全自動(dòng)智能錄播系統(tǒng)跟蹤技術(shù)比較研究*

◆陳世文

作者：陳世文，黃石市第二十中學(xué)（435001）。

通過(guò)綜合分析超聲波跟蹤、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤、主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位和圖像識(shí)別分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)高中教學(xué)的針對(duì)性和適用性，提出適應(yīng)高中教學(xué)的錄播跟蹤技術(shù)選型方案。并結(jié)合黃石市第二十中學(xué)全自動(dòng)錄播數(shù)字化教室實(shí)際應(yīng)用時(shí)的不足，提出一種有待研發(fā)的主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格+板書(shū)紅外三合一的紅外錄播跟蹤技術(shù)。

隨著新課改的深入，教師課堂教學(xué)越來(lái)越追求可視化，學(xué)生課堂學(xué)習(xí)要求探究合作化，然而這些要求的實(shí)現(xiàn)，很大程度上要借助于現(xiàn)代化的信息技術(shù)設(shè)施，特別是課堂教學(xué)的可視化。下面結(jié)合建設(shè)這樣的功能教室前實(shí)地考察幾家錄播系統(tǒng)時(shí)遇到的問(wèn)題和建成后在實(shí)際應(yīng)用中所取得的經(jīng)驗(yàn)，談幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和見(jiàn)解，以供后面的普教用戶(hù)參考。

對(duì)于整體設(shè)計(jì)思路，首先要搞清楚需要什么樣的要求，要達(dá)到哪些功能，再來(lái)選擇設(shè)備。

首先，要求功能教室要達(dá)到教學(xué)過(guò)程可視化，教學(xué)過(guò)程全程錄播數(shù)字化。

第二，此教室還應(yīng)適應(yīng)高中的一切文化科目的教學(xué)要求，任何文化科目都用得上。特別是英語(yǔ)語(yǔ)言教學(xué)上雙向?qū)υ?huà)要求，因此，有必要安裝模擬語(yǔ)音教學(xué)設(shè)備和數(shù)字語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)。

第三，此教室應(yīng)有適用現(xiàn)代教學(xué)要求的多媒體教學(xué)系統(tǒng)。

因此，在要求上要實(shí)現(xiàn)三大功能：1）錄播功能；2）語(yǔ)言教學(xué)功能；3）多媒體教學(xué)功能。設(shè)施包括多鏡頭分區(qū)多畫(huà)面切換自動(dòng)跟蹤錄播系統(tǒng)、語(yǔ)音教學(xué)系統(tǒng)和多媒體電化教學(xué)系統(tǒng)三大設(shè)施功能組合為一體的現(xiàn)代化數(shù)字化教學(xué)系統(tǒng)。而在這三大系統(tǒng)中，各個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用上又要求有一定的獨(dú)立性和組合性，分則各為一體，合則為一系統(tǒng)組合，因此對(duì)設(shè)備有較高的要求。

全自動(dòng)錄播跟蹤系統(tǒng)，是這套系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個(gè)單項(xiàng)系統(tǒng)，涉及較多設(shè)備和模式。目前市場(chǎng)上的錄播跟蹤系統(tǒng)基本上有3種控制原理：超聲波跟蹤切換技術(shù)、紅外跟蹤技術(shù)和圖像識(shí)別分析技術(shù)。三者各有利弊。

1）超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波控制。其中教師跟蹤要求教師配戴無(wú)線麥克風(fēng)，通過(guò)語(yǔ)音激勵(lì)，使攝像機(jī)跟蹤教師來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于講臺(tái)區(qū)域的跟蹤攝像是多機(jī)位分區(qū)，就是在教室后面安裝多個(gè)固定攝像機(jī)，在黑板下沿安裝超聲波感應(yīng)頭，實(shí)際上是一種超聲波收發(fā)器，有效作用距離在0.5～1米之間可調(diào)。當(dāng)教師靠近黑板時(shí)，相應(yīng)位置的超聲波感應(yīng)頭檢測(cè)到人體，立即觸發(fā)相對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)拍攝畫(huà)面，未檢測(cè)到人體的其他板書(shū)攝像機(jī)則處于封閉狀態(tài)；當(dāng)教師進(jìn)入另一區(qū)域時(shí)，相對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)就會(huì)拍攝教師（如圖1所示）。這種攝像定位精確，畫(huà)面清晰不抖動(dòng)。

2）紅外跟蹤技術(shù)是通過(guò)紅外線控制的，其基本設(shè)備是紅外發(fā)射源和紅外接收裝置。通過(guò)紅外信號(hào)的變化，指使系統(tǒng)作出判斷，然后發(fā)出指令，令攝像機(jī)跟蹤定位，進(jìn)行跟蹤攝像。

3）圖像識(shí)別分析跟蹤技術(shù)。圖像識(shí)別是人工智能的一個(gè)重要領(lǐng)域。識(shí)別某個(gè)圖像，必須在過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)中有這個(gè)圖像的記憶模式。識(shí)別圖像時(shí)，這個(gè)圖像與記憶相似或匹配，則這個(gè)圖像被識(shí)別。依靠計(jì)算機(jī)的專(zhuān)門(mén)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，使其始終處于拍攝范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)人像的自動(dòng)跟蹤。這是當(dāng)前技術(shù)含量較高的跟蹤技術(shù)，現(xiàn)在國(guó)際上的一些大公司都在努力研究圖像識(shí)別分析技術(shù)。圖像識(shí)別分析技術(shù)是解決自動(dòng)跟蹤的終極方案。

圖1 超聲波多鏡頭覆蓋跟蹤技術(shù)

針對(duì)幾種技術(shù)流派，各有其應(yīng)用的場(chǎng)所主導(dǎo)方向。目前圖像識(shí)別技術(shù)在自動(dòng)錄播跟蹤的應(yīng)用上還有很多技術(shù)難關(guān)未解決好。超聲波技術(shù)主要應(yīng)用于大學(xué)課堂教學(xué)，紅外技術(shù)近幾年應(yīng)用于中學(xué)課堂有所興起。中學(xué)課堂教學(xué)模式與大學(xué)有明顯的不同：大學(xué)課堂以教師講授為主，師生互動(dòng)較少，在互動(dòng)這一塊不必過(guò)于強(qiáng)化；而中小學(xué)課堂師生互動(dòng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大學(xué)課堂，學(xué)段越低，互動(dòng)越多。所以為適應(yīng)高中要求，在開(kāi)始選型上選擇了紅外跟蹤技術(shù)。

紅外跟蹤技術(shù)又有兩個(gè)流派：一種是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)（如圖2所示）；一種是主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術(shù)。這兩種技術(shù)中關(guān)鍵的區(qū)別就是目標(biāo)定位上的差距。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)是在教師身上配戴的無(wú)線話(huà)筒上安裝一個(gè)紅外發(fā)生器，發(fā)生器不停地發(fā)出紅外信號(hào)；高速球攝像機(jī)上有一個(gè)紅外接收裝置，不停地接收教師紅外發(fā)生器的信號(hào)而控制教師攝像機(jī)，隨時(shí)跟蹤教師活動(dòng)情況。在黑板上、下方各安有紅外傳感裝置，教師板書(shū)時(shí)切斷紅外信號(hào)，系統(tǒng)將信號(hào)傳給板書(shū)攝像機(jī)，拍攝教師板書(shū)情況。或者是教師通過(guò)手動(dòng)按扭來(lái)控制板書(shū)攝像機(jī)拍攝板書(shū)畫(huà)面。

學(xué)生跟蹤是通過(guò)在學(xué)生座位上安裝一個(gè)光電感應(yīng)器，當(dāng)學(xué)生坐好時(shí)，借用學(xué)生身體遮擋住光電感應(yīng)器的感光孔，光電信號(hào)就不會(huì)發(fā)出；當(dāng)學(xué)生站起來(lái)回答問(wèn)題時(shí)，人離開(kāi)座椅，感光孔就有光線進(jìn)入而產(chǎn)生光電信號(hào)發(fā)射出去，光電信號(hào)接收裝置就收到信號(hào)而判定此光電信號(hào)發(fā)生點(diǎn)有一位學(xué)生站起來(lái)回答問(wèn)題，隨后指令學(xué)生攝像機(jī)對(duì)此學(xué)生進(jìn)行跟蹤攝像；當(dāng)學(xué)生回答完畢坐下時(shí)，光電感應(yīng)孔被遮擋住而沒(méi)有信號(hào)產(chǎn)生，因此，學(xué)生攝像機(jī)就不再跟蹤此學(xué)生，而自動(dòng)切換到教師。通過(guò)兩種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)跟蹤來(lái)完成對(duì)教師和學(xué)生的跟蹤切換。

這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤定位準(zhǔn)確，由于教師身上配戴了無(wú)線咪，因此后臺(tái)攝像時(shí)錄音效果相當(dāng)好；由于學(xué)生每個(gè)椅子上都有光電感應(yīng)器，只要學(xué)生站起來(lái)回答問(wèn)題，學(xué)生攝像機(jī)就會(huì)馬上跟蹤，所以定位精確度很高。

但也有缺點(diǎn)：

其一，教師跟蹤后錄制下來(lái)的畫(huà)面，整幅畫(huà)面都在不停地變動(dòng)。中學(xué)教師上課不是靜止不動(dòng)的，他一動(dòng)，攝像畫(huà)面也動(dòng)，因此作為可視化教學(xué)資源時(shí)，打開(kāi)視頻錄相，視頻畫(huà)面在不停地晃動(dòng)，人眼瀏覽視頻幾分鐘后就會(huì)感到頭暈而不想繼續(xù)觀看。如果教師走動(dòng)稍快或轉(zhuǎn)身，就會(huì)出現(xiàn)跟蹤丟失。

其二，學(xué)生跟蹤是通過(guò)光電感應(yīng)而發(fā)生的。學(xué)生坐在椅子上時(shí)，臀部不一定恰好遮住光電感應(yīng)器，一旦產(chǎn)生漏光現(xiàn)象，光電感應(yīng)器就會(huì)發(fā)出信號(hào)，指使學(xué)生攝像機(jī)跟蹤此學(xué)生，而此學(xué)生此時(shí)并未回答問(wèn)題，是不需要跟蹤、不需要特寫(xiě)的，因而可能產(chǎn)生較多的垃圾鏡頭。

圖2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外跟蹤技術(shù)

主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤原理是借助于紅外發(fā)生器和紅外感應(yīng)帶將整個(gè)教室建立一個(gè)三維空間網(wǎng)格坐標(biāo)系，來(lái)將教室內(nèi)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格坐標(biāo)定位。不論教師、學(xué)生在任何一點(diǎn)站立，都會(huì)改變某一區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)紅外信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)收到信號(hào)令攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤（如圖3所示）。這種空間網(wǎng)格定位最大的優(yōu)點(diǎn)就是關(guān)鍵的定位設(shè)備是安裝在教室四周墻壁上和天花板上的，因此，教師和學(xué)生都無(wú)需配戴任何設(shè)備，完全等同于普通教室的常態(tài)化教學(xué)，教師、學(xué)生都很自然。

當(dāng)教師在講臺(tái)區(qū)域時(shí)，教師通過(guò)改變講臺(tái)區(qū)域的紅外網(wǎng)格內(nèi)的紅外信號(hào)而獲得教師定位信號(hào)，教師攝像機(jī)就自動(dòng)跟蹤教師的一舉一動(dòng)。當(dāng)教師走下講臺(tái)進(jìn)入學(xué)生區(qū)域時(shí)，由于教師的進(jìn)入而改變了學(xué)生區(qū)域某網(wǎng)格紅外信號(hào)，因此攝像機(jī)就會(huì)跟蹤教師。當(dāng)學(xué)生站起來(lái)回答問(wèn)題時(shí)，學(xué)生身體高度的改變觸發(fā)了學(xué)生所在的某一網(wǎng)格紅外探測(cè)信號(hào)，攝像機(jī)就會(huì)自動(dòng)跟蹤學(xué)生；當(dāng)學(xué)生回答完畢坐下時(shí)，系統(tǒng)認(rèn)為此時(shí)紅外信號(hào)恢復(fù)原值，就認(rèn)為沒(méi)有學(xué)生回答問(wèn)題，自動(dòng)調(diào)整到教師畫(huà)面。通過(guò)這種原理來(lái)實(shí)現(xiàn)教師與學(xué)生的互動(dòng)教學(xué)過(guò)程（如圖4所示）。

圖4 主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位平面圖

空間網(wǎng)格技術(shù)將整個(gè)教室空間三維網(wǎng)格化，無(wú)論是教師還是學(xué)生，系統(tǒng)都可以準(zhǔn)確地感知目標(biāo)的空間位置，實(shí)現(xiàn)跟蹤“無(wú)盲區(qū)”。教師不再限制在講臺(tái)上，無(wú)需配戴任何設(shè)備，學(xué)生不再需要按話(huà)筒開(kāi)關(guān)或按扭，無(wú)論教師走到教室的哪個(gè)位置，無(wú)論學(xué)在哪個(gè)位置起立回答問(wèn)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)確地感知。配合合理的策略，可以輕松解決師生互動(dòng)。此設(shè)施最大的優(yōu)點(diǎn)是教學(xué)常態(tài)化，不因系統(tǒng)錄像而做些其他的任何動(dòng)作要求。最大的缺點(diǎn)是對(duì)講臺(tái)區(qū)域的教師跟蹤時(shí)同樣會(huì)產(chǎn)生視頻畫(huà)面的晃動(dòng)，且板書(shū)跟蹤解決得不大完美；跟蹤時(shí)對(duì)教室環(huán)境要求較高，受光線、衣服材料、溫度等干擾。

而超聲波技術(shù)卻有著其自身的優(yōu)點(diǎn)，將教室講臺(tái)通過(guò)分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)講臺(tái)區(qū)域教師的跟蹤。就是在教室的后面安有3～4個(gè)固定攝像頭，將講臺(tái)分為幾個(gè)區(qū)，每一個(gè)攝像頭覆蓋一個(gè)區(qū)域，當(dāng)教師進(jìn)入此區(qū)域時(shí)，此區(qū)域?qū)?yīng)的一個(gè)攝像頭就會(huì)攝像，而在此區(qū)域內(nèi)教師的動(dòng)作幅度無(wú)論多大，錄制視頻的畫(huà)面都不會(huì)晃動(dòng)，視覺(jué)效果很好。當(dāng)教師由某一區(qū)域進(jìn)入另一區(qū)域時(shí)，另一區(qū)域的攝像頭就跟蹤教師在此區(qū)域的一切動(dòng)作，而且區(qū)域之間的切換很自然，雖有一定的跳躍性，但鏡頭不晃動(dòng)。當(dāng)教師板書(shū)時(shí)，可對(duì)板書(shū)內(nèi)容進(jìn)行特寫(xiě)放大，符合視頻教學(xué)要求。

圖5 主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格+板書(shū)紅外技術(shù)

學(xué)生定位是通過(guò)按扭操作來(lái)完成，每?jī)蓚€(gè)學(xué)生共同使用一個(gè)遙控設(shè)備或話(huà)筒。當(dāng)學(xué)生發(fā)言時(shí)，學(xué)生按一下“開(kāi)始發(fā)言”按鍵，鏡頭會(huì)自動(dòng)切換給學(xué)生；結(jié)束發(fā)言時(shí)，按“結(jié)束發(fā)言”，圖像會(huì)切回到教師。整個(gè)系統(tǒng)由于學(xué)生區(qū)域有很多話(huà)筒，聲音效果很好。

由于講臺(tái)區(qū)域分區(qū)位跟蹤，跟蹤時(shí)畫(huà)面不會(huì)晃動(dòng)，因此，超聲波技術(shù)有紅外技術(shù)難以企及的優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)然，也有其缺點(diǎn)。

一是學(xué)生區(qū)域話(huà)筒過(guò)多。如果學(xué)生因好奇亂按話(huà)筒，或?qū)W生打開(kāi)話(huà)筒而忘記關(guān)閉話(huà)筒，可能會(huì)將雜音放大或產(chǎn)生垃圾鏡頭。學(xué)生回答問(wèn)題時(shí)，必須按一下課桌上的話(huà)筒按扭，將信號(hào)發(fā)給系統(tǒng)，此時(shí)攝像機(jī)才會(huì)對(duì)回答問(wèn)題的學(xué)生進(jìn)行特寫(xiě)攝像跟蹤，否則可能只有學(xué)生的聲音而沒(méi)有學(xué)生的圖像。這不是常態(tài)教學(xué)。因此，應(yīng)用前提是教師很熟練，學(xué)生很自覺(jué)，習(xí)慣很好。正是由于這種原因，更多地適用于大學(xué)的課堂教學(xué)，特別是講座型的教學(xué)模式。

二是超聲波產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間使用，對(duì)人體健康是否有害，學(xué)術(shù)界對(duì)此也一直爭(zhēng)論不休。

綜合超聲波技術(shù)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)被動(dòng)紅外技術(shù)、主動(dòng)紅外空間網(wǎng)格定位技術(shù)和圖像識(shí)別分析技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)高中教學(xué)的針對(duì)性和適用性，提出了自己的目標(biāo)方案，就是將超聲波技術(shù)講臺(tái)分區(qū)的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于紅外技術(shù)中，提出多機(jī)位分區(qū)多畫(huà)面切換全自動(dòng)紅外跟蹤錄播系統(tǒng)方案。基于這種技術(shù)要求，要求講臺(tái)區(qū)域分為3個(gè)區(qū)域（分區(qū)越多，視頻畫(huà)面越晃；分區(qū)越少，鏡頭覆蓋面越大，人像越小）。教師、學(xué)生要求教學(xué)常態(tài)化，不需要配戴或在坐椅上安裝任何設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這種方案的技術(shù)原理是主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格定位跟蹤，目前能較好地解決中學(xué)課堂教學(xué)中教師、學(xué)生圖像跟蹤問(wèn)題。當(dāng)然這種技術(shù)也存在設(shè)備成本較高，室內(nèi)裝修要求較高，教師板書(shū)特寫(xiě)跟蹤不大理想等不足，錄播跟蹤技術(shù)還有待進(jìn)一步完善。

在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)格對(duì)教師板書(shū)畫(huà)面的拍攝不大滿(mǎn)意。為此，針對(duì)高中教學(xué)要求，提出一種新的技術(shù)解決方案，有待專(zhuān)家研究，有待廠家研發(fā)。這就是在主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格基礎(chǔ)上，在黑板的上沿、下沿安裝紅外裝置，在黑板區(qū)域建立一個(gè)紅外平面場(chǎng)，當(dāng)教師板書(shū)時(shí)觸發(fā)紅外場(chǎng)，使板書(shū)攝像機(jī)進(jìn)行板書(shū)特寫(xiě)，這樣就可實(shí)現(xiàn)教師分區(qū)跟蹤、學(xué)生跟蹤、板書(shū)特寫(xiě)，再加上電腦課件幾種信號(hào)整合的優(yōu)良效果。因此，筆者期待的解決方案是主動(dòng)紅外+空間網(wǎng)格+板書(shū)紅外三合一的紅外錄播跟蹤系統(tǒng)，如圖5所示。

[1]圖像識(shí)別原理及技巧[EB/OL].http://www.cngytv.com/.

[2]張飛碧.全自動(dòng)智能錄播和遠(yuǎn)程教育系統(tǒng):2[J].音響技術(shù),2008(4).

[3]陳宗讓,李曉銘.課堂教學(xué)自動(dòng)錄播系統(tǒng)圖像跟蹤技術(shù)研究[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2009(7).