CN106875310A - 基于智能视频的智能教室教学多功能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于智能视频的智能教室教学多功能系统，属于智能教学管理领域。包括摄像头、控制中心服务器、测控模块、红外传感器、光敏传感器、温度传感器、用电设备、继电器开关、多媒体电脑、显示屏、手动开关。采用智能视频分析结合单片机控制，集中解决了各高校教室内普遍存在的用电浪费，学生上课缺勤，早退，课上玩手机，考试作弊，大教室后排听课困难等问题。采用实时智能视频分析技术，增强了系统的抗干扰能力，方法简单可靠，效率高，适用性强。利用现有的教室监控系统和多媒体电脑等硬件，系统构成成本低，经济实用。本系统实现了多功能教室教学问题智能化处理，可广泛应用于各类高等学校的教室教学中去。
Description
技术领域
本发明涉及智能教学管理领域，尤其涉及一种基于智能视频的智能教室教学多功能系统。
背景技术
随着高等教育的不断完善，学校数量和学生人数不断增多，教室教学问题日渐突出，普遍存在的问题有：自习室用电浪费，学生上课缺勤，早退，课上玩手机，考试作弊，大教室后排听课困难等。
针对这类问题，目前主要的解决方法如下，如为了减少教室照明用电浪费，多采用声控灯或红外感应灯等，但是声控灯过于敏感，容易受外界声音影响发生误判，且对于人数较少的教室，声控灯不具备分区控制能力，容易出现教室只有一个学生但电灯全亮的现象，达不到最大程度节约电能的目的，红外感应灯则容易受各种热源、光源干扰，当环境温度与人体温度接近时，其探测灵敏度明显下降，有时甚至会造成短时失灵，抗干扰性比较差；对于学生上课考勤，多采用指纹签到、刷卡签到或老师点名签到的方法，但此类方法效率较低，不仅浪费时间而且容易出现学生代替答到或一人拿多卡为多人签到的问题，不方便统计；对于课上玩手机和考试作弊问题，目前主要依靠任课老师和监考老师主动监察，及时制止，同样效率较低，难以兼顾所有学生。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于智能视频的智能教室教学多功能系统，集中解决了自习室用电浪费，学生上课缺勤，早退，课上玩手机，考试作弊，大教室后排听课困难等诸多问题。整个系统基于智能视频分析技术，以控制中心服务器为核心，由测控模块辅助控制，具有成本低，效率高，适用性强，功能全面等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，包括摄像头（1）、控制中心服务器（2）、 测控模块（3）、红外传感器（4）、光敏传感器（5）、温度传感器（6）、用电设备（7）、继电器开关（8）。为了降低成本，摄像头（1）可以采用教室原有的监控摄像头，用电设备（7）包括电灯和电扇。
所述的摄像头（1）实时采集教室视频信息送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）按照预先储存的课表信息判断教室处于上课时间或自习时间，分别按照上课模式或自习模式对教室视频信息进行处理。
上课模式下，上课铃响后，控制中心服务器（2）对摄像头（1）传入视频信息进行人脸识别和人脸数据库比对，记录人脸数据库中没有匹配对象的学生姓名，确定缺勤学生名单；上课期间，控制中心服务器（2）对视频图像中的学生进行行为模式实时判断，记录长时间使用手机的学生姓名，确定玩手机学生名单；临近下课时，控制中心服务器（2）再次对教室内所有学生进行人脸识别和人脸数据库比对，记录人脸数据库中没有匹配对象的学生姓名，确定早退学生名单，并将缺勤，早退和上课玩手机学生名单一同传到任课老师手机上。
控制中心服务器（2）内预存有各教室对应课程上课学生的头像、姓名以及任课老师的手机号等信息。采用智能视频分析技术实现学生上课考勤，课上纪律监察功能，弥补了传统上依靠任课老师课上考勤，纪律监察的浪费时间，监察力度不够的缺陷，具有时间短，效率高，监察范围全面等优点。
自习模式下，摄像头（1）实时采集教室视频信息送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）对预先设定的教室各划分区域进行人体识别并统计对应区域人数，然后将统计的各区域人数信息传给测控模块（3）。
红外传感器（4）、光敏传感器（5）和温度传感器（6）将检测到的人员进出、光照强度和温度信息送给测控模块（3），测控模块（3）结合控制中心服务器（2）传回的信息与红外传感器（4）、光敏传感器（5）和温度传感器（6）传回的信息进行分析，控制继电器开关（8）开断用电设备（7）。采用智能视频分析技术分区控制教室内用电设备（7）工作，能够更加有效的节约电能，减少用电浪费。
所述的包括多媒体电脑（9）和显示屏（10），控制中心服务器（2）按照预先储存的课表信息判断上课教室为大教室，对摄像头（1）采集的老师教学视频进行增强处理，同时将被处理后视频同步传到上课教室内的多媒体电脑（9）上，由多媒体电脑（9）送入显示屏（10）进行实时播放。利用现有的摄像头（1）和多媒体电脑（9）等设备解决了大教室后排学生听课困难的问题，具有成本低，效果好等优点；经过增强处理的老师教学视频传到上课教室内多媒体电脑（9）的同时也存入多媒体电脑（9）中，下课后学生可以通过存储设备从多媒体电脑（9）下载老师讲课视频，温习所讲过的知识。
所述的控制中心服务器（2）按照预先储存的考试信息判断教室处于考试时间，在考试开始后，对摄像头（1）采集考场视频信息进行人体行为模式实时判断，当发现高概率作弊事件时，对监控视频中有高概率作弊行为的学生进行颜色标记，同时将被标记视频传到考场内的多媒体电脑（9）实时播放并向监考老师手机发送振动提醒。监考老师可以通过手机连接多媒体电脑（9）实时查看被标记视频，也可以通过讲台上的多媒体电脑（9）屏幕查看；采用智能视频分析技术解决了人为监考监督力度不够的问题，同时一定程度上杜绝考生的侥幸心理，加强学生的自律能力，养成良好的考风考纪。
所述的控制中心服务器（2）与多媒体电脑（9）之间，控制中心服务器（2）与测控模块（3）之间，控制中心服务器（2）与老师手机之间，多媒体电脑（9）与老师手机之间可以采用校园无线传递信息。
所述的包括手动开关（11），教室各划分区域的同种用电设备（7）分别由两个相互串联的继电器开关（8）和手动开关（11）控制。
所述的教室各划分区域分别安放一个光敏传感器（5）和一个温度传感器（6），测控模块（3）实施控制时，优先判断光敏传感器（5）和温度传感器（6）传回信息，控制继电器开关（8）开断用电设备（7）；对于工作中的用电设备（7），测控模块（3）继续判断控制中心服务器（2）传回的各区域人数信息，对教室内没有人的区域，控制相应继电器开关（8）关闭此区域的用电设备（7）。
系统设定，当某区域光照强度超过设定值或某区域温度低于设定值时，测控模块（3）控制相应的继电器开关（8）关闭对应区域的电灯或电扇。采用基于智能视频分析的用电设备（7）分区控制，成本相对较低，空间适用性和抗干扰能力强，可以有效减少教室教学中不必要的电能浪费。
所述的测控模块（3）上设有用电设备（7）分区控制功能按键，可以通过按下按键启动或关闭某种用电设备（7）的分区控制功能。其中，按键数量可以根据教室用电设备（7）的种类具体设定，这里设有三个按键S1，S2，S3，按下按键S1关闭所有用电设备（7）分区控制功能；按下按键S2关闭电灯分区控制功能；按下按键S3关闭电扇分区控制功能。考虑到人员因为某种需求或目的要求没有人在场时用电设备（7）能够继续工作，为了满足这种要求，添加用电设备（7）分区控制按键，在需要时关闭其分区控制功能，更加人性化，使系统更加完善。
所述的红外传感器（4）安放在教室门口检测是否有人员进出教室，当教室没人且光照强度较弱时，如果判断有人进入教室，测控模块（3）控制全部与照明相关的用电设备（7）的继电器开关（8）自动闭合设定时间。当教室里没有人时，主控模块（3）会控制继电器开关（8）关闭所有用电设备（7），光照强度较弱时，摄像头（1）无法正常采集视频信息，整个系统处于不工作状态，这时即便是有人进入教室通过手动开关（11）开灯灯也不会亮，采用所述方法，起到激活整个系统的作用。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1.采用智能视频分析结合单片机控制技术，利用现有的监控系统和多媒体电脑等设备，集中解决了自习室用电浪费，学生上课缺勤，早退，课上玩手机，考试作弊，大教室后排听课困难等问题，具有成本低，效率高，适用性强，功能全面等优点。
2.采用智能视频分析技术解决学生上课缺勤，早退，课上玩手机等问题，弥补了传统上依靠任课老师课上考勤，纪律监察的浪费时间，监察力度不够的缺陷，具有时间短，效率高，监察范围全面等优点；另外视频监测的实时性与全面性能够给贪玩的学生适当的心理压力，帮助学生养成良好的学习习惯，这是传统上依靠任课老师监督课堂秩序所不能实现的。
3.弥补了传统上依靠任课老师课上考勤，纪律监察的浪费时间，监察力度不够的缺陷，具有时间短，效率高，监察范围全面等优点。
4.采用智能视频分析技术结合单片机控制完成用电设备分区控制，能够根据需要和实际情况智能控制用电设备工作，更加有效的节约电能，减少用电浪费。
5.采用智能视频分析技术完成大教室教学视频实时放映，方法简单，成本低，效果好；经过增强处理的老师教学视频存入多媒体电脑中供学生下载，能够更好的帮助学生学习。
6.采用智能视频分析技术辅助监考老师监考，加强了考试监考力度，一定程度上杜绝考生认为作弊不会被监考老师抓到的侥幸心理，加强学生的自律能力，养成良好的考风考纪。
附图说明
图1：基于智能视频的智能教室教学多功能系统结构示意图。
图2：自习教室区域划分示意图。
图3：教室用电设备与控制开关连接示意图。
图4：大教室视频放映硬件分布与区域划分示意图。
图中：1—摄像头、2—控制中心服务器、3—测控模块、4—红外传感器、5—光敏传感器、6—温度传感器、7—用电设备、8—继电器开关、9—多媒体电脑、10—显示屏、11—手动开关。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
如图1所示，系统包括摄像头（1）、控制中心服务器（2）、测控模块（3）、红外传感器（4）、光敏传感器（5）、温度传感器（6）、用电设备（7）、继电器开关（8）、多媒体电脑（9）、显示屏（10）、手动开关（11）。
为了节约成本，摄像头（1）可以采用教室原有的监控摄像头，由摄像头（1）实时采集教室视频信息通过现有监控线路送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）按照预先储存的课表信息判断教室处于上课时间或自习时间，分别按照上课模式或自习模式对教室视频信息进行处理。其中，课表信息包括上课教室，上课班级以及上课时间等信息。
上课模式下，上课铃响后，控制中心服务器（2）对摄像头（1）传回的视频图像分帧处理，为了避免单张图像信息不全造成的误统计，每间隔10秒提取一帧图像，共提取18张图片进行人脸识别和人脸数据库比对，记录人脸数据库中没有匹配对象的学生姓名，确定缺勤学生名单；上课期间控制中心服务器（2）对摄像头（1）传回的视频图像实时处理，每间隔10秒提取一帧图像，对玩手机的学生进行行为模式识别，并对每帧图像上玩手机的每位学生分别进行记数统计，如果连续记数18次，即某学生玩手机时间持续超过3分钟，记录该学生姓名，确定玩手机学生名单；临近下课10分钟，控制中心服务器（2）再次对教室内所有学生进行人脸识别和人脸数据库比对，用相同方法统计缺勤学生姓名，确定早退学生名单，并将缺勤，早退和上课玩手机学生名单通过校园无线网传到任课老师手机上。
控制中心服务器（2）内预存有各教室对应课程上课学生的头像、姓名以及任课老师的手机号等信息。采用智能视频分析技术实现学生上课考勤，课上纪律监察功能，弥补了传统上依靠任课老师课上考勤，纪律监察的浪费时间，监察力度不够的缺陷，具有时间短，效率高，监察范围全面等优点。
如图2所示，将自习教室划分为6个区域，每个区域的用电设备（7）包括电灯与电扇，并且各区域用电设备（7）相互独立；其中各划分区域用电设备（7）、继电器开关（8）和手动开关（11）按图3所示方式串联，只有当继电器开关（8）与手动开关（11）同时闭合时，用电设备（7）才会工作。
自习模式下，摄像头（1）实时采集教室视频信息通过现有监控线路送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）对预先设定的教室各划分区域进行人体识别并统计对应区域人数，然后将统计的各区域人数信息通过校园无线网传给测控模块（3）。
教室各划分区域中心的天花板上分别安放一个光敏传感器（5）和温度传感器（6），分别检测各区域光照强度与温度，并将信息送给测控模块（3），测控模块（3）优先判断光敏传感器（5）和温度传感器（6）传回的光照强度与温度信息，当某区域光照强度超过设定值时，测控模块（3）控制相应继电器开关（8）关闭对应区域电灯；当某区域温度低于设定值时，测控模块（3）控制相应继电器开关（8）关闭对应区域电扇；如果光照强度未超过设定值或温度未低于设定值，测控模块（3）判断控制中心服务器（2）传回的各区域人数信息，对没有人的区域，测控模块（2）控制对应继电器开关（8）关闭此区域电灯或电扇。采用智能视频分析技术分区控制教室内用电设备（7）工作，能够更加有效的节约电能，减少用电浪费。
红外传感器（4）安放在教室门口检测是否有人员进出教室，当教室没人且光照较弱时，如果检测到有人进入教室，测控模块（3）控制全部与照明相关的用电设备（7）的继电器开关（8）自动闭合设定时间。当教室里没有人时，主控模块（3）会控制继电器开关（8）关闭所有用电设备（7），光照强度较弱时，摄像头（1）无法正常采集视频信息，整个系统处于不工作状态，这时即便是有人进入教室通过手动开关（11）开灯灯也不会亮，采用所述方法，起到激活整个系统的作用。
测控模块（3）上设有三个用电设备（7）分区控制功能按键S1，S2，S3，按下按键S1关闭所有用电设备（7）分区控制功能；按下按键S2关闭电灯分区控制功能；按下按键S3关闭电扇分区控制功能。考虑到人员因为某种需求或目的要求没有人在场时用电设备（7）能够继续工作，为了满足这种要求，添加用电设备（7）分区控制按键，在需要时关闭其分区控制功能，更加人性化，使系统更加完善。
如图4所示，系统还包括多媒体电脑（9）和显示屏（10），其中，摄像头（1）正对讲台中央，能够拍摄整个讲台范围内的视频图像，显示屏（10）通过支架以适当高度悬挂于大教室中央的天花板上。控制中心服务器（2）按照预先储存的课表信息判断上课教室为大教室，上课铃响后，摄像头（1）实时采集老师教学视频送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）对老师教学视频图像进行增强处理，同时将被处理后视频通过校园无线网同步传到上课教室内的多媒体电脑（9）上，由多媒体电脑（9）送入显示屏（10）进行实时播放。
利用现有的摄像头（1）和多媒体电脑（9）等设备解决了大教室后排学生听课困难的问题，具有成本低，效果好等优点；经过增强处理的老师教学视频传到上课教室内多媒体电脑（9）的同时也存入多媒体电脑（9）中，下课后学生可以通过存储设备从多媒体电脑（9）下载老师讲课视频，温习所讲过的知识。
控制中心服务器（2）按照预先储存的考试信息判断教室处于考试时间，在考试开始后，通过教室原有的监控摄像头（1）实时采集教室视频信息，通过现有监控线路送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）对考场视频信息进行人体行为模式实时判断，当发现高概率作弊事件时，对监控视频中有高概率作弊行为的学生进行颜色标记，同时通过校园无线网将被标记视频传到考场内的多媒体电脑（9）实时播放并向监考老师手机发送振动提醒。监考老师可以通过手机连接多媒体电脑（9）实时查看被标记视频，也可以通过讲台上的多媒体电脑（9）屏幕查看；采用智能视频分析技术解决了人为监考监督力度不够的问题，同时一定程度上杜绝考生的侥幸心理，加强学生的自律能力，养成良好的考风考纪。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，包括摄像头（1）、控制中心服务器（2）、 测控模块（3）、红外传感器（4）、光敏传感器（5）、温度传感器（6）、用电设备（7）、继电器开关（8）；
摄像头（1）实时采集教室视频信息送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）按照预先储存的课表信息判断教室处于上课时间或自习时间，分别按照上课模式或自习模式对教室视频信息进行处理；
上课模式下，上课铃响后，控制中心服务器（2）对摄像头（1）传入视频信息进行人脸识别和人脸数据库比对，记录人脸数据库中没有匹配对象的学生姓名，确定缺勤学生名单；上课期间，控制中心服务器（2）对视频图像中的学生进行行为模式实时判断，记录长时间使用手机的学生姓名，确定玩手机学生名单；临近下课时，控制中心服务器（2）再次对教室内所有学生进行人脸识别和人脸数据库比对，记录人脸数据库中没有匹配对象的学生姓名，确定早退学生名单，并将缺勤，早退和上课玩手机学生名单一同传到任课老师手机上；
自习模式下，摄像头（1）实时采集教室视频信息送入控制中心服务器（2），控制中心服务器（2）对预先设定的教室各划分区域进行人体识别并统计对应区域人数，然后将统计的各区域人数信息传给测控模块（3）；
红外传感器（4）、光敏传感器（5）和温度传感器（6）将检测到的人员进出、光照强度和温度信息送给测控模块（3），测控模块（3）结合控制中心服务器（2）传回的信息与红外传感器（4）、光敏传感器（5）和温度传感器（6）传回的信息进行分析，控制继电器开关（8）开断用电设备（7）。
2.根据权利要求1所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，还包括多媒体电脑（9）和显示屏（10），控制中心服务器（2）按照预先储存的课表信息判断上课教室为大教室，对摄像头（1）采集的老师教学视频进行增强处理，同时将被处理后视频同步传到上课教室内的多媒体电脑（9）上，由多媒体电脑（9）送入显示屏（10）进行实时播放。
3.根据权利要求1所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，控制中心服务器（2）按照预先储存的考试信息判断教室处于考试时间，在考试开始后，对摄像头（1）采集考场视频信息进行人体行为模式实时判断，当发现高概率作弊事件时，对监控视频中有高概率作弊行为的学生进行颜色标记，同时将被标记视频传到考场内的多媒体电脑（9）实时播放并向监考老师手机发送振动提醒。
4.根据权利要求1所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，还包括手动开关（11），教室各划分区域的同种用电设备（7）分别由两个相互串联的继电器开关（8）和手动开关（11）控制。
5.根据权利要求1所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，教室各划分区域分别安放一个光敏传感器（5）和一个温度传感器（6），测控模块（3）实施控制时，优先判断光敏传感器（5）和温度传感器（6）传回信息，控制继电器开关（8）开断用电设备（7）；对于工作中的用电设备（7），测控模块（3）继续判断控制中心服务器（2）传回的各区域人数信息，对教室内没有人的区域，控制相应继电器开关（8）关闭此区域的用电设备（7）。
6.根据权利要求1所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，测控模块（3）上设有用电设备（7）分区控制功能按键，可以通过按下按键启动或关闭某种用电设备（7）的分区控制功能。
7.根据权利要求1所述的基于智能视频的智能教室教学多功能系统，其特征在于，红外传感器（4）安放在教室门口检测是否有人员进出教室，当教室没人且光照强度较弱时，如果判断有人进入教室，测控模块（3）控制全部与照明相关的用电设备（7）的继电器开关（8）自动闭合设定时间。
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