CN113596367A - 一种面向实验教学的智能课程录播系统 - Google Patents

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刘威
徐晶
顾昕
许炜
程文青
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Abstract

本发明公开了一种面向实验教学的智能课程录播系统，属于实践教学领域。包括：俯拍摄像头、固定摄像头、录音设备与录制主机；俯拍摄像头用于采集实验操作区域的视频；固定摄像头用于采集实验仪表区域的视频；录音设备用于采集实验过程中使用者讲解的音频；录制主机用于对采集到的视频和音频进行自动化地剪辑和合成。本发明通过部署多个摄像头，采集实验过程中操作区域、仪表测量区域等多场景的图像，自动生成实验课程的视频，适用于信息技术类、物理类等实验教学场景。解决在线实验教学视频拍摄费时费力、成本高昂的问题，在现代化实验教学场景中普遍适用，对于当前教学方式的智能化和信息化具有较高的价值。

Description

一种面向实验教学的智能课程录播系统
技术领域
本发明属于实践教学领域，更具体地，涉及一种面向实验教学的智能课程录播系统。
背景技术
除了理论教学之外，实践教学是人才培养的重要环节，是加深学生对所学理论的理解、提高学生实践能力的主要方式。在信息化逐渐发达的当下社会中，以MOOC、网课视频为代表的在线教育资源呈现井喷的态势。在这之中，实验课程的教学视频可以代替老师对学生进行教育和指导，而不受场景与时间的限制，对于推进实验课程的教学质量具有很高的价值。
目前的在线课程视频，大部分都是面向与课堂上的理论教学。这些视频或是基于对课堂场景的模拟，通过对视频、演示文稿等课件的录屏，与教师讲解的特写镜头的采集进行录制，并经由后期的人工制作生成最终的教学视频；或是采取实景录制的方法，通过录制老师上课的场景制作课程视频。这类视频的拍摄过程也采用了一些人工智能相关的技术，主要是实现教师姿势识别、学生动作识别等功能，从而自动切换镜头，使得录制的视频具有比较良好的质量，同时也降低了录制视频与后期制作的人工成本。
然而，实验课程的教学视频录制与普通的课程视频录制并不相同。受器材要求、录制难度等因素的影响，实验课程的教学视频数量较为稀缺，尤其是其录制过程，需要牵涉到多镜头切换、较多动作场景以及实验数据展示等方面，因此费时费力，需要耗费很高的人工成本，因此传统的拍摄方案价格也非常高昂。
发明内容
针对现有技术当前实验课程教学视频拍摄的高要求、高成本问题，本发明提供了一种面向实验教学的智能课程录播系统，其目的在于通过搭建一套自动化、轻量级、针对实验教学场景的智能录制系统，为实验课程教学视频的录制提供低成本、易操作的解决方案。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向实验教学的智能课程录播系统，该系统包括：俯拍摄像头、固定摄像头、录音设备与录制主机；
俯拍摄像头用于采集实验操作区域的视频；
固定摄像头用于采集实验仪表区域的视频；
录音设备用于采集实验过程中使用者讲解的音频；
录制主机用于对采集到的视频和音频进行自动化地剪辑和合成。
优选地，俯拍摄像头和固定摄像头采集到的视频通过集线器传递给录制主机。
优选地，录制主机按照功能划分为：音频分析模块、视频分析模块和录制模块；其中，
所述音频分析模块用于对采集到的音频进行识别和语义理解，分析出使用者当前的拍摄指令，相应地进行镜头切换；
所述音频分析模块用于将采集到的音频转化为文本并生成字幕，按照对应时间轴嵌入视频；
所述视频分析模块用于对于采集到的图像进行分析，并指示摄像头对使用者的手部动作进行识别、跟踪。
优选地，视频分析模块还用于控制当前拍摄的摄像头对使用者手部所在位置进行对焦和适当放大。
优选地，录制模块读入视频分析模块输出的视频流、音频分析模块输出的音频流与字幕信息，并依据时间轴对三者进行合成，生成最终的课程视频。
优选地，录制主机支持使用者通过输入输出设备进行操作，所述输入输出设备为键盘、鼠标或触控屏。
优选地，所述操作包括：系统的登录/退出、录制的开始/暂停/结束和录播视频的编辑和剪切。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明通过部署多个摄像头，采集实验过程中操作区域、仪表测量区域等多场景的图像，自动生成实验课程的视频，适用于信息技术类、物理类等实验教学场景。在硬件上，本发明由摄像头、录音设备与录制主机构成。其中，摄像头负责对教师演示的实验过程进行拍摄；录音设备负责对教师演示过程中的讲解等进行采音；录制主机负责对采集到的音视频进行自动化的剪辑，解决在线实验教学视频拍摄费时费力、成本高昂的问题，在现代化实验教学场景中普遍适用，对于当前教学方式的智能化和信息化具有较高的价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种面向实验教学的智能课程录播系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明公开了一种面向实验教学的智能课程录播系统，该系统包括：俯拍摄像头、固定摄像头、录音设备与录制主机；
俯拍摄像头用于采集实验操作区域的视频；
固定摄像头用于采集实验仪表区域的视频；
录音设备用于采集实验过程中使用者讲解的音频；
录制主机用于对采集到的视频和音频进行自动化地剪辑和合成。
录制主机按照功能划分为：音频分析模块、视频分析模块和录制模块。
(1)音频分析模块
音频分析模块负责对采集到的音频进行识别和语义理解，分析出使用者当前的拍摄指令，相应地进行镜头切换。同时，音频分析模块也会将采集到的音频转化为文本并生成字幕，按照对应时间轴嵌入视频。
对于语义理解分析出的指令，需要注意的是，这里使用者可以不用记住特定指令，只需要自然的进行演示讲解即可。例如，当使用者说“现在我们来看实验操作”这句话时，音频分析模块可以捕捉其中的关键词，如“实验操作”，并据此指示系统将当前拍摄的摄像头切换为俯拍摄像头，以拍摄使用者在实验操作区域进行的演示操作。
当使用者说“我们看一下示波器的读数”这句话时，音频分析模块也可以捕捉其中的关键词，如“示波器”，并据此指示系统将当前拍摄的摄像头切换为固定摄像头，并对示波器所在区域进行放大，以拍摄示波器的读数。
而关于实验拍摄暂停、继续、结束的控制，也可以通过类似的流程实现。
(2)视频分析模块
视频分析模块主要负责实现对于采集到的图像进行分析，并指示摄像头完成对应操作。这其中最主要的功能是实现手部的跟踪拍摄。为此，视频分析模块需要对使用者的手部动作进行识别、跟踪，并控制当前拍摄的摄像头进行对焦和适当放大，实现对于使用者手部的跟踪拍摄。
当使用者在当前镜头的拍摄范围内进行操作时，系统会追踪使用者的手部动作，并指示进行自动对焦和适当放大，进行跟踪拍摄。
使用者在实验操作区域进行操作，系统会对焦使用者手部所在位置，并进行相应的图像放大，使得其操作过程更加清晰。使用者在实验仪器区域内进行操作时，系统也会对使用者手部所在位置进行对焦和放大，以便视频可以更加清晰地呈现使用者的动作以及对应操作区域的情况。
(3)录制模块
录制模块负责整合系统采集到的音视频以及音频分析模块生成的字幕，从而生成最后的实验课程演示视频。为此，录制模块会读入视频分析模块输出的视频流，音频分析模块输出的音频流与字幕信息，并依据时间轴对三者进行合成，生成最终的视频。
优选地，录制主机支持使用者通过输入输出设备进行操作，所述输入输出设备为键盘、鼠标或触控屏。
本发明通过部署多个摄像头，采集实验过程中操作区域、仪表测量区域等多场景的图像，自动生成实验课程的视频。
以电子线路实验教学为例。电子线路实验需要的器材包括：进行实验操作的面包板、信号发生器和示波器。其中，使用者在面包板上进行操作搭建电路是整个实验的重心，示波器是用于显示搭建好的电路所产生的信号的波形。
在本实施例中，实验台正上方有一个俯拍摄像头、实验台上有一个固定摄像头。
具体的使用步骤如下：
S1.使用者于录制主机进入系统，选择开始录制实验教学视频；
S2.俯拍摄像头与固定摄像头同时对对应区域进行拍摄；
S3.当使用者说出类似“现在进行实验操作的演示”的讲解内容时，系统捕捉到相应关键词，并将当前拍摄的摄像头切换为俯拍摄像头，进入步骤S4；当使用者说出类似“调整信号发生器”“我们看一下示波器的读数”的讲解内容时，系统捕捉到相应关键词，并将当前拍摄的摄像头切换为固定摄像头，进入步骤S5；当使用者说出类似“我们暂停一下拍摄”的讲解内容时，系统捕捉到相应关键词，并暂停拍摄；当使用者说出类似“现在继续演示”的讲解内容时，系统捕捉到相应关键词，并继续拍摄；当使用者说出类似“以上为本次实验的所有演示内容”的讲解内容时，系统捕捉到相应关键词，并暂停拍摄。
S4.对实验操作区域内使用者的操作进行拍摄，跟踪使用者的手部动作，并指示俯拍摄像头对其进行对焦和适当放大；
S5.对实验仪器区域内使用者的操作进行拍摄，会跟踪使用者的手部动作，并指示俯拍摄像头对其进行对焦和适当放大。
该系统面向为学生提供线上实验教学指导的场景，可以适用于信息技术类、物理类等实验教学场景。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向实验教学的智能课程录播系统，其特征在于，该系统包括：俯拍摄像头、固定摄像头、录音设备与录制主机；
俯拍摄像头用于采集实验操作区域的视频；
固定摄像头用于采集实验仪表区域的视频；
录音设备用于采集实验过程中使用者讲解的音频；
录制主机用于对采集到的视频和音频进行自动化地剪辑和合成。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，俯拍摄像头和固定摄像头采集到的视频通过集线器传递给录制主机。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，录制主机按照功能划分为：音频分析模块、视频分析模块和录制模块；其中，
所述音频分析模块用于对采集到的音频进行识别和语义理解，分析出使用者当前的拍摄指令，相应地进行镜头切换；
所述音频分析模块用于将采集到的音频转化为文本并生成字幕，按照对应时间轴嵌入视频；
所述视频分析模块用于对于采集到的图像进行分析，并指示摄像头对使用者的手部动作进行识别、跟踪。
4.如权利要求2或3所述的系统，其特征在于，视频分析模块还用于控制当前拍摄的摄像头对使用者手部所在位置进行对焦和适当放大。
5.如权利要求2至4任一项所述的系统，其特征在于，录制模块读入视频分析模块输出的视频流、音频分析模块输出的音频流与字幕信息，并依据时间轴对三者进行合成，生成最终的课程视频。
6.如权利要求1至5任一项所述的系统，其特征在于，录制主机支持使用者通过输入输出设备进行操作，所述输入输出设备为键盘、鼠标或触控屏。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述操作包括：系统的登录/退出、录制的开始/暂停/结束和录播视频的编辑和剪切。
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