CN104517489A - 教学用虚拟实验台 - Google Patents

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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
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    • G—PHYSICS
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
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Abstract

本发明一种适用于主要通过3D全息成像技术和体感技术实现的虚拟实验台，具体地说是一种几乎可以完全取代现有学生实验台的，让学生亲自体验验证性实验的操作过程，并根据学生的操作向学生展示不同实验结果的虚拟实验台。本发明通过3D立题成像、动作识别、人脸识别、实验选择、操作纠错、实验示范，六大功能，以解决在传统实验教学过程中学生缺乏动手能力，对各种实验现象缺乏深入理解，以及各种实验器材消耗大的问题。

Description

教学用虚拟实验台
技术领域
本发明是涉及一种主要通过3D全息成像技术和体感技术实现的虚拟实验台，具体地说是一种几乎可以完全取代现有学生实验台的，让学生亲自体验验证性实验的操作过程，并根据学生的操作向学生展示不同实验结果的虚拟实验台。
背景技术
中小学传统的实验教育方式通常为教师在讲台上进行详细讲解并演示实验过程。虽然这种方式直观形象，但还是存在着实验过程不可感和实验表现力有限等缺陷。教师的表达能力和学生的理解能力受到制约。传统的教学方式，学生无法深入体会实验的过程，导致理解片面，并且缺乏实际动手能力的训练。
在东部部分发达城市的部分中学中设立了一些专门供教学使用的实验室，但是由于实验仪器昂贵，化学和生物实验材料消耗极大，导致只有很小部分实验课程可以让学生实践，而大多仍以传统方式进行。而且这些大量消耗的各种生化制品，在一定程度上加剧了我国的生态环境的恶化。而用于购买这些材料和仪器的资金，本可用于改善学生平时的学习和生活环境。
在iPhone 问世之前，智能手机一直在沿袭键盘和鼠标的信息输入方式。键盘是必须有的，不能少于10 个；鼠标太大，对位置的指示采用触摸的方式完成。
但多点触摸打开了另外一扇窗户，它让所有人意识到其实键盘可以成为触摸的一部分，而很多命令其实能通过多个手指在触摸屏上划动方式的不同来完成，比如放大和缩小图片。
而“虚拟试衣系统”已经通过一系列人体骨骼和人体姿态识别系统，很好得解决了有关3D影像呈现以及3D影像和人体同步的问题。
发明内容
本发明的目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种用于中小学学校中物理、化学、生物实验教学的虚拟实验台，使得在中小学实验教学过程中能够节省大量的实验材料、试验设备，从而在方便教学过程的过程中可以有效地节约自然资源和实验教学经费。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种教学用虚拟试验室，包括：
体感设备，用于实时获取学生的实验操作信息；
体感设备控制器，从体感设备中获取实时数据，对该数据进行处理，并将识别到的人物信息以骨骼的形式返回；
姿势识别模块，获取从体感设备控制器返回的骨骼信息，根据姿势识别算法，分析出用户在体感设备前做出的各种静态动作；
手势识别模块，通过从体感设备控制器返回的连续数据，分析出用户在体感设备前做出的动态动作；
骨骼绑定模块，将实验设备上的关键点与用户骨骼信息一一对应，以获得虚拟实验的效果；
3D全息成像模块，将实验过程中将会用到的器材和实验的整个过程用3D全息成像的方式在实验台上展示出来。
(2)所述手势识别模块通过连续检查最近20 个缓存的手掌所在点的数据，如果发现匹配则触发识别事件并清空所有缓存点数据。
(3)所述手势识别模块对手势的定义包括：手掌位置列表，手势列表。
(4)所述手势识别模块通过遍历缓存点数据，并逐一检测每个点的方向、位移、时间差是否符合要求，如果不符合则设置起始检测位置为当前不符合要求的点的位置；如果符合要求，则从起始检测位置遍历到当前点位置，并逐一比较遍历的两点之间的长度与时间差，如果有任意一组匹配成功，则表示手势检测成功，退出程序，否则继续遍历后续的缓存点数据。
(5)所属3D成像模块包括：所有常见仪器、材料和实验过程中各种变化的模拟影像，能够在实验台运行过程中把这些影像投射到实验台上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在学校实验教学过程中使用该系统，不但可以节约实验教学经费、节约各种实验资源，而且不会影响实验教育效果，可以让同学们切实的感受实验。采用姿势识别和手势识别系统，学生无需使用实验设备即可完成各种实验操作，增强设备的使用安全性和耐久性。系统界面设计合理，符合用户一般操作习惯，能适应不同身高和体型的用户。软件有很强的扩展性，方便商家、各实验机构和各教育机构进行信息的扩展和更新。产品体积适中，与传统实验台大小类似，便于在现有的教学楼中安装和使用。
附图说明
图1是表示教学用虚拟实验台的结构
图2是实验台的基本工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本实施例的虚拟试衣系统由一系列体感摄像头、一套3D成像设备和一套软件系统组成。
如图1 所示，虚拟试衣系统由以下部分构成：体感设备，体感设备控制器；负责处理用户动作识别的姿势识别检测和手势识别检测模块；负责提供数据合成的深度匹配和骨骼绑定模块；为用户提供操作指示和反馈的用户界面逻辑模块；负责向外部显示器输出信号的3D全息成像模块。
本发明主要有一下功能：
3D立体成像：3D成像技术使得实验器材十分具象可感。
人脸识别：根据学生输入的学号，连接到学生资料库中，调取该学生的照片对比，以确定使用该系统的人员。
动作识别：通过学生的动作来控制3D模型的变化。
实验选择：可以呈现不同的实验器材、实验动作、实验结果，以适应各种常见的实验。
实验示范：可以向学生呈现正确的实验过程。
操作纠错：把学生的实验操作与标准操作对比，从而指出学生的错误并帮之纠正。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种教学用虚拟实验台，包括体感设备控制器，从体感设备中获取实时数据，对该数据进行处理，并将识别到的人物信息以骨骼的形式返回；姿势识别模块，获取从体感设备控制器返回的骨骼信息，根据姿势识别算法，分析出用户在体感设备前做出的各种静态动作；手势识别模块，通过从体感设备控制器返回的连续数据，分析出用户在体感设备前做出的动态动作；骨骼绑定模块，将虚拟衣物上的关键点与用户骨骼信息一一对应，以获得虚拟试衣的效果；深度匹配模块，控制虚拟衣物与体感设备彩色数据的压盖关系，以获得真实的视觉表现；逻辑模块，为用户提供操作指示和反馈用户界面；渲染模块，负责向外部显示器输出信号。
2.根据权利要求1所述的教学用虚拟实验台：所述手势识别模块通过连续检查最近20 个缓存的手掌所在点的数据，如果发现匹配则触发识别事件并清空所有缓存点。
3.根据权利要求2 所述的教学用虚拟实验台，其特征在于：所述手势识别模块对手势的定义包括：手掌位置列表，手势列表。
4.根据权利要求1 所述的虚拟试衣系统，其特征在于：所述骨骼绑定模块对虚拟器材的定义包括：3D 实验器材模型，体感骨骼名称- 模型骨骼名称映射表。
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