CN101316356B - 面向远程教育的板书动态图像压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向远程教育的板书动态图像压缩方法。在远程教育中，需要把教师的教学过程传输给学生，而板书是整个教学过程中最主要的视频信息。为了降低板书动态图像的数据量，同时保持板书的完整过程，本发明将板书动作轨迹和相关的板书背景分离开来，并分别采用不同的处理方式，然后在服务器中整合为完整的视频格式文件，传送到客户端进行播放。本方法解决了在远程教育活动中，视频占用较大带宽，用户应用受到限制的问题，可以广泛应用到各类远程培训、教学、数字课堂等业务中。

Description

面向远程教育的板书动态图像压缩方法 

技术领域

本发明涉及一种面向远程教育的板书动态图像压缩方法，尤其涉及一种将板书动态图像与静态图像分开进行处理，从而有效压缩远程教育活动中视频数据传输量的方法，属于数字图像压缩技术领域。 

背景技术

随着信息技术的不断发展，人们将计算机技术引入视频采集、制作领域，传统的视频图像处理领域正面临着模拟向数字化的变革。数字化视频的过程，通常被叫做数字化视频采集。数字化视频采集需要大量的磁盘空间，例如一幅640×480中分辨率的彩色图像(24b/pixel)，其数据量约为0.92MB/帧，如果存放在650MB的光盘中，在不考虑音频信号的情况下，每张光盘也只能播放24秒。使用如此巨大的磁盘空间存储数字视频文件，是大多数计算机用户所无法接受的。鉴于此种情况，人们往往采用数据压缩技术，通过对图像的帧尺寸、色彩深度和图像精度进行折衷以实现对视频数据的压缩。 

目前，远程教育正在蓬勃发展之中，它是解决教育资源、教育机会不均衡等问题的重要手段。在教学活动中，板书是老师引导学生逐步掌握知识点的基本手段。教师通过书写黑板板书，可以引导学生循序渐进地掌握知识。但是在远程教育活动中，学生与教师往往处在相距遥远的位置。教师板书的过程与内容，需要拍摄成数字视频数据，通过网络远程传输到接收终端上，学生在终端上收看。通常，黑板面积比较大，教师在黑板上书写的内容也比较多，要保证学生在终端屏幕上看清板书的内容，需要保证较高的拍摄精度，若采用传统的拍摄方式，会形成海量视频数据，这对硬件设备和网络传输条件要求较高，不利于远程教育的推广使用。也有人尝试采用Flash等技术模拟板书演示。但是，制作Flash文件本身需要较多的人力物力投入，加之它也很难完全拟合教师的书写效果，因此推广的空间不大。 

在现有技术中，流媒体数据通过网络进行传输通常采用两种方式。一种是在播放前，把流媒体事先下载到本地后再进行播放。这种方式对 网络带宽要求低，但播放前需要等待，并且下载的流媒体数据也需要消耗一定的磁盘资源。另外一种是一边下载一边播放，这种方式可以实现随时下载随时播放，不需要占用太大的硬盘资源，但因为受到网络带宽等因素的影响，很容易出现时断时续的现象，影响播放的效果。无论是采用哪种方式，要想获得清晰流畅的视频播放效果，都需要对远程教育活动中产生的流媒体数据进行有效压缩。但是，现有技术尚没有提供有针对性的视频压缩解决方案。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向远程教育的板书动态图像压缩方法。该方法可以有效弥补现有远程教育系统的不足，使远程教育技术贴合教育的现实需求，有效改善远程教育的实施效果。 

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案： 

一种面向远程教育的板书动态图像压缩方法，基于板书输入设备和计算机实现，其特征在于： 

教师通过所述板书输入设备书写板书，将板书的动作轨迹信息和相应的板书背景信息予以分离； 

对于所述板书背景信息，仅保存板书停止时发生变化的静态图像；对于板书的所述动作轨迹信息，仅保存每一笔划的起始时间、终止时间、使用笔的类型和笔画点的轨迹坐标信息； 

将所述动作轨迹信息和所述板书背景信息在服务器中整合为完整的视频格式文件，传送到客户端进行播放。 

其中，所述板书输入设备为电子白板、手写板、触摸屏中的任意一种。 

当板书动作开始时，所述计算机通过所述板书输入设备采集板书的动作轨迹信息； 

当板书动作停止时，所述计算机直接采集板书停止时的当前静态图像。 

所述视频格式文件分为静态图像数据部分和动态图像数据部分，其中所述静态图像数据部分包括静态图像参数和静态图像数据，所述动态图像数据部分包括笔划参数和笔划所对应的坐标点信息。 

所述静态图像参数为静态图像放映的开始时间和结束时间。 

所述笔划参数包括笔划书写的开始时间、结束时间和笔划颜色信息。 

所述视频格式文件中包含一个统一的时间轴，所有的开始时间和结束时间都相对于此时间轴进行同步。 

在客户端进行播放时，所述静态图像按所述静态图像参数指定的时间进行播放，所述动作轨迹信息按所述笔划参数中每一笔划的起始时间、终止时间和位置坐标参数均匀回放。 

在实现使用板擦擦除以前书写板书的视频过程时，首先记录板擦的运动轨迹，在回放过程中根据板擦运行的轨迹及板擦宽度信息，计算出哪些板书应该被擦去以及被擦去的时间，然后按时间参数将要清除的板书逐点恢复到初始的背景信息。 

本发明所提供的面向远程教育的板书动态图像压缩方法可以在保证远程教育活动中充分展示板书过程与信息的同时，有效降低远程教育数据的传输量，从而有效降低开展远程教育的成本。 

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。 

图1为用于实施本发明的远程教育系统的组成结构图。 

图2为本发明所提供的板书动态图像压缩方法的流程图。 

图3为在服务器中整合而成的视频格式文件的示意图。 

具体实施方式

图1所示为用于实施本发明所述方法的远程教育系统的组成结构示意图。该远程教育系统主要包括板书输入设备、用于实现轨迹采集和处理的计算机、负责板书轨迹与静态教学图像整合与传输处理的服务器以及分布在远端各处的客户端计算机等。其中，板书输入设备与计算机直接进行连接，服务器也与计算机进行连接。实践中，服务器和计算机可以合二为一，由一台具有较强数据处理能力的PC机来实现。服务器与分布在远端各处的客户端计算机通过专用的远程教育网或者电信网实现数据的传输。除此之外，上述远程教育系统还可以包括用于采集教师教学动作图像的摄像设备(图中未示)。该摄像设备与服务器进行连接。 

板书输入设备可以是电子白板、手写板、触摸屏等任何具有显示功能的笔输入设备。该笔输入设备的作用体现在两个方面：首先是让教师在板面上书写板书，通过板书的过程向学生传授知识点，其次是实时地、精确地采集教师板书过程中书写的运动轨迹信息，为在客户端的计算机上重现板书的书写过程奠定基础。

参见图2所示，本板书动态图像压缩方法的核心技术思想在于针对远程教育本身的特点，首先采集板书信息(步骤101)，并将教师的板书动作轨迹数据(即动态数据)和相关的板书背景数据(即静态数据)分离开来(步骤102)，分别采用不同的压缩处理方式进行压缩(步骤103、104)，然后打包形成完整的视频数据流进行传送。采用这种压缩方式获得的视频数据流将会比传统方式所获得数据流的数据量小得多。该视频数据流通过网络传输到作为接收终端的电脑之后(步骤105)，再在电脑中分别进行解压缩操作，然后将两部分信息重新叠合起来(步骤106)，形成完整的教师板书视频图像，对学生进行播放。 

上述方法在实施过程中主要包括板书输入、板书轨迹处理、板书轨迹整合与传输、板书轨迹回放等几个技术步骤，下面分别予以详细的说明。 

首先，教师使用上述的板书输入设备完成整个板书书写过程。以现在的触摸屏为例。触摸屏上可以事先显示教师准备的试题等教学内容，按照课堂习惯方式，教师用笔在触摸屏上书写，笔接触触摸屏上特定的点。教师用笔在触摸屏上书写的每一笔实际上就是与一连串的点发生接触，由于触摸屏上的所有点都已经在设备内部实现了数字化，因此笔所接触的这些点都有相应的位置坐标数据产生。基于这些位置坐标数据就可以完整地重现笔所书写的痕迹。 

另外，也可以使用基于纸面的挂墙式网络白板装置来完成板书输入工作。使用该装置之后，准备的试题等教学内容事先打印在由附着有特定编码信息的纸张制成的白板本上，教师直接使用电子笔在白板本上书写，书写的笔迹也可以很轻易地实现数字化。 

负责数据采集的计算机与板书输入设备相连接，定时获取教师板书的书写信息。该计算机以类似屏幕拍摄方式进行操作，每秒按固定频率从板书输入设备上采集信息，所采集的信息包括：输入设备上的图像、板书点坐标和其它一些事件等。在本发明中，不是象传统技术那样将采集到的所有图像都存储下来，而是采用了新的压缩处理方法：A.板书停止时，保存且仅保存发生变化的静态图像；B.板书(板擦也可视为一种特殊的板书)过程中，保存且仅保存每一笔划的起始时间、终止时间、使用笔的类型(包括颜色、粗细等)和笔画点的轨迹坐标。由于书写笔画通常用时较短，用力也较均匀，可以认为每一笔划内书写速度是均匀的。 因此，只需记录每笔开始和结束时间，就可以近似地推算出回放笔划中间各点的时间。 

服务器用于实现板书轨迹整合与传输。负责轨迹采集的计算机形成的数据传送到服务器上，被服务器整合成特定的视频格式文件。 

参见图3所示，该视频格式包括经过压缩的静态图像、板书轨迹的坐标点和颜色、宽度等描述信息。它主要分成两部分来存储有关的数据信息。第一部分所记录的是静态图像数据。该静态图像数据也分为两部分：静态图像参数和静态图像数据，其中静态图像参数所记录的是该参数所对应的静态图像放映的开始时间和结束时间。第二部分所记录的是板书的书写笔划信息，包括笔划参数和笔划所对应的坐标点。其中笔划参数包括笔划书写的开始时间、结束时间和笔划颜色等参数。在一个视频格式文件中，包含一个统一的时间轴，所有时间参数都相对于此时间轴，并以此进行同步。 

采用上述的板书图像压缩方法之后，新的视频格式文件的大小只有按通常压缩算法压缩的十几分之一。例如1分钟教师板书的视频压缩信息(如果是150Kb/秒)大约是11250KB，采用新的方法，如果静态图片的压缩比是10，动态信息经过压缩，只有10KB左右，整体信息大约在100KB左右。 

上述视频格式文件传送到客户端计算机之后，需要在客户端计算机上执行板书轨迹回放步骤。具体而言，在回放过程中，静态图像按参数指定的时间，动态播放；笔划信息按参数中每一笔划的起始时间、终止时间和位置坐标等参数，均匀回放，由此形成完整的视频。 

另外，教师在书写板书的过程中，还可以用板擦把以前书写的板书擦除。这个工作的录制过程与书写板书过程类似，只把板擦运动的轨迹记录下来，在回放过程中，根据板擦运行的轨迹及板擦宽度等信息，可以计算出哪些板书应该被擦去以及被擦去的时间等，然后按时间参数将要清除的板书，逐点恢复到初始背景图象，实现板擦擦黑板的视频过程。 

以上对本发明所提供的面向远程教育的板书动态图像压缩方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (6)

1.一种面向远程教育的板书动态图像压缩方法，基于板书输入设备和计算机实现，其特征在于：

教师通过所述板书输入设备书写板书，将板书的动作轨迹信息和相应的板书背景信息予以分离；

对于所述板书背景信息，仅保存板书停止时发生变化的静态图像；对于板书的所述动作轨迹信息，仅保存每一笔划的起始时间、终止时间、使用笔的类型和笔画点的轨迹坐标信息；

将所述动作轨迹信息和所述板书背景信息在服务器中整合为完整的视频格式文件，传送到客户端进行播放。

2.如权利要求1所述的面向远程教育的板书动态图像压缩方法，其特征在于：

所述板书输入设备为电子白板、手写板、触摸屏中的任意一种。

3.如权利要求2所述的面向远程教育的板书动态图像压缩方法，其特征在于：

当板书动作开始时，所述计算机通过所述板书输入设备采集板书的动作轨迹信息；

当板书动作停止时，所述计算机直接采集板书停止时的当前静态图像。

4.如权利要求1所述的面向远程教育的板书动态图像压缩方法，其特征在于：

所述视频格式文件分为静态图像数据部分和动态图像数据部分，其中所述静态图像数据部分包括静态图像参数和静态图像数据，所述动态图像数据部分包括笔划参数和笔划所对应的坐标点信息。

5.如权利要求4所述的面向远程教育的板书动态图像压缩方法，其特征在于：

所述静态图像参数为静态图像放映的开始时间和结束时间。

6.如权利要求4所述的面向远程教育的板书动态图像压缩方法，其特征在于：

所述笔划参数包括笔划书写的开始时间、结束时间和笔划颜色信息。

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