淺談自動錄播系統圖像跟蹤技術

趙玉山 趙嘉林

1 吉林大學教育技術中心 長春 130023 2 吉林大學珠海學院 廣東 珠海 519041

1 單機位教師攝像機自動跟蹤拍攝系統

教師攝像機一般采用一臺具有旋轉云臺的高性能球形攝像機，吊掛在教室后面中部位置的天花板下面，拍攝教師講課的全部場景。通過攝像機的自動變焦功能，可拍攝教師講課的特寫鏡頭和黑板全屏畫面。教師攝像機的自動跟蹤系統應能確保教師始終處于畫面的中心位置，并能在教師攝像畫面、板書畫面和電子課件畫面之間進行智能自動切換時，不產生模糊畫面。單機位教師攝像機自動跟蹤使用的紅外線的波長為850～900 nm，比可見波長更長些。它對物體表面的反射特征和透光特性與可見光相同。由于紅外線的波長很短（納米級），故它的波束很窄，定位精度較高，輻射源可直接佩帶在人體上。圖1是紅外自動跟蹤系統原理圖。

紅外接收天線的波束為圓截面的圓錐體，天線波束的軸線與攝像機鏡頭的光軸重合。當攝像機鏡頭光軸對準目標A時，接收到的紅外信號最大，誤差檢測輸出的誤差信號為0。當目標移動到位置B時，接收到的信號減弱，誤差檢測器檢出X軸和Y軸方向的誤差信號，經放大后驅動攝像機云臺向減小誤差方向旋轉，直至攝像機光軸重新對準目標B，誤差檢測器輸出的誤差信號又回到0，云臺停止轉動。這是一種閉環式的自動跟蹤系統。

圖1 紅外自動跟蹤系統原理

圖2 單機位攝像機自動跟蹤系統

紅外發射源和接收器均由紅外LED組成，結構簡單，造價便宜。它的最大缺點是易受可見光干擾和周圍環境顏色影響，佩帶在教師胸前的紅外輻射源只能單方向輻射。當教師面向黑板時，教師攝像機的紅外自動跟蹤接收機中斷接收信號，攝像機云臺由于沒有控制信號而處于失控狀態，教師攝像機停留在失控前的位置繼續拍攝不需要的畫面。此時黑板下沿的紅外感應頭接收到教師胸前的紅外信號，開始驅動板書攝像機跟蹤拍攝教師板書畫面。當教師板書結束，回到面向學生時，教師攝像機又接收到紅外信號，恢復教師攝像機自動跟蹤。

2 單機位板書自動跟蹤

板書攝像機由旋轉云臺與攝像機組成。教師胸前佩戴一個紅外線發射器或無線電射頻發射器。黑板下沿設有若干個紅外接收器或黑板后面有若干個無線電射頻接收器。教師面向黑板時，板書傳感器捕獲到紅外信號，并根據攝像機鏡頭軸線對準教師的誤差角度啟動旋轉云臺進行自動跟蹤拍攝。攝像機是連續拍攝的，拍攝的畫面通過視頻線纜送到自動編輯機進行處理。該系統如圖2所示。

單機位自動跟蹤拍攝板書攝像機的系統結構簡單，造價較低，缺點是云臺旋轉會引起畫面產生微量抖晃。

3 多機位板書跟蹤

多機位板書跟蹤是固定安裝2臺以上板書攝像機系統，每臺攝像機鏡頭的覆蓋區為2～3平方米，即板書攝像機之間的距離為2～3米。觸發攝像機的定點拍攝和板書畫面的切換由設置在黑板下沿的超聲波感應頭（每臺攝像機對應有2個感應頭）控制切換，如圖3所示。

圖3 多機位固定安裝板書攝像的定位系統

超聲波感應頭實際上是一個超聲波收發器，它的有效作用距離為0.5～1 m之間可調。當教師靠近黑板書寫時，相應位置的超聲波感應頭檢測到人體，立即觸發相對應的攝像機拍攝板書畫面，并把該畫面切入到自動編輯機中進行編輯處理。未檢測到人體的其他板書攝像機則處于封閉狀態。這是一種無縫連接板書畫面的攝像定位系統，攝像定位精確，畫面清晰無抖動。

4 結束語

以上提到的圖像跟蹤技術或多或少都存在一定的缺陷。紅外技術的缺點是抗干擾能力較差；教師側身或轉背時紅外信號丟失，無法判斷拍攝方向；拍攝高度無法自動調整；無法判斷被拍攝對象的距離，以致無法設置中景、遠景、近景等效果。超聲波技術的缺點是由于超聲波發射角度偏大，所以拍攝方位的精度不太高，易出現視頻信號來回切或攝像機不斷左右擺的誤操作。同時由于無法判斷被拍攝對象的高度，以致不能自動調整攝像機的拍攝高度。目前有些設備采用智能圖像識別技術，用特定的圖像識別程序進行特定識別，標記出相關信息，并根據視頻畫面圖像的變化，智能識別教師的位置，使攝像頭對教師進行跟蹤拍攝。這是一項很值得研究的技術。

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