一种面向智慧教室的教师-学生注意力协同追踪与反馈调节装置的制作方法

本发明涉及智慧教育，具体是一种面向智慧教室的教师-学生注意力协同追踪与反馈调节装置。

背景技术：

1、课堂注意力追踪是智慧教育领域的研究热点。现有基于视觉的注意力监测方案，通过采集学生头部姿态、面部朝向等外在行为特征推断注意力状态，其硬件部署全部面向学生，仅以学生单方行为作为注意力判断依据。然而，课堂是由教师与学生双主体构成的动态交互系统，教师的教学站位、视线关注区域、面向方向等因素均显著影响学生的注意力分布，将教师因素排除在监测体系之外，是导致现有方案在真实课堂环境下判断偏差的重要原因之一；

2、与此同时，现有装置在硬件架构层面存在以下缺陷：若要拓展至双主体追踪，需同时采集视频、音频、定位等多源数据，但各传感器时钟源独立，软件层时间戳对齐误差可达百毫秒至秒级，师生行为间的因果关联分析丧失时序基础；此外，现有摄像头多采用固定壁挂安装，教室布局调整后需重新布线打孔，且前排遮挡、投影逆光等物理限制无法通过算法根本解决；采集的视频与图像数据上传云端处理还存在传输延迟和生物特征泄露风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向智慧教室的教师-学生注意力协同追踪与反馈调节装置。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本申请提供了一种面向智慧教室的教师-学生注意力协同追踪与反馈调节装置，包括多模态协同感知机构、数据同步与边缘计算机构和分层反馈执行机构；

4、所述多模态协同感知机构包括学生感知子机构和教师感知子机构；所述学生感知子机构安装于教室天花板，包含固定于天花板的可重构滑轨支架、安装于所述滑轨支架上并沿其滑动的电动滑动座、以及通过磁吸式快装底座安装于所述电动滑动座上的分布式摄像头阵列；所述可重构滑轨支架由若干滑轨单元模块化拼接而成，各滑轨单元之间的连接角度和相对位置可调节；所述分布式摄像头阵列的采集视野朝向学生区域；所述教师感知子机构包含佩戴于教师身上的空间定位组件和安装于教室前方的教师追踪摄像组件；

5、所述数据同步与边缘计算机构安装于教室前方的机架内，内置有硬件时钟同步板卡和异构边缘计算模组；所述硬件时钟同步板卡设有同步脉冲输出接口，所述同步脉冲输出接口通过信号线分别连接至所述分布式摄像头阵列的各摄像头和所述教师追踪摄像组件的触发信号输入端，所述同步脉冲输出接口还通过信号线连接至所述空间定位基站，所述空间定位基站内置无线同步脉冲发射模块，用于向所述空间定位标签下发无线同步触发信号；所述异构边缘计算模组的数据输入端分别连接至所述分布式摄像头阵列、所述教师追踪摄像组件和所述空间定位组件的数据输出端；

6、所述分层反馈执行机构包含安装于讲台前沿的教师端反馈执行器、安装于学生课桌桌面的学生端反馈执行器、以及安装于教室侧壁的环境调控输出接口；所述异构边缘计算模组的控制信号输出端分别连接至所述教师端反馈执行器、所述学生端反馈执行器和所述环境调控输出接口的控制信号输入端。

7、本发明的有益效果为：

8、本发明通过学生感知子机构与教师感知子机构协同工作，实现师生双主体的课堂注意力协同追踪，克服了传统方案仅以学生单方行为作为注意力判断依据、忽视教师教学站位及视线关注区域对学生注意力影响的缺陷，提升了注意力状态判断的准确性；

9、通过硬件时钟同步板卡对分布式摄像头阵列、空间定位组件和教师追踪摄像组件进行硬件级同步触发，解决了各传感器时钟源独立所导致的软件层时间戳对齐误差大的问题，为师生行为间的因果关联分析提供了精确的时序基础；

10、本发明通过可重构滑轨支架由若干滑轨单元模块化拼接而成且各滑轨单元之间的连接角度和相对位置可调节，实现摄像头布局的灵活重构，无需重新布线打孔，有效规避了固定壁挂安装方式下教室布局调整困难、前排遮挡及投影逆光等物理限制；

11、本发明通过异构边缘计算模组在教室本地完成多源数据的融合处理与注意力状态推理，避免了将视频与图像数据上传云端所带来的传输延迟和生物特征泄露风险，保障了课堂注意力追踪的实时性与数据安全性。

1.一种面向智慧教室（1）的教师-学生注意力协同追踪与反馈调节装置，其特征在于，包括多模态协同感知机构、数据同步与边缘计算机构和分层反馈执行机构；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空间定位组件包括佩戴于教师身上的空间定位标签（10）和固定于教室（1）四角的空间定位基站（9）；所述空间定位基站（9）内置无线同步脉冲发射模块，所述硬件时钟同步板卡（19）通过有线信号线将同步脉冲传输至各空间定位基站（9），由空间定位基站（9）向空间定位标签（10）下发无线同步触发信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述教师追踪摄像组件包括固定安装的全景定位摄像头（6）和安装于二自由度电动云台（8）上的跟踪特写摄像头（7）；所述全景定位摄像头（6）固定安装于教室（1）前方天花板上，采集视野覆盖整个教师活动区域；所述二自由度电动云台（8）固定安装于教室（1）前方天花板上，且位于所述全景定位摄像头（6）的旁侧，所述二自由度电动云台（8）包括水平旋转机构（81）和俯仰旋转机构（82）；所述二自由度电动云台（8）内置arm伺服控制器（83），所述arm伺服控制器（83）与所述全景定位摄像头（6）信号连接，根据所述全景定位摄像头（6）识别到的教师位置驱动所述水平旋转机构（81）和所述俯仰旋转机构（82），使所述跟踪特写摄像头（7）对准教师。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多模态协同感知机构还包括环境感知子机构，所述环境感知子机构包括分布于教室（1）内的光照度传感器、温湿度传感器（13）和co2浓度传感器（14）；所述光照度传感器包括安装于教室（1）天花板的第一光照度传感器（11）和第二光照度传感器（12），所述第一光照度传感器（11）安装于靠近黑板一侧的天花板且其采集端朝向学生课桌区域，所述第二光照度传感器（12）安装于靠近学生区域一侧的天花板且其采集端朝向讲台区域；所述温湿度传感器（13）和所述co2浓度传感器（14）分别安装于教室（1）侧壁及后壁。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硬件时钟同步板卡（19）上设置有fpga同步控制器和与所述fpga同步控制器电性连接的pps秒脉冲发生器；所述fpga同步控制器设有授时信号接收端，所述pps秒脉冲发生器设有所述同步脉冲输出接口。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述异构边缘计算模组（20）包括通过高速总线互联的npu神经网络处理单元、dsp数字信号处理器和cpu中央处理器，所述异构边缘计算模组（20）通过pcie总线与所述硬件时钟同步板卡（19）连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述教师端反馈执行器（15）包括安装于讲台前沿的呼吸灯带和嵌入式安装于讲台桌面的触摸显示屏（16）；所述呼吸灯带包括至少一组rgb全彩led灯珠和灯带驱动电路，所述灯带驱动电路与所述异构边缘计算模组（20）的控制信号输出端连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述学生端反馈执行器包括嵌入式安装于每张学生课桌桌面的rgb指示灯（17），所述rgb指示灯（17）通过无线通信模块与所述异构边缘计算模组（20）的控制信号输出端连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环境调控输出接口（18）包括安装于教室（1）侧壁的rs485总线接口和zigbee无线接口，所述rs485总线接口和所述zigbee无线接口分别与教室（1）物联网网关连接。