CN107241572B - 学员实训视频追踪评价系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种学员实训视频追踪评价系统，包括工位区域视频监控装置、单兵操作视频监控装置以及佩戴于操作人员身上的识别标志，各单兵操作视频监控装置用于对对应的操作人员的现场操作过程进行实时拍摄，并将实时拍摄的单兵操作视频数据传递给视频分析处理工作站，视频分析处理工作站分别对应保存各操作人员的单兵操作视频数据；各工位区域视频监控装置用于对相应的实训工位区域进行实时拍摄，并将实时拍摄的工位监视视频数据传递给视频分析处理工作站，视频分析处理工作站根据工位监视视频数据的各帧图像中包含的人员身份识别标志信息，完成各个操作人员的位置定位和身份信息识别，分析出各操作人员是否超出其允许的活动区域，并进行提示。
Description
技术领域
本发明涉及实训监控领域，特别涉及一种学员实训视频追踪评价系统。
背景技术
目前的实训室无视频监控功能，不能监控单个操作设备人员的动作与过程，更不能自动设别操作人员身份，无法对某个学员进行定位监控。且实训室操作一般有安全区域的界定，传统方式当学员超出安全区域时，无法进行报警提醒。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种学员实训视频追踪评价系统，本发明实现了各类实训操作培训时学员的轨迹定位追踪，单个学员操作过程独立录像，实训室学员实训过程的安全监督报警、实训过程回放，保证学员实训过程的公平公正。
本发明的目的是采用下述方案实现的：一种学员实训视频追踪评价系统，包括工位区域视频监控装置、单兵操作视频监控装置以及佩戴于操作人员身上的识别标志，各单兵操作视频监控装置用于分别对对应的操作人员的现场操作过程进行实时拍摄，并将实时拍摄的单兵操作视频数据传递给视频分析处理工作站，所述视频分析处理工作站用于接收单兵操作视频数据，并根据每个单兵操作视频监控装置对应的唯一的标志来识别单兵操作视频数据对应的操作人员身份，分别对应保存各操作人员的单兵操作视频数据；各工位区域视频监控装置用于对相应的实训工位区域进行实时拍摄，并将实时拍摄的工位监视视频数据传递给视频分析处理工作站，所述视频分析处理工作站用于接收工位监视视频数据，并根据工位监视视频数据的各帧图像中包含的人员身份识别标志信息，完成各个操作人员的位置定位和身份信息识别，并将每个操作人员的位置与其设定的可活动范围进行对比，分析出各操作人员是否超出其允许的活动区域，并进行提示。单兵操作视频监控装置对学员操作过程追踪录像，每台单兵操作视频监控装置对应每位学员。工位区域视频监控装置对单个学员定位追踪录像，每台工位区域视频监控装置对应每个工位。视频分析处理工作站分析学员的活动范围和操作过程是否正确。追踪录像保存按学员名保存。学员进入危险区域，后台和现场报警。学员操作出现失误，后台记录分析。
视频分析处理工作站采用包含相关分析软件的高性能计算机。
所述视频分析处理工作站用于将各个分别对应各实训工位区域的工位监视视频数据均分割成连续的图像，并将其中具有同一人员身份识别标志信息的图像提取出来后按拍摄的时间顺序再组成新的视频数据，形成每个操作人员的运动轨迹视频数据。
将各个操作人员的运动轨迹视频数据以及单兵操作视频数据均保存在与该操作人员对应的文件夹中。每个操作人员对应的文件夹中保存2个文件，第一个文件为该操作人员的运动轨迹视频数据，第二个文件为该操作人员的单兵操作视频数据。
所述视频分析处理工作站通过视频分割组合手段将多个每帧图像包含一个实训工位区域的视频合并成一个每帧图像包含所有实训工位区域的视频。
所述单兵操作视频监控装置包括摄像装置、无线通讯模块和电源电路，所述电源电路用于给无线通讯模块供电，所述摄像装置通过无线通讯模块与无线路由器连接，无线路由器经交换机与视频分析处理工作站连接。所述无线通讯模块为WIFI模块。
所述单兵操作视频监控装置设置在学员佩戴的安全帽上。
所述识别标志设置在学员佩戴的安全帽上。识别标志可以采用一维码或者二维码或者其他标示，包含姓名，性别，学号，工种，单位等相关学员标示信息。
所述视频分析处理工作站与矩阵大屏进行通讯，将视频数据发送给矩阵大屏实时显示。
所述工位区域视频监控装置为摄像头。
本系统还包括报警装置，用于给超出其允许的活动区域的操作人员进行报警提示。报警装置可以通过视频分析处理工作站下发指令控制，也可以采用其他计算机下发指令进行控制。如报警装置可以采用广播系统等。每个工位里的设备配置1台报警装置，工位区域视频监控装置监控到操作人员走出所在的工位区后，报警装置能够对该人员进行提醒。操作人员违背了考试规则，报警装置能够对该人员进行提醒。操作人员进入危险地区，报警装置能够对该人员进行提醒。
工位区域视频监控装置与视频分析处理工作站可以通过有线的方式连接，也可以通过无线的方式连接。
本发明具有的优点是：学员实训室视频追踪评价系统是针对现场操作考试过程进行按人员分类进行监控和违规识别的综合系统。此系统是通过在考核场地布置定位摄像机对全场人员进行编号识别，并通过识别系统对人员的运行轨迹进行判断，以此来判断场内哪些人员违背了考试规则，并对进入危险地区的人员进行识别和提醒。同时对场内所有操作人员的操作过程进行记录，以供后期进行查看和记录。
在多个学员在实训室进行操作时，本发明通过各个工位区域视频监控装置可以对任意一个学员进行视频跟踪录像，同时通过单兵操作视频监控装置将此学员实际操作对象视频进行录像。视频追踪录像解决了超出安全区域时无法报警问题，也保证了考试公平公正，同时视频录像还可以针对任意一个学员进行后期回放学习，提高巩固实训效果。
本发明实现了对学员实训过程的全程计录及实时监视,这样教员就可以实时观察学员对培训内容的掌握情况,便于及时调整培训进行,在考核时,可以同时对多人进行考核,使考核更加公平公正。
附图说明
图1为本发明的学员实训视频追踪评价系统的示意图；
图2为本发明的安全帽的结构示意图；
图3为本发明的单兵操作视频监控装置的电源电路的电路图；
图4为本发明的单兵操作视频监控装置的无线通讯模块的电路图；
图5为本发明合成的包含所有实训工位区域的总区域图像；
图6为本发明视频分析后得到的学员运动的轨迹示意图。
具体实施方式
参见图1至图4，一种学员实训视频追踪评价系统，包括视频分析处理工作站、各个实训工位上的工位区域视频监控装置1和佩戴于操作人员身上的单兵操作视频监控装置和识别标志3。视频分析处理工作站7采用包含相关分析软件的高性能计算机。每个实训室设有多个实训工位，如本实施例为8个实训工位。每个实训工位均设有实训设备8和工位区域视频监控装置1。所述工位区域视频监控装置为摄像头。所述单兵操作视频监控装置采用无线摄像机，这台摄像机实时记录现场操作的图像并通过无线方式上传到服务器。无线摄像机包括摄像装置21、无线通讯模块和电源电路22，所述电源电路用于给无线通讯模块供电，所述摄像装置通过无线通讯模块与无线路由器5连接，无线路由器经交换机6连接视频分析处理工作站。所述电源电路采用锂电池供电。所述无线通讯模块为WIFI模块。所述无线摄像机设置在学员佩戴的安全帽4上。所述识别标志设置在学员佩戴的安全帽4上。识别标志可以采用一维码或者二维码或者其他标示，包含姓名，性别，学号，工种，单位等相关学员标示信息。所述工位区域视频监控装置为摄像头。工位区域视频监控装置与视频分析处理工作站可以通过有线的方式连接，也可以通过无线的方式连接。各单兵操作视频监控装置用于分别对对应的操作人员的现场操作过程进行实时拍摄，并将实时拍摄的单兵操作视频数据传递给视频分析处理工作站，所述视频分析处理工作站用于接收单兵操作视频数据，并根据各单兵操作视频监控装置的ID号来对应操作人员身份，分别对应保存各操作人员的单兵操作视频数据；各工位区域视频监控装置用于对相应的实训工位区域进行实时拍摄，并将实时拍摄的工位监视视频数据传递给视频分析处理工作站，所述视频分析处理工作站用于接收工位监视视频数据，并根据工位监视视频数据的各帧图像中包含的人员身份识别标志信息，完成各个操作人员的位置定位和身份信息识别，并将每个操作人员的位置与其设定的可活动范围进行对比，分析出各操作人员是否超出其允许的活动区域，并进行提示，如在视频分析处理工作站的显示屏上进行提醒和标示，监控中心的工作人员（如老师）可以根据提示进行相应的处理：如经过广播系统或者报警系统对监控中的人员进行相应的处理或者提示等。监控中心是总实训室。本系统还包括报警装置，用于给超出其允许的活动区域的操作人员进行报警提示。报警装置可以通过视频分析处理工作站下发指令控制，也可以采用其他计算机下发指令进行控制。如报警装置可以采用广播系统等。每个工位里的设备配置1台报警装置，工位区域视频监控装置监控到操作人员走出所在的工位区后，报警装置能够对该人员进行提醒。操作人员违背了考试规则，报警装置能够对该人员进行提醒。操作人员进入危险地区，报警装置能够对该人员进行提醒。
视频分析处理工作站采用高性能32核CPU处理终端主机对视频数据进行处理，接收3大实训室上传数据，采用32路多线程视频采集卡进行超频采集，并进行视频组合与切割，对32路视频数据进行帧/次组合处理，建立组合式图像库，通过工作站进行单个学员视频切割，按照24帧每秒进行视频组合，形成学员操作视频追踪。工作站的数据分析和记录部分：控制中心对3大实训室数据处理及考试信息数据分析。
所述视频分析处理工作站与矩阵大屏进行通讯，将视频数据发送给矩阵大屏实时显示。
所述视频分析处理工作站用于将各个分别对应各实训工位区域的工位监视视频数据均分割成连续的图像，并将其中具有同一人员身份识别标志信息的图像提取出来后按拍摄的时间顺序再组成新的视频数据，形成每个操作人员的运动轨迹视频数据。将各个操作人员的运动轨迹视频数据以及单兵操作视频数据均保存在与该操作人员对应的文件夹中。每个操作人员对应的文件夹中保存2个文件，第一个文件为该操作人员的运动轨迹视频数据，第二个文件为该操作人员的单兵操作视频数据。
所述视频分析处理工作站通过视频分割组合手段将多个每帧图像包含一个实训工位区域的视频合并成一个每帧图像包含所有实训工位区域的视频。
如图5所示，把实训室分为8个区域，每个区域对应有1个摄像装置，每个区域里面对应有1个操作人员，分析逻辑：如我们把每秒摄像上传数据分为25帧，那么每帧为4ms，如现在对I区的操作人员在某一时间段的行动范围轨迹进行追踪，当t=0ms时图（I区）+图（II区）+…+图（VIII区）=合成图t0,该操作人员此时位置标定在如I区t0点， 当t=4ms时图（I区）+图（II区）+…+图（VIII区）=合成图t4, 该操作人员此时位置标定在如II区t4点，当t=Nms时图（I区）+图（II区）+…+图（VIII区）=合成图tN, 该操作人员此时位置标定在如III区tN点，将t=0ms至t=Nms时的位置绘成轨迹如图6所示。
本发明的学员实训视频追踪评价系统按功能分类划分的话一共分为四大部分。
（1） 全场人员定位识别部分。这一部分的主要功能是对全场内的人员进行身份和位置识别，并将每个人员的位置与设定的可活动范围进行对比，一旦发现有人超出允许活动区域，就在终端进行提醒和标示，终端工作人员可以根据提示进行相应的处理。
（2） 个人操作视频监控部分。这一部分是对人员的操作过程进行全程监控和记录，所记录的视频数据会存入相关人员的档案文件夹内，可以为后期对操作方面的判断提供依据。
（3） 数据传输部分。全场人员的定位部分采用有线数据传输方式或无线数据传输方式，个人视频部分采用无线方式进行传输。
（4） 数据分析和记录部分。此部分将对场内所有数据进行分析判断和记录，其中包括人员识别定位，活动区域判断和设置，个人视频操作的监控和记录，后期视频数据的查询等工作。
学员定位追踪识别部分要对场内几十个目标进行动态的身份和位置识别，目前可以通过视觉识别技术实现，视觉测试技术是建立在终端主机视觉研究基础上的一门新兴测试技术。与终端主机视觉研究的视觉模式识别、视觉理解等内容不同，视觉测试技术重点研究的是物体的几何尺寸及物体的位置测量，如轿车白车身三维尺寸的测量、模具等三维面形的快速测量、大型工件同轴度测量以及共面性测量等，它可以广泛应用于在线测量、逆向工程等主动、实时测量过程。
首先采用照相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等。最后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、有/无等。上位机实时获得检测结果后，对测量结果进行相应的判断和处理。
从视觉系统的运行环境分为pc-based系统。基于pc的系统利用了其开放性、高度的编程灵活性和良好的windows界面，同时系统总体成本较低。Pc-based系统内含高性能图像采集卡，一般可接多个镜头，并提供库函数支持。目前世界一流的pc-based视觉系统生产厂商美国data translation公司，其mach系列(如dt3155)和mv系列pc i工业视觉卡已经成为业界标准；配套软件方面，32位sdk for windows提供c/c++编程用dll，dt active openlayer可视化控件提供vb和vc++下的图形化编程环境，而dt vision foundry则是windows下面向对象的机器视觉组态软件，用户可用它快速开发复杂高级的应用。类似的还有美国ni公司，该公司将机器视觉和运动控制功能与其被广泛应用的labview虚拟仪器软件相结合，效果显著。
pc-based系统利用场内预先安置好的多个摄像机对场地进行无死角的覆盖，在pc端对采集到的所有图像进行图像失真还原和重建，得到线性的现场图像，然后再对现场所有的目标进行单体划分，区分出所有单体的坐标，最后逐个对单体坐标内的识别标志进行识别分析，在这个项目中,由于现场环境复杂,单体视觉上相似度很大,所以需要使用动态标识技术来提高识别成功率,动态标识采用伪随机码跟踪技术,为每个人员提供一个于摄像机快门同步的伪随机码。伪随机码又称伪随机序列,它是具有类似于随机序列基本特性的确定序列。通常广泛应用二进制序列,因此我们仅限于研究二进制序列。二进制独立随机序列在概率论中一般称为贝努利(Bernoulli)序列,它由两个元素(符号)0, 1或1, -1组成。序列中不同位置的元素取值相互独立取0取1的概率相等等于1/2:我们简称此种系列为随机系列。
这样摄像机得到的图像中就包含了每个人员的伪随机码信息，在视频处理阶段就可以利用它的自相关特性进行分离，由于伪随机码具有相当高的自相关度，即使在强噪声环境也可以进行有效还原，所以很适合复杂环境中提取有用信息。
这样后端采集到的图像就可以进行伪码相关运算,得到准确的人员身份信息。对所有单体身份识别完成后，再根据考场规则来判断是否都活动在规定的区域内。
对于这种技术的识别来讲，关键技术在于对图像进行快速、准确及有效的处理，这样就对图像的清晰度有较高的要求，并且要求所有摄像机的光学失真具有一致性，以便在后期进行失真矫正和还原。由于现场的情况非常复杂，人员数量很多，所以在识别算法上需要很高的效率来保障判断的实时性，比如有40名人员同时操作的情况下，想要达到及时提醒的效果，就需要在25Ms的时间内完成一个人员的定位和身份信息识别。对于这样信息处理目前我们采用的方法是采用多核同时运算的手段，采用多内核协助的方式保证识别的实时性。
单个学员操作视频监控部分是通过每个人员头盔内的无线摄像机来实现，每个人员的头盔内部都安装有高清无线摄像机，这台摄像机实时记录现场操作的图像并通过无线方式上传到服务器，服务器再根据每台摄像机的ID号来对应人员身份，并根据需要把视频数据压缩并保存在相应的文件夹下。
数据传输部分的技术关键点是需要同时无线传输几十路高清图像到服务器，如果模拟传输需要相当多的信道来容纳这些图像信息，所以只能采用数字方式进行传输。针对传输数据量庞大的问题，我们采用多路由多信道的方式，通过多个路由器来分解传输压力，每个路由器只负责几路信号的传输，最后所有的路由器通过千兆网络传入视频服务器进行处理。
数据分析和记录部分中，数据分析是最关键的因素，由于视频数据量非常庞大，所以需要数据分析单元具有非常强悍的运算能力和非常大的物理内存。根据目前的技术可以选择多核多线程的视频分析处理工作站进行处理，应该可以达到速度要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：包括工位区域视频监控装置、单兵操作视频监控装置以及佩戴于操作人员身上的识别标志，各单兵操作视频监控装置用于分别对对应的操作人员的现场操作过程进行实时拍摄，并将实时拍摄的单兵操作视频数据传递给视频分析处理工作站，所述视频分析处理工作站用于接收单兵操作视频数据，并根据每个单兵操作视频监控装置对应的唯一的标志来识别单兵操作视频数据对应的操作人员身份，分别对应保存各操作人员的单兵操作视频数据；各工位区域视频监控装置用于对相应的实训工位区域进行实时拍摄，并将实时拍摄的工位监视视频数据传递给视频分析处理工作站，所述视频分析处理工作站用于接收工位监视视频数据，并根据工位监视视频数据的各帧图像中包含的人员身份识别标志信息，完成各个操作人员的位置定位和身份信息识别，并将每个操作人员的位置与其设定的可活动范围进行对比，分析出各操作人员是否超出其允许的活动区域，并进行提示；
所述视频分析处理工作站用于将各个分别对应各实训工位区域的工位监视视频数据均分割成连续的图像，并将其中具有同一人员身份识别标志信息的图像提取出来后按拍摄的时间顺序再组成新的视频数据，形成每个操作人员的运动轨迹视频数据；
所述视频分析处理工作站通过视频分割组合手段将多个每帧图像包含一个实训工位区域的视频合并成一个每帧图像包含所有实训工位区域的视频。
2.根据权利要求1所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：将各个操作人员的运动轨迹视频数据以及单兵操作视频数据均保存在与该操作人员对应的文件夹中。
3.根据权利要求1所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：还包括报警装置，用于给超出其允许的活动区域的操作人员进行报警提示。
4.根据权利要求1所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：所述单兵操作视频监控装置包括摄像装置、无线通讯模块和电源电路，所述电源电路用于给无线通讯模块供电，所述摄像装置通过无线通讯模块与无线路由器连接，无线路由器经交换机与视频分析处理工作站连接。
5.根据权利要求4所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：所述无线通讯模块为WIFI模块。
6.根据权利要求1或4所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：所述单兵操作视频监控装置设置在学员佩戴的安全帽上。
7.根据权利要求1所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：所述识别标志设置在学员佩戴的安全帽上。
8.根据权利要求1所述的学员实训视频追踪评价系统，其特征在于：所述视频分析处理工作站与矩阵大屏进行通讯，将视频数据发送给矩阵大屏实时显示。
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