinux 操作系统高效稳定；操作系统高效稳定； 3)3) ARM9ARM9 平台运算能力强，接口丰富，扩展性强；平台运算能力强，接口丰富，扩展性强； 4)4) 开放式结构，实现用户管理控制自定义，体现定制性；开放式结构，实现用户管理控制自定义，体现定制性； 5)5) 功能定义准确明晰，模块化搭建，体现灵活性；功能定义准确明晰，模块化搭建，体现灵活性； 6)6) 人机界面友好，体现简便性；人机界面友好，体现简便性； 7)7) 配合强大完整的配合强大完整的 C/SC/S、B/SB/S 后台软件，全面提升多媒体教室应用。后台软件，全面提升多媒体教室应用。 10 11 3.2 系系统拓扑结构 12 3.3 系统功能结构图 13 3.4 方案优势分析 3.4.1 强大的多媒体信息交互能力 “信息交互式中控”采用嵌入式设计体系，采用目前国际主流的 ARM9 嵌入式技术 体系，支持 Linux、Windows CE 和其他许多嵌入式操作系统的存储器管理单元（MMU） ， 使中控具有了一颗强健的“心脏” ，具有强大的处理能力，同时，设备内嵌 Linux 嵌入式 操作系统，具有一个稳定高效、兼容性强、可靠性高的“思想” 。这样， “信息交互式中 控”一改传统基于工控单片机的中控的技术体系，使中控具有了强大的多媒体处理能力， 成为多媒体教室各种信息交互的核心，这样， “信息交互式中控”不仅仅完成教室设备的 集中控制，更成为多媒体教室基于校园网络的教学管的综合应用的基础平台。 3.4.2 独立的本地运算体系 “信息交互式中控”具有一个 ARM9 的本地运算体系，成为整个中控的处理核心。 目前，在中控领域的技术体系主要有单片机体系、PC 机体系和嵌入式体系，单片机体系 没有独立的运算能力；PC 机体系架构的中控结构上都是一个完整意义的 PC 主板外挂一 组中控接口的简单集成的形式，依赖 PC 主板中控具有了运算能力，但这种运算体系并 不是为中控量身定制的，PC 的运算特性并不适合中控的工作需要，比如：PC 主板的 CPU 的运算特性、风扇散热方式、总线结构、接口类型等等，这些特性都极大的限制和 影响了基于这种技术架构的中控的性能，使“运算能力”成为了中控的附属，成为了中 控的负担。 目前，学校的教学应用决定了在多媒体教室中必须要配备高档的计算机，如果再选 择基于 PC 体系的中控，那就意味着教室里将会有两台以上的计算机设备，在日常的应 用中管理和维护工作量会成倍的增加。这种简单集成带来的“伪”运算能力的代价是巨 大的。 嵌入式运算体系具有良好的定制特性，从硬件体系和操作系统的设计都很好的体现 了“信息交互式中控”的应用特性：稳定性、可靠性、定制性、扩展性等等，与系统融 为一体的本地运算体系为中控应用提供了强健的“心脏”和“思想” ，真正支撑中控的完 整应用，使中控真正成为一个具有独立的本地运算体系的核心设备。 3.4.3 稳定性强，具备极佳的全天候工作能力 嵌入式设备具有极高的稳定性是业内公认的嵌入式的重要特性。 14 目前，在多媒体教室的建设中，可视化已经成为重要的需求，可视化的价值在于： 教学时段实现可视，辅助教学，强化管理；而在非教学时段，可以自动启动布防成为有 效的安全防护系统。单片机中控本身不具备音视频采编能力，依靠外部设备扩展可视化， 在应用整合上存在问题；PC 机中控具备了可视化能力，但 PC 架构的先天特性（稳定、 发热、操作系统等）使其难以具备满足可视化应用的全天候工作能力。嵌入式技术很好 的解决了以上两种技术架构的先天不足，使“信息交互式中控”成为多媒体教室稳定可 靠的核心。 3.4.4 开放式结构，因需定制，体现强大的定制特性 不同类型的学校在多媒体教室建设上的要求和标准是不一样的，应用和管理的模式 也是不一样的；就是同一学校不同类型的多媒体教室的应用和管理模式也是不一样的。 用户希望多媒体教室的管理能够更加符合自己学校的管理特点，能够更多的体现针对不 同用户的量身定制，解决这个需求的主要方法就是开放式。 “信息交互式中控”基于嵌入 式平台采用了开放式的结构，将系统管理底层、用户接口等进行了开放。实现了基本控 制自定义、组合控制自定义、端口自定义、状态报告自定义、报警自定义、模板化管理 等定制功能。 基本控制自定义：“信息交互式中控”内置了多达上百条的基本控制指令，比如： 简单的设备闭合、输入输出等。这些基本指令是中控管理的基本元素， “基本控制自定义” 就是系统将这些基本控制完全向用户开放，用户可以根据自己的管理需要对这些基础元 素进行定义管理，体现自己的管理需要。 组合控制自定义：在多媒体教室的应用中，使用最多的，效率最高的是组合控制命 令，通过组合控制自定义用户在基本控制自定义的基础上根据自己的应用需要合理定义 各种组合控制命令，提高使用效率。比如一键上课，通过组合控制自定义用户可以确定 PC 机开否？投影机开否？默认输出？默认输入？默认音量等等，极大的提高了可管理性。 端口自定义：“信息交互式中控”具有丰富的端口，开放式结构将大部分的端口都 进行了开放，用户可以在管理系统下对这些端口进行一定程度的自主定义，包括类型、 参数、外接设备等等。 状态报告自定义：各种设备的状态报告属性自主定义，报什么，怎么报，时候报等 等都可以灵活定义。 15 报警自定义：多媒体教室的安防报警系统的前端设备很多，用户可以对报警进行自 主定义，报警类型、报警方式、报警时间等等。 模板化管理：用户在以上各种自定义的基础上可以生成多个管理模板，比如：普通 教室模板、录播教室模板、教学模板、双休模板、检修模板等，所有模板可以随时通过 网络向各个教室的“信息交互式中控”发送，实现模板化管理。 开放式结构带来了应用的定制性、管理的定制性，最大程度上满足不同学校用户的 管理需求。 3.4.5 模块化设计，灵活搭建，扩展性强 以“信息交互式中控”为核心的多媒体教室方案从整体进行统一设计，根据应用需 要合理的规划为若干功能模块：多媒体教室管理系统、视频监控系统、安防报警系统、 课堂录播系统、可视 IP 电话通讯系统、PC 机远程管理维护系统、资产管理系统。这些 功能模块可以在多媒体教室建设过程中灵活选择，自由搭配，扩展性很强。 3.4.6 共平台，多种类型统一建设，统一管理 多媒体教室方案根据应用区分为集控型、可视型和录播型三种类型，在实际建设中， 每一种类型的多媒体教室都是一种多媒体教室建设应用的典型模式。对于学校来说，在 大规模的多媒体教室建设中，往往根据规划的不同需要建设不同类型的教室，我公司的 多媒体教室方案就很好的适应了这种需求，用户根据自己的建设需要合理规划各种多媒 体教室的具体数量，各种类型的教室可以统一建设，统一配置，统一管理。 我公司同时为多媒体教室方案提供了一个庞大的软件应用平台，实现了所有主流产 品和主流应用方案的共平台：新老产品共平台、Windows 和 Linux 共平台、C/S 和 B/S 结构平台、课堂教学和管理共平台、局域网和城域网应用共平台等等。共平台的特性使 用户在建设的时候可以同时建设多种应用而不必担心系统冲突或应用不全面；可以使用 户的信息化建设可以一步到位也可分布实施而不必担心设备淘汰或无法兼容；可以使用 户采用统一的策略实施管理，进行统一的调度和部署，从而更加方便了学校用户的系统 建设。 3.4.7 基于 DSPDSP 的多处理器架构全面提升多媒体处理能力 采用核心处理器统一调度，多路 DSP 协处理的并行运算结构一直是我产品的重要特 色。DSP 具有特殊的运算结构和指令体系，非常善于处理批量作业，这样，DSP 对于多媒 16 体的处理能力会比通用 CPU 的效率高很多。由于 DSP 的这种特性，在多媒体、音视频、 通信以及嵌入式等行业应用非常广。DSP 的产品体系也已经逐渐发展成熟，并不断提升 运算性能。采用国际知名的美国德州仪器（俗称 TI）的各系列 DSP 处理器，是 TI 在国 内重要的合作伙伴。DSP 的运算模式，特点是功耗小，发热少，全面提升了多媒体能力， 在处理能力和稳定可靠两种特性之间找到了一个完美整合的临界点。 在“信息交互式中控”的结构体系里，ARM9 作为一个中央处理体系，实现集中运算 和统一调度，多路 DSP 则主要用来集中处理大批量的音视频采集编码、VGA 信号采集编 码等工作，这样高性能的并行结构使“信息交互式中控”在具备了强大的交互能力的同 时，也具备了超强的多媒体处理能力，成为多媒体教室名副其实的“交互中心” 、 “处理 中心”和“管理中心” 。 3.4.8 轻松扩展完整的录播系统应用 围绕精品课堂的录播系统应用是目前学校多媒体应用中的一个重要部分，我针对此 应用开发了专业的 VGA 采编卡， “信息交互式中控”扩展专业 VGA 采编卡就可以轻松实 现录播系统应用。 VGA 采编卡是我技术实力的重要彰现，采用高性能的 DSP 处理器，配合高效率的 采集和压缩芯片，实现对标准的 VGA(或 RGB)画面的实时采集，同时完成多路摄像机信 号同步压缩，实现一个立体化、全方位的精品课堂的实录和直播。这块卡具有如下特点： 强大的独立运算能力：强大的独立运算能力：基于高性能的 DSP 处理器，独立运算，不占用主机的运 算资源（软件抓屏） 。 视频高度清晰：视频高度清晰：对 VGA 信号采用高达 32 位的高速模数转换，保证采集画面达 到高清标准，没有损失，接近原始信号。 （VGA 转 AV） 采集编码同步完成：采集编码同步完成：对 VGA 信号进行实时采集、模数转换、压缩编码、传输。 （RGB 采集卡） 采样范围宽：采样范围宽：采样带宽可达到 600MHz，显示视频、文字、图片、网页都可保 证清晰、连续、稳定。 分辨率自适应：分辨率自适应： 640*480 1280*1024 刷新率自适应：刷新率自适应：60 85Hz 17 3.5 关键技术介绍 3.5.1 ARM 技术技术 ARM（Advanced RISC Machines） ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥， 主要出售芯片设计技术的授权。 ARM 公司是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本 身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半 导体从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的 外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。因此既使得 ARM 技术获得更多 的第三方工具、制造、软件的支持，更具有竞争力。 ARMARM 微处理器特点：微处理器特点： ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能,采用 RISC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点： 1、体积小、低功耗、低成本、高性能； 2、支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位/16 位器件； 3、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6、指令长度固定； 3.5.2 DSP 数字信号处理是一种将现实世界中真实的模拟信号(Analog signals)转换为计算机 能够处理的数字信息（Digital signals）的过程。这些信号通过一个模拟向数字的转换 过程(称之为 AD)，变成数字信号送给处理器，进行数字计算，处理结束后，再把结果通 过数字向模拟的转换过程重新变成连续信号(称之为 DA)。用一般的通用微处理器可以完 成这些工作，但是面临的问题是满足如此高的计算速度，就很难保证耗电量很低，更难 保证价格足够便宜。因此，另一种微处理器应运而生：数字信号处理器，简称 DSP（Digital Signal Processor） 。 DSP 是微处理器的一种,这种微处理器具有极高的处理速度.因为应用这类处理器的 场合要求具有很高的实时性(Real Time)， 18 比如通过移动电话进行通话。在当今的数字化时代背景下，DSP 已成为通信、计算机、 消费类电子产品等领域的基础器件，被誉为信息社会革命的旗手。 以下是 DSP 优于其他微处理器的几点优势： 单周期内进行多条乘/加运算 实时的运算能力、仿真能力、模拟能力 灵活性高 可靠性高 提高系统性能 降低系统成本 3.5.3 VGA 采采/编编 随着数字信息的不断发展，很多行业对 VGA 信号的采集需求不断提升,面对市场的 迫切需求，VGA 信号实时采集压缩卡它可以把输入的 VGA 模拟信号实时采集压缩，不 用再增加额外的设备，既能保证信号的连续实时，又能保证清晰不失真，从而完美解决 了 VGA 信号的实时采集压缩这一难题。主要特点如下： 强大的独立运算能力：强大的独立运算能力：基于高性能的 DSP 处理器，独立运算，不占用主机的运 算资源（软件抓屏） 。 视频高度清晰：视频高度清晰：对 VGA 信号采用高达 32 位的高速模数转换，保证采集画面达 到高清标准，没有损失，接近原始信号。 （VGA 转 AV） 采集编码同步完成：采集编码同步完成：对 VGA 信号进行实时采集、模数转换、压缩编码、传输。 （RGB 采集卡） 采样范围宽：采样范围宽：采样带宽可达到 600MHz，显示视频、文字、图片、网页都可保 证清晰、连续、稳定。 分辨率自适应：分辨率自适应： 640*480 1280*1024 刷新率自适应：刷新率自适应：60 85Hz 3.5.4 网络流量控制技术网络流量控制技术 单组播转换技术 在很多局域网络环境下，组播的实现方式与广播相同，许多二级交换机支持许多二级交换机支持 IGMP 19 Snooping，由于视频数据通信量较大，在实际的网络传输中采用广播的方式。在这种情，由于视频数据通信量较大，在实际的网络传输中采用广播的方式。在这种情 况下，一个组播对网络的压力要远远高于多个单播的压力。况下，一个组播对网络的压力要远远高于多个单播的压力。Cisco 的的 CGMP 和华为的和华为的 HGMP 虽然可以通过第三层和第二层结合的方式解决这一问题，但是系统造价高昂，而虽然可以通过第三层和第二层结合的方式解决这一问题，但是系统造价高昂，而 且对于已实现局域网的学校升级成本不可能接受。且对于已实现局域网的学校升级成本不可能接受。 采用的单组播转换技术解决这一问题。ZDIG 服务器、视频服务器都可以配置设定 单组播转换的临界点，即单播数量超过这个临界点后自动转换为组播，低于这个临界点 后自动转换为单播，通过这种方式，即可以降低组播数量，降低网络带宽占用；又可以 在服务器转发单播数量超过一定限制后转换为组播，降低服务器发送开销，平衡网络传 输压力。 自适应码流技术 采用 UDP、TCP、HTTP 方式传送视频数据，服务器可以在网络视频数据传输的同 时获得网络通信情况的信息，在 UDP 方式下，这是通过网络丢包率的统计获得的，在 TCP、HTTP 的方式下，这是通过发送缓冲的大小获得的。通过网络阻塞情况的信息， 为避免网络过渡阻塞，管理平台可以在网络阻塞的情况下通过降低图像质量、降低 编码帧率等方式降低视频压缩码率，降低网络阻塞情况。在网络阻塞较轻的情况下，在 录像码率允许的情况下，适当地调高图像质量和帧率，提高图像清晰度。 3.5.5 安全管理体系 认证和证书 本方案的许多服务/资源的访问需要受到访问控制的限制。为了实现这一功能，使用 应用程序的客户必须要向系统证明自己（是谁） ，这一过程被称为认证。用户认证后，系 统必须为用户提供用于安全访问的一个或多个属性，用于进行访问控制和优先抢断等。 这些安全属性被封装在一个证书中，并且可以在系统中传递。系统扩展证书包含： 1. 授予证书的认证服务器。 2. 一般性信息，包括用户 ID、优先级、所属于的组等。 3. 操作能力，标识本证书所代表的用户能够访问的目标实体（服务/资源实例）以 及在这些目标实例上可以进行的操作。 4. 其它的限制信息：如证书可以存活的有效时间等。 20 访问控制、控制属性和权限(Right) 图 3-1 访问控制示意图 上图提供访问控制的简单框架。如图所示，客户端只有在权限访问控制运行的情况 能够访问目标的特定操作，这是通过访问控制决定函数（Access Decision）实现的。客 户端访问控制功能定义了允许调用目标实体特定操作的条件，目标端访问控制定义了目 标实体进行特定操作的条件。在软件平台上，同时支持上述两种方式。访问控制函数根 据以下项确定操作是否被允许： 1. 进行当前操作用户的安全属性 2. 需要执行的服务（如点播视频服务器） 3. 需要执行的操作（如数据传输、云台控制） 4. 被操作的目标本身（具体的视频服务器、或者某个域，如哪个考场，哪个区） 第 1 项是通过证书表示，第 2 项和第 4 项是通过服务类型 ID（字符串）和目标 ID（字符串来表示的） 。第 3 项，是通过一个 32 位的整数表示，其中的每一位代表一个 操作或者一组不可分割的操作集合，这个 32 位整数被称为操作权限或权限。对于不同的 服务，这个 32 位权限每一位的具体含义是由应用定义的。 通过上述方式，安全管理的访问控制功能具有强大的可扩展性，可应用于不同场景 的需求。 优先抢断 与访问控制不同，优先抢断的进行必须在目标端进行，这是因为只有目标端才能了 解是申请操作客户端的全局性信息，并在多个客户访问冲突性资源时实现进行： 1.一个新的客户申请，如果这个客户的优先级高于当前获得操作的客户，则当前 的客户被抢断，并且新的客户得到访问权限，被抢断的客户得到操作被抢断的 通知； 2.如果当前获得冲突资源操作的客户退出访问，则当前申请操作的一个优先级最 高的客户能够得到冲突资源的操作许可。 21 在安全管理体系中，用户的优先级是通过一个 32 位的长整形表示，可以表示 40 亿 个以上的优先级别。数字大表示优先级别高。具体地，在本方案中，优先抢断被应用于 两个部分：一是云台镜头控制的优先用户抢断，二是带宽资源优先用户抢断。 安全代理 图 2 安全管理代理调用链示意图 在系统中，客户向服务实例请求执行一个操作，但是这个被请求的服务自身经常不 能完成操作，而需要继续依赖于其它服务实例的支持，造成一个服务的调用链，如图所 示。操作链的模式复杂化访问控制模式，需要引入安全代理的概念，所谓安全代理，就 是初始者（请求链中的第一个客户）的访问控制信息被代理给请求链中的中间者，以访 问最终目标的一种方法。 一般地，权限代理有三种模式，简单代理、无代理和混合代理。在本方案中，安全 代理主要采用简单代理模式，即中间者以上一级的证书作为自己的证书向下一级代理服 务发送。这个代理方式主要用于域间网关。 22 第四章 多媒体教室方案系统组成 本方案将多媒体教室建设定义了集控型、可视型、录播型三种类型，每种类型在满 足基本应用的基础上分别有不同的功能应用重点。 同时，为了对应用进行更加完整的覆盖，我们从功能层面将网络化多媒体教室建设 细分为以下子系统的建设： 1)多媒体教室管理系统 2)视频监控系统 3)安防报警系统 4)课堂录播系统 5)资产管理系统 在接下来的篇幅中将针对各个应用系统分别进行介绍。 4.1 多媒体教室管理系统 多媒体教室管理系统是多媒体教室建设方案中的核心应用系统，以教室中的“信息 交互式中控”为基础，开展在全网环境下的综合管理工作。 4.1.1 系统结构 场所场所设备名称设备名称说明说明备注备注 服务器系统主服务器，安装系统管理平台和数据库平 台 管理平台软件系统基础软件平台，包含有多个模块 管理工作站普通 PC 机，安装应用软件用来作日常系统管 理 主控室 主控管理软件系统的管理应用软件 信息交互式中控教室的核心中控设备，集中连接外部设备，提 供本地和网络控制。 钢制电教桌集中放置设备，保护设备安全 多媒体 教室 外部设备其他外部设备 23 4.1.2 核心设备介绍核心设备介绍 系统平台软件 底层开发采用统一的基础平台，软件采用模块化设计，各个不同的模块兼容性好， 不同模块具有相应后台开放接口，方便后期升级维护。自主研发的软硬件平台协同工作， 具有极强的媒体处理能力和数据处理能力。 .1 平台管理软件平台管理软件 1)概述 管理服务软件包含了校园网环境中的网络实体及其它们之间的联系，同时包含了安 全机制紧保证网络的集成性。另外，它还在校园网定义和维护网络基础设施，执行系统 管理，和控制用户使用经验方面提供了关键的作用。 通过对整个系统提供包括用户认证、服务器和设备单点管理，降低了整个系统管理 的复杂性。 2)主要功能： 区域管理： 实时地维护、管理和控制管理域中所有相关设备，包括终端和服务器的状态。 服务器集群： 提供负载均衡及错误转换，保证系统具有高度的可用性、可扩展性和可管理性。 24 用户和权限管理： 提供系统用户及权限分配管理。 网络带宽和流量管理： 内嵌了网络信息流量模型，自动侦听和自适应网络信息流，使系统保持良好的媒体 网络通信性能。 3)逻辑结构示意图： 信息交互式中控3110D 在多媒体教室管理系统中的核心设备是“信息交互式中控” ，无论是本地管理还是远 程网络管理都是基于“信息交互式中控”开展的。 “信息交互式中控”以 ARM9 为主处理体系，以 DSP 为协处理体系，共同组成强 大的多媒体交互能力，内置嵌入式 Linux 操作系统，成为整个多媒体教室系统的基础核 心。 “信息交互式中控”设备采用 32 位嵌入式处理器，主频高达 200MHZ， 64M 的 SDRAM 特大内存运算空间，8M FLASH ROM，采用国际流行的全贴片式(SMT)生产工 艺，结构合理，工艺先进。 25 .1 实物视图实物视图 中控主机图 ARM 主板图 控制面板 .2 接口介绍接口介绍 具备 42 路 VGA、Audio 矩阵切换模块； 具备 2 路摄像机视频输入、1 路 RS485 可编程串口，可在不低于 1200 米范围内 控云台解码器； 具备 2 路独立可编程红外发射接口，一路可控投影机，另一路扩展； 具备 8 路 I/O 端口，可连接安防等模块，3 路 RS232 接口，可控教室 PC、投影 机、UPS、电源时序控制器； 具备语音对讲的音频输入、输出接口； 具备数字广播的音频输出接口，可外接音箱，无需打开计算机即可以做到接收广 播通知； 具备 4 口百兆交换机， ，内含 26 TCP/IP 网络控制模块，直接连到校园网，具备网络远程控制功能； 具备 2 路+12V/5V 电源输出控制、1 路幕布控制； 内置一路 6.35 话筒输入，带卡拉 OK 混响功能； 4 路模块扩展插槽 2 路 CVBS、Audio 输入，DC12V 输出（接拾音器），可直接接驳摄像机、拾音 器 1 路 VGA 采集编码模块，可直接对外接设备输入的 VGA 高清信号进行实时采 集、压缩 1 路数字功率放大器模块 6W4 欧姆（左右声道）；，内含专业数码音量、 音色控制模块； 具备 3 个高速 USB 端口，支持本地移动硬盘录像，可扩展 IP 电话，另一路可扩 展； 4 路独立可编程 RS-232 控制接口，可控 UPS、IC 卡、测试口、控制键盘接口； 内置投影机灯泡检测延时电路，实现电动屏幕连动和完全保护投影机； 4.1.3 系统功能系统功能 本地/远程信号切换、设备开关、幕布升降、音量调节等基本控制； 信号切换、设备开关、幕布升降、音量调节等都是多媒体教室日常应用的一些基本 控制，主要是课堂教学过程中授课老师来控制使用。对于这些基本控制“信息交互式中 控”提供两种方式实现操作，一是授课老师自主在课堂教学过程中根据实际需要利用控 制面板进行切换控制，通过面板指示灯来反馈中控状态；同时，系统支持管理员在网络 上的远程控制，所有的基本控制管理员都可以在网络上进行操作，并实时将执行结果反 馈给管理员，可以实现本地/远程的集中控制。 钢制讲台、投影机、计算机的本地/远程开启/关闭； 钢制讲台的开启/关闭关系到设备安全问题；投影机的开启/关闭需要考虑二次开关 机和延时问题；而计算机的开启/关闭涉及系统加载和用户登陆的问题。因此，这几个设 备的开启/关闭需要进行重点的解决。 27 用户可以用三种方式进行设备的开启/关闭： 1) 控制面板按键开启/关闭； 2)IC 卡刷卡开启/关闭； 3)远程网络开启/关闭。 钢制讲台在得到开机命令后会自动打开电子锁，当柜子开启到预定位置时，行程开 关触发中控，按照预设的指令对其他设备进行开启：投影机开启命令会执行电流检测后 给投影机加电并在设定的时间后向投影机发出二次开机命令使投影机完全开启；PC 机开 启命令会触发 PC 机开机，如果是 IC 卡开机的话会以 IC 卡的合法用户直接完成 PC 机系 统登陆。准备关机时，当柜子关闭到预定位置时，行程开关触发中控，按照预设的指令 对其他设备进行关闭：投影机关机命令首先向投影机发出关机指令并进行检测确认关闭， 在预设的散热时间后将投影机断电；PC 机关机命令会保障系统安全退出系统后关闭，讲 台电子锁关闭。 多层次树形结构，灵活分级、分类查看； 多媒体教室管理平台提供了多层次树形目录结构，可以方便的创建多级部门机构， 层次不受限制。在每一级层次和部门，都可以实现基于本部门的多媒体教室的状态集中 监看，比如：按学校、按校区、按楼宇、按楼层等，系统可以提供缩略图和列表形式进 行状态监看。同时，系统支持按照设备类型进行分类的状态监看，方便分类统计设备状 态。 所有教室状态、设备状态的远程监看和管理； 树形目录的最低层次就是多媒体教室，当点击教室时，系统将以图标或列表的形式 全面呈现教室所有设备的状态：中控、桌子、电控锁、投影机、PC 机、音量、麦克风、 报警设备等等所有连接入系统的设备。同时，针对每一个设备都可以实施管理和控制： 设备的开关、音量的调节、MIC 的调节、输入输出信号的选择切换、评估、IP 电话、PC 信息统计收集等等，所有针对一个班级的控制命令和状态信息在这个界面上都可以进行 查看和操作控制。 课表自动导入，课表开关机； 学校的教学任务主要是围绕课程表开展的，多媒体教室也就是在课程表的指导下使 28 用和管理，目前，很多的学校都在使用排课系统来生成课程表。多媒体教室方案提供了 向排课系统兼容的接口，可以将排课系统生成的课程表导入系统，并且，基于此课程表 可以实现系统的自动开关机。 课程表开关机包含有很多策略，首先是根据课程表判断是否开关机；需要开机那就 根据预设的开机策略对相关设备分别执行开启，这些开机策略包括需要开启的时间、需 要开启的设备等等。钢制讲台、投影机、PC 机按照特有的策略进行开机，其他设备可以 在电源时序管理器（可选配件）的统一控制下顺序加电开机。 日志记录及统计分析管理； 多媒体教室方案提供了丰富的日志记录数据库，整个系统的所有运行细节都以日志 的形式分门别类的进行记录。这些记录将作为整个系统的运行基础数据库，可以随时支 持有权限的用户根据需要对各种记录字段进行统计