CN110933316A - 一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统 - Google Patents

一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，包括图像采集模块、摄像机控制模块、图像分析模块、教师跟踪模块、学生跟踪模块和输出与控制模块；所述图像采集模块，根据教师或学生图像辅助定位摄像头采集的视频数据信息，将采集到的图像传递到输出与控制模块的储存模块中，其中将教师摄像机采集到的图像作为教师跟踪模块并提取教师关键区域及教师的面部信息和特征物，将学生摄像机采集到的图像作为学生跟踪模块的输入图像并提取和学生关键区域，判断每个座位内是否有目标，本发明具有自动录播、自动跟踪、造价较低、使用方便、更能适应用户的需要等优点。

Description

一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统
技术领域
本发明涉及教育培训课程录播领域，具体涉及一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统。
背景技术
目前在普教和高教的视频公开课、精品课堂或常态化教学录制和资源共享过程中，需要实时对上课实况进行摄像机跟踪拍摄。摄像机跟踪存在手动跟踪和自动跟踪两种方式。手动跟踪就是人工驱动摄像机进行跟踪拍摄。自动跟踪需要额外配置跟踪处理器，采用红外或图像处理技术，判断教师或者学生是否站立或移动，解算出活动目标的具体位置，驱动教师或者学生高清云台跟踪摄像机进行跟踪拍摄。
现有的跟踪方法主要有红外跟踪和图像跟踪两种方式：采用红外跟踪方式，受环境影响大，教室开窗或教室照明不均时，摄像机跟踪不准，跟踪效果差，因此市场上主要采用图像跟踪的方式。
常见的图像跟踪方式主要有以下几种：跟踪摄像机即作为高清视频采集又作为图像分析定位使用，不需要图像辅助定位摄像头；采用人体特征的图像跟踪方式，如基于人体图像块特征或人脸识别的图像跟踪方式，来判断跟踪区域内是否有目标，目标是否站立或移动；学生跟踪采用一个图像辅助定位摄像头的方式，安装在教室黑板上方，俯视学生全景。
目前常见的教学系统方案中，利用红外传感器之间相互发送接收信号来获取目标位置，但不设计目标动作的识别，动能较为单一，通过多目全景红外锁定跟踪摄像系统，需要多个摄像头配合，主摄像头与红外摄像头一起转动锁定目标，构造复杂造价较高，不利于安装维护。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种自动录播、自动跟踪、造价较低、使用方便的基于双摄交互式的教师跟踪教学系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，包括图像采集模块、摄像机控制模块、图像分析模块、教师跟踪模块、学生跟踪模块和输出与控制模块；
所述图像采集模块，根据教师或学生图像辅助定位摄像头采集的视频数据信息，将采集到的图像传递到输出与控制模块的储存模块中，其中将教师摄像机采集到的图像作为教师跟踪模块并提取教师关键区域及教师的面部信息和特征物，将学生摄像机采集到的图像作为学生跟踪模块的输入图像并提取和学生关键区域，判断每个座位内是否有目标；
所述摄像机控制模块，包括输出模块与接收模块，输出与控制模块可对摄像机输出指令，指令由接收模块接收并将结果通过输出模块反馈给输出与控制模块进行显示或者储存；
所述图像分析模块，图像分析模块可针对图像采集模块采集到的信息进行分析，分析结果包括，教师关键区域与学生关键区域是否有目标，目标是否有缺失，教师摄像机或学生摄像机的运动方向、偏移位置、运动速度和变焦值，图像分析模块可根据分析结果驱动教师跟踪模块与学生跟踪模块进行跟踪摄像，驱动摄像机进行旋转变焦；
所述教师跟踪模块，从图像采集模块中实时获取教师摄像机所采集的图像，并根据教师关键区域内的对象的面部信息与相应特征物进行对象识别，并根据识别对象进行教师位置检测和教师状态分析从而获得对象行为，根据对象行为对教师摄像机进行调节，当对象发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行摆动或俯仰，使对象一直处于摄像机的中心位置，当检测到教室位置在大于一定时间内未发生移动，则控制教师摄像机对教师黑板处特写放大镜头，以便能够在输出与控制模块的显示模块；
所述学生跟踪模块，对于从图像采集模块中实时获取的学生摄像机所采集的图像，与第一帧获取的学生关键区域进行比对，对获得的信息进行阈值化处理，当获得的信息与第一帧获取的标准学生关键区域的差异超过阈值，认为有学生进行起立，可控制学生摄像机进行调节，控制学生摄像机对不同位置进行特写放大，否则认为其为干扰动作，不予理会；
所述输出与控制模块，包括控制模块、显示模块和储存模块，控制模块可对摄像头发出指令，并接收摄像头的反馈，并将反馈结果储存于储存模块，或投放于显示模块。
进一步的，当学生出现在讲台，教师跟踪模块的识别对象不变。
进一步的，当教师面部信息不清晰，教师跟踪模块以相应特征物进行对象识别。
进一步的，所述相应特征物包括衣着、首饰、身材、身高的一种或多种。
进一步的，所述学生关键区域为学生肩膀上方的50-60厘米的区域。
进一步的，所述教师关键区域为黑板前方的20-80厘米的区域。
进一步的，所述教师关键区域的检测采用RGB颜色转HSV颜色空间法，背景建模和更新技术、帧差法和背景减除法相结合的跟踪技术，形态学过滤，模板匹配和颜色匹配相结合的识别技术分析标定区域图像，确定教师位置。
进一步的，所述教师状态分析是根据教师当前位置分析教师是否处于教师关键区域，结合之前位置分析教室运动状态是静止、小范围走动或大范围走动；
当教师的位置坐标发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行相应的摆动或俯仰，若在计算过程中，检测到教师位置在规定时间内未发生移动，且教师特征区域的检测值小于一定阈值，则认为教师此时正在背身板书，通过控制教师摄像机对其板书给予特写放大镜头，以便能在界面交互模块的显示窗口中清晰的显示教师的板书。。
进一步的，还包括教师语音录入模块，基于文件录音的方式通过教师跟踪模块对教师的声音进行跟踪放大和录入，并将该声音通过标记记录在储存模块，并通过识别教师声音开始录入语音信息。
进一步的，还包括学生语音录入模块，通过对教师语音录入模块录入的教师声音的识别，并将该声音进行筛选排除，并通过识别非教师声音开始录入语音信息。
进一步的，还包括用户界面模块：为用户对系统的运行与操作提供界面支持，包括初始化参数设置单元以及对图形采集模块中教师摄像机与学生摄像机所拍摄图像的实时显示；初始参数设置界面包括对教师身高信息，教室长、高尺寸参数的录入，并依据系统安装的几何关系计算并返回具体的安装参数；根据教师身高能够对教师自动跟踪时的初始位置进行自动设置；然后将每一帧由图像采集模块采集到的图像在指定的画面显示窗口中进行实时显示，以便用户能对教师跟踪、学生跟踪以及学生检测的结果进行最直观的观察。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
1.本发明提供的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，通过图像采集模块、摄像机控制模块、图像分析模块、教师跟踪模块、学生跟踪模块和输出与控制模块的设置，提高了视频拍摄的完整性，不但能实时对教师在黑板和讲台区域的运动进行检测跟踪，而且还能判断教师在黑板区域进行板书的情况，对板书给出特写镜头，本发明具有高效便捷等优点，更为适应用户的需要。
2.本发明通过对教师和学生语音的分别录入能够较为清楚的获得教师与学生的语音交互，防止双方干扰的情况出现，大大提高了整个装置的整体性能，更能满足用户的需要。
3.本发明仅使用两个摄像机，通过一台主机对其进行控制，不但降低了人工成本同样也降低了系统成本，构造简单，造价较低，便于安装维护，大大提高了整个装置的整体性能，更能满足用户的需要。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明的教师视频录入流程示意图；
图3是本发明的学生视频录入流程示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，包括图像采集模块、摄像机控制模块、图像分析模块、教师跟踪模块、学生跟踪模块和输出与控制模块；
图像采集模块，根据教师或学生图像辅助定位摄像头采集的视频数据信息，将采集到的图像传递到输出与控制模块的储存模块中，其中将教师摄像机采集到的图像作为教师跟踪模块并提取教师关键区域及教师的面部信息和特征物，将学生摄像机采集到的图像作为学生跟踪模块的输入图像并提取和学生关键区域，判断每个座位内是否有目标；
摄像机控制模块，包括输出模块与接收模块，输出与控制模块可对摄像机输出指令，指令由接收模块接收并将结果通过输出模块反馈给输出与控制模块进行显示或者储存；
图像分析模块，图像分析模块可针对图像采集模块采集到的信息进行分析，分析结果包括，教师关键区域与学生关键区域是否有目标，目标是否有缺失，教师摄像机或学生摄像机的运动方向、偏移位置、运动速度和变焦值，图像分析模块可根据分析结果驱动教师跟踪模块与学生跟踪模块进行跟踪摄像，驱动摄像机进行旋转变焦；
教师跟踪模块，从图像采集模块中实时获取教师摄像机所采集的图像，并根据教师关键区域内的对象的面部信息与相应特征物进行对象识别，并根据识别对象进行教师位置检测和教师状态分析从而获得对象行为，根据对象行为对教师摄像机进行调节，当对象发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行摆动或俯仰，使对象一直处于摄像机的中心位置，当检测到教室位置在大于一定时间内未发生移动，则控制教师摄像机对教师黑板处特写放大镜头，以便能够在输出与控制模块的显示模块；
学生跟踪模块，对于从图像采集模块中实时获取的学生摄像机所采集的图像，与第一帧获取的学生关键区域进行比对，对获得的信息进行阈值化处理，当获得的信息与第一帧获取的标准学生关键区域的差异超过阈值，认为有学生进行起立，可控制学生摄像机进行调节，控制学生摄像机对不同位置进行特写放大，否则认为其为干扰动作，不予理会；
输出与控制模块，包括控制模块、显示模块和储存模块，控制模块可对摄像头发出指令，并接收摄像头的反馈，并将反馈结果储存于储存模块，或投放于显示模块。
本实施例中，当学生出现在讲台，教师跟踪模块的识别对象不变。
本实施例中，当教师面部信息不清晰，教师跟踪模块以相应特征物进行对象识别。
本实施例中，相应特征物包括衣着、首饰、身材、身高的一种或多种。
本实施例中，学生关键区域为学生肩膀上方的50-60厘米的区域。
本实施例中，教师关键区域为黑板前方的20-80厘米的区域。
本实施例中，教师关键区域的检测采用RGB颜色转HSV颜色空间法，背景建模和更新技术、帧差法和背景减除法相结合的跟踪技术，形态学过滤，模板匹配和颜色匹配相结合的识别技术分析标定区域图像，确定教师位置。
本实施例中，教师状态分析是根据教师当前位置分析教师是否处于教师关键区域，结合之前位置分析教室运动状态是静止、小范围走动或大范围走动；
当教师的位置坐标发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行相应的摆动或俯仰，若在计算过程中，检测到教师位置在规定时间内未发生移动，且教师特征区域的检测值小于一定阈值，则认为教师此时正在背身板书，通过控制教师摄像机对其板书给予特写放大镜头，以便能在界面交互模块的显示窗口中清晰的显示教师的板书。
本实施例中，还包括教师语音录入模块，基于文件录音的方式通过教师跟踪模块对教师的声音进行跟踪放大和录入，并将该声音通过标记记录在储存模块，并通过识别教师声音开始录入语音信息。
本实施例中，还包括学生语音录入模块，通过对教师语音录入模块录入的教师声音的识别，并将该声音进行筛选排除，并通过识别非教师声音开始录入语音信息。
本实施例中，还包括用户界面模块：为用户对系统的运行与操作提供界面支持，包括初始化参数设置单元以及对图形采集模块中教师摄像机与学生摄像机所拍摄图像的实时显示；初始参数设置界面包括对教师身高信息，教室长、高尺寸参数的录入，并依据系统安装的几何关系计算并返回具体的安装参数；根据教师身高能够对教师自动跟踪时的初始位置进行自动设置；然后将每一帧由图像采集模块采集到的图像在指定的画面显示窗口中进行实时显示，以便用户能对教师跟踪、学生跟踪以及学生检测的结果进行最直观的观察。
如图1-图3所示，
首先，系统初始化参数设置单元。在实际安装使用的过程中，针对不同教室的大小，教师摄像机与学生摄像机的安装位置都会有所不同，通过系统初始化参数设置，可以获取摄像机安装时的吊顶高度与倾斜角度，为了在后期获得更好的跟踪与检测效果，往往还需要根据实际情况设置教师摄像机的初始预置位；对于输入的授课教师身高信息，也为计算学生摄像机安装时的倾斜角度提供依据，计算完毕后，初始化参数设置单元会自动修改系统参数，以适应环境的变化。
其次，管理人员通过输出与控制模块的控制模块对摄像机控制模块和图像采集模块输出指令，指令由接收模块接收并控制教师摄像头进行拍摄，通过图像采集模块，根据教师摄像头采集的视频数据信息，将采集到的图像传递到输出与控制模块的储存模块中；
经过图像分析模块，图像分析模块可针对图像采集模块采集到的信息进行分析，分析结果包括，教师关键区域是否有目标，提取目标的并提取教师关键区域及教师的面部信息和目标的衣着、首饰、身材、身高衣着等作为特征物进行识别，以及教师摄像机的运动方向、偏移位置、运动速度和变焦值；
将上述结果通过输出模块反馈给输出与控制模块的储存模块进行储存，然后通过教师跟踪模块进行教师跟踪，从图像采集模块中实时获取教师摄像机所采集的图像，并根据教师关键区域内的对象的面部信息与相应特征物进行对象识别，并采用RGB颜色转HSV颜色空间法，背景建模和更新技术、帧差法和背景减除法相结合的跟踪技术，形态学过滤，模板匹配和颜色匹配相结合的识别技术分析标定区域图像，确定教师位置；
根据教师当前位置分析教师是否处于教师关键区域，结合之前位置分析教室运动状态是静止、小范围走动或大范围走动，获得对象行为并根据对象行为对教师摄像机进行调节，当对象发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行摆动或俯仰，使对象一直处于摄像机的中心位置，当检测到教室位置在大于一定时间内未发生移动，则控制教师摄像机对教师黑板处特写放大镜头，以便能够在输出与控制模块的显示模块图像分析模块可根据分析结果驱动教师跟踪模块进行跟踪摄像，驱动摄像机进行旋转变焦；
图像采集模块将结果实时通过输出模块反馈给输出与控制模块进行显示或者储存；并通过教师语音录入模块录入教师语音，基于文件录音的方式通过教师跟踪模块对教师的声音进行跟踪放大和录入，并将该声音通过标记记录在储存模块，并通过识别教师声音开始录入语音信息。
最后，用户界面输出。用户界面交互模块的主界面上设置有教师摄像机显示窗口和学生摄像机显示窗口，教师摄像机的预置位设置按钮，以及教师摄像机转动速度的设置按钮，可以允许用户按照自己的需求和意愿对摄像机控制模块、图像采集模块和线程交互模块进行直接的操作，然后从跟踪检测结果显示窗口中获取相应的拍摄画面，从而直接从教师摄像机和学生摄像机的显示窗口中对教师跟踪和学生检测、跟踪的过程进行观察。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：包括图像采集模块、摄像机控制模块、图像分析模块、教师跟踪模块、学生跟踪模块和输出与控制模块；
所述图像采集模块，根据教师或学生图像辅助定位摄像头采集的视频数据信息，将采集到的图像传递到输出与控制模块的储存模块中，其中将教师摄像机采集到的图像作为教师跟踪模块并提取教师关键区域及教师的面部信息和特征物，将学生摄像机采集到的图像作为学生跟踪模块的输入图像并提取和学生关键区域，判断每个座位内是否有目标；
所述摄像机控制模块，包括输出模块与接收模块，输出与控制模块可对摄像机输出指令，指令由接收模块接收并将结果通过输出模块反馈给输出与控制模块进行显示或者储存；
所述图像分析模块，图像分析模块可针对图像采集模块采集到的信息进行分析，分析结果包括，教师关键区域与学生关键区域是否有目标，目标是否有缺失，教师摄像机或学生摄像机的运动方向、偏移位置、运动速度和变焦值，图像分析模块可根据分析结果驱动教师跟踪模块与学生跟踪模块进行跟踪摄像，驱动摄像机进行旋转变焦；
所述教师跟踪模块，从图像采集模块中实时获取教师摄像机所采集的图像，并根据教师关键区域内的对象的面部信息与相应特征物进行对象识别，并根据识别对象进行教师位置检测和教师状态分析从而获得对象行为，根据对象行为对教师摄像机进行调节，当对象发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行摆动或俯仰，使对象一直处于摄像机的中心位置，当检测到教室位置在大于一定时间内未发生移动，则控制教师摄像机对教师黑板处特写放大镜头，以便能够在输出与控制模块的显示模块；
所述学生跟踪模块，对于从图像采集模块中实时获取的学生摄像机所采集的图像，与第一帧获取的学生关键区域进行比对，对获得的信息进行阈值化处理，当获得的信息与第一帧获取的标准学生关键区域的差异超过阈值，认为有学生进行起立，可控制学生摄像机进行调节，控制学生摄像机对不同位置进行特写放大，否则认为其为干扰动作，不予理会；
所述输出与控制模块，包括控制模块、显示模块和储存模块，控制模块可对摄像头发出指令，并接收摄像头的反馈，并将反馈结果储存于储存模块，或投放于显示模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：当学生出现在讲台，教师跟踪模块的识别对象不变。
3.根据权利要求1所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：当教师面部信息不清晰，教师跟踪模块以相应特征物进行对象识别。
4.根据权利要求3所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：所述相应特征物包括衣着、首饰、身材、身高的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：所述学生关键区域为学生肩膀上方的50-60厘米的区域，所述教师关键区域为黑板前方的20-80厘米的区域。
6.根据权利要求5所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：所述教师关键区域的检测采用RGB颜色转HSV颜色空间法，背景建模和更新技术、帧差法和背景减除法相结合的跟踪技术，形态学过滤，模板匹配和颜色匹配相结合的识别技术分析标定区域图像，确定教师位置。
7.根据权利要求1所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：所述教师状态分析是根据教师当前位置分析教师是否处于教师关键区域，结合之前位置分析教室运动状态是静止、小范围走动或大范围走动；
当教师的位置坐标发生移动时，可控制教师摄像机根据其坐标移动差值的大小与方向进行相应的摆动或俯仰，若在计算过程中，检测到教师位置在规定时间内未发生移动，且教师特征区域的检测值小于一定阈值，则认为教师此时正在背身板书，通过控制教师摄像机对其板书给予特写放大镜头，以便能在界面交互模块的显示窗口中清晰的显示教师的板书。
8.根据权利要求1所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：还包括教师语音录入模块，基于文件录音的方式通过教师跟踪模块对教师的声音进行跟踪放大和录入，并将该声音通过标记记录在储存模块，并通过识别教师声音开始录入语音信息。
9.根据权利要求8所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：还包括学生语音录入模块，通过对教师语音录入模块录入的教师声音的识别，并将该声音进行筛选排除，并通过识别非教师声音开始录入语音信息。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种基于双摄交互式的教师跟踪教学系统，其特征在于：还包括
用户界面模块：为用户对系统的运行与操作提供界面支持，包括初始化参数设置单元以及对图形采集模块中教师摄像机与学生摄像机所拍摄图像的实时显示；初始参数设置界面包括对教师身高信息，教室长、高尺寸参数的录入，并依据系统安装的几何关系计算并返回具体的安装参数；根据教师身高能够对教师自动跟踪时的初始位置进行自动设置；然后将每一帧由图像采集模块采集到的图像在指定的画面显示窗口中进行实时显示，以便用户能对教师跟踪、学生跟踪以及学生检测的结果进行最直观的观察。
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