基于云平台的教学活动视频数据采集传输系统

成 也，李乐桐，范 玥

（北方工业大学 电子信息工程学院，北京 100144）

0 引言

新的课程理念认为，课堂教学不是简单的知识学习的过程，它是师生共同成长的生命历程，是不可重复的激情与智慧综合生成的过程。智慧的课堂应该追求教学的真质量，追求课堂的真效益。

智慧课堂的一个前提是需要对课堂状态，包括学生学习状态、教师教学状态进行采集和分析，而目前的课堂视频采集数据大多以原始视频方式存储在摄像机存储介质、或者机房服务器中，教师进行课堂分析不够方便。另外，对视频的智能化分析也非常稀缺，以上都大大限制了智慧课堂真正走向“智慧”。

针对上述问题，本文研究实现一种课堂视频采集系统方案，并研发基于云平台的视频自动传输软件，让教师不受地理位置、时间限制，随时随地获取视频文件，同时，为利用人工智能技术帮助教师实现精准的课堂状态分析提供技术支撑，有的放矢的提高课堂教学质量，也可以让家长在家中观察到学生上课的状态，并对学生进行及时的教育和鼓励。

1 系统框架

基于云平台的教育活动视频采集和传输系统网络结构图如图1所示。该系统分为利用网络摄像头采集教育活动视频并通过网络交换设备和网络路由设备将数据存储于NVR的采集存储系统和通过管理端将视频数据上传至阿里云平台软件系统这两部分。

图1 系统网络结构图Fig.1 System network structure diagram

第一部分是通过多源网络摄像头，如：有线和无线摄像头以及摄像设备，对教学过程中老师和学生上课表现，从每位学生到整体教室，多角度多方位的对课上的人员进行视频录制。通过录制设备与交换机和路由器进行连接，将数据存储到NVR网络视频存储设备中，并可以使用IP登录NVR设备观看存储的视频数据。

第二部分基于海康威视SDK对存于NVR的视频数据进行选择[1,2,5]，清理和筛选的程序设计，其处理流程如图2所示。将存于NVR和摄像机中的视频信息，通过该软件自动的下载或者拷贝至本地。再结合阿里云平台OSS的API，将得到的视频数据通过筛选，处理等操作之后，将优质的数据自动上传至阿里云存储。

2 面向课堂教学的视频数据采集子系统

由于面向课堂，学生上课的特殊动作与一般行为和老师在与同学交流之际在教室内的走动，采集优质的视频信息是十分困难的。所以在学生课桌上，在教师的前后和对角线上安置摄像头是十分必要的。又因为学生人数较多，如果只使用有线摄像头对教室场地空间和人员安排上都有着极大的要求，所有使用无线摄像头不仅可以减少线路的设置和路由器的数量，还可以减少在安装配置这些设备时候的人员安排和工作量。在一些录制课程的特殊情况下，会使用到摄影机，所以在采集系统中，对这样的SD卡或其他较为传统的存储方式，通过自动上传软件的特别功能也可以解决。

通过海康产品的网络摄像头，将学生上课期间的表现状态记录下来存储到海康威视数据网络存储设备中，有线和无线设备分别通过LAN和WLAN与NVR进行数据传输。客户端设备与网络存储设备连接，IP协议将数据进行下载和上传等操作，也可以在客户端电脑上看到已经录制好的视频流文件，再通过海康威视的SDK和系统的文件操作将从网络存储设备中下载的流数据进行更改命名，格式并通过下一结构进行更进一步的操作。

图2 教学视频数据采集子系统框图Fig.2 Teaching video data acquisition subsystem block diagram

图3 基于云平台的教学活动视频数据自动传输系统功能划分Fig.3 Teaching activities based on cloud Platform function Division of video data automatic transmission system

3 面向云平台的多源视频数据传输子系统软件实现

3.1 需求分析

在课堂信息大量增长的大数据环境下，数据的存储和数据的传输是重要的问题。首先数据的存储通过传统的方式拷贝至本地硬盘，数据不断地更新和删除旧数据等一系列的繁杂操作增加了工作者的工作量。所以通过带有自动上传的云平台上，不仅解决了工作者工作量的问题，还解决了数据的优质保护和快速更新。

3.2 软件功能框架

1）登录功能：在管理端与NVR设备进行通信的时候是通过IP通信，所以使用海康威视的SDK根据指定的IP、端口、账户、密码打开设备端口。

2）时间管理功能：对日期时间进行显示，再NVR设备中查找数据时可以通过时间的设置筛选要查找的数据。在自动上传功能中会用到定时上传的定时功能。

3）视频播放功能：在存储设备中搜寻的文件列表里面无法直观地看到视频数据的具体内容。所以增加视频播放功能可以更好地观察数据和筛选数据，是保证后续准确上传至关重要的一环。

4）数据文件查询功能：将NVR设备中的数据通过列表的形式，展示出视频数据的文件名日期等具体信息。

5）数据上传功能：通过阿里云，将视频上传至阿里云存储。

图4 软件流程图Fig.4 Software flowchart

3.3 软件实现流程

有线以及无线摄像头通过路由器和交换机将数据传输到客户端中，在上课过程中使用摄像机录制的图像也可以通过SD卡插入控制端，在控制端通过程序每日按时上传至云平台，可以按需上传，如在录制视频之后通过筛选有用的视频画面，上传正确的视频数据[1-3]。NVR网络视频数据存储设备在设定的时间内，搜索存储列表中未上传和想要的时间范围内录制的视频进行按时上传，上传成功后返回报告。流程图如图4所示。通过海康威视C#的SDK编写界面。下载功能，先搜索视频文件，然后通过所选定的时间或者命名并选择好下载路径，进行下载。

通过使用阿里云的SDK，第一次存储需要创建存储空间Bucket，之后将需要存储的图片视频等文件存入Bucket中。上传时需要OSS提供的Access Key有如下4个内容：Acce ssKeyId，AccessKeySecret，Endpoint，BucketName。上传过程中通过try catch来捕捉异常。

在界面中添加按钮用来手动上传指定文件，上传前先确定上述4项内容（即与OSS存储连接），使用OssClient.Put Big Object函数进行上传。通过C#设定两个时钟，一个时钟用来显示实际时间，一个时钟用来执行自动上传[4]。

4 系统测试分析

图5 系统测试结果Fig.5 System test results

基于海康威视SDK设计的视频数据传输程序，自动上传的效果良好，节约了硬盘消耗与劳动力，也可以通过选择指定的文件进行上传至阿里云，并且可以在任何地方联网，在OSS控制台下观看图片和视频，图片直接预览，视频下载后可观看。系统测试结果如图5所示。

5 结论

本文成果可以应用于各种类型的课堂环境，包括中小学生课堂、校外培训课堂，帮助进行课堂观察、课堂教学与学习状态分析，为智慧课堂打下坚实基础。本项目成果通过对课堂视频数据的自动化采集，帮助教师更好地、更便捷地获取课堂观察一手数据，为课堂分析提供重要基础。