基于增強現(xiàn)實的虛擬教學系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種適用于教育系統(tǒng)，通過人機交互，將虛擬物體疊加到標示物上并且在投影儀上展現(xiàn)出來，方便為同學們提供各種各樣復雜的模型，通過程序可以實現(xiàn)模型的變換，旋轉等操作，使得同學們對模型有一個深入的了解。且具有價格成本低，使用方便，硬件設備方便等特點。
【專利說明】基于增強現(xiàn)實的虛擬教學系統(tǒng)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明是涉及一種計算機圖形技術以及空間定位技術，具體地說是涉及一種AR增強現(xiàn)實技術應用于教育的發(fā)明。

【背景技術】
[0002]增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱之為混合現(xiàn)實。它通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。傳統(tǒng)的產(chǎn)品展示方法，是將產(chǎn)品實物在現(xiàn)場進行展示，這種方式不僅需要在現(xiàn)場準備好產(chǎn)品實物，而且需要考慮諸多問題，包括產(chǎn)品的運輸成本(如產(chǎn)品體積較大、產(chǎn)品精密程度較高而具有怕震易碎的特性等)、產(chǎn)品在展示過程中損壞時的緊急預案、展示人員的誤操作等。一旦出錯，會對所展示的產(chǎn)品產(chǎn)生許多負面影響，也會給企業(yè)帶來不小的損失。而利用增強現(xiàn)實技術，將事先準備好的虛擬產(chǎn)品實物模型，利用計算機技術將虛擬模型疊加在真實的展示場景中，并可以添加事先做好的動畫特效，從而將合成影像展示給客戶，如此一來，就無需將產(chǎn)品實物帶到現(xiàn)場，不必考慮產(chǎn)品實物會損壞，也不必擔心展示人員的誤操作。利用增強現(xiàn)實技術來實現(xiàn)產(chǎn)品展示，可以通過攝像機來拍攝不含產(chǎn)品的展示場景，其中可由展示人員手持一種具有標定功能的參照物品，然后利用增強現(xiàn)實手段，在參照物品上疊加所要展示的展品，并允許添加相應的動畫，從而完成生動、自然的產(chǎn)品展示。所以將這項技術應用到教學上，在課堂上展現(xiàn)一定的虛擬場景，使得原本單調的課堂變得豐富多彩，將那些復雜而抽象的概念以形象生動的方式進行說明，從而充分地調動學生的積極性，有效地改善師生之間的互動，并有利于學生對知識的把握和吸收，增強課堂學習效果，提高學習效率。


【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明目的是克服了現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種基于ART00LKIT增強現(xiàn)實技術應用于教育系統(tǒng)的發(fā)明。本課題的研究目的是基于增強現(xiàn)實技術在Intel嵌入式開發(fā)板進行開發(fā)，從而應用在課堂上，展現(xiàn)一定的虛擬場景，使得原本單調的課堂變得豐富多彩，將那些復雜而抽象的概念以形象生動的方式進行說明，從而充分地調動學生的積極性，有效地改善師生之間的互動，并有利于學生對知識的把握和吸收，增強課堂學習效果，提高學習效率。其實用功能如下:
1、模型的平移、旋轉和縮放
在實際操作的過程中，教師可以通過軟件調節(jié)模型所在的位置、調節(jié)模型進行旋轉以觀測四周、進行縮放以改變大小。從而可以使得所需要呈現(xiàn)的場景以任何大小被放置在任何同學的身邊，以便于同學們的觀賞。
[0004]2、模型的動態(tài)實現(xiàn)和播放控制
為了呈現(xiàn)更加逼真的效果，系統(tǒng)可以通過程序控制，使得所要展現(xiàn)的模型產(chǎn)生所需要的動態(tài)效果，并可以通過軟件進行播放的控制，使教師可以在適當?shù)臅r候暫停播放，并做相應的講解和說明。
[0005]3、模型庫的增減
為了適應不同教學科目的需要，系統(tǒng)設置了不同科目庫文件的導入，在實際的使用中，只需要選取適當?shù)目颇凯h(huán)境，我們就可以呈現(xiàn)該科目所需要的模型。這樣，使得系統(tǒng)的使用變得簡單和廣泛，并具有很強的擴展性。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn):
本系統(tǒng)將攝像頭作為視頻輸入設備，LPD光學投影機作為視頻輸出設備，Intel嵌入式開發(fā)板為計算設備，實現(xiàn)一套完整現(xiàn)實增強產(chǎn)品展示系統(tǒng)。
[0006]終端設備搭載的控制端軟件，使用ARToolkit工具集，對攝像機獲取的圖像進行識別，以確定標識物的位置，然后在相應位置處疊加所要展示的產(chǎn)品，最后將合成加工后的圖像傳輸給投影儀進行顯示。
[0007]本系統(tǒng)的設計目的是最大限度的發(fā)揮Intel? EPCM-505C嵌入式開發(fā)板的特性，在Windows Embed Standard 7系統(tǒng)上,采用ARToolkit增強現(xiàn)實庫實現(xiàn)基將電腦虛擬的圖像覆蓋到真實世界畫面中的功能，即在一定距離內，識別標識物，并電腦虛擬的圖像覆蓋標記卡所示的位置的真實世界畫面，最后輸出經(jīng)過疊加的圖像。
[0008]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
1、良好的便攜性:對于開發(fā)板本身而言，由于整個開發(fā)板的物理尺寸很小，所以具有良好的便攜性。并且當開發(fā)板形成產(chǎn)品后，在更高的工藝上進行生產(chǎn)，可以在體積上做得更小，集成度上做得更大，甚至可以通過精簡無用的硬件，將此開發(fā)板做成頭盔或眼鏡。對于其他外圍設備而言，包括攝像頭、投影儀，都是可以做到便攜的設備。并且對于大多數(shù)會場來說，都會提供這些必要設備，所以有時這些設備是不需要額外攜帶的。
[0009]2、性能充足且成本和功耗較低:所采用的Intel?EPCM_505C開發(fā)板內部繼承了Intel?Atom E645C處理器，和一顆型號為Altera EP2AGXE6XX的FPGA。這款處理器的功耗低，并且內部集成了圖形處理器等相應期間，在器件集成度上做得很高，所以降低了相應的成本。而這款FPGA的作用，是輔助做視頻處理的器件，該FPGA可以提供快速的視頻處理功能，而消耗較少地資源。有了 FPGA，就無需大量的外圍電路，用于圖像處理等，節(jié)約了大量的硬件成本，包括設計成本和損耗、維護成本。
[0010]3、實現(xiàn)設備簡單:本系統(tǒng)外圍設備只需要一個普通的攝像頭與投影儀即可。本系統(tǒng)演示用AV接口的監(jiān)控攝像頭，價格低廉，不需任何改裝，調整好角度方位即可使用本系統(tǒng)。同類產(chǎn)品實現(xiàn)設備中，攝像頭需增加濾光片才能捕捉，甚至個別方案需購買特殊的紅外攝像頭方可正確捕捉。本系統(tǒng)的攝像頭亦可用于視頻通話、投影功能。相比同類產(chǎn)品之下，本系統(tǒng)在使用不進行任何改裝的攝像頭，仍可完成相同的功能，達到了攝像頭的多用。在圖像處理方面，因為開發(fā)板集成了 FPGA，也不需要其他專用設別。綜上所述，本系統(tǒng)實現(xiàn)設備較為簡單。
[0011]4、可移植性好:系統(tǒng)采用開源的ARToolkit工具集、OpenGL工具集和OpenMp工具集，均可以在多種操作系統(tǒng)和平臺上使用。雖然軟件方面采用的MFC框架只能在Windows平臺上運行，但MFC的編程代碼，與開源跨平臺的WxWidget框架編程方式非常相似，由MFC設計的程序代碼，只需很少的改動，即可編程WxWidget框架的程序。之所以本系統(tǒng)軟件未采用Qt框架進行設計，是因為Qt使用的是自帶的界面API，而MFC和WxWidget采用的是系統(tǒng)原生的界面API，在效率上優(yōu)勢更大。不僅如此，MFC僅作為應用程序框架，來支撐系統(tǒng)軟件，而軟件的核心算法，均是由開源工具集實現(xiàn)，核心部分具有良好的可移植性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是系統(tǒng)整體設計框架圖圖2是ARToolkit程序整體流程。

【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:
本課題所開發(fā)的現(xiàn)實增強系統(tǒng)，通過對虛擬場景的設定，可以對教師的教學提供必要的補充。當教師在播放幻燈片講課時，可能會遇到一些復雜的模型，如水利上的大壩模型，需要對其做各個部分的講解；再如遠古的動植物，需要對其進行做適當?shù)拿枋觯辉谖锢硐嚓P的課程上，物體的各種運動，需要學生的空間想象，這些都可以通過本課題所開發(fā)的增強現(xiàn)實系統(tǒng)所建立的模型來解決這些問題。使用本課題所開發(fā)的現(xiàn)實增強系統(tǒng)來解決問題的方法也很簡單，只需要在系統(tǒng)中加入適當?shù)哪Ｐ蛶?，就可以在課上任何需要的時候，在投影儀上展現(xiàn)出所需的場景。通過本系統(tǒng)，教師可以展現(xiàn)一個消失多年的恐龍模型，讓它置于同學們的周圍；還可以在同學們的眼前重現(xiàn)神州九號飛船發(fā)射及升空的模擬場景，用生動形象的模型動畫，讓大家了解身邊的科技。本系統(tǒng)主要是通過對現(xiàn)實中標示物的捕捉，通過程序的運行，使得已經(jīng)設計好的3D模型在電腦中疊加到虛擬物體上，然后通過投影儀展現(xiàn)給大家。3D模型的設計涉及到3Dmax等專業(yè)軟件工具,捕捉標示物等需要使用AR技術。AR中還有許多現(xiàn)有的模型庫可以使用。
[0014]本發(fā)明中涉及的未說明部份與現(xiàn)有技術相同或采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
【權利要求】
1.一種虛擬現(xiàn)實技術，包括ARtoolkit技術和3D技術,其特征是:所述采用AR技術實現(xiàn)物體的疊加；所述使用3D技術實現(xiàn)模型的制作。
2.根據(jù)權利要求1所述的ARtoolkit技術，其特征是:所述對運行硬件的要求較低、且有較強的圖像處理能力；所述平臺相關性較低。
3.根據(jù)權利要求1所述的3D模型技術，其特征是:所述目前3D軟件較多；所述可以實現(xiàn)各種各樣模型的制作。
【文檔編號】G09B5/02GK104464389SQ201310418080
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年9月15日 優(yōu)先權日:2013年9月15日
【發(fā)明者】高蓉 申請人:南京大五教育科技有限公司