查 穹，方明明，俞啟平

江蘇建康職業(yè)學(xué)院：1 信息中心；2 醫(yī)護(hù)系， 南京 211800

非壓縮高清多路護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

查 穹1，方明明2，俞啟平2

江蘇建康職業(yè)學(xué)院：1信息中心；2醫(yī)護(hù)系， 南京 211800

由于護(hù)理示教對動(dòng)作演示畫面的連續(xù)性和清晰度要求較高，采用H.264視頻壓縮技術(shù)，通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)示教系統(tǒng)在多路大規(guī)模傳輸高清視頻的時(shí)候會造成演示畫面不連續(xù)并且延時(shí)嚴(yán)重，無法滿足護(hù)理示教演示需求。根據(jù)護(hù)理示教的單向視頻質(zhì)量要求較高的特點(diǎn)，我們采用非壓縮視頻技術(shù)，光纖加網(wǎng)絡(luò)雙路傳輸方案：用光纖傳輸非壓縮高清示教視頻，通過光纖矩陣切換器調(diào)度信號，語音及教室監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，較好地滿足了護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教要求，收到較好效果。

非壓縮高清傳輸；雙向多路；護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教

demonstrative teaching

在護(hù)理專業(yè)教學(xué)中，為了強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的臨床能力，護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教是必不可少的重點(diǎn)課程。護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教要求示教系統(tǒng)能夠把教師在示教室演示的示教動(dòng)作清晰連續(xù)地實(shí)時(shí)展現(xiàn)到教室，護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教視頻的重點(diǎn)在于示教直播動(dòng)作的連貫性與清晰度，語音主要用于師生間的交流互動(dòng)。為了方便教師了解課堂的情況，還需要把教室的視頻傳送到教師所在的示教室，但是這種視頻對清晰度和連貫性要求并不高。一般高職院校都有多個(gè)護(hù)理方面的專業(yè)，很多情況下都存在同班級多教室和多班級多教室同時(shí)上課的情況，需要護(hù)理示教系統(tǒng)具有“一路對多路”和“多路對多路”雙向同時(shí)傳輸?shù)哪芰Α?/p>

基于IP網(wǎng)絡(luò)的示教系統(tǒng)通常采用MPEG-2或者H.264標(biāo)準(zhǔn)編碼的壓縮視頻。在基于MPEG2標(biāo)準(zhǔn)壓縮的高清視頻系統(tǒng)中，因?yàn)榫幋a和解碼存在2-3 s延時(shí)[1-2]，并且在壓縮過程中會損失一些圖像信息，有些演示的關(guān)鍵視頻幀會丟失，動(dòng)作會出現(xiàn)不連貫從而影響教學(xué)效果。所以，用MPEG-2或者H.264標(biāo)準(zhǔn)編碼的壓縮視頻技術(shù)不適用于護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教系統(tǒng)。

非壓縮高清視頻傳輸是指鏡頭、CCD等原始信號，編碼后不經(jīng)壓縮直接傳輸出去，中間省去了視頻壓縮的步驟，實(shí)時(shí)性很高，號稱零延時(shí)。非壓縮高清視頻傳輸方法不需要編碼解碼，避免了由于編解碼產(chǎn)生的延時(shí)，并且消除了編碼壓縮產(chǎn)生的視頻幀丟失。非壓縮高清視頻傳輸方法的高圖像質(zhì)量、低延時(shí)的特點(diǎn)較好地滿足了護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教的需求。

非壓縮高清視頻信號取樣率為4∶2∶2，亮度取樣頻率為74.25 MHz，兩個(gè)色差信號的取樣頻率都為37.125 MHz。因此，非壓縮高清視頻基本碼率達(dá)到了1485 Mbps[3]。如果采用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸，技術(shù)較成熟的千兆交換機(jī)已經(jīng)不能滿足需求。目前，市場上的光纖都能達(dá)到2.5 Gbps的傳輸速率并且無傳輸距離限制，光纖傳輸非壓縮高清視頻無壓力。

因此，護(hù)理示教系統(tǒng)直播信號采用光纖傳輸非壓縮視頻技術(shù)方案是較為完美的解決方案。

1 系統(tǒng)分析

根據(jù)護(hù)理示教特點(diǎn)，我們把示教系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分為兩類：一類為實(shí)時(shí)示教直播數(shù)據(jù)；另一類為非直播示教視頻數(shù)據(jù)，包含教室視頻及語音交流數(shù)據(jù)。

第一類信號對于清晰度、連貫性和實(shí)時(shí)性要求較高，我們采用非壓縮視頻技術(shù)。目前，非壓縮視頻的傳輸主要通過HD-SDI、YPbPr、HDMI、DVI這四種接口傳輸，其中HD-SDI和HDMI傳輸距離較遠(yuǎn)，方便教室內(nèi)線路鋪設(shè)，所以我們采用HD-SDI和HDMI這兩種接口方式。但是這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式最遠(yuǎn)的傳輸距離為100 m，僅能滿足室內(nèi)要求，并不適合在多教室場合下直接采用。在多教室長距離情況下需要進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換，通過光纖傳輸。在光纖中心節(jié)點(diǎn)中控室運(yùn)用光纖矩陣完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)度，實(shí)現(xiàn)一路對多路和多路對多路同時(shí)傳輸。

第二類信號中語音交互數(shù)據(jù)要求數(shù)據(jù)傳輸具備雙向性，而高清示教信號在光纖中是單向的，導(dǎo)致語音數(shù)據(jù)無法與高清示教信號合并傳輸。并且如果語音交互數(shù)據(jù)和教室視頻數(shù)據(jù)都用單獨(dú)光纖傳輸會造成光圈矩陣容量幾何級增長，大大增加系統(tǒng)成本及實(shí)施的可能性。這兩種數(shù)據(jù)對與實(shí)時(shí)性和連貫性要求不大，實(shí)時(shí)語音交流數(shù)據(jù)量小、數(shù)據(jù)解碼編碼速度快，采用壓縮技術(shù)通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸更容易實(shí)施，便于控制成本。

這兩類信號在經(jīng)過中控室時(shí)接入高清硬盤錄像機(jī)實(shí)時(shí)存儲，方便以后制作網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播課程或者精品課程。整個(gè)系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)部署

護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教系統(tǒng)主要由前端采集、數(shù)據(jù)傳輸、中控存儲及終端顯示四大部分組成。其主要設(shè)備包括：高清攝像機(jī)、光纖矩陣切換器、終端高清顯示、中央集控與存儲及網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。其中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，可以與單位局域網(wǎng)設(shè)備共用，采用劃分VLAN的方式隔離數(shù)據(jù)。

2.1 前端音視頻采集設(shè)備

護(hù)理示教有時(shí)要在示教室多個(gè)位置進(jìn)行講解，需要視頻采集角度靈活可控，教師要能看到教室的情況和自己示教的畫面，方便管理。

前端音視頻采集設(shè)備我們整體采用移動(dòng)推車的方式，在推車上搭載攝像機(jī)、話筒、音響和臺式計(jì)算機(jī)[4]。這種方式還可以節(jié)約成本，方便多教室共用。

前端視頻采集設(shè)備中主要是攝像機(jī)，在護(hù)理示教系統(tǒng)中有兩種攝像機(jī)，一種用于示教，一種用于監(jiān)視教室情況。根據(jù)護(hù)理示教的特點(diǎn)[5-6]，示教攝像機(jī)要具備高清錄制、可遠(yuǎn)程控制鏡頭角度、方向和變焦的特點(diǎn)。我們采用了SONY的EVI-HD1，該設(shè)備具備10倍光學(xué)變焦，支持1 080P/60 Hz全高清輸出；具有HD-SDI、HDMI雙接口，并且可以同時(shí)輸出視頻信號。使用RS 232C接口，可對攝像機(jī)的所有設(shè)定以及搖移、俯仰、縮放操作進(jìn)行遠(yuǎn)程高速通訊控制。

在采集高清視頻時(shí)，以1 920×1 080分辨率進(jìn)行錄制，同時(shí)接EVI-HD1的HD-SDI、HDMI這兩種接口。HD-SDI接口數(shù)據(jù)通過光電轉(zhuǎn)換傳送到光纖矩陣切換器實(shí)現(xiàn)直播，HDMI接口數(shù)據(jù)連接移動(dòng)推車上的臺式計(jì)算機(jī)，用于教師觀看自己的示教視頻。

教室監(jiān)視攝像采用吸頂式IP網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)安裝在教室。攝像機(jī)通過IP網(wǎng)絡(luò)直接把數(shù)據(jù)存儲到中控室網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)。

在計(jì)算機(jī)上安裝Arxsys護(hù)理實(shí)訓(xùn)直播軟件，并連接EVI-HD1的RS232C接口。Arxsys護(hù)理實(shí)訓(xùn)直播軟件通過IP網(wǎng)絡(luò)查看硬盤錄像機(jī)里的教室情況、同時(shí)傳送語音數(shù)據(jù)以及EVI-HD1控制信號到中控室。

2.2 中央集控

中央集控的主要功能是實(shí)現(xiàn)信號線路的控制與存儲，并能夠遠(yuǎn)程控制高清示教攝像機(jī)與教室監(jiān)控?cái)z像機(jī)。

對于高清示教視頻信號的控制，主要通過控制光纖矩陣切換器實(shí)現(xiàn)一對多、多對多、輸入輸出可逆的功能。

采用兩種硬盤錄像機(jī)錄制視頻信號，高清示教視頻采用具備HD-SDI接口的數(shù)字硬盤錄像機(jī)，教室監(jiān)控視頻采用網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)。

通過Arxsys課程錄制存儲以及課程管理軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)課程制作，Arxsys高清在線點(diǎn)播平臺實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)播功能。

2.3 終端顯示

終端顯示主要通過高清投影機(jī)和高清平板電視實(shí)現(xiàn)。示教視頻經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為HDMI接口信

號輸送到高清投影機(jī)或者平板電視，示教視頻以1 920×1 080分辨率播出。直播車上的計(jì)算機(jī)利用Arxsys護(hù)理實(shí)訓(xùn)直播軟件顯示教室監(jiān)控視頻播放示教語音。

經(jīng)過半年的實(shí)地使用，這套采用非壓縮高清視頻技術(shù)的護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教系統(tǒng)受到了師生的一致好評，較好地滿足了護(hù)理實(shí)訓(xùn)示教的要求。由于該系統(tǒng)示教視頻與語音分兩路傳輸，在極端網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下語音可能會產(chǎn)生明顯延遲。產(chǎn)生這個(gè)問題的原因在于多對多傳輸?shù)那闆r下，教室視頻監(jiān)控錄像機(jī)占用較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，致使網(wǎng)絡(luò)擁擠。為了解決這個(gè)問題，我們把教室監(jiān)控視頻采用專門的視頻交換機(jī)直連到網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)上減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。目前使用良好，語音與視頻基本上同步，沒有明顯的延時(shí)現(xiàn)象。

[1]Gharal L,Lehman T,Saurin A．Experiences with high defini- tion interactive video conferencing[EB/OL].http://csperk- ins.org/publication/icme2006-ultragrid.pdf,2014-06

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[5]吳強(qiáng)，井俊嶺．基于IP技術(shù)的醫(yī)院高清手術(shù)錄播與示教系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．信息時(shí)代,2013,(1)：55-56

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Design and implementation of nursing demonstrative teaching systemusing multichannel uncompressed high-definition video

ZhaQiong1,FangMingming2,YuQiping2

1InformationCenter;2NursingDepartment,JiangsuJiankangVocationalSchool,Nanjing211800,China

Nursing demonstrative teaching has high requirements for continuity and definition of motion demonstration images. Therefore, when H.264 video compression technology is used in the traditional demonstrative teaching through IP network transmission, it causes discontinuity and serious delay of demonstration images in multiple large-scale high-definition (HD) video transmission. So this technology cannot meet the demand of nursing demonstrative teaching. Based on high requirements of nursing demonstrative teaching for one-way video quality, we used the uncompressed video technology and optical fiber-network two-way transmission scheme. The optical fibers transmit uncompressed HD videos; fiber matrix switcher dispatches signals; and IP network transmits speech and classroom monitoring video data. This scheme can better meet the requirements of nursing demonstrative teaching and bring satisfactory results.

uncompressed high-definition video transmission; two-way multichannel; nursing

2014-08-30

查穹(1982-)，男，河南郟縣人，工程師，主要研究方向：視頻技術(shù)。

方明明(1978-)，男，南京人，副教授，主要研究方向：內(nèi)科護(hù)理學(xué)。 電話：13913931536；E-mail：dafeifang@163.com

G434

A

1004-5287(2015)01-0063-03【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201501019