高清全自动录播教室及视频资源应用平台.docx
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高清全自动录播教室及视频资源应用平台
株洲市幼儿师范学校
高清全自动录播教室及视频资源应用平台
建
设
方
案
二0一五年四月
高清全自动录播教室及视频资源应用平台
建设方案
第一章项目概述
为解决学校的优质教学资源整合，推进基于课程的互动教学、课程内容建设，通过建设网络教学实时录播系统，完善课程建设过程性评估与教学质量监督管理、精品课程评估，从而减轻教师课程建设强度，加强互动交流，倡导自主学习，培养创新型人才。
随着各个社会机构对工作效率和工作质量要求在不断提高，网路教学实时录播系统已成为现代化教育视频建设的重要组成部分。
学校录播系统建设中充分利用现有资源，建成后不仅具有视频互动的功能，还具有召开大型会议、远程培训、远程视频呈现、远程调度、重要事迹报告等功能。
系统能够实现平滑扩容和升级，将来能够向更高带宽和更高图象质量扩展。
学校录播系统利用计算机技术、网络技术、音视频压缩技术、多媒体技术，遵循TCP/IP标准，构成具有广泛应用、支持网络的广播、直播、存贮、后期编辑等多种功能专业录播系统。
一.1需求分析
拟建设1套高清录播精品课室、实现网上教学、网上教研、网上培训、网上互动课堂教学等各项信息化教育教学业务应用。
通过建设优质课程资源库，整合学科教研资源，建立教学视频互动教学模式，利用教学网络实现师生共享网上优质资源。
通过建设信息化系统加强普及录播教学信息化应用能力培训，开展远程教学培训课程。
把优质教师的授课资源通过录播教学系统（精品课程）与录播视频互动应用系统有机结合起来，以远程教学培训促进教学应用，以教学应用促进学习兴趣，以学习兴趣促进学生素质的全面提高。
制定各学段各学科课堂信息化教学模式与方法指导，组织学校、优质教师利用网络教研平台系统开展网上即时的教研活动，提高教师录播系统信息化教学能力，促进课堂多媒体录播教学的应用，实现每学段学科打造各种不同课型的精品课程的教学视频资源。
加强课题引领，推广教研资源成果，推进日常信息化教学的常态应用。
发挥名师、教研组的专家引领作用，建立每周定期网络教学直播实质课堂机制，利用教学录播系统，进行直播共享。
第二章录播系统方案设计
二.1设计原则
1）标准化、规范性
采用标准网络通信协议，选择符合工业标准的网络设备、通信介质。
工程实施遵照国家相关实施标准进行。
录播输出的音频图像格式符合网络视频标准，录播系统设备操作使用规范；
2）先进性、成熟性和实用性
系统设计既要采用先进技术和系统工程方法，又要注意技术的可行性和实用性,使系统在其整个生命周期内保持一定的先进性。
实用性放在首位，先进性与成熟性并重，并符合未来的发展方向。
项目中所用的设备及软件平台，应该选择与网络技术发展潮流相吻合的、先进的、有技术保证的产品。
3）开放性与标准化原则
应用平台应是一个开放的且符合业界主流技术标准的系统平台，对网络的硬件环境，通信环境，软件环境，操作平台之间的依赖小。
4）可靠性、稳定性和容错性
在考虑技术先进性和开放性的同时，还应从系统结构，技术措施，系统管理等方面着手，确保系统运行的可靠性和稳定性，达到最大的平均无故障时间。
5）可扩展性及易升级性
为适应应用不断拓展的需要，系统软硬件须有良好的平滑可扩充性。
数据交换平台具备与国内、外的相关应用系统或信息平台相互兼容和交流的条件和能力。
6）安全性和保密性
既要充分考虑信息资源的共享，更要注意信息资源的保护和隔离，应分别针对不同的应用和不同的网络通信环境，采取不同的措施，包括用户安全性、数据安全性、运行安全性等。
要求对数据库提供灵活的备份和恢复机制，确保系统发生故障时，及时恢复，不会受到影响。
7）可管理性和可维护性
为了便于系统的日常运行维护和管理，要求所选产品具有良好的可管理性和可维护性。
另外可管理性和可维护性还包括对平台的自身。
8）实用性：
一切以用户的应用需求为出发点，科学地、合理地、实事求是地组建一个实用系统。
9）性价比：
在满足系统性能、功能以及考虑到在可预见期间内仍不失其先进性的前提下，尽量使得整个系统所需投资合理。
二.2全自动录播系统设计
二.2.1全自动录播课室系统组成
录播教室由多个子系统组成，包括常规多媒体教室子系统（如讲台、中控、展台、笔记本、投影机等）；外部环境（灯光系统、吸音处理）子系统；录播子系统等；
其中录播系统通常由教室场景图像采集、声音采集、VGA采集、图像自动跟踪、图像控制切换、信号数字化处理、记录、直播、扩声等单元组成一套完整的录播系统。
其过程是通过图像、声音、电脑VGA信号的采集，把捕捉到的信号进行数字化处理，然后进行记录、网络实时直播、B/S架构点播和现场扩声。
见图2.4.1：
二.2.2系统设备分布图
录播教室的设备分布会根据教室的大小及系统配置情况的不同而设计，在普通教室的模式下设备在教室的分布见图2.3.3：
二.2.3录播教室设备安装分布图
在教室的正立面安装有1；学生特写摄像机2；学生全景摄像机3；教师全景摄像机4：
教师特写摄像机5板书拍摄摄像机。
其它为对应的多媒体设备,所有的外部设备通过线缆连到观摩室机柜中，机柜中设备与讲台上的一键式控制面板相连,实现老师授课时一键式自动开始录制、暂停、结束。
二.3各子系统功能
在AVA产品系列中，录播产品由录播硬件平台系列和软件平台系列两大部分组成，如何选择合适的产品作为我们解决方案的首选，是方案设计中不可缺的重要环节，在此首先认识一下录播各子系统功能。
二.3.1图像识别智能跟踪系统
对于自动录播系统,其最大的特点是录制过程无人值守,因此要求系统能自动拍摄/自动捕捉画面/自动切换图像,所有这些功能均采用一套ITS-1000图像识别智能跟踪系统完成。
智能跟踪系统由多个功能模块组成：
1.图像定位采集模块；2.行为识别模块；3.智能切换应用模块；4.跟踪管理模块。
AVA图像识别跟踪系统能够智能识别活动中的人物，准确捕捉演讲者（教师、学生）的位置变化，通过对人物行为识别分析，智能驱动一体化云台摄像机对演讲者进行跟踪拍摄，通过不同的策略定义，实现多区域、多策略化自动跟踪的技术，根据具体的事件智能分析，触发切换播出拍摄角度最佳的摄像机镜头，对场景、人物完成推拉、特写等拍摄动作，结合具体的拍摄场景能够实现多个活动过程的识别跟踪。
ITS-1000采用一体化硬件设计，稳定可靠，采用图像识别技术跟踪；支持3路摄像的跟踪定位拍摄，分别定位教师区、学生区、板书区。
二.3.2音频拾取及声音处理系统
声音的效果对录播质量的影响较为明显，环境声、反射声、干扰噪声等进入录播系统均会造成录音质量的下降，其最大的表现为信噪比低，即使放大也只能是语音噪声同时放大，影响收听效果；语音清晰度下降，由于建筑声学对反射声延迟及混响效果，同时影响了声音的频响特性，造成声音模糊不清晰；要改善录音和扩声效果，对录播音频的处理必不可少，数字化处理更是把处理过程简单化和效率化，使处理功能得到进一步的扩展。
为此，系统中引入一台数字音频处理器，从而提升录播系统整体质量。
音频系统实现课堂现场拾音、处理、合成及输出工作，教师、学生不用携带话筒，在课室的每一个角落发言，系统均能将声音捕捉拾取并传输到数字音频处理系统中。
数字音频处理系统内置音频矩阵、扩展器、噪声门、均衡器、压缩器、混音器、回声抑制器、限幅器、反馈抑制器、噪声抑制器、电平表等模块，具有强大的音频处理能力，并大大地减少了外围设备，节约资金,系统调试通过系统软件完成,操作简单、精确和方便。
除了能完成最基本的音频处理功能外，并具有自己独有的场景管理、语音跟踪等功能特点，使产品个性化更强。
系统中使用数字音频处理器可针对不同使用功能的声学特性要求进行场景（如单独录课模式、多媒体互动模式、大课室扩声模式等）编辑存储，根据现场使用情况选择与之符合的声场模式，保证了兼容性，从而达到良好的听音效果，具体表现为：
1）提高语音清晰度和可懂度，以使讲话的每个词都十分清楚；
2）声场均匀分布，对所有座位要有均匀的响度；
3）对要有稳定的系统频率响应和均匀的“音色”；
4）保证声音的真实感，使语言和音乐有舒适空间,得到真实的表现。
二.3.3录播中心子系统
录播中心是录播系统主要子系统，所有其它子系统的工作目的都是为了能录制到生动有趣的课程图像，录播中心主机采用一体化硬件设计，稳定可靠、操作便捷，硬件结构精简美观，同时集数据采集、视音频编码、支撑软件平台的内嵌（录播系统软件）、数据处理发布、存储、应用管理于一体。
录播中心子系统包含有多个功能模块：
录播管理模块、流媒体直播应用模块、点播应用模块、导播应用模块、流媒体编辑应用模块。
通过各功能模块的应用，实现智能导播、直播、点播、摄像机控制以及系统综合管理等。
二.3.3.1高清图像采集模块
系统运用5台两台高清云台摄像机及录播主机组成图像拍摄和信号采集。
录播主机对5路摄像机拍摄的图像同时采集，通过导播应用处理，生成用于直播和点播的流媒体信号。
二.3.3.2导播应用模块
图像系统、音频系统及控制系统是录播系统三大重要系统，有好的记录系统还必须有良好的人机操作控制控制界面，要做到这一点需满足以下要求：
软件须对所有必控项目实现有效控制；
控制过程须简单方便，实现有效控制的点击次数不应超过2次；
控制监视直观，全面、无延时现象。
AVA实时导播平台软件内嵌于录播系统中，无需管理者电脑安装任何插件，只需使用IE浏览器登录录播系统导播平台，就能够实现实时导播。
导播平台将多路视频、VGA信号输入及输出监视画面集中在一个IE浏览器显示，实现视频监视，切换、云台控制，音频调整，直播/录制、暂停、直播监视等功能，同时支持每一路视频支持8个预置位。
见图3.4.1
图3.4.1导播平台控制界面
导播平台管理界面直观、简洁、明了。
上方的图像为直播输出画面；下面是4路摄像机输入的视频及VGA信号。
通过鼠标即可完成录播系统功能操作，如直接使用鼠标点击相应的输入视频源窗口就能够把该路视频输出。
输出图像流畅平滑，无抖动、花屏等现象，切换过程无缝，衔接自然，支持画中画特效。
每一路视频都支持实时的云台控制功能，支持鼠标点击跟踪和滚轮变焦功能。
鼠标点击跟踪实现摄像机有效控制，通过鼠标点击视频相应位置，云台将自动把点击位置移动到画面中心；再通过鼠标滚轮前后滚动可流畅地实现镜头变焦控制。
这种技术简化了控制的难度、减轻了控制的复杂程度。
（见图3.4.3）：
鼠标点击跟踪示意图
另外，云台控制还可以使用上下左右按键控制云台平滑稳定转动，同时支持转动速度的自定义；通过设置云台快速与慢速运动速度，实现画面快速与精确调整。
控制界面设置了远景、中景、近景、全景等快速按键；同时每一路视频可支持8个预置位，预置位的具体位置可由用户自定义。
点击相应按键可使云台、镜头直接快速运转到用户期待画面拍摄范围，从而实现快速控制。
同时系统还配置了专业的硬件导播切换台：
ＤＣＰ－１０００
1、远程开关机（录播主机）；
2、5种及以上特技效果；
3、6以上布局选择；
4、6以上路视频直播切换；
5、6以上个预置位；
6、6以上个视频预选功能；
7、云台控制功能：
上下左右及变焦功能；
8、录制、暂停、停止功能；
9、全自动录播模式和手动录播模式。
二.3.3.3课堂直播应用模块
1、一种是现场直播，授课教师在讲课的同时，网络上的用户登录到录播主机上，即可以方便地观看授课教师的直播课堂内容，授课结束，则网络上的用户结束观看；
2、另一种是实时直播转发，即采用转发服务器实时直播转发，可减少录播主机对外直播的负担，并保证视频实时性和直播转发的稳定可靠，达到多点同时收看视频的效果；
二.3.3.4点播应用模块
课程建设的最终目的是为了建设好更多更好的精品资源库，让更多的人来共享这些精品资源并从中获益。
而共享这些资源的最好的办法就是建立一个精品课堂资源播放中心；即在授课教师授课的同时，通过摄像采集、课件录制系统把课堂内容录制成图文并茂的精品课件录制在录播主机上，供网络上的用户随时随地进行点播观看,或者由录播主机上传至视频资源管理服务器中,并自动生成播放列表，实现课程类别组织管理、课件添加、删除、编辑等功能，能够按照多级目录进行分类。
供网络上的用户进行点播观看。
搭建的流媒体服务器符合国际标准，并遵循MMS、RTSP及HTTP等流媒体协议，只要客户端安装有WindowsMediaPlayer或者使用AVA媒体播放器，用IE就可以直接选择和播放课件。
二.3.3.5系统管理模块
后台管理系统是录播设备的支撑运行平台，基于B/S架构，使用IE等通用浏览器就可实现直播管理、点播管理、用户管理、资源分类、用户认证、权限设置等功能。
系统提供物理CONSOLE端口，通过多媒体中央控制系统或其他第三方控制设备管理，实现远程打开/关闭录播系统，启动/停止直播和录制等其他的功能。
二.4产品性能及技术参数
二.4.1录播系统
二.4.1.1新型录播主机A6
AVAA6全高清录播主机，是一款功能齐全的录制和直播设备，具有同步录制、实时直播、在线点播、实时导播、自动跟踪、多方交互、后期编辑等多种功能，录制的文件存储在本地；全部功能集中在一台设备内，通过IE直接管理，简单易用。
设备支持4路3G-SDI、２路ＨＤＭＩ共计６路高清信号的接入，并向下兼容标清视频（S-Video/CVBS）,能实现单流、多流录制、远程导播平台预监、切换和鼠标点击跟踪等功能,是一款性能指标较为先进,操作简单,能满足用户高清录播需求（1080P/60）,性价比适中的产品。
A6采用一体化硬件设计、纯嵌入式结构，稳定可靠LINUX操作系统，，结构精简，集数据采集、数据处理发布、管理于一体；一体化机箱设计，采用了优化处理、进一步的提升了系统的处理能力；嵌入系统设计稳定可靠、性能优化，使用IE浏览器统一管理更显人性化。
数据采集采用了模块化设计，使用了高端的硬件采集芯片，对模拟的视音频、VGA信号进行采集/编码，处理后全部为数字化信息；支持多路视频模块，每一个模块具有多种视频接口，适合更多的应用场合。
实时导播技术能够充分表现实时编辑的魅力，让所有的信号源通过导播编辑之后进行直播和录制，就像电视直播节目编辑功能。
集中式的管理方式，通过IE浏览器就可以完全管理所有的功能，支持远程管理模式，管理者可以在网络连通的地方都能够登录系统、管理使用；使用电脑设备就能直接收看现场直播。
1、性能特点
（1）实时直播/同步录制、在线点播、实时导播、自动跟踪。
（2）采用标准流媒体文件格式MP4，适合通用播放器或嵌入网页播放方式。
（3）手动录播方式：
由管理人员在导播界面进行切换控制。
（4）全自动录播方式：
与自动跟踪系统、自动切换系统无缝组合，实现全自动录播。
（5）多方交互功能，实现视音频画面、VGA画面的双向视音频互动（选配）。
（6）低码流适合Internet传播，并且支持组播功能。
（7）通过IE浏览器就可以完全管理操作/使用系统所有的功能。
（8）远程和本地导播技术、带有预监、特技、鼠标点击跟踪等多种功能。
（9）管理员通过远程导播管理界面，使用鼠标点击功能可实现远程控制摄像头跟踪拍摄。
（10）场景预置切换：
预定义的全景、中景、特写等场景，快速切换场景。
（11）具有简易配置模式（高、中、低模式）和自定义参数模式，彰显人性化管理。
（12）首页预览功能：
登录首页即可显示录播中的画面，明了使用情况。
（13）数字接口HDMI实时直播环出，支持自动/手动方式设置HDMI分辨率。
（14）支持后期编辑，对生成的文件可进行剪切、拆分、修改和合并；可添加片头片尾，可设置课程信息，支持重新编码等功能。
（15）支持切换特技效果，拉幕、淡入淡出等等，支持字幕,支持静态、动态台标/LOGO。
（16）具有单流单画面和单流多画面视频效果。
支持单流（电影模式）和多流（资源模式），支持单流多流同时录制。
（17）支持文件索引，支持实时片头片尾功能。
（18）实时性高：
直播延时≤1秒。
（19）观看直播数量无限制，支持断线自动重连功能。
（20）采用视频模块化设计，提供多个模块及多种接口兼容高/标清信号。
（21）配置TFT液晶屏与控制按钮，实现直播、录制的启动/停止、系统配置、文件拷贝。
（22）提供物理CONSOLE端口，通过多媒体中央控制系统或其他主流的第三方控制系统管理，实现远程打开/关闭录播系统，启动/停止直播和录制等其他的功能。
（23）支持用户的分级别管理，用户认证后才能观看相应级别的直播节目。
（24）FTP自动上传，与资源平台自动同步。
二.4.2图像识别定位系统
二.4.2.1图像跟踪主机ITS-1000
AVA图像跟踪系统对于每一个监视视频源，都有特定的图像识别程序进行特定识别，标记出相关信息，并根据视频源画面图像的变化，智能识别演讲者的位置，并驱动摄像头云台对演讲者进行跟踪拍摄。
被摄者无需佩戴任何标识性物品，简单、易用。
AVA图像跟踪系统结合具体的场合能够实现多个活动过程的识别跟踪，这些活动过程可以是主讲人演讲、听众发言、主讲人与听众交互、书写板书等场景。
当主讲人移动至相应区域，系统能实时判定出主讲人的准确位置，并触发相应摄像头，对主讲人及交互场景进行多角度、多画面拍摄。
系统参数：
a、可以自动识别目标位置、并动态控制摄像头跟踪拍摄，实现教师跟踪和板书跟踪，确保教师和板书特写画面，以及教师在课室范围内任意位置准确、实时拍摄。
b、一体化硬件设计，设备高度1U，稳定可靠，采用图像识别技术跟踪；
c、支持3路摄像的跟踪定位拍摄，分别对应教师区、学生区、板书区；
d、视频输入接口：
CVBS×3；分辨率：
720x576-PAL@25、720x480-NTSC@30
e、云台控制口：
RS-232/RS-485×4复用云台控制端口（PTZ），云台控制码可设定。
f、通讯端口：
RS-232/RS-485×1。
g、管理接口：
CONSOLE×1。
h、网络接口：
千兆网络接口。
第三章视频资源管理系统设计
录播系统的建立，为学校精品课程资源库的建设打下基础，单一的录播系统可实现下列基本功能：
建立优秀骨干教师课程库，完成学校优质课程的录制
为学校建立精品课程资源库；
教学课程直播，通过网络把教学活动向全校直播；
实现示范课教学、网络互动教学及远程教学活动；
学校进行教学评估、评比更为方便、准确和方便；有助于教师教学水平的提高。
学术会议的录制和直播，实现局域网、广域网的同步直播；
要充分地利用录播资源，提升录播系统的应用价值，在建设前端录播课室的基础上，搭建一套教学视频资源管理平台，把前端录播系统录制的视频资源自动上传到平台服务器，以平台管理方式实现资源共享。
这是基于视频的应用服务平台，该平台实现应用的全视频化，通过可视化网络教研、校园活动大规模直播、视频公开课堂直播观摩模块，通过虚拟切片、知识点等特色应用，增强平台的互动性、易用性及趣味性，从而为高校职院提供视频资源共享体系，为高校教师专业发展形成有力支撑，进一步扩大学校教育影响力.
三.1视频资源及应用管理平台系统功能
录播系统在高教系统的应用，通过学校搭建的教学资源管理平台，对前端精品课室录播系统上传的视频资源进行分类管理，从而实现以下功能：
三.1.1录播设备接入
支持录播设备参数设置，不限制接入的录播设备的数量，对于接入的设备，可完全融入平台，无缝点播、直播和交互，并可实现录播设备状态的监控。
三.1.2课表设置
支持自定义课表设置，数据库采用多层级设计，支持用户个性定义课程树结构。
三.1.3资源搜索
用户可以按多种条件搜索系统内的资源，资源搜索可按学校、年级、学科、教师、教学环节、知识点六类方式搜索。
用户可以通过点击首页的搜索窗口，进入到资源搜索页面。
上级用户可以对下级用户的搜索内容进行权限限制。
用户可对知识点或教学环节进行搜索，从而得到片段化课例视频。
三.1.4视频点播
对录播系统上传的课程视频，可进行常规视频编辑制作，经审核后由指定管理人员在网上发布，系统实现对资源的自动分类。
系统支持第三方设备所录制和制作视频的上传。
三.1.5视频编辑及发布
支持广泛格式的视频文件发布与录播录制的视频文件自动上传，能对节目进行分组管理和分门别类编辑制作等非常细致的管理，所带的视频截取工具可随意截取片段及画面，并作为视频节目的缩略图。
配置自动切片（原始切片）的导入，由录播系统自动将视频知识点、教学环节信息点（疑难重点）获取导入。
配置后期切片的管理，用户可通过后期进行信息点的编辑完善。
配置切片信息的搜索引擎整合管理。
图二切片示意图
通过独创的虚拟切片技术，实现知识点与视频进度关联的效果，用户可通过搜索实现所搜即所得，可以随意搜看45分钟课堂视频中的各个信息点，而无须为了某个信息点一堂课一堂课查找。
虚拟切片技术，解决了物理切片费时费力的传统问题，充分满足移动学习者的需求。
三.1.6微课视频
平台为特色课程提供微课（教学环节）切片，自动获取课堂的各个环节时间点（可人工二次补充），并通过人性化的界面展示出来，为教师提供特色课程的微课点播。
微课环节点需整合在播放器内，即用户全屏点播视频，亦可看到和选择不同微课片段。
三.1.7视频公开课
支持学校创建视频公开课模块，将校园的优质公开课、国内、省级公开课等资源，通过网络电台的方式直播到校园。
网络电台支持自定义创建，可实现类似优酷、CNTV等网络电视台的展现模式。
公开课直播观摩课堂的配置管理，支持任意设置直播课堂，并且在同一时间段，支持不少于25个公开课课堂的网络实时直播，每个直播课堂最少满足350个观看用户收看，网络延时小于1秒，并通过流媒体技术优化，最大限度减少网络中心带宽压力。
三.1.8系统管理
平台采用前台门户呈现、后台系统管理的分网站管理的方式，系统管理模块于后台运行，不对外公开，降低系统管理的安全隐患。
系统管理是对整个控制系统运行基本数据设置的管理，包括构建组织架构、用户管理、角色设置、系统设置。
日常维护及系统安全性的管理，包括：
日志管理、系统初始化、垃圾数据清理、菜单维护等功能。
构建组织架构
根据各级管理架构，系统管理员在系统中通过表单输入并定义组织的上下级关系，搭建系部组织架构，以便进行组织架构的管理。
用户管理
系统管理员能进行用户组的设置，维护用户组的设置情况，包括用户组的新增、修改、删除等功能。
并可以将用户分配到用户组中。
角色设置
提供针对各个组织机构及各种应用系统，设定和划分多权限角色、角色组的功能。
同时，对于角色的权限管理，还允许角色拥有一种或则多种权限模型，并可以对角色的权限进行动态的增加、删除、修改等操作。
系统设置
提供系统配置功能，包括数据目录树建立、录播设备参数设置等功能。
日志管理
日志管理主要由系统管理人员使用，负责记录每次对系统管理工作的情况，包括备份和恢复以及其他一些日常的数据库管理工作。
主要功能包括：
浏览管理日志、查询管理记录。
系统初始化
系统初始化是系统在正式运行之前进行的操作。
该操作会清除系统在试运行阶段的所有测试数据，它是系统管理员所特有的权限。
在清除数据时需系统管理员输入口令通过后才能执行该功能。
菜单维护
系统管理员可以根据系统日常运行的情况，或者应用系统功能的修改，相应修改重定义功能菜单列表。
三.1.9其它功能
立体式资源管理
平台支持“立体式”资源整合，围绕课堂视频，用户可上传相应文档，类型如：
教案、课件、课程设计、案例文档、辅助图片等，格式支持PDF、office、jpg等，实现课堂资源包的共享方式，相关文档亦可如课堂视频一样，实现在线查看，通过立体式的
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