自动跟踪摄像系统

目录项目设计概述项目概况北京鼎华公司就学校精品课录播系统的建设需求进行了充分分析,并详细阅读招标技术文件.经过仔细研究后,我公司组织从事教学环境研究,设计开发人员及系统架构师,方案工程师,项目经理,数据库管理员等工程技术人员就该项目的方案设计与规划进行了深入的交流和讨论.我们将按照校方提出的总体需求,在总体实现功能齐全的前提下,提出针对该项目的解决方案.学校精品课录播系统项目整体设计规划如下:工程建设目标是利用计算机技术,网络技术,音视频采集压缩技术,自动跟踪技术,多媒体技术,基于学校的校园网网络环境,遵循TCP/IP标准,构成具有课堂教学应用,支持网络的点播,广播,直播,存贮,后期编辑等多种应用,真正实现在网络环境下对优秀课堂的真实,全面,立体化的再现的精品课堂录播系统.设计描述设计原则学校精品课录播系统项目的整体方案设计将遵循以下基本原则:先进性:先进的设计思想,网络结构,开发工具,市场覆盖率高,标准化和技术成熟的软硬件产品.灵活性:采用积木式模块组合和结构化设计,系统配置灵活,满足学校逐步到位的建网原则,使网络具有强大的可增长性和强壮性.发展性:网络规划设计满足用户发展在配置上的预留,满足因技术发展需要而实现低成本扩展和升级的需求.可靠性:整体系统软,硬件设备具有高可靠性,具备长期稳定工作的能力,可实现系统冗余功能,并具有防止误操作等行为对系统造成的破坏.实用性:方案设计符合国际相关标准和技术规范,并且容易使用,操作简便.充分考虑利用各种资源,人机界面友好,能使用户最方便地实现各种功能.开放性:在满足安全可靠和实用的前提下,系统设计采用开放技术,开放结构,开放系统组件和开放用户接口,以利于网络的维护,扩展升级及良好的灵活性,兼容性和可移植性.兼容性:系统建设具有良好的兼容性,充分考虑系统向下,向上的兼容,将系统建设和现有的系统资源以及未来的系统规划充分结合.设计标准网络设计和网络设备符合以下标准:IEEE802.3 10Base-T网络标准;IEEE802.3 100Base-TX快速以太网标准通讯协议标准网络层和传输层TCP/IP协议并兼容IPX协议,支持PPP和SLIP协议.布线和电气安装标准GB/T50311-2000建筑与建筑群综合布线工程设计规范ANSI EIA/TIA607民用建筑通讯接地标准ANSI EIA/TIA-568A商务建筑布线标准ANSI EIA/TIA-569A商务建筑通道标准ANSI EIA/TIA-606商务建筑布线系统文档建立标准EIA/TIA TSB-67商务建筑布线系统测试标准GB50254-50259-96《电气装置安装工程施工及验收设计规范》GA/T75-94《中华人民共和国公共安全行业标准》GYJ125-86《厅堂扩声系统声学特性指标标准》GB6510-86《30MHz-1GHz音频和视频信号电缆分配系统》GBJ《有线电视广播系统技术规范》GY106-92《民用建筑电缆电视系统工程技术规范》《民用建筑电气设计标准》需求分析精品课程录播系统建设近几年都是以校园信息数字化建设为重点,如何实现教学现场和教学课件全方位,立体化的直播,录制,编辑和点播,是诸多应用考虑的主要问题.鼎华公司研发出精品课程录播系统将教学计算机的VGA信号,教师授课和师生互动场景以及教师板书等进行多种模式的整合录制,生成多媒体教学课件,建设校本资源库,供网上学生自主学习.同时,系统实现基于网络环境的多画面直播,保证高清晰的课堂画面和音,视频精确同步的实况效果,可对资源文件进行后期编辑,提高精品课程资源使用的灵活性.物理建设需求分析根据学校精品课录播系统项目的功能要求,精品课程录播系统建设以授课电脑VGA信号,教师授课和师生互动场景以及教师板书等为对象进行多种模式的整合录制.从物理角度可以分为以下几项:1)一个完整的直播教室首先是一个多媒体教室,以中控为核心,将投影机,幕布,DVD,PC机,笔记本,数字展台,音频扩声等系统集成在一起,实现一个网络化的多媒体教室.2)通过在多媒体教室配置精品课堂录播工作站,VGA采编系统,摄像系统,现场采音系统实现对教学现场以及笔记本,数码展台的信号采集录制.VGA采集:录播系统采用自主研发的高速DSP硬件VGA采编卡,分辨率(640*480～1280*1024)自适应,刷新率(60~85Hz)自适应;视频采集:视频采集采用高清晰彩色摄像机,配置防护罩,安装支架或吊架.教师摄像机一组或一台,用于拍摄老师授课场景;学生摄像机一台,用于拍摄学生听课和回答问题的场景或教室全景.(可加板书摄像机一组)采音系统:采用远距离采音技术的采音系统(教室自动采音主机),强指向性话筒吊装,能保证声音大小一致,并能智能将教师音源设定为优先音源,其它音源具有自动开启关闭功能,增益降噪.教师及学生无需佩戴任何设备,即可完成现场完美采音.3)应用先进的主动红外探测,无线应答,I/O信号反馈等智能控制技术,实现探测,跟踪,定位,智能策略等模块,实现多个摄像机对场景的自动跟踪及自动切换.(如果是便携式或固定录播去掉此部分)功能建设需求分析实现教学现场和教学课件全方位,立体化的直播,录制,编辑和点播.1) 信号采集支持三路视频信号和一路VGA信号的实时采集,通过系统软件中专业的录制平台可以对数字视频流(摄像机,笔记本,展台等)进行实时录制,便于开展网上视频教学和制作视频课件.2) 课堂直播录制的课件能够实时数字化合成,通过局域网以自动直播,广播,多播的模式传输到其它的教室,完成重要课堂的实况播放.联网上流传的.这样,理论上讲只要有精品课程录播教室的学校,都可制作本校优秀教师的优质课程,结合网络资源点播系统,就可以将课程发布到网络上,从而有更多的学生,教师,教研人员,从中受益,提高教学水平,实现资源共享.正是由于这种现实需求,在2004年,教育部启动了高校精品课程资源建设.在全国高校中进行精品课资源建设申请,并按学科及专业进行分小项建设.各高校的申请被认定后,将得到相应的国家专项资金支持的配套资金.但对申请也设有一定的条件:即申请的学校应该是国家的重点学校,所申报的专业应该是在国内有名气的著名专业,授课教师应是学界较有名气的专家学者,甚至是权威.对于精品课的标准,则在形成视频格式及教师课件上有一点的要求:一定要是教师讲课视频与教师课件图形相结合的方式所形成一个文件或相应的文件组,受众可通过专用软件或播放器进行观看,并能在观看过程中自主调整视频窗口的大小,以享用最大的信息.这样建设目标,既能保留下优质的精品课程,也能将累积下的资源库,通过网络在全国高校中进行最大限度的资源共享,实现适龄学生都有机会接触本专业内最权威的课程,对实现公平教育,优秀师资全国共享有着非常重要的意义.目前该工程已基本完成,取得了较好示范效果,社会反响良好.很多学子的梦想都是想进入清华北大,但能进入这两所著名学府的人是万里挑一.但如果进不了清华北大,也能通过精品课资源库,以一种接近原始场景的方式观看该校的课堂实景,本身就有着重要意义.精品课程从高校向普校的推广众所周知,我国普教的师资分布并均衡,有着所谓普通校及重点校之分.就是在同一所学校,也有着最早的快慢班及实验班的出现.社会对公平教育的呼吁也很多.但受高考升学压力及应试教育的影响,目前还不能实现完全意义上的公平教育.但国家也想了很多办法,也采取了很多措施.前几年教育部与各地政府投入十几亿巨资,推行的"农远"工程,就是一种在资源上对农村薄弱学校进行大额投资的一次重大举措.而在普教中进行精品课程建设,相比高校,有着另一层重要意义.高校之间硬件相差不大,主要是师资差距,而在普教中学校则存在着一定程度的两极分化现象.故而精品课程从高校推广到普教中就有着更为现实的意义:薄弱校的硬件建设国家可以加大投入来弥补,而师资则没办法在短期内进行平衡.但精品课程录播系统的建设正好能在一定时期内弥补这一问题.通过这一系统,可以实现重点校与薄弱校之间在教学上的充分交流,便得所有学校的学生,大体上可以接受高水平的教育.从2006年下半年,精品课录播建设从高校中向普教,职教中大力推广.在20007年,全国各地都有学校进行类似教室建设,甚至在城域网环境较好的地区,已经进行区域内的学校大面积建设,实现城域网范围内的精品课互动及资源共享,开始了有益的探索.最终的目的就是实现区域内师资共享及精品课资源共享,为广大师生提供一种真正公平教学的环境与氛围.从目前精品课录播系统的建设的区域分布一看,既有沿海发达地区,也有内陆经济发展相对落后的地区,可以说从中心城市到边远地区,都对这一系统有着较为迫切的需求与应用诉求.从目前的形势来看,覆盖高校,普教,职教的精品课录播系统建设已经迎来建设高潮.精品课程录播系统的技术发展进程精品课程录播系统最早面对的关键技术集中在VGA采集技术上,后期应用则随着所谓"电影模式"录播方式的推出,集中在教师,学生跟踪技术上.VGA采集技术在2004年以前,因为技术的限制,基本上采用的都是软件抓屏技术或VGA转视频技术.实现方式就是通过网络将教师教学计算机与录播主机相连,以软件抓屏的方式都教师课个采集下来,再通过网络传到录播主机,录播主机处理后转换成相应的资源文件.这种技术实现起来较为简单,优点是形成的视频文件占用空间较小,但缺点是如果教师课件中有视频文件,则采集下来的文件是黑框.此外,也存在着精品课后期编辑无法解决等缺陷.VGA转TV是利用专用的VGA转TV设备,将VGA源转成视频流,再用视频采集卡进行处理.这种方法最大的问题是VGA信号经过转换后质量较差,是一种较为落后的技术.但对中小学录课时,由于主要关注点是师生互动,不是特点关注VGA,此外价格便宜,所有也有部分学校采用.正是存在上述缺点,在2005年出现硬件VGA信号采集技术.它的实现技术就是在录播主机上加装专用的硬件VGA采编卡,通过VGA连线直接与教师计算机的VGA输出相连,信号通过VGA采编卡处理完成后,直接以视频文件的方式保存在录播主机或网络用户上.这样,VGA信号的采集就相应较为完整,获得的VGA信号为视频文件,方便后期进行非线编处理.VGA信号采集卡的核心指标是采集信号的分辨率与帧率,以及非常重要的稳定性.目前市场上有国产VGA采集卡与进口采集卡,可选的种类不多,主要是应用范围较小,使用量较小的原因."电影模式"与自动跟跟踪技术.所谓的"电影模式",就是在教师视频,学生视频,教师场景,教师板书视频,教师课件之间,按教师讲述进程进行多个视频选取一个视频观看的录像方式.这样的好处就是受众始终观看同一个画面,关注画面的聚集度高,比较符合受众的一般习惯,也就是像看电影一样,观看一个一个拼起来的场景.采用这种录播方式,就必须要求随着教师的活动范围,摄像机与探测器相结合,能对教师自动进行跟踪,既教师无论走到哪个位置,摄像机都应跟到哪个位置,始终处在画面的中心.如果学生问题,触发探测器,摄像机也能自动将学生画面放大,就像有人在操作摄像机一样.这样,根据授课过程,各个画面能自动切换.跟踪技术发展经过几个阶段,主要探测方式有被动红外方式,无线应答方式,音频激发方式,主动红外探测方式,微波定位探测方式,主动红外调制方式.从使用要求来讲,从教师佩带发射器,学生回答问题前抢答或打开麦克风,发展到教师不佩带任何物品,学生起立即可触发等多种方式.总体来讲,这些跟踪技术基本上都能满足跟踪的要求,只是在实现方式及结果有些微差别.录制或直播过程的全自动化.随着技术的发展,摄像机自动跟踪技术,传感器与连动技术不断完善,已经有可能实现精品课录制的全自动化.摄像机预置位技术,红外感应,无线呼叫应答等新技术有可能应用到录课过程中,实现全程无干扰自动录课,极大地提高了录播教室的易用性.上课后,教师只需按下多媒体讲台上"录课开始"键,系统无需任何人的帮助和干预,可自动完成授课全过程现场录制或直播(授课过程包括:教师的声音,肢体动作,板书,课件,学生听课的场景,学生回答的场景),授课教师可以只关注自己的授课质量,更无需更复杂,昂贵的录播设备,也无需专业人员进行后台操作.全自动录播系统的设计成功,极大方便了课程录制与直播,缩短了课程录制和编辑的时间,节约了学校大量的人力,物力,财力,极大促进了学校的精品课程的建设和推广.电影模式录播与多画面录播由于教室安装了多个场景摄像机,既有老师上课的画面,也有学生画面,教师板书,投影机VGA信号源等.多个画面意味着录制时面临着选择:要么多画面,要么在多个画面之间切换.单画面输出比较符合受众的观看习惯,既所谓的"电影模式",但多个画面也有其特点:比如一个显示PPT,一个显示教师特写,这样受众能有较大的录活度.多画面录播或直播从技术上来讲较为简单,受众在观看时自主性强,能自动控制画面的缩放与显示方式.但多流也面临后期编辑处理较为复杂,专用播放器等不利于网络传播的待性.单画面录播,实现技术上有一定的难度.关键是多个视频流间切换逻辑.在合适的时间切出合适的图像,就成为所有人的最高追求.按教师讲课习惯,可分为讲座模式与互动模式.前者教师基本活动范围小,比如大学里文科授课很多就是如此.互动模式一般多见于中小学,教师需要走到学生中去,与学生互动,此时教师活动范围较大.这两种授课模式的视频切换逻辑是完全不同的.两种不同精品课程录播系统的特点精品课建设应用流程应该是录播(直播),资源上传,用户点播三个过程.其中后两个过程从目前的应用来讲,基本一致,而在第一个过程中,则由于不同用户的关注点不同,呈现出不现的特点:便携式录播:由专人携带录播设备,到各个教室去进行精品课录制.人工操作摄像机,对一节课进行专门录制.录完课后,经过后期处理后,形成精品课程,并上传到资源库或刻成光盘以利于传播.此种方式的优点是投资小,见效快,学生不用到专用教室上课,本地录播安全性高(不会因网络原因导致录制失败)等优点.适用于职校实训教室建设及多校区的学校采用.缺点是设备连接,携带较复杂,需要专人操作.由于不是专用演播教室,存在着音频质量与画面光线不匀的问题.专用录播教室录播:投入较多的资金,建设专用的精品课录播教室.将多媒体教室,精品课录播设备等专用设备组建成专用的自动录播系统.同时完成演播室建设,如自动跟踪系统,声音处理,专用灯光设备等.这种教室可以完成录播,网上直播等功能.它的优点是录制的精品课音视频效果较好,可以做较为清晰的网上直播,实现直播输出.缺点是投资大,学生必须到专用教室上课,影响学校教学安排.精品课程的资源管理录制好的课程能不能发挥作用,关键就在于生成的课件,能否方便快捷地上传到校本资源库.这时,为精品课制作片头片尾,添加字幕等就成为一种必须的技术手段.通过B/S架构直接将资源上传,并生成目录,供学生自主点播,就是精品课资源管理的全部内涵.精品课程录播系统的建设意义A:加强名师精品课建设,形成本校精品课程的校本资源库.从1999年起,校园信息化建设开始兴起,局域网,城域网,计算机教室等热潮不断兴起.技术上的创新与进步,客观上能推动教学辅助手段的进步.进入21世纪,随着PC记,笔记本类设备不断普及,师生对计算机类设备的操作应用水平不断提高.同时,网络技术的发展对教育最大的影响就是网络教育的兴起,网络技术使用得物理,空间上的距离不断缩小,使得优质教学资源能让更多的师生共享.通过精品课录播系统的广泛应用,就可实现共享优质教学资源,实现公平教育,能让更多的孩子在网上自主学习,最大程度发挥名师名教的推广.而随着各学校精品课的不断累积,最终能形成最符合本地特色,最符合校情的精品课资源库,累积一笔巨大的教育财富与资源.B:加强区域内的精品课程的交流,形成精品课程的教学意识.区域内教学资源分布的不均是当前教育的一种现实,如果区域内的多所学校完成精品课程录播系统建设,就能随时随地进行精品课资源的累积与建设,同时,由于每个学校都有这种暂新的课程累积手段,也能培养教师上精品课的意识,通过这种手段来提高参与教师的教学水平.C:实现校内或区域内的远程精品课观摩,进一步推动互动教学的开展.目前主流的精品课程录播系统,均可方便通过校内局域网,教育城域网在网络上发布,用户均可在IE直接点播观看,这样用户就可以在网络上尽情享受各种不同风格,不同教法的精品课,甚至是两校间可以同上一节公开课,互动教学,最大发挥网络带来的好处.D:推动学校或区域内的精品课程资源库建设,让更多的学子享受名师名教的无穷魅力.不断累积精品课程资源,可以上传到学校或教委信息中心的资源库,用户可以通过IE直接点播.这样,学生可以课后自主学习或选择外校同一课程同步学习,享受不同教学方法对同一知识点的讲解,开拓视野,提高采用不同手段解决同一问题的能力.E:开展精品课程形式的微格教学,促进校内或区域内教改或教研活动的展开.微格教学是对师范生,新教师或非师范专业教师进行培训,不断提高教学水平的一种有效方法.而精品课程录播系统很容易就能扩展到微格教学应用.对教师,学生,课件的全程录像,更是给评课人以丰富的资源和全方位了解教学过程的有益手段.精品课程录播系统综述系统描述精品课程录播系统解决的问题就是把一些非常优质教学实况视为精品课程资源,通过现代化的教学手段,保存或在一定的区域内发布出现,实现最有利于受众及最广泛,最快捷的传传播与共享.而传统的教学以教育者为中心,以传授知识为主.老师与老师之间,老师与学生之间互动不够,资源孤立,教师资源,校本资源浪费严重.而以信息技术为代表的现代化教育技术的应用则表现出明显的先进性,灵活性,可靠性,开放性.将校园网从普通计算机局域网建设成为面向教学,科研,管理等应用的网络,能够传输和处理多媒体信息,使各种类型的多媒体资源能在校园网上灵活应用,并且能一网多用,多网合一,将众多校园独立的应用系统整合起来,是校园网解决方案的发展方向.精品课程录播系统:针对现今高校,普教,职教全景式记录课堂实况的重点需求,利用VGA采集编卡,视频采集卡等技术,实现老师的讲稿,多媒体课件,现场多路的音视频信号实时采集压缩,以标准的流媒体方式实现在网络中的传输,管理,控制,支持网络的点播,广播,直播,存贮,后期编辑等多种利用.系统应用范围精品课程录制系统能自动生成精品课程课件,并可生成可供网络点播的网络课件,后期可对录像文件进行删减,合成,索引等编辑,也可导入非线编平台进行专业编辑.方便用户教与学的综合应用,优质精品课件的评比等等.精品课资源库建设可以为学校进行精品课程资源库建设,同时也可为课件上传提供开放式管理平台.教师上课完,录制的课件自动生成后,上传到服务器;配合个人资源库管理权限,进行资源分类/多级目录创建/课件预览/课件删除等操作.系统还提供B/S结构的资源管理平台,为教师资源上传点播提供开放式管理平台.精品课程教学直播随着网络技术的运用普及,学校也从单纯的教室课堂发展到了与网络课堂相结合的多模式教学活动.通过精品课程录播系统,用户可以进行课件的网络直播和课后点播,示范性教学,学生远程学习,远程互动教学等等.用户可以随时随地进行观摩,学习,不再受空间和时间的限制.微格教研与教学评估教师的教学技能训练一直是学校关注的重点,以往通过上教室现场听课的方式无法正确客观地对教师进行评估,已经无法满足学校的需求.本系统根据微格教学的特点,在录播系统中嵌入微格教学评估系统,学校通过系统内的各项技术指标进行评测评估,通过远程对教师的教学技能进行客观的综合评估,以训练教师的各项教学技能,从而使教学水平得以提高.关键技术介绍VGA采编卡随着数字信息的不断发展,很多行业对VGA信号的采集需求不断提升,面对市场的迫切需求,VGA信号实时采集压缩卡它可以把输入的VGA模拟信号实时采集压缩,不用再增加额外的设备,既能保证信号的连续实时,又能保证清晰不失真,从而完美解决了VGA 信号的实时采集压缩这一难题.主要特点如下:产品特性◆半长PCI适配器◆实时捕捉两路RGB信号◆每路支持至1600*1200 16bit分辨率◆最大捕捉采样速率是实时140MHz或280MHz(用2帧次捕捉)◆PCI总线控制器允许捕捉信号发送至系统内存或图形显示内存◆数据以PCI总线,134MB/s带宽传输◆分散集中工作表支持虚拟内存操作◆每通道捕捉图像可按比例放大缩小◆自动同步和视频检测,提供多同步操作◆支持H和V分别同步,复合同步和绿同步◆单台PC机可插多片卡允许多通图像捕捉和同步显示◆最大捕捉采样速率是实时140MHz或280MHz(用2帧次捕捉)◆PCI总线控制器允许捕捉信号发送至系统内存或图形显示内存视频采集卡目前市面上的视频采集卡种类较多,但大多是从视频监控系统移植而来.而专业的非线编视频采集卡由于关注于高端应用,不能支持适时采编.本系统采用的卡支持直接编成*.asf,*.wmw格式,视频分辨率支持到D1组别,码率可调,具体特性如下:◆硬件可升级◆两路视/音频采集卡◆性能和质量本采集卡的弹性缓冲(Elastic Buffer)架构以及其具有的多DMA引擎,优化了系统PCI总线的使用,以非常低的CPU占有率和耗电率,传送清晰的高帧幅率的高品质画面.在系统中,每张板卡具有高达120fps (Fields Per Second) 的总体带宽.◆扩展性和灵活性本卡支持多处理器系统(有SMP能力),容易扩展成多板卡系统而不会产生在那些没有板上帧缓冲架构的采集卡上经常出现的总线冲突.而且,可选择的视频信号设定简化了那些需要菊式连接的视频信号设备的安装.◆与Microsoft Windows 完全兼容◆多通道采集架构在一个PCI插槽采集两路 720x576(PAL)视频输入信号同时从2个独立的视频源采集总数高至120场/秒 (Fields教室采音技术。