CN106710318A - 一种根据手绘图案构建物理实验的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种根据手绘图案构建物理实验的方法,所述方法为:电子画板接收到用户的手绘图案;识别出手绘图案中各物体的轮廓;结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;对识别出的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。所述方法实现从电子画板上的板书识别出静件、动件和箭头,进而通过添加物理引擎来模拟物理实验,便于老师快速学习,便于课堂上直接应用,使课堂教学更加生动有趣。
Description
技术领域
本发明涉及电子教学技术领域,特别涉及一种根据手绘图案构建物理实验的方法。
背景技术
在现有的电子教学领域,已出现了通过软件模拟物理实验的方法,具体操作步骤为:在软件中预设有工具箱,使用时,将工具箱中的器材拖入场景中,对器材进行组装,最后对器材施加物理引擎以驱动器材,完成对器材的试验模拟。这种方式的缺陷为:1、学习难度比较大,学习成本比较高,操作者需要了解软件中各个器材的特性;2、对教学而言,老师无法从传统的黑板平滑过渡到现代化教学。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种根据手绘图案构建物理实验的方法,能够将老师手绘的图案转换为物理实验的模型,并进行物理实验模拟,实现手绘板书与电子教学的对接。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种根据手绘图案构建物理实验的方法,所述方法为:
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
对识别出的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
本发明的有益效果在于:将电子画板上接收到的手绘图案进行轮廓识别,再进行静件、动件及箭头区分,然后添加物理引擎后进行运动模拟,将在电子画板上板书的手绘图案识别成与物理实验相关的静件、动件及箭头,赋予物理引擎后直接进行运动模拟,实现手绘图案与物理实验模型的对接,大大降低老师学习使用的难度,如果在课堂上直接应用,会使课堂教学更加生动有趣。
附图说明
图1为本发明的实施例一的根据手绘图案构建物理实验的方法的流程图;
图2为本发明实施例二的根据手绘图案构建物理实验的方法的流程图;
图3为本发明实施例三的手绘图案的示意图;
图4为本发明实施例三的手绘图案中的线条转换为规则的线条后的示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于:将老师板书的手绘图案画在电子画板上,并对手绘图案进行静件、动件及箭头的分类识别,建立起物理实验模型,再结合物理引擎,可实现在课堂上快速直观地模拟出物理实验过程。
本发明涉及的技术术语解释见表1:
表1
请参照图1以及图2,本发明提供了一种根据手绘图案构建物理实验的方法,所述方法为:
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
对识别出的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
进一步的,所述方法具体为:
学习记录多个单一类型物体的用户手绘图案,并模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中;
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
从学习库中分别查找出与静件、动件及箭头属于同一类型物体的绘图模型,并用查找出的绘图模型替换与之对应的静件、动件及箭头;
对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
由上述描述可知,通过建立一个学习库,对用户的手绘图案进行学习,以便在后续使用过程中快速准确识别到该类型物体,所谓同一类型物体,例如,小车、箭头、地面、桌子互为不同类型物体,如果画的均为小车,则属于同一类型物体;对于同一类型物体,根据多个用户手绘图案模拟出一个绘图模型存储在学习库中,在实际操作中遇到与该类型物体对应的绘图模型时,用该绘图模型替换与之对应的物体,便于规范同一类型物体运动时的形状,便于通过对绘图模型提前赋予特性来减少在操作过程中使用的时间,也减少学习库的存储空间;物理实验中各物体手绘时主要绘制轮廓,运动中需要的类型为静件、动件和力,在这里用箭头代表力及力的方向,对手绘图案的识别,先识别出轮廓,再辨别该物体是静件、动件还是箭头,不易辨别错误,且使计算机处理速度快;对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎,以对动件的受力及运动情况进行准确的限定。
进一步的,在识别出手绘图案中各物体的轮廓之前,还包括:
将手绘图案中的各线条转换为规则的线条。
由上述描述可知,将手绘图案中的各线条转换为规则的线条,例如将手绘直线转换为规则的直线,将手绘圆形转换为规则的圆形,将手绘圆弧转换为规则的圆弧,便于计算机在后续步骤中对图案中的线条进行快速识别处理。
进一步的,学习记录多个单一类型物体的用户手绘图案,并模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中,具体为:
学习记录多个单一类型物体朝向同一方向的用户手绘图案;
从多个单一类型物体的用户手绘图案中提取出共同的结构特征和位置关系特征;
根据提取出的共同的结构特征和位置关系特征模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型;
将模拟出的单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中。
由上述描述可知,在对同一类型物体的用户手绘图案进行学习时,使用户手绘图案朝向一致,便于快速准确从多个用户手绘图案中识别到该类型物体的共同的结构特征和位置关系特征;结构特征是指物体包含的形状个体和形状个体数量,形状个体是指矩形、三角形、圆形、直线段等,位置关系是指各形状个体之间的位置关系,通过结构特征和位置关系特征便于对同一类型物体进行识别。
进一步的,识别出手绘图案中各物体的轮廓,具体为:
从电子画板的左上角开始,按照从左到右和从上到下的顺序遍历搜索电子画板上的点;
若搜索到第一个绘图点,则接着搜索与第一个绘图点依次相连的其他绘图点,直至将与第一个绘图点依次相连的绘图点全部搜索到,组成第一个轮廓;
在第一个轮廓的外部继续搜索第二个绘图点,若搜索到第二个绘图点,则接着搜索与第二个绘图点依次相连的全部绘图点,组成第二个轮廓;
在第一个轮廓和第二个轮廓以外继续搜索其他绘图点,直至将所有的轮廓都找到,其中一个轮廓对应一个物体。
由上述描述可知,先识别出手绘图案中的一个点,然后根据轮廓上的点是连续的这一特征,先依次找出与该点连续的点,然后组成一个轮廓;又物理实验中不同物体的轮廓之间是独立的,因此不同物体的轮廓绘制成不相交,即可将不同物体区分开来,也使能快速对独立的物体进行识别。
进一步的,结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头,具体为:
提取其中一个物体的轮廓;
若该物体的轮廓符合学习库中关于箭头的绘图模型,则该物体为箭头;
若该物体的轮廓内有斜线,则该物体为静件;
否则,该物体为动件;
提取下一个物体的轮廓,重复上述步骤进行识别。
由上述描述可知,物理实验中的箭头一般为三根相交于一点的直线段组成的物体,静件和动件一般为具有封闭轮廓的物体,箭头与静件和动件具有明显不同的特征,因此箭头较易识别,先对箭头进行识别,然后分析判断其他物体分别为静件还是动件,便于快速识别;对于静件和动件的区分,此处通过轮廓内部是否包括斜线来进行区分,也可通过在轮廓内部打虚线、交叉网格线等方式,实现静件与动件的快速区分。
进一步的,从学习库中分别查找出与静件、动件及箭头属于同一类型物体的绘图模型,并用查找出的绘图模型替换与之对应的静件、动件及箭头,具体为:
学习库中的绘图模型按照静件、动件和箭头分类存储;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,并用其替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,并用其替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,并用其替换识别出的静件。
由上述描述可知,学习库中的绘图模型是按照静件、动件和箭头分类存储的,便于从学习库中快速查找到与识别出的静件、动件和箭头对应的绘图模型;用学习库中的静件、动件和箭头分别替换手绘图形中识别出的静件、动件和箭头,实现对手绘图形的规整,使替换后的静件、动件和箭头能够更加准确的模拟物理实验。
进一步的,还包括:
根据识别出的静件、动件及箭头的轮廓分析出静件、动件及箭头各自的方向属性;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,根据箭头的方向属性旋转后替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,根据动件的方向属性旋转后替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,根据静件的方向属性旋转后替换识别出的静件。
由上述描述可知,学习库中存储的绘图模型的朝向是一致的,识别出静件、动件及箭头各自的方向属性,根据方向属性分别将静件、动件及箭头旋转,旋转后分别替换识别出的静件、动件及箭头,使静件、动件及箭头的方向与手绘图案中的方向一致。
进一步的,还包括:
根据识别出的静件、动件及箭头的轮廓分析出静件、动件及箭头各自的长度属性和宽度属性;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,根据箭头的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,根据动件的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,根据静件的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的静件。
由上述描述可知,学习库中存储的绘图模型的大小仅一种尺寸,在用学习库中的静件、动件及箭头分别替换从手绘图案中识别出的静件、动件及箭头时,先将学习库中的绘图模型按照手绘图形中的长度属性或宽度属性变换,使绘图模型替换时保持手绘图案中的静件、动件及箭头的大小,保持手绘图案中静件、动件及箭头的比例协调性,长度属性和宽度属性仅取其中之一进行变换,保持绘图模型本身的长度和宽度等比例缩放,使绘图模型中形状个体不变,例如圆形还是圆形,不会变成椭圆形。
进一步的,对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟,具体为:
添加每个箭头对应的力的名称、大小、方向;
添加动件与静件之间的摩擦系数;
接收到点击按钮信息,动件开始运动。
由上述描述可知,动件所受的力的种类、大小、方向、动件与静件之间的摩擦系数都是动件运动过程中所不可少的参数,设置合理。
请参照图1,本发明的实施例一为:
一种根据手绘图案构建物理实验的方法,所述方法为:
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
对识别出的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
请参照图2,本发明的实施例二为:
一种根据手绘图案构建物理实验的方法,在实施例一的基础上,所述方法具体为:
学习记录多个单一类型物体的用户手绘图案,并模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中;
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
从学习库中分别查找出与静件、动件及箭头属于同一类型物体的绘图模型,并用查找出的绘图模型替换与之对应的静件、动件及箭头;
对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
请参照图3和图4,本发明的实施例三为:
一种根据手绘图案构建物理实验的方法,在实施例一或二的基础上,具体举例,老师的手绘图案如图3所示,该手绘图案中包括一个小车、一个向下箭头和一个实体,该小车为动件,该向下箭头方向为竖直向下,该实体轮廓内部画有斜线,该实体上表面的一个斜面和一个平面为小车的滑行面。
1、在识别出手绘图案中各物体的轮廓之前,还包括:
将手绘图案中的各线条转换为规则的线条,转换后的手绘图案如图4所示,图中的线条较为规整。
2、识别出手绘图案中各物体的轮廓,具体为:
从电子画板的左上角开始,按照从左到右和从上到下的顺序遍历搜索电子画板上的点;
若搜索到第一个绘图点,则接着搜索与第一个绘图点依次相连的其他绘图点,直至将与第一个绘图点依次相连的绘图点全部搜索到,组成第一个轮廓;如图4所示,该第一个绘图点为小车的左上角点,该第一个轮廓是指小车的轮廓,包括一个矩形,两个圆,两个圆位于该矩形的下方;
在第一个轮廓的外部继续搜索第二个绘图点,若搜索到第二个绘图点,则接着搜索与第二个绘图点依次相连的全部绘图点,组成第二个轮廓;如图4所示,该第二个绘图点为实体左上方的点,该第二个轮廓是指实体的轮廓;
在第一个轮廓和第二个轮廓以外继续搜索其他绘图点,直至将所有的轮廓都找到,其中一个轮廓对应一个物体;如图4所示,还可搜索到向下箭头上方的点作为第三个绘图点,第三个轮廓就是向下箭头的形状,包括三个直线段,这三个直线段其中一个端点交于一点。
3、结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头,具体为:
提取其中一个物体的轮廓;
若该物体的轮廓符合学习库中关于箭头的绘图模型,则该物体为箭头;
若该物体的轮廓内有斜线,则该物体为静件;
否则,该物体为动件;
提取下一个物体的轮廓,重复上述步骤进行识别;如图4所示,依次将图中的小车、实体和向下箭头按照上述方法进行辨别,小车识别为动件,实体的外轮廓内有斜线,实体识别为静件,向下箭头结构较为特殊,识别为箭头。
本发明的实施例四为:
一种根据手绘图案构建物理实验的方法,在实施例三具体实例的基础上,在学习库的建立和使用上:
1、学习记录多个单一类型物体的用户手绘图案,并模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中,具体为:
学习记录多个单一类型物体朝向同一方向的用户手绘图案;
从多个单一类型物体的用户手绘图案中提取出共同的结构特征和位置关系特征;
根据提取出的共同的结构特征和位置关系特征模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型;
将模拟出的单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中。
如图4所示,图中包括小车、实体和向下箭头,小车在训练时,按照图中水平朝右的方向为正方向进行训练,小车的共同结构特征为两个圆和一个封闭形状个体,位置关系为两个圆并行排列,且两个圆均与该封闭形状个体的下直线接触,在学习库中存储的与小车对应的绘图模型为一个矩形和两个圆,两个圆均与该矩形的下直线接触;另外,在学习库中还可将小车对应的绘图模型增加运动限定,例如,限定为运动时,两个圆绕各自的圆心转动,两个圆转动的转速相同,且矩形跟随两个圆移动;
箭头在训练时,为包括三条直线段,且该三条直线段的其中一个端点相交于一点;
实体在训练时,为一个封闭的轮廓,左侧边、右侧边均为竖直的边,底边为水平的边,实体的上表面根据形状的不同分开存储,例如上表面为斜面,存储为斜面实体,上表面为水平面,存储为平面实体,上表面为拱形,存储为拱形实体,在图4中的实体由学习库中的斜面实体和平面实体拼接组成;另外,在学习库中还可设定各种实体的运动面,各种实体竖直放置,斜面实体的运动面为上表面,矩形实体的运动面也为上表面。
2、从学习库中分别查找出与静件、动件及箭头属于同一类型物体的绘图模型,并用查找出的绘图模型替换与之对应的静件、动件及箭头,具体为:
学习库中的绘图模型按照静件、动件和箭头分类存储;
根据识别出的静件、动件及箭头的轮廓分析出静件、动件及箭头各自的方向属性;
根据识别出的静件、动件及箭头的轮廓分析出静件、动件及箭头各自的长度属性和宽度属性;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,根据箭头的方向属性旋转、根据箭头的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,根据动件的方向属性旋转、根据动件的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,根据静件的方向属性旋转、根据静件的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的静件。
如图4所示,学习库中的小车相比于水平朝右的正方向顺时针旋转35°,学习库中的斜面实体和矩形实体竖直放置,不旋转,学习库中的箭头相比于水平朝右的正方向顺时针旋转90°;学习库中的小车、斜面实体、矩形实体、箭头按照长度属性或宽度属性缩放变换来替换图4中的小车、实体和向下箭头。
本发明的实施例五为:
一种根据手绘图案构建物理实验的方法,在实施例二的基础上,对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟,具体为:
添加每个箭头对应的力的名称、大小、方向;
添加动件与静件之间的摩擦系数;
接收到点击按钮信息,动件开始运动。
如图4所示,将向下箭头设定力的名称为重力,力的大小为10N,方向为竖直向下,小车与实体之间的摩擦系数为0.2,接收到点击按钮信息,动画模拟小车在重力作用下沿着实体的斜面和水平直线运动的过程。
综上所述,本发明提供的根据手绘图案构建物理实验的方法,老师在电子画板上板书绘制手绘图案,电子画板上自动识别手绘图案中的静件、动件及箭头,学习库中存储的绘图模型是根据用户手绘的多个图案模拟出来的,学习库中的绘图模型在替换从手绘图案中识别出的静件、动件及箭头时需要经过方向旋转和大小缩放变换,使经绘图模型替换后的图案尽量与手绘图案保持一致,使在视觉上不会产生大的误差,所述方法实现了将老师手绘图案转换为包含静件、动件及箭头的物理模型,并对物理模型添加物理引擎来模拟物理实验,实现板书与电子模拟的对接,使老师学习起来难度较低,且使老师上课时教学较为直观,增强课堂的生动有趣性。
以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换,或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,所述方法为:
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
对识别出的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
2.根据权利要求1所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,所述方法具体为:
学习记录多个单一类型物体的用户手绘图案,并模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中;
电子画板接收到用户的手绘图案;
识别出手绘图案中各物体的轮廓;
结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头;
从学习库中分别查找出与静件、动件及箭头属于同一类型物体的绘图模型,并用查找出的绘图模型替换与之对应的静件、动件及箭头;
对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟。
3.根据权利要求1或2所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,在识别出手绘图案中各物体的轮廓之前,还包括:
将手绘图案中的各线条转换为规则的线条。
4.根据权利要求2所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,学习记录多个单一类型物体的用户手绘图案,并模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中,具体为:
学习记录多个单一类型物体朝向同一方向的用户手绘图案;
从多个单一类型物体的用户手绘图案中提取出共同的结构特征和位置关系特征;
根据提取出的共同的结构特征和位置关系特征模拟出一个单一类型物体对应的绘图模型;
将模拟出的单一类型物体对应的绘图模型存储在学习库中。
5.根据权利要求1或2所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,识别出手绘图案中各物体的轮廓,具体为:
从电子画板的左上角开始,按照从左到右和从上到下的顺序遍历搜索电子画板上的点;
若搜索到第一个绘图点,则接着搜索与第一个绘图点依次相连的其他绘图点,直至将与第一个绘图点依次相连的绘图点全部搜索到,组成第一个轮廓;
在第一个轮廓的外部继续搜索第二个绘图点,若搜索到第二个绘图点,则接着搜索与第二个绘图点依次相连的全部绘图点,组成第二个轮廓;
在第一个轮廓和第二个轮廓以外继续搜索其他绘图点,直至将所有的轮廓都找到,其中一个轮廓对应一个物体。
6.根据权利要求1或2所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,结合各物体的轮廓进一步从手绘图案中识别出静件、动件及箭头,具体为:
提取其中一个物体的轮廓;
若该物体的轮廓符合学习库中关于箭头的绘图模型,则该物体为箭头;
若该物体的轮廓内有斜线,则该物体为静件;
否则,该物体为动件;
提取下一个物体的轮廓,重复上述步骤进行识别。
7.根据权利要求2所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,从学习库中分别查找出与静件、动件及箭头属于同一类型物体的绘图模型,并用查找出的绘图模型替换与之对应的静件、动件及箭头,具体为:
学习库中的绘图模型按照静件、动件和箭头分类存储;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,并用其替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,并用其替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,并用其替换识别出的静件。
8.根据权利要求7所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,还包括:
根据识别出的静件、动件及箭头的轮廓分析出静件、动件及箭头各自的方向属性;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,根据箭头的方向属性旋转后替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,根据动件的方向属性旋转后替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,根据静件的方向属性旋转后替换识别出的静件。
9.根据权利要求7或8所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,还包括:
根据识别出的静件、动件及箭头的轮廓分析出静件、动件及箭头各自的长度属性和宽度属性;
从学习库中查找出与识别出的箭头对应的绘图模型,根据箭头的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的箭头;
从学习库中查找出与识别出的动件对应的绘图模型,根据动件的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的动件;
从学习库中查找出与识别出的静件对应的绘图模型,根据静件的长度属性或宽度属性变换大小后替换识别出的静件。
10.根据权利要求2所述的根据手绘图案构建物理实验的方法,其特征在于,对用绘图模型替换后的静件、动件和箭头添加物理引擎以进行运动模拟,具体为:
添加每个箭头对应的力的名称、大小、方向;
添加动件与静件之间的摩擦系数;
接收到点击按钮信息,动件开始运动。
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