魯立軍 高江江 安寧

[摘 要]基于傳統(tǒng)矩陣式音視頻編解碼技術(shù)在實際應(yīng)用中存在的問題，對分布式音視頻編解碼技術(shù)的可擴展性、實時性、高效性和靈活性等特點進行分析，構(gòu)建了一套符合多校區(qū)辦學(xué)需求的多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)。對系統(tǒng)傳輸速率和傳輸錯誤率進行對比測試，結(jié)果表明：通過部署多級控制管理架構(gòu)，可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，擴展教學(xué)場景，推動分布式音視頻編解碼技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]分布式音視頻編解碼技術(shù)；矩陣式音視頻編解碼技術(shù)；分布式管理控制；多校區(qū)

[中圖分類號]TN 929.5

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1005-0310（2023）06-0062-05

The Integrated Application of Distributed Audio-Video Encoding

and Decoding Technology in Modern Education

LU Lijun， GAO Jiangjiang， AN Ning

（1.Division of Academic Affairs， Beijing Union University， Beijing 100101， China；

2.Tourism College， Beijing Union University， Beijing 100101， China）

Abstract： Based on the problems associated with traditional matrix-based audio-video encoding and decoding technology in practical applications， an analysis of scalability， real-time capability， efficiency， and flexibility of distributed audio-video encoding and decoding technology was conducted. Subsequently， a multimedia teaching video distributed management and scheduling system， tailored to meet the needs of multi-campus educational institutions was developed. Comparative testing of system transmission rates and error rates was carried out， and the results indicate that through the deployment of a multi-tiered control and management framework， it is possible to further enhance system performance， expand teaching scenarios， and promote the application of distributed audio-video encoding and decoding technology in the field of education.

Keywords： Distributed audio-video encoding and decoding technology；Matrix-based audio-video encoding and decoding technology；Distributed management control；Multi-campus

0 引言

在現(xiàn)代教育技術(shù)中，音視頻編解碼技術(shù)是不可或缺的核心技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)矩陣式音視頻編解碼技術(shù)存在單個編解碼器編解碼能力受限的問題。為了解決此問題，分布式音視頻編解碼技術(shù)引起業(yè)界廣泛關(guān)注。分布式音視頻編解碼技術(shù)是一種將音視頻信號分割成多個數(shù)據(jù)塊，再通過多個編碼器和解碼器進行并行處理和傳輸?shù)募夹g(shù)。相對于傳統(tǒng)的音視頻編解碼技術(shù)，分布式音視頻編解碼技術(shù)具有以下優(yōu)勢：將任務(wù)分布到多個節(jié)點上進行處理，提高編碼和傳輸?shù)男始百|(zhì)量；動態(tài)調(diào)整編碼參數(shù)、選擇合適的傳輸路徑以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化，并確保音視頻傳輸?shù)牧鲿扯?；隨著用戶和數(shù)據(jù)量的增加，可以通過增加節(jié)點來擴展系統(tǒng)的處理能力。

分布式音視頻編解碼技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用場景包括遠程教學(xué)、視頻會議、多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理等。在遠程教學(xué)中，分布式編解碼技術(shù)可以整合多路音視頻數(shù)據(jù)流，提高課堂的互動性。在視頻會議中，分布式編解碼技術(shù)可以保證會議的高清流暢播放，提高參會人員的溝通效率。在多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中，分布式編解碼技術(shù)能夠有效降低帶寬占用、減少傳輸延遲，實現(xiàn)音視頻數(shù)據(jù)的高效傳輸和存儲，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2021年，教育部發(fā)布的《關(guān)于加強新時代教育管理信息化工作的通知》明確提出：“教育管理信息化作為教育信息化的重要組成部分，是以信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)資源、基礎(chǔ)設(shè)施為基本要素，利用信息技術(shù)轉(zhuǎn)變管理理念、創(chuàng)新管理方式、提高管理效率，支撐教育決策、管理和服務(wù)，推進教育治理現(xiàn)代化的進程?！被谏鲜隼砟?，本文著力分析分布式音視頻編解碼技術(shù)的特性，并與北京聯(lián)合大學(xué)多校區(qū)辦學(xué)的實際需求進行深度融合，通過構(gòu)建多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)全校一體化管控。這不僅能提高教學(xué)過程管理的精細化水平，提升現(xiàn)代教育技術(shù)在多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中的應(yīng)用效果，更能有效輔助教學(xué)工作的順利進行。

1 多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)分析1.1 建設(shè)背景

北京聯(lián)合大學(xué)成立于1985年，是北京市屬綜合性大學(xué)。學(xué)校設(shè)有63個本科專業(yè)，涵蓋十一大學(xué)科門類，擁有12個校區(qū)。經(jīng)過多年的探索和實踐，學(xué)校先后建成互動研討型、多視窗智能AI型、遠程互動型、精品錄播型和云桌面網(wǎng)絡(luò)型等多種形式的智慧教學(xué)環(huán)境。如何將分布式音視頻編解碼技術(shù)融合應(yīng)用到不同維度的教學(xué)環(huán)境中，并將這些教學(xué)場景多角度、實時、靈活地展現(xiàn)出來，有效融合教務(wù)管理、教學(xué)輔助決策和聽評課等環(huán)節(jié)，形成閉環(huán)管理，進而完善教學(xué)管理機制，提升教學(xué)管理效能，拓展教學(xué)管理的對象和空間，這些是對現(xiàn)代教育教學(xué)技術(shù)工作提出的新課題。

1.2 音視頻編解碼技術(shù)的應(yīng)用分析

目前，傳統(tǒng)矩陣式音視頻編解碼技術(shù)在顯示控制系統(tǒng)應(yīng)用中存在一些問題：該技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于繁雜，難以進行后期擴展和升級，并且布線施工困難；在應(yīng)用模式方面，功能單一且不夠靈活，無法實現(xiàn)異地信號共享和分級管理等功能。同時，由于學(xué)校擁有分布在多個校區(qū)的共480余間教室，教學(xué)管理、監(jiān)控和傳輸設(shè)備的建設(shè)時間跨度較大，存在音視頻編解碼格式不兼容的問題，因此，我們需要探索其他解決方案。

基于分布式音視頻編解碼技術(shù)構(gòu)建的顯示控制系統(tǒng)，具有以下技術(shù)特點（見圖1）：①可擴展性：根據(jù)需求增加編解碼器和顯示設(shè)備的數(shù)量，可自由調(diào)整和擴展系統(tǒng)規(guī)模；②實時性：實時傳輸音視頻信號，滿足對實時性要求較高的應(yīng)用場景需求，如課程直播、錄播等；③高效性：將音視頻信號的處理和顯示分布到不同設(shè)備，提升系統(tǒng)運行效率；④可操作性：將高清視頻源圖像推送至多組大屏，進行跨屏、漫游、縮放、疊加顯示；⑤可靠性：通過冗余設(shè)計和錯誤修正算法，降低系統(tǒng)故障率；⑥靈活性：兼容不同編解碼算法和數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)分級管理機制。

2 多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建與實施

為了解決矩陣式集中處理技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題，北京聯(lián)合大學(xué)構(gòu)建了多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接分布式輸入節(jié)點機，實現(xiàn)對音視頻信號的采集，再通過分布式輸出節(jié)點機將信號輸出到大屏幕進行顯示。各節(jié)點機之間通過千兆網(wǎng)絡(luò)進行通信，實現(xiàn)信號的快速共享、轉(zhuǎn)發(fā)和一體化調(diào)用。此外，系統(tǒng)還支持異地信號共享和多級管控，有效克服了傳統(tǒng)集中處理技術(shù)的局限性。

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

在系統(tǒng)設(shè)計中，主控室機房不再采用傳統(tǒng)模擬長距離傳輸設(shè)備，而是將所有音視頻信號進行數(shù)字化處理并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得音視頻數(shù)據(jù)源可以通過網(wǎng)絡(luò)在不同區(qū)域之間共享和互聯(lián)互通。此外，這種系統(tǒng)架構(gòu)還可以將音視頻信號通過交互網(wǎng)絡(luò)傳輸至多個區(qū)域進行并發(fā)處理，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的資源整合，實現(xiàn)環(huán)境控制、音視頻錄制和存儲等多種功能。視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了確保音視頻的傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，本系統(tǒng)采用了廣播級音視頻處理技術(shù)，并將系統(tǒng)運維監(jiān)測手段應(yīng)用于分布式顯示控制系統(tǒng)中，由此可以實時監(jiān)測整個系統(tǒng)內(nèi)的音視頻傳輸質(zhì)量和設(shè)備運行狀態(tài)。如果出現(xiàn)異常情況，如視頻馬賽克、靜幀、黑屏、音量過高或過低，以及交換機網(wǎng)絡(luò)中斷、節(jié)點機服務(wù)器故障等情況，系統(tǒng)將立即發(fā)出警報，并提供可視化的監(jiān)測信息。此外，整個系統(tǒng)的運行結(jié)構(gòu)可以實時呈現(xiàn)，方便系統(tǒng)管理人員快速發(fā)現(xiàn)、定位和解決系統(tǒng)的異常狀況，以確保系統(tǒng)正常運行。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用成組及功能概述

1）分布式顯示：通過音視頻同步算法解碼，將前端流媒體信號還原為數(shù)字信號，由拼接屏顯示，實現(xiàn)“幀”級別同步顯示輸出畫面。

2）音視頻輸入節(jié)點：最多可駁接500路高清數(shù)字信號（DVI/HDMI）及音頻信號接入。

3）分布式管理控制：負責(zé)統(tǒng)一調(diào)度管理系統(tǒng)內(nèi)的音視頻信號，對顯示大屏進行整體控制、分組、預(yù)覽以及信號調(diào)度；同時，支持對輸入/輸出節(jié)點機和內(nèi)部服務(wù)器的管理、查詢及狀態(tài)報表呈現(xiàn)，實現(xiàn)對信號源和大屏的可視化觸控操作。

4）大屏錄制與回放：具備大屏幕（包括畫面、布局、調(diào)度腳本等）和信號的錄制、原屏回放、實時下載等功能，可同時錄制36路信號；利用網(wǎng)絡(luò)組播堆疊技術(shù)，可增加錄制任務(wù)和數(shù)量；支持SAN存儲陣列及7×24 小時錄制，可管理存儲硬盤空間。

5）IP流接入與顯示：負責(zé)流媒體信號的匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)（IP視頻分發(fā)），基于IP的遠程控制，實現(xiàn)信號之間的快速共享。

6）監(jiān)測與多畫面合成：支持音視頻異態(tài)監(jiān)測報警、信號多畫面組合顯示、音視頻錄制等功能，其中，音視頻異態(tài)包括色彩格式異常、靜幀、黑場、音視頻丟失、聲音過高或過低等。

7）KVM遠程控制終端：實現(xiàn)對系統(tǒng)狀態(tài)進行遠程檢測及系統(tǒng)全景鏈路的配置。

2.3 系統(tǒng)框架及運行效果

2.3.1 系統(tǒng)應(yīng)用框架

目前，北京聯(lián)合大學(xué)已經(jīng)完成了多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)的部署應(yīng)用。系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡(luò)和分布式架構(gòu)，以北四環(huán)校區(qū)主控室作為1級調(diào)度中心，工體北路校區(qū)和蒲黃榆校區(qū)分別作為2級和3級調(diào)度中心，實現(xiàn)多級管理。云管理服務(wù)器和IP視頻分發(fā)服務(wù)器在系統(tǒng)中協(xié)同工作，實現(xiàn)了校區(qū)間音視頻圖像的傳輸和共享。其中，IP視頻分發(fā)服務(wù)器起到中繼調(diào)度的作用，有效保證了音視頻信號的質(zhì)量，并節(jié)省了帶寬資源。校區(qū)間多級管理框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在可視化鏈路監(jiān)測方面，系統(tǒng)支持對分布式顯示控制系統(tǒng)中的服務(wù)器、輸入/輸出節(jié)點機等設(shè)備進行監(jiān)測，并以可視化形式展現(xiàn)設(shè)備之間的連接關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)狀況和設(shè)備在線情況。這種可視化監(jiān)測功能使管理人員可以直觀地了解系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，能夠更加方便地定位故障設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，系統(tǒng)的可靠性和運行效率均得到了較大提升。

2.3.2 系統(tǒng)運行效果分析及評估

通過應(yīng)用分布式音視頻編解碼技術(shù)，系統(tǒng)實現(xiàn)了多級管理、校區(qū)間圖像共享、高質(zhì)量信號傳輸、節(jié)省帶寬資源以及可視化鏈路監(jiān)測等功能，為教學(xué)和管理工作提供了更好的支持。在系統(tǒng)正式上線運行后，我們對其音視頻傳輸速率和播放效果進行了全面測試，系統(tǒng)測試對比結(jié)果如圖4所示。

測試數(shù)據(jù)顯示，與矩陣式集中編解碼技術(shù)相比，基于分布式音視頻編解碼技術(shù)的系統(tǒng)在平均傳輸速率方面提高了60%以上，而且在傳輸過程中出現(xiàn)的錯誤率降低了50%以上，這表明基于分布式音視頻編解碼技術(shù)的系統(tǒng)在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有更快的傳輸速率和更高的播放質(zhì)量。同時，該系統(tǒng)的播放效果也得到顯著提升，音視頻的同步性和清晰度均優(yōu)于矩陣式編解碼傳輸系統(tǒng)。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代教育技術(shù)是輔助教學(xué)并提高教學(xué)管理水平的重要手段。將分布式音視頻編解碼技術(shù)有效應(yīng)用于現(xiàn)代教育領(lǐng)域中，可以推動教育技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，提升教育信息化的應(yīng)用水平。北京聯(lián)合大學(xué)多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)以信息科學(xué)理論為指導(dǎo)，將先進可靠的信號采集與傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、音視頻編解碼技術(shù)及屏幕顯示處理技術(shù)等集成為一體，通過在學(xué)校多個校區(qū)的實施應(yīng)用，實現(xiàn)了多校區(qū)音視頻數(shù)據(jù)資源的按需分配。

多媒體教學(xué)視頻分布式管理調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)了分布式音視頻編解碼技術(shù)在現(xiàn)代教育領(lǐng)域中的融合應(yīng)用。這一創(chuàng)新應(yīng)用不僅提高了學(xué)校的教學(xué)管理水平，也增強了現(xiàn)代教育技術(shù)在多媒體教學(xué)系統(tǒng)管理中的應(yīng)用效果，為后續(xù)發(fā)展打下了良好基礎(chǔ)。學(xué)校將依托該系統(tǒng)開發(fā)更多功能，以服務(wù)于更廣泛的教學(xué)場景。同時，將該系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接，并結(jié)合智能AI無感知學(xué)情分析系統(tǒng)，對課堂教學(xué)數(shù)據(jù)進行全過程的分析與反饋，從而建立起較為完善的教學(xué)評估及大數(shù)據(jù)督導(dǎo)體系。

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（責(zé)任編輯 白麗媛；責(zé)任校對 柴 智）

[收稿日期]2023-04-27

[作者簡介]魯立軍（1975—），男，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)教務(wù)處高級工程師，碩士，主要研究方向為廣播影視編播技術(shù)、現(xiàn)代教育技術(shù)；安寧（1974—），男，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)教務(wù)處高級工程師，碩士，主要研究方向為現(xiàn)代教育技術(shù)。

[通訊作者]高江江（1977—），男，北京市人，北京聯(lián)合大學(xué)旅游學(xué)院助理研究員，碩士，主要研究方向為智慧教學(xué)及旅游信息化。E-mail：lytjiangjiang@buu.edu.cn