CN112312002A - 一种高清课程录制及展示系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高清课程录制及展示系统，涉及视频教学领域，包括CMOS摄像头、摄像控制器，录像设备主机、图像显示器、存储器，所述CMOS摄像头分别与摄像控制器、录像设备主机连接，所述录像设备主机分别与图像显示器、存储器连接，所述录像设备主机包括RAW转YUV模块、FPGA模块、H.265压缩模块、YUV转HDMI模块、USB3.0传输控制模块。本发明通过对CMOS摄像头进行自动对焦、变焦以及旋转等控制后通过FPGA模块进行图像效果优化，通过H.265高清视频图像压缩和USB3.0高带宽高速传输技术把COMS摄像头拍摄的视频图像信号通过USB3.0接口和电脑连接，实现视频图像的高清录制和推流直播。

Description

一种高清课程录制及展示系统
技术领域
本发明涉及视频教学领域，尤其涉及一种高清课程录制及展示系统。
背景技术
随着个性化教育的发展，越来越多的老师在网络上进行微课堂教学。现有的微课堂系统是基于USB摄像技术的，如图1所示，包括USB摄像头、录像设备主机以及电脑。通过USB接口，把USB摄像头的图像信息传输到电脑上，通过配套的电脑软件进行图像保存和显示。
如图2所示，基于USB摄像头技术的微课堂系统的工作原理是：景物通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器(COMS)表面后转化为电信号；然后通过图像信号处理器将电信号转化为数字图像信号；再通过JPEG图像编码器对数字图像信号进行图像加工处理；最后通过USB设备控制器将数字图像信号传输到电脑中，通过电脑配套的软件进行图像保存和显示。
上述基于USB摄像头技术的微课堂系统存在以下缺陷：1.通过USB接口录制视频，存在不顺畅、卡顿的问题；2.录制的视频占用录像设备主机极高的硬盘空间；3.不能连接投影仪、电视机等进行实时图像展示；4.USB摄像头清晰度不高，数码放大失真，并且放大倍数小(一般只有20倍放大)不能满足硬笔书法、素描教学等多种需要高清放大倍数的教学需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高清课程录制及展示系统，通过对CMOS摄像头进行自动对焦、变焦以及旋转等控制，通过FPGA模块进行图像效果优化后通过H.265高清视频图像压缩和USB3.0高带宽高速传输技术把COMS摄像头拍摄的视频图像信号通过USB3.0接口和电脑连接，并且通过电脑软件进行高清视频录制和推流直播；通过把CMOS摄像头视频图像信号转换成HDMI图像信号，实现高清视频实时教学展示。
本发明提供一种高清课程录制及展示系统，包括CMOS摄像头、摄像控制器，录像设备主机、图像显示器、存储器以及电源，所述CMOS摄像头分别与摄像控制器、录像设备主机连接，所述录像设备主机还分别与图像显示器、存储器连接；
所述录像设备主机包括RAW转YUV模块、FPGA模块、音频转换器、H.265压缩模块、YUV转HDMI模块以及USB3.0传输控制模块；
所述RAW转YUV模块用于将CMOS摄像头采集的RAW格式的视频图像转化为YUV格式的视频图像；
所述FPGA模块用于对YUV格式的视频图像进行优化处理；
所述音频转换器用于接入外部音频信号；
所述H.265压缩模块用于对优化处理后的YUV格式的视频图像和外部接入的音频信号进行音视频混叠处理后进行压缩处理；
所述YUV转HDMI模块用于将优化处理后的YUV格式的视频图像转化为HDMI格式的视频图像；
所述USB3.0传输控制模块用于对压缩处理后的音视频图像进行传输控制。
进一步的，所述摄像控制器包括PID伺服电机和ARM控制器，所述PID伺服电机分别与ARM控制器和COMS摄像头连接。
进一步的，所述录像设备主机还包括无线发射模块、媒体解码器以及控制按键；
所述无线发射模块用于将压缩处理后的视频图像进行无线传输；
所述媒体解码器用于将外部接入YUV格式的视频图像进行解码处理后传输到YUV转HDMI模块转换成HDMI格式的视频图像；
所述控制按键分别与电源和ARM控制器连接，分别用于电源开关控制和摄像图像放大、旋转控制。
进一步的，所述图像显示器包括电脑、电视机以及投影仪，电脑通过USB3.0接口与USB3.0传输控制模块连接，电视机通过VGA/HDMI接口与YUV转HDMI模块连接，投影仪通过无线视频接收器与无线发射模块连接。
进一步的，所述存储器包括SD卡、移动硬盘以及U盘，SD卡和移动硬盘分别通过SD接口和USB接口与H.265压缩模块连接，U盘通过USB接口与媒体解码器连接。
如上所述，本发明的高清课程录制及展示系统，具有以下有益效果：
1、本发明采用大光圈光学变焦COMS摄像头，可以进行20倍无损放大，并且配合软件插值算法进行数码变焦放大15倍，可以对图像放大300倍，满足高清放大倍数的教学需求。
2、本发明利用H.265高级视频压缩技术，利用USB3.0传输的高宽带(最大可达5GBPS)和高速传输特性(最高可达640M/S，实际传输速度在100-200M/S)，并且通过课程录制系统和电脑之间USB3.0数据线进行连接，可以实现课程录制系统的教学视频的高清视频实时传输和录制以及推流到各大直播平台进行直播教学。
3、本发明增加光学变焦镜头云台旋转电机，通过控制按键控制云台旋转，对展示文本、图片进行从0～360度的无级旋转，并且在展示文本、图片放倾斜或者需要横竖转换的情况下，通过镜头旋转照样可以摄取正常工整的展示画面。
附图说明
图1显示为本发明现有技术中公开的微课堂系统的结构框图；
图2显示为本发明现有技术中公开的微课堂系统的工作原理图；
图3显示为本发明实施例中公开的高清课程录制及展示系统的结构框图；
图4显示为本发明实施例中公开的高清课程录制及展示系统的结构连接图；
图5显示为本发明实施例中公开的高清课程录制及展示系统的工作原理图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图3所示，本发明提供一种高清课程录制及展示系统，包括CMOS摄像头、摄像控制器，录像设备主机、图像显示器、存储器以及电源；所述CMOS摄像头分别与摄像控制器、录像设备主机连接，所述录像设备主机还分别与图像显示器、存储器连接；所述CMOS摄像头为大光圈光学变焦800万像素的COMS摄像头。
如图4所示，所述摄像控制器包括PID伺服电机和ARM控制器，所述PID伺服电机分别与ARM控制器和COMS摄像头连接；
所述录像设备主机包括RAW转YUV模块、FPGA模块、H.265压缩模块、无线发射模块、YUV转HDMI模块、媒体解码器、USB3.0传输控制模块、音频转换器以及控制按键；
所述RAW转YUV模块用于将CMOS摄像头采集的RAW格式的视频图像转化为YUV格式的视频图像；
所述FPGA模块用于对YUV格式的视频图像进行优化处理；
所述音频转换器用于接入外部音频信号；
所述H.265压缩模块用于对优化处理后的YUV格式的视频图像和外部接入的音频信号进行音视频混叠处理后进行压缩处理；
所述YUV转HDMI模块用于将优化处理后的YUV格式的视频图像转化为HDMI格式的视频图像；
所述USB3.0传输控制模块用于对压缩处理后的音视频图像进行传输控制。
所述无线发射模块用于将压缩处理后的视频图像进行无线传输；
所述媒体解码器用于将外部接入YUV格式的视频图像进行解码处理后传输到YUV转HDMI模块转换成HDMI格式的视频图像；
所述控制按键分别与电源和ARM控制器连接，分别用于电源开关控制和摄像图像放大、旋转控制。
所述图像显示器包括电脑、电视机以及投影仪，电脑通过USB3.0接口与USB3.0传输控制模块连接，电视机通过VGA/HDMI接口与YUV转HDMI模块连接，投影仪通过无线视频接收器与无线发射模块连接；所述存储器包括SD卡、移动硬盘以及U盘，SD卡和移动硬盘分别通过SD接口和USB接口与H.265压缩模块连接，U盘通过USB接口与媒体解码器连接。
如图5所示，所述高清课程录制及展示系统的工作原理如下：
1.通过控制按键控制电源开启后进行系统初始化操作；包括CMOS摄像头、ARM控制器、RAW转YUV模块、FPGA模块、H.265压缩模块、无线发射模块、YUV转HDMI模块、媒体解码模块、USB3.0传输控制模块以及各个模块的接口的初始化；
2.COMS摄像头通过I2C总线与录像设备主机通信连接；
3.COMS摄像头自动聚焦；
具体的，通过镜头(LENS)生成的光学图像投射到图像传感器(COMS)表面，然后通过时序控制将图像传感器表面中心的1/3～1/5区域的图像数字信号剪取下来后通过高通宽带滤波器进行滤波，解析出对焦距变化敏感的高频分量成分，再通过比较器电路将控制信号传输到ARM控制器，ARM控制器控制PID伺服电机的微型可逆马达转动，直到高频分量成分达到最大值，完成一次自动聚焦过程；
4.将自动聚焦后的RAW图像数字信号转换成YUV图像视频信号，然后通过FPGA模块的插值算法进行数码变焦放大，并且采用摄像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术，对比度、边缘强化、图像降噪以及伽马矫正等影像控制技术对图像进行优化；
5.将优化后的图像分成两路，一路传输到YUV转HDMI转换器，转换成HDMI高清视频信号供输出连接外部的电视机，另外一路传输到H.265编码器进行H.265视频格式压缩编码、音视频混叠处理(即将音频转换器接入的麦克风音频与视频图像进行音视频混叠)后传输到USB3.0传输控制器，通过USB3.0接口连接电脑，电脑再通过软件对视频进行保存或推流到直播平台进行网络直播输出，同时通过无线发射模块将音视频图像传输到无线视频接收器，通过投影仪进行投影显示；
6.如果需要对视频图像进行放大，则通过控制按键对应的放大缩小按键进行控制，并通过ARM控制器控制PID伺服电机的微型可逆马达伸缩，相应的控制CMOS摄像头的镜头焦距长度；
7.如果需要对视频图像进行旋转，则通过控制按钮控制进行控制，并通过ARM控制器控制CMOS摄像头的云台的旋转电机进行旋转，对展示文本、图片进行0～360度的无级旋转，在展示文本、图片放倾斜或者需要横竖转换的情况下，通过镜头旋转照样可以提取正常的展示画面。
综上所述，本发明通过对CMOS摄像头进行自动对焦、变焦以及旋转等控制，通过FPGA模块进行图像效果优化后通过H.265高清视频图像压缩和USB3.0高带宽高速传输技术把COMS摄像头拍摄的视频图像信号通过USB3.0接口和电脑连接，并且通过电脑软件进行高清视频录制和直播推流；同时，通过把CMOS摄像头视频图像信号转换成HDMI，实现高清视频实时教学展示。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种高清课程录制及展示系统，其特征在于：包括CMOS摄像头、摄像控制器，录像设备主机、图像显示器、存储器以及电源，所述CMOS摄像头分别与摄像控制器、录像设备主机连接，所述录像设备主机还分别与图像显示器、存储器连接；
所述录像设备主机包括RAW转YUV模块、FPGA模块、音频转换器、H.265压缩模块、YUV转HDMI模块以及USB3.0传输控制模块；
所述RAW转YUV模块用于将CMOS摄像头采集的RAW格式的视频图像转化为YUV格式的视频图像；
所述FPGA模块用于对YUV格式的视频图像进行优化处理；
所述音频转换器用于接入外部音频信号；
所述H.265压缩模块用于对优化处理后的YUV格式的视频图像和外部接入的音频信号进行音视频混叠处理后进行压缩处理；
所述YUV转HDMI模块用于将优化处理后的YUV格式的视频图像转化为HDMI格式的视频图像；
所述USB3.0传输控制模块用于对压缩处理后的音视频图像进行传输控制。
2.根据权利要求1所述的高清课程录制及展示系统，其特征在于：所述摄像控制器包括PID伺服电机和ARM控制器，所述PID伺服电机分别与ARM控制器和COMS摄像头连接。
3.根据权利要求2所述的高清课程录制及展示系统，其特征在于：所述录像设备主机还包括无线发射模块、媒体解码器以及控制按键；
所述无线发射模块用于将压缩处理后的视频图像进行无线传输；
所述媒体解码器用于将外部接入YUV格式的视频图像进行解码处理后传输到YUV转HDMI模块转换成HDMI格式的视频图像；
所述控制按键分别与电源和ARM控制器连接，分别用于电源开关控制和摄像图像放大、旋转控制。
4.根据权利要求3所述的高清课程录制及展示系统，其特征在于：所述图像显示器包括电脑、电视机以及投影仪，电脑通过USB3.0接口与USB3.0传输控制模块连接，电视机通过VGA/HDMI接口与YUV转HDMI模块连接，投影仪通过无线视频接收器与无线发射模块连接。
5.根据权利要求3所述的高清课程录制及展示系统，其特征在于：所述存储器包括SD卡、移动硬盘以及U盘，SD卡和移动硬盘分别通过SD接口和USB接口与H.265压缩模块连接，U盘通过USB接口与媒体解码器连接。
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