浅谈自动录播系统图像跟踪技术

赵玉山 赵嘉林

1 吉林大学教育技术中心 长春 130023 2 吉林大学珠海学院 广东 珠海 519041

1 单机位教师摄像机自动跟踪拍摄系统

教师摄像机一般采用一台具有旋转云台的高性能球形摄像机，吊挂在教室后面中部位置的天花板下面，拍摄教师讲课的全部场景。通过摄像机的自动变焦功能，可拍摄教师讲课的特写镜头和黑板全屏画面。教师摄像机的自动跟踪系统应能确保教师始终处于画面的中心位置，并能在教师摄像画面、板书画面和电子课件画面之间进行智能自动切换时，不产生模糊画面。单机位教师摄像机自动跟踪使用的红外线的波长为850～900 nm，比可见波长更长些。它对物体表面的反射特征和透光特性与可见光相同。由于红外线的波长很短（纳米级），故它的波束很窄，定位精度较高，辐射源可直接佩带在人体上。图1是红外自动跟踪系统原理图。

红外接收天线的波束为圆截面的圆锥体，天线波束的轴线与摄像机镜头的光轴重合。当摄像机镜头光轴对准目标A时，接收到的红外信号最大，误差检测输出的误差信号为0。当目标移动到位置B时，接收到的信号减弱，误差检测器检出X轴和Y轴方向的误差信号，经放大后驱动摄像机云台向减小误差方向旋转，直至摄像机光轴重新对准目标B，误差检测器输出的误差信号又回到0，云台停止转动。这是一种闭环式的自动跟踪系统。

图1 红外自动跟踪系统原理

图2 单机位摄像机自动跟踪系统

红外发射源和接收器均由红外LED组成，结构简单，造价便宜。它的最大缺点是易受可见光干扰和周围环境颜色影响，佩带在教师胸前的红外辐射源只能单方向辐射。当教师面向黑板时，教师摄像机的红外自动跟踪接收机中断接收信号，摄像机云台由于没有控制信号而处于失控状态，教师摄像机停留在失控前的位置继续拍摄不需要的画面。此时黑板下沿的红外感应头接收到教师胸前的红外信号，开始驱动板书摄像机跟踪拍摄教师板书画面。当教师板书结束，回到面向学生时，教师摄像机又接收到红外信号，恢复教师摄像机自动跟踪。

2 单机位板书自动跟踪

板书摄像机由旋转云台与摄像机组成。教师胸前佩戴一个红外线发射器或无线电射频发射器。黑板下沿设有若干个红外接收器或黑板后面有若干个无线电射频接收器。教师面向黑板时，板书传感器捕获到红外信号，并根据摄像机镜头轴线对准教师的误差角度启动旋转云台进行自动跟踪拍摄。摄像机是连续拍摄的，拍摄的画面通过视频线缆送到自动编辑机进行处理。该系统如图2所示。

单机位自动跟踪拍摄板书摄像机的系统结构简单，造价较低，缺点是云台旋转会引起画面产生微量抖晃。

3 多机位板书跟踪

多机位板书跟踪是固定安装2台以上板书摄像机系统，每台摄像机镜头的覆盖区为2～3平方米，即板书摄像机之间的距离为2～3米。触发摄像机的定点拍摄和板书画面的切换由设置在黑板下沿的超声波感应头（每台摄像机对应有2个感应头）控制切换，如图3所示。

图3 多机位固定安装板书摄像的定位系统

超声波感应头实际上是一个超声波收发器，它的有效作用距离为0.5～1 m之间可调。当教师靠近黑板书写时，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板书画面，并把该画面切入到自动编辑机中进行编辑处理。未检测到人体的其他板书摄像机则处于封闭状态。这是一种无缝连接板书画面的摄像定位系统，摄像定位精确，画面清晰无抖动。

4 结束语

以上提到的图像跟踪技术或多或少都存在一定的缺陷。红外技术的缺点是抗干扰能力较差；教师侧身或转背时红外信号丢失，无法判断拍摄方向；拍摄高度无法自动调整；无法判断被拍摄对象的距离，以致无法设置中景、远景、近景等效果。超声波技术的缺点是由于超声波发射角度偏大，所以拍摄方位的精度不太高，易出现视频信号来回切或摄像机不断左右摆的误操作。同时由于无法判断被拍摄对象的高度，以致不能自动调整摄像机的拍摄高度。目前有些设备采用智能图像识别技术，用特定的图像识别程序进行特定识别，标记出相关信息，并根据视频画面图像的变化，智能识别教师的位置，使摄像头对教师进行跟踪拍摄。这是一项很值得研究的技术。

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