本发明属于教学监控技术领域，具体涉及一种应用于教学中的学生注意力监控系统及监控方法。
背景技术：
在当前的教学中，往往存在一个教室中有较多学生的情况，而在这时，教师可能无法兼顾到每一个学生，从而导致学生可能会出现走神的情况，不能够集中注意力。一方面，由于学生较多，教师可能无法及时发现注意力不集中的学生，另一方面，教师直接在课堂上指出学生不认真听课，可能导致学生情绪变化，影响学生听课效果。
现有技术中已经存在对学生注意力进行监控的研究，然而，现在的技术或方法仍然存在以下问题：一是教室中学生人员较多，无法实现大范围的监控，监控不全面；二是监控精度不高，图像采集装置无法从多个层次进行数据采集；三是监测准确度低，往往存在错误监测的情况，尤其是在教室环境不同的情况下，无法根据具体环境调整相应的监测参数；四是没有对整体监控效果的反馈，无法给教师的课后研究提供信息支持。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术中的不足，提供一种应用于教学中的学生注意力监控系统及监控方法。
本发明提供了一种应用于教学中的学生注意力监控系统，包括教学监控主机、教师控制端、学生提醒端、第一监测模块和第二监测模块，所述教学监控主机分别与所述教师控制端、学生提醒端、第一监测模块和第二监测模块连接；
所述第一监测模块连接有第一摄像头和第一声音采集装置，用于采集教室内整体的图像信息和声音信息；
所述第二监测模块连接有第二摄像头和第二声音采集装置，用于采集教室各个区域的图像信息和各个学生位置的声音信息；
所述教学监控主机还连接有教学信息数据库和显示屏。
优选的，所述第一监测模块包括第一控制器、晃动检测单元和第一声音检测单元，所述第一控制器分别与所述晃动检测单元和第一声音检测单元连接。
优选的，所述第二监测模块包括第二控制器、图像分割单元、人脸朝向识别单元、情绪识别单元和第二声音检测单元，所述第二控制器分别与所述图像分割单元、人脸朝向识别单元、情绪识别单元和第二声音检测单元连接。
优选的，所述显示屏设置在讲台，用于教师查看学生信息。
优选的，所述教学信息数据库中存储有每个学生的数据信息。
同时，本发明还提供了一种应用于教学中的学生注意力监控方法，应用于上述的应用于教学中的学生注意力监控系统，包括如下步骤：
s1：将教室内划分为多个区域，第一摄像头和第一声音采集装置分别用于采集教室内整体的图像信息和声音信息，每个区域内分别有一个第二摄像头和多个第二声音采集装置，每个学生位置对应一个声音采集装置，用于采集区域内图像信息和声音信息；
s2：通过第一摄像头采集教室内的图像信息，通过第一声音采集装置采集教室内的声音信息，分别将图像信息和声音信息发送至第一监测模块；
s3：第一监测模块中的晃动检测单元对图像信息进行处理，当区域内晃动程度达到预设晃动阈值时，将该区域设置为预警区域；第一监测模块中的第一声音检测单元对声音信息进行处理，得到当前时刻音量均值，在教学信息数据库中查找该音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值，其中，第一音量阈值小于第二音量阈值；将预警区域、第一音量阈值、第二音量阈值发送至教学监控主机；
s4：第二监测模块根据教学监控主机发送的预警区域信息对教室内的不同区域进行监测，对于预警区域按照第一频率对各个学生状态进行扫描，对于非预警区域按照第二频率对各个学生状态进行扫描，其中，第一频率大于第二频率；
s5：通过第二监测模块中的图像分割单元、人脸朝向识别单元和情绪识别单元对第二摄像头采集的图像信息进行处理，通过图像分割单元将图像分割成不同学生对应的图像信息，通过人脸朝向识别单元识别学生的人脸朝向，通过情绪识别单元识别学生情绪并将当前学生情绪与教学信息数据库中的情绪信息对比，根据人脸朝向信息和学生情绪信息判断学生动作行为是否异常；
s6：对第二监测模块中的第二声音检测单元采集的声音信息音量值进行判断，若音量值小于等于第一音量阈值，则学生状态正常，若音量值大于等于第二音量阈值，则学生在进行正常课堂交流，若音量值大于第一音量阈值且小于第二音量阈值，则学生发出异常声音；
s7：若学生动作行为异常或学生发出异常声音，则认为学生注意力不集中，通过教学监控主机反馈至教师控制端，在设置于讲台的显示屏上显示采集到的该学生的图像信息；
s8：教师控制端根据反馈信息对相应的学生发出提醒信息，使学生提醒端进行振动提醒。
优选的，还包括如下步骤：
s9：所述教学监控主机统计课堂上所有学生的注意力信息数据，并将所述注意力信息数据存储在所述教学信息数据库中，教师在课后根据所述教学信息数据库中的数据信息获知教学效果。
优选的，所述的第一监测模块中的第一声音检测单元对声音信息进行处理，得到当前时刻音量均值，具体为：
在一段时间内，等间隔采集多个时间点的音量信息，并计算时间段内采集时间点的音量的均值，该均值作为时间段内最后时刻的音量均值。
优选的，所述的计算时间段内采集时间点的音量的均值，具体为：
对各时间点的音量值进行排序，去掉音量最大值和音量最小值后，计算时间段内采集其他时间点的音量的均值。
优选的，所述的在教学信息数据库中查找该音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值，其中，音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值根据教室环境的变化设定。
与现有技术相比，本发明能够实现大范围对教室中学生情况的监控，全面覆盖，通过两个层次的摄像头的图像采集，实现了更高的监控精度，根据教室环境信息的变化，调整相应参数，提升了监控的准确率，同时，将整体监控数据存储在数据库中，便于教师在课后对教学情况进行总结。
附图说明
图1为应用于教学中的学生注意力监控系统结构示意图；
图2为第一监控模块结构示意图；
图3为第二监控模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图1所示，本发明提供了一种应用于教学中的学生注意力监控系统，包括教学监控主机、教师控制端、学生提醒端、第一监测模块和第二监测模块，所述教学监控主机分别与所述教师控制端、学生提醒端、第一监测模块和第二监测模块连接；
所述第一监测模块连接有第一摄像头和第一声音采集装置，用于采集教室内整体的图像信息和声音信息；
所述第二监测模块连接有第二摄像头和第二声音采集装置，用于采集教室各个区域的图像信息和各个学生位置的声音信息；
所述教学监控主机还连接有教学信息数据库和显示屏。
所述显示屏设置在讲台，用于教师查看学生信息。
所述教学信息数据库中存储有每个学生的数据信息。
如图2所示，所述第一监测模块包括第一控制器、晃动检测单元和第一声音检测单元，所述第一控制器分别与所述晃动检测单元和第一声音检测单元连接。
如图3所示，所述第二监测模块包括第二控制器、图像分割单元、人脸朝向识别单元、情绪识别单元和第二声音检测单元，所述第二控制器分别与所述图像分割单元、人脸朝向识别单元、情绪识别单元和第二声音检测单元连接。
实施例二：
本发明还提供了一种应用于教学中的学生注意力监控方法，应用于上述的应用于教学中的学生注意力监控系统，包括如下步骤：
s1：将教室内划分为多个区域，第一摄像头和第一声音采集装置分别用于采集教室内整体的图像信息和声音信息，每个区域内分别有一个第二摄像头和多个第二声音采集装置，每个学生位置对应一个声音采集装置，用于采集区域内图像信息和声音信息；
在划分区域时，可以将教室划分为前、中、后三个区域，往往位于教室最后方的区域由于离教师比较远，学生更容易注意力分散，可以对位于教室最后的区域进行更高频率的监测和扫描。
s2：通过第一摄像头采集教室内的图像信息，通过第一声音采集装置采集教室内的声音信息，分别将图像信息和声音信息发送至第一监测模块；
s3：第一监测模块中的晃动检测单元对图像信息进行处理，当区域内晃动程度达到预设晃动阈值时，将该区域设置为预警区域；第一监测模块中的第一声音检测单元对声音信息进行处理，得到当前时刻音量均值，在教学信息数据库中查找该音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值，其中，第一音量阈值小于第二音量阈值；将预警区域、第一音量阈值、第二音量阈值发送至教学监控主机；
s4：第二监测模块根据教学监控主机发送的预警区域信息对教室内的不同区域进行监测，对于预警区域按照第一频率对各个学生状态进行扫描，对于非预警区域按照第二频率对各个学生状态进行扫描，其中，第一频率大于第二频率；
s5：通过第二监测模块中的图像分割单元、人脸朝向识别单元和情绪识别单元对第二摄像头采集的图像信息进行处理，通过图像分割单元将图像分割成不同学生对应的图像信息，通过人脸朝向识别单元识别学生的人脸朝向，通过情绪识别单元识别学生情绪并将当前学生情绪与教学信息数据库中的情绪信息对比，根据人脸朝向信息和学生情绪信息判断学生动作行为是否异常；
如果学生出现明显的朝向多次变化，则可以认定为学生在左顾右盼，没有认真听课，此时也可以仅通过学生动作行为信息判断学生注意力不集中。
s6：对第二监测模块中的第二声音检测单元采集的声音信息音量值进行判断，若音量值小于等于第一音量阈值，则学生状态正常，若音量值大于等于第二音量阈值，则学生在进行正常课堂交流，若音量值大于第一音量阈值且小于第二音量阈值，则学生发出异常声音；
如果教室处于自习课等较为安静的情况下，可以仅通过声音音量的情况判断学生是否集中注意力，从而通过教学监控主机直接发出提醒信号，而不必通过教师对学生进行提醒，实现无法看管的自习状态。
s7：若学生动作行为异常或学生发出异常声音，则认为学生注意力不集中，通过教学监控主机反馈至教师控制端，在设置于讲台的显示屏上显示采集到的该学生的图像信息；
s8：教师控制端根据反馈信息对相应的学生发出提醒信息，使学生提醒端进行振动提醒。
还包括如下步骤：
s9：所述教学监控主机统计课堂上所有学生的注意力信息数据，并将所述注意力信息数据存储在所述教学信息数据库中，教师在课后根据所述教学信息数据库中的数据信息获知教学效果。
同时，为了实现适应多种教学课堂的情况，可以根据需要设置不同的系统模式，比如：自习模式、课堂讨论模式、提问模式、听课模式、晨读模式等。
所述的第一监测模块中的第一声音检测单元对声音信息进行处理，得到当前时刻音量均值，具体为：
在一段时间内，等间隔采集多个时间点的音量信息，并计算时间段内采集时间点的音量的均值，该均值作为时间段内最后时刻的音量均值。
所述的计算时间段内采集时间点的音量的均值，具体为：
对各时间点的音量值进行排序，去掉音量最大值和音量最小值后，计算时间段内采集其他时间点的音量的均值。
所述的在教学信息数据库中查找该音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值，其中，音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值根据教室环境的变化设定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种应用于教学中的学生注意力监控系统，其特征在于，包括教学监控主机、教师控制端、学生提醒端、第一监测模块和第二监测模块，所述教学监控主机分别与所述教师控制端、学生提醒端、第一监测模块和第二监测模块连接；
所述第一监测模块连接有第一摄像头和第一声音采集装置，用于采集教室内整体的图像信息和声音信息；
所述第二监测模块连接有第二摄像头和第二声音采集装置，用于采集教室各个区域的图像信息和各个学生位置的声音信息；
所述教学监控主机还连接有所述教学信息数据库和显示屏。
2.根据权利要求1所述的应用于教学中的学生注意力监控系统，其特征在于，所述第一监测模块包括第一控制器、晃动检测单元和第一声音检测单元，所述第一控制器分别与所述晃动检测单元和第一声音检测单元连接。
3.根据权利要求1所述的应用于教学中的学生注意力监控系统，其特征在于，所述第二监测模块包括第二控制器、图像分割单元、人脸朝向识别单元、情绪识别单元和第二声音检测单元，所述第二控制器分别与所述图像分割单元、人脸朝向识别单元、情绪识别单元和第二声音检测单元连接。
4.根据权利要求1所述的应用于教学中的学生注意力监控系统，其特征在于，所述显示屏设置在讲台，用于教师查看学生信息。
5.根据权利要求1所述的应用于教学中的学生注意力监控系统，其特征在于，所述教学信息数据库中存储有每个学生的数据信息。
6.一种应用于教学中的学生注意力监控方法，所述方法应用于权利要求1-5任一项所述的系统中，包括如下步骤：
s1：将教室内划分为多个区域，第一摄像头和第一声音采集装置分别用于采集教室内整体的图像信息和声音信息，每个区域内分别有一个第二摄像头和多个第二声音采集装置，每个学生位置对应一个声音采集装置，用于采集区域内图像信息和声音信息；
s2：通过第一摄像头采集教室内的图像信息，通过第一声音采集装置采集教室内的声音信息，分别将图像信息和声音信息发送至第一监测模块；
s3：第一监测模块中的晃动检测单元对图像信息进行处理，当区域内晃动程度达到预设晃动阈值时，将该区域设置为预警区域；第一监测模块中的第一声音检测单元对声音信息进行处理，得到当前时刻音量均值，在教学信息数据库中查找该音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值，其中，第一音量阈值小于第二音量阈值；将预警区域、第一音量阈值、第二音量阈值发送至教学监控主机；
s4：第二监测模块根据教学监控主机发送的预警区域信息对教室内的不同区域进行监测，对于预警区域按照第一频率对各个学生状态进行扫描，对于非预警区域按照第二频率对各个学生状态进行扫描，其中，第一频率大于第二频率；
s5：通过第二监测模块中的图像分割单元、人脸朝向识别单元和情绪识别单元对第二摄像头采集的图像信息进行处理，通过图像分割单元将图像分割成不同学生对应的图像信息，通过人脸朝向识别单元识别学生的人脸朝向，通过情绪识别单元识别学生情绪并将当前学生情绪与教学信息数据库中的情绪信息对比，根据人脸朝向信息和学生情绪信息判断学生动作行为是否异常；
s6：对第二监测模块中的第二声音检测单元采集的声音信息音量值进行判断，若音量值小于等于第一音量阈值，则学生状态正常，若音量值大于等于第二音量阈值，则学生在进行正常课堂交流，若音量值大于第一音量阈值且小于第二音量阈值，则学生发出异常声音；
s7：若学生动作行为异常或学生发出异常声音，则认为学生注意力不集中，通过教学监控主机反馈至教师控制端，在设置于讲台的显示屏上显示采集到的该学生的图像信息；
s8：教师控制端根据反馈信息对相应的学生发出提醒信息，使学生提醒端进行振动提醒。
7.根据权利要求6所述的应用于教学中的学生注意力监控方法，其特征在于，还包括如下步骤：
s9：所述教学监控主机统计课堂上所有学生的注意力信息数据，并将所述注意力信息数据存储在所述教学信息数据库中，教师在课后根据所述教学信息数据库中的数据信息获知教学效果。
8.根据权利要求6所述的应用于教学中的学生注意力监控方法，其特征在于，所述的第一监测模块中的第一声音检测单元对声音信息进行处理，得到当前时刻音量均值，具体为：
在一段时间内，等间隔采集多个时间点的音量信息，并计算时间段内采集时间点的音量的均值，该均值作为时间段内最后时刻的音量均值。
9.根据权利要求8所述的应用于教学中的学生注意力监控方法，其特征在于，所述的计算时间段内采集时间点的音量的均值，具体为：
对各时间点的音量值进行排序，去掉音量最大值和音量最小值后，计算时间段内采集其他时间点的音量的均值。
10.根据权利要求6所述的应用于教学中的学生注意力监控方法，其特征在于，所述的在教学信息数据库中查找该音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值，其中，音量均值对应的第一音量阈值和第二音量阈值根据教室环境的变化设定。
技术总结