課堂教學自動錄播系統圖像跟蹤技術研究

陳宗讓　李曉銘

【摘要】課堂教學自動錄播系統是高校精品課程建設中不可缺少組成部分,通過分析當前自動錄播系統中教師與學生圖像跟蹤方式存在的優點和不足,提出了較新的“主動紅外+空間網格”的技術方案,并對該方案的主要技術做了進一步闡述。

【關鍵詞】自動錄播;圖像跟蹤;主動紅外;空間網格

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2009)07—0114—02

由于教育部對精品課程建設及一般高校基于網絡的教學資源庫建設的共同需求,各高校都在加緊進行精品課程建設的課堂錄像工作,《課堂教學自動錄播系統》正在大部分高校中興建。該系統包括諸多高端技術,圖像跟蹤技術是其主要技術之一。

圖像跟蹤,是一個較復雜的過程,包含多種技術在內。本文提到的圖像跟蹤技術,不是指跟蹤的全過程,僅指能夠觸發并指揮攝像機移動的技術,即只是告訴攝像機去哪里,至于去不去、該誰去、怎么去在這里暫不做分析。首先對自動錄播系統中圖像跟蹤方式的現狀作一簡單分析。

一 錄播系統中圖像跟蹤方式的現狀及存在的問題

在自動錄播系統中,圖像跟蹤技術主要包括兩個方面,即教師圖像跟蹤技術與學生圖像跟蹤技術。

1 教師圖像跟蹤技術

當前教師圖像跟蹤技術主要有基于信號的探測方式和基于圖像分析和運動檢測的人像識別方式兩大類。

(1) 基于信號的探測方式

基于信號的探測方式主要有兩個:

被動式紅外探測技術——將紅外發射裝置放置在被跟蹤對象身上,接收裝置安放在攝像機旁,攝像機根據紅外接收裝置接收的紅外信號的方向決定攝像機拍攝方位[1]。該方式的主要優點是技術較成熟、成本較低、施工較簡單。主要缺點是抗干擾能力較差;教師側身或轉背紅外信號丟失,無法判斷拍攝方向;拍攝高度無法自動調整;無法判斷被拍攝對象的距離從而設置出中景、遠景、近景等效果。

主動式超聲波探測技術——將多個具有特殊頻率的超聲波發射和接收裝置安裝在黑板的下方,根據超聲波接收裝置接收的反射波變化來決定攝像機拍攝的方向。該方式的主要優點是技術較成熟,可判斷被拍攝對象與黑板的距離。由于超聲波發射角度偏大,所以拍攝方位的精度不太高,易出現視頻信號來回切或攝像機不斷左右擺的誤操作,同時它無法判斷被拍攝對象的高度從而自動調整攝像機的拍攝高度。

(2) 基于圖像分析和運動檢測的人像識別方式

該方式是依靠計算機的專門軟件,對攝像機捕獲的人像進行分析處理,將其設定為跟蹤對象,使其始終處于攝像機的拍攝范圍內,實現人像的自動跟蹤,并可實現鏡頭的推、拉變化等。由于其外圍設備的大幅減少和施工難度、復雜度的降低,很受用戶歡迎。這是當前技術含量較高的跟蹤技術,也是課堂教學錄播系統跟蹤技術的最終解決方案。

由于基于圖像分析和運動檢測方式的跟蹤系統技術含量高,造成設備成本較高,很多該方面的新技術還沒有真正應用于一般產品中,使得現階段該技術在使用中頻繁出現跟丟和亂跟的現象,對多個目標的識別分析難度就更大,所以還沒有廣泛的應用于課堂教學的錄播系統中。

2學生圖像跟蹤技術

目前,對學生圖像的跟蹤絕大多數廠商都選取了較為簡單的無線按鈕、有線或無線話筒等開關方式。每個按鈕與攝像機的一個預置位對應,按下某個按鈕,攝像機自動對準一個已預設好的方向,以此“定位”進行拍攝[2],關掉按鈕,攝像機返回教師攝像機拍攝方式;話筒跟蹤方式是打開某個話筒開關,話筒發射紅外光,學生攝像機被觸發,攝像機采用被動式紅外探測技術跟蹤進行拍攝。關閉話筒,攝像機返回教師攝像機拍攝方式。

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

二 一個較好的解決方案

以上提到的圖像跟蹤技術或多或少存在缺陷,基于圖像分析和運動檢測方式的人像跟蹤技術,雖然是最終解決圖像跟蹤的技術方案,但目前應用還存在一定的難度。經共同研究和實踐我們認為采用“主動紅外+空間網格”技術是當前較好的解決方案之一。

圖1中矩形方塊為紅外發射頭,橫向的水平與交叉的虛線(較粗),為安裝在教室后方吊頂上“教師紅外發射頭”發射的紅外光覆蓋范圍,主要負責教師的圖像跟蹤,由教師任一動作觸發,攝像機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),為水平安裝在教室左右高度為1.4米處的“學生紅外發射頭”發射的紅外光覆蓋范圍,主要負責起立回答問題的學生圖像跟蹤,當學生起立回答問題時,由于學生高度的變化觸發紅外探測信號,使錄播計算機的錄像內容自動切換到學生攝像機,攝像機的拍攝方向及景別由起立的學生所處的具體位置確定,學生回答完問題坐下后,觸發錄播計算機恢復到教師攝像機拍攝方式。兩個覆蓋區也可聯合使用。

1 “主動紅外”

所謂“主動紅外”是指安裝在錄播教室的左、右及后方的多個紅外發射裝置,按一定角度主動發射紅外波長的光波,由固定在墻上的長條型紅外光接收裝置接收該光波信號。如圖2,由于紅外發射裝置安裝的高度和位置不同,在教室內可形成一個紅外光的三維空間。教師或學生在該空間出現和移動,都會使紅外接收裝置接收的信號發生變化,由此啟動錄播系統和改變攝像機拍攝方向。

2 “空間網格”

所謂“空間網格”,簡單的講就是在系統中將教室變成一個由若干個矩形網格組成的三維空間(如圖1)。安裝在墻上的紅外接收條裝置(粗實線)是由多個紅外接收器組成,每隔10厘米左右一個,根據教學現場的實際,利用系統軟件可對教室講臺和學生座位區進行網格劃分,一般是邊長為一米左右的矩形。根據人像投影等技術,系統可對其中的目標(教師和學生)進行準確的空間網格定位,包括上下、左右及前后。上下、左右決定攝像機云臺的轉動方向,前后則可以支持攝像機鏡頭的推、拉。這樣空間網格劃分,在錄播時就可設計多個遠景、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。

空間網格技術是將整個教室空間三維網格化,無論是老師還是學生,系統都可以準確的感知目標的空間位置,實現跟蹤“無盲區”。教師不再限制在講臺上,學生不再需要按話筒開關或按鈕,無論老師走到教室的哪個位置,無論學生在哪個位置起立回答問題,只要空間網格中某個紅外接收信號有所改變,系統都可以準確的感知,配合合理的策略,可以輕松解決“互動”。

空間網格技術通過提前對不同網格的屬性定義,系統不僅可以準確的感知到目標的空間位置,還可以通過網格的屬性對目標的動作做出分析和判斷。系統在這樣的分析判斷的基礎上導入拍攝思想,指導攝像機拍攝,就可形成自動錄播的智能策略。

“主動紅外+空間網格”技術是一項較新的專利技術,較好的解決了當前課堂教學自動錄播系統中教師和學生的圖像跟蹤問題。當然,它也存在設備成本較高,安裝、調試較復雜等不足,整體美觀和穩定性也有待進一步改進。一個好的技術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,跟蹤技術怎樣滿足各類教師教學的拍攝需求,設計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

[1] 李文.虛擬演播室的跟蹤技術及選型[J].電視字幕、特技與動畫,2006,(11):56-57.

[2] 周貽春,鄭慶忠,陳佩妮.精品課程網路實時錄播系統的應用與維護[J].科技創新導報,2008,(09):230.