课堂教学自动录播系统图像跟踪技术研究

陈宗让　李晓铭

【摘要】课堂教学自动录播系统是高校精品课程建设中不可缺少组成部分,通过分析当前自动录播系统中教师与学生图像跟踪方式存在的优点和不足,提出了较新的“主动红外+空间网格”的技术方案,并对该方案的主要技术做了进一步阐述。

【关键词】自动录播;图像跟踪;主动红外;空间网格

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009—8097(2009)07—0114—02

由于教育部对精品课程建设及一般高校基于网络的教学资源库建设的共同需求,各高校都在加紧进行精品课程建设的课堂录像工作,《课堂教学自动录播系统》正在大部分高校中兴建。该系统包括诸多高端技术,图像跟踪技术是其主要技术之一。

图像跟踪,是一个较复杂的过程,包含多种技术在内。本文提到的图像跟踪技术,不是指跟踪的全过程,仅指能够触发并指挥摄像机移动的技术,即只是告诉摄像机去哪里,至于去不去、该谁去、怎么去在这里暂不做分析。首先对自动录播系统中图像跟踪方式的现状作一简单分析。

一 录播系统中图像跟踪方式的现状及存在的问题

在自动录播系统中,图像跟踪技术主要包括两个方面,即教师图像跟踪技术与学生图像跟踪技术。

1 教师图像跟踪技术

当前教师图像跟踪技术主要有基于信号的探测方式和基于图像分析和运动检测的人像识别方式两大类。

(1) 基于信号的探测方式

基于信号的探测方式主要有两个:

被动式红外探测技术——将红外发射装置放置在被跟踪对象身上,接收装置安放在摄像机旁,摄像机根据红外接收装置接收的红外信号的方向决定摄像机拍摄方位[1]。该方式的主要优点是技术较成熟、成本较低、施工较简单。主要缺点是抗干扰能力较差;教师侧身或转背红外信号丢失,无法判断拍摄方向;拍摄高度无法自动调整;无法判断被拍摄对象的距离从而设置出中景、远景、近景等效果。

主动式超声波探测技术——将多个具有特殊频率的超声波发射和接收装置安装在黑板的下方,根据超声波接收装置接收的反射波变化来决定摄像机拍摄的方向。该方式的主要优点是技术较成熟,可判断被拍摄对象与黑板的距离。由于超声波发射角度偏大,所以拍摄方位的精度不太高,易出现视频信号来回切或摄像机不断左右摆的误操作,同时它无法判断被拍摄对象的高度从而自动调整摄像机的拍摄高度。

(2) 基于图像分析和运动检测的人像识别方式

该方式是依靠计算机的专门软件,对摄像机捕获的人像进行分析处理,将其设定为跟踪对象,使其始终处于摄像机的拍摄范围内,实现人像的自动跟踪,并可实现镜头的推、拉变化等。由于其外围设备的大幅减少和施工难度、复杂度的降低,很受用户欢迎。这是当前技术含量较高的跟踪技术,也是课堂教学录播系统跟踪技术的最终解决方案。

由于基于图像分析和运动检测方式的跟踪系统技术含量高,造成设备成本较高,很多该方面的新技术还没有真正应用于一般产品中,使得现阶段该技术在使用中频繁出现跟丢和乱跟的现象,对多个目标的识别分析难度就更大,所以还没有广泛的应用于课堂教学的录播系统中。

2学生图像跟踪技术

目前,对学生图像的跟踪绝大多数厂商都选取了较为简单的无线按钮、有线或无线话筒等开关方式。每个按钮与摄像机的一个预置位对应,按下某个按钮,摄像机自动对准一个已预设好的方向,以此“定位”进行拍摄[2],关掉按钮,摄像机返回教师摄像机拍摄方式;话筒跟踪方式是打开某个话筒开关,话筒发射红外光,学生摄像机被触发,摄像机采用被动式红外探测技术跟踪进行拍摄。关闭话筒,摄像机返回教师摄像机拍摄方式。

上述技术除无线话筒本身存在的缺陷:学生手持话筒影响课堂录像真实感,电池更换不便等外,最大的缺陷是上课时学生好奇不断乱按按钮或话筒打开忘了关,噪声和图像会不断干扰正常的课堂录像。在以往的课堂录像中多数都需进行课后补录,并重新编辑,给课堂教学录播带来极大不便。

二 一个较好的解决方案

以上提到的图像跟踪技术或多或少存在缺陷,基于图像分析和运动检测方式的人像跟踪技术,虽然是最终解决图像跟踪的技术方案,但目前应用还存在一定的难度。经共同研究和实践我们认为采用“主动红外+空间网格”技术是当前较好的解决方案之一。

图1中矩形方块为红外发射头,横向的水平与交叉的虚线(较粗),为安装在教室后方吊顶上“教师红外发射头”发射的红外光覆盖范围,主要负责教师的图像跟踪,由教师任一动作触发,摄像机的拍摄方向及景别由教师所处的具体位置确定;纵向的垂直与交叉的虚线(较细),为水平安装在教室左右高度为1.4米处的“学生红外发射头”发射的红外光覆盖范围,主要负责起立回答问题的学生图像跟踪,当学生起立回答问题时,由于学生高度的变化触发红外探测信号,使录播计算机的录像内容自动切换到学生摄像机,摄像机的拍摄方向及景别由起立的学生所处的具体位置确定,学生回答完问题坐下后,触发录播计算机恢复到教师摄像机拍摄方式。两个覆盖区也可联合使用。

1 “主动红外”

所谓“主动红外”是指安装在录播教室的左、右及后方的多个红外发射装置,按一定角度主动发射红外波长的光波,由固定在墙上的长条型红外光接收装置接收该光波信号。如图2,由于红外发射装置安装的高度和位置不同,在教室内可形成一个红外光的三维空间。教师或学生在该空间出现和移动,都会使红外接收装置接收的信号发生变化,由此启动录播系统和改变摄像机拍摄方向。

2 “空间网格”

所谓“空间网格”,简单的讲就是在系统中将教室变成一个由若干个矩形网格组成的三维空间(如图1)。安装在墙上的红外接收条装置(粗实线)是由多个红外接收器组成,每隔10厘米左右一个,根据教学现场的实际,利用系统软件可对教室讲台和学生座位区进行网格划分,一般是边长为一米左右的矩形。根据人像投影等技术,系统可对其中的目标(教师和学生)进行准确的空间网格定位,包括上下、左右及前后。上下、左右决定摄像机云台的转动方向,前后则可以支持摄像机镜头的推、拉。这样空间网格划分,在录播时就可设计多个远景、近景等平滑变焦的策略,增加了画面的景别变化,提升了录制效果。

空间网格技术是将整个教室空间三维网格化,无论是老师还是学生,系统都可以准确的感知目标的空间位置,实现跟踪“无盲区”。教师不再限制在讲台上,学生不再需要按话筒开关或按钮,无论老师走到教室的哪个位置,无论学生在哪个位置起立回答问题,只要空间网格中某个红外接收信号有所改变,系统都可以准确的感知,配合合理的策略,可以轻松解决“互动”。

空间网格技术通过提前对不同网格的属性定义,系统不仅可以准确的感知到目标的空间位置,还可以通过网格的属性对目标的动作做出分析和判断。系统在这样的分析判断的基础上导入拍摄思想,指导摄像机拍摄,就可形成自动录播的智能策略。

“主动红外+空间网格”技术是一项较新的专利技术,较好的解决了当前课堂教学自动录播系统中教师和学生的图像跟踪问题。当然,它也存在设备成本较高,安装、调试较复杂等不足,整体美观和稳定性也有待进一步改进。一个好的技术还必须与好的策略相配合,教师讲课的类型很多,各有其特点,跟踪技术怎样满足各类教师教学的拍摄需求,设计出合理的跟踪策略还有大量的工作值得分析研究。

参考文献

[1] 李文.虚拟演播室的跟踪技术及选型[J].电视字幕、特技与动画,2006,(11):56-57.

[2] 周贻春,郑庆忠,陈佩妮.精品课程网路实时录播系统的应用与维护[J].科技创新导报,2008,(09):230.