基于數碼相機視頻技術的游泳教學研究

劉桂文

（寶雞文理學院,陜西寶雞,721016）

基于數碼相機視頻技術的游泳教學研究

劉桂文

（寶雞文理學院,陜西寶雞,721016）

在游泳教學中有兩大難題，即“視覺干擾”和“聽覺干擾”，解決這兩大難題對提高教學質量有非常重要的意義。數碼相機視頻技術的出現，正好解決了這兩個難題。本文介紹了數碼相機的特點、CCD和CMOS圖像傳感器的結構和工作原理，闡述了基于數碼相機的圖像采集系統的組成，最后分析了數碼相機視頻技術在游泳教學中的應用。

數碼相機；CCD；CMOS

0 引言

隨著科學技術的發展，其應用也越來越廣，正影響著人們生活的方方面面。數碼相機視頻技術游泳教學就是使用數碼相機的視頻功能來拍攝學生的游泳技術動作，然后將這些視頻和標準的示范動作相互比較，教師再加以講解，直觀的分析學生的技術動作，并給與評定，從而提高學生的技術水平，提高游泳的教學質量和效果。在美國等國家的游泳訓練中非常注重視頻等視聽設備的運用，為了提高游泳教學的水平，我國也應該推廣數碼相機視頻技術在游泳教學中的應用。本文分析了數碼相機的結構，以及當前在游泳教學中的應用情況，為數碼相機視頻技術的廣泛應用提供理論基礎。

1 數碼相機

1.1 數碼相機的特點

數碼相機的核心部件是圖像傳感器，主要有兩種類型，一種是CCD，另一種是CMOS。它集成了圖像信息的采集、存儲以及傳輸信息的部件，集光、電、機于一體，能和計算機之間進行數字信息的交互處理，其典型的框架圖如圖1所示。

圖1 典型的數碼相機的結構圖

數碼相機的成像器件主要是CCD。根據數碼相機使用的CCD種類，其結構可以分為面陣CCD和線陣CCD兩種。面陣CCD的感光區是矩陣平面，線陣CCD相機中的光敏元均勻排成一行。線陣CCD數碼相機的結構簡單，不能拍攝活動景物。大多數的數碼相機使用面陣CCD芯片，可以拍攝活動的景物，拍攝速度快。數碼相機的主要特點是：和計算機有接口；存儲器記錄圖像；無膠卷傳輸機構；使用CCD或者是CMOS圖像傳感器感光；通過液晶顯示器可以實時監控畫面，觀看拍攝的效果。

1.2 圖像傳感器

1.2.1 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器的應用很廣泛，被大多數的數碼相機所采用。它是由光電耦合器件構成，具有優異的電荷傳遞、低噪聲、高量子效率、小像素、高占空因數等優點，但是也有它的缺點，比如只能在同一芯片上實現像素陣列，不能把CCD與相機的其他功能部件如信號處理等集成在一起，不能實現單片一體化。CCD是主要的實用化的固態圖像傳感技術，技術比較成熟。CCD存儲和傳遞信息的形式是電荷包。CCD主要由輸出結構、光敏單元、輸入結構三部分組成，CCD典型的內部結構如圖2所示。

CCD型圖像傳感器的工作原理如下：CCD器件的組成主要是若干個光敏像元，每個像元就是一個MOS，一般是光敏二極管。反射光線（被拍攝物體）通過光學系統在CCD的像敏面上被聚焦，圖像上的亮度信號在像敏面上被轉換成電荷信號，的圖象敏感表面成存儲在圖像感應裝置的信號電荷的CCD圖像敏感表面，最后轉移到移位寄存器中，根據驅動脈沖的作用下被從設備中被移出成為視頻信號。

面陣相機常用的有雙片型、單片三次捕獲型、單片單次捕獲型、三片型等4種類型。CCD圖像傳感器的制作成本比CMOS圖像傳感器高。

圖2 CCD典型的內部結構

1.2.2 CMOS圖像傳感器

典型的CMOS圖像傳感器通常包括單一時鐘、時序邏輯、一個圖像傳感器核心、芯片內的可編程功能，比如增益調節、integration time、windowing、模數轉換器。CMOS圖像傳感器典型結構如圖3所示。和傳統的CCD圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個圖像集成在一塊芯片上，具有降低功耗、減少空間占用、總體價格更低等優點。CMOS在ASIC的半導體技術、閃存、微處理器中占有十分重要的地位。

如果光敏二極管上沒有圖像光信號照射，源極和漏極兩極之間無電流通過，沒有圖像信號輸出。如果光敏二極管上有圖像光信號照射，源極和漏極兩極之間會形成電流通路，輸出圖像電信號。由此可見，入射圖像的光信號越強，源極、漏極之間的電流越大，輸出的圖像信號就越大，反之亦然。因此，輸出圖像信號的大小可以反映了入射光信號的強弱。由此可見，CMOS圖像傳感器的工作原理基于電荷存儲，即，PN結反向充電，然后在光照條件下擴增，放電率隨不同的光強度而不同。經過放電后，保留在每個像素中的電荷是不同的，所以實現了PN結面的圖像信號的的光電轉換，由光學系統轉換到像素陣列表面，每一個像素陣列被掃描時，就可以得到一個圖像的電信號。其工作條件必須是P型硅基底，負電源極和源極、正電源極和漏極分別相連。

圖3 典型的CMOS圖像傳感器結構

2 基于數碼相機的圖像采集系統

基于數碼相機的圖像采集系統可以采集圖像，并通過計算機顯示圖像信息，該系統的整體結構如圖4所示，該系統由數碼相機、計算機、高分辨率顯示器、串行口等構成。數碼相機攝取圖像后，通過串行口USB接口，將圖像信息傳輸到計算機進行處理，最后計算機可通過相機的驅動軟件直接控制數碼相機。USB總線已經成為PC標準接口之一，它可以減少PC機上過多的I/O端口，

圖4 基于數碼相機的圖像采集系統

用串行通道代替，使PC機和外部設備設之間的連接變得容易。

3 數碼相機視頻技術在游泳教學中的應用

由于游泳教學的特點，比如教師演示動作較困難，不能準確示范，學生不能清楚的觀看，再加上場地、教學器材的限制，學生的學習速度很緩慢，嚴重影響了游泳教學的質量。采用數碼相機視頻技術可以有效解決以上問題，提高游泳的教學效果。比如在講解示范蛙泳腿技術的過程中，教師首先組織學生練習蛙泳腿并把他們的動作拍攝下來，然后再播放標準的蛙泳腿技術的示范視頻，和學生們自己的視頻進行對比，學生根據標準的動作就會改進自身的動作，再次拍攝學生的動作視頻，在課余的時間學生可以根據標準動作視頻進行練習，等到再次上課的時候，教師就可以拍攝學生在水下的完整技術動作，教師進行點評，將視頻發送給學生，學生可以再次練習，然后相互糾正。通過數碼相機的視頻技術，可以提高教師的教學效果。

[1] 高建立,劉仲會.數碼相機的圖像采集在高校學籍管理工作中的開發與應用[A]..中國名校卷（天津卷）[C].:,2013:12.

[2] 李天琦.CMOS圖像傳感器像素光敏器件研究[D].哈爾濱工程大學,2013.

[3] 向吉鵬.淺析游泳教學中提高學員游泳技能的對策[J].才智,2013,10:139.

劉桂文.男.1971年河北陽原人.講師.方向體育教育理論與技術

Research-based teaching swimming digital camera and video technology

Liu Guiwen
(Baoji University of Arts and Sciences,Baoji,721016)

There are two major problems in swimming teaching,namely "visual disturbances" and "auditory interference" to solve these two problems to improve the quality of teaching has a very important significance.The advent of digital cameras and video technology,just to solve these two problems.This paper describes the structure and working principle characteristics of digital cameras,CCD and CMOS image sensors,elaborated composition based digital camera image acquisition system,the final analysis of video technology in digital camera swim teaching.

Digital camera;CCD;CMOS