Automatisiertes Kamera-Tracking zur Verbesserung der Lesbarkeit von Tafelanschrieben im Rahmen der Vorlesungsaufzeichnung an der Universität Stuttgart

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Test, Programmanpassungen und -erweiterungen sowie der erstmaligen Installation eines automatisierten Kamera-Tracking-Systems an der Universität Stuttgart. Ziel dabei war es, die Aufzeichnung von Vorlesungen so zu ver- bessern, dass Tafelanschriebe auf Videoaufnahmen wesentlich besser lesbar werden. Im Laufe der Arbeit wird das Projekt „Hörsäle 2020“ beschrieben, bei dem die Hörsäle an der Universität Stuttgart mit neuer Medientechnik ausgestattet werden und durch das diese Arbeit möglich wurde. Außerdem wird näher auf die Kamerasteuerung über VISCA und VISCA over IP eingegangen und der Aufbau sowie die Funktionsweise der Software Lec- tureSight erklärt. Mit Hilfe dieser Software entstand ein Testaufbau, um zu prüfen, wie das Tracking funktioniert und welche Probleme dabei entstehen. Dieser Test wurde spä- ter auf einen Hörsaal ausgeweitet, um die Konfiguration abzuschließen und ein voll funk- tionsfähiges System zu erhalten. Durch mehrere Maßnahmen konnte das Tracking wei- ter verbessert werden, bis abschließend ein Test zur Lesbarkeit durchgeführt wurde, der bestätigt, dass mit einer bewegten Kamera und höherem Zoomfaktor die Deutlichkeit von Tafelanschrieben in den Videoaufzeichnungen drastisch zunimmt.This Bachelor thesis deals with the test, program modifications and extensions as well as the first installation of an automated camera tracking system at the University of Stuttgart. The aim was to improve the lecture recordings in such a way that the writing on the blackboard is much more readable on video recordings. In the course of this thesis, the “Hörsäle 2020” project will be described, in which the lecture halls at the University of Stuttgart will be equipped with new media technology and which made this thesis pos- sible. In addition, the camera control via VISCA and VISCA over IP is discussed and the structure and functionality of the software LectureSight explained. With the help of this software, a test set-up was developed to test how the tracking works and to identify what problems arise. Later on this test was extended to a lecture hall to complete the config- uration and to obtain a fully functional system. By several measures, the tracking was further improved and a test for readability was carried out, which confirms that the clarity of the writing on the blackboard increases drastically with a moving camera and a higher zoom factor

Protocols and Software for Simplified Educational Video Capture and Editing

Recently, educational videos have become important parts of e-learning systems which have in turn become widely used due to their flexibility. These videos should be of high quality since higher production values lead to superior learning outcomes. However, creating high-quality video is a difficult task for teachers since it needs technical knowledge that includes video recording and timeline usage. Hence, creating educational video production software, that is at the same time easy-to-use and able to produce high-quality educational videos, is very advantageous. In this paper, we developed protocols for an easy-to-use piece of software that enables teachers who have little technological background to produce their own educational videos autonomously. In fact, our contribution is to reduce the complexity of the whole video production process by introducing a preparation step based on micro-teaching and upstream specification. An evaluation of the software with six teachers is performed. This evaluation, based on think-aloud protocol and quantitative measurements, showed that the introduction of the preparation step allowed the participant teachers to produce high-quality educational videos in less than three hours

Low Resource, Post-processed Lecture Recording from 4K Video Streams

Many universities are using lecture recording technology to expand the reach of their teaching programs, and to continue instruction when face to face lectures are not possi- ble. Increasingly, high-resolution 4K cameras are used, since they allow for easy reading of board/screen context. Unfortunately, while 4K cameras are now quite affordable, the back-end computing infrastructure to process and distribute a multitude of recorded 4K streams can be costly. Furthermore, the bandwidth requirements for a 4K stream are exorbitant - running to over 2GB for a 45-60 minute lecture. These factors mitigate against the use of such technology in a low-resource environment, and motivated our investigation into methods to reduce resource requirements for both the institution and students. We describe the design and implementation of a low resource 4K lecture recording solution, which addresses these problems through a computationally efficient video processing pipeline. The pipeline consists of a front-end, which segments presenter motion and writing/board surfaces from the stream and a back-end, which serves as a virtual cinematographer (VC), combining this contextual information to draw attention to the lecturer and relevant content. The bandwidth saving is realized by defining a smaller fixed-size, context-sensitive ‘cropping window’ and generating a new video from the crop regions. The front-end utilises computationally cheap temporal frame differencing at its core: this does not require expensive GPU hardware and also limits the memory required for processing. The VC receives a small set of motion/content bounding boxes and applies established framing heuristics to determine which region to extract from the full 4K frame. Performance results coupled to a user survey show that the system is fit for purpose: it is able to produce good presenter framing/context, over a range of challenging lecture venue layouts and lighting conditions within a time that is acceptable for lecture video processing

Understanding and designing for control in camera operation

Kameraleute nutzen traditionell gezielt Hilfsmittel um kontrollierte Kamerabewegungen zu ermöglichen. Der technische Fortschritt hat hierbei unlängst zum Entstehen neuer Werkzeugen wie Gimbals, Drohnen oder Robotern beigetragen. Dabei wurden durch eine Kombination von Motorisierung, Computer-Vision und Machine-Learning auch neue Interaktionstechniken eingeführt. Neben dem etablierten achsenbasierten Stil wurde nun auch ein inhaltsbasierter Interaktionsstil ermöglicht. Einerseits vereinfachte dieser die Arbeit, andererseits aber folgten dieser (Teil-)Automatisierung auch unerwünschte Nebeneffekte. Grundsätzlich wollen sich Kameraleute während der Kamerabewegung kontinuierlich in Kontrolle und am Ende als Autoren der Aufnahmen fühlen. Während Automatisierung hierbei Experten unterstützen und Anfänger befähigen kann, führt sie unweigerlich auch zu einem gewissen Verlust an gewünschter Kontrolle. Wenn wir Kamerabewegung mit neuen Werkzeugen unterstützen wollen, stellt sich uns daher die Frage: Wie sollten wir diese Werkzeuge gestalten damit sie, trotz fortschreitender Automatisierung ein Gefühl von Kontrolle vermitteln? In der Vergangenheit wurde Kamerakontrolle bereits eingehend erforscht, allerdings vermehrt im virtuellen Raum. Die Anwendung inhaltsbasierter Kontrolle im physikalischen Raum trifft jedoch auf weniger erforschte domänenspezifische Herausforderungen welche gleichzeitig auch neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen. Um dabei auf Nutzerbedürfnisse einzugehen, müssen sich Schnittstellen zum Beispiel an diese Einschränkungen anpassen können und ein Zusammenspiel mit bestehenden Praktiken erlauben. Bisherige Forschung fokussierte sich oftmals auf ein technisches Verständnis von Kamerafahrten, was sich auch in der Schnittstellengestaltung niederschlug. Im Gegensatz dazu trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis der Motive und Praktiken von Kameraleuten bei und bildet eine Grundlage zur Forschung und Gestaltung von Nutzerschnittstellen. Diese Arbeit präsentiert dazu konkret drei Beiträge: Zuerst beschreiben wir ethnographische Studien über Experten und deren Praktiken. Sie zeigen vor allem die Herausforderungen von Automatisierung bei Kreativaufgaben auf (Assistenz vs. Kontrollgefühl). Zweitens, stellen wir ein Prototyping-Toolkit vor, dass für den Einsatz im Feld geeignet ist. Das Toolkit stellt Software für eine Replikation quelloffen bereit und erleichtert somit die Exploration von Designprototypen. Um Fragen zu deren Gestaltung besser beantworten zu können, stellen wir ebenfalls ein Evaluations-Framework vor, das vor allem Kontrollqualität und -gefühl bestimmt. Darin erweitern wir etablierte Ansätze um eine neurowissenschaftliche Methodik, um Daten explizit wie implizit erheben zu können. Drittens, präsentieren wir Designs und deren Evaluation aufbauend auf unserem Toolkit und Framework. Die Alternativen untersuchen Kontrolle bei verschiedenen Automatisierungsgraden und inhaltsbasierten Interaktionen. Auftretende Verdeckung durch graphische Elemente, wurde dabei durch visuelle Reduzierung und Mid-Air Gesten kompensiert. Unsere Studien implizieren hohe Grade an Kontrollqualität und -gefühl bei unseren Ansätzen, die zudem kreatives Arbeiten und bestehende Praktiken unterstützen.Cinematographers often use supportive tools to craft desired camera moves. Recent technological advances added new tools to the palette such as gimbals, drones or robots. The combination of motor-driven actuation, computer vision and machine learning in such systems also rendered new interaction techniques possible. In particular, a content-based interaction style was introduced in addition to the established axis-based style. On the one hand, content-based cocreation between humans and automated systems made it easier to reach high level goals. On the other hand however, the increased use of automation also introduced negative side effects. Creatives usually want to feel in control during executing the camera motion and in the end as the authors of the recorded shots. While automation can assist experts or enable novices, it unfortunately also takes away desired control from operators. Thus, if we want to support cinematographers with new tools and interaction techniques the following question arises: How should we design interfaces for camera motion control that, despite being increasingly automated, provide cinematographers with an experience of control? Camera control has been studied for decades, especially in virtual environments. Applying content-based interaction to physical environments opens up new design opportunities but also faces, less researched, domain-specific challenges. To suit the needs of cinematographers, designs need to be crafted with care. In particular, they must adapt to constraints of recordings on location. This makes an interplay with established practices essential. Previous work has mainly focused on a technology-centered understanding of camera travel which consequently influenced the design of camera control systems. In contrast, this thesis, contributes to the understanding of the motives of cinematographers, how they operate on set and provides a user-centered foundation informing cinematography specific research and design. The contribution of this thesis is threefold: First, we present ethnographic studies on expert users and their shooting practices on location. These studies highlight the challenges of introducing automation to a creative task (assistance vs feeling in control). Second, we report on a domain specific prototyping toolkit for in-situ deployment. The toolkit provides open source software for low cost replication enabling the exploration of design alternatives. To better inform design decisions, we further introduce an evaluation framework for estimating the resulting quality and sense of control. By extending established methodologies with a recent neuroscientific technique, it provides data on explicit as well as implicit levels and is designed to be applicable to other domains of HCI. Third, we present evaluations of designs based on our toolkit and framework. We explored a dynamic interplay of manual control with various degrees of automation. Further, we examined different content-based interaction styles. Here, occlusion due to graphical elements was found and addressed by exploring visual reduction strategies and mid-air gestures. Our studies demonstrate that high degrees of quality and sense of control are achievable with our tools that also support creativity and established practices

Understanding and designing for control in camera operation

Kameraleute nutzen traditionell gezielt Hilfsmittel um kontrollierte Kamerabewegungen zu ermöglichen. Der technische Fortschritt hat hierbei unlängst zum Entstehen neuer Werkzeugen wie Gimbals, Drohnen oder Robotern beigetragen. Dabei wurden durch eine Kombination von Motorisierung, Computer-Vision und Machine-Learning auch neue Interaktionstechniken eingeführt. Neben dem etablierten achsenbasierten Stil wurde nun auch ein inhaltsbasierter Interaktionsstil ermöglicht. Einerseits vereinfachte dieser die Arbeit, andererseits aber folgten dieser (Teil-)Automatisierung auch unerwünschte Nebeneffekte. Grundsätzlich wollen sich Kameraleute während der Kamerabewegung kontinuierlich in Kontrolle und am Ende als Autoren der Aufnahmen fühlen. Während Automatisierung hierbei Experten unterstützen und Anfänger befähigen kann, führt sie unweigerlich auch zu einem gewissen Verlust an gewünschter Kontrolle. Wenn wir Kamerabewegung mit neuen Werkzeugen unterstützen wollen, stellt sich uns daher die Frage: Wie sollten wir diese Werkzeuge gestalten damit sie, trotz fortschreitender Automatisierung ein Gefühl von Kontrolle vermitteln? In der Vergangenheit wurde Kamerakontrolle bereits eingehend erforscht, allerdings vermehrt im virtuellen Raum. Die Anwendung inhaltsbasierter Kontrolle im physikalischen Raum trifft jedoch auf weniger erforschte domänenspezifische Herausforderungen welche gleichzeitig auch neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnen. Um dabei auf Nutzerbedürfnisse einzugehen, müssen sich Schnittstellen zum Beispiel an diese Einschränkungen anpassen können und ein Zusammenspiel mit bestehenden Praktiken erlauben. Bisherige Forschung fokussierte sich oftmals auf ein technisches Verständnis von Kamerafahrten, was sich auch in der Schnittstellengestaltung niederschlug. Im Gegensatz dazu trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis der Motive und Praktiken von Kameraleuten bei und bildet eine Grundlage zur Forschung und Gestaltung von Nutzerschnittstellen. Diese Arbeit präsentiert dazu konkret drei Beiträge: Zuerst beschreiben wir ethnographische Studien über Experten und deren Praktiken. Sie zeigen vor allem die Herausforderungen von Automatisierung bei Kreativaufgaben auf (Assistenz vs. Kontrollgefühl). Zweitens, stellen wir ein Prototyping-Toolkit vor, dass für den Einsatz im Feld geeignet ist. Das Toolkit stellt Software für eine Replikation quelloffen bereit und erleichtert somit die Exploration von Designprototypen. Um Fragen zu deren Gestaltung besser beantworten zu können, stellen wir ebenfalls ein Evaluations-Framework vor, das vor allem Kontrollqualität und -gefühl bestimmt. Darin erweitern wir etablierte Ansätze um eine neurowissenschaftliche Methodik, um Daten explizit wie implizit erheben zu können. Drittens, präsentieren wir Designs und deren Evaluation aufbauend auf unserem Toolkit und Framework. Die Alternativen untersuchen Kontrolle bei verschiedenen Automatisierungsgraden und inhaltsbasierten Interaktionen. Auftretende Verdeckung durch graphische Elemente, wurde dabei durch visuelle Reduzierung und Mid-Air Gesten kompensiert. Unsere Studien implizieren hohe Grade an Kontrollqualität und -gefühl bei unseren Ansätzen, die zudem kreatives Arbeiten und bestehende Praktiken unterstützen.Cinematographers often use supportive tools to craft desired camera moves. Recent technological advances added new tools to the palette such as gimbals, drones or robots. The combination of motor-driven actuation, computer vision and machine learning in such systems also rendered new interaction techniques possible. In particular, a content-based interaction style was introduced in addition to the established axis-based style. On the one hand, content-based cocreation between humans and automated systems made it easier to reach high level goals. On the other hand however, the increased use of automation also introduced negative side effects. Creatives usually want to feel in control during executing the camera motion and in the end as the authors of the recorded shots. While automation can assist experts or enable novices, it unfortunately also takes away desired control from operators. Thus, if we want to support cinematographers with new tools and interaction techniques the following question arises: How should we design interfaces for camera motion control that, despite being increasingly automated, provide cinematographers with an experience of control? Camera control has been studied for decades, especially in virtual environments. Applying content-based interaction to physical environments opens up new design opportunities but also faces, less researched, domain-specific challenges. To suit the needs of cinematographers, designs need to be crafted with care. In particular, they must adapt to constraints of recordings on location. This makes an interplay with established practices essential. Previous work has mainly focused on a technology-centered understanding of camera travel which consequently influenced the design of camera control systems. In contrast, this thesis, contributes to the understanding of the motives of cinematographers, how they operate on set and provides a user-centered foundation informing cinematography specific research and design. The contribution of this thesis is threefold: First, we present ethnographic studies on expert users and their shooting practices on location. These studies highlight the challenges of introducing automation to a creative task (assistance vs feeling in control). Second, we report on a domain specific prototyping toolkit for in-situ deployment. The toolkit provides open source software for low cost replication enabling the exploration of design alternatives. To better inform design decisions, we further introduce an evaluation framework for estimating the resulting quality and sense of control. By extending established methodologies with a recent neuroscientific technique, it provides data on explicit as well as implicit levels and is designed to be applicable to other domains of HCI. Third, we present evaluations of designs based on our toolkit and framework. We explored a dynamic interplay of manual control with various degrees of automation. Further, we examined different content-based interaction styles. Here, occlusion due to graphical elements was found and addressed by exploring visual reduction strategies and mid-air gestures. Our studies demonstrate that high degrees of quality and sense of control are achievable with our tools that also support creativity and established practices