CN109615965A - 一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统，涉及实训教学领域，该系统可以实现对不同季节、不同时刻以及不同天气情况下的自然光照模拟，结合沙盘元素装配自由度高的实训沙盘可以实现对多种模式的场景构建和拍摄，教师通过构建不同的场景可以让学生体验学习光照影响、静物和运动图像、背光和逆光等不同要素对监控以及摄像成像的影响，从而实现对监控摄像课程的实训教学，提高了教学过程中的实践操作性、针对性和直观性，有助于优化教学效果。

Description

一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统

技术领域

本发明涉及实训教学领域，尤其是一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统。

背景技术

摄像机被广泛应用于摄像和监控等领域，摄像机的成像效果会受到很多因素的影响，比如光照影响、静物和运动图像、背光和逆光等，因此学生在摄像学习课程的过程中就需要知悉这些因素对成像效果的影响。但是目前的监控摄像学习大多是利用文字、图案和视频等形式的教学材料为主，学生的实践性较差，而且这些教学材料是没有针对性的，教学直观性也较差，教学效果不够理想。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统，该系统可以对多种光照模式进行模拟，结合多模式场景的搭建，实现对监控摄像课程的实训教学，让学生体验学习监控以及摄像成像的关键要素。

本发明的技术方案如下：

一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统，该系统包括教室主体以及设置在教室主体中的实训沙盘、自然光照模拟装置、微型摄像机和显示屏，教室主体的透光处均设置有遮光罩；实训沙盘中包括沙盘元素，微型摄像机与沙盘元素的比例匹配，微型摄像机设置在实训沙盘上并采集沙盘元素的视频数据，微型摄像机连接显示屏并将采集到的视频数据输出至显示屏进行显示；自然光照模拟装置包括圆弧架、N个照明光源、PLC控制器和控制面板，N为整数且N≥2，圆弧架跨设在实训沙盘上，圆弧架的两端铰接在实训沙盘的两侧，圆弧架的两端连线构成圆弧架的旋转轴，旋转轴处于实训沙盘所在平面，圆弧架可绕旋转轴转动从而使得圆弧架所在平面与实训沙盘所在的平面呈不同的夹角；N个照明光源均固定在圆弧架上并朝向实训沙盘，N个照明光源位于圆弧架的不同圆弧位置处，每个照明光源的位置对应于一个时间位置点，控制面板连接PLC控制器，PLC控制器连接N个照明光源。

其进一步的技术方案为，照明光源具有色温调节功能。

其进一步的技术方案为，实训沙盘设置在沙盘底座上，实训沙盘可绕沙盘底座转动，实训沙盘的四周分别设置有视频信号接口，各个视频信号接口分别连接显示屏，微型摄像机可移动的放置在实训沙盘的任意一个位置并通过接入任意一个视频信号接口连接至显示屏。

其进一步的技术方案为，实训沙盘中的沙盘元素包括但不限于建筑物模型、景观模型、道路模型、车辆模型、人物模型、动物模型和小灯，各个沙盘元素可移动的布置在实训沙盘上，建筑物模型的壳体可拆卸供微型摄像机置于建筑物模型的内部。

其进一步的技术方案为，实训沙盘上还设置有运动轨道，车辆模型和/或人物模型和/或动物模型设置在运动轨道中并连接驱动电机，驱动电机连接至运动控制器，驱动电机在运动控制器的控制下驱动车辆模型和/或人物模型和/或动物模型沿着运动轨道运动。

其进一步的技术方案为，小灯包括但不限于安装于建筑物模型的内部和/或外部的照明灯模型、安装在道路模型的两侧的路灯模型，以及安装在道路模型的十字路口处的红绿灯模型，各个小灯分别连接至灯光控制器，小灯在灯光控制器的控制下点亮或熄灭。

其进一步的技术方案为，教室主体的透光处均设置有可开合的遮光罩，教室主体中还安装有日常照明灯，教室主体的侧墙、底面和顶面均涂刷为黑色，在教室主体中未进行监控摄像实训时，遮光罩打开和/或日常照明灯打开；在教室主体中进行监控摄像实训时，遮光罩闭合且日常照明灯关闭。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统，该系统可以实现对不同季节、不同时刻以及不同天气情况下的自然光照模拟，结合沙盘元素装配自由度高的实训沙盘可以实现对多种模式的场景构建和拍摄，教师通过构建不同的场景可以让学生体验学习光照影响、静物和运动图像、背光和逆光等不同要素对监控以及摄像成像的影响，从而实现对监控摄像课程的实训教学，提高了教学过程中的实践操作性、针对性和直观性，有助于优化教学效果。

附图说明

图1是本申请中的实训沙盘的一种布设示意图。

图2是自然光照模拟装置与实训沙盘的装配结构的正视图。

图3是自然光照模拟装置与实训沙盘的装配结构的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统，该系统基于教室主体，该教室主体可以开设有透光处保证教室主体内部的正常采光，比如在侧墙上开设有窗户，但在教室主体的透光处均设置有遮光罩，遮光罩是可开合的，比如实现为遮光窗帘。同时教室主体的顶部安装有日常照明灯。另外，本申请中的教室主体的侧墙、底面和顶面均涂刷为黑色，以减少光线干扰。当需要在该教室主体中进行监控摄像实训时，闭合遮光罩同时关闭日常照明灯，使得整个教室主体密闭不透光、不受外界光线干扰，从而更好的进行自然光照模拟。当不需要在该教室主体中进行监控摄像实训时，将遮光罩打开和/或将日常照明灯打开，即能提供正常照明，以进行其他日常教学。

教室主体中设置有实训沙盘，可选的，本申请中的实训沙盘设置在沙盘底座上，实训沙盘可绕沙盘底座转动，方便从各个方向进行观察，实训沙盘可以是矩形、梯形、圆形各种形状。实训沙盘中包括沙盘元素，在本申请中，沙盘元素包括但不限于建筑物模型、景观模型、道路模型、车辆模型、人物模型、动物模型和小灯。各个沙盘元素的尺寸相对于实际物体的尺寸都是同比例缩放的，而且各个沙盘元素都是可移动的布置在实训沙盘上的，因此可以根据不同的监控摄像实训课程要求，利用全部或者部分沙盘元素组合拼搭出诸如城市景观、住宅小区、乡村田园和工厂园区等不同风格的模拟场景，从而模拟在这些场景中的监控摄像，如图1示出了实训沙盘上沙盘元素的一种布设形式的俯视图，其中阴影部分均表示建筑物模型，图1未包含车辆模型、人物模型、动物模型和小灯。在本申请的沙盘元素中，(1)、建筑物模型包括各种尺寸和造型，且建筑物模型的壳体可拆卸。(2)、景观模型包括但不限于湖泊、桥梁和小河等。(3)、道路模型除了主干道模型之外，还可以包括建筑物模型之间构成的弄堂等。(4)、车辆模型、人物模型、动物模型可以是静止的也可以是活动，若是静止的，则直接根据监控摄像实训课程需要放置在实训沙盘的合适位置即可。若是活动的，则实训沙盘上还预先设置有运动轨道，车辆模型和/或人物模型和/或动物模型设置在这些运动轨道中并连接驱动电机，驱动电机连接至运动控制器，驱动电机在运动控制器的控制下驱动车辆模型和/或人物模型和/或动物模型沿着运动轨道运动。运动控制器可以简单的实现为驱动电机的启停开关，通过控制驱动电机的启停来实现模型的运动或停止。运动控制器的控制功能也可以更复杂，不仅对驱动电机的启停进行控制，还对驱动电机的转动方向和转速等进行控制。运动控制器连接并驱动上述驱动电机的电路结构是较为常用的结构，本申请不作赘述。(5)、小灯包括但不限于安装于建筑物模型的内部和/或外部的照明灯模型、安装在道路模型的两侧的路灯模型，以及安装在道路模型的十字路口处的红绿灯模型，各个小灯分别连接至灯光控制器，小灯在灯光控制器的控制下点亮或熄灭。实训沙盘上的每个小灯都可以单独控制亮灭，或者，实训沙盘上的小灯被分为多个小组，每个小组可以单独控制亮灭，同一个小组中的小灯同时亮灭，则灯光控制器通常是包括若干个开关，用于控制实训沙盘上各个小灯的状态。比如对于道路模型的两侧的路灯模型，可以按照路段分为多个组，则通过灯光控制器控制可以实现分路段路灯的控制。由上可知，有些沙盘元素是需要通电的，比如小灯，而在本申请中，各个沙盘元素的位置是不固定的，可以根据需要移动，因此本申请的实训沙盘上按照区域分散提供若干个电源接口，各个电源接口都连接至供电线路，这样沙盘元素无论移动到什么位置，只要就近接入任意一个电源接口就能正常通电。

请参考图2的正视图，该监控摄像实训系统还包括自然光照模拟装置，自然光照模拟装置包括圆弧架1、N个照明光源2、PLC控制器和控制面板(图中未示出)，N为整数且N≥2，如图2以N＝9为例，且图2为了后续方便说明，对各个照明光源进行了标号。圆弧架1跨设在实训沙盘上，N个照明光源2均固定在圆弧架1上并朝向实训沙盘，控制面板连接PLC控制器，PLC控制器连接N个照明光源，控制面板可以采用按键或旋钮的方式进行控制，每个照明光源2的亮灭可以由教师通过控制面板进行单独控制。太阳在一天的不同时间点时在天空中的位置是不断变化的，因此本申请采用设置在圆弧架1上的N个照明光源2分别模拟太阳在一天中的N个位置，N个照明光源2位于圆弧架1的不同圆弧位置处，每个照明光源2的位置分别对应于一个时间位置点，且每个照明光源2的高度角与太阳在该照明光源模拟的时间位置点处的高度角一致，而太阳在各个时间的高度角是可以查询到的，由此可以确定各个照明光源2的设置位置。比如在图2中，依次以照明光源(1)-(9)模拟太阳从升起到落下的各个时间位置点，则假设查询到太阳在早上9点时的高度角为大约45度，以照明光源(3)模拟早上9点时的太阳时即设置照明光源(3)的高度角θ约为45度，以此类推。照明光源2的数量根据实际需要配置，数量越多则模拟的时间位置点越多，但过于密集的照明光源的布设也是不必要的，因为太阳在过于靠近的两个时间位置点处所产生的照明效果很类似，没有必要重复模拟。因此实际在一天中均匀选取若干个典型的时间位置点进行模拟即可，比如图2中利用9个照明光源模拟了9个时间位置点。更为常用的是，N个照明光源的亮灭与模拟的时间的对应关系是预先配置好的，则教师只需要控制面板中选择需要模拟的时间，PLC控制器就会控制N个照明光源的状态，比如，预先配置好正午12点对应照明光源(5)点亮、其余8个照明光源均熄灭，则当教师需要模拟正午12点的自然光时，在控制面板中选择正午12点，则PLC控制仅点亮照明光源(5)。

由于在实际生活中，对于不同季节的同一时刻，太阳的高度角也不同，因此圆弧架1并不是直接固定在实训沙盘上的，而是两端铰接在实训沙盘的两侧，圆弧架1的两端连线构成圆弧架1的旋转轴，旋转轴处于实训沙盘所在平面，圆弧架1可绕旋转轴转动从而使得圆弧架1所在平面与实训沙盘所在的平面呈不同的夹角，从而模拟不同的季节。请参考图3的侧视图，虚线部分展示了圆弧架1所在平面与实训沙盘所在的平面呈不同夹角的三种状态。需要说明的是，本申请只是对不同季节进行简单的模拟，不需要精确，因此由人工调节圆弧架1所在平面与实训沙盘所在的平面的夹角即可；若需要精确的调节，也可以在本申请公开的结构上使用电机来控制圆弧架1的转动并精确控制转动的角度。

如上介绍了本申请可以利用照明光源来模拟太阳的不同位置，但实际生活中，光照情况是更为复杂的：一方面，太阳在处于不同时间位置点时的色温实际是不同的；另一方面，天气状况也是更为多变的，不仅有太阳照射的晴天，也会存在阴天/雨天/多云等天气，不同天气情况下的色温也是有差异的，申请人查询到不同场景下色温的典型数据或典型区间如下：

因此可选的，本申请中的照明光源采用的是具有色温调节功能的LED光源，从而实现对这些不同环境的模拟。具有色温调节功能的LED光源是现有市售模组，根据实际情况选择合适型号即可，本申请对型号规格不做限定。则同样的，各个照明光源的色温与模拟天气情况的对应关系是预先配置好的，教师只需要控制面板中选择需要模拟的场景，PLC控制器就会对应调节N个照明光源的色温。结合对不同时间位置点和不同季节的模拟，本申请可以实现更为灵活多变的自然光照模拟，比如，教师预先根据需要模拟的季节调节圆弧架1所在平面与实训沙盘所在的平面的夹角，然后通过控制面板选择需要模拟的场景为早上9点的阳光照射的场景，则PLC控制器根据预先配置的对应关系点亮照明光源(5)、熄灭其余8个照明光源，同时调节照明光源(5)的色温至4400K。再比如，教师通过控制面板选择需要模拟的场景为阴天天空，则PLC控制器根据预先配置的对应关系点亮各个照明光源且调节每个照明光源的色温至6900K。

微型摄像机与沙盘元素的比例匹配，微型摄像机设置在实训沙盘上并采集沙盘元素的视频数据，微型摄像机在实训沙盘上的位置也是可移动的，可以根据监控摄像实训课程的需要放置在实训沙盘的各个位置，从而模拟各个位置处的监控摄像，包括但不限于放置在建筑物模型的外部并朝向建筑物模型的出入口从而模拟建筑物出入口监控、放置在道路模型的十字路口处模拟闯红灯车辆的抓怕、朝向景观模型、道路模型、车辆模型、人物模型和动物模型等模拟拍摄，由于建筑物模型的壳体可拆卸，甚至可以将微型摄像机放置在建筑物模型的内部模拟建筑物内部的楼道监控。如上所述，实训沙盘上按照区域分散提供若干个电源接口，则微型摄像机放置在实训沙盘的各个位置时，也可以就近接入任意一个电源接口正常通电。

同时，微型摄像机还将拍摄到的画面输出至显示屏进行显示，则实训沙盘上按照区域分散提供若干个视频信号接口，各个视频信号接口分别连接显示屏。则当微型摄像机放置在实训沙盘的各个位置时，其就近接入任意一个视频信号接口就能连接显示屏并将采集到的视频数据输出至显示屏进行同步显示。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于自然光照模拟的监控摄像实训系统，其特征在于，所述系统包括教室主体以及设置在所述教室主体中的实训沙盘、自然光照模拟装置、微型摄像机和显示屏，所述教室主体的透光处均设置有遮光罩；所述实训沙盘中包括沙盘元素，所述微型摄像机与所述沙盘元素的比例匹配，所述微型摄像机设置在所述实训沙盘上并采集所述沙盘元素的视频数据，所述微型摄像机连接所述显示屏并将采集到的视频数据输出至所述显示屏进行显示；所述自然光照模拟装置包括圆弧架、N个照明光源、PLC控制器和控制面板，N为整数且N≥2，所述圆弧架跨设在所述实训沙盘上，所述圆弧架的两端铰接在所述实训沙盘的两侧，所述圆弧架的两端连线构成所述圆弧架的旋转轴，所述旋转轴处于所述实训沙盘所在平面，所述圆弧架可绕所述旋转轴转动从而使得所述圆弧架所在平面与所述实训沙盘所在的平面呈不同的夹角；所述N个照明光源均固定在所述圆弧架上并朝向所述实训沙盘，所述N个照明光源位于所述圆弧架的不同圆弧位置处，每个所述照明光源的位置对应于一个时间位置点，所述控制面板连接所述PLC控制器，所述PLC控制器连接所述N个照明光源。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述照明光源具有色温调节功能。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述实训沙盘设置在沙盘底座上，所述实训沙盘可绕所述沙盘底座转动，所述实训沙盘的四周分别设置有视频信号接口，各个所述视频信号接口分别连接所述显示屏，所述微型摄像机可移动的放置在所述实训沙盘的任意一个位置并通过接入任意一个所述视频信号接口连接至所述显示屏。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述实训沙盘中的沙盘元素包括但不限于建筑物模型、景观模型、道路模型、车辆模型、人物模型、动物模型和小灯，各个沙盘元素可移动的布置在所述实训沙盘上，所述建筑物模型的壳体可拆卸供所述微型摄像机置于所述建筑物模型的内部。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述实训沙盘上还设置有运动轨道，所述车辆模型和/或人物模型和/或动物模型设置在所述运动轨道中并连接驱动电机，所述驱动电机连接至运动控制器，所述驱动电机在所述运动控制器的控制下驱动所述车辆模型和/或人物模型和/或动物模型沿着所述运动轨道运动。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述小灯包括但不限于安装于所述建筑物模型的内部和/或外部的照明灯模型、安装在所述道路模型的两侧的路灯模型，以及安装在所述道路模型的十字路口处的红绿灯模型，各个所述小灯分别连接至灯光控制器，所述小灯在所述灯光控制器的控制下点亮或熄灭。

7.根据权利要求1所述的摄像实训系统，其特征在于，所述教室主体的透光处均设置有可开合的遮光罩，所述教室主体中还安装有日常照明灯，所述教室主体的侧墙、底面和顶面均涂刷为黑色，在所述教室主体中未进行监控摄像实训时，所述遮光罩打开和/或所述日常照明灯打开；在所述教室主体中进行监控摄像实训时，所述遮光罩闭合且所述日常照明灯关闭。