教育视频全自动高清录播系统解决方案.docx
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教育视频全自动高清录播系统解决方案
网络教学实时全自动高清录播系统项目
解
决
方
案
广州市奥威亚电子科技有限公司
2012-09-13
一、项目背景
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。
二、需求分析
现场录播:
利用AVA多媒体教学录播系统(AVAPROPRE8HD,支持4路高清视频、2路VGA信号)实现对课堂教学过程或会议现场进行实时录制、直播,并通过教育专网络向专网内学校进行实时转播。
VOD点播:
录制完成的课程直接通过IE浏览访问,根据需求可通过打点功能、发言人、日期、学科等方式进行查找视频并进行在线点播。
情景互动:
通过教室老师与学生的情景互动,鼠标点击导播平台任意一路都支持任一路画面全屏显示。
三、实现目标
整套系统采用软硬件结合,采用一套音视频信号采集设备,将学校教学现场的音视频及电脑信号录制到录播设备中,并可根据需要对录播内容进行保存以备日后进行VOD点播。
四、遵循的标准和规范
JGJ46-81《工业企业通信设计规范》
GB50198-94《彩色电视图象质量主观评价方法》
GYJ25-86《厅堂扩声系统特性指标》
GB4959-95《厅堂扩声特性测量方法》
GB/T4197-93《声系统设备互连用连接器的应用》
GB/T4197-94《声系统设备互连用联机器的优选配置》
GB/15644-95《视听系统设备互连用连接器的应用》
GB/15859-1995《视听、视频和电视系统中设备互连优选配接值》
GB12060-89《声系统设备一般术语解释和计算方法》
JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》
GB50222-95《建筑内部装修设计防火规范》
相关的国际标准:
ITU-TH.320基于链路交换网连接
ITU-TH.323基于TCP/IP的分组交换网(以太网、局域网)
ITU-TH.120音频和视频的兼容性
ITU-TG.722、G.711、G.728音频信号传输标准
ITU-TH.263、H.264视频编码推荐的标准
五、系统整体规划
六、AVA全自动录播教学系统功能介绍
PROPRE8HD录播设备提供了4组模块化接口(HD-SDI/HDMI/VGA/YPbPr/S-Video/CVBS)4路高清视频+2路高清VGA输入(单流导播中共有6个画面同时存在),实时无缝DVI环出以及2路模拟立体声音频信号输入接口。
每高清视频能兼容标清视频。
PROPRE8HD录播系统在后台通过管理电脑的导播平台界面对这些视频和计算机信号之间进行实时切换。
管理人员可通过导播平台界面,鼠标点击监控画面控制摄像头运动,鼠标中键直接调整变焦范围,使跟踪功能简单易用。
PROPRE8HD录播设备具有录制、点播和超强直播等功能,通过设备内置的硬盘可将过程记录下来,供后期编辑和点播。
PROPRE8HD录播设备集成度极高,可以省去多余外部接线和信号的调试工作,使设备的使用变得极其简单,只需一位操作者就能完成全部工作。
特别适用于本次项目的录播系统建设的需求。
6.1、系统优势
1、录播系统主机AVA-PROPRE8HD是高集成度一体式设备,录制、直播和存储等功能集成在同一台录播主机上(而不是采用多台设备完成录制、直播和存储等功能的繁杂系统)。
VGA信号采用硬采集方式,任何电脑无需另安装软件或采集卡,便于使用、管理和维护。
2、录播系统录制的文件有单流和多流、单流多画面,三种模式供用户根据需求自由选择。
3、手动导播录制模式具有远程导播、远程监视和远程控制摄像头跟踪等功能,以上功能整合在同一界面内。
导播平台能够同屏显示所有的输入视频和VGA画面,并且提供监视实时直播画面。
4、导播功能和控制摄像头功能通过远程来操作完成控制,任何情况下管理人员不需在现场操作,不需增加任何硬件辅助来实现。
导播功能是由管理人员通过鼠标点击就能在多个画面之间实现图像切换,图像切换平滑,没有“跳动”现象,并能实现多种画中画功能。
控制摄像头功能是由管理人员通过鼠标点击相应物体即可实现跟踪,同时滚动鼠标滚轮即可对物体进行放大和缩小。
管理人员还可在预先设置的多种取景模式之间进行场景变换。
5、录播主机能实现4路高清视频和2路高清电脑视频的输入,在实现单流画面录制时,能在多路画面之间切换;2路高清电脑的分辨率可达到1600×1200的,帧率最高30帧/秒,可流畅的播放高清动态画面(如高清的飞行表演等动态画面)。
支持DVI环出,以便与校园电视台及观摩室大屏无缝对接;支持单流、多流、单流多画面,以便用户根据实际情况选择录制模式。
6、实时性高:
非网络直播延时<1秒,录制/直播保持同步。
7、主机自带LCD真彩液晶屏和按钮,可通过液晶屏和按钮,设置系统参数同时可控制直播、录制的启动和停止。
录制完毕,可通过面板上的USB口,直接拷贝录制好的文件。
8、支持跨网段、广域网的直播和点播,支持组播。
9、直播时支持自动断线重联功能。
10、在线点播VOD,支持直播、录制、点播同时使用。
6.2、功能特点
6.2.1、导播平台
导播平台内嵌于录播系统中,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,以WEB方式通过网络进行远程导播。
导播平台可将多达4路高清视频和2路VGA的输入信号及输出画面集中在一个界面内展示出来。
输入画面的内容采用人工导播的方式,通过点击输入信号画面中的目标位置、滚动鼠标滚轮等方式来直接对相应摄像头进行操控。
管理者根据需要,在多路输入信号中,直观地挑选合适的画面,切换到直播主画面,并对其进行录制、直播。
图像切换平滑,没有“跳动”现象,并能实现多种画中画功能。
整个导播平台管理界面直观、简洁、明了。
如上图所示,上方的图像为最终输出内容;下面是输入的高清视频及VGA信号:
VIDEO1~4、VGA1~2。
所有的操作只需通过鼠标即可完成,简单、灵活,无需太多专业技术知识。
(导播的信号源只显示录播主机的输入源的数量)
6.2.2、视频切换功能
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。
管理者在切换前,可以通过对输入画面的移动、推拉等操作,来直接控制相对应摄像头的拍摄画面。
在调整完毕后,再选择画面切出去,以获得更加合适的拍摄画面。
整个画面调整过程都在后台完成,不影响直播及录制的效果。
6.2.3、云台控制功能
1)、鼠标点击跟踪:
鼠标点击视频窗口中的目标位置,摄像头自动将点击目标位置置于拍摄画面的正中。
2)、云台控制(上下左右移动):
移动平滑稳定、支持移动速度的定义;ZOOMIN/OUT:
画面的推拉效果;预置场景快速按键(远景、中景、近景、全景),直接快速到达预置位置。
3)、支持灵活的ZOOMIN/OUT操作:
利用鼠标的滚轮来实现ZOOMIN/OUT的控制,滚轮向前滚,摄像头画面的向前推;滚轮向后滚,摄像头画面的向后拉。
4)、自定义的ZOOM速度控制功能,能够调整ZOOM的运动速度,实现快速、缓慢的效果,增强视频的表现效果。
6.2.4、实时直播
AVA录播系统内置直播服务器功能,远程用户通过IE方式登录录播系统主机,即可观看到直播节目。
AVA录播系统支持单播功能和组播功能:
1)、单播功能,每一个用户直接与系统连接,适用于普通应用;
2)、组播功能,可以把直播发给更多的用户。
组播功能可以大大扩展直播的数量;组播只占用一路带宽,特别适用有大量收看端的场合。
6.2.5、同步录制
AVA录播系统能实现单流的录制和多流的录制,两种模式自由设置,满足不同用户的需求。
1)、单流录制模式
单流录制模式指一个节目只显示一个现场画面,画面内容不但支持多路视频、VGA信号的切换显示,而且支持视频叠加等各种显示模式,并可在各种显示模式间无缝切换。
2)、多流录播模式
多流技术的使用主要表现在多路视频的独立处理,包括教师视频、学生视频和计算机视频。
各路视频之间没有画面覆盖的情况,能保留最完整的教学过程,可用于录制素材资料。
每一路视频都是独立的,可通过编辑软件在后期单独的把其中任意一路视频导出。
6.2.6、在线点播
AVA录播系统内置点播服务器,可以将录制生成的文件通过手工或自动的方式上传到点播报务器,并在后台管理系统中生成点播列表。
经过授权的终端用户通过IE浏览登录到系统平台,便可根据需要调出相应的视频片段。
6.2.7、远程管理
后台管理系统是PROPRE录播设备的支撑运行平台,具有系统直播管理、点播管理、用户管理、资源分类、用户认证、权限设置等功能。
6.2.8、后期编辑
后期编辑是AVA录播系统的后期处理工具,其主要完成对AVA录播系统录制所生成的文件进行再压缩、剪切、拆分、合成和索引信息添加、修改等功能。
后期编辑工具具有动态标识、精确定位功能,在剪切、拆分、合并等编辑过程中能够实时对文件进行多窗口同步完整回放。
用户在使用过程中能够方便、直观的进行编辑操作。
6.2.9、控制面板
配置2.8寸TFT液晶屏与控制按钮,实现开/关机、直播、录制的启动和停止、系统运行状态、系统配置、文件拷贝等功能。
提供标准USB接口,可接入移动存储设备,通过控制面板操作复制存储在设备中的视频片段。
6.2.10、播放软件
1)、使用通用播放器,如WindowsMediaPlayer:
单流方式
2)、使用AVAPLAYER专用播放器
单流方式
使用AVAPLAYER播放器有两部分的优点:
AVAPLAYER播放器对播放文件的画质做了大量优化工作,使画面有很好的还原。
AVAPLAYER在直播中的延时小于1秒,比MicrosoftMediaPlayer缓冲时间大大缩短。
6.3、图像识别跟踪系统
6.3.1图像识别智能跟踪简介
AVA图像识别跟踪系统能够智能识别活动中的人像,准确捕捉演讲者(教师、学生)的位置变化,智能驱动一体化云台摄像头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,并触发拍摄角度最佳的摄像头,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。
这些活动过程可以是教师授课、学生发言、教师与学生交互、书写板书等场景。
AVA图像识别跟踪系统创造性的引入"模糊防抖技术",使得演讲者在可预见的范围内小幅移动时,自动跟踪系统仍能保持摄像头的稳定不动,尽可能在拍摄到演讲者画面的同时,减少摄像头的频繁转动,大大提升了拍摄效果的合理性、流畅性、稳定性。
防抖动平滑跟踪场景
该系统以其性能稳定,简单易用的特性广泛应用于精品课程、多媒体教学等的视频录制等场合,非常适用于对教室内教师授课的动态行为进行智能化自动跟踪的场合,跟踪效果可以媲美专业摄像师手工操作摄像的效果。
◆新异概念——图像识别智能跟踪摄像系统可自动追踪地探测、跟踪运动目标,实现对运动目标的自动跟踪,便于对教师教学活动进行实时转播、录像,彻底改变录像画面不连贯等问题。
◆图像识别自动跟踪——跟踪范围不仅仅局限于摄像机固有的视野范围内,而是在整个教师活动的范围内,无论教师在活动范围内做任何动作都能自动跟踪,并且始终保持教师在图像中的位置,不会出现半边身的情况。
◆自动识别多个目标——当系统探测到多个人活动时,跟踪效果不会因为其他活动目标的影响,系统自动会给予一个多人交互的全景画面,使录制下来的视频更加贴切实际的教学过程,重现教学实况。
自动识别多目标全景跟踪
◆自动完成——跟踪摄像工作可由系统全自动完成,而不需要操作人员的帮助。
由于任何一个操作人员在未知状态下,无法长时间注意画面。
为此,该系统全面解除人工疲劳因素影响,保障系统可靠运行,实现自动跟踪录制。
6.3.2图像跟踪技术原理
上述已说明本系统是由教师智能跟踪摄像机、学生场景智能跟踪摄像机、板书摄像机以及后台进行图像处理智能跟踪的AVAITS-1000图像智能跟踪设备共同构成该系统;经由AVAITS-1000进行图像识别跟踪处理后智能跟踪摄像机把采集到的场景实况传送给AVAPROPRE录播系统进行实时采集编码发布等工作。
见下图示:
图像跟踪示意图
该技术具有防干扰性强,无频率干扰的优点,不受其他障碍物和亮光影响。
老师和学生均无需佩戴任何辅助设备(如无线咪和遥控器等),无需持话筒,也无需在座椅安装任何辅助设施(如按键合感应器等),更不需使用有要求的课座椅,实现完全常态化的教学和现有资源的高效利用,并能完美保持课室内部装修的美观。
AVA智能图像识别跟踪系统支持教师与学生活动区域灵活设置,与AVAPROPER录播系统完美结合使用,系统根据图像识别处理后将驱动摄像头实现不同场景的跟踪与切换,以确保课堂教学活动的录制和直播。
同时,还能智能识别老师板书并进行特写跟踪拍摄,能清晰拍摄5cmX5cm的字体,字体像素点阵在20X20以上,教室的板书内容及板书的讲解过程均能实现完美的录制和直播。
板书跟踪与教学电脑展示
6.3.3图像跟踪系统特点
图像识别系统经常采用的重要方法之一是利用图像匹配模型进行目标的定位、跟踪、识别。
图像匹配模型的实现过程是把不同视频源或同一视频源在不同时间、不同成像条件下,对同一事物获取的两幅图像在空问上配准,或根据已知模式在另一幅图像中寻找相应的模式。
AVA公司图像识别跟踪就是基于模版匹配法基础上融入行为特征分析的高智能,高准确的新一代图像识别跟踪系统。
系统采用:
✓嵌入式管理系统,与跟踪主机紧密结合;基于B/S架构,通过IE等浏览器即可进行管理。
✓采用图像识别技术跟踪,具有3个独立的跟踪模块;具有自动、准确的定位教师/学生/板书的位置,并能控制摄像机实时跟踪拍摄教师/学生/板书;具有2机位/3机位/4机位拍摄方式。
✓自动识别距离的远景自动调节摄像变焦功能始终保持教师/学生/板书的特写画面;特写画面的大小可以调节。
✓具有多人员识别与拍摄策略;单人员是特写拍摄、多人员是全景拍摄。
✓支持区域屏蔽功能,避免这个区域的人员干扰活动,提高系统识别效果。
✓采用连续性识别与定位拍摄技术,实时跟拍每一个位置,保障拍摄的流畅与自然;也特别适合板书中公式等书写过程拍摄;支持移动速度的设置。
✓具有“模糊防抖”功能,避免人员小幅度活动时引起的摄像机画面抖动现象。
✓摄教师/学生/板书不需佩戴任何定位装置、或开关按钮等。
✓抗干扰能力强大:
不受光线、声音、电磁等等外在的环境影响。
✓设计合理,实现全自动的跟踪功能,连接结构简单,安装实施方便。
✓兼容性强,标准化云台接口,支持多种云台设备。
✓采用图像识别技术的自动跟踪系统,老师学生无需佩戴任何辅助设备,无需持话筒,也无需在座椅安装辅助设施,更不需使用有要求的课座椅,最大限度的保证常态化教学、现有资源的高效利用及保持课室内部装修的美观。
✓跟踪系统能够自动、准确的定位教师/学生的位置,并能实时的跟踪拍摄教师/学生,保持教师/学生特写画面或图像取景的预置范围内;清晰跟踪拍摄书写板书内容及板书的讲解过程。
✓支持教师活动区域灵活设置,并且能够识别教师在讲台区域还是走向学生区域,配合录播主机实现不同场景的切换,确保教学活动的拍摄。
✓通过图像识别跟踪技术能准确定位发言学生并进行跟踪拍摄。
✓跟踪系统不能够受到光线、声音、电磁等等外在的环境影响导致跟踪失灵。
6.3.4教师智能跟踪摄像
教师跟踪定位摄像主要采用一体化云台摄像球机、跟踪辅助摄像机、后台的图像跟踪系统AVAITS-1000主机等组件共同完成,而PROPRE8HD(集成教师图像跟踪模块)它的跟踪原理与此相同。
其主要工作原理如下图所示:
教师摄像跟踪示意图
AVA创新的图像识别自动跟踪技术,可以搜寻并跟踪移动目标,完全脱离人工操作,跟踪过程不受外界干扰,摄像机云台运动非常平稳,不会出现剧烈地晃动,能够将目标牢牢锁定在图像的中央。
根据实际的情况,授课教师在讲台区域走动是,系统始终以教师为图像的中心位置,进行防抖平滑跟踪,当授课教师背对摄像机书写板书时,图像识别跟踪系统会立即自动地将主输出信号切换至专用的板书摄像机,给出黑板特写位,清楚地将老师的板书拍摄下来,由从而达到高清晰板书录制效果。
在配合不同型号的PROPRE录播系统时,教师智能跟踪摄像所担任的跟踪效果有所不同。
同时板书跟踪摄像机亦可根据实际应用将其改为全景摄像机,如:
为使录像画面内容与现场场景的配合更加出色完美,全景拍摄与导播系统相配合,当老师走到讲台一侧或板书时,导播系统会智能地将画面自动切换到教室全景或者黑板特写,不会出现整堂课只拍摄教师、学生特写画面。
从而使录像结果更加附合国家精品课建设标准要求。
教师板书跟踪
6.3.5学生场景高速定位摄像
学生摄像与教师摄像采用的设备相同,它部署位置则安装在黑板上方,通过学生辅助摄像机对学生的活动进行图像识别跟踪,在图像识别跟踪系统ITS-1000的指挥下进行预置位之间的快速切换,可以进行学生全景、分区特写、个别学生特写位之间的平稳切换。
学生自动跟踪示意图
学生发言跟踪
教师与学生互动场景
录制生成的教学录像因为有了学生的课堂参与而丰富生动,也进而满足了国家教育部对师生交互场景在精品课程教学录像中的要求,更重要的是,切换过程的灵活控制完全由图像识别跟踪系统ITS-1000与PROPRE录播系统完美配合指挥完成,解放了专业录像人员,使录像过程变得自动化、智能化,而且授课老师的课堂表演更加流畅和衔接自如。
对教师授课而言,授课教师站在讲台上本身就是课堂现场的导演,课堂是否生动完全由教师根据现场情况适时进行学生的调动来达到目的。
现在,加入了新的导演元素,因为授课老师对课堂进程、学生反应和授课内容的适时把握,也使得录像画面内容与现场场景的配合更加出色完美,避免了一些精品课程录像中常出现的“为了切换而切换”的生硬感。
6.4数字音频处理系统
6.4.1音频处理概述
采用革命性的数字音频处理技术进行音频控制及处理,多功能集成化,计算机调试;内置多路的输入输出矩阵结构及多项的音频处理功能;大大的减少了外围设备,节约资金,调用方便,操作简单。
AVA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(如会议模式、文艺演出模式、演唱会模式等)编辑存储,根据现场使用情况选择与之符合的声场程序,保证了兼容性,从而达到良好的听音效果。
提供综合的管理软件,操作人员只需轻轻点击下鼠标,不用再向以往一样,在现场调整复杂的大型调音台来完成功能转换,大大简化了操作难度。
AVA数字音频处理器实现良好的声音拾取与回放:
1)提高清晰度和可懂度,以使讲话的每个词都十分清楚;
2)整个音场均匀分布,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。
6.4.2音频处理连接图
6.4.3数字音频矩阵
采用全数字音频处理技术,具有多路输入通道和多路的输出通道、支持任意的输入通道组合之后输出到任意的一路或多路输出。
输入源提供三种输入方式:
麦克输入,线路输入和无输入。
输入信号静音、灵敏度、幻象电源:
48VDC、增益宽、麦克输入有幻象电源、自动增益,灵敏度等控制功能。
6.4.4数字音频处理
采用全数字音频处理技术,具有多路输入通道和多路的输出通道、支持任意的输入通道组合之后输出到任意的一路或多路输出。
输入源提供三种输入方式:
麦克输入,线路输入和无输入。
输入信号静音、灵敏度、幻象电源:
48VDC、增益宽、麦克输入有幻象电源、自动增益,灵敏度等控制功能。
6.4.5自动回声消除
回声是一直存在的,专门的研究机构做过专门的测试,声音的传递小于20毫秒左右的时候,人耳一般听不出来,超过50毫秒,只要有微弱的回声人耳就能听得到。
AVC回音消除的原理就是信号出去,然后从麦克风收到的信号肯定是这些信号各种各样的直接间接的传递,反射回来的信号叠加到一起,我们通过特定的算法,叠加结果计算出来,这样就能得到一个回音信号和麦克风信号,在这样条件下如果计算出来的和麦克风信号一样,就可以把回声部分直接消除掉,留下一个清晰的声音。
6.4.6声反馈啸叫消除
当用话筒扩声时,厅堂内的反射声会重新进入话筒,如果反射声的声级足够大就会产生声反馈啸叫。
AFC首先把模拟信号变成数字信号,然后使用数字采样滤波处理技术;发言人说话的声音,经过麦克风以后照原样送出去,放大后播放出来;然后把从喇叭出来的信号回到麦克风的这一部分滤掉、降低;这样就完全切断了声反馈的产生途径,避免了声反馈的产生。
6.4.7自动增益控制
AGC自动增益控制,自动增益控制提供语音电平调节能力,它把减弱了的和加强了的信号映射到一个用户定义的最理想电平。
AGC具有区分加强了的信号和轻柔信号的能力,避免了固定式的修剪,保持住对话声调的连贯和让话音易于听清楚。
七、AVA教育视频资源管理平台系统
7.1、系统概述
随着录播设备在学校普及应用,如何合理并最大化使用设备,也是用户日渐关注的问题。
当前各种学习平台主要存在以下问题:
●教学视频录制设备无统一管理,录播课室利用率未能得到最大发挥,造成学校资源的浪费,大量的教学视频录制管理工作也面临极大挑战。
●教学资源的管理简单,知识单元内容单一化,未能支持多种格式的文件混合打包,也无法实现知识单元内容的导入、导出、共享。
●教学资源的再利用较困难,检索、浏览以及共享的方式有限,极大限制教学资源价值的发挥。
基于当前存在的问题,因此在学校信息化进程中,必须采用新模式的学习平台,释放大量的管理人员繁重的工作,合理设计教学单元,实现教学案例的多人评价,并且在此基础上,实现教学资源的整合及再利用,由此我们提出全新的解决方案,即“AVA教学视频资源管理平台”,简称“ACM”。
同济大学各学校可登录“AVA教学视频资源管理平台”点击转发模块,收看直播。
通过检索发言人、年级、学科等方式进行快速查找录像进行在线点播。
支持对教学单元视频进行打点、虚拟切片并记录评价(仅管理员指定用户有此权限),支持按打点信息控制视频进度。
支持课件加密功能,有效保护教学资源。
7.2系统架构
采用多地址安全策略,可分别通过三个不同地址进行访问(须预先设置);
系统采用三层B/S(浏览器/服务器模式)架构;
系统基于Web技术开发,所有用户无需另外安装客户端软件,只要使用浏览器就可以进行使用和管理的有关操作;
系统支持多种主流服务器,支持WindowsServer系列;
系统支持SQLServer等大型数据库。
系统采用模块化的架构设计;
管理系统与
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