陳宗讓　李曉銘

【摘要】課堂教學(xué)自動(dòng)錄播系統(tǒng)是高校精品課程建設(shè)中不可缺少組成部分,通過分析當(dāng)前自動(dòng)錄播系統(tǒng)中教師與學(xué)生圖像跟蹤方式存在的優(yōu)點(diǎn)和不足,提出了較新的“主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格”的技術(shù)方案,并對(duì)該方案的主要技術(shù)做了進(jìn)一步闡述。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)錄播;圖像跟蹤;主動(dòng)紅外;空間網(wǎng)格

【中圖分類號(hào)】G40-057 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【論文編號(hào)】1009—8097(2009)07—0114—02

由于教育部對(duì)精品課程建設(shè)及一般高?；诰W(wǎng)絡(luò)的教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)的共同需求,各高校都在加緊進(jìn)行精品課程建設(shè)的課堂錄像工作,《課堂教學(xué)自動(dòng)錄播系統(tǒng)》正在大部分高校中興建。該系統(tǒng)包括諸多高端技術(shù),圖像跟蹤技術(shù)是其主要技術(shù)之一。

圖像跟蹤,是一個(gè)較復(fù)雜的過程,包含多種技術(shù)在內(nèi)。本文提到的圖像跟蹤技術(shù),不是指跟蹤的全過程,僅指能夠觸發(fā)并指揮攝像機(jī)移動(dòng)的技術(shù),即只是告訴攝像機(jī)去哪里,至于去不去、該誰(shuí)去、怎么去在這里暫不做分析。首先對(duì)自動(dòng)錄播系統(tǒng)中圖像跟蹤方式的現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)單分析。

一 錄播系統(tǒng)中圖像跟蹤方式的現(xiàn)狀及存在的問題

在自動(dòng)錄播系統(tǒng)中,圖像跟蹤技術(shù)主要包括兩個(gè)方面,即教師圖像跟蹤技術(shù)與學(xué)生圖像跟蹤技術(shù)。

1 教師圖像跟蹤技術(shù)

當(dāng)前教師圖像跟蹤技術(shù)主要有基于信號(hào)的探測(cè)方式和基于圖像分析和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的人像識(shí)別方式兩大類。

(1) 基于信號(hào)的探測(cè)方式

基于信號(hào)的探測(cè)方式主要有兩個(gè):

被動(dòng)式紅外探測(cè)技術(shù)——將紅外發(fā)射裝置放置在被跟蹤對(duì)象身上,接收裝置安放在攝像機(jī)旁,攝像機(jī)根據(jù)紅外接收裝置接收的紅外信號(hào)的方向決定攝像機(jī)拍攝方位[1]。該方式的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)較成熟、成本較低、施工較簡(jiǎn)單。主要缺點(diǎn)是抗干擾能力較差;教師側(cè)身或轉(zhuǎn)背紅外信號(hào)丟失,無法判斷拍攝方向;拍攝高度無法自動(dòng)調(diào)整;無法判斷被拍攝對(duì)象的距離從而設(shè)置出中景、遠(yuǎn)景、近景等效果。

主動(dòng)式超聲波探測(cè)技術(shù)——將多個(gè)具有特殊頻率的超聲波發(fā)射和接收裝置安裝在黑板的下方,根據(jù)超聲波接收裝置接收的反射波變化來決定攝像機(jī)拍攝的方向。該方式的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)較成熟,可判斷被拍攝對(duì)象與黑板的距離。由于超聲波發(fā)射角度偏大,所以拍攝方位的精度不太高,易出現(xiàn)視頻信號(hào)來回切或攝像機(jī)不斷左右擺的誤操作,同時(shí)它無法判斷被拍攝對(duì)象的高度從而自動(dòng)調(diào)整攝像機(jī)的拍攝高度。

(2) 基于圖像分析和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的人像識(shí)別方式

該方式是依靠計(jì)算機(jī)的專門軟件,對(duì)攝像機(jī)捕獲的人像進(jìn)行分析處理,將其設(shè)定為跟蹤對(duì)象,使其始終處于攝像機(jī)的拍攝范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)人像的自動(dòng)跟蹤,并可實(shí)現(xiàn)鏡頭的推、拉變化等。由于其外圍設(shè)備的大幅減少和施工難度、復(fù)雜度的降低,很受用戶歡迎。這是當(dāng)前技術(shù)含量較高的跟蹤技術(shù),也是課堂教學(xué)錄播系統(tǒng)跟蹤技術(shù)的最終解決方案。

由于基于圖像分析和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式的跟蹤系統(tǒng)技術(shù)含量高,造成設(shè)備成本較高,很多該方面的新技術(shù)還沒有真正應(yīng)用于一般產(chǎn)品中,使得現(xiàn)階段該技術(shù)在使用中頻繁出現(xiàn)跟丟和亂跟的現(xiàn)象,對(duì)多個(gè)目標(biāo)的識(shí)別分析難度就更大,所以還沒有廣泛的應(yīng)用于課堂教學(xué)的錄播系統(tǒng)中。

2學(xué)生圖像跟蹤技術(shù)

目前,對(duì)學(xué)生圖像的跟蹤絕大多數(shù)廠商都選取了較為簡(jiǎn)單的無線按鈕、有線或無線話筒等開關(guān)方式。每個(gè)按鈕與攝像機(jī)的一個(gè)預(yù)置位對(duì)應(yīng),按下某個(gè)按鈕,攝像機(jī)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)已預(yù)設(shè)好的方向,以此“定位”進(jìn)行拍攝[2],關(guān)掉按鈕,攝像機(jī)返回教師攝像機(jī)拍攝方式;話筒跟蹤方式是打開某個(gè)話筒開關(guān),話筒發(fā)射紅外光,學(xué)生攝像機(jī)被觸發(fā),攝像機(jī)采用被動(dòng)式紅外探測(cè)技術(shù)跟蹤進(jìn)行拍攝。關(guān)閉話筒,攝像機(jī)返回教師攝像機(jī)拍攝方式。

上述技術(shù)除無線話筒本身存在的缺陷:學(xué)生手持話筒影響課堂錄像真實(shí)感,電池更換不便等外,最大的缺陷是上課時(shí)學(xué)生好奇不斷亂按按鈕或話筒打開忘了關(guān),噪聲和圖像會(huì)不斷干擾正常的課堂錄像。在以往的課堂錄像中多數(shù)都需進(jìn)行課后補(bǔ)錄,并重新編輯,給課堂教學(xué)錄播帶來極大不便。

二 一個(gè)較好的解決方案

以上提到的圖像跟蹤技術(shù)或多或少存在缺陷,基于圖像分析和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式的人像跟蹤技術(shù),雖然是最終解決圖像跟蹤的技術(shù)方案,但目前應(yīng)用還存在一定的難度。經(jīng)共同研究和實(shí)踐我們認(rèn)為采用“主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格”技術(shù)是當(dāng)前較好的解決方案之一。

圖1中矩形方塊為紅外發(fā)射頭,橫向的水平與交叉的虛線(較粗),為安裝在教室后方吊頂上“教師紅外發(fā)射頭”發(fā)射的紅外光覆蓋范圍,主要負(fù)責(zé)教師的圖像跟蹤,由教師任一動(dòng)作觸發(fā),攝像機(jī)的拍攝方向及景別由教師所處的具體位置確定;縱向的垂直與交叉的虛線(較細(xì)),為水平安裝在教室左右高度為1.4米處的“學(xué)生紅外發(fā)射頭”發(fā)射的紅外光覆蓋范圍,主要負(fù)責(zé)起立回答問題的學(xué)生圖像跟蹤,當(dāng)學(xué)生起立回答問題時(shí),由于學(xué)生高度的變化觸發(fā)紅外探測(cè)信號(hào),使錄播計(jì)算機(jī)的錄像內(nèi)容自動(dòng)切換到學(xué)生攝像機(jī),攝像機(jī)的拍攝方向及景別由起立的學(xué)生所處的具體位置確定,學(xué)生回答完問題坐下后,觸發(fā)錄播計(jì)算機(jī)恢復(fù)到教師攝像機(jī)拍攝方式。兩個(gè)覆蓋區(qū)也可聯(lián)合使用。

1 “主動(dòng)紅外”

所謂“主動(dòng)紅外”是指安裝在錄播教室的左、右及后方的多個(gè)紅外發(fā)射裝置,按一定角度主動(dòng)發(fā)射紅外波長(zhǎng)的光波,由固定在墻上的長(zhǎng)條型紅外光接收裝置接收該光波信號(hào)。如圖2,由于紅外發(fā)射裝置安裝的高度和位置不同,在教室內(nèi)可形成一個(gè)紅外光的三維空間。教師或?qū)W生在該空間出現(xiàn)和移動(dòng),都會(huì)使紅外接收裝置接收的信號(hào)發(fā)生變化,由此啟動(dòng)錄播系統(tǒng)和改變攝像機(jī)拍攝方向。

2 “空間網(wǎng)格”

所謂“空間網(wǎng)格”,簡(jiǎn)單的講就是在系統(tǒng)中將教室變成一個(gè)由若干個(gè)矩形網(wǎng)格組成的三維空間(如圖1)。安裝在墻上的紅外接收條裝置(粗實(shí)線)是由多個(gè)紅外接收器組成,每隔10厘米左右一個(gè),根據(jù)教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際,利用系統(tǒng)軟件可對(duì)教室講臺(tái)和學(xué)生座位區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,一般是邊長(zhǎng)為一米左右的矩形。根據(jù)人像投影等技術(shù),系統(tǒng)可對(duì)其中的目標(biāo)(教師和學(xué)生)進(jìn)行準(zhǔn)確的空間網(wǎng)格定位,包括上下、左右及前后。上下、左右決定攝像機(jī)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,前后則可以支持?jǐn)z像機(jī)鏡頭的推、拉。這樣空間網(wǎng)格劃分,在錄播時(shí)就可設(shè)計(jì)多個(gè)遠(yuǎn)景、近景等平滑變焦的策略,增加了畫面的景別變化,提升了錄制效果。

空間網(wǎng)格技術(shù)是將整個(gè)教室空間三維網(wǎng)格化,無論是老師還是學(xué)生,系統(tǒng)都可以準(zhǔn)確的感知目標(biāo)的空間位置,實(shí)現(xiàn)跟蹤“無盲區(qū)”。教師不再限制在講臺(tái)上,學(xué)生不再需要按話筒開關(guān)或按鈕,無論老師走到教室的哪個(gè)位置,無論學(xué)生在哪個(gè)位置起立回答問題,只要空間網(wǎng)格中某個(gè)紅外接收信號(hào)有所改變,系統(tǒng)都可以準(zhǔn)確的感知,配合合理的策略,可以輕松解決“互動(dòng)”。

空間網(wǎng)格技術(shù)通過提前對(duì)不同網(wǎng)格的屬性定義,系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確的感知到目標(biāo)的空間位置,還可以通過網(wǎng)格的屬性對(duì)目標(biāo)的動(dòng)作做出分析和判斷。系統(tǒng)在這樣的分析判斷的基礎(chǔ)上導(dǎo)入拍攝思想,指導(dǎo)攝像機(jī)拍攝,就可形成自動(dòng)錄播的智能策略。

“主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格”技術(shù)是一項(xiàng)較新的專利技術(shù),較好的解決了當(dāng)前課堂教學(xué)自動(dòng)錄播系統(tǒng)中教師和學(xué)生的圖像跟蹤問題。當(dāng)然,它也存在設(shè)備成本較高,安裝、調(diào)試較復(fù)雜等不足,整體美觀和穩(wěn)定性也有待進(jìn)一步改進(jìn)。一個(gè)好的技術(shù)還必須與好的策略相配合,教師講課的類型很多,各有其特點(diǎn),跟蹤技術(shù)怎樣滿足各類教師教學(xué)的拍攝需求,設(shè)計(jì)出合理的跟蹤策略還有大量的工作值得分析研究。

參考文獻(xiàn)

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