CN101814242A - 教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于应用电子产品的技术领域，采用数字信号处理器对目标检测跟踪算法进行处理，可以应用于教师教学过程中，实时跟踪其讲课，而且能够外接视频服务器对教师的教学过程进行现场录制的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，装置在硬件结构上，从功能的角度可划分为以下几个部分：图像数据采集模块、DSP数据处理与存储模块、地址锁存译码模块、云台控制模块以及图像数据输出模块。本发明的优点：无需专人看守，方便操作，节省人力；实时跟踪效果理想；不会影响课堂氛围，教师可以专心授课，还原本色教学，对其提高自身教学能力及教学积极性发挥一定的作用。

Description

教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置

技术领域

本发明属于应用电子产品的技术领域，采用数字信号处理器对目标检测跟踪算法进行处理，可以应用于教师教学过程中，实时跟踪其讲课，而且能够外接视频服务器对教师的教学过程进行现场录制的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置。

背景技术

在教师讲课的过程中，教师本人无法实际地看到自身的授课姿态以及整堂教学课的个人表现，因此对自己所存在的一些细节问题，乃至于教学失误都没有达到更好的认识，从而在提高自身教学能力及学校教学质量这一方面有所欠缺。

针对这一问题，出现了教师录课的解决方法。传统的教师录课大都使用摄像机，该方法存在以下几点不足：

(1)使用摄像机需要配有专业人员进行操作，这样会耗费人力资源。

(2)会影响教师和学生的课堂氛围。

(3)实时跟踪、录制的效果不是很理想。

目前也有利用红外光源对教师授课进行实时跟踪的方法，但是仍然会造成分散教师讲课的注意力的后果，而且红外光源的寿命是有限的，因而最终实现的效果也没能达到预期的结果。

发明内容

本发明的目的是针对传统的教师录课系统所存在的弊端，设计了一种基于实时动态视频跟踪技术的适用于教师录课系统的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置。

为了达到本发明的目的提供一种教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，其特征在于摄像头采集模拟视频信号，通过视频解码器SAA7115转换为高速的数字信号，送入数字信号处理器(TMS320DM642)进行处理；需要处理的数字视频存储于同步动态随机存储器(SDRAM)中，随时与DSP进行数据交换；算法处理与实现主要通过数字信号处理器与其外围电路现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、外部锁存器、闪存(FLASH)来完成；数字信号处理器的时钟(CLOCK)为外部存储器配置的原始值；经过DSP输出的标准数字视频信号通过视频编码器SAA7105处理后直接送入显示器(CRT)上进行显示；而其处理后的控制云台跟踪运动目标的控制命令则通过串行通信接口(RS232)转换为串行信号，输出到云台控制器，通过控制云台的转动来达到实时跟踪运动目标的目的。

所述的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，其特征在于所述的运动目标检测算法流程为：

(1)采集数字视频流数据，对其进行预处理，即将其转变为灰度图像

(2)使用高斯模型建立背景图像，对其进行中值滤波，边缘增强，得到图像B(x，y)；

(3)对当前图像也进行中值滤波，边缘增强，得到图像F(x，y)；

(4)执行差分二值化计算： $D(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& F(x,y)-B(x,y)\&GreaterEqual;T\\ 0& F(x,y)-B(x,y)<T\end{array}\right.$

阈值T的大小会影响到检测的精确度，如T值太大会使系统检测不到一些物体的细微运动，而T值太小则会检测到微小物体的扰动，因此阈值T的选取应根据实际情况，通过多次实验获取最佳值。

(5)对背景图像进行更新，转到步骤(2)

所述的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，其特征在于所述的实时跟踪流程为：

(1)提取前景目标，并建立运动目标的运动模型；

(2)先对运动目标所在位置进行预测，由于检测识别算法的执行会造成短暂的延迟，因此在初始化位置预测时需根据目标运动的方向进行相应像素单位距离的加减；

(3)进行模板匹配，搜索检测目标：在以搜索点为中心的搜索范围内，以直方图为目标模式进行匹配；

(4)判断是否找到目标：若存在运动目标，且计算得到的运动目标相似系数对应的直方图相似系数大于设定的最小相似阈值，则认为目标处于运动状态；若直方图相似系数大于设定的最大相似阈值，则认为目标处于静止状态；否则认为运动目标丢失，重新开始搜索。

(5)若找到运动目标，则将其修正后的运动速度，搜索范围及位置参数输入滤波器，更新目标的运动状态，同时更新目标的直方图模式。

(6)得到运动目标后，判断其位置与模板中心的距离：若距离大于设定值，则根据目标运动方向和速度转动云台；若目标是静止的，则云台不转动。云台静止后，继续进行检测，循环工作，达到实时跟踪的目的。

本发明的优点：(1)无需专人看守，方便操作，节省人力。(2)实时跟踪效果理想。(3)不会影响课堂氛围，教师可以专心授课，还原本色教学，对其提高自身教学能力及教学积极性发挥一定的作用。

附图说明：

图1是本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置系统原理框图。

图2是本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置运动目标检测算法流程图。

图3是本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置实时跟踪流程图。

具体实施方式

结合附图详细说明本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，图1是本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置系统原理框图。图2是本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置运动目标检测算法流程图。图3是本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置实时跟踪流程图。如图1、2、3所示本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置系统主要采用TI公司的DM642来达到实时跟踪的目的。DM642是一款专门针对多媒体处理应用的高速DSP芯片，拥有高速的图像处理能力，可以在众多的任务之间进行合理的调度，更加方便地实现实时自适应功能。

系统在硬件结构上，从功能的角度可划分为以下几个部分：图像数据采集模块、DSP数据处理与存储模块、地址锁存译码模块、云台控制模块以及图像数据输出模块。具体系统原理框图如附图1所示。

数据采集模块主要实现将云台采集到的模拟视频信号通过视频解码器转换为数字量信号，输出为标准的数字视频信号：PAL制，分辨率为720×576，25帧/秒。

DSP数据处理与存储模块主要包括DM642芯片、SDRAM、FLASH、EMIFA接口、专用电源模块以及系统复位等外围电路。其实现的主要功能是完成实时跟踪算法的处理，具体检测跟踪算法流程图如附图2、附图3所示。

地址锁存译码模块由Xilinx XC2S300E系列FPGA芯片及外围电路构成，其主要任务就是分配各外部设备的地址，并对某些地址进行锁存，从而保证系统正常工作。

云台控制模块的任务主要是把经DM642处理后输出的并行指令数据转换为串行的RS232信号，然后输出到云台控制器，通过控制云台的水平与竖直方向的转动以及焦距来达到实时跟踪目标的功能。

图像输出模块完成的主要功能是将DM642输出的标准数字视频信号，经过视频编码器后直接送入到监视器上显示。

如图1所示：本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置系统原理为：摄像头采集模拟视频信号，通过视频解码器SAA7115转换为高速的数字信号，送入数字信号处理器(TMS320DM642)进行处理。需要处理的数字视频存储于同步动态随机存储器(SDRAM)中，随时与DSP进行数据交换；算法处理与实现主要通过数字信号处理器与其外围电路现场可编程逻辑门阵列(FPGA)、外部锁存器、闪存(FLASH)来完成；数字信号处理器的时钟(CLOCK)为外部存储器配置的原始值。经过DSP输出的标准数字视频信号通过视频编码器SAA7105处理后直接送入显示器(CRT)上进行显示；而其处理后的控制云台跟踪运动目标的控制命令则通过串行通信接口(RS232)转换为串行信号，输出到云台控制器，通过控制云台的转动来达到实时跟踪运动目标的目的。

如图2所示：本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置运动目标检测算法流程为：

(1)采集数字视频流数据，对其进行预处理，即将其转变为灰度图像

(2)使用高斯模型建立背景图像，对其进行中值滤波，边缘增强，得到图像B(x，y).

(3)对当前图像也进行中值滤波，边缘增强，得到图像F(x，y).

(4)执行差分二值化计算： $D(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& F(x,y)-B(x,y)\&GreaterEqual;T\\ 0& F(x,y)-B(x,y)<T\end{array}\right.$

阈值T的大小会影响到检测的精确度，如T值太大会使系统检测不到一些物体的细微运动，而T值太小则会检测到微小物体的扰动，因此阈值T的选取应根据实际情况，通过多次实验获取最佳值。

(5)对背景图像进行更新，转到步骤2

如图3所示：本发明教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置实时跟踪流程为：

(1)提取前景目标，并建立运动目标的运动模型

(2)先对运动目标所在位置进行预测，由于检测识别算法的执行会造成短暂的延迟，因此在初始化位置预测时需根据目标运动的方向进行相应像素单位距离的加减

(3)进行模板匹配，搜索检测目标：在以搜索点为中心的搜索范围内，以直方图为目标模式进行匹配

(4)判断是否找到目标：若存在运动目标，且计算得到的运动目标相似系数对应的直方图相似系数大于设定的最小相似阈值，则认为目标处于运动状态；若直方图相似系数大于设定的最大相似阈值，则认为目标处于静止状态；否则认为运动目标丢失，重新开始搜索。

(5)若找到运动目标，则将其修正后的运动速度，搜索范围及位置参数输入滤波器，更新目标的运动状态，同时更新目标的直方图模式。

(6)得到运动目标后，判断其位置与模板中心的距离：若距离大于设定值，则根据目标运动方向和速度转动云台；若目标是静止的，则云台不转动。云台静止后，继续进行检测，循环工作，达到实时跟踪的目的。

Claims (3)

1.一种教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，其特征在于摄像头采集模拟视频信号，通过视频解码器SAA7115转换为高速的数字信号，送入数字信号处理器TMS320DM642进行处理；需要处理的数字视频存储于同步动态随机存储器SDRAM中，随时与DSP进行数据交换；算法处理与实现主要通过数字信号处理器与其外围电路现场可编程逻辑门阵列FPGA、外部锁存器、闪存FLASH来完成；数字信号处理器的时钟CLOCK为外部存储器配置的原始值；经过DSP输出的标准数字视频信号通过视频编码器SAA7105处理后直接送入显示器CRT上进行显示；而其处理后的控制云台跟踪运动目标的控制命令则通过串行通信接口RS232转换为串行信号，输出到云台控制器，通过控制云台的转动来达到实时跟踪运动目标的目的。

2.根据权利要求1所述的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，其特征在于所述的运动目标检测算法流程为：

(1)采集数字视频流数据，对其进行预处理，即将其转变为灰度图像；

(2)使用高斯模型建立背景图像，对其进行中值滤波，边缘增强，得到图像B(x，y)；

(3)对当前图像也进行中值滤波，边缘增强，得到图像F(x，y)；

(4)执行差分二值化计算： $D(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}1& F(x,y)-B(x,y)\&GreaterEqual;T\\ 0& F(x,y)-B(x,y)<T\end{array}\right.$

阈值T的大小会影响到检测的精确度，如T值太大会使系统检测不到一些物体的细微运动，而T值太小则会检测到微小物体的扰动，因此阈值T的选取应根据实际情况，通过多次实验获取最佳值；

(5)对背景图像进行更新，转到步骤(2)。

3.根据权利要求1所述的教师讲课的运动目标实时跟踪录课装置，其特征在于所述的实时跟踪流程为：

(1)提取前景目标，并建立运动目标的运动模型；

(2)先对运动目标所在位置进行预测，由于检测识别算法的执行会造成短暂的延迟，因此在初始化位置预测时需根据目标运动的方向进行相应像素单位距离的加减；

(3)进行模板匹配，搜索检测目标：在以搜索点为中心的搜索范围内，以直方图为目标模式进行匹配；

(4)判断是否找到目标：若存在运动目标，且计算得到的运动目标相似系数对应的直方图相似系数大于设定的最小相似阈值，则认为目标处于运动状态；若直方图相似系数大于设定的最大相似阈值，则认为目标处于静止状态；否则认为运动目标丢失，重新开始搜索；

(5)若找到运动目标，则将其修正后的运动速度，搜索范围及位置参数输入滤波器，更新目标的运动状态，同时更新目标的直方图模式；

(6)得到运动目标后，判断其位置与模板中心的距离：若距离大于设定值，则根据目标运动方向和速度转动云台；若目标是静止的，则云台不转动；云台静止后，继续进行检测，循环工作，达到实时跟踪的目的。

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