一種異地多校區分布式智慧校園視頻服務系統設計研究*

黃照翠，陳 暉，張鵬亮，王海濤

（中國人民解放軍陸軍工程大學 教研保障中心，江蘇 南京210000）

一、引言

近年來，隨著國內外一些視頻網站的興起，帶動了視頻在教育領域的應用，Coursera、Udacity、edX、學堂在線、中國大學MOOC等一大批MOOC平臺上線并不斷發展壯大，給教育帶來了翻天覆地的變化。高校在教、學、研、管、用等各方面越來越多地使用視頻、依賴視頻，校園監控系統自不用說，翻轉課堂、智慧課堂實踐離不開視頻資源，高校視頻資源越來越豐富，資源呈現規模大、增速快、內容雜的態勢[1]，然而當前高校在視頻方面提供的服務很大程度上存在一定的局限性，特別是高校一般有多個校區，甚至多個校區分布于全國不同的省市，傳統的視頻服務模式無法滿足高校異地多校區對于視頻服務的需求，無法發揮視頻的優勢，更是給翻轉課堂等各個方面的應用帶來了限制。

針對校園視頻服務的瓶頸和當前校園視頻應用新需求，本文提供一種異地多校區分布式智慧校園視頻服務系統，旨在使得校園用戶進行視頻采集、編碼壓縮、存儲、傳輸、處理、分析、檢索、直錄播、推送、監控時更加便捷和智能，達成好用、實用、愿意用、創新用的目標。

二、背景技術

1.現有技術

現有視頻服務系統一般由技術公司開發，使用當前比較成熟穩定的技術產品架構視頻平臺，例如校園監控系統、媒體直播系統、視頻會議系統等（此為早期以及當前大部分校園使用的視頻服務平臺），以及各大公司提供的視頻云解決方案，如騰訊云視頻解決方案、華為視頻云解決方案、CISCO視頻解決方案、網易視頻云等，為用戶提供直播、點播、互動直播、云通信等服務，比如網易視頻云提供視頻課件管理、遠程視頻授課、純語音直播、錄播功能、多平臺學習、聊天室互動和數據分析服務。[2]另外，百度AI開放平臺[3]提供了視頻內容分析接口，基于人工智能技術，對視頻進行語音、文字、人臉、物體、場景多維度分析，輸出視頻泛標簽，提升搜索推薦的效果。

2.現有技術的缺點

現有技術中，如校園監控系統、媒體直播系統、視頻會議系統等之間一般相對獨立，系統之間缺乏數據結構一致性。壓縮編碼格式、傳輸協議等的不統一，使得系統之間的數據交換與共享存在困難、視頻采集受限、視頻存儲無序、管理混亂、傳輸不夠順暢、壓縮編碼標準不統一、視頻分析暫時處于原始狀態、檢索與推送大多基于文本、監控主要靠人工、個性化視頻中心缺失等。

騰訊、網易等提供的視頻云解決方案主要針對云直播、點播互動等，不能滿足融校園視頻采編、播控、直播、點播、互動、智能監控、智能檢索與推送、視頻資源分級分類管理、個性化門戶、統一認證用戶與權限管理為一體的視頻綜合服務門戶整體方案的要求，而且使用專有云和混合云的成本高，涉密視頻的安全性無法保證。

百度、騰訊等開放平臺只是提供了可實現所需功能如智能檢索、智能監控、直播、點播等的API服務，而全局性、綜合性、整合性的統一異地多校區智慧校園視頻服務系統架構還有待研究。

三、系統技術解決方案

市場上視頻云服務解決方案雖然有很多，但關于專屬智慧校園建設急需的綜合性、智能視頻服務體系暫未看到，智慧校園需要集校園監控系統、視頻會議系統、媒體直播系統、在線視頻教學平臺等為一體的、相互融合的視頻資源大數據智能分析與應用的便捷視頻服務云平臺，以視頻云平臺為中心構建視頻服務體系，解決校園視頻服務的瓶頸，旨在能夠穩健、可持續發展，打造智慧視頻服務。

為了實現上述目的，本文提供如下技術方案：

一種異地多校區分布式智慧校園視頻服務系統，系統包括統一視頻綜合服務門戶、媒體直錄播系統、媒資管理播控系統、媒體監控系統、視頻智能分析處理系統、個性化門戶系統和統一認證用戶與權限管理系統。系統架構如圖1所示，系統覆蓋校園視頻服務的每一個環節，包括采集、編輯、濾鏡、編碼、上傳、轉碼、存儲、CDN分發、P2P加速、播放器、防盜鏈、安全機制、數據統計、智能分析、信息推送。其效果是，校園內任意用戶都能根據所需，享用系統所帶來的便捷與智能化的視頻服務。

圖1 一種異地多校區分布式智慧校園視頻服務系統架構圖

該系統核心為視頻云平臺數據中心，包括各種云端服務器與存儲設備，有Web服務器、直播服務器、點播服務器、數據庫服務器、轉碼服務器、CDN管理服務器、增值應用服務器和存儲矩陣；包括統一視頻綜合服務門戶、媒體直錄播系統、視頻資源庫、校園安防監控系統和視頻智能分析處理系統；包括身份認證與訪問授權、分布式計算與虛擬化、集群管理、數據加密備份與容災、分布式存儲、自適應碼流匹配、自動協議轉換、智能終端識別、集群式流負載監控、API接口技術支撐。

智慧校園視頻服務系統支持多路多種信號的輸入，包括衛星信號、有線電視信號、活動現場信號、視頻會議系統信號、智慧教室信號、媒資管理播控節目信號和演播室信號，滿足校園各種類型視頻的直錄播。視頻信號傳輸可以通過IP網絡、4G或Wifi，經過路由器、交換機等網絡設備，進入緩存服務器，視頻信號可以輸出至監看視頻矩陣、互動電視、PC端和移動端，校園辦公室、教師備課室、多媒體教室、語言實驗室、學生宿舍等可以通過各種終端便捷地觀看直錄播，發布視頻資源，進行網上交互活動。通過CDN信息分發和P2P加速，其他校區用戶也可以便捷地共享智慧校園視頻服務。

四、主要模塊設計實施

1.統一視頻綜合服務門戶

所述門戶是校園提供視頻信息資源服務的綜合性應用系統（如圖2所示），將各種視頻子系統、數據資源融合集成于一體，智能分析處理視頻大數據和用戶信息以及用戶應用系統偏好等，以統一的用戶界面，展示給用戶個性化的信息資源，是視頻服務體系總入口。門戶包括用戶個性化門戶統一身份入口、個性化通知公告信息、基于文本和基于內容并舉的視頻檢索服務模塊、各視頻子系統入口、個性化視頻資源推送模塊、頭條動態視頻、按時間順序呈現視頻資源庫分級分類最新視頻。該門戶“一站式達成”并滿足校園用戶的視頻服務需求。

圖2 統一視頻綜合服務門戶結構圖

2.媒體直錄播系統

所述系統包括網絡電視直錄播系統、活動現場直錄播系統、智慧教室直錄播系統、視頻會議直錄播系統，其滿足校園視頻多元采集、直播、錄播、存儲、管理、控制、智能處理需求。

網絡電視直錄播系統包括衛星電視和有線電視節目的網絡直播和錄制點播，系統以互聯網、移動通信網和有線電視網等多種網絡為媒介，利用數據包的方式向用戶傳輸圖片、文本、視頻、音頻等信號，向用戶提供以電視節目收看、視頻點播為基礎，實現數字電視、時移電視、互動電視等服務，頁包括電子商務、網上社區等綜合性服務。系統具有跨平臺性，以電視機、個人電腦及手機設備作為顯示終端，用戶可以便捷地觀看電視節目和共享增值服務。[4]系統直播頻道的排序數據依據來自于用戶個人點擊觀看數、頻道總點擊觀看數。錄制點播模塊根據各頻道欄目觀看數、推薦數和指定屬性智能選擇錄制，錄播節目按照節目播放量排序。

活動現場直錄播系統包括校園文娛活動、學術講座、辯論賽、綜合演練等活動現場的直播與錄制存儲，實現異地實時、延時觀看活動。所述系統視頻在錄制的同時，上傳至視頻云平臺數據中心，根據視頻的級別（公開、秘密、機密、絕密）附加定密屬性信息，同時可根據需要，觸發錄音轉文字軟件將錄音和視頻快速地轉換成文字，存儲于數據庫中，用戶可以根據權限調取文本內容。

智慧教室直錄播系統以智慧教室為支撐，在智能交互音視頻環境下，通過對互動教學多方位高清錄播控制，將視頻上傳至視頻云平臺數據中心，同時可根據需要觸發錄音轉文字軟件，將錄音和視頻快速地轉換成文字，存儲于數據庫中，用戶可以根據需要調取文本內容。

視頻會議直錄播系統專門針對現有視頻會議系統，進行擴展升級，將采集錄制的會議視頻進行直播、上傳至視頻云平臺數據中心，同時可根據需要觸發錄音轉文字軟件，將錄音和視頻快速的轉換成文字，存儲于數據庫中，用戶可以根據需要調取文本內容。

圖3為媒體直錄播系統流程圖，網絡電視、活動現場、智慧教室、視頻會議的視頻信號經編碼器編碼成H.264視頻和AAC音頻，流媒體服務器將獲取到的視頻數據封裝成rtmp數據報文，發給Flash播放器，完成播放，用戶可以通過視頻矩陣進行監看，也可以通過PC、移動終端、網絡互動電視終端訪問Web直播頁面進行監看或收看。在直播的同時，可以根據錄制計劃自動錄制直播視頻，錄制完成自動上傳至點播服務器存儲矩陣，發布該視頻的稿件，添加至Web服務器，用戶終端可以訪問Web服務器錄播頁面視頻列表，發出視頻播放請求，Web服務器根據視頻地址向點播服務器調取該視頻，以視頻流的形式返回至Web點播頁面，實現用戶點播。

圖3 媒體直錄播系統流程圖

3.媒資管理播控系統

所述系統包括節目編輯系統、視頻播控系統、視頻資源庫、共享虛擬演播室。該系統使得校園視頻采編、播控、資源管理、交互、檢索、分析、使用更加便捷，滿足專業級和普通用戶的需求。

節目編輯系統包括專業級協同非編系統和簡易型智能編輯軟件。專業級協同非編系統用于專業級需求的視頻節目協同制作，適用于高標準的專業人員；簡易型智能編輯軟件，一次性綠色安裝，終身使用，任意采集或下載視頻資源庫的視頻資源和素材，編輯成滿意的視頻內容，完成后通過個性化門戶實時輸出上傳至視頻云平臺數據中心，發布到相應欄目分享或后期應用，適用于校園普通用戶。

視頻播控系統包括直播播控和錄播播控，直播播控信號源可以來自演播室、教室、會議、活動現場直播輸出，錄播播控信號源可以來自節目編輯系統直接輸出和視頻資源庫，視頻播控系統模塊包括視頻矩陣、調音臺、節目切換臺。

視頻資源庫位于視頻云平臺，是所述智慧校園視頻服務系統的核心，是一切視頻活動的匯聚與發散中心。海量視頻資源存儲于云端數據中心，通過云平臺Web服務器訪問視頻信息，視頻信息檢索方式基于文本和基于內容并舉，即突破傳統的基于元數據文本的視頻檢索方式，既能向用戶提供基于顏色、紋理、形狀及運動特征等視覺信息的檢索，又能提供基于高級語義信息的檢索，具有在鏡頭、場景、情節等不同層次上進行檢索的功能，能滿足用戶基于例子和特征描述的檢索要求。[5]

視頻資源庫多元化分級分類涵蓋校園日常工作、學習、文娛、創新活動等的分級分類，視頻發布欄目和視頻數據存儲欄目名稱保持一致，因新學科、新課程、新項目和新活動等需要可以自助在資源庫相應級別里增加分類，經審核通過可以新建分類欄目。

視頻資源庫管理后臺實現對庫資源分級分類管理，節目庫和視頻庫的管理，模板管理，系統關鍵字、熱字敏感字、水印管理，直播管理，CDN管理，評價、網上社區、投票管理以及其它擴展增值應用的管理。主要涉及增加、修改、刪除和審核。

視頻資源庫評價模塊針對視頻資源的評價，視頻資源評價依據用戶評價和視頻熱度按照一定的指標權重分析自動完成。用戶評價主要有評價等級和評價用語，評價等級分為四個等級，分別是優秀、良好、一般、差，每個注冊用戶針對某個視頻只能評價一次，系統自動統計評價數據，并且可以圖形化顯示評價結果。評價用語可以評價一次，也可以追加評價，系統針對某個視頻的評價用語自動收集數據，導入文本分析工具，智能進行主觀性分析。[6]評價等級和評價用語按照指標權重計算得出用戶評價權重。熱度由在線播放、下載量、播放進度率和發布時間長度按比例計算得出。短時間內，在線播放與下載量越高，單個視頻播放進度越長，反映該視頻越受用戶的歡迎，資源利用率越高。

視頻資源庫推送機制，即個性化資源推送，依據用戶屬性與資源屬性的關聯與匹配度以及資源的評價指數和熱度，提取資源推送給用戶。用戶屬性特征庫來源于兩方面：一方面是用戶注冊時填寫的用戶信息，即用戶屬性，包括基本信息（用戶名、密碼、性別、聯系方式、Email、地址等）、擴展信息（興趣愛好、個人經歷等）、專業信息（從事專業、研究方向、導師等）；另一方面是用戶查詢資源時，通過對用戶查詢的文本描述和示例資源特征以及用戶行為數據統計分析獲得個人行為趨向特征。[7]資源屬性特征庫：一方面來源于資源的描述性信息，如資源名稱、分類信息、發布者、制作者、應用領域、關鍵字等；另一方面來源于視頻資源特征提取，當視頻資源更新時，將資源特征與用戶特征關聯性和匹配度高的新資源推送到用戶中心；同時，將評價指數和熱度高的視頻資源推送至用戶中心，供用戶觀看。

共享虛擬演播室，即校園內用戶都可以在用戶中心自助申請使用的虛擬演播室，虛擬演播室具有集虛擬演播、錄播、直播、制作的全能化采編錄播功能，可以完成節目信號切換、字幕疊加、節目播出、信號錄制、虛擬布景、流媒體發布全部流程。演播室與節目編輯系統無縫對接，演播信號實現快速直播的同時，編碼錄制上傳至視頻云平臺數據中心視頻資源庫，用戶可以通過視頻資源庫前臺延時觀看。

圖4是媒資管理播控系統流程圖。節目編輯系統將來自視頻資源庫、演播室采集視頻或其它視頻資源素材編輯成節目成品，通過視頻播控系統按時間計劃進行直播，視頻流向視頻矩陣、監看用戶端和普通用戶端。同時將節目成品上傳至視頻資源庫，用戶終端可以延時在線訪問Web服務器，觀看節目。

圖4 媒資管理播控系統流程圖

4.媒體監控系統

所述系統包括媒體直錄播監看系統、校園安防監控系統。所述系統達成媒體直錄播、監看更加省心和校園安防的智能監控，監控信息及時推送至相關人員，事件預警更加智能，校園更加安全。

媒體直錄播監看系統包括視頻服務中心的視頻矩陣直錄播監看和用戶終端視頻監看，視頻矩陣位于校園視頻服務中心，通過矩陣可以監看校園所有正在直錄播的N路信號。用戶終端登入系統后，根據角色可以監看具有權限級別的N路視頻。

安防監控系統包括人臉識別門禁、動態人臉識別對比預警、危險區域隱患事前干預、人體姿態識別干預、空位識別考勤、人臉姿態識別課堂干預、自主學習空位識別提醒、表情和行為識別預防校園暴力預警、人臉識別考試身份驗證、煙霧火災識別報警等。安防監控系統主要利用人工智能技術，對人、事物、環境、設備等進行智能監控，一旦識別有異常，立即啟用預警系統，將異常情況圖文發送至具有權限的負責人。

校園安防監控系統流程如圖5所示，自成一體的異地各校區形成IP監控網絡，各校區設置監控服務器、視頻矩陣和客戶端監看，錄制監控視頻存放于各地監控服務器，具有安防管理權限人員在主校區通過安防地圖，點擊異地監控探頭，視頻信號傳輸至校園安防監控系統，安防員可以通過視頻矩陣或終端監看異地安防視頻，校園安防系統依托視頻智能分析處理系統，對監控視頻進行分析處理，如果出現異常，系統將會智能預警并通過微信或手機短信方式發送至具有安防權限的負責人，同時校園安防監控系統地圖中該區域呈現紅色預警提示。

圖5 校園安防監控系統流程圖

安防系統前臺主頁的核心是分類安防，校園安防分為門禁監控、機房倉庫設備監控、機柜布線監控、危險區域監控、人體監控、煙霧火災識別監控、教室監控，安防管理權限人員登入前臺主頁，可以選擇分類安防，點擊某類，呈現校園安防地圖。實施例1，點擊門禁監控，呈現校園所有門禁監控地圖，安防員任意點擊某個門禁，可以監看門禁視頻，并能智能識別出入門禁的人員信息。實施例2，點擊人體監控，呈現校園所有監控探頭網絡地圖，任意點擊一個區域探頭，可以監看到該區域內人員，并能自動識別人的表情、行為、姿態、唇語，可以進行智能分析，如果異常，地圖中該區域呈現紅色預警提示，同時會將異常情況圖文通過微信或手機短信方式發送至具有安防權限的負責人。

安防系統后臺嵌入個性化門戶系統，具有安防權限的用戶可以在個性化門戶系統中設置安防網絡視頻監控探頭的錄制存儲周期和錄制分辨率參數。

安防系統錄制視頻上傳至所述智慧校園視頻服務系統視頻資源庫的一級分類“安防監控”下，該分類設置為對非安防管理用戶不可見，即非安防管理用戶在統一視頻綜合服務門戶、視頻資源庫、個性化門戶系統都無法瀏覽到安防視頻，同事也搜索不到安防視頻。

5.視頻智能分析處理系統

所述系統基于校園各類視頻大數據，涉及媒體直錄播視頻、安防監控視頻和視頻資源庫視頻的智能分析、處理、檢索、推送。所述系統融于整個智慧校園視頻服務系統各個模塊，包括視頻質量分析、用戶評價和熱度智能分析、視頻內容特征分析、分類視頻發展態勢分析等。視頻內容特征分析對視頻進行語音、文字、人臉、姿態、物體、場景多維度分析，進行智能識別、智能預警、任務智能派發、輸出視頻泛標簽，提升搜索推薦效果，系統大大提升了校園視頻的服務質量和水平。

視頻智能分析處理系統融入智慧校園視頻服務系統的各個模塊，視頻智能分析處理數據來源于：①媒體直錄播視頻、視頻資源庫視頻、媒資播控視頻類別、直播發布頻度、直播時間、在線播放下載量、評價用語、播放進度比例單個視頻用戶搜索頻度、搜索量等。②各類視頻質量屬性，如視頻大小、格式、分辨率等。③用戶數據，包括用戶基本信息和擴展信息，單個用戶瀏覽歷史、瀏覽視頻量等。④視頻內容屬性信息，該信息基于視頻內容特征分析對視頻進行語音、文字、人臉、姿態、物體、場景多維度分析。這些數據采集到數據庫中，由視頻智能分析處理系統進行智能分析處理，依托分析處理結果，控制各個模塊的內容顯示和順序。

6.個性化門戶系統

所述系統呈現校園用戶相關或關心的個性化信息，個性化視頻中心創建對 “我的視頻”管理更加自主、高效，視頻資源推送更加人性化、更加智能，工作、學習、生活中的視頻資源使用體驗更佳。

用戶登入后：①呈現與用戶相關的一些信息，包括收藏的視頻、推送的視頻、我的評價、消息提醒、我發布的主題、我回復的主題等。②用戶有權限的操作，如自助視頻錄制與上傳管理、欄目新建管理、演播室使用申請、投票管理、智能統計分析信息，各模塊的系統管理、參數設置與內容管理等，不同角色用戶如超級管理員、系統管理員、門戶管理員、媒體直錄播管理員、媒資播控員、視頻資源庫管理員、模板設計者、安防管理員、用戶管理員、部門管理員、學科管理員、課程管理員、普通注冊用戶和游客等在個性化門戶中的操作內容不同，原則上是智慧校園視頻服務系統各個模塊的后臺管理與前臺控制，均按照權限管理系統分配到不同權限用戶的個性化門戶中進行管理。

7.統一認證用戶與權限管理系統

該系統基于校園統一認證用戶系統，滿足校園用戶登入校園網時，一次登入，系統通入。首次登入智慧校園視頻服務系統被默認為普通注冊用戶，進入個性化門戶系統設置的所屬群組，即角色，由智慧校園視頻服務系統用戶管理員審核通過后方可具有所屬角色的權限。用戶管理員可以設置各個群組（角色）對智慧校園視頻服務系統各個模塊的“增刪改查”、參數設置、系統設置、模板設計等操作權限。具有權限的群組成員才能直播收看、在線播放、下載、接收推送視頻與消息、調取視音頻轉文本內容等。不同角色具有不同的權限，不同角色的個性化門戶呈現內容不同，操作權限級別不同，主要有超級管理員、系統管理員、門戶管理員、媒體直錄播管理員、媒資播控員、視頻資源庫管理員、模板設計者、安防管理員、用戶管理員、普通注冊用戶和游客。

用戶管理員可以將某模塊或某內容的權限管理流轉給其他管理員進行審核與設置，如教務組織活動的某直播內容只允許某校區用戶觀看，用戶管理員將該內容權限流轉給教務管理員，教務管理員可以在個性化門戶中設置該視頻直播觀看允許的IP段，以及視頻錄制的公開屬性為限制性（允許的IP段具有權限）。

視頻云平臺數據中心通過身份認證與訪問授權來驗證智慧校園用戶的合法性，保障了智慧校園及系統、平臺、資源、信息的安全性。統一身份認證與授權由智慧校園項目構建，智慧校園視頻服務系統基于身份認證與訪問授權，建設自身的統一認證用戶與權限管理系統。

五、結束語

異地多校區分布式智慧校園視頻服務系統是可擴展、易升級、良性循環、動態共建共享的全局性、系統性視頻云平臺分布式架構。帶寬提升、優化的信息分發傳輸方案以及壓縮、編碼標準的統一，保證了視頻資源的質量與傳輸速度，保障了校園視頻服務的可持續發展?；谥腔坌@視頻服務系統，將大大提升教育教學、學術科研、思想政治、行政后勤的質量和效率，提升學校公共服務的水平。