课堂监视监听装置的设计

王鹏 邓昌建 母辉 董凤 杨浩轩 暂智明 成都信息工程大学

1 引言

教室视频监控系统是提高网络化电子教学监控的手段，作为一种课堂教学管理与教学改进的资料，需用保存相关的数据，对教学手段和方式的改进提供教学依据。目前的录像数据保存量大，不利于关键数据的保存。本文采用违规监控的方式解决这个问题。它可以对上课说话、说话声音过响、考试讲话、违规人识别等内容进行特殊保存。其中对声音进行定位的方法采用麦克风阵列。

目前关于麦克风阵列定位的方法有延迟-相加波束形成、时延估计-几何定位（如广义互相关时延估计法，自适应时延估计法以及基于人耳特点的时延估计法）等。

本文采用的课堂监听监视装置主要由下面两部分组成：第1部分麦克风阵列接收外界声音，通过信号调理电路，接入数据采集卡，在电脑中进行数据处理，得到相应坐标。第2部分摄像头采集视频信息，通过WiFi连接路由器，路由器连接电脑上，把视频信息实时传输给显示器。

下面分部分介绍装置的设计。

2 麦克风阵列定位设计

2.1 采集电路设计

声音采集电路按照图1的电路设计，采用了2级自举放大电路，每级放大10-100倍，使用了4路。

图1 麦克风采集电路设计

2.2 基于LABVIEW定位程序设计

而后采用了锁相放大器测量到达时间差，锁相放大器是一种用于测量动态信号的电子仪器。它的主要组成部分有振荡器，混频器和低通滤波器。它应用正交性原理能从被噪声淹没的信号中测出某一频率的信号的相位和幅值。

从时间差到定位的原理图如图2所示。传感器阵列采用正方形，传感器的位置坐标为（L，L），（-L，L），（-L，-L），（L，-L）。则声源位置（x，y）可由下式算出（式中2L为正方阵的边长，Δt2，Δt3，Δt4分别为传感器2，3，4相对于1的时差，c是传播速度）。

图2 4点定位原理

3 课堂监视系统设计

3.1 系统结构与组成

摄像头通过无线局域网与路由器相连，路由器连接电脑，通过电脑与显示器相连，显示器能得到实时拍摄画面。

系统使用LABVIEW访问网络摄像头的方法

1）安装VLC，播放网页视频，并且提供了网页视频采集的可能。

2）尝试了三种LABVIEW调用网络摄像头的方法

第1种是使用IP camera adapter把网络摄像头初始化为本地摄像头，需要知道网络摄像头的IP地址，在初始化过程中，经常遇到不能初始化的情况。在使用路由器时，常常需要破解路由器以安装摄像头驱动，有时需要更改硬件电路，较为麻烦；

第2种是把摄像头的拍摄内容传入摄像头官方网站，通过LABVIEW访问网页，提取网页中的视频信息；

第3种是通过LABVIEW通过访问网页的方法访问摄像头的IP地址，需要把摄像头，PC连至同一路由器。

3.2 基于LABVIEW 的网络视频访问与存储

最后系统采用了第3种方法。

所做的准备工作如下：

添加WebBrowser --- .NET控件，在Framework2.0版中新增WebBrowser类，用户可以在窗体中导航网页，通过访问网络视频的网址，可实现网络视频的访问。

这里WebBrowser作为控制对象，LabView作为控制器。

其效果和程序框图如图3所示。

图3 网络摄像头访问与效果图

时延测试仿真采用的锁相放大的程序框图如图4所示。

图4 锁相放大的程序图

4 结论

本文结合学校实际情况，设计一套实时的课堂监听监视系统，实现教学现场或考场对违规说话或喧哗的行为进行实时监控。该套监控系统由前端监视设备、传输设备、后端控制显示设备这三大部分组成。本文采用了锁相放大器电路对声音进行定位系统，并能对采集声音源进行录制和保存，在多媒体中显示出来。这样有利于让老师对教学纪律和教学秩序有更好的把握，以及学校对教学的更好的评估与监督。

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