專利名稱：面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，尤其涉及 一種將板書動態(tài)圖像與靜態(tài)圖像分開進行處理，從而有效壓縮遠程教育 活動中視頻數(shù)據(jù)傳輸量的方法，屬于數(shù)字圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將計算機技術(shù)引入視頻采集、制作領(lǐng) 域，傳統(tǒng)的視頻圖像處理領(lǐng)域正面臨著模擬向數(shù)字化的變革。數(shù)字化視 頻的過程，通常被叫做數(shù)字化視頻采集。數(shù)字化視頻采集需要大量的磁盤空間，例如一幅640X480中分辨率的彩色圖像(24b / pixel),其數(shù)據(jù) 量約為O. 92MB/幀，如果存放在650MB的光盤中，在不考慮音頻信號的 情況下，每張光盤也只能播放24秒。使用如此巨大的磁盤空間存儲數(shù)字 視頻文件，是大多數(shù)計算機用戶所無法接受的。鑒于此種情況，人們往 往采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，通過對圖像的幀尺寸、色彩深度和圖像精度進行 折衷以實現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的壓縮。目前，遠程教育正在蓬勃發(fā)展之中，它是解決教育資源、教育機會 不均衡等問題的重要手段。在教學活動中，板書是老師引導學生逐步掌 握知識點的基本手段。教師通過書寫黑板板書，可以引導學生循序漸進 地掌握知識。但是在遠程教育活動中，學生與教師往往處在相距遙遠的 位置。教師板書的過程與內(nèi)容，需要拍攝成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)遠 程傳輸?shù)浇邮战K端上，學生在終端上收看。通常，黑板面積比較大，教 師在黑板上書寫的內(nèi)容也比較多，要保證學生在終端屏幕上看清板書的 內(nèi)容，需要保證較高的拍攝精度，若采用傳統(tǒng)的拍攝方式，會形成海量 視頻數(shù)據(jù)，這對硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)傳輸條件要求較高，不利于遠程教育的 推廣使用。也有人嘗試采用Flash等技術(shù)模擬板書演示。但是，制作Flash 文件本身需要較多的人力物力投入，加之它也很難完全擬合教師的書寫 效果，因此推廣的空間不大。在現(xiàn)有技術(shù)中，流媒體數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸通常采用兩種方式。 一種是在播放前，把流媒體事先下載到本地后再進行播放。這種方式對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求低，但播放前需要等待，并且下載的流媒體數(shù)據(jù)也需要消 耗一定的磁盤資源。另外一種是一邊下載一邊播放，這種方式可以實現(xiàn) 隨時下載隨時播放，不需要占用太大的硬盤資源，但因為受到網(wǎng)絡(luò)帶寬 等因素的影響，很容易出現(xiàn)時斷時續(xù)的現(xiàn)象，影響播放的效果。無論是 采用哪種方式，要想獲得清晰流暢的視頻播放效果，都需要對遠程教育 活動中產(chǎn)生的流媒體數(shù)據(jù)進行有效壓縮。但是，現(xiàn)有技術(shù)尚沒有提供有 針對性的視頻壓縮解決方案。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方 法。該方法可以有效彌補現(xiàn)有遠程教育系統(tǒng)的不足，使遠程教育技術(shù)貼 合教育的現(xiàn)實需求，有效改善遠程教育的實施效果。為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案 一種面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，基于板書輸入設(shè)備和 計算機實現(xiàn)，其特征在于教師通過所述板書輸入設(shè)備書寫板書，將板書的動作軌跡信息和相 應(yīng)的板書背景信息予以分離，分別進行處理；其中所述板書的動作軌跡信息僅包括每一筆劃的起始時間、終止時 間、使用筆的類型和筆畫點的軌跡坐標信息；所述板書背景信息為板書 停止時的靜態(tài)圖像；將所述動作軌跡信息和板書背景信息在服務(wù)器中整合為完整的視頻 格式文件，傳送到客戶端進行播放。其中，所述板書輸入設(shè)備為電子白板、手寫板、觸摸屏中的任意一種。當板書動作開始時，所述計算機通過所述板書輸入設(shè)備采集板書的 動作軌跡信息；當板書動作停止時，所述計算機直接采集板書停止時的當前靜態(tài)圖像。所述視頻格式文件分為靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)部分和動態(tài)圖像數(shù)據(jù)部分，其 中所述靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)部分包括靜態(tài)圖像參數(shù)和靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)，所述動態(tài) 圖像數(shù)據(jù)部分包括筆劃參數(shù)和筆劃所對應(yīng)的坐標點信息。所述靜態(tài)圖像參數(shù)為靜態(tài)圖像放映的開始時間和結(jié)束時間。 所述筆劃參數(shù)包括筆劃書寫的開始時間、結(jié)束時間和筆劃顏色信息。所述視頻格式文件中包含一個統(tǒng)一的時間軸，所有的開始時間和結(jié) 束時間都相對于此時間軸進行同步。在客戶端進行播放時，所述靜態(tài)圖像按所述靜態(tài)圖像參數(shù)指定的時 間進行播放，所述動作軌跡信息按所述筆劃參數(shù)中每一筆劃的起始時間、 終止時間和位置坐標參數(shù)均勻回放。在實現(xiàn)使用板擦擦除以前書寫板書的視頻過程時，首先記錄板擦的 運動軌跡，在回放過程中根據(jù)板擦運行的軌跡及板擦寬度信息，計算出 哪些板書應(yīng)該被擦去以及被擦去的時間，然后按時間參數(shù)將要清除的板 書逐點恢復到初始的背景信息。本發(fā)明所提供的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法可以在保證 遠程教育活動中充分展示板書過程與信息的同時，有效降低遠程教育數(shù) 據(jù)的傳輸量，從而有效降低開展遠程教育的成本。


下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。 圖1為用于實施本發(fā)明的遠程教育系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。 圖2為本發(fā)明所提供的板書動態(tài)圖像壓縮方法的流程圖。圖3為在服務(wù)器中整合而成的視頻格式文件的示意圖。
具體實施方式
圖1所示為用于實施本發(fā)明所述方法的遠程教育系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)示 意圖。該遠程教育系統(tǒng)主要包括板書輸入設(shè)備、用于實現(xiàn)軌跡采集和處 理的計算機、負責板書軌跡與靜態(tài)教學圖像整合與傳輸處理的服務(wù)器以 及分布在遠端各處的客戶端計算機等。其中，板書輸入設(shè)備與計算機直 接進行連接，服務(wù)器也與計算機進行連接。實踐中，服務(wù)器和計算機可以合二為一，由一臺具有較強數(shù)據(jù)處理能力的PC機來實現(xiàn)。服務(wù)器與分布在遠端各處的客戶端計算機通過專用的遠程教育網(wǎng)或者電信網(wǎng)實現(xiàn)數(shù) 據(jù)的傳輸。除此之外，上述遠程教育系統(tǒng)還可以包括用于采集教師教學 動作圖像的攝像設(shè)備(圖中未示)。該攝像設(shè)備與服務(wù)器進行連接。 板書輸入設(shè)備可以是電子白板、手寫板、觸摸屏等任何具有顯示功能的筆輸入設(shè)備。該筆輸入設(shè)備的作用體現(xiàn)在兩個方面首先是讓教師 在板面上書寫板書，通過板書的過程向?qū)W生傳授知識點，其次是實時地、 精確地采集教師板書過程中書寫的運動軌跡信息，為在客戶端的計算機 上重現(xiàn)板書的書寫過程奠定基礎(chǔ)。參見圖2所示，本板書動態(tài)圖像壓縮方法的核心技術(shù)思想在于針對 遠程教育本身的特點，首先采集板書信息(步驟101)，并將教師的板書 動作軌跡數(shù)據(jù)(即動態(tài)數(shù)據(jù))和相關(guān)的板書背景數(shù)據(jù)(即靜態(tài)數(shù)據(jù))分 離開來(步驟102)，分別采用不同的壓縮處理方式進行壓縮(步驟103、 104)，然后打包形成完整的視頻數(shù)據(jù)流進行傳送。采用這種壓縮方式獲 得的視頻數(shù)據(jù)流將會比傳統(tǒng)方式所獲得數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)量小得多。該視頻 數(shù)據(jù)流通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阶鳛榻邮战K端的電腦之后(步驟105)，再在電腦 中分別進行解壓縮操作，然后將兩部分信息重新疊合起來(步驟106)， 形成完整的教師板書視頻圖像，對學生進行播放。上述方法在實施過程中主要包括板書輸入、板書軌跡處理、板書軌 跡整合與傳輸、板書軌跡回放等幾個技術(shù)步驟，下面分別予以詳細的說 明。首先，教師使用上述的板書輸入設(shè)備完成整個板書書寫過程。以現(xiàn) 在的觸摸屏為例。觸摸屏上可以事先顯示教師準備的試題等教學內(nèi)容， 按照課堂習慣方式，教師用筆在觸摸屏上書寫，筆接觸觸摸屏上特定的 點。教師用筆在觸摸屏上書寫的每一筆實際上就是與一連串的點發(fā)生接 觸，由于觸摸屏上的所有點都已經(jīng)在設(shè)備內(nèi)部實現(xiàn)了數(shù)字化，因此筆所 接觸的這些點都有相應(yīng)的位置坐標數(shù)據(jù)產(chǎn)生?；谶@些位置坐標數(shù)據(jù)就 可以完整地重現(xiàn)筆所書寫的痕跡。另外，也可以使用基于紙面的掛墻式網(wǎng)絡(luò)白板裝置來完成板書輸入 工作。使用該裝置之后，準備的試題等教學內(nèi)容事先打印在由附著有特 定編碼信息的紙張制成的白板本上，教師直接使用電子筆在白板本上書 寫，書寫的筆跡也可以很輕易地實現(xiàn)數(shù)字化。負責數(shù)據(jù)采集的計算機與板書輸入設(shè)備相連接，定時獲取教師板書 的書寫信息。該計算機以類似屏幕拍攝方式進行操作，每秒按固定頻率 從板書輸入設(shè)備上采集信息，所采集的信息包括輸入設(shè)備上的圖像、 板書點坐標和其它一些事件等。在本發(fā)明中，不是象傳統(tǒng)技術(shù)那樣將采 集到的所有圖像都存儲下來，而是采用了新的壓縮處理方法A.板書停 止時，保存且僅保存發(fā)生變化的靜態(tài)圖像；B.板書(板擦也可視為一種特殊的板書)過程中，保存且僅保存每一筆劃的起始時間、終止時間、 使用筆的類型(包括顏色、粗細等)和筆畫點的軌跡坐標。由于書寫筆畫 通常用時較短，用力也較均勻，可以認為每一筆劃內(nèi)書寫速度是均勻的。因此，只需記錄每筆開始和結(jié)束時間，就可以近似地推算出回放筆劃中 間各點的時間。
服務(wù)器用于實現(xiàn)板書軌跡整合與傳輸。負責軌跡采集的計算機形成 的數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器上，被服務(wù)器整合成特定的視頻格式文件。
參見圖3所示，該視頻格式包括經(jīng)過壓縮的靜態(tài)圖像、板書軌跡的 坐標點和顏色、寬度等描述信息。它主要分成兩部分來存儲有關(guān)的數(shù)據(jù) 信息。第一部分所記錄的是靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)。該靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)也分為兩部 分靜態(tài)圖像參數(shù)和靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)，其中靜態(tài)圖像參數(shù)所記錄的是該參 數(shù)所對應(yīng)的靜態(tài)圖像放映的開始時間和結(jié)束時間。第二部分所記錄的是 板書的書寫筆劃信息，包括筆劃參數(shù)和筆劃所對應(yīng)的坐標點。其中筆劃 參數(shù)包括筆劃書寫的開始時間、結(jié)束時間和筆劃顏色等參數(shù)。在一個視 頻格式文件中，包含一個統(tǒng)一的時間軸，所有時間參數(shù)都相對于此時間 軸，并以此進行同步。
采用上述的板書圖像壓縮方法之后，新的視頻格式文件的大小只有 按通常壓縮算法壓縮的十幾分之一。例如1分鐘教師板書的視頻壓縮信
息(如果是150Kb/秒)大約是11250KB，采用新的方法，如果靜態(tài)圖片 的壓縮比是10，動態(tài)信息經(jīng)過壓縮，只有10KB左右，整體信息大約在 100KB左右。
上述視頻格式文件傳送到客戶端計算機之后，需要在客戶端計算機 上執(zhí)行板書軌跡回放步驟。具體而言，在回放過程中，靜態(tài)圖像按參數(shù) 指定的時間，動態(tài)播放；筆劃信息按參數(shù)中每一筆劃的起始時間、終止 時間和位置坐標等參數(shù)，均勻回放，由此形成完整的視頻。
另外，教師在書寫板書的過程中，還可以用板擦把以前書寫的板書 擦除。這個工作的錄制過程與書寫板書過程類似，只把板擦運動的軌跡 記錄下來，在回放過程中，根據(jù)板擦運行的軌跡及板擦寬度等信息，可 以計算出哪些板書應(yīng)該被擦去以及被擦去的時間等，然后按時間參數(shù)將 要清除的板書，逐點恢復到初始背景圖象，實現(xiàn)板擦擦黑板的視頻過程。
以上對本發(fā)明所提供的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法進行 了詳細的說明。對本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)精 神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都將構(gòu)成對本發(fā)明專利權(quán) 的侵犯，將承擔相應(yīng)的法律責任。
權(quán)利要求
1.一種面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，基于板書輸入設(shè)備和計算機實現(xiàn)，其特征在于教師通過所述板書輸入設(shè)備書寫板書，將板書的動作軌跡信息和相應(yīng)的板書背景信息予以分離，分別進行處理；其中所述板書的動作軌跡信息僅包括每一筆劃的起始時間、終止時間、使用筆的類型和筆畫點的軌跡坐標信息；所述板書背景信息為板書停止時的靜態(tài)圖像；將所述動作軌跡信息和板書背景信息在服務(wù)器中整合為完整的視頻格式文件，傳送到客戶端進行播放。
2. 如權(quán)利要求1所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其 特征在于所述板書輸入設(shè)備為電子白板、手寫板、觸摸屏中的任意一種。
3. 如權(quán)利要求2所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其特征在于當板書動作開始時，所述計算機通過所述板書輸入設(shè)備采集板書的 動作軌跡信息；當板書動作停止時，所述計算機直接采集板書停止時的當前靜態(tài)圖像。
4. 如權(quán)利要求1所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其 特征在于所述視頻格式文件分為靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)部分和動態(tài)圖像數(shù)據(jù)部分，其 中所述靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)部分包括靜態(tài)圖像參數(shù)和靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)，所述動態(tài) 圖像數(shù)據(jù)部分包括筆劃參數(shù)和筆劃所對應(yīng)的坐標點信息。
5. 如權(quán)利要求4所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其特征在于所述靜態(tài)圖像參數(shù)為靜態(tài)圖像放映的開始時間和結(jié)束時間。
6. 如權(quán)利要求4所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其特征在于所述筆劃參數(shù)包括筆劃書寫的開始時間、結(jié)束時間和筆劃顏色信息。
7. 如權(quán)利要求4所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其 特征在于所述視頻格式文件中包含一個統(tǒng)一的時間軸，所有的開始時間和結(jié) 束時間都相對于此時間軸進行同步。
8. 如權(quán)利要求1所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其 特征在于在客戶端進行播放時，所述靜態(tài)圖像按所述靜態(tài)圖像參數(shù)指定的時 間進行播放，所述動作軌跡信息按所述筆劃參數(shù)中每一筆劃的起始時間、 終止時間和位置坐標參數(shù)均勻回放。
9. 如權(quán)利要求1所述的面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法，其 特征在于在實現(xiàn)使用板擦擦除以前書寫板書的視頻過程時，首先記錄板擦的 運動軌跡，在回放過程中根據(jù)板擦運行的軌跡及板擦寬度信息，計算出 哪些板書應(yīng)該被擦去以及被擦去的時間，然后按時間參數(shù)將要清除的板 書逐點恢復到初始的背景信息。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種面向遠程教育的板書動態(tài)圖像壓縮方法。在遠程教育中，需要把教師的教學過程傳輸給學生，而板書是整個教學過程中最主要的視頻信息。為了降低板書動態(tài)圖像的數(shù)據(jù)量，同時保持板書的完整過程，本發(fā)明將板書動作軌跡和相關(guān)的板書背景分離開來，并分別采用不同的處理方式，然后在服務(wù)器中整合為完整的視頻格式文件，傳送到客戶端進行播放。本方法解決了在遠程教育活動中，視頻占用較大帶寬，用戶應(yīng)用受到限制的問題，可以廣泛應(yīng)用到各類遠程培訓、教學、數(shù)字課堂等業(yè)務(wù)中。
文檔編號G09B5/00GK101316356SQ20071009974
公開日2008年12月3日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月29日
發(fā)明者勁 周, 孔令宇, 宋春文, 力 張, 偉 施 申請人:北京大學;北京簡單科技有限公司