傅劍峰

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教學(xué)精品錄播跟蹤定位技術(shù)淺析

傅劍峰

中國(guó)電信股份有限公司金華分公司，浙江 金華 321000

為了更好地發(fā)展和大力推廣教學(xué)精品錄播業(yè)務(wù)，對(duì)教學(xué)精品錄播系統(tǒng)中講師跟蹤、學(xué)生定位等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向不明確的問(wèn)題，通過(guò)原理解析與對(duì)比分析的方法進(jìn)行了研究，得出了精品教學(xué)錄播業(yè)務(wù)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，以及以圖像分析識(shí)別為主流的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。

錄播系統(tǒng)；教學(xué)精品錄播系統(tǒng)；圖像識(shí)別；跟蹤與定位技術(shù)

引言

最近幾年，教育部每年都會(huì)重點(diǎn)提及傳統(tǒng)教育融入現(xiàn)代化技術(shù)的戰(zhàn)略，排在首位的就是教學(xué)錄播系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)多年的試點(diǎn)推廣，教學(xué)錄播系統(tǒng)得到各教育機(jī)構(gòu)、學(xué)校的初步認(rèn)可，尤其是教學(xué)精品錄播。但因?yàn)槟壳按嬖诟鞣N不同的實(shí)現(xiàn)方式及技術(shù)瓶頸，所以眾多學(xué)校、培訓(xùn)機(jī)構(gòu)對(duì)教學(xué)精品錄播系統(tǒng)既渴望又卻步。最明顯的就是教學(xué)視頻的智能跟蹤與定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，是傳統(tǒng)錄播系統(tǒng)無(wú)法得到廣泛推廣和應(yīng)用的攔路虎[1]。本文針對(duì)教學(xué)精品錄播目前的主流技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式與優(yōu)劣勢(shì)，進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)研究與對(duì)比分析。

1 系統(tǒng)概述

錄播系統(tǒng)，即把現(xiàn)場(chǎng)的音視頻以及各種電子設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采集與記錄，生成有效的流媒體文件，用于直播、存儲(chǔ)、后期編輯和點(diǎn)播等。教學(xué)錄播系統(tǒng)具有兩個(gè)功能：一是生成課程資源；二是將課程資源提供給需求對(duì)象。對(duì)使用對(duì)象產(chǎn)生價(jià)值是錄播的目的所在。

教學(xué)錄播又分為教學(xué)常態(tài)錄播和教學(xué)精品錄播。常態(tài)錄播可實(shí)現(xiàn)常態(tài)化教學(xué)中的課件錄制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單、固化；而教學(xué)精品錄播需要進(jìn)行高質(zhì)量課件錄制及制作，如名師錄制公開(kāi)課等。

教學(xué)精品錄播系統(tǒng)，自誕生起主要經(jīng)歷了全手動(dòng)錄播、半手動(dòng)錄播、全自動(dòng)錄播三個(gè)階段。其中，全自動(dòng)錄播系統(tǒng)的圖像跟蹤與定位系統(tǒng)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)上最難的領(lǐng)域之一。講師定位系統(tǒng)可采用紅外、智能圖像分析等方式，智能拍攝講師的多種授課角度與場(chǎng)景，如全景、放大近景、板書(shū)特顯等。講師一般設(shè)置在圖像定位范圍之內(nèi)，講師走動(dòng)時(shí)不會(huì)跟丟，整個(gè)跟蹤的過(guò)程要求連續(xù)、穩(wěn)定及平滑等。學(xué)生定位系統(tǒng)能夠定位發(fā)言學(xué)生并采用特寫(xiě)拍攝。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

截至目前，教學(xué)精品錄播系統(tǒng)中的講師跟蹤與學(xué)生定位技術(shù)主要有三種技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，分別是超聲波跟蹤技術(shù)、紅外跟蹤技術(shù)及圖像識(shí)別跟蹤技術(shù)。其基本原理如下。

2.1 超聲波技術(shù)通過(guò)超聲波實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制

講師跟蹤要求其配戴無(wú)線麥克風(fēng)，通過(guò)麥克風(fēng)內(nèi)置超聲波裝置，使攝像機(jī)跟蹤授課講師在課堂中的位置變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。板書(shū)則是通過(guò)黑板下方的超聲波設(shè)備與講師攜帶的超聲波裝置進(jìn)行感應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。學(xué)生的定位是通過(guò)觸發(fā)按扭操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，需要學(xué)生配置一個(gè)遙控設(shè)備或麥克風(fēng)裝置。

2.2 紅外跟蹤技術(shù)通過(guò)紅外線控制

紅外跟蹤有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)和主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術(shù)兩種。紅外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跟蹤的關(guān)鍵設(shè)備是紅外發(fā)射源和紅外接收裝置，根據(jù)紅外信號(hào)發(fā)生的變化，指使系統(tǒng)作出相應(yīng)的判斷并發(fā)出跟蹤指令，讓攝像機(jī)跟蹤定位與拍攝[4]。主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格技術(shù)主要通過(guò)橫向縱向的紅外線形成“立體”網(wǎng)格，判斷講師行動(dòng)方向與學(xué)生的站立發(fā)言等情況。

2.3 圖像識(shí)別分析跟蹤技術(shù)

識(shí)別圖像是依靠計(jì)算機(jī)軟件對(duì)有人像的視頻進(jìn)行對(duì)比分析，即深度學(xué)習(xí)，并對(duì)其中的人物設(shè)置成跟蹤對(duì)象，使其一直處于拍攝范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人像自動(dòng)跟蹤抓拍。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析與比對(duì)

3.1 超聲波跟蹤與定位技術(shù)

講臺(tái)區(qū)域的跟蹤攝像是多機(jī)位分區(qū)，或者是通過(guò)跟蹤球機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般就是在教室后面安裝多個(gè)固定攝像機(jī)或者安裝智能跟蹤球機(jī)，并在黑板下沿安裝超聲波收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)有效距離在0.5米左右可調(diào)[5]。當(dāng)講師由一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域時(shí)，另一個(gè)區(qū)域的攝像機(jī)就會(huì)跟蹤講師在此區(qū)域范圍內(nèi)的一切動(dòng)作，而且不同區(qū)域之間的切換是自然的，視頻畫(huà)質(zhì)清晰而且不抖動(dòng)。當(dāng)講師寫(xiě)板書(shū)時(shí)，可對(duì)板書(shū)的內(nèi)容進(jìn)行放大與特顯，滿足視頻教學(xué)的要求。

3.2 紅外跟蹤與定位技術(shù)

紅外跟蹤技術(shù)主要有兩種模式，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)和主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術(shù)。

3.2.1 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)通常情況采用在講師使用的無(wú)線話筒上安裝紅外發(fā)生器裝置，發(fā)生器不斷發(fā)出紅外信號(hào)；錄播教室后方的跟蹤攝像機(jī)上安裝紅外接收裝置，不間斷地接收到講師方向的紅外信號(hào)，從而控制球形攝像機(jī)隨時(shí)跟蹤講師的視頻畫(huà)面[6]。

學(xué)生的定位與跟蹤則是在學(xué)生座位上安裝光電感應(yīng)設(shè)備。在學(xué)生正常就坐情況下，學(xué)生的身體將光電感應(yīng)器的感光入口進(jìn)行遮擋，使信號(hào)無(wú)法觸發(fā)；當(dāng)學(xué)生回答問(wèn)題時(shí)站立即離開(kāi)座椅，感光孔就有光線進(jìn)入進(jìn)而觸發(fā)信號(hào)，判定此信號(hào)發(fā)生點(diǎn)位有學(xué)生站立，則要求攝像機(jī)對(duì)指定學(xué)生進(jìn)行拍攝；而當(dāng)學(xué)生問(wèn)題回答完成之后坐下，感應(yīng)孔又被身體遮擋，進(jìn)而信號(hào)關(guān)閉，對(duì)應(yīng)學(xué)生攝像機(jī)不再跟蹤，視頻切換回講師位。

紅外跟蹤的實(shí)現(xiàn)方式穩(wěn)定但需要佩戴設(shè)備，復(fù)雜度高，講師的接受度不佳。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)紅外跟蹤技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不管是講師還是學(xué)生，其跟蹤定位都相對(duì)準(zhǔn)確。

3.2.2 主動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)

主動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)又名紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術(shù)，原理是通過(guò)紅外發(fā)生器和紅外感應(yīng)帶將教室進(jìn)行條塊劃分，創(chuàng)建一個(gè)相對(duì)完整的紅外三維空間網(wǎng)格，講師內(nèi)部的每個(gè)點(diǎn)都能夠和紅外網(wǎng)格坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)應(yīng)[7]。不管是講師或者學(xué)生，在講師內(nèi)的任何一個(gè)位置，都會(huì)對(duì)對(duì)應(yīng)區(qū)域的網(wǎng)格產(chǎn)生影響，系統(tǒng)立刻收到橫向和縱向網(wǎng)格信號(hào)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，命令攝像機(jī)進(jìn)行該點(diǎn)的視頻跟蹤與畫(huà)面顯示。

空間網(wǎng)格定位的優(yōu)點(diǎn)在該技術(shù)將整個(gè)教室空間三維網(wǎng)格化，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確進(jìn)行空間定位，實(shí)現(xiàn)跟蹤“無(wú)盲區(qū)”。定位設(shè)備安裝在教室四周的墻壁和天花板上，講師和學(xué)生本人都不需配戴設(shè)備，使他們能進(jìn)行常態(tài)化的教與學(xué)，對(duì)講師和學(xué)生的依賴和影響較小。

此技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式的最大缺點(diǎn)是對(duì)講臺(tái)區(qū)域的講師跟蹤時(shí)容易產(chǎn)生視頻畫(huà)面的切換晃動(dòng)。同時(shí)此技術(shù)方式在畫(huà)面跟蹤時(shí)，對(duì)環(huán)境要求較高，特別是教室內(nèi)的光線、室內(nèi)溫度等都可能對(duì)系統(tǒng)使用帶來(lái)一定影響。

3.3 圖像識(shí)別跟蹤與定位技術(shù)

圖像識(shí)別技術(shù)是采用智能跟蹤攝像機(jī)對(duì)講師和學(xué)生進(jìn)行定位與跟蹤，然后由全景或者特顯攝像機(jī)進(jìn)行畫(huà)中畫(huà)顯示。教師內(nèi)系統(tǒng)安裝示意圖如圖1所示。

其中采用人臉檢測(cè)與頭肩模型等檢測(cè)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)智能跟蹤，具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式如下。

當(dāng)講師檢測(cè)或者學(xué)生檢測(cè)第一幀圖像輸入時(shí)，為圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)分別創(chuàng)建一個(gè)背景模型，并初始化每個(gè)背景模型；針對(duì)后續(xù)輸入的每幀圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)，分別根據(jù)其灰度值以及前一幀圖像中同一坐標(biāo)位置的像素點(diǎn)的灰度值對(duì)其對(duì)應(yīng)的背景模型進(jìn)行更新，并根據(jù)更新結(jié)果確定出該像素點(diǎn)為前景點(diǎn)還是背景點(diǎn)；利用確定出的前景點(diǎn)和背景點(diǎn)得到一個(gè)以上前景團(tuán)塊，將前景團(tuán)塊作為檢測(cè)到的目標(biāo)，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)檢測(cè)到移動(dòng)物體后，計(jì)算移動(dòng)物體到指定點(diǎn)的距離，根據(jù)該距離決定是否觸發(fā)跟蹤，且跟蹤的觸發(fā)更為準(zhǔn)確，更加有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)講師的跟蹤及學(xué)生定位檢測(cè)[8]。跟蹤物體始終處于畫(huà)面中心位置，可以保證跟蹤的持續(xù)性和有效性。通過(guò)視頻圖像的識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)講師跟蹤與學(xué)生定位，與此同時(shí)，通過(guò)講師或者學(xué)生的全景及特顯的配合，加上板書(shū)的特顯等，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合。

圖1 圖像識(shí)別與跟蹤定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)示意圖

除了通過(guò)前后的跟蹤攝像機(jī)對(duì)講師或者學(xué)生的畫(huà)面進(jìn)行定位與跟蹤之外，因?yàn)槟壳暗母咔鍞z像機(jī)的普及，采用電子云臺(tái)取代傳統(tǒng)的球機(jī)跟蹤方式，即通過(guò)高清的全景畫(huà)面中的局部定位點(diǎn)，運(yùn)用圖像裁剪方式實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的跟蹤，這種方式不使用機(jī)械式的跟蹤攝像機(jī)，所以總體使畫(huà)面更平滑、穩(wěn)定，也是目前最為先進(jìn)的使用模式[9]。

圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在精品教學(xué)錄播，其優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)便捷，但是對(duì)圖像識(shí)別的技術(shù)成熟度要求更高，其成熟度還需要繼續(xù)提升。目前的智能跟蹤與定位方式還是通過(guò)各個(gè)廠家的不同方式、不同算法實(shí)現(xiàn)的，甚至有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行跟蹤檢測(cè)攝像機(jī)，希望視頻圖像識(shí)別技術(shù)在行業(yè)內(nèi)盡快形成標(biāo)準(zhǔn)、取得突破，為精品教學(xué)錄播系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支撐。

4 小結(jié)

教學(xué)精品錄播技術(shù)的發(fā)展是支撐教學(xué)精品課程資源生產(chǎn)的重要的信息化支撐。針對(duì)幾種關(guān)鍵技術(shù)的流派，各有主張、各有利弊。整體而言，市場(chǎng)上視頻跟蹤通過(guò)紅外方式實(shí)現(xiàn)跟蹤的較多，主流的廠家包括北京中慶、上海易視、深圳銳取、AVA等；超聲波技術(shù)的代表廠家有上海卓越，北京競(jìng)業(yè)達(dá)；圖像識(shí)別的有翰博爾、奧威亞、中慶、文香、凡龍、海康威視等。

其中，超聲波技術(shù)主要應(yīng)用于大學(xué)課堂，以跟蹤講師為主，因?yàn)榇髮W(xué)課堂以講師講授為主，師生互動(dòng)少；紅外技術(shù)主要應(yīng)用于中小學(xué)課堂，因?yàn)橹行W(xué)課堂師生互動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大學(xué)課堂。但是這兩種方式在系統(tǒng)集成上相對(duì)要求多，用戶體驗(yàn)也一般，不利于廣泛的推廣與運(yùn)用[10]。圖像識(shí)別分析技術(shù)是解決自動(dòng)跟蹤的最理想的方式，是主流的技術(shù)路線，也是大規(guī)模應(yīng)用推廣的方案。隨著視頻智能技術(shù)的突破，圍繞著能夠更簡(jiǎn)單易用、更智能、更準(zhǔn)確的方式，逐步顯現(xiàn)并取代其他方式，也希望視頻圖像識(shí)別技術(shù)在行業(yè)內(nèi)盡快形成標(biāo)準(zhǔn)，取得突破，為精品教學(xué)錄播系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支撐。

[1]陳宗讓?zhuān)顣糟? 課堂教學(xué)自動(dòng)錄播系統(tǒng)圖像跟蹤技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2009.

[2]李勝?gòu)V，李莉，譚林. 數(shù)字公安監(jiān)所可視化智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)安防，2014（15）：84-88.

[3]教學(xué)錄播跟蹤技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 課程教育研究：新教師教學(xué)，2013，26（4）：72.

[4]張飛碧. 全自動(dòng)智能錄播系統(tǒng)的架構(gòu)分析[J]. 中國(guó)電化教育，2008（5）：104-108.

[5]鄧文新. 錄播系統(tǒng)在精品課程教學(xué)錄像制作中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)電化教育，2008（5）：101-103.

[6]李丁. 全自動(dòng)精品課程錄播系統(tǒng)升級(jí)探究與實(shí)踐[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32（2）：147-150.

[7]黃建軍. 高校全自動(dòng)精品課程錄播系統(tǒng)解決方案[J].北京電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2012，29.

[8]陳世文. 全自動(dòng)智能錄播系統(tǒng)跟蹤技術(shù)比較研[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備，2013（23）：57-60.

[9]鄭海峰. 教學(xué)錄播系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)探析[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2014（4）：59.

[10]趙玉山，趙嘉林. 淺談自動(dòng)錄播系統(tǒng)圖像跟蹤技術(shù)[J]. 中國(guó)教育技術(shù)裝備，2010（27）：87-88.

Research on the High-Quality Teaching Recording and Tracking Positioning Technology

Fu Jianfeng

China Telecom Corporation Limited Jinhua Branch, Zhejiang Jinhua 321000

In order to develop and promote the high-quality teaching recording system preferably, so the author do the research on the unclear development problems such as the teachers tracking of high-quality teaching recording system, students positioning , automatic conducting through the principle analysis and the contrast analysis method. At last, it could be conluded the development trend of high-quality teaching recording technology, and the implementation of video intelligent analysis and recognition as the mainstream.

recorded system; high-quality teaching recording system; image identification; tracking and positioning technology

G434

A

傅劍峰，高級(jí)工程師，碩士，浙江大學(xué)電子與通信工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，任職于中國(guó)電信股份有限公司金華分公司，研究方向?yàn)橹腔鄢鞘?、智慧安防、智慧校園、移動(dòng)通信等。