全自动智能录播系统跟踪技术比较研究

随着新课改的深入，教师课堂教学越来越追求可视化，学生课堂学习要求探究合作化，然而这些要求的实现，很大程度上要借助于现代化的信息技术设施，特别是课堂教学的可视化。下面结合建设这样的功能教室前实地考察几家录播系统时遇到的问题和建成后在实际应用中所取得的经验，谈几点认识和见解，以供后面的普教用户参考。

对于整体设计思路，首先要搞清楚需要什么样的要求，要达到哪些功能，再来选择设备。

首先，要求功能教室要达到教学过程可视化，教学过程全程录播数字化。

第二，此教室还应适应高中的一切文化科目的教学要求，任何文化科目都用得上。特别是英语语言教学上双向对话要求，因此，有必要安装模拟语音教学设备和数字语音教学系统。

第三，此教室应有适用现代教学要求的多媒体教学系统。

因此，在要求上要实现三大功能：1）录播功能；2）语言教学功能；3）多媒体教学功能。设施包括多镜头分区多画面切换自动跟踪录播系统、语音教学系统和多媒体电化教学系统三大设施功能组合为一体的现代化数字化教学系统。而在这三大系统中，各个系统在应用上又要求有一定的独立性和组合性，分则各为一体，合则为一系统组合，因此对设备有较高的要求。

全自动录播跟踪系统，是这套系统中最关键的一个单项系统，涉及较多设备和模式。目前市场上的录播跟踪系统基本上有3种控制原理：超声波跟踪切换技术、红外跟踪技术和图像识别分析技术。三者各有利弊。

1）超声波技术是通过超声波控制。其中教师跟踪要求教师配戴无线麦克风，通过语音激励，使摄像机跟踪教师来实现。对于讲台区域的跟踪摄像是多机位分区，就是在教室后面安装多个固定摄像机，在黑板下沿安装超声波感应头，实际上是一种超声波收发器，有效作用距离在0.5～1米之间可调。当教师靠近黑板时，相应位置的超声波感应头检测到人体，立即触发相对应的摄像机拍摄画面，未检测到人体的其他板书摄像机则处于封闭状态；当教师进入另一区域时，相对应的摄像机就会拍摄教师（如图1所示）。这种摄像定位精确，画面清晰不抖动。

2）红外跟踪技术是通过红外线控制的，其基本设备是红外发射源和红外接收装置。通过红外信号的变化，指使系统作出判断，然后发出指令，令摄像机跟踪定位，进行跟踪摄像。

3）图像识别分析跟踪技术。图像识别是人工智能的一个重要领域。识别某个图像，必须在过去的经验中有这个图像的记忆模式。识别图像时，这个图像与记忆相似或匹配，则这个图像被识别。依靠计算机的专门软件对摄像机捕获的人像进行分析处理，将其设定为跟踪对象，使其始终处于拍摄范围内，实现人像的自动跟踪。这是当前技术含量较高的跟踪技术，现在国际上的一些大公司都在努力研究图像识别分析技术。图像识别分析技术是解决自动跟踪的终极方案。

针对几种技术流派，各有其应用的场所主导方向。目前图像识别技术在自动录播跟踪的应用上还有很多技术难关未解决好。超声波技术主要应用于大学课堂教学，红外技术近几年应用于中学课堂有所兴起。中学课堂教学模式与大学有明显的不同：大学课堂以教师讲授为主，师生互动较少，在互动这一块不必过于强化；而中小学课堂师生互动量远远大于大学课堂，学段越低，互动越多。所以为适应高中要求，在开始选型上选择了红外跟踪技术。

红外跟踪技术又有两个流派：一种是点对点被动红外跟踪技术（如图2所示）；一种是主动红外空间网格定位跟踪技术。这两种技术中关键的区别就是目标定位上的差距。

点对点被动红外跟踪技术是在教师身上配戴的无线话筒上安装一个红外发生器，发生器不停地发出红外信号；高速球摄像机上有一个红外接收装置，不停地接收教师红外发生器的信号而控制教师摄像机，随时跟踪教师活动情况。在黑板上、下方各安有红外传感装置，教师板书时切断红外信号，系统将信号传给板书摄像机，拍摄教师板书情况。或者是教师通过手动按扭来控制板书摄像机拍摄板书画面。

学生跟踪是通过在学生座位上安装一个光电感应器，当学生坐好时，借用学生身体遮挡住光电感应器的感光孔，光电信号就不会发出；当学生站起来回答问题时，人离开座椅，感光孔就有光线进入而产生光电信号发射出去，光电信号接收装置就收到信号而判定此光电信号发生点有一位学生站起来回答问题，随后指令学生摄像机对此学生进行跟踪摄像；当学生回答完毕坐下时，光电感应孔被遮挡住而没有信号产生，因此，学生摄像机就不再跟踪此学生，而自动切换到教师。通过两种点对点跟踪来完成对教师和学生的跟踪切换。

这种技术的优点是跟踪定位准确，由于教师身上配戴了无线咪，因此后台摄像时录音效果相当好；由于学生每个椅子上都有光电感应器，只要学生站起来回答问题，学生摄像机就会马上跟踪，所以定位精确度很高。

但也有缺点：

其一，教师跟踪后录制下来的画面，整幅画面都在不停地变动。中学教师上课不是静止不动的，他一动，摄像画面也动，因此作为可视化教学资源时，打开视频录相，视频画面在不停地晃动，人眼浏览视频几分钟后就会感到头晕而不想继续观看。如果教师走动稍快或转身，就会出现跟踪丢失。

其二，学生跟踪是通过光电感应而发生的。学生坐在椅子上时，臀部不一定恰好遮住光电感应器，一旦产生漏光现象，光电感应器就会发出信号，指使学生摄像机跟踪此学生，而此学生此时并未回答问题，是不需要跟踪、不需要特写的，因而可能产生较多的垃圾镜头。

主动红外空间网格定位跟踪原理是借助于红外发生器和红外感应带将整个教室建立一个三维空间网格坐标系，来将教室内每个点进行网格坐标定位。不论教师、学生在任何一点站立，都会改变某一区域网格内红外信号，系统就会收到信号令摄像机自动跟踪（如图3所示）。这种空间网格定位最大的优点就是关键的定位设备是安装在教室四周墙壁上和天花板上的，因此，教师和学生都无需配戴任何设备，完全等同于普通教室的常态化教学，教师、学生都很自然。

当教师在讲台区域时，教师通过改变讲台区域的红外网格内的红外信号而获得教师定位信号，教师摄像机就自动跟踪教师的一举一动。当教师走下讲台进入学生区域时，由于教师的进入而改变了学生区域某网格红外信号，因此摄像机就会跟踪教师。当学生站起来回答问题时，学生身体高度的改变触发了学生所在的某一网格红外探测信号，摄像机就会自动跟踪学生；当学生回答完毕坐下时，系统认为此时红外信号恢复原值，就认为没有学生回答问题，自动调整到教师画面。通过这种原理来实现教师与学生的互动教学过程（如图4所示）。

空间网格技术将整个教室空间三维网格化，无论是教师还是学生，系统都可以准确地感知目标的空间位置，实现跟踪“无盲区”。教师不再限制在讲台上，无需配戴任何设备，学生不再需要按话筒开关或按扭，无论教师走到教室的哪个位置，无论学在哪个位置起立回答问题，只要空间网格中某个红外接收信号有所改变，系统都可以准确地感知。配合合理的策略，可以轻松解决师生互动。此设施最大的优点是教学常态化，不因系统录像而做些其他的任何动作要求。最大的缺点是对讲台区域的教师跟踪时同样会产生视频画面的晃动，且板书跟踪解决得不大完美；跟踪时对教室环境要求较高，受光线、衣服材料、温度等干扰。

而超声波技术却有着其自身的优点，将教室讲台通过分区来实现对讲台区域教师的跟踪。就是在教室的后面安有3～4个固定摄像头，将讲台分为几个区，每一个摄像头覆盖一个区域，当教师进入此区域时，此区域对应的一个摄像头就会摄像，而在此区域内教师的动作幅度无论多大，录制视频的画面都不会晃动，视觉效果很好。当教师由某一区域进入另一区域时，另一区域的摄像头就跟踪教师在此区域的一切动作，而且区域之间的切换很自然，虽有一定的跳跃性，但镜头不晃动。当教师板书时，可对板书内容进行特写放大，符合视频教学要求。

学生定位是通过按扭操作来完成，每两个学生共同使用一个遥控设备或话筒。当学生发言时，学生按一下“开始发言”按键，镜头会自动切换给学生；结束发言时，按“结束发言”，图像会切回到教师。整个系统由于学生区域有很多话筒，声音效果很好。

由于讲台区域分区位跟踪，跟踪时画面不会晃动，因此，超声波技术有红外技术难以企及的优点。

当然，也有其缺点。

一是学生区域话筒过多。如果学生因好奇乱按话筒，或学生打开话筒而忘记关闭话筒，可能会将杂音放大或产生垃圾镜头。学生回答问题时，必须按一下课桌上的话筒按扭，将信号发给系统，此时摄像机才会对回答问题的学生进行特写摄像跟踪，否则可能只有学生的声音而没有学生的图像。这不是常态教学。因此，应用前提是教师很熟练，学生很自觉，习惯很好。正是由于这种原因，更多地适用于大学的课堂教学，特别是讲座型的教学模式。

二是超声波产品长时间使用，对人体健康是否有害，学术界对此也一直争论不休。

综合超声波技术、点对点被动红外技术、主动红外空间网格定位技术和图像识别分析技术的优缺点，根据高中教学的针对性和适用性，提出了自己的目标方案，就是将超声波技术讲台分区的优点应用于红外技术中，提出多机位分区多画面切换全自动红外跟踪录播系统方案。基于这种技术要求，要求讲台区域分为3个区域（分区越多，视频画面越晃；分区越少，镜头覆盖面越大，人像越小）。教师、学生要求教学常态化，不需要配戴或在坐椅上安装任何设备。实现这种方案的技术原理是主动红外+空间网格定位跟踪，目前能较好地解决中学课堂教学中教师、学生图像跟踪问题。当然这种技术也存在设备成本较高，室内装修要求较高，教师板书特写跟踪不大理想等不足，录播跟踪技术还有待进一步完善。

在应用中发现空间网格对教师板书画面的拍摄不大满意。为此，针对高中教学要求，提出一种新的技术解决方案，有待专家研究，有待厂家研发。这就是在主动红外+空间网格基础上，在黑板的上沿、下沿安装红外装置，在黑板区域建立一个红外平面场，当教师板书时触发红外场，使板书摄像机进行板书特写，这样就可实现教师分区跟踪、学生跟踪、板书特写，再加上电脑课件几种信号整合的优良效果。因此，笔者期待的解决方案是主动红外+空间网格+板书红外三合一的红外录播跟踪系统，如图5所示。

参考文献

[1]图像识别原理及技巧[EB/OL].http：///.

[2]张飞碧.全自动智能录播和远程教育系统：2[J].音响技术，2008（4）.

[3]陈宗让，李晓铭.课堂教学自动录播系统图像跟踪技术研究[J].现代教育技术，2009（7）.