傅劍峰

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教學精品錄播跟蹤定位技術淺析

傅劍峰

中國電信股份有限公司金華分公司，浙江 金華 321000

為了更好地發(fā)展和大力推廣教學精品錄播業(yè)務，對教學精品錄播系統(tǒng)中講師跟蹤、學生定位等關鍵技術的發(fā)展方向不明確的問題，通過原理解析與對比分析的方法進行了研究，得出了精品教學錄播業(yè)務關鍵技術的發(fā)展趨勢，以及以圖像分析識別為主流的技術實現(xiàn)方式。

錄播系統(tǒng)；教學精品錄播系統(tǒng)；圖像識別；跟蹤與定位技術

引言

最近幾年，教育部每年都會重點提及傳統(tǒng)教育融入現(xiàn)代化技術的戰(zhàn)略，排在首位的就是教學錄播系統(tǒng)。經(jīng)過多年的試點推廣，教學錄播系統(tǒng)得到各教育機構(gòu)、學校的初步認可，尤其是教學精品錄播。但因為目前存在各種不同的實現(xiàn)方式及技術瓶頸，所以眾多學校、培訓機構(gòu)對教學精品錄播系統(tǒng)既渴望又卻步。最明顯的就是教學視頻的智能跟蹤與定位技術的實現(xiàn)，是傳統(tǒng)錄播系統(tǒng)無法得到廣泛推廣和應用的攔路虎[1]。本文針對教學精品錄播目前的主流技術實現(xiàn)方式與優(yōu)劣勢，進行了相關的技術研究與對比分析。

1 系統(tǒng)概述

錄播系統(tǒng)，即把現(xiàn)場的音視頻以及各種電子設備的信號進行數(shù)字化采集與記錄，生成有效的流媒體文件，用于直播、存儲、后期編輯和點播等。教學錄播系統(tǒng)具有兩個功能：一是生成課程資源；二是將課程資源提供給需求對象。對使用對象產(chǎn)生價值是錄播的目的所在。

教學錄播又分為教學常態(tài)錄播和教學精品錄播。常態(tài)錄播可實現(xiàn)常態(tài)化教學中的課件錄制，系統(tǒng)實現(xiàn)相對簡單、固化；而教學精品錄播需要進行高質(zhì)量課件錄制及制作，如名師錄制公開課等。

教學精品錄播系統(tǒng)，自誕生起主要經(jīng)歷了全手動錄播、半手動錄播、全自動錄播三個階段。其中，全自動錄播系統(tǒng)的圖像跟蹤與定位系統(tǒng)是技術實現(xiàn)上最難的領域之一。講師定位系統(tǒng)可采用紅外、智能圖像分析等方式，智能拍攝講師的多種授課角度與場景，如全景、放大近景、板書特顯等。講師一般設置在圖像定位范圍之內(nèi)，講師走動時不會跟丟，整個跟蹤的過程要求連續(xù)、穩(wěn)定及平滑等。學生定位系統(tǒng)能夠定位發(fā)言學生并采用特寫拍攝。

2 技術實現(xiàn)原理

截至目前，教學精品錄播系統(tǒng)中的講師跟蹤與學生定位技術主要有三種技術實現(xiàn)方式，分別是超聲波跟蹤技術、紅外跟蹤技術及圖像識別跟蹤技術。其基本原理如下。

2.1 超聲波技術通過超聲波實現(xiàn)信號控制

講師跟蹤要求其配戴無線麥克風，通過麥克風內(nèi)置超聲波裝置，使攝像機跟蹤授課講師在課堂中的位置變化來實現(xiàn)。板書則是通過黑板下方的超聲波設備與講師攜帶的超聲波裝置進行感應來實現(xiàn)。學生的定位是通過觸發(fā)按扭操作來實現(xiàn)的，需要學生配置一個遙控設備或麥克風裝置。

2.2 紅外跟蹤技術通過紅外線控制

紅外跟蹤有點對點被動紅外跟蹤技術和主動紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術兩種。紅外點對點跟蹤的關鍵設備是紅外發(fā)射源和紅外接收裝置，根據(jù)紅外信號發(fā)生的變化，指使系統(tǒng)作出相應的判斷并發(fā)出跟蹤指令，讓攝像機跟蹤定位與拍攝[4]。主動紅外空間網(wǎng)格技術主要通過橫向縱向的紅外線形成“立體”網(wǎng)格，判斷講師行動方向與學生的站立發(fā)言等情況。

2.3 圖像識別分析跟蹤技術

識別圖像是依靠計算機軟件對有人像的視頻進行對比分析，即深度學習，并對其中的人物設置成跟蹤對象，使其一直處于拍攝范圍內(nèi)，實現(xiàn)人像自動跟蹤抓拍。

3 關鍵技術分析與比對

3.1 超聲波跟蹤與定位技術

講臺區(qū)域的跟蹤攝像是多機位分區(qū)，或者是通過跟蹤球機來實現(xiàn)的。一般就是在教室后面安裝多個固定攝像機或者安裝智能跟蹤球機，并在黑板下沿安裝超聲波收發(fā)器，實現(xiàn)有效距離在0.5米左右可調(diào)[5]。當講師由一個區(qū)域進入另一個區(qū)域時，另一個區(qū)域的攝像機就會跟蹤講師在此區(qū)域范圍內(nèi)的一切動作，而且不同區(qū)域之間的切換是自然的，視頻畫質(zhì)清晰而且不抖動。當講師寫板書時，可對板書的內(nèi)容進行放大與特顯，滿足視頻教學的要求。

3.2 紅外跟蹤與定位技術

紅外跟蹤技術主要有兩種模式，即點對點被動紅外跟蹤技術和主動紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術。

3.2.1 點對點被動紅外跟蹤技術

點對點被動紅外跟蹤技術通常情況采用在講師使用的無線話筒上安裝紅外發(fā)生器裝置，發(fā)生器不斷發(fā)出紅外信號；錄播教室后方的跟蹤攝像機上安裝紅外接收裝置，不間斷地接收到講師方向的紅外信號，從而控制球形攝像機隨時跟蹤講師的視頻畫面[6]。

學生的定位與跟蹤則是在學生座位上安裝光電感應設備。在學生正常就坐情況下，學生的身體將光電感應器的感光入口進行遮擋，使信號無法觸發(fā)；當學生回答問題時站立即離開座椅，感光孔就有光線進入進而觸發(fā)信號，判定此信號發(fā)生點位有學生站立，則要求攝像機對指定學生進行拍攝；而當學生問題回答完成之后坐下，感應孔又被身體遮擋，進而信號關閉，對應學生攝像機不再跟蹤，視頻切換回講師位。

紅外跟蹤的實現(xiàn)方式穩(wěn)定但需要佩戴設備，復雜度高，講師的接受度不佳。點對點紅外跟蹤技術的優(yōu)點是不管是講師還是學生，其跟蹤定位都相對準確。

3.2.2 主動紅外跟蹤技術

主動紅外跟蹤技術又名紅外空間網(wǎng)格定位跟蹤技術，原理是通過紅外發(fā)生器和紅外感應帶將教室進行條塊劃分，創(chuàng)建一個相對完整的紅外三維空間網(wǎng)格，講師內(nèi)部的每個點都能夠和紅外網(wǎng)格坐標進行對應[7]。不管是講師或者學生，在講師內(nèi)的任何一個位置，都會對對應區(qū)域的網(wǎng)格產(chǎn)生影響，系統(tǒng)立刻收到橫向和縱向網(wǎng)格信號對應的坐標，命令攝像機進行該點的視頻跟蹤與畫面顯示。

空間網(wǎng)格定位的優(yōu)點在該技術將整個教室空間三維網(wǎng)格化，系統(tǒng)可以準確進行空間定位，實現(xiàn)跟蹤“無盲區(qū)”。定位設備安裝在教室四周的墻壁和天花板上，講師和學生本人都不需配戴設備，使他們能進行常態(tài)化的教與學，對講師和學生的依賴和影響較小。

此技術實現(xiàn)方式的最大缺點是對講臺區(qū)域的講師跟蹤時容易產(chǎn)生視頻畫面的切換晃動。同時此技術方式在畫面跟蹤時，對環(huán)境要求較高，特別是教室內(nèi)的光線、室內(nèi)溫度等都可能對系統(tǒng)使用帶來一定影響。

3.3 圖像識別跟蹤與定位技術

圖像識別技術是采用智能跟蹤攝像機對講師和學生進行定位與跟蹤，然后由全景或者特顯攝像機進行畫中畫顯示。教師內(nèi)系統(tǒng)安裝示意圖如圖1所示。

其中采用人臉檢測與頭肩模型等檢測結(jié)合的方式實現(xiàn)智能跟蹤，具體技術實現(xiàn)方式如下。

當講師檢測或者學生檢測第一幀圖像輸入時，為圖像中的每個像素點分別創(chuàng)建一個背景模型，并初始化每個背景模型；針對后續(xù)輸入的每幀圖像中的每個像素點，分別根據(jù)其灰度值以及前一幀圖像中同一坐標位置的像素點的灰度值對其對應的背景模型進行更新，并根據(jù)更新結(jié)果確定出該像素點為前景點還是背景點；利用確定出的前景點和背景點得到一個以上前景團塊，將前景團塊作為檢測到的目標，提高檢測結(jié)果的準確性。當檢測到移動物體后，計算移動物體到指定點的距離，根據(jù)該距離決定是否觸發(fā)跟蹤，且跟蹤的觸發(fā)更為準確，更加有效地實現(xiàn)對講師的跟蹤及學生定位檢測[8]。跟蹤物體始終處于畫面中心位置，可以保證跟蹤的持續(xù)性和有效性。通過視頻圖像的識別技術，實現(xiàn)講師跟蹤與學生定位，與此同時，通過講師或者學生的全景及特顯的配合，加上板書的特顯等，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)有機結(jié)合。

圖1 圖像識別與跟蹤定位技術實現(xiàn)示意圖

除了通過前后的跟蹤攝像機對講師或者學生的畫面進行定位與跟蹤之外，因為目前的高清攝像機的普及，采用電子云臺取代傳統(tǒng)的球機跟蹤方式，即通過高清的全景畫面中的局部定位點，運用圖像裁剪方式實現(xiàn)畫面的跟蹤，這種方式不使用機械式的跟蹤攝像機，所以總體使畫面更平滑、穩(wěn)定，也是目前最為先進的使用模式[9]。

圖像識別技術應用在精品教學錄播，其優(yōu)點在于系統(tǒng)設計簡單、實現(xiàn)便捷，但是對圖像識別的技術成熟度要求更高，其成熟度還需要繼續(xù)提升。目前的智能跟蹤與定位方式還是通過各個廠家的不同方式、不同算法實現(xiàn)的，甚至有專門進行跟蹤檢測攝像機，希望視頻圖像識別技術在行業(yè)內(nèi)盡快形成標準、取得突破，為精品教學錄播系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支撐。

4 小結(jié)

教學精品錄播技術的發(fā)展是支撐教學精品課程資源生產(chǎn)的重要的信息化支撐。針對幾種關鍵技術的流派，各有主張、各有利弊。整體而言，市場上視頻跟蹤通過紅外方式實現(xiàn)跟蹤的較多，主流的廠家包括北京中慶、上海易視、深圳銳取、AVA等；超聲波技術的代表廠家有上海卓越，北京競業(yè)達；圖像識別的有翰博爾、奧威亞、中慶、文香、凡龍、?？低暤?。

其中，超聲波技術主要應用于大學課堂，以跟蹤講師為主，因為大學課堂以講師講授為主，師生互動少；紅外技術主要應用于中小學課堂，因為中小學課堂師生互動量遠遠大于大學課堂。但是這兩種方式在系統(tǒng)集成上相對要求多，用戶體驗也一般，不利于廣泛的推廣與運用[10]。圖像識別分析技術是解決自動跟蹤的最理想的方式，是主流的技術路線，也是大規(guī)模應用推廣的方案。隨著視頻智能技術的突破，圍繞著能夠更簡單易用、更智能、更準確的方式，逐步顯現(xiàn)并取代其他方式，也希望視頻圖像識別技術在行業(yè)內(nèi)盡快形成標準，取得突破，為精品教學錄播系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支撐。

[1]陳宗讓，李曉銘. 課堂教學自動錄播系統(tǒng)圖像跟蹤技術研究[D]. 長沙理工大學，2009.

[2]李勝廣，李莉，譚林. 數(shù)字公安監(jiān)所可視化智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 中國安防，2014（15）：84-88.

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[4]張飛碧. 全自動智能錄播系統(tǒng)的架構(gòu)分析[J]. 中國電化教育，2008（5）：104-108.

[5]鄧文新. 錄播系統(tǒng)在精品課程教學錄像制作中的應用研究[J]. 中國電化教育，2008（5）：101-103.

[6]李丁. 全自動精品課程錄播系統(tǒng)升級探究與實踐[J].玉林師范學院學報，2011，32（2）：147-150.

[7]黃建軍. 高校全自動精品課程錄播系統(tǒng)解決方案[J].北京電力高等專科學校學報：社會科學版，2012，29.

[8]陳世文. 全自動智能錄播系統(tǒng)跟蹤技術比較研[J]. 中國教育技術裝備，2013（23）：57-60.

[9]鄭海峰. 教學錄播系統(tǒng)發(fā)展趨勢探析[J]. 電子技術與軟件工程，2014（4）：59.

[10]趙玉山，趙嘉林. 淺談自動錄播系統(tǒng)圖像跟蹤技術[J]. 中國教育技術裝備，2010（27）：87-88.

Research on the High-Quality Teaching Recording and Tracking Positioning Technology

Fu Jianfeng

China Telecom Corporation Limited Jinhua Branch, Zhejiang Jinhua 321000

In order to develop and promote the high-quality teaching recording system preferably, so the author do the research on the unclear development problems such as the teachers tracking of high-quality teaching recording system, students positioning , automatic conducting through the principle analysis and the contrast analysis method. At last, it could be conluded the development trend of high-quality teaching recording technology, and the implementation of video intelligent analysis and recognition as the mainstream.

recorded system; high-quality teaching recording system; image identification; tracking and positioning technology

G434

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傅劍峰，高級工程師，碩士，浙江大學電子與通信工程專業(yè)畢業(yè)，任職于中國電信股份有限公司金華分公司，研究方向為智慧城市、智慧安防、智慧校園、移動通信等。