基于数码相机视频技术的游泳教学研究

刘桂文

（宝鸡文理学院,陕西宝鸡,721016）

基于数码相机视频技术的游泳教学研究

刘桂文

（宝鸡文理学院,陕西宝鸡,721016）

在游泳教学中有两大难题，即“视觉干扰”和“听觉干扰”，解决这两大难题对提高教学质量有非常重要的意义。数码相机视频技术的出现，正好解决了这两个难题。本文介绍了数码相机的特点、CCD和CMOS图像传感器的结构和工作原理，阐述了基于数码相机的图像采集系统的组成，最后分析了数码相机视频技术在游泳教学中的应用。

数码相机；CCD；CMOS

0 引言

随着科学技术的发展，其应用也越来越广，正影响着人们生活的方方面面。数码相机视频技术游泳教学就是使用数码相机的视频功能来拍摄学生的游泳技术动作，然后将这些视频和标准的示范动作相互比较，教师再加以讲解，直观的分析学生的技术动作，并给与评定，从而提高学生的技术水平，提高游泳的教学质量和效果。在美国等国家的游泳训练中非常注重视频等视听设备的运用，为了提高游泳教学的水平，我国也应该推广数码相机视频技术在游泳教学中的应用。本文分析了数码相机的结构，以及当前在游泳教学中的应用情况，为数码相机视频技术的广泛应用提供理论基础。

1 数码相机

1.1 数码相机的特点

数码相机的核心部件是图像传感器，主要有两种类型，一种是CCD，另一种是CMOS。它集成了图像信息的采集、存储以及传输信息的部件，集光、电、机于一体，能和计算机之间进行数字信息的交互处理，其典型的框架图如图1所示。

图1 典型的数码相机的结构图

数码相机的成像器件主要是CCD。根据数码相机使用的CCD种类，其结构可以分为面阵CCD和线阵CCD两种。面阵CCD的感光区是矩阵平面，线阵CCD相机中的光敏元均匀排成一行。线阵CCD数码相机的结构简单，不能拍摄活动景物。大多数的数码相机使用面阵CCD芯片，可以拍摄活动的景物，拍摄速度快。数码相机的主要特点是：和计算机有接口；存储器记录图像；无胶卷传输机构；使用CCD或者是CMOS图像传感器感光；通过液晶显示器可以实时监控画面，观看拍摄的效果。

1.2 图像传感器

1.2.1 CCD图像传感器

CCD图像传感器的应用很广泛，被大多数的数码相机所采用。它是由光电耦合器件构成，具有优异的电荷传递、低噪声、高量子效率、小像素、高占空因数等优点，但是也有它的缺点，比如只能在同一芯片上实现像素阵列，不能把CCD与相机的其他功能部件如信号处理等集成在一起，不能实现单片一体化。CCD是主要的实用化的固态图像传感技术，技术比较成熟。CCD存储和传递信息的形式是电荷包。CCD主要由输出结构、光敏单元、输入结构三部分组成，CCD典型的内部结构如图2所示。

CCD型图像传感器的工作原理如下：CCD器件的组成主要是若干个光敏像元，每个像元就是一个MOS，一般是光敏二极管。反射光线（被拍摄物体）通过光学系统在CCD的像敏面上被聚焦，图像上的亮度信号在像敏面上被转换成电荷信号，的图象敏感表面成存储在图像感应装置的信号电荷的CCD图像敏感表面，最后转移到移位寄存器中，根据驱动脉冲的作用下被从设备中被移出成为视频信号。

面阵相机常用的有双片型、单片三次捕获型、单片单次捕获型、三片型等4种类型。CCD图像传感器的制作成本比CMOS图像传感器高。

图2 CCD典型的内部结构

1.2.2 CMOS图像传感器

典型的CMOS图像传感器通常包括单一时钟、时序逻辑、一个图像传感器核心、芯片内的可编程功能，比如增益调节、integration time、windowing、模数转换器。CMOS图像传感器典型结构如图3所示。和传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器将整个图像集成在一块芯片上，具有降低功耗、减少空间占用、总体价格更低等优点。CMOS在ASIC的半导体技术、闪存、微处理器中占有十分重要的地位。

如果光敏二极管上没有图像光信号照射，源极和漏极两极之间无电流通过，没有图像信号输出。如果光敏二极管上有图像光信号照射，源极和漏极两极之间会形成电流通路，输出图像电信号。由此可见，入射图像的光信号越强，源极、漏极之间的电流越大，输出的图像信号就越大，反之亦然。因此，输出图像信号的大小可以反映了入射光信号的强弱。由此可见，CMOS图像传感器的工作原理基于电荷存储，即，PN结反向充电，然后在光照条件下扩增，放电率随不同的光强度而不同。经过放电后，保留在每个像素中的电荷是不同的，所以实现了PN结面的图像信号的的光电转换，由光学系统转换到像素阵列表面，每一个像素阵列被扫描时，就可以得到一个图像的电信号。其工作条件必须是P型硅基底，负电源极和源极、正电源极和漏极分别相连。

图3 典型的CMOS图像传感器结构

2 基于数码相机的图像采集系统

基于数码相机的图像采集系统可以采集图像，并通过计算机显示图像信息，该系统的整体结构如图4所示，该系统由数码相机、计算机、高分辨率显示器、串行口等构成。数码相机摄取图像后，通过串行口USB接口，将图像信息传输到计算机进行处理，最后计算机可通过相机的驱动软件直接控制数码相机。USB总线已经成为PC标准接口之一，它可以减少PC机上过多的I/O端口，

图4 基于数码相机的图像采集系统

用串行通道代替，使PC机和外部设备设之间的连接变得容易。

3 数码相机视频技术在游泳教学中的应用

由于游泳教学的特点，比如教师演示动作较困难，不能准确示范，学生不能清楚的观看，再加上场地、教学器材的限制，学生的学习速度很缓慢，严重影响了游泳教学的质量。采用数码相机视频技术可以有效解决以上问题，提高游泳的教学效果。比如在讲解示范蛙泳腿技术的过程中，教师首先组织学生练习蛙泳腿并把他们的动作拍摄下来，然后再播放标准的蛙泳腿技术的示范视频，和学生们自己的视频进行对比，学生根据标准的动作就会改进自身的动作，再次拍摄学生的动作视频，在课余的时间学生可以根据标准动作视频进行练习，等到再次上课的时候，教师就可以拍摄学生在水下的完整技术动作，教师进行点评，将视频发送给学生，学生可以再次练习，然后相互纠正。通过数码相机的视频技术，可以提高教师的教学效果。

[1] 高建立,刘仲会.数码相机的图像采集在高校学籍管理工作中的开发与应用[A]..中国名校卷（天津卷）[C].:,2013:12.

[2] 李天琦.CMOS图像传感器像素光敏器件研究[D].哈尔滨工程大学,2013.

[3] 向吉鹏.浅析游泳教学中提高学员游泳技能的对策[J].才智,2013,10:139.

刘桂文.男.1971年河北阳原人.讲师.方向体育教育理论与技术

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