GUO Qiang,SHANG Qun,FU Zhongnan,et al.Network video technologies and applications in education and research[J].Journal of Shenzhen University Science and Engineering,2020,37(Suppl.1):190-193.[doi:10.3724/SP.J.1249.2020.99190]
北京大学计算中心,北京100871
Computer Center, Peking University, Beijing 100871, P.R.China
network; video technologies; session initiation protocol(SIP); H.323 protocol; real time message protocol(RTMP); network device interface(NDI)
DOI: 10.3724/SP.J.1249.2020.99190
备注
新型冠状病毒肺炎疫情改变了人们的生活方式,迫使人们必须保持一定的社交距离甚至互相隔离.教育科研作为传统的需要人员聚集的活动,受到了很大的冲击.线上教育成为疫情期间教育科研的主要方式,这些方式普遍依赖网络视频技术.教育科研的场景五花八门,网络视频技术亦种类繁多.对不同的教育科研场景进行了合理的归纳分类,并采用最合适的网络视频技术为这些教育科研活动的线上进行提供了解决方案.
The COVID-19 pandemic changes the mode of life, and forces people to keep social distance or even separate from each other. Education and research, as a type of activities that usually needs many people gather at the same space, need network video technologies to keep participants separating from each other. In this paper, we analyze three different types of education and research activities, and try to give the appropriate solutions of the network video technologies for each particular activity.
引言
突如其来的新型冠状病毒肺炎(简称新冠肺炎)疫情迫使人们必须保持一定的社交距离甚至互相隔离,极大改变了人们的工作和生活方式.一些传统的人员密集型活动被迫采用网络视频方式进行,包括教学和科研活动.教学和科研活动种类繁多,有的侧重实时交互,有的侧重广泛传播,还有个别学科的授课方式要求利用板书的过程训练学生的思维过程.如何为各种各样的教学和科研活动选择合适的网络视频技术和实现方式,是学校信息化工作者在疫情期间甚至后疫情时代保证教学科研工作正常有序开展的首要任务.本研究分别阐述了3种不同类型的教学科研场景及对应的网络视频技术,指出各自存在的问题,并对未来工作进行展望.
1 小规模专业课教学
小规模的专业课教学主要包括专业课程教学和实验室课题组讨论等十几到几十人参与的教学科研活动,该类活动的参与者往往需要大量的互动和讨论.为保证教学效果,在线上进行此类教学科研活动时,参与者希望能够营造出面对面的感觉,如实时看到其他参与者并能随时进行讨论.因此,此类教学科研对视频教学平台的主要要求是高清、实时和稳定.在当前的技术条件下,通常采用专用的视频会议硬件终端来支持此类教学科研活动在线上进行.专用的视频会议硬件终端目前被广泛应用在医疗[1]和演艺[2]等领域,比较成熟的商业产品包括思科、宝利通、华为等厂家推出的多种型号,这些产品通常基于会话初始协议(session initiation protocol, SIP)实现1 080 P高清视频会议.
1.1 SIP协议概述1996年,Jonathan ROSENBERG等提出SIP并在RFC2543中完成了标准化.2002年,互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force, IETF)在RFC3261中重新定义了该协议.SIP协议主要功能是在两个终端之间建立和释放实时通讯会话[3],主要解决两个问题[4]:一是帮助通讯双方找到对方; 二是允许通讯双方互相协商会话参数.一个典型的SIP平台通常包括SIP用户终端(user agent)、SIP代理服务器(proxy server)、SIP注册服务器(register server)和SIP 网关(gateway)等部分[5] .
1.2 基于SIP的视频教学平台传统情况下,采用硬件终端的视频教学要求老师和学生必须都拥有一台专用的终端以及与之配套的摄像头、显示屏、麦克风等辅助设备.而疫情期间,虽然大多数老师都可以到岗,学校也可以为这些老师配备专用设备,但大部分学生都滞留在家中无法返校.从经济的角度来讲,学校不可能为每个学生配备一套专用的视频硬件终端,也不可能要求学生自费购买这种昂贵的设备.因此,一个折中的办法是老师在校内使用硬件终端,学生在校外使用软件终端加入课堂.AKIYAMA等[6]对此类场景做过研究.
结合小规模交互式教学活动对视频教学平台的需求,本研究使用思科的Cisco Meeting Server 2000会议服务器和Room Kit系列终端,在北京大学搭建了一套基于SIP/H.323协议的视频教学平台.该平台能够较好地支持软硬件结合的视频会议.校外的学生可以使用Cisco WebEx、 Jabber,Microsoft Teams、Zoom等支持SIP呼叫的视频会议软件终端加入到教学活动中.视频教学平台如图1.
1.3 视频教学平台应用场景视频教学平台的搭建,极大地方便了教师、学生和行政办公人员的日常学习和工作.目前,此平台的应用场景主要包括3个方面:
1)面对面授课:教师在学校使用硬件终端入会,学生则在家中使用Cisco WebEx等软件终端入会,实现面对面授课和学习.
2)科研探讨:学校各院系科研人员之间进行科研讨论,可使用各自的硬件终端入会,而不必限制在一间会议室进行讨论.
3)办公会议:学校和院系办公会议使用软硬终端入会极大地方便了参会人员,保证办公会议高效有序的进行.
2 大规模基础课教学
大规模基础课教学主要包括通识基础课等大型课堂教学,上课人数通常在数百左右.该类教学对互动的需求不高,但与小规模交互式教学一样对清晰度有较高的要求.除此之外,对于诸如物理和数学等学科的课程,授课老师常会用大量板书进行过程推导和思维引导,若单纯使用PPT讲义,会使课程效果大打折扣.对于此类课程,无法要求授课教师必须使用任何硬件或软件视频终端,而是要保证他们能够像平常一样站在讲台上使用黑板进行授课.
综合考虑此类教学的参与人数、授课方式、交互程度等因素,本研究认为单向流媒体视频广播的形式最适合支持此类教学的线上进行.目前应用最广泛的流媒体协议之一是实时消息传输协议(real time messag protocol, RTMP).
2.1 RTMP协议RTMP协议由Adobe公司提出,主要用于实现在Flash播放器和服务器之间传输音视频流.该协议基于TCP协议实现,具有低延时、 拥塞控制能力强等特点,因此常被用于高清视频流的实时网络传播[7-9].
2.2 基于RTMP协议的视频教学平台基于RTMP协议的视频教学平台由音视频采集模块、处理模块、存储和分发模块等部分构成,如图2.采集模块负责采集教学现场的音视频信号,处理模块将这些信号转换为RTMP视频流并发送至存储和分发模块,存储和分发模块负责视频的存储和对外发布.
3 学术交流及行政会议
除教学科研外,学术交流及行政会议也是高校正常运转过程中必不可少的重要活动.此类活动虽然参与人数或参与方数目较少,但参与范围比教学更广,且参与者比较随机,可能来自不同学校或国家.通常情况下,学术交流及行政会议会使用Webex或者Zoom等视频通讯软件,该类软件比基于硬件的视频会议平台更容易获取,也更易于使用.但使用该类视频软件需要使用者必须保持在电脑或手机等移动终端前,才能保证音视频传输效果.当某个参会方的与会人数较多且集中在一个会议室时,需要特殊的技术手段才能保证整个会场的音视频效果.一个简单的办法是在电脑端增加外置的音视频采集卡,通过外接摄像机和麦克风采集整个会场的视频和每位参会者的音频.但视频采集卡受到线缆长度的限制,在大型会场内无法保证最佳使用效果.要突破线缆的限制,必须利用网络在摄像机和电脑之间传输实时视频,网络设备接口协议(network device interface, NDI)恰好可以满足此需求.
3.1 NDI协议概述NDI协议由NewTek公司于2015年提出,目前已更新至4.5版,该协议基于TCP和Bonjour技术,能够在千兆局域网内实现高达100 Mbit/s的视频传输[10].目前,NDI协议已经被广泛应用在多机位直播等电视广播行业,其最大优势是摆脱了SDI或者HDMI线缆的限制,通过网络即可在不同设备之间实时传输高质量的视频.
3.2 利用NDI协议提升学术交流会议的用户体验NDI技术可令摄像机采集到的视频通过网络传输给参会电脑,因此,参会者不必关心电脑位置,也不用坐在电脑前,只需根据会场座位的布置合理布置摄像机.该方案极大地提升了学术交流或者行政会议参会者的体验,用最小的成本模拟了昂贵的硬件终端带来的用户体验.利用NDI技术在摄像机和电脑之间传输视频的如图3.
4 校内转播
学校中有许多大型会议和公开课要求在校园网环境内用“线上+线下”混合的模式来进行直播,针对不同的需求,需构建相应的直播方案.目前,针对大型基础课程和办公会议参与人员范围较广,并且因为要完成疫情防控的要求,不能让全部人员在同一会场内参加会议,必须采取校内实时转播的方案才能够克服以上困难.基于SIP协议的校内视频会议平台能实现校内多方会话,RTMP协议可支持高清视频流的实时网络传播,NDI协议摆脱了因会场大而导致的线缆限制,3者结合可完成大会场的线下和线上人员同时参加观看的需求.
根据校内公开课和大型会议的要求,一般情况下,校内转播对象主要是多个线下分会场和校内部分单位在校内线上参会.两者的会场硬件情况分别是分会场只投放屏幕并无视频会议平台的硬件终端,但校内单位均配备有视频会议硬件终端.
针对线下分会场硬件设施条件缺乏的情况,在不采购任何新会议终端设备的前提下,使用基于RTMP协议的转码设备生成网络串流地址进行转播,可解决各线下分会场实时观看的需求.在已有基于RTMP协议转码设备的情况下,分会场只需增加一台笔记本电脑并进行投屏即可.校内各单位在本单位观看时使用基于SIP协议的视频平台,而平台所使用的Room Kit系列硬件终端并不支持接收外接音视频流,必须选择基于SIP协议才能够在思科会议服务器中成功注册,并且支持外接音视频流的视频终端设备.思科SX20视频终端设备是满足以上需求的外接音视频流设备,由它采集的音视频画面作为视频平台参会的一方并设置为主会场,即可保证参加人员的实时观看.
本研究目前构建的校内转播平台实现的是内部直播,校外人员无法访问.校内转播平台如图4.
5 结 语
视频技术应用在教学和科研中早已有之,但通常只是作为一种辅助手段偶尔使用.新冠肺炎疫情一度迫使所有的教学和科研活动都转到线上进行,视频技术成为支撑学校正常运转和教学科研正常开展的主要技术.如何根据不同类型教学科研活动采取合适的视频技术搭建教学平台,将是高校信息化工作人员必须掌握的基本技能.
从2020年1月至今,我们在北京大学利用所述3种视频教学科研平台累计支持了41门课程教学共计1 100 h、各类学术交流及行政会议104次共计161 h,有力地保障了学校各项工作的顺利进行.运行结果证明,我们采用的技术合理且具有可推广性.下一步,我们将重点研究如何进一步提升各类视频平台的服务质量.
- [1] 江 峰.浅谈视频会议系统在医院中的应用[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(100):325-326.
- [2] 谌 探.视频会议系统在跨校区互动演出中的应用[J].演艺科技,2020,5(170):55-57.
- [3] TAN K K, GOH H L. Session initiation protocol[C]// IEEE International Conference on Industrial Technology. Bankok, Thailand: IEEE, 2002: 1310-1314.
- [4] SPARKS R. SIP basics and beyond[J]. Queue, 2007, 5(2):24-33.
- [5] ROSENBERG J, SCHULZRINNE H, CAMARILLO G, et al. SIP: session initiation protocol[EB/OL].(2002- 06- 01).http://ietf.org/ifc/rfc.3261.txt.
- [6] AKIYAMA T, MASUDA H, YAMAOKA H. Experience of our video conference system mixing with WebEx and Polycom STB[C]// Proceedings of the 2018 ACM SIGUCCS Annual Conference.[S. l.]: ACM,2018:131-134.
- [7] ZHAO Pengyu, LI Jianwei, XI Jianxiao,et al.A mobile real-time video system using RTMP[C]// Proceedings of the 4th International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks. Mathura, India: IEEE, 2012: 61- 64.
- [8] LEI Xiaohua, JIANG Xiuhua, WANG Caihong. Design and implementation of streaming media processing software based on RTMP[C]// The International Congress on Image and Signal Processing. Chongqing, China: IEEE, 2012: 192-196.
- [9] 雷霄骅,姜秀华,王彩虹.基于RTMP协议的流媒体技术的原理与应用[J].中国传媒大学学报自然科学版,2013, 20(6): 59- 64.
期刊信息
深圳大学学报理工版
JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING
(1984年创刊 双月刊)
主 管 深圳大学
主 办 深圳大学
编辑出版 深圳大学学报理工版编辑部
主 编 李清泉
国内发行 深圳市邮电局
国外发行 中国国际图书贸易集团有限公司(北京399信箱)
地 址 北京东黄城根北街16号
邮 编 100717
电 话 0755-26732266
0755-26538306
Email journal@szu.edu.cn
标准刊号 ISSN 1000-2618
CN 44-1401/N