課堂自動錄播系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

【摘 要】隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，自動錄播系統(tǒng)在在教學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，自動錄播系統(tǒng)可以將課堂教學(xué)過程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)直播，提高優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源的共享程度和教育資源的利用效率。

【關(guān)鍵詞】錄播系統(tǒng) 目標(biāo)定位 關(guān)鍵技術(shù)

一、 自動錄播系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

（一）目標(biāo)跟蹤定位技術(shù)

目標(biāo)跟蹤就是在圖序列中識別出目標(biāo)并對其進(jìn)行精確定位，以獲取目標(biāo)的運動的各個參數(shù)，進(jìn)而對運動目標(biāo)進(jìn)行處理與分析。目前，目標(biāo)跟蹤定位主要有紅外定位、超聲波定位、圖像定位技術(shù)這幾種。

1.紅外線定位跟蹤技術(shù)

紅外跟蹤技術(shù)主要是根據(jù)自然界中的任何物體都存在紅外輻射，而且不同物體甚至同一物體的不同部發(fā)射出的紅外線的波長也各不相同，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定目標(biāo)的空間位置并對其運動路線進(jìn)行跟蹤。其基本設(shè)備是紅外發(fā)射源和紅外接收裝置，通過紅外信號的變化，攝像機跟蹤定位攝像。教師身上攜帶一個紅外發(fā)射裝置，紅外接收裝置可以通過收到的紅外信號，實現(xiàn)對教師的跟蹤與準(zhǔn)確定位。同理，學(xué)生的定位也是如此，對拍攝對象的準(zhǔn)確定位后，驅(qū)動攝像機運轉(zhuǎn)到這個預(yù)置位，就可以對教師或?qū)W生拍攝特寫鏡頭。

2.超聲波定位技術(shù)

超聲波定位技術(shù)主要用在多機位板書定位系統(tǒng)上，通常會在黑板的下沿安裝多個超聲波感應(yīng)頭，不同的攝像機對應(yīng)不同的感應(yīng)頭。當(dāng)主講教師靠近黑板書寫時，超聲波感應(yīng)頭就能檢測到人體， 對講臺前的人進(jìn)行定位，不受光線、溫度等影響，并立即觸發(fā)相對應(yīng)的攝像機對教師的板書畫面進(jìn)行拍攝， 實現(xiàn)對拍攝對象的準(zhǔn)確定位，并把該畫面切入到自動編輯機中進(jìn)行編輯處理。但超聲波定位技術(shù)也存在其缺點，就是由于超聲波發(fā)射角度過大，導(dǎo)致了拍攝方位的精度較為低下，可能會出現(xiàn)視頻信號來回切或攝像機頻繁左右搖擺的情況，最后造成空畫面或者無效畫面。

3.圖像識別定位技術(shù)

圖像定位技術(shù)是基于圖像的對運動圖像進(jìn)行偵測的一種新技術(shù)，計算機或其他儀器設(shè)備根據(jù)某種算法對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與定位，并可以智能的根據(jù)目標(biāo)的位置和動向采取相應(yīng)措施，只要目標(biāo)始終在其拍攝范圍內(nèi)，就可以通過鏡頭的推、拉等變化，實現(xiàn)對拍攝對象的定位和自動跟蹤。它很好的克服了紅外線和超聲波容易受到干擾等缺陷，無需教師或者學(xué)生攜帶任何無線發(fā)射裝置。圖像定位技術(shù)定位拍攝對象是根據(jù)定位攝像機來實現(xiàn)的，以學(xué)生的定位為例：由于學(xué)生坐在座位上和站起來回答問題這兩者的高度不同，所以圖像定位技術(shù)是根據(jù)學(xué)生在畫面中的高度的不同來判定學(xué)生是不是在回答問題。當(dāng)某學(xué)生超過預(yù)先設(shè)定的高度時，定位攝像機就可以判定該學(xué)生要回答問題，這樣就會自動把拍攝攝像機對準(zhǔn)該學(xué)生，進(jìn)行準(zhǔn)確的追蹤拍攝。但對于階梯教室來說，因為其地面不在同一平面，比較難設(shè)定一條固定的觸發(fā)高度線，不適合圖像定位系統(tǒng)的使用。

（二）圖像解析度轉(zhuǎn)換技術(shù)

在錄播系統(tǒng)中，圖像解析度轉(zhuǎn)換技術(shù)是一項關(guān)鍵技術(shù)，自動錄播系統(tǒng)中有教師、學(xué)生的視頻信號，計算機信號等，每種視頻信號的圖像解析度不同，這就需要在編輯合成時進(jìn)行轉(zhuǎn)換。圖像解析度的表示方法是圖像的橫向像素數(shù)X圖像的縱向像素數(shù)，如720x576它表示該圖像的解析度，隨著乘號兩邊數(shù)字的增加，圖像的解析度也會隨之變高，圖像也就越清晰。

圖像解析度轉(zhuǎn)換器可以將具有一定分辨率的視頻或者計算機視頻信號轉(zhuǎn)換成另一種分辨率的信號，它有升頻器、降頻器和計算機圖像頻率轉(zhuǎn)換器這三種，升頻器與降頻器是實現(xiàn)NTSC或者PAL視頻信號與高分辨率的RGB信號之間的轉(zhuǎn)換，計算機圖像頻率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的是不同分辨率的計算機信號之間的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。解析度轉(zhuǎn)換器在某些系統(tǒng)設(shè)計時可以簡化系統(tǒng)。如在音視頻系統(tǒng)中，若視頻信號要被轉(zhuǎn)成與顯示器的固有分辨率相匹配時，僅需要一個RGBHV接口，系統(tǒng)就可以和顯示設(shè)備連接。

（三）數(shù)據(jù)壓縮和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

自動錄播系統(tǒng)原始視音頻數(shù)據(jù)量很大，但它要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步直播，邊拍攝畫面、邊壓縮信號，同時把數(shù)據(jù)信號向網(wǎng)絡(luò)直播的功能，必須保持?jǐn)?shù)據(jù)量小，才能實現(xiàn)直播信號流暢，這顯得數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)尤為關(guān)鍵。只有好的壓縮技術(shù)才能把壓縮比最大，并保持畫面質(zhì)量最佳。以高清視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)為例，當(dāng)今有三種主要的壓縮標(biāo)準(zhǔn)：MPEG -2、WMV-HD、H.264。WMV-HD相對于MPEG-2，WMV-HD 的壓縮比更高，在錄播系統(tǒng)中一般采用微軟的WMV標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮。

（四）網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

教學(xué)自動錄播系統(tǒng)需要在教師機和服務(wù)器、服務(wù)器和學(xué)生機之間都需要網(wǎng)絡(luò)連接來實現(xiàn)課件視頻資源的傳輸，所以傳輸技術(shù)對錄播效果的好壞有著重大的影響。好的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)和通信協(xié)議的選擇對于流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性至關(guān)重要。

如圖2所示，由加利福尼亞大學(xué)Berkeley分校開發(fā)的套接字（Socket）技術(shù)剛開始開發(fā)是專門用于 Unix 系統(tǒng)所需要的網(wǎng)絡(luò)通信接口。目前，Socket已經(jīng)成為最為流行和通用的一種接口，并主要為各種網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用程序服務(wù)。Socket主要是實現(xiàn)了具體的一個通信的端點，各層次的用戶都可以在它基礎(chǔ)之上開發(fā)所需要的 Socket 應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。一般來說，利用TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議進(jìn)行傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸也是可以達(dá)到要求的，但是錄播系統(tǒng)實時性較高，為了實現(xiàn)流媒體數(shù)據(jù)交換的實時性，需要采用RTP實時傳輸協(xié)議來完成。

（五）實時傳輸協(xié)議 RTP/RTCP

RTP（Real-time Transport Protocol）是在因特網(wǎng)上處理多媒體數(shù)據(jù)流的一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供具有實時性、端到端特性的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。其協(xié)議由兩個相關(guān)的協(xié)議 RTP 和 RTCP 組成，且位于應(yīng)用層和傳輸層之間，RTP數(shù)據(jù)采用UDP/IP包的形式來封裝。此外其也可以在 TCP 等其他協(xié)議之上工作。UDP協(xié)議是無序無連接的不可靠的傳輸協(xié)議，通過相互獨立的包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有效率高、延時小的優(yōu)勢。圖3所示的是面向此類無連接的通信過程示意圖。

二、課堂自動錄播系統(tǒng)的應(yīng)用

錄播系統(tǒng)建設(shè)最初是由高校開始興起，近幾年，課程錄播教室的建設(shè)正在不斷深入發(fā)展，國內(nèi)職業(yè)學(xué)習(xí)的實習(xí)教室以及中小學(xué)教育也逐漸使用課程錄播，其應(yīng)用范圍主要有以下方面：

（一）制作網(wǎng)絡(luò)精品課件，構(gòu)建教學(xué)資源庫

自動錄播系統(tǒng)可以實時錄制教師講課的課件、展臺展示的內(nèi)容、講課的整個過程，也可以通過智能場景切換，將教師和學(xué)生的互動過程錄制下來。在后期對錄像文件進(jìn)行刪減、合成、索引等編輯，形成可供學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行點播、下載的課件，構(gòu)建學(xué)校精品教學(xué)資源庫，方便老師與學(xué)生教與學(xué)的綜合應(yīng)用。這樣學(xué)生就可以在課后通過網(wǎng)絡(luò)點播上課時老師講授的內(nèi)容要點，經(jīng)過多遍回顧，進(jìn)而反思自我的學(xué)習(xí)過程。對于老師來說，可以在課后反復(fù)觀看錄制下來的內(nèi)容，找出自己上課的不足之處，并給予及時糾正，提高自己的教學(xué)水平。用錄播系統(tǒng)還可以將一些優(yōu)秀教師的精品課程錄制下來，建設(shè)一個精品教學(xué)資源庫，供同行學(xué)習(xí)和參考。

（二）建設(shè)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺

教學(xué)錄播系統(tǒng)可提供 B/S 和 C/S 兩種結(jié)構(gòu)的資源管理平臺，為上傳課件和教師資源上傳點播網(wǎng)絡(luò)課程提供了開放式的管理平臺。老師上完課后，錄制的教學(xué)視頻會自動生成并上傳到服務(wù)器端，老師有權(quán)限對教學(xué)資源進(jìn)行分類管理。管理平臺全面支持基于各種計算機終端對教學(xué)課件庫資源的訪問、瀏覽器查詢及下載應(yīng)用，不限制學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和遠(yuǎn)程教育。

（三）遠(yuǎn)程教學(xué)應(yīng)用

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，學(xué)校的教學(xué)方式從單純的課堂授課發(fā)展到了與網(wǎng)絡(luò)授課相結(jié)合的多種形式。通過課程錄播系統(tǒng)，學(xué)生的學(xué)習(xí)不再受空間和時間的限制，可以進(jìn)行課件的網(wǎng)絡(luò)直播和隨時進(jìn)行課后的點播學(xué)習(xí)，學(xué)生遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)等，通過網(wǎng)絡(luò)這種快捷方便的方式，享受到優(yōu)秀的教學(xué)資源。

三、 結(jié)語

自動錄播系統(tǒng)可以記錄教師課堂講課的整個過程，通過網(wǎng)絡(luò)共享，展現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源和水平，用于教學(xué)交流和網(wǎng)絡(luò)課程學(xué)習(xí)，可以很好的滿足課程錄制、教師教研、學(xué)生學(xué)習(xí)等方面的需要。

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