小型壁挂常态化 录播系统解决方案


发布时间:2021-07-07浏览次数:1170

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第一章   背景介绍......................................... 2

1.1  技术背景................................................. 2

1.2  政策背景................................................. 5

第二章   现状及需求分析................................... 7

第三章   方案概述......................................... 9

3.1  项目建设目标............................................. 9

3.2  方案设计原则............................................ 10

3.3  方案设计依据............................................ 12

第四章   整体技术路线设计................................ 13

4.1  功能亮点................................................ 13

4.2  功能结构................................................ 18

第五章   子系统介绍...................................... 19

5.1  壁挂录播主机............................................ 19

5.2  智能跟踪导播系统......................................... 21

5.2.1       基本原理.................................................. 21

5.2.2       跟踪及导播策略............................................ 23

5.3  视频采集系统............................................ 23

5.3.1       4K电子云镜摄像机......................................... 24

5.4  音频系统................................................ 25

5.4.1       全指向性拾音器............................................ 25

第六章   设备清单........................................ 26

 


第一章  背景介绍

1.1    技术背景

改革开放至今,中国波澜壮阔的城镇化进程已经进入高潮期,预计到2020年中国的城镇化率将到达60%(数据来自《国家人口发展规划》),即未来每年将有1500万人向城镇迁移。高速发展的城镇化进程使得人才大量涌向城镇,政策、资源开始向城镇倾斜,城乡间教学水平、教育装备产生了巨大差距。

“十二五”期间,国家提出“三通两平台”工程,开始着力缩小城乡教育资源鸿沟,经过几年的大力发展,我国中小学互联网接入率已经逼近100%,城镇学校的普通教室配备多媒体电教设备比例已经达到了80%以上,农村比例也达到了50%以上。

在城乡教育装备均衡化开始步入正轨时,教学水平不均衡、师资不均衡等问题又开始逐渐暴露出来,一些偏远地区、落后乡村的学校、教学点开不齐课、上不好课的问题依旧广泛存在且日渐严重,所以无论教育装备如何升级,最终教育成果还是在人。而常态化录播,正是一种记录、传播“人教”的特殊产品。

Ø  常态化互动录播正在帮助学校探索更多新可能

互动录播是一种特殊的教育装备,其视频互动功能、点直播功能可以能够把教育过程中最关键的“人”带到现场,打破了时空局限,成为维系城乡教育、教研同步的纽带。

常态化录播具有互动录播的功能,为课堂提供了更多的可能性:

1、专递课堂

中国的大西北、大西南地区以及广大农村地区存在着大量教学点,而支教、驻点等传统的帮扶手段不具有稳定性和经济性。专递课堂是去中心化(无需中心机房)轻量级视频互动解决方案,通过网络让中心校辐射多个周边教学点。专递课堂使得教学、教研帮扶活动可长期稳定的进行,帮助落后地区开齐音乐、美术、外语等课程;帮助边疆少数民族儿童学习汉语知识;减少农村和城市儿童间的知识、文化程度上差距。

2、双师课堂

由于优秀师资稀缺,越来越多的学校和培训机构开办了双师课堂,即本校的普通教员辅助远程的专家老师进行网络授课。这种授课模式比较适用于优秀学生的提升教育,正在重点学校、知名培训机构间迅速推广。

3、其他

互动教研、网络外教、网络家长会……

常态化录播以其高性价比、易用、易维护的视频互动功能,正在帮助更多的学校探索教学教研的新可能。

Ø  常态化录播正在逐步走入多媒体电教室

常态化录播以其超高性价比的特点在各类互动录播的方案中脱颖而出。常态化录播可以有效兼容甚至代替传统的多媒体电教平台,且便于安装且易于维护,可以大规模装备于现有的班班通多媒体电教室。

Ø  常态化录播正在逐渐取代传统考场监控

传统的考场监控画面效果相对差、机位少、没有声音,而常态化录播采用4K摄像机、全向拾音器,能采集多个角度的4K超高清视频画面和全场景声音,相比于传统的考场监控效果更优。而且常态化录播还是智能化的考场监控,结合人脸识别、行为分析、图像分析技术的常态化录播可以自主判断考生在考场上的异常举动,并及时告知监考员。相比于考场监控,功能多样的常态化录播减少了重复建设,是更具性价比的选择。

Ø  走班制和常态化录播的融合

自2014年教育部发布《关于普通高中学业水平考试的实施意见》至今,正式开启了走班制改革。走班制改革对现行的教育管理提出了一系列要求,包括排课管理、调课管理、书柜管理、考勤管理等。发展至今,市面上的排课软件已经日渐完善,但考勤技术却进步较慢。

目前流行的考勤手段有IC卡、RFID感应等,这些技术手段存在考勤速度较慢、卡片容易丢失、冒领卡片考勤的情况。

常态化录播是迎合走班制的一种合理考勤模式,采用人脸识别技术,结合走班排课系统,进行有效考勤,学生和老师只需要正常地在教室内上课即可,无需佩戴手环、携带IC卡,具有无感知、高效率、防顶替等优势。

Ø  常态化录播将是课堂非结构化行为数据分析的前端

智慧校园建设的进程离不开数据,但是现阶段“教、学、管、评”的过程数据采集来源单一且失真,使得现行教育依然以考试分数作为最终评定标准。

其实,教学数据覆盖面大而杂,现行的智慧校园系统多是在结构化教学数据上做功夫,典型的如分数、学生互评、考勤、消费、德育考核、体育测试等。但实际教学过程中产生的绝大多数是非结构化的音视频数据,尤其是课堂行为,例如学生课堂活跃度、学生注意力集中程度、老师课堂互动环节比例、老师授课措辞规范程度等。这些数据往往存在于音频、视频之中,采集、分析的难度比较高,存储成本较大。

在不远的将来,我们就可以利用常态化录播随时分析这些数据,在前端的教室就将这些数据从几个GB的音频、视频中“提炼”出来,形成裸数据,再上传到大数据应用平台进行深度数据挖掘。为教学大数据发展提供技术基础。

1.2    政策背景

Ø  《教育信息化2.0行动计划》

通过实施教育信息化2.0行动计划,到2022年基本实现“三全两高一大”的发展目标,即教学应用覆盖全体教师、学习应用覆盖全体适龄学生、数字校园建设覆盖全体学校,信息化应用水平和师生信息素养普遍提高,建成“互联网+教育”大平台,推动从教育专用资源向教育大资源转变、从提升师生信息技术应用能力向全面提升其信息素养转变、从融合应用向创新发展转变,努力构建“互联网+”条件下的人才培养新模式、发展基于互联网的教育服务新模式、探索信息时代教育治理新模式。

Ø  《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年))》

提出“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以高度重视”,把教育信息化纳入国家信息化发展整体战略,超前部署教育信息网络。到2020年,基本建成覆盖城乡各级各类学校的数字化教育服务体系,促进教育内容、教学手段和方法现代化。充分利用优质资源和先进技术,创新运行机制和管理模式,整合现有资源,构建先进、高效、实用的数字化教育基础设施。加快终端设施普及,推进数字化校园建设,实现多种方式接入互联网。重点加强农村学校信息基础建设,缩小城乡数字化差距。

Ø  国家十二五“三通两平台”

实现宽带网络校校通、优质教育资源班班通、网络学习空间人人通以及建设“国家教育资源公共服务平台”和“国家教育管理公共服务平台”。拉近偏远地区、经济欠发达地区、薄弱学校的文化教育差距是目前国家教育信息化的重中之重。“促进教育优质均衡发展,提升教育教学效益”为导向,以“加强优质资源的建设,提高教育公平化”为核心目标,深层次应用计算机信息技术,加快教育现代化步伐,整体提升教育信息化的水平与效益。以构建优质教育资源体系为切入点,在科学发展观、现代教育思想和理论的指导下,以“促进教学改革和教育发展,实现教育信息化、均衡化、优质化”为总体目标。

第二章  现状及需求分析

“教育信息化带动教育现代化”是中央领导和教育部的倡导,也是教育工作者的共识。《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》提出了明确而具体的教育信息化发展规划与目标:到2020年,基本建成覆盖城乡各级各类学校的教育信息化体系,以促进教育内容、教学手段和方法现代化的进程。加强优质教育资源开发与应用,建立开放灵活的教育资源公共服务平台,促进优质教育资源普及共享。

2014年7月,教育部下发了《关于开展2014年度“一师一优课、一课一名师”活动的通知》,要求各地教育局组织广大教师参与“一师一优课、一课一名师”活动,推动信息技术和数字教育资源在中小学课堂教学中的合理有效应用和深度融合。

现阶段,对于录播教室的建设,我们面临以下难题:

(1)建设维护成本高昂。传统的智能录播系统受制于硬件成本以及技术策略,设备繁多、实施复杂,价格高昂,不符合常态化、普及化的应用趋势。

(2)搭建部署复杂苛刻。传统的智能录播教室涉及到智能录播、定位分析、定向拾音、音频处理等技术需求,往往需要一堆硬件设备集成,这会造成布线繁琐、应用复杂、售后成本高居不下的问题,不适合亲民化的应用趋势。

(3)平台整合效果不佳。录播资源平台是信息化校园中的一座孤岛,无法与课堂教学数据、学校管理平台形成互动,校级平台无法实现统一化管理。

(4)实际应用率很低。传统的智能录播系统缺乏人性化的交互设计以及缺乏简约的搭建设计,造成设备闲置、控制,不具备大规模应用基础。

所以,基于以上四个行业难题,我们迫切需要一套易普及、易应用的标准化录播系统,能实现真正的常态化应用,惠及每一位师生。

第三章  方案概述

3.1    项目建设目标

Ø  落实优课录制工作

全自动化录制优秀课程视频,落实“一师一优课,一课一名师”活动的要求。录制的课程文件符合相关标准,系统支持课程文件自动,且可以与省、市、区等各级优课上传平台无缝对接。

Ø  发展名师课堂

本系统协助学校发挥名师优势,通过在精品录播教室中进行公开课等活动,利用本系统即可向全网直播,支持PC、手机、平板电脑多终端接入,推动发展名师课堂。

Ø  实现远程教学、远程教研

多间录播教室之间可以进行同步视音频互动,实现多地一课。利用此功能,学校和学校之间可以举办互动教学、教学培训,有助于学校间进行结对帮扶、教学教研等活动,提升校际间交流效率。

Ø  建设特色教学资源库

建设一套教学视频应用云平台,有效整合学校已有及将有的视频资源,支持校园IP网络内的所有录播教室通过标准协议上传课件。平台具有美观大方的网页界面,展示学生和老师可以随时随地登录平台调用资源,实现优质教学资源的有效分享。

3.2    方案设计原则

Ø  先进性

一个技术方案的先进性设计体现在其设计理念与技术架构两方面上。

本司录播系统秉承简洁的设计理念,视频编解码和音频处理模块内嵌于录播主机而跟踪分析系统内嵌在录播主机内。既不需要独立的音频处理器,也不需要单独配备硬件跟踪分析设备。而且音频处理性能和跟踪拍摄效果依然优秀。

方案设计的技术架构高度集成化,使得设备精简且易维护。系统功能完善却不冗余,方案精致不失高端。

Ø  稳定性

良好的硬件架构设计是系统稳定的基础。我司工程师在本方案设计中,竭尽可能地减少硬件数量,简化线路连接,从而在硬件设计层面上就有力地保障了系统稳定性,极大地降低了硬件故障率。

在软件稳定性方面,我司的前端、后端软件激烈的行业竞争中多次迭代打磨,其稳定性经受住了市场严格的考验,享有优秀的口碑。尤其是在单机大规模的并发能力上,我司录播主机可稳定支撑超过百路的用户直播点播,软件架构的性能可谓行业一流。

Ø  开放性

本方案的大多数软硬件设计均采用国际标准协议,在私有协议或无国际标准的领域可以尽可能地提供API以供二次开发或第三方系统调用。系统的开放性决定了系统后期拓展的能力,过多的私有标准会限制系统的应用发展,本系统支持 HTTP/RTSP/RTMP/HLS 等多种串流协议,能无缝对接各类点直播平台。

Ø  实用性

实用性是系统功能考量中的重要一环。本设计中的录播系统可提供 1080P 全高清的录制和直播,生成课件符合国家精品公开课以及数字化校园建设标准,同时支持多达6种通用格式文件的同步生成,满足各类平台的应用。系统还可同步生成用于直播点播的单流文件以及视频素材保存的多流文件,全方位记录课堂场景。拓展互动模块后,录播系统可实现本地课堂以及异地画面的同时录制,记录最真实的互动课堂场景。

Ø  易用性

易用性是录播系统普及的其中一个关键因素,系统界面是否友好,操作步骤是否简洁,直接影响到用户的体验心态和设备的使用效率。我司提供了一目了然的控制面板,以供用户进行设备的日常控制,教师授课时只需点击启动按键,下课时点击停止按键,即可自动生成高清课件,教师无需了解额外的技术知识,也无需对教师进行专业的使用培训。后端管理员采用浏览器进行录播的控制访问,无论是在办公室还是设备机房,管理员均可便捷访问系统进行录播设备的控制,摄像机和画面的导播控制同样通过浏览器在线进行,导播界面通过框选位置操作,即可进行摄像机拍摄控制,控制操作耗费的时间只有传统操作的五分之一,管理员控制操作极其便利。

3.3    方案设计依据

网络设计和网络设备相关标准

IEEE802.3 10Base-T网络标准;

IEEE802.3 100Base-TX快速以太网标准

通讯协议相关标准

网络层和传输层TCP/IP协议并兼容IPX协议,支持PPP和SLIP协议。

布线和电气安装相关标准

GB/T50311-2000建筑与建筑群综合布线工程设计规范

GB50303-2002《电气施工规范》

GB50254-50259-96《电气装置安装工程施工及验收设计规范》

GYJ125-86《厅堂扩声系统声学特性指标标准》

GB6510-86《30MHz-1GHz音频和视频信号电缆分配系统》

GY106-92《民用建筑电缆电视系统工程技术规范》

《民用建筑电气设计标准》

GB/T50311-2000《建筑与建筑群综合布线工程设计规范》

产品相关标准

质量体系认证ISO9001:2008

中国国家强制产品3C认证

灯光照明相关标准

GB50034-2004《建筑照明设计规范》

施工安全相关标准

JGJ 147—2004《建筑拆除工程安全技术规范》

GB3787-1993)《手持式电动工具的管理、使用、检查和维修安全技术规程》

GB50348-2004安全防范工程技术规范

GB2894-1996  安全标志

 

第四章  整体技术路线设计

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‑1常态录播教室布局示意图

上图为一个标准常态录播教室的布局示意图,录播教室深度大约为8m;部署1台壁挂录播主机,2个电子云镜摄像机,1支阵列麦克风(全指向)。

另外,讲台上配置1个录播控制面板(选配),可以快速启动系统,开启课堂录制。

4.1    功能亮点

Ø  三条网线,极简设计

全套系统一共只有4个设备,只需为设备通电通网即可,且对环境要求低,建设成本小,无需装修和复杂布线,大大降低了故障率,不仅便于安装,更易于维护。

Ø  一个相机,两个画面,简而不凡

采用4K超清摄像机,内置电子云镜跟踪分析软件,可以在拍摄到的全景画面中再“裁剪”1个特写画面,取代两台传统摄像机,只需两机位就可以实现教师全景&特写,学生全景&特写的拍摄。

Ø  内置1对4视频互动MCU

单机支持SIP协议视频互动功能,内置强大软件MCU,支持1对4视频教学,实现多方音视频同步交互。

每台主机均支持主讲端/听讲端双模式,听讲模式下,可接收来自主讲教室的双流画面(PPT画面+导播画面)。

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听讲教室

主讲模式下,可以对每一个听课教室进行独立控制,可随时对每个听讲端拉入/踢出互动,或进行禁言操作。

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主讲控制端页面

Ø  行业独有P2P公网视频互动技术

我司自主研发的“公有云视频互动穿透服务器”,用户无需专线网络,只需@我司永久IP地址,无论是联通/移动/电信网络,均无需进行NAT配置、DDNS配置,随时进行公网视频互动。

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Ø  集中监看,方便管控

学校的每一套常态化录播系统都在集中控制管理平台上进行可视化展示,领导在办公室即可远程巡视上课现场,管理人员足不出户即可控制远程教室,大大提升了设备管理和运维的效率,提高了决策的科学性。

Ø  全网络直播,实现信息最大化

无需下载任何插件,支持通过互联网向PC、手机、平板电脑等全平台观看。采用云计算技术,拥有低延时、流畅及大并发吞吐能力,支持高清/标清双码流直播,满足不同地区的网络状态。

每台主机出厂都可配“专属直播间二维码”,微信扫描二维码即进入专属直播间观看直播。

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直播进行时系统会生成实时的直播数据,显示访问次数、观看时长、观看的IP数目、人均观看时长、人均访问次数以及观看的地域分布、观看直播所使用的终端、在线人数等。以便用户在后期对直播做内容修改以及在直播期间调整即将放映内容。

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4.2    功能结构

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‑2系统功能结构

第五章  子系统介绍

5.1    壁挂录播主机

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壁挂录播主机

录播主机内置DSP芯片(数字信号处理芯片)能对音视频信号进行编解码、拼接合成,生成标准化的高清多媒体文件并存储。

录播主机为嵌入式架构,采用ARM架构SOC芯片,运行Linux系统环境。录播管理系统是一套“客户端-服务器端”结构的软件,其服务器端就是在此Linux系统环境下运行的。

为了便于使用,系统还提供了WEB端管理导播界面,具体如下图所示:

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‑1录播系统软件界面

Ø  软件功能及特点描述:

WEB端导播软件:可以在多台PC或服务器上按照相应的软件实现功能,既有嵌入式的稳定,又有PCbase的灵活。

内置SIP视频会议功能,支持与视频互动应用系统的无缝对接,实现精品录播教室系统远程互动交流会议教研等功能。

采用标准的SIP协议进行视频互动,可以无缝对接索尼、中兴、华为、宝利通、丽视等国际知名企业的标准视频会议产品。

内置视频会议MCU软件,可以实现1对4的双流视频互动。

可通过IE浏览器进行设备的远程配置、管理录制和直播等操作。

支持跨网段、广域网的直播和点播、支持组播、单播。直播时支持自动断线重连功能。

支持用户分级别管理,用户认证后才能观看相应级别的直播节目。

支持文件索引,支持FTP自动上传功能。

在线点播VOD,支持直播、录制、点播在精品录播教室主机中实现并同时提供使用功能。

5.2    智能跟踪导播系统

5.2.1 基本原理

本方案智能跟踪导播系统的基本运作原理是,由4K电子云镜进行全景画面采集,由录播主机内置的图像分析芯片分析目标动作。将分析结果反馈给4K电子云镜,每秒截取30帧1080P的特写画面以跟拍活动目标。

同时,录播主机不断地与4K电子云镜进行状态同步,再由录播主机根据预设好的导播策略,对照当前的具体跟踪状态进行画面切换操作,最后呈现给用户。

本系统具有传统的移动侦测、人脸识别和特征分析技术的优点,在确保对分析区域有效覆盖的基础上,采用我司具有自主知识产权的图像分析技术提高跟踪对象识别率,实现准确定位,从而控制特写镜头锁定目标进行智能化的精细跟踪,让跟踪效果平滑细腻。

系统采用宽动态智能防抖+微控制技术,对目标动作和移动作出分析和判断,使目标在小范围移动或很缓慢移动的时候,摄像机可以进行以目标为中心的画面锁定拍摄或肉眼不易察觉的“微控制”跟踪拍摄,从而保证画面始终流畅稳定,不抖动,不晃眼,符合视觉需要。

Ø  分布式跟踪导播系统设计理念

传统的录播教室跟踪导播系统一般采用中央处理设计理念,其典型特点就是以1台设备(跟踪主机/录播主机)为中心,主机要负责对所有图像采集前端(全景摄像机/监测球/红外定位等)的信号进行分析,还负责根据导播策略进行导播切换。这会造成两大问题,第一是容易对主机设备带来较大的运算压力,不利于长期稳定运行;第二是视频信号和控制指令在传输的过程中要经历:“视频编码-传输-解码-分析控制指令编码-传输-解码”的过程,最终导致人眼可见的延迟。

本系统的图像分析模块内置在跟踪录播主机中,相比传统的中央处理设计理念,有以下优势:

1、图像分析工作由2台分析摄像机和录播主机共同完成,在当今市面上嵌入式芯片运算能力有限的情况下,有效地减少了系统的负载,减少功耗和发热,保障了系统运行的稳定性。

2、在录播主机使用同样图像处理芯片的前提下,由于录播主机不需要负担图像分析工作,所以可以进行更高水平的图像编解码,可以对更多路的高清高帧率的图像进行编解码和串流。

3、不需要进行长距离的视频-控制信号回传,摄像机和录播主机只需要通过IP网络同步状态信号即可,极大地减少了传输延迟。

4、不需要复杂的安装和布线,只需要安装2台摄像机即可。

Ø  多维图像分析及模式识别技术

依据教师、学生、板书不同拍摄目标采用专有主体分析摄像机,将整个教室空间进行多维度的区域划分,可准确探测到区域内主体运动变化,通过多种模式综合判定摄像机画面的精确切换。

Ø  阈值分割与边缘检测跟踪算法

依据各教室的不同场景(宽高不同)可灵活设定各区域的阈值范围;依据各主体的实际情况(各年级身高不同)可灵活设定拍摄主体阈值范围;依据各画面的不同活动方式(教师移动幅度大小)可灵活设定活动区间阈值范围;通过边缘检测跟踪算法可准确识别各区域之间互动场景转换,实现上课师生之间互动的精确判断。

5.2.2 跟踪及导播策略

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‑2跟踪导播策略示意图

5.3    视频采集系统

视频采集系统由2台4K电子云镜摄像机组成,每台电子云镜摄像机充当传统录播系统全景、特写、分析3台摄像机的作用。

5.3.1 4K电子云镜摄像机

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‑3 4K电子云镜摄像机

基于LIUNX架构,模块化设计,支持2路RTSP网络流输出,一台摄像机即可完成特写、全景两路景别拍摄。

接口:1路RJ45网口,支持POE供电。

分辨率:8 MegaPixel,焦距:7.35mm 有效像素:3264*2448,向下兼容1080P视频输出。

相机采用E-PTZ电子云台高集成技术,无须机械转动,无需跟踪主机,无需辅助摄像头,通过画面裁剪技术即可完成特写拍摄。并输出2路1080p视频用于视频录制。

基于深度学习的人体检测及锁定跟踪智能图像算法可自适应教师身高,可锁定跟踪长时间静止的目标,可识别并排除进入跟踪区域的非教师目标,可智能识别单个或多个学生的起立或坐下画面并给出相应的特写定位镜头。

在上课场景中需要进行全景与特写切换时,支持瞬间图像定位、放大缩小无拉近拉伸镜头。

5.4    音频系统.

本音频系统结构简单,功能实用,只需要1支全指向性拾音器即可实现远距离拾音、主动降噪、回声抑制等功能,是一种高性价比的方案。

5.4.1 全指向性拾音器

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4全指向性拾音器

全指向性拾音器是专为教室打造的远距离、宽覆盖拾音场景的应用利器。其清晰圆润的声音特色甚至可媲美录音室的音质,适合应用于教室扩音、录音、常态化录播录制等场所。

第六章  设备清单

序号

产品名称

单位

数量

品牌

型号

备注

A.主要设备

1

小型壁挂录播主机

1




4

全指向性拾音器

1~2



每支支持40㎡

5

4K电子云镜摄像机

2




B.多媒体电教平台

1

交互式智能平板

1




2

2.4G扩音系统

1




3

高拍仪

1




4

组合推拉黑板

1




5

讲台

1




C.其他

1

辅材

1


国标


2

布线及设备安装

1


国标


3

软件调试

1


国标



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19968292400(广西)
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