CN101923791A - 一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法 - Google Patents

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丁万
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Abstract

本发明涉及增强现实技术领域，提供一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，在使用的时候，将摄像头对准平面读物，获得真实世界的图像，再与计算机生成的虚拟物体合成之后在电脑显示器上输出。本方法对传统的汉字学习方法进行改良，通过结合增强现实技术，增强了汉字学习的拓展性，使得整个学习过程更加生动有趣。

Description

一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法
技术领域
本发明涉及增强现实技术领域，具体的说是一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法。
背景技术
传统的汉字学习方法大多采用书本类平面读物为载体，使用文字，图片作为信息传递的主要媒体手段，这样的学习方法死板、生硬，并且完全没有扩展性，长时间的学习会使人觉得枯燥乏味，没有吸引力。
随着多媒体技术的发展，许多平面读物根据读物内容配套多媒体光盘或者软件，这样的多媒体方式和书本相结合，使得书本更加生动，同时也极大的丰富和扩充了书本中的内容，但是，由于配套光盘需要在电脑上单独运行，在使用环境上和书本脱离，也造成了书本和多媒体资料脱节，缺少交叉组织关系，缺少同步感。这样的知识体系不够完整，没有立体性。
增强现实(Augment Reality，AR)技术可以将虚拟的物体合并到现实场景中，并能支持用户与其进行交互，它已经成为虚拟现实研究中的一个重要领域，也是人机界面技术发展的一个重要方向，同沉浸式的虚拟现实相比，增强现实不但应用的场合广泛，而且更加安全，因为增强现实系统可以让用户在看到虚拟物体的同时，仍能看到真实的场景，即使在停电和设备故障等情况下，也能保证用户的安全。AR系统中一般都包含以下4个基本步骤：获取真实场景信息；对真实场景和相机位置信息进行分析；生成虚拟景物；合并视频或直接显示。即图形系统首先根据摄像头的位置信息和真实场景中的定位标记来计算虚拟物体坐标到相机视平面的仿射变换，然后按照仿射变换矩阵在视平面上绘制虚拟物体，最后与真实场景的视频合并后，一起显示在普通显示器上。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，提供一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，本方法对传统的汉字学习方法进行改良，通过结合增强现实技术，增强了汉字学习的拓展性，使得整个学习过程更加生动有趣。
本发明一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，该方法中所述的平面读物页面上设有汉字和增强现实标识物，该方法包括以下步骤：
(1)增强现实系统环境初始化；
(2)通过摄像头捕获平面读物当前视频帧，即通过摄像头捕捉到实时视频图像，并获取相关图像信息，并根据这些图像信息数据分配内存，存储图像信息；
(3)对帧图像数据进行处理，获得处理后的二值图像；
(4)检测二值图像，寻找增强现实标识物的黑色方框；
(5)若找到黑色方框，定位黑色方框的边，角，并保存相关数据，否则返回步骤(2)；
(6)通过保存的黑色方框边，角相关数据，进行增强现实标识物的定位；
(7)判断增强现实标识物的类型，并执行相应操作；
(8)操作完毕返回步骤(2)，开始对下一帧实时图像进行处理。
在上述技术方案中，步骤(1)中的初始化过程具体包括A1.用于读取二维实时图像数据和虚拟数据的API应用环境的初始化；A2.摄像头的内部参数初始化；A3.增强现实标识物相关数据的读取。
在上述技术方案中，步骤(6)中的增强现实标识物分为两类，即F1.类型标识物、F2.交互标识物。
在上述技术方案中，所述类型标识物是用于确定该平面读物页面所对应的虚拟数据，对类型标识物的操作步骤为：
F11.匹配类型标识物；
F12.根据类型标识物与黑色方框的相对位置，进一步对虚拟数据定位，以增加虚拟数据与读物页面的贴合度。
在上述技术方案中，所述交互标识物对应了具体的交互操作，若按下交互标识物即对标识物进行遮挡，则交互标识物对应的功能启动，对交互标识物的操作步骤为：
F21.检测交互标识物，确定对应的功能类型；
F22.判断交互标识物的当前状态即是否被遮挡，并将当前状态信息保存下来；
F23.根据之前保存的状态信息数据，对交互标识物的状态变化进行模式匹配，以确定标识物是否被按下；
F24.若按下标识物，则进行相应的功能操作。
在上述技术方案中，所述平面读物页面上的增强现实标识物包括“互动学习”，该交互标识物是使用“互动数字方块”进行互动学习；“互动数字方块”为一个正方体框，每一个面都可以插入一张卡片，每一个面都设有类型标识物，每个汉字配有六张卡片，分别对应此汉字的字形、字义、字源、造句、英文，另外还留有一张卡片待用，当插入卡片之后，将数字方块对准摄像头，摄像头读取数字方块所对应的面，来获得信息，继而在电脑上播放相应的动画视频，以助学习者学习相应内容。
本发明采用增强现实技术和平面读物相结合的方式，在使用的时候，将摄像头对准平面读物，获得真实世界的图像，再与计算机生成的虚拟物体合成之后在电脑显示器上输出。
通过这种技术手段，读者既可以选择使用增强现实技术进行多媒体扩展阅读，也可以在条件不允许的情况下，单独阅读书本内容。这种灵活的方式不仅极大的丰富拓展了读物原本的内容，也使得多媒体资料和书本紧密联系，构建出同步、完整、立体的知识体系。
本发明对比现有技术和传统读物具有以下优点：
1.增强现实技术本身是在真实的环境下叠加虚拟物品，使用此技术可以让阅读者有一种身临其境的真实感和场景代入感。
2.使用增强现实技术的读物浏览方式很新颖，再加上超前的人机交互方式，有更强的互动性，趣味性，也更容易吸引阅读者的注意力。
3.相对高成本的虚拟现实设备，本系统只需要摄像头和个人电脑(PC)这样相对成本较低的设备。
附图说明
图1为本发明实施例中结合增强现实技术的汉字学习平面读物版面示意图。
图2为本发明实施例中数字互动方块示意图。
图3为本发明实施例的实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本实施例提供的一种结合增强现实技术的汉字学习平面读物版面示意图。
页面上主要包含以下内容：
田字格汉字：以田字格为背景，所学习的汉字以隶书字体书写，有利于学习汉字的字形。
相关插图：配以与汉字相关的图片，以帮助读者学习汉字，形象的理解汉字的意思。
文字说明：与相应汉字内容相关的解释性说明文字，也可以是汉字相关的词语，造句，或者英文。
增强现实平面标识物：当平面读物置于摄像头之下后，不同的标识物有不同的功能，当标识物被遮挡后可以进入相关的环节，分别为“拼字游戏”、“互动学习”和“帮助”。
以下对三个环节进行具体说明：
“拼字游戏”：此环节使用所学习汉字对应的各个笔画的3D模型在田字格为背景的空间内拼接，学习者可以控制各个笔画模型在空间中随意移动，在拼字过程中必须保持汉字笔画顺序正确，当汉字笔画模型移动到相对应的正确位置时，拼字过程结束。拼字环节的主要目的是帮助汉字学习者掌握汉字书写的笔画顺序，并让学习者在拼字过程中对汉字的字形有较深刻的印象。
“互动学习”：此环节使用“互动数字方块”进行互动学习。如图2所示，“互动数字方块”为一个正方体框，每一个面都可以插入一张卡片，每一个面都设有类型标识物，每个汉字配有六张卡片，分别对应此汉字所对应的字形、字义、字源、造句、英文，另外还留有一张卡片待用，当插入卡片之后，将数字方块对准摄像头，摄像头读取数字方块所对应的面，来获得信息，继而在电脑上播放相应的动画视频，以助学习者学习相应内容。“互动数字方块”是一种新颖的交互模式，摆脱了传统以鼠标键盘为中心的操作模式，在满足功能性的同时也提供了一定的趣味性。而数字方块所提供的一个汉字多个角度的视频学习内容，使学习者的学习更加具有系统性和立体性。
“帮助”：此环节则通过播放视频的方式对汉字学习的平面读物进行解释说明，以助于学习者了解各部分的使用方式。
本平面读物在不使用摄像头和电脑配套相关学习软件的时候，完全可以当成普通读物进行阅读，在配合相应软件使用时，将电脑连接摄像头对准读物，由软件获得相关标识物信息后，就可以对其进行互动操作。当平面读物上的特殊标识物被遮挡时，软件就会进行相应的操作，这些操作包括“拼字游戏”，“互动学习”，“帮助”。进入“互动学习”环节之后，使用“互动数字方块”进行控制。将“互动数字方块”对准摄像头，摄像头获取图像信息之后电脑播放相关学习视频。
如图3所示，利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法的实现步骤如下：
101：系统环境初始化；其中具体包括A1.用于读取二维实时图像数据和虚拟数据(三维模型，多媒体文件等)的API应用环境的初始化；A2.摄像头的内部参数初始化，包括焦距，形变等；A3.增强现实标识物相关数据的读取，用于之后标识物的查找，匹配。
102：获取平面读物当前视频帧，具体指通过摄像头捕捉到实时视频图像，并获取相关图像信息，如长，宽(这两个参数的单位一般均为像素)，图像格式，颜色存储方式等，并根据这些数据分配内存，并将图像信息存储在其中。举例来说，若摄像头捕获的图像数据为320像素X240像素，图像格式为bmp，颜色存储方式为BGR，则需要320*240*3个字节来存储图像数据。
103～105：获得实时图像的数据之后，将对其进行必要的处理，以尽量剔除不需要的数据而只保留必要的。具体包括图像灰度处理，二值化以及轮廓提取。举例来说，若图像颜色存储格式为RGB，即每一个像素对应的红，绿，蓝颜色信息各占一个字节，则可以用电信联盟的标准亮度计算公式即
Y＝0.2126*red+0.7152*green+0.0722*blue
来进行处理，也可以采用将RGB颜色存储格式转换成HSV(Hue，Saturation，Value)格式，然后再将H，S，V分量进行分离，从而可以得到三个灰度值图像。得到灰度值图像之后，再设定阈值将图像二值化。
得到二值化图像之后，再通过寻找连通域进行轮廓，边界检测等步骤查找当前图像中的凸四边形方框即增强现实标识物的黑色方框(由于翻转，旋转以及摄像头的自身特性，黑色方框在实时图像中会有形变，因此不能严格遵循正方形的特征来寻找黑色方框)，找到之后将方框的位置信息保存下来，具体来说主要信息有：方框的几何中心坐标，方框四个外顶点的坐标，方框的四条边对应的直线方程，具体数值通过像素坐标系来确定。
106：得到方框的相关位置坐标之后，就可以对标识物进行定位。其原理是利用移动的过程中页面各个部分的相对位置基本保持不变。而页面在移动过程中整体因旋转，翻转而发生的形变可以根据方框的当前相关坐标参数和初始设计参数(边长，边框宽度等)进行计算从而得到变换矩阵。具体计算方法跟页面的设计排版格式有关。当得到标识物所应在的位置坐标之后，则对以该坐标为中心的一个足够大的区域进行检测，以判断是否存在系统所能够识别并匹配的标识物。
107：类型标识物有两个作用：一是用于决定该页面对应的数据内容，例如，页面对应的为汉字的三维模型或其他类型的虚拟数据，或该页面对应的是汉字的学习视频或其他类型的虚拟数据；二是用于定位三维模型的方向(类型标识物与方框的相对位置保持不变)，以使得书页在移动翻转时三维模型也可以跟着一起移动翻转，这样有利于增强展示效果。
108：匹配成功类型标识物并获得其位置坐标之后，就可以结合之前获得的矩形方框的位置坐标，以及摄像头的相关参数进行二维坐标向三维坐标的转换。
109～110：交互标识物的作用类似按钮，即系统通过交互标识物状态的变化来检测是否发生交互信息。举例来说，系统检测并匹配到交互标识物C，其对应的功能是播放该页面对应的视频。第t帧的时候，系统发现C被遮挡，而在第t-1帧的时候C未被遮挡，此时系统将C的状态变化记录下来，作为有可能发生交互的候选。若在之后的第t’-1和第t’时刻C的状态分别为遮挡，未遮挡，则说明C被“按下”，此时视频开始播放。若系统检测到页面的类型标识物状态发生改变，则交互标识物的状态变化清空。
111：当确定页面对应的内容以及当前发生的具体交互之后，即可进行操作，操作完毕即转101，开始对下一帧实时图像进行处理。

Claims (6)

1.一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，该方法中所述的平面读物页面上设有汉字和增强现实标识物，该方法包括以下步骤：
(1)增强现实系统环境初始化；
(2)通过摄像头捕获平面读物当前视频帧，即通过摄像头捕捉到实时视频图像，并获取相关图像信息，并根据这些图像信息数据分配内存，存储图像信息；
(3)对帧图像数据进行处理，获得处理后的二值图像；
(4)检测二值图像，寻找增强现实标识物的黑色方框；
(5)若找到黑色方框，定位黑色方框的边，角，并保存相关数据，否则返回步骤(2)；
(6)通过保存的黑色方框边，角相关数据，进行增强现实标识物的定位；
(7)判断增强现实标识物的类型，并执行相应操作；
(8)操作完毕返回步骤(2)，开始对下一帧实时图像进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，其特征在于：步骤(1)中的初始化过程具体包括A1.用于读取二维实时图像数据和虚拟数据的API应用环境的初始化；A2.摄像头的内部参数初始化；A3.增强现实标识物相关数据的读取。
3.根据权利要求1所述的一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，其特征在于：步骤(6)中的增强现实标识物分为两类，即F1.类型标识物、F2.交互标识物。
4.根据权利要求3所述的一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，其特征在于所述类型标识物是用于确定该平面读物页面所对应的虚拟数据，对类型标识物的操作步骤为：
F11.匹配类型标识物；
F12.根据类型标识物与黑色方框的相对位置，进一步对虚拟数据定位，以增加虚拟数据与读物页面的贴合度。
5.根据权利要求3所述的一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，其特征在于所述交互标识物对应了具体的交互操作，若按下交互标识物即对标识物进行遮挡，则交互标识物对应的功能启动，对交互标识物的操作步骤为：
F21.检测交互标识物，确定对应的功能类型；
F22.判断交互标识物的当前状态即是否被遮挡，并将当前状态信息保存下来；
F23.根据之前保存的状态信息数据，对交互标识物的状态变化进行模式匹配，以确定标识物是否被按下；
F24.若按下标识物，则进行相应的功能操作。
6.根据权利要求1所述的一种利用增强现实技术与平面读物相结合的汉字学习方法，其特征是：所述平面读物页面上的增强现实标识物包括“互动学习”，该交互标识物是使用“互动数字方块”进行互动学习；“互动数字方块”为一个正方体框，每一个面都可以插入一张卡片，每一个面都设有类型标识物，每个汉字配有六张卡片，分别对应此汉字的字形、字义、字源、造句、英文，另外还留有一张卡片待用，当插入卡片之后，将数字方块对准摄像头，摄像头读取数字方块所对应的面，来获得信息，继而在电脑上播放相应的动画视频，以助学习者学习相应内容。
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