CN103426336A - 高校教学资源数字化系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高校教学资源数字化系统，包括设置在教学楼内的前端教学录像装置，前端教学录像装置连接到网络交换机，网络交换机通过防火墙连接到校园网络中心，校园网络中心内设置有流媒体服务器、移动流媒体服务器、存储服务器、数据库服务器和Web服务器。高校教学资源数字化系统的使用方法，包括前端教学录像装置、流媒体服务器、移动流媒体服务器和Web服务器的软件模块的实现，前端教学录像装置自动录像流程，校内学生或教师远程直播或点播观看教学课堂服务流程等。本发明系统和方法可以全面管理前端教学录像装置的资源，形成分布式校内教学资源，将教务工作与教学资源完美整合，实现远程实时管理和维护。

Description

高校教学资源数字化系统及使用方法

技术领域

本发明涉及教学系统，特别是一种高校教学资源数字化系统、使用方法以及实现方法。

背景技术

当前高校在授课讲学花费的课时在整个本科教学中占有绝大多数比例，但是由于不同的师资力量，导致各个高校的教学水平和质量参差不齐。在同一所高校，经验丰富的教师授课，往往很多学生都选不上他的课，因为教室容量有限；被迫选择自己不喜欢的课或选择水平差一点的授课老师。此外，学生在课堂上并非全部都能听懂，但是上完课，再让老师重复讲一次也是不现实的。几十上百的听课学生，在课时不同时间点有不同的疑惑，这就造成老师必须花额外时间，为某上课没有听懂某部分的学生的进行答疑。很多老教授、甚至教学名师的课对学校来说都是宝贵的资源，但是学生听完也就结束了，无法让更多人同步享受这些课堂资源。

目前还没有一种教学系统，能够同时解决上课同步直播功能与课后点播和移动终端直播与点播同时服务的能力，也无法支持将学校现场授课实时转换为教育资源和盈利资源；针对这种情况本发明设计高校教学数字化系统可以一边把授课现场的音视频录制到设备自带的海量硬盘上，一边上传到网络中心的多媒体服务器上，同时支持校内学生可以凭借学号和密码，通过校园网登录远程教育多媒体服务器，查询远程教育终端网点，查到想看的终端后，直接打开同步直播，即可远程在线听课；校外人员可以到该学校对外教育机构办理在线教育学习卡，通过卡号和密码登录到网络中心的多媒体服务器上，查询到想学习的课程对应的终端，直接打开同步直播；如果已经授课完毕，可以直接点播已经录制好的课堂教学视频。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种同时解决同步直播功能，一边把授课现场的音视频录制到设备自带的海量硬盘上，一边上传到网络中心的多媒体服务器上；学生凭借学号和密码，通过校园网登录远程教育多媒体服务器，查询远程教育终端网点，查到想看的终端后，直接打开同步直播，为校内提供免费在线听课，为校外提供计时收费的在线听课，即综合远程教育在线听课的高校教学资源数字化系统、使用方法以及实现方法。

本发明提供的一种技术方案是，一种高校教学资源数字化系统，包括：设置在教学楼内的前端教学录像装置，前端教学录像装置连接到网络交换机，网络交换机通过防火墙连接到校园网络中心，校园网络中心内设置有流媒体服务器、移动流媒体服务器、存储服务器、数据库服务器和Web服务器；

其中，前端教学录像装置：是在教学楼的指定教室安装，采用以太网方式与校园网络中心的流媒体服务器通信，接受流媒体服务器的直接管理；

流媒体服务器：为配置在校园网络中心的用于前端教学录像装置管理和流媒体流量管理的软硬件服务器，其集中对校内和校外提供流媒体转播或点播服务；

移动流媒体服务器：主要负责从前端教学录像装置接收移动流媒体直播数据转换为移动流媒体格式存储，或从存储服务器读取高清录像数据重新编码和存储为移动流媒体格式；以供校外移动终端用户付费点播或直播课堂教学实况；

存储服务器：采用NAS服务器管理海量的磁盘阵列，将来自移动流媒体服务器或流媒体服务器转发过来媒体数据备份存储，以供随时被上述两个服务器在点播时读取；

数据库服务器：与学校现有的教学教务系统数据库同步，存储当前管理的前端教学录像装置的安装教室编号、维护人和维护电话、以及对应该教室的课程安排和授课老师等信息；对于校外人员的收费管理和校内学生和老师的帐号管理，以及在录像过程中直播和备份存储的时间数据都存放于此；

Web服务器：主要对外提供基于浏览器B/S架构的模式的服务，在校内或校外的任何人都可以通过Web服务方式直接登录校园网，根据不同的权限享受不同的服务内容。

进一步地，前端教学录像装置包括核心处理器，与核心处理器连接的SDRAM、FLASH存储器、红外接收头、蜂鸣器、FPGA高清数字转换接口、音频解码、光耦隔离、SATA总线接口和LED指示灯；FPGA高清数字转换接口连接CCD高清摄像头一和CCD高清摄像头二，音频解码连接麦克风，光耦隔离连接千兆网络芯片，SATA总线接口连接大容量硬盘。

更进一步地，核心处理器采用Hi3531芯片，音频解码采用PCM1800E芯片，红外接收头采用CHQ0038，千兆网络芯片采用RC82545EM。

本发明提供的第二种技术方案是，上述高校教学资源数字化系统的使用方法，包括以下步骤：

前端教学录像装置自动录像流程：

前端教学录像装置上电启动，连接校园网络中心的数据库服务器，连接成功后读取该终端对应教室的上课时间表，获取系统当前时间与课表比对，判断是否到了上课时间，是，则自动启动硬盘录像，启动实时网络多媒体传输服务，启动网络多媒体组播服务；判断是否到了下课时间，是，则停止硬盘录像和网络传输；

校内学生或教师远程直播观看教学课堂服务流程：

校内学生或老师在校园网直播方式观看教学实况时,先通过浏览器验证学号或工号、以及密码以登录校园网，通过教务系统查询某课程课时安排或某教师上课时间，查到对应教室，连接该教室安装的前端教学录像装置，判断是否连接成功，如成功则选择实时直播，检查是否为学生帐号、直播课程是否学生选修课、是否是校内IP登录、以及该时段是否存在直播课时，满足则加入前端教学录像装置的组播通道，接收来自前端教学录像装置传输的直播流媒体，直至直播结束；

校内学生或教师点播课堂教学服务流程:

校内学生或老师在校园网点播方式观看教学录像时,通过浏览器验证学号或工号、以及密码以登录校园网,通过教务系统查询某课程课时安排或某教师上课时间，查到对应教室，连接该教室安装的前端教学录像装置，判断是否连接成功，成功则选择课时点播，否则检查是否为学生帐号、点播课程是否学生选修课、以及是否校内IP登录，满足则读取该教室的课程录像列表，读取该教室的课程录像列表，选择其中录像启动点播，接收来自前端教学录像装置或流媒体服务器传输的音视频流播放直到点播结束；系统设定点播的人数限制，当点播人数超过上述人数极限，将其请求重定向到网络中心的流媒体服务器，由流媒体服务器读取备份的录像数据为点播者提供服务；启动媒体直播，开始计时，流媒体服务器将来自前端教学录像装置的直播媒体数据转发给登录的直播客户浏览器；学习卡剩余时间为零时，提示学习卡时间用完并自动退出；

校外人员远程直播课堂教学服务流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，选择观看对应课程的现场授课直播，启动媒体直播，开始计时，流媒体服务器将来自前端教学录像装置的直播媒体数据转发给登录的直播客户浏览器；学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出；

校外人员以点播方式观看教学录像流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，选择点播，接着查询该课程录像课时列表，选择列表上某课时录像，启动媒体点播，判断该课程是否以前点播过，点播过则从上次停播地方开始计时，播过的不计时；没点播过的开始播放，同步开始计时；接收音视频流数据播放，直到结束；学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出；

移动终端直播课堂教学软件服务流程：

通过平板电脑或智能手机客户端软件，验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器；连接成功后查询该课程录像课时列表，并且选择列表上某课时录像启动媒体直播，通知前端教学录像装置启动移动流媒体压缩编码，降低码流和帧率传输给移动流媒体服务器，重定向直播请求到移动流媒体服务器，并开始计时；判断是否重定向成功，成功则接收音视频流数据播放，直到直播结束；学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出；

移动终端点播课堂教学软件服务流程：

通过平板电脑或智能手机客户端软件，验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，连接成功后查询该课程录像课时列表，判断是否存储了对应课时的流媒体录像数据，是则选择列表上某课时录像启动媒体直播，通知前端教学录像装置启动移动流媒体压缩编码，降低码流和帧率传输给移动流媒体服务器，重定向直播请求到移动流媒体服务器，并开始计时；对于已经点播过的课时，不予计时，可重复观看；判断是否重定向成功，成功则接收音视频流数据播放，直到直播结束；学习卡剩余时间为零时，提示学习卡时间用完并自动退出；

授课评价服务流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录,校内人员通过浏览器验证学号/工号和密码登录,授课老师通过浏览器验证工号和密码登录；点播或直播观看课堂教学，在线发表评论，并给予本课时打分，在线查看所有评论和课时打分情况，最后关闭退出。

本发明提供的第三种技术方案是，上述高校教学资源数字化系统的实现方法，包括以下步骤：

前端教学录像软件实现：对于安装维护人员，通过浏览器输入设备等IP地址通过Http协议直接登录到前端教学录像装置，然后进行相关的业务模块的操作或参数配置；普通用户或管理用户登录时先登录Web服务器，再通过权限与身份认证和业务导航接入到前端教学录像装置；校园网管理人员操作视频采集编码配置、音频采集编码配置、网络配置、直播参数配置和点播参数配置，并对所有操作和设备运行状态都会进行日志记录；当前端教学录像装置启动时会自动调用课时同步功能，每隔一定时间会自动同步一次，保证在上课时自动启动硬盘录像将采集的音视频数据存储到本地硬盘，同时启动点播通道管理和组播通道管理模块，当有用户向该设备请求点播成功后，会创建一条点播通道委托给点播通道管理模块进行管理；当有用户向该设备请求直播成功后，如果没有任何组播通道，则会创建一条组播通道委托给组播通道管理模块进行管理，如果已经有组播通道则直接将该用户加入该组播组，同时通过网络传输模块与流媒体服务器建立链接，并将现场直播媒体数据传输到所述流媒体服务器；流媒体服务器会对该数据做备份；当移动流媒体服务器需要直播或点播数据时，与前端教学录像装置建立链接，前端教学录像装置通过其网络传输功能模块把媒体数据传输给所述移动流媒体服务器；

流媒体服务器软件实现：流媒体服务器端启动后先读取数据库服务器，加载在线用户列表、加载在线移动流媒体服务器地址映射列表、加载在线存储服务器地址映射列表和加载在线前端教学录像装置列表；校内，校外，移动终端用户通过所述Web服务器登录，进行身份认证，其网络通信采用链路数字加密、并通过反向地址查询获取用户的网络参数、根据用户服务请求，调用IP地址重定向，将用户服务请求重定向到所述前端教学录像装置或移动流媒体服务器；接着从数据库服务器读取登录用户信息、读取设备参数信息、读取服务器IP地址信息、读写多媒体资源信息、读取权限信息、读取教学课时信息放入内存数据缓冲池作为缓冲数据；用户通过权限与身份认证和业务导航进行点播或直播业务选择，在成功启动服务后，从Socket链接池获取播放网络链接，然后启用网络组播传输、网络转播传输、网络点播传输为用户提供流媒体服务；当前端教学录像装置成功与流媒体服务器建立连接并开始流媒体传输后，进行流媒体数据网络存储、流媒体数据格式化、流媒体文件读写，将流媒体数据备份在所述存储服务器，同时构建流媒体文件索引，以便于查询和播放；Web Service服务是为Web服务器端和校外移动终端提供统一的远程控制接口；流媒体服务器为用户提供流媒体服务时，启动将流媒体数据放入流媒体数据环形缓冲池，进行流量控制和流量统计与计时，实现面向用户直播与点播服务解决方案及流媒体数据存储，提供统一的远程课堂教学服务和内部业务调度；

移动流媒体服务器软件实现：所有用户都是先向流媒体服务器请求服务，然后经过流媒体服务器的业务导航，将移动流媒体请求进行流媒体服务重定向，转发给移动流媒体服务器；当移动流媒体服务器启动时，从数据库服务器读取登录用户信息、读取设备参数信息、读取服务器IP地址信息、读写多媒体资源信息、读取教学课时信息存入内存数据缓冲池；当有移动终端用户进行直播请求成功后，从Socket链接池获取播放网络链接，通知前端教学录像装置启动移动流媒体格式压缩流的网络传输，并接收前端教学录像装置传输的直播数据存入流媒体数据环形缓冲池，同时启动网络转播传输和网络转播传输，进行流量控制和流量统计与计时，面向移动终端用户提供点播或直播服务；当有移动终端用户进行点播请求成功后，从Socket链接池获取播放网络链接，查询存储服务器上是否有需要的移动流媒体格式的数据文件，如果有需要的数据文件，则直接读取移动流媒体数据存入流媒体数据环形缓冲池，同时启动网络点播传输，进行流量控制和流量统计与计时，面向移动终端用户提供点播或直播服务；如果没有需要的数据文件，则向流媒体服务器请求流媒体数据，然后进行移动流媒体数据格式化、流媒体数据解码、移动流媒体数据压缩、移动流媒体数据存储，产生新的移动流媒体格式数据文件备份到所述存储服务器上，同时启动网络点播传输，进行流量控制和流量统计与计时，面向移动终端用户提供点播或直播服务；

Web服务器软件实现：用户登录后提供身份认证、数字加密、反向地址查询，根据服务请求不同进行IP地址重定向；管理人员通过权限与身份认证和业务导航进行设备管理、课时管理、用户管理、权限设置以及日志管理；当用户根据授课资源查询获取需要的点播或直播服务的课时信息后，选择课时点播或课时直播、在线评论与交流功能服务；对于成功登录的用户提供学时计费与充值、个人账户管理的功能，根据需要对教师、校内学生以及校外用户设置其流媒体不同的专业限制或/和学习卡时间限制。

本发明高校教学资源数字化系统具有以下有益效果：

1）全面管理前端教学录像装置的资源，形成分布式校内教学资源，将教务工作与教学资源完美整合，实现远程实时管理和维护。

2）支持校内学生或教师远程通过该系统直播方式观看安装了前端教学录像装置的教室的教学课堂实况录像，对于无法到达授课现场的学生可远程上课，对想观摩教学的老师都是无需占用学生座位，也不会给授课老师增加心里压力，完全在其未知情况下听其自然授课的过程。

3）支持校内学生或教师远程通过该系统点播方式观看安装了前端教学录像装置的教室的教学课堂授课录像，对于错过上课的学生可重新随时补课，对于上过课但是想回顾中间某个细节内容增加理解的情况，无需抽时间去问老师，可随时重复听课复习，减轻教师答疑压力；对想交流教学经验的老师或教务处评价授课质量的工作人员，也都可以在空闲时间观看授课实况录像。

4）支持以点播或直播方式供校外社会学习人员远程听课，高校的教学资源随着老师走下讲台，就浪费了，尤其对于著名高校的资深教授的课，更是极其宝贵的资源，通过本系统可将其全部授课过程自动收录为教学资源，一方面公开给社会人员学习，一方面也通过计时收费，为学校增加额外经济效益，鼓励学校更多投入先进的教学硬件设施。

5）支持以点播或直播方式供校外社会学习人员采用移动终端（平板电脑或智能手机）远程听课，方面社会人员在坐车，等车，休闲等零碎时间利用起来学习著名高校的知名教师的精品课程，这个学习比起看杂志或报纸消磨时间要有意义的多。

6）本系统与教学教务系统对接，支持观看直播或点播课堂教学内容后给予多项指标的评分和评论，与其绑定的评分和评论都存存在学校教务系统中，供授课老师课后查看，改进上课方式或内容。授课老师也可在线对评论回复，在线解答，形成线上线下良性互动。

7）高校中知名教授的公选课，由于教室容量限制，所以也限制了学生了报名的数量；采用本系统，学生完全可以不受名额限制，只要报名即可到教室现场听课，也可以在宿舍进行网络远程直播方式听课，这样就节省了师资力量，减少教室分配压力。因病假或事假无法按时听课的学生，也完全可以在课后点播方式补课，无需再找老师另外辅导。

下面通过附图和实施案例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2为本发明中的系统前端教学录像装置结构示意图；

图3为前端教学录像装置软件模块图；

图4为流媒体服务器软件功能实现模块图；

图5为移动流媒体服务器软件实现模块图；

图6为Web服务器软件实现模块图；

图7为前端教学录像装置自动录像流程；

图8为校内学生或教师远程直播观看教学课堂服务流程；

图9为校内学生或教师点播课堂教学服务流程；

图10为校外人员远程直播课堂教学服务流程；

图11为校外人员以点播方式观看教学录像流程；

图12为移动终端直播课堂教学软件服务流程；

图13为移动终端点播课堂教学软件服务流程；

图14为授课评价服务流程。

附图标记说明:

具体实施方式

如图1所示，本发明高校教学资源数字化系统包含设置在教学楼10内的前端教学录像装置9，前端教学录像装置9连接到网络交换机11，网络交换机11通过防火墙13连接到校园网络中心19，校园网络中心19内设置有流媒体服务器17、移动流媒体服务器16、存储服务器18、数据库服务器15和Web服务器14。

前端教学录像装置9：是在各个教学楼10的指定教室安装，采用以太网方式与校园网络中心19的流媒体服务器17通信，接收流媒体服务器17的直接管理。

流媒体服务器17：在校园网络中心19配置的一台前端教学录像装置管理和流媒体流量管理的软硬件服务器，它集中对校内和校外提供流媒体转播或点播服务。

移动流媒体服务器16：主要负责从前端教学录像装置9接收移动流媒体直播数据存储为移动流媒体格式，或从存储服务器18读取高清录像数据重新编码和存储为移动流媒体格式；以供校外移动终端用户付费点播或直播课堂教学实况。

存储服务器18：采用NAS服务器管理海量的磁盘阵列，将来自移动流媒体服务器16或流媒体服务器17转发过来媒体数据备份存储。以供随时被两个服务器在点播时读取。

数据库服务器15：可以教学教务系统数据库同步，存储当前管理的前端教学录像装置的安装位置（教室编号），维护人，维护电话；还有对应该教室的课程安排和授课老师等信息。对于校外人员的收费管理和校内学生和老师的帐号管理，以及在录像过程中，直播和备份存储的时间等数据都存放于数据库服务器15。

Web服务器14：主要对外提供基于浏览器B/S架构的（客户端/服务器）模式的服务。在校内或校外的任何人都可以通过Web服务方式直接登录校园网，根据不同的权限享受不同的服务内容。对于浏览器方式远程直播或点播观看课堂教学可以配套的播放器插件，这个在浏览器登录时会自动检测，如果没有安装该插件，即可提示自动下载安装。

校外移动终端1发送无线信号到移动基站2，移动基站2透过移动网关3，连接到Internet网络8，再通过防火墙13连接到校园网络中心19，对课程进行访问。校外PC机6和校外笔记本7连接到路由器5，路由器5连接ADSL调制解调器4到Internet网络8，再通过防火墙13连接到校园网络中心19，对课程进行访问。

校园局域网12内连接有校内PC机21和校内笔记本20，校园局域网12通过防火墙13连接到校园网络中心19，对课程进行访问。

如图2所示，前端教学录像装置9包括核心处理器35，与核心处理器35连接的SDRAM31、FLASH存储器32、红外接收头33、蜂鸣器34、FPGA高清数字转换接口36、音频解码39、光耦隔离41、SATA总线接口42和LED指示灯45；FPGA高清数字转换接口36连接CCD高清摄像头一37和CCD高清摄像头二38，音频解码39连接麦克风40，光耦隔离41连接千兆网络芯片43，SATA总线接口42连接大容量硬盘44。

前端教学录像装置9将CCD高清摄像头一37和CCD高清摄像头二38的模拟信号通过FPGA高清数字转换接口36转换为数字视频数据输入到核心处理器35压缩为H.264视频数据。通过麦克风40采集的模拟音频信号经音频解码39转换为数字音频数据输入到核心处理器35压缩为MP3音频数据。音视频数据压缩后再编码为TS媒体流，最后通过SATA总线42接口写入大容量硬盘44备份存储，并同步网络远程传输到校园网络中心的流媒体服务器上。

核心处理器35采用Hi3531芯片（内置ARM9处理器和DSP视频编解码模块），该芯片是海思公司推出的一款基于H.264BP算法的视频压缩芯片，该芯片内置强大的高性能双核A9处理器、高达5路1080P实时多协议编解码能力的引擎和专用TOE网络加速模块，可轻松应对越来越高的高清应用和网络需求；集成优异的视频前后处理和编解码算法、结合多路高清显示输出能力，能充分满足客户产品的高质量图像体验。可实现高清画质的实时编码性能，能自适应各种网络环境，确保画面的清晰度和实时性，低码率的H.264编码技术极大减少存储空间。由于Hi3531内置双核ARM处理器，节约成本，本系统采用其内置的Linux操作系统完成整个音视频采集、编码、压缩、存储以及网络传输等功能。

CCD高清摄像头一37：主要将焦距对准讲台，拍摄教师在黑板或多媒体投影屏幕上的教学内容。

CCD高清摄像头二38：主要采用广角镜头，从教室最后排拍摄整个教室场景。可以将教学现场拍摄下来。

FPGA高清数字转换接口36：将来自CCD高清摄像头一37和CCD高清摄像头二38的1280*720尺寸的视频快速转换为数字信号送入Hi3531压缩为H.264视频流，FPGA支持PAL和NTSL两种制式的数字采集频率，每次视频采集算一个视频帧，压缩为H.264编码格式后，再由Hi3531内置的ARM处理器将该视频帧封包为TS视频流数据，最后存储到本地硬盘，同时向流媒体服务器传输，作为服务器备份。

音频解码39采用PCM1800E芯片：PCM1800E芯片将来自麦克风的声音模拟信号转换为数字信号，送入Hi3531压缩为MP3音频流或AAC音频流。

SATA总线接口42：由于嵌入式Linux对于光驱的控制统一经过SATA总线（比IDE速率更高），Linux系统会自动识别挂载为块存储设备。

红外接收头33采用CHQ0038：接收来自遥控器的红外遥控指令，该接收头接收室内不超过10米范围的遥控指令。

Flash存储器32：用于将装置的网络参数和配置参数之久保存，当上电复位的时候，既读取出来初始化主板。

千兆网络芯片43采用RC82545EM：可以实现以太网100M/1000M自适应网络连接的物理接口。它与Hi3531必须以变压器（光电耦合）隔离保证电路安全，免受瞬间电压电流冲击。对于高清音视频流数据，通信带宽建议在1000Mbps，否则大量高清媒体流数据传输容易被阻塞。

在指定的教室安装上前端教学录像装置9，尽量把经验丰富的老师、教学名师或老教授的课安排到该教室，该教室上课开始，就自动启动同步直播功能，一边把授课现场的音视频录制到设备自带的海量硬盘上，一边上传到网络中心的多媒体服务器上。校内学生可以凭借学号和密码，通过校园网登录远程教育多媒体服务器，查询远程教育终端网点，查到想看的终端后，直接打开同步直播，即可在线听课。校外人员可以到该学校对外教育机构办理在线教育学习卡，通过卡号和密码登录到网络中心的多媒体服务器上，查询到想学习的课程对应的终端，直接打开同步直播；如果已经授课完毕，可以直接点播已经录制好的教学视频。

前端教学录像软件实现如图3，对于安装维护人员，可以通过浏览器输入设备等IP地址通过Http协议直接登录到前端教学录像装置9，然后进行相关的业务模块的操作或参数配置。由于普通用户或管理用户登录时不知道设备IP地址，必须先登录Web服务器14后，通过权限与身份认证50和业务导航51接入到前端教学录像装置9，如果是校园网管理人员，则可以操作视频采集编码配置54、音频采集编码配置55、网络配置56、直播参数配置57、点播参数配置58等功能参数配置，并对所有操作和设备运行状态都会进行日志记录，以备日后出现问题，管理人员可以调用日志记录查询61功能查找问题原因；当前端教学录像装置9启动时会自动调用课时同步62功能，每隔1分钟会自动同步一次，保证在上课时自动启动硬盘录像53将采集的音视频数据存储到本地硬盘，同时启动点播通道管理59和组播通道管理60模块，当有用户向该设备请求点播成功后，会创建一条点播通道委托给点播通道管理59模块进行管理；当有用户向该设备请求直播成功后，如果没有任何组播通道，则会创建一条组播通道委托给组播通道管理60模块进行管理，如果已经有组播通道则直接将该用户加入该组播组，同时通过网络传输52模块与流媒体服务器17建立链接，并将现场直播媒体数据传输到流媒体服务器17；流媒体服务器17会对该数据做备份；当移动流媒体服务器16需要直播或点播数据时，会与前端教学录像装置9建立链接，前端教学录像装置9通过其网络传输52功能模块把媒体数据传输给移动流媒体服务器16。前端教学录像装置9主要功能是采集教室现场的音视频数据，本地存储到海量硬盘上，并为校内用户提供直播或点播服务；支持流媒体服务器17和移动流媒体服务器16的媒体请求服务（备份流媒体数据到存储服务器18，并为校外用户提供转播服务），并提供基于网络的远程配置功能。

流媒体服务器软件实现如图4，流媒体服务器17端启动后先读取数据库服务器15，加载在线用户列表63、加载在线移动流媒体服务器地址映射列表64、加载在线存储服务器地址映射列表65和加载在线前端教学录像装置列表66；校内，校外用户通过Web服务器14登录（移动终端通过移动客户端软件登录），进行身份认证67，其网络通信采用链路数字加密68、并通过反向地址查询69获取用户的网络参数、根据用户服务请求，调用IP地址重定向70，将用户服务请求重定向到前端教学录像装置9或移动流媒体服务器16；接着从数据库服务器15读取登录用户信息71、读取设备参数信息72、读取服务器IP地址信息73、读写多媒体资源信息74、读取权限信息75、读取教学课时信息76放入内存数据缓冲池87作为缓冲数据；用户通过权限与身份认证50和业务导航51进行点播或直播业务选择，在成功启动服务后，从Socket链接池86获取播放网络链接，然后启用网络组播传输83、网络转播传输84、网络点播传输85为用户提供流媒体服务；当前端教学录像装置9成功与流媒体服务器17建立连接并开始流媒体传输后，进行流媒体数据网络存储79、流媒体数据格式化80、流媒体文件读写81，将流媒体数据备份在存储服务器18，同时构建流媒体文件索引，以便于查询和播放；WebService服务82是为Web服务器端14和校外移动终端1提供统一的远程控制接口；流媒体服务器17为用户提供流媒体服务时，会启动将流媒体数据放入流媒体数据环形缓冲池88，进行流量控制89和流量统计与计时90，实现面向用户直播与点播服务解决方案及流媒体数据存储91，提供统一的远程课堂教学服务和内部业务调度。

移动流媒体服务器软件实现如图5，其主要功能是为移动终端用户提供身份认证后，先链接到流媒体服务器获取相关媒体信息，然后提供适合移动终端播放的流媒体数据服务。所有用户都是必须先向流媒体服务器17请求服务，然后经过流媒体服务器17的业务导航，将移动流媒体请求进行流媒体服务重定向100，转发给移动流媒体服务器16；当移动流媒体服务器16启动时，从数据库服务器15读取登录用户信息71、读取设备参数信息72、读取服务器IP地址信息73、读写多媒体资源信息74、读取教学课时信息76存入内存数据缓冲池87；当有移动终端用户进行直播请求成功后，从Socket链接池86获取播放网络链接，通知前端教学录像装置9启动移动流媒体格式压缩流的网络传输，并接收前端教学录像装置9传输的直播数据存入流媒体数据环形缓冲池88，同时启动网络转播传输83和网络转播传输84，进行流量控制89和流量统计与计时90，面向移动终端用户提供点播或直播服务105；当有移动终端用户进行点播请求成功后，从Socket链接池86获取播放网络链接，查询存储如服务器18上是否有需要的移动流媒体格式的数据文件，如果有需要的数据文件，则直接读取移动流媒体数据存入流媒体数据环形缓冲池88，同时启动网络点播传输85，进行流量控制89和流量统计与计时90，面向移动终端用户提供点播或直播服务105；如果没有需要的数据文件，则向流媒体服务器17请求流媒体数据，然后进行移动流媒体数据格式化101、流媒体数据解码102、移动流媒体数据压缩103、移动流媒体数据存储104，产生新的移动流媒体格式数据文件备份到存储如服务器18上，同时启动网络点播传输85，进行流量控制89和流量统计与计时90，面向移动终端用户提供点播或直播服务105。

Web服务器软件实现如图6，其主要功能是为校内和校外用户提供统一的基于浏览器操作界面，支持管理人员进行远程浏览器登录后，进行业务管理，参数配置；支持校内人员、授课教师和校外人员进行远程浏览器登录后在线交流，流媒体点播或直播服务等功能。用户登录后提供身份认证67、数字加密68、反向地址查询69，根据服务请求不同进行IP地址重定向70；对于管理人员可以通过权限与身份认证50和业务导航51进行设备管理106、课时管理107、用户管理108、权限设置109、日志管理110；当用户根据授课资源查询113获取需要的点播或直播服务的课时信息后，可以选择课时点播111或课时直播112、在线评论与交流114功能服务；对于成功登录的用户提供学时计费与充值115、个人账户管理116的功能，对于校内教师基本不限制其流媒体服务，对于校内学生用户则会根据其专业进行限制，对于校外用户则根据其办理学习卡的时间和对于的专业课进行限制。

如图7所示，前端教学录像装置9自动录像流程：

通过教务处教学系统，安排了某教室课时，该教室的前端教学录像装置9会每隔1分钟自动同步一次。并自动根据上课下课时间执行录像，全自动无需干涉。

前端教学录像装置9上电启动，连接校园网络中心19的数据库服务器15，连接成功后读取该终端对应教室的上课时间表，获取系统当前时间与课表比对，判断是否到了上课时间，如果到了上课时间则启动硬盘录像，启动实时网络多媒体传输通道，启动网络多媒体组播通道；判断是否到了下课时间。如果到了则停止硬盘录像和网络传输。

如图8所示，校内学生或教师远程直播观看教学课堂服务流程：

校内学生或老师在校园网直播方式观看教学实况时,必须先通过浏览器验证学号/工号和密码登录校园网，通过教务系统查询某课程课时安排或某教师上课时间，查到对应的教室，连接该教室安装的前端教学录像装置9，判断是否连接成功，如成功则选择实时直播，检查是否学生帐号，如果是学生账号则检查直播课程是否学生选修课，并且检查是否校内IP登录，验证该时段是否存在直播课时，如果都通过则加入前端教学录像装置的组播通道，接收来自前端教学录像装置传输的直播流媒体，直到直播结束。

如图9所示，校内学生或教师点播课堂教学服务流程:

校内学生或老师在校园网点播方式观看教学录像时,通过浏览器验证学号/工号和密码登录校园网,通过教务系统查询某课程课时安排或某教师上课时间，查到对应的教室，连接该教室安装的前端教学录像装置9，判断是否连接成功，成功则选择课时点播，判断点播人数超过上限则重定向点播请求到流媒体服务器，否则检查是否学生帐号，检查点播课程是否学生选修课，以及检查是否校内IP登录，符合要求则读取该教室的课程录像列表，读取该教室的课程录像列表，选择其中录像启动点播，接收来自前端教学录像装置或流媒体服务器传输的音视频流播放直到点播结束。如果不是校内IP地址登录，则拒绝提供服务，如果是学生帐号，但是没有选修该课程也是会被拒绝的，对于老师帐号在校内就没有任何限制，老师可以点播观看任何其他老师的授课。由于网络流量限制和装置本身硬件能力限制，同时点播的人数一般不能超过50人。当点播人数超过前端教学装置允许的极限，就将其请求重定向到网络中心的流媒体服务器17，由流媒体服务器17读取备份的录像数据为点播者提供服务。

启动媒体直播，开始计时，流媒体服务器17将来自前端教学录像装置9的直播媒体数据转发给登录的直播客户浏览器；直播结束后关闭退出。学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出。

如图10所示，校外人员远程直播课堂教学服务流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，选择观看对应课程的现场授课直播，

启动媒体直播，开始计时，流媒体服务器17将来自前端教学录像装置9的直播媒体数据转发给登录的直播客户浏览器；直播结束后关闭退出。学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出。

如图11所示，校外人员以点播方式观看教学录像流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，选择点播，接着查询该课程录像课时列表，选择列表上某课时录像，启动媒体点播，判断该课程是否以前点播过，点播过则从上次停播地方开始计时，播过的不计时；没点播过的开始播放，同步开始计时；接收音视频流数据播放，直到结束。学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出。

如图12所示，移动终端直播课堂教学软件服务流程：

通过平板电脑或智能手机客户端软件，验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器。连接成功后查询该课程录像课时列表，并且选择列表上某课时录像启动媒体直播，通知前端教学录像装置9启动移动流媒体压缩编码，降低码流和帧率(16fps)传输给移动流媒体服务器16，重定向直播请求到移动流媒体服务器16，并开始计时。判断是否重定向成功，成功则接收音视频流数据播放，直到直播结束。学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出。

如图13所示移动终端点播课堂教学软件服务流程：

通过平板电脑或智能手机客户端软件，验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器。连接成功后查询该课程录像课时列表，判断是否存储了对应课时的流媒体录像数据，是则选择列表上某课时录像启动媒体直播，通知前端教学录像装置9启动移动流媒体压缩编码，降低码流和帧率(16fps)传输给移动流媒体服务器16，重定向直播请求到移动流媒体服务器16，并开始计时。判断是否重定向成功，成功则接收音视频流数据播放，直到直播结束。学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出。

如图14所示授课评价服务流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录,校内人员通过浏览器验证学号/工号和密码登录,授课老师通过浏览器验证工号和密码登录；点播或直播观看课堂教学，在线发表评论，并给予本课时打分，在线查看所有评论和课时打分情况，最后关闭退出。教务处或授课老师都可以随时查看评论，一方面在多方关注和督促下会产生一定的压力，有利于授课老师改进授课方式或质量；另一方面，授课老师可以多听取听课者的建议，听课者之间也可以实现在线交流，有利于促进教学内容的深刻理解。最后对评价完毕，可对多项教学指标进行打分（每项20分），其指标可以分为以下5个方面：

1、授课的概念准确、思路清晰、重点突出、难点讲透；

2、启发思维、培养学生分析、解决问题能力和创新精神；

3、激发学生学习兴趣、师生双向交流、课堂气氛活跃；

4、讲普通话、声音洪亮、语速适中、表达流畅、不照本宣科；

5、板书规整、画图准确、布局合理、恰当使用教学媒体和教具。

Claims (5)

1.一种高校教学资源数字化系统,其特征在于包括：设置在教学楼内的前端教学录像装置，所述前端教学录像装置连接到网络交换机，所述网络交换机通过防火墙连接到校园网络中心，所述校园网络中心内设置有流媒体服务器、移动流媒体服务器、存储服务器、数据库服务器和Web服务器；

其中，所述前端教学录像装置：是在教学楼的指定教室安装，采用以太网方式与校园网络中心的流媒体服务器通信，接受流媒体服务器的直接管理；

所述流媒体服务器：为配置在所述校园网络中心的用于前端教学录像装置管理和流媒体流量管理的软硬件服务器，其集中对校内和校外提供流媒体转播或点播服务；

所述移动流媒体服务器：主要负责从所述前端教学录像装置接收移动流媒体直播数据转换为移动流媒体格式存储，或从所述存储服务器读取高清录像数据重新编码和存储为移动流媒体格式；以供校外移动终端用户付费点播或直播课堂教学实况；

所述存储服务器：采用NAS服务器管理海量的磁盘阵列，将来自所述移动流媒体服务器或所述流媒体服务器转发过来媒体数据备份存储，以供随时被上述两个服务器在点播时读取；

所述数据库服务器：与学校现有的教学教务系统数据库同步，存储当前管理的所述前端教学录像装置的安装教室编号、维护人和维护电话、以及对应该教室的课程安排和授课老师等信息；对于校外人员的收费管理和校内学生和老师的帐号管理，以及在录像过程中直播和备份存储的时间数据都存放于此；

所述Web服务器：主要对外提供基于浏览器B/S架构的模式的服务，在校内或校外的任何人都可以通过Web服务方式直接登录校园网，根据不同的权限享受不同的服务内容。

2.根据权利要求1所述的高校教学资源数字化系统，其特征在于所述前端教学录像装置包括核心处理器，与所述核心处理器连接的SDRAM、FLASH存储器、红外接收头、蜂鸣器、FPGA高清数字转换接口、音频解码、光耦隔离、SATA总线接口和LED指示灯；所述FPGA高清数字转换接口连接CCD高清摄像头一和CCD高清摄像头二，所述音频解码连接麦克风，所述光耦隔离连接千兆网络芯片，所述SATA总线接口连接大容量硬盘。

3.根据权利要求2所述的高校教学资源数字化系统，其特征在于所述核心处理器采用Hi3531芯片，所述音频解码采用PCM1800E芯片，所述红外接收头采用CHQ0038，所述千兆网络芯片采用RC82545EM。

4.如权利要求1、2或3所述高校教学资源数字化系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

前端教学录像装置自动录像流程：

前端教学录像装置上电启动，连接所述校园网络中心的数据库服务器，连接成功后读取该终端对应教室的上课时间表，获取系统当前时间与课表比对，判断是否到了上课时间，是，则自动启动硬盘录像，启动实时网络多媒体传输服务，启动网络多媒体组播服务；判断是否到了下课时间，是，则停止硬盘录像和网络传输；

校内学生或教师远程直播观看教学课堂服务流程：

校内学生或老师在校园网直播方式观看教学实况时,先通过浏览器验证学号或工号、以及密码以登录校园网，通过教务系统查询某课程课时安排或某教师上课时间，查到对应教室，连接该教室安装的前端教学录像装置，判断是否连接成功，如成功则选择实时直播，检查是否为学生帐号、直播课程是否学生选修课、是否是校内IP登录、以及该时段是否存在直播课时，满足则加入前端教学录像装置的组播通道，接收来自前端教学录像装置传输的直播流媒体，直至直播结束；

校内学生或教师点播课堂教学服务流程:

校内学生或老师在校园网点播方式观看教学录像时,通过浏览器验证学号或工号、以及密码以登录校园网,通过教务系统查询某课程课时安排或某教师上课时间，查到对应教室，连接该教室安装的前端教学录像装置，判断是否连接成功，成功则选择课时点播，否则检查是否为学生帐号、点播课程是否学生选修课、以及是否校内IP登录，满足则读取该教室的课程录像列表，读取该教室的课程录像列表，选择其中录像启动点播，接收来自前端教学录像装置或流媒体服务器传输的音视频流播放直到点播结束；系统设定点播的人数限制，当点播人数超过上述人数极限，将其请求重定向到网络中心的流媒体服务器，由流媒体服务器读取备份的录像数据为点播者提供服务；启动媒体直播，开始计时，流媒体服务器将来自前端教学录像装置的直播媒体数据转发给登录的直播客户浏览器；学习卡剩余时间为零时，提示学习卡时间用完并自动退出；

校外人员远程直播课堂教学服务流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，选择观看对应课程的现场授课直播，启动媒体直播，开始计时，流媒体服务器将来自前端教学录像装置的直播媒体数据转发给登录的直播客户浏览器；学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出；

校外人员以点播方式观看教学录像流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，选择点播，接着查询该课程录像课时列表，选择列表上某课时录像，启动媒体点播，判断该课程是否以前点播过，点播过则从上次停播地方开始计时，播过的不计时；没点播过的开始播放，同步开始计时；接收音视频流数据播放，直到结束；学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出；

移动终端直播课堂教学软件服务流程：

通过平板电脑或智能手机客户端软件，验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器；连接成功后查询该课程录像课时列表，并且选择列表上某课时录像启动媒体直播，通知前端教学录像装置启动移动流媒体压缩编码，降低码流和帧率传输给移动流媒体服务器，重定向直播请求到移动流媒体服务器，并开始计时；判断是否重定向成功，成功则接收音视频流数据播放，直到直播结束；学习卡剩余时间为零时提示学习卡时间用完并自动退出；

移动终端点播课堂教学软件服务流程：

通过平板电脑或智能手机客户端软件，验证学习卡和密码登录校园网，查询学习卡对应的课程时间表，连接流媒体服务器，连接成功后查询该课程录像课时列表，判断是否存储了对应课时的流媒体录像数据，是则选择列表上某课时录像启动媒体直播，通知前端教学录像装置启动移动流媒体压缩编码，降低码流和帧率传输给移动流媒体服务器，重定向直播请求到移动流媒体服务器，并开始计时；对于已经点播过的课时，不予计时，可重复观看；判断是否重定向成功，成功则接收音视频流数据播放，直到直播结束；学习卡剩余时间为零时，提示学习卡时间用完并自动退出；

授课评价服务流程：

校外人员通过浏览器验证学习卡和密码登录,校内人员通过浏览器验证学号/工号和密码登录,授课老师通过浏览器验证工号和密码登录；点播或直播观看课堂教学，在线发表评论，并给予本课时打分，在线查看所有评论和课时打分情况，最后关闭退出。

5.如权利要求1、2或3所述高校教学资源数字化系统的实现方法，其特征在于包括以下步骤：

前端教学录像软件实现：对于安装维护人员，通过浏览器输入设备等IP地址通过Http协议直接登录到所述前端教学录像装置，然后进行相关的业务模块的操作或参数配置；普通用户或管理用户登录时先登录所述Web服务器，再通过权限与身份认证和业务导航接入到所述前端教学录像装置；校园网管理人员操作视频采集编码配置、音频采集编码配置、网络配置、直播参数配置和点播参数配置，并对所有操作和设备运行状态都会进行日志记录；当所述前端教学录像装置启动时会自动调用课时同步功能，每隔一定时间会自动同步一次，保证在上课时自动启动硬盘录像将采集的音视频数据存储到本地硬盘，同时启动点播通道管理和组播通道管理模块，当有用户向该设备请求点播成功后，会创建一条点播通道委托给点播通道管理模块进行管理；当有用户向该设备请求直播成功后，如果没有任何组播通道，则会创建一条组播通道委托给组播通道管理模块进行管理，如果已经有组播通道则直接将该用户加入该组播组，同时通过网络传输模块与所述流媒体服务器建立链接，并将现场直播媒体数据传输到所述流媒体服务器；所述流媒体服务器会对该数据做备份；当所述移动流媒体服务器需要直播或点播数据时，与所述前端教学录像装置建立链接，所述前端教学录像装置通过其网络传输功能模块把媒体数据传输给所述移动流媒体服务器；

流媒体服务器软件实现：所述流媒体服务器端启动后先读取所述数据库服务器，加载在线用户列表、加载在线移动流媒体服务器地址映射列表、加载在线存储服务器地址映射列表和加载在线前端教学录像装置列表；校内，校外，移动终端用户通过所述Web服务器登录，进行身份认证，其网络通信采用链路数字加密、并通过反向地址查询获取用户的网络参数、根据用户服务请求，调用IP地址重定向，将用户服务请求重定向到所述前端教学录像装置或移动流媒体服务器；接着从所述数据库服务器读取登录用户信息、读取设备参数信息、读取服务器IP地址信息、读写多媒体资源信息、读取权限信息、读取教学课时信息放入内存数据缓冲池作为缓冲数据；用户通过权限与身份认证和业务导航进行点播或直播业务选择，在成功启动服务后，从Socket链接池获取播放网络链接，然后启用网络组播传输、网络转播传输、网络点播传输为用户提供流媒体服务；当所述前端教学录像装置成功与所述流媒体服务器建立连接并开始流媒体传输后，进行流媒体数据网络存储、流媒体数据格式化、流媒体文件读写，将流媒体数据备份在所述存储服务器，同时构建流媒体文件索引，以便于查询和播放；Web Service服务是为所述Web服务器端和校外移动终端提供统一的远程控制接口；所述流媒体服务器为用户提供流媒体服务时，启动将流媒体数据放入流媒体数据环形缓冲池，进行流量控制和流量统计与计时，实现面向用户直播与点播服务解决方案及流媒体数据存储，提供统一的远程课堂教学服务和内部业务调度；

移动流媒体服务器软件实现：所有用户都是先向所述流媒体服务器请求服务，然后经过所述流媒体服务器的业务导航，将移动流媒体请求进行流媒体服务重定向，转发给所述移动流媒体服务器；当所述移动流媒体服务器启动时，从所述数据库服务器读取登录用户信息、读取设备参数信息、读取服务器IP地址信息、读写多媒体资源信息、读取教学课时信息存入内存数据缓冲池；当有移动终端用户进行直播请求成功后，从Socket链接池获取播放网络链接，通知所述前端教学录像装置启动移动流媒体格式压缩流的网络传输，并接收所述前端教学录像装置传输的直播数据存入流媒体数据环形缓冲池，同时启动网络转播传输和网络转播传输，进行流量控制和流量统计与计时，面向移动终端用户提供点播或直播服务；当有移动终端用户进行点播请求成功后，从Socket链接池获取播放网络链接，查询所述存储服务器上是否有需要的移动流媒体格式的数据文件，如果有需要的数据文件，则直接读取移动流媒体数据存入流媒体数据环形缓冲池，同时启动网络点播传输，进行流量控制和流量统计与计时，面向移动终端用户提供点播或直播服务；如果没有需要的数据文件，则向所述流媒体服务器请求流媒体数据，然后进行移动流媒体数据格式化、流媒体数据解码、移动流媒体数据压缩、移动流媒体数据存储，产生新的移动流媒体格式数据文件备份到所述存储服务器上，同时启动网络点播传输，进行流量控制和流量统计与计时，面向移动终端用户提供点播或直播服务；

Web服务器软件实现：用户登录后提供身份认证、数字加密、反向地址查询，根据服务请求不同进行IP地址重定向；管理人员通过权限与身份认证和业务导航进行设备管理、课时管理、用户管理、权限设置以及日志管理；当用户根据授课资源查询获取需要的点播或直播服务的课时信息后，选择课时点播或课时直播、在线评论与交流功能服务；对于成功登录的用户提供学时计费与充值、个人账户管理的功能，根据需要对教师、校内学生以及校外用户设置其流媒体不同的专业限制或/和学习卡时间限制。

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