高清演播录课系统方案.docx
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高清演播录课系统方案
某某中学
高清演播、录课系统建设方案
二零一一年五月
第一章项目的需求分析
1.1项目背景
二十一世纪是信息化时代，教育网络化、信息化已成为一种必不可少必备条件。
作为基础教学与科研基地的学校自然走在所有行业的最前列，全国各大、中、小学校都在积极建设和完善校园演播录课室。
校园演播录课系统已成为各学校必备的重要信息基础设施，其规模和应用水平已成为衡量学校教学与科研综合实力的一个重要标志。
同时高清电视制作也已经成为潮流，在此背景下，建设高清校园演播、录课平台已经势在必行。
1.2项目的需求分析
通过行业分析和与用户的深入沟通，我们发现目前北京第１３中学现有录课室１间，其设备已经老化，学校需要建设一套适应行业发展、潮流应用的先进的演播室和录课室。
同时系统应该具有高扩展性，可以应用于校园其他数字信息系统的平台上，例如校园信息发布系统、视频点播系统等。
随着校园中各个教室安装了大量的液晶显示终端，其分辨率基本都达到了支持1920*1080的标准，所以我们的演播室、录课室制作出来的节目应该也要达到此水平，才能和现有设备达到同水平应用，避免出现“小马拉大车”的现象。
1.3演播、录课系统设计原则
在保证演播室先进性的前提下，选用性能价格比最好的设备，我们认为演播室建设应该遵循以下原则：
◆先进性
以先进、成熟的视频技术进行合理搭配，支持数据、语音、视像等多媒体应用，用基于数字视频的技术替代传统的模拟视频的技术。
◆标准化和开放性
视频标准应遵循国际化标准，使用国内标准的PAL制式，演播室按照国际化标准建造应用最新的布线方法，根据现有的设备进行合理配套，使得新老设备均能正常使用，为了今后的发展事先预留出应用端口及软硬件的升级换代，提供开放性的解决方案。
◆可靠性和可用性
选用高可靠的产品和技术，充分考虑系统在程序运行时的应变能力和容错能力，确保整个系统的安全与可靠。
选用质量、性能、价格、服务、优异的品牌。
◆灵活性和兼容性
选用符合国际发展潮流的国际标准的软硬件技术，以便系统有可靠性强、可扩展和可升级等特点，保证今后可迅速采用视频网络化发展出现的新技术，同时为现存不同的视频设备（摄象机、录象机、切换台、字幕机等设备）提供互连手段。
◆实用性和经济性
从实用性和经济性出发，着眼于近期目标和长期的发展，选用先进的设备，进行最佳性能组合，利用有限的投资构造一个性能最佳的视频操作系统。
◆安全性和保密性
在特殊使用的情况下，必须保证视频文件信息保存和各种应用系统的安全。
◆扩展性和升级能力
演播室应具有良好的扩展性和升级能力，选用具有良好升级能力和扩展性的设备。
在以后对该演播室行升级和扩展时，必须能保护现有投资。
应支持多种视频格式、多种接口设置和多媒体实际应用。
◆设备的灵活性
设备的灵活性主要表现在前后期配置平衡等方面，配合品支持的最先进的数字视频技术，整个工作组可以流畅快速简便地将视频图象信息文件从一台机器传输到另一台机器，可以远距离传输，而无需图像质量的改变，以适应机构的变化。
同时也可以通过网络的端口，以增加网络的性能。
1.4系统设计引用及执行标准
符合国家现行相关验收合格规范
适用标准、规范的名称如下：
《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）
《建筑电气安装工程质量检验评定标准》（GB50306）
《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300）
《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2000）
《工业企业通信设计规范》（GBJ42-81）
《工业企业通信接地设计规范》（DBJ08-47-95）
《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46）
《电子调光设备通用技术条件》BG/T13582-1992
《电子调光设备性能参数与测试方法》BG/T14218-1993
《建筑设计防火规范》GB50016-2006
《工业企业通信接地设计规范》GBJ79-85
《供配电系统设计规范》GB50052-95
《低压供配电装置及线路设计规范》GB50054-95
《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）
《通风式灯具安全要求》GB7000.14-2000
《舞台灯光、电视及摄影场所（室内外）用灯具安全要求》GB7000.15-2000
《电子计算机机房设计规范》GB/T50174-93
《电视演播室灯光系统设计规范》GGY5045－2006
《厅堂扩声特性测量方法》GB4959-95
《厅堂混响时间测量方法》GBJ76-84
《客观评价厅堂语言可懂度的“RASTI”法》GB/T14476-93
《会议系统电及音频性能要求》GBJ76-84
《扩声系统设备互连用连接器的应用》GB/T14197-93
《语言清晰度指数的计算方法》GB/T15485-95
《视听系统设备互连用连接器的应用》GB/T15644-95
《声音和电视信号的电缆分配系统》GB6510-8630MHz-1GHz
《建筑地面工程施工质量验收规范》GB50209-2002
《建筑装饰装修工程质量验收规范》GB50210-2001
《民用建筑工程室内环境污染控制规范》GB50325-2001
《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》GB50169-2006
《智能建筑工程质量验收规范》GB50339-2003
《建筑防腐蚀工程施工及验收规范》GB50212-2002
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002
1.5演播、录课系统设计要求
根据演播室、录课室系统方案的设计原则，满足了作为演播室功能和录课室功能的所有需要：
1、演播、录课室的功能定位：
精品课程建设、课题演讲、互动教学节目录制或直播、并兼顾校园人物专访等，同时也能兼作1—2人的新闻和专题节目；
2、演播、录课系统区域划分：
演播室设校园新闻专题节目区、蓝箱区（满足虚拟演播室和抠像要求）。
录课室设教师授课区、学生区、摄录区、观摩区。
同时设置独立控制室进行后台编辑控制。
在演播、录课系统里面包含了节目录播、直播，多媒体动态背景和虚拟抠像背景、实体背景等相应的功能需要。
直接可以作为校园新闻口播，校园访谈节目录播和校园精品课程录播的需要。
同时可以应用到远程观摩、与校园数字信息发布系统的连接等可以提供完善的功能接口。
为了方便于演播室、录课室系统的整体建设，该技术论证方案根据项目组成部分的技术和操作的可行性，把整个项目按照不同分标部分进行技术说明。
1．演播室、录课室设计总体要求:
本演播室和录课室需满足学校日常的访谈栏目、新闻栏目的制作播出及录制等要求，日常课程录制、编辑、直播等要求。
设计方案及施工应综合考虑对空调、消防、地线、供电系统等综合布线工程的要求。
整个工程要具备较强的扩展性，设计中预留出应用端口及软硬件的升级换代接口。
2．演播室系统设计要求
演播室满足举办3台摄像机工作位置（其中一台满足摇臂的使用要求），满足新闻直播、录播以及虚拟演播室系统要求。
3．录课室系统设计要求
录课室需要满足学校课程录制、直播功能，需要满足3台固定高清彩色一体化云台摄像机，2台移动云台控制摄像机位置，同时具有录课室拾音、扩声等功能，课件实时录制，并且可以进行后期高清非线性编辑，课堂实况转播等功能。
4．灯光系统设计要求
在灯光设计中，要达到以下几个指标：
A.演播室演区综合光、录课室录制区域综合光的垂直照度不小于2000LX。
B.录课区、演播区光的色温为3050±150K；
C.录课区、演播区光的显色指数应不小于85，为连续光谱。
1.6演播、录课系统设计目标
某某中学演播、录课室整套系统在设计思路上为秉承全高清信号采集和编辑路线进行设计，因为我们认为高清节目已经成为未来发展的必然趋势，随着设备的不断升级，高清摄像机、高清录像机、高清切换台、高清非线性编辑系统等等设备的产生，高清已经必然走进我们校园的精品课程建设中，而在音频方面我们需要针对教师、学生进行现场声音采集，录制，合成。
同时通过多年的工程经验以及针对使用者人员配备资源上的匮乏，所以此系统在摄像机使用操所上采用了专业云台控制方式，可以达到无人操作的状态，大大提高人员使用率，所以在系统集成度上做到了高集成化的操作系统。
为此该系统的建设完成后可以实现的主要功能为：
1、校园演播室
提供校园新闻转播，实况节目转播等，虚拟演播制作，同时提供高清后期制作，流媒体编码等。
2、精品课程录课室
课程录制，全程直播，为校园资源库提供源源不断的资源。
3、校园电视台
校园电视台作为一种典型的网络视频应用，借助于现有的IP网络平台，加以先进的流媒体技术，将信号（卫星电视、摄像机、VCD/DVD等）实时转换并同步直播。
校园电视台的应用极大的丰富了师生的课余文化生活，有助于学生了解社会动态，为更好的就业打下基础，同时有效的节省了学校的外网带宽。
通过该平台搭建校园电视台，可以有选择的为师生播放电视节目，还可通过权限设置功能设置用户登陆权限，有效的管理师生收看的节目及登陆信息，全面掌握使用动态。
4、多媒体资源点播
将各种多媒体教学素材、文娱活动、自制课件，公开课、校园风貌等音、视频文件上传到该平台，进行集中管理与存储，并通过设置用户对文件的存取权限，方便有效的对资源使用情况进行管理。
5、课堂直播
随着教学体制的改革，一批优秀的教师涌现，他们新的教学理念、教学方式也被更多的人关注，将好的教学方法共享也是教学工作之一。
通过该平台可以将优秀教师的课堂通过网络实时传送，使大家犹如置身现场，打破了空间的局限性，真正达到资源的共享。
6、校园影院
该平台自带正版影视片源（电影、电视剧、综合类节目等），定时更新，让师生不出校门就能观赏到正版大片。
7、教学观摩与评估
对老师的教学质量、教学方法进行考核、评估是一项重大而艰巨的工作，耗费大量的人力、物力。
通过搭建该系统平台可以有效的解决这一问题。
在考核、评估时只需将老师的课堂视频实时的传送给相关的专家和部门即可，根据老师的课堂表现快速的得出考核评分。
这种应用极大的节省了考核、评估的操作时间和考核成本，同时也达到了考核、评估的目的。
、
8、校园活动直播
在工作、学习之余，学校也会举行一些有益身心的体育活动、文娱活动来丰富学生的业余生活，系统可以将大型活动通过网络展现在大众面前，让家长和社会各界人士更多、更好的了解校园文化，掌握学校动态，扩大学校的影响力、提高学校的知名度。
9、远程教学
远程教育为更多的人提供了更好的教学资源，也为优秀教学方法的推广起到了推动作用。
它成为现代教学不可或缺的重要方式，也将逐步成为人们终身学习的主要方式之一。
通过该平台可以使学生和教师、学生和教育机构、教师和教师之间直接通过平台进行教学和通信。
平台能够承载丰富多样的课程内容，真正使学生能够不受时间和空间的限制，学习、分享更多的教学资源，从而激发学生的学习积极性，提高主动学习能力。
第二章 关于高清电视信号的知识
2.1关于高清信号的技术介绍
电视的画面清晰度是以水平清晰度作为单位。
通俗地说，我们可以把电视上的画面以水平方向分割成很多很多扫描线，分得越细，这些画面就越清楚，而水平线数的扫描线数量也就越多。
清晰度的单位是“电视行（TVLine）”也称线。
意思是从水平方向上看，相当于将每行扫描线竖立起来，然后乘上4：
3或者16：
9的宽高比，构成水平方向的总线数。
D1为480i格式，和NTSC模拟电视清晰度相同，525条垂直扫描线，483条可见垂直扫描线，4：
3或16：
9，隔行/60Hz，行频为15.25KHz。
D2为480P格式，和逐行扫描DVD规格相同，525条垂直扫描线，480条可见垂直扫描线，4：
3或16：
9，分辨率为640×480，逐行/60Hz，行频为31.5KHz。
D3为1080i格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：
9，分辨率为1920×1080，隔行/60Hz，行频为33.75KHz。
D4为720p格式，是标准数字电视显示模式，750条垂直扫描线，720条可见垂直扫描线，16：
9，分辨率为1280×720，逐行/60Hz，行频为45KHz。
D5为1080p格式，是标准数字电视显示模式，1125条垂直扫描线，1080条可见垂直扫描线，16：
9，分辨率为1920×1080逐行扫描，专业格式。
此外还有576i，是标准的PAL电视显示模式，625条垂直扫描线，576条可见垂直扫描线，4：
3或16：
9，隔行/50Hz，记为576i或625i。
以上标准中“i”表示隔行，“P”表示逐行。
HDTV标准是高品质视频信号标准，包括1080i、720p、1080p，也就是说D3、D4、D5属于HDTV标准，但目前支持480p也大概称为支持HDTV。
要注意的是，对于电视机处理能力（例如带宽）的要求则是480i<480p<1080i<720p。
720P、1080i中的i是interlace，代表隔行扫描;P是Progressive，代表逐行扫描。
要讲清楚这两个名词，还要从模拟的CRT电视说起，传统的CRT电视，工作的原理是通过电子束在屏幕上一行行地扫描后发光来显示图象的。
电视信号在传输过程中，由于受带宽的限制，只能传递隔行信号，以节省带宽。
以NTSC电视机为例，在工作的时候，把一幅525行图像分成两场来扫，第一场称奇数场，只扫描奇数行（依次扫描1、3、5…行），而第二场（偶数场）只扫描偶数行（依次扫描2、4、6…行），通过两场扫描完成原来一帧图像扫描的行数，由于人眼具有视觉暂留效应，因此看在眼中时仍是一幅完整的图象，这就是隔行扫描。
NTSC制节目共525行扫描线，每秒60场图像，表示为60i或525i，如果是逐行扫描的，就称作60P或525P。
PAL制节目为625行，每秒50场图像，表示为50i或625i，逐行则称为50P或625P。
记住，这是针对CRT电视机的。
不仅代表了CRT电视的扫描格式，也代表摄像机拍摄的图像的格式。
因为电视系统最初都是隔行扫描系统的，因此对应NTSC和PAL制电视节目的摄象机，也全部是隔行扫描的，就是说凡是电视摄象机拍摄的NTSC/PAL制节目，全部是隔行扫描信号，分别表示为525/60i和625/50i。
记住，这是针对电视摄象机的。
对于模拟电视图象，以扫描行表示，PAL制表示为625/50i;NTSC表示为525/60i。
对于数字信号，则以像素或分辨率来表示，比如PAL制节目，分辨率为720*576，逐行可表示为576P，隔行为576i。
NTSC分辨率为720*480，逐行为480P，隔行为480i。
记住，这是针对电视图象的。
2.2关于高清摄像机技术介绍
前面我们介绍了关于高清信号的一些知识，这时候我们就会想到摄像机这一部分了，衡量高清摄像机的主要技术参数就是它采集影像的分辨率、码流等参数，所以在设备选型上，要考虑到诸如“50i、25p”这些参数，同时用户只有了解这些基础知识以后，对演播室、录课室的系统建设上才可以有一定的深入了解。
高清摄象机虽然是数字的，但是扫描方式是从模拟摄象机沿用过来的，传统的模拟摄象机，全部为隔行的，而高清摄象机，在保留隔行扫描格式的同时，还增加了逐行扫描格式。
高清摄象机不仅保留了隔行、逐行之分，而且还保留了PAL制50Hz频率和NTSC60Hz频率的区别，虽然高清已没有PAL和NTSC的分别，但是在美国、日本、韩国这些传统的NTSC地区，仍然保留了60Hz频率系统，而我国、澳大利亚、欧洲仍保留50Hz系统。
高清节目都是数字信号，因此只要以分辨率表示就可以了。
HDTV在拍摄的时候就分为隔行扫描和逐行扫描两种形式，而且帧频（每秒钟显示的逐行图像数量）或场频（每秒钟显示的隔行图像）也不相同。
1280*720有5种帧频，分别为60P、50P、30P、25P、24P，可简称为720P。
1920*1080的情况更加复杂，隔行的表示为1080i，逐行的表示为1080P。
在我国则为1080/50i，这两种格式都可称为1080i。
最终为了方便高清节目的制作和交换，世界范围内统一采用了1080/24P的标准，这种标准还被作为数字电影摄像机的标准。
在我们这套系统中，我们的选用的高清摄像机等设备，符合此标准。
第三章演播、录课系统全高清的发展趋势
3.1演播、录课系统高清建设的必要性
随着液晶电视技术的飞速发展，支持1920*1080P的显示终端已经走进了我们的日常生活，学校在数字信息发布系统建设上也已经全部是液晶平板电视，因此我们再制作标清、或其它格式的视频节目就已经不能满足我们的显示终端了，这样会出现“小马拉大车”的现象，同时现在电视在图象处理电路技术发展非常快，运算速度非常快，处理能力非常强，市面上销售的电视、显示终端均具有倍线技术。
所谓倍线技术就是把隔行的1080i的图象处理成逐行的1080P的图象，可以把1080/50i完美处理成1080/50P，1080/60i处理成1080/60P，包括1080/24P的节目，更可非常轻松地处理为1080/50P或1080/60P。
所以在建设演播室、录课室项目的时候，我们建议用户采用主流的1080/24P高清格式作为系统设计主线，最终建设真正的全高清演播系统和录课系统。
将高清校园节目制作作为校园数字资源的建设平台，展现校园教学与科研实力。
第四章 演播、录课系统详细设计
4.1演播、录课系统设计介绍
高清电视节目的制作在我国处于起步阶段，目前的电视制作仍以标清节目为主，高清和标清在未来相当长的时间内将并存，但是作为电视以及摄像设备的厂商已经全部过渡到了高清标准的产品线，作为行业用户，如学校自己的校园电视平台，由于随着校园数字平台的搭建（高清视频设备、高速网络集合等），为节目传输提供了很好的平台，以至于高清节目制作在校园领域已经非常普及了，因此，构建一个高清节目制作的演播室、录课室系统势在必行，但为了利用用户原有设备资源，一方面保证对现有投资的最大保护，延长设备的有效使用周期；另一方面也能够满足用户原有设备使用率为用户提供高质量的标清电视节目信号。
基于上述因素考虑，我们确立了以高清节目制作为主，同时系统可以兼容标清信号的系统设计思想，该系统既能实现高清、标清信号源的混合处理，又能根据需求输出高清和标清版的视频节目。
在摄录编视频系统上我们采用了HD-SDI高清信号处理设备，系统从前端的摄像采集、中间的信号传输、后端的信号切换与录制等过程全部采用高清标准进行实施，设备同时具有向下兼容标准（除了传统的1920×1080和1280×720分辨率之外，还可支持HQ模式下的1440×1080分辨率，并可在XDCAMEX和XDCAMHD系统间以35Mbps的速度进行通讯）。
移动摄像机我们采用SONY-EX1R高清摄像机，我们通过配置高清云台来达到远程对其操控，方便现场无人干扰，同时节约用户人员上的编制，在演播室区域，我们设计了微型的摄像摇臂，来进行特定角度拍摄等。
传输采用佳耐美75Ω高清同轴电缆进行信号的传输，使信号在传输途中尽量减少衰减和损耗，后端的核心切换设备我们采用国际知名品牌SONY的AWS-G500AnycastStation无限传播工作站，其在信号采集、切换、录制、直播等方面具有非常灵活的操作性。
大大提高了学校在视频录制方面的工作效率，设备具有6路视音频切换。
多格式信号切换及混合功能。
兼容计算机、复合、Y/C、DV、SDI,、HD-SDI、高清分量等各种视频信号格式，并可有效整合。
特技特效功能。
多达22种特技切换，混合、画中画、渐隐至黑、台标、字幕、色键、亮键、硬切等。
内置高质量信号输入转换和祯同步器。
具有6路混音调音台。
6路节目源加1路静祯监看，节目预监，播出节目监看；6路输入，PGM输出、MIX等音频监听。
1394硬盘录制和回放功能。
节目源和PGM录制备份，设备具有摄像头控制，俯仰、平移、变焦、聚焦、白平衡等，机位预设。
设备自带Real流媒体编码器和服务器，轻松实现网络直播，中文字幕编辑等功能。
学校录课系统应用如图所示：
同时全高清的采集传输流程如图：
同时在固定机位方面，我们采用SONYBRC-Z330云台为前端的信号采集，BRC-Z330摄像机可以输出HD-SDI信号，这种信号是针对各广播公司对高质量画质的高要求而开发的。
为了满足录课室室拍摄角度广阔的需求，此系列摄像机提供了广角转换镜头。
另外BRC系列摄像机还具有许多其它的优点，包括静音平顺的云台移动、录课室信号提示灯、高性价比等等，BRC-Z330摄像机具有彩色自动曝光功能。
在摄像机检测到特定的色彩时，可调整特定色彩的曝光。
在拍摄位于单色背景前方的目标时，这一功能非常有用。
而且，这款摄像机可将肤色调整到最适合的亮度。
通过SONYG500无线工作站进行信号切换处理，同时在后端配置高清非线性编辑系统进行节目的后期制作，系统支持实时在线的录播、直播、点播功能，在通讯方面，我们配置了专业内部通话系统，进行对摄像操作员的指挥等工作。
综上所述。
通过我们针对高清视频制作系统的多年工程经验，整套系统从前端摄像机到后端切换控制和非线性编辑，我们在设备选型上进行了完美的融合，全高清的设计路线在此系统中发挥的淋漓尽致。
针对全高清信号的采集、记录、编辑、播出完美结合，如图：
通过上述信号的切换与编辑，我们同时将最终的节目信号进行流媒体直播，在节目直播方面，我们采用流媒体直播服务器的方式进行校园多路电视直播、会议直播、校园电视台直播、活动直播、课堂直播、课堂录像、精品课程回放等。
设备选用业界最好的AVCaster多路视频直播机，其完全采用硬件架构，提供最高的性能和最强的稳定性。
采用最新的H.264编码标准，单机最高支持32路D1质量同时编码，支持现场直播、多媒体文件直播、电脑屏幕直播等，支持录制、转码、录制节目VOD点播等，支持单播、组播等播发模式，延时控制在1秒以内，可跨越路由器、防火墙提供直播服务。
并能将数据发布到多种流媒体服务器，组建大型流媒体服务平台。
如图：
系统同时支持由前端摄像信号通过3G带宽的高清矩阵切换器传输给高清非线编系统和高清虚拟演播系统，进行节目后期编辑和虚拟场景的编辑。
演播室系统可以实现新闻节目的虚拟抠像等功能。
如图：
4.2演播、录课系统拓扑图
4.3演播室效果图
4.4控制室效果图
4.5高清非编系统应用
正如我们在开始所介绍的，此系统秉承着“高清路线”进行的设计，所以在节目最终的制作方面也不能疏忽，因为一套完整的全高清演播、节目录制方案是不容许在任何一个环节出现设备设计漏洞的，尤其是视频信号处理方面，系统最终实现的是全高清节目采集、录制、编辑、发布，同时具有向下兼容功能，也就是说可以兼容学校的原有的一些标清设备或者其他设备。
所以在非线性编辑设备上我们也选用了业界知名品牌“大洋”的Ｄ３系列高端产品，系统在支持HD-SDI同时兼容SD-SDI。
4.6高清切换系统应用
在高清切换系统中，我们应用了SONYG500 高清无线工作站的同时还设计了高清矩阵切换系统，由于系统在满足日常节目制作的同时还具备了虚拟演播、抠像功能，所以我们在配置了高清非编的同时还配备了高清虚拟演播系统，在此时我们在信号分配上存在了一个分界点，所以通过选用３G带宽的HD-SDI高清矩阵切换器作为高清信号的统一分配，为了信号在传输中的无衰减和影响，高清矩阵切换器必须选用广电级别的产品，同时要高带宽来满足不同信号的传输。
MHD-1616HD-SDI高清数字矩阵是一款高清信号切换的理想设备。
它采用串行数字接口技术，普通视频线缆传输距离在100M左右。
是并行数字接口（DVI、HDMI）传输距离的5-6倍。
传输码率在1.43Gb/s~3.0Gb/s。
支持音频嵌入传输，并可向下兼容SD-
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