◆陳世文

作者：陳世文，黃石市第二十中學（435001）。

通過綜合分析超聲波跟蹤、點對點被動紅外跟蹤、主動紅外空間網(wǎng)格定位和圖像識別分析技術(shù)的優(yōu)缺點，根據(jù)高中教學的針對性和適用性，提出適應高中教學的錄播跟蹤技術(shù)選型方案。并結(jié)合黃石市第二十中學全自動錄播數(shù)字化教室實際應用時的不足，提出一種有待研發(fā)的主動紅外+空間網(wǎng)格+板書紅外三合一的紅外錄播跟蹤技術(shù)。

隨著新課改的深入，教師課堂教學越來越追求可視化，學生課堂學習要求探究合作化，然而這些要求的實現(xiàn)，很大程度上要借助于現(xiàn)代化的信息技術(shù)設(shè)施，特別是課堂教學的可視化。下面結(jié)合建設(shè)這樣的功能教室前實地考察幾家錄播系統(tǒng)時遇到的問題和建成后在實際應用中所取得的經(jīng)驗，談幾點認識和見解，以供后面的普教用戶參考。

對于整體設(shè)計思路，首先要搞清楚需要什么樣的要求，要達到哪些功能，再來選擇設(shè)備。

首先，要求功能教室要達到教學過程可視化，教學過程全程錄播數(shù)字化。

第二，此教室還應適應高中的一切文化科目的教學要求，任何文化科目都用得上。特別是英語語言教學上雙向?qū)υ捯螅虼?，有必要安裝模擬語音教學設(shè)備和數(shù)字語音教學系統(tǒng)。

第三，此教室應有適用現(xiàn)代教學要求的多媒體教學系統(tǒng)。

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

全自動錄播跟蹤系統(tǒng)，是這套系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個單項系統(tǒng)，涉及較多設(shè)備和模式。目前市場上的錄播跟蹤系統(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)和圖像識別分析技術(shù)。三者各有利弊。

1）超聲波技術(shù)是通過超聲波控制。其中教師跟蹤要求教師配戴無線麥克風，通過語音激勵，使攝像機跟蹤教師來實現(xiàn)。對于講臺區(qū)域的跟蹤攝像是多機位分區(qū)，就是在教室后面安裝多個固定攝像機，在黑板下沿安裝超聲波感應頭，實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)。當教師靠近黑板時，相應位置的超聲波感應頭檢測到人體，立即觸發(fā)相對應的攝像機拍攝畫面，未檢測到人體的其他板書攝像機則處于封閉狀態(tài)；當教師進入另一區(qū)域時，相對應的攝像機就會拍攝教師（如圖1所示）。這種攝像定位精確，畫面清晰不抖動。

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

3）圖像識別分析跟蹤技術(shù)。圖像識別是人工智能的一個重要領(lǐng)域。識別某個圖像，必須在過去的經(jīng)驗中有這個圖像的記憶模式。識別圖像時，這個圖像與記憶相似或匹配，則這個圖像被識別。依靠計算機的專門軟件對攝像機捕獲的人像進行分析處理，將其設(shè)定為跟蹤對象，使其始終處于拍攝范圍內(nèi)，實現(xiàn)人像的自動跟蹤。這是當前技術(shù)含量較高的跟蹤技術(shù)，現(xiàn)在國際上的一些大公司都在努力研究圖像識別分析技術(shù)。圖像識別分析技術(shù)是解決自動跟蹤的終極方案。

圖1 超聲波多鏡頭覆蓋跟蹤技術(shù)

針對幾種技術(shù)流派，各有其應用的場所主導方向。目前圖像識別技術(shù)在自動錄播跟蹤的應用上還有很多技術(shù)難關(guān)未解決好。超聲波技術(shù)主要應用于大學課堂教學，紅外技術(shù)近幾年應用于中學課堂有所興起。中學課堂教學模式與大學有明顯的不同：大學課堂以教師講授為主，師生互動較少，在互動這一塊不必過于強化；而中小學課堂師生互動量遠遠大于大學課堂，學段越低，互動越多。所以為適應高中要求，在開始選型上選擇了紅外跟蹤技術(shù)。

紅外跟蹤技術(shù)又有兩個流派：一種是點對點被動紅外跟蹤技術(shù)（如圖2所示）；一種是主動紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術(shù)。這兩種技術(shù)中關(guān)鍵的區(qū)別就是目標定位上的差距。

點對點被動紅外跟蹤技術(shù)是在教師身上配戴的無線話筒上安裝一個紅外發(fā)生器，發(fā)生器不停地發(fā)出紅外信號；高速球攝像機上有一個紅外接收裝置，不停地接收教師紅外發(fā)生器的信號而控制教師攝像機，隨時跟蹤教師活動情況。在黑板上、下方各安有紅外傳感裝置，教師板書時切斷紅外信號，系統(tǒng)將信號傳給板書攝像機，拍攝教師板書情況?；蛘呤墙處熗ㄟ^手動按扭來控制板書攝像機拍攝板書畫面。

學生跟蹤是通過在學生座位上安裝一個光電感應器，當學生坐好時，借用學生身體遮擋住光電感應器的感光孔，光電信號就不會發(fā)出；當學生站起來回答問題時，人離開座椅，感光孔就有光線進入而產(chǎn)生光電信號發(fā)射出去，光電信號接收裝置就收到信號而判定此光電信號發(fā)生點有一位學生站起來回答問題，隨后指令學生攝像機對此學生進行跟蹤攝像；當學生回答完畢坐下時，光電感應孔被遮擋住而沒有信號產(chǎn)生，因此，學生攝像機就不再跟蹤此學生，而自動切換到教師。通過兩種點對點跟蹤來完成對教師和學生的跟蹤切換。

這種技術(shù)的優(yōu)點是跟蹤定位準確，由于教師身上配戴了無線咪，因此后臺攝像時錄音效果相當好；由于學生每個椅子上都有光電感應器，只要學生站起來回答問題，學生攝像機就會馬上跟蹤，所以定位精確度很高。

但也有缺點：

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

其二，學生跟蹤是通過光電感應而發(fā)生的。學生坐在椅子上時，臀部不一定恰好遮住光電感應器，一旦產(chǎn)生漏光現(xiàn)象，光電感應器就會發(fā)出信號，指使學生攝像機跟蹤此學生，而此學生此時并未回答問題，是不需要跟蹤、不需要特寫的，因而可能產(chǎn)生較多的垃圾鏡頭。

圖2 點對點被動紅外跟蹤技術(shù)

主動紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤原理是借助于紅外發(fā)生器和紅外感應帶將整個教室建立一個三維空間網(wǎng)格坐標系，來將教室內(nèi)每個點進行網(wǎng)格坐標定位。不論教師、學生在任何一點站立，都會改變某一區(qū)域網(wǎng)格內(nèi)紅外信號，系統(tǒng)就會收到信號令攝像機自動跟蹤（如圖3所示）。這種空間網(wǎng)格定位最大的優(yōu)點就是關(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，教師和學生都無需配戴任何設(shè)備，完全等同于普通教室的常態(tài)化教學，教師、學生都很自然。

當教師在講臺區(qū)域時，教師通過改變講臺區(qū)域的紅外網(wǎng)格內(nèi)的紅外信號而獲得教師定位信號，教師攝像機就自動跟蹤教師的一舉一動。當教師走下講臺進入學生區(qū)域時，由于教師的進入而改變了學生區(qū)域某網(wǎng)格紅外信號，因此攝像機就會跟蹤教師。當學生站起來回答問題時，學生身體高度的改變觸發(fā)了學生所在的某一網(wǎng)格紅外探測信號，攝像機就會自動跟蹤學生；當學生回答完畢坐下時，系統(tǒng)認為此時紅外信號恢復原值，就認為沒有學生回答問題，自動調(diào)整到教師畫面。通過這種原理來實現(xiàn)教師與學生的互動教學過程（如圖4所示）。

圖4 主動紅外空間網(wǎng)格定位平面圖

空間網(wǎng)格技術(shù)將整個教室空間三維網(wǎng)格化，無論是教師還是學生，系統(tǒng)都可以準確地感知目標的空間位置，實現(xiàn)跟蹤“無盲區(qū)”。教師不再限制在講臺上，無需配戴任何設(shè)備，學生不再需要按話筒開關(guān)或按扭，無論教師走到教室的哪個位置，無論學在哪個位置起立回答問題，只要空間網(wǎng)格中某個紅外接收信號有所改變，系統(tǒng)都可以準確地感知。配合合理的策略，可以輕松解決師生互動。此設(shè)施最大的優(yōu)點是教學常態(tài)化，不因系統(tǒng)錄像而做些其他的任何動作要求。最大的缺點是對講臺區(qū)域的教師跟蹤時同樣會產(chǎn)生視頻畫面的晃動，且板書跟蹤解決得不大完美；跟蹤時對教室環(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，將教室講臺通過分區(qū)來實現(xiàn)對講臺區(qū)域教師的跟蹤。就是在教室的后面安有3～4個固定攝像頭，將講臺分為幾個區(qū)，每一個攝像頭覆蓋一個區(qū)域，當教師進入此區(qū)域時，此區(qū)域?qū)囊粋€攝像頭就會攝像，而在此區(qū)域內(nèi)教師的動作幅度無論多大，錄制視頻的畫面都不會晃動，視覺效果很好。當教師由某一區(qū)域進入另一區(qū)域時，另一區(qū)域的攝像頭就跟蹤教師在此區(qū)域的一切動作，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。當教師板書時，可對板書內(nèi)容進行特寫放大，符合視頻教學要求。

圖5 主動紅外+空間網(wǎng)格+板書紅外技術(shù)

學生定位是通過按扭操作來完成，每兩個學生共同使用一個遙控設(shè)備或話筒。當學生發(fā)言時，學生按一下“開始發(fā)言”按鍵，鏡頭會自動切換給學生；結(jié)束發(fā)言時，按“結(jié)束發(fā)言”，圖像會切回到教師。整個系統(tǒng)由于學生區(qū)域有很多話筒，聲音效果很好。

由于講臺區(qū)域分區(qū)位跟蹤，跟蹤時畫面不會晃動，因此，超聲波技術(shù)有紅外技術(shù)難以企及的優(yōu)點。

當然，也有其缺點。

一是學生區(qū)域話筒過多。如果學生因好奇亂按話筒，或?qū)W生打開話筒而忘記關(guān)閉話筒，可能會將雜音放大或產(chǎn)生垃圾鏡頭。學生回答問題時，必須按一下課桌上的話筒按扭，將信號發(fā)給系統(tǒng)，此時攝像機才會對回答問題的學生進行特寫攝像跟蹤，否則可能只有學生的聲音而沒有學生的圖像。這不是常態(tài)教學。因此，應用前提是教師很熟練，學生很自覺，習慣很好。正是由于這種原因，更多地適用于大學的課堂教學，特別是講座型的教學模式。

二是超聲波產(chǎn)品長時間使用，對人體健康是否有害，學術(shù)界對此也一直爭論不休。

綜合超聲波技術(shù)、點對點被動紅外技術(shù)、主動紅外空間網(wǎng)格定位技術(shù)和圖像識別分析技術(shù)的優(yōu)缺點，根據(jù)高中教學的針對性和適用性，提出了自己的目標方案，就是將超聲波技術(shù)講臺分區(qū)的優(yōu)點應用于紅外技術(shù)中，提出多機位分區(qū)多畫面切換全自動紅外跟蹤錄播系統(tǒng)方案。基于這種技術(shù)要求，要求講臺區(qū)域分為3個區(qū)域（分區(qū)越多，視頻畫面越晃；分區(qū)越少，鏡頭覆蓋面越大，人像越?。＝處?、學生要求教學常態(tài)化，不需要配戴或在坐椅上安裝任何設(shè)備。實現(xiàn)這種方案的技術(shù)原理是主動紅外+空間網(wǎng)格定位跟蹤，目前能較好地解決中學課堂教學中教師、學生圖像跟蹤問題。當然這種技術(shù)也存在設(shè)備成本較高，室內(nèi)裝修要求較高，教師板書特寫跟蹤不大理想等不足，錄播跟蹤技術(shù)還有待進一步完善。

在應用中發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)格對教師板書畫面的拍攝不大滿意。為此，針對高中教學要求，提出一種新的技術(shù)解決方案，有待專家研究，有待廠家研發(fā)。這就是在主動紅外+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)域建立一個紅外平面場，當教師板書時觸發(fā)紅外場，使板書攝像機進行板書特寫，這樣就可實現(xiàn)教師分區(qū)跟蹤、學生跟蹤、板書特寫，再加上電腦課件幾種信號整合的優(yōu)良效果。因此，筆者期待的解決方案是主動紅外+空間網(wǎng)格+板書紅外三合一的紅外錄播跟蹤系統(tǒng)，如圖5所示。

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

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

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