CN108010423A - 根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具及控制系统 - Google Patents

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葛晓扬
郭磊
马春东
向彬莹
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Abstract

本发明公开了一种根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具及控制系统，可以实时呈现出对应几何体三个视角的投影图，三个投影视图可以随着几何体的扭转实时变化，这样学生可以理解各个几何体边缘线框是如何在不同视角中出现和消失的，为训练立体感建立直观、感性的实际经验，为立体几何、工程制图等方面的深入学习打好基础；与传统三维建模软件不同，本发明基于实物操作，有软件无法比拟的实际体验感；通过姿态传感器来控制模型角度变化，无须深度图像识别技术，系统开发成本低，运算处理量小，延迟少。

Description

根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具及控制系统
技术领域
本发明涉及嵌入式开发技术、姿态传感技术领域，具体是一种根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具及控制系统。
背景技术
目前要做到立体物体转化为三视图往往需要用到图像识别处理和深度图像拍摄等前沿技术，技术难度较大，运算处理量较大，识别精度有待提高。软件方面，三维建模类程序能完整且流畅地显示出各种立体形态各个视角的投影，但软件平台的操作缺乏实际体验，使用者仅可靠屏幕、鼠标键盘等输入输出设备与虚拟模型交互，无法实际感知各种立体形态的体量感。传统教材大多采用轴测图方式绘制立体形态，以此作为讲解三视图的示例插图，但由于轴测图画法消除了人眼观察现实物体时具有的消失点透视规律，因此插图往往严重缺乏立体感，更不可能还原出观看物体时两眼的视差效果，同时插图也无法改变观看视角，传统的教学手段缺乏直观性、真实性和灵活性。
发明内容
本发明的目的是通过9轴姿态传感器，捕捉几何体的扭转角度，实时显示其三个视图上的投影图像。从而让学生更容易理解立体几何以及工程制图的分析原理，通过立体与平面实时的互动，更加直观地找到各种立体形态最终投影成为平面线框的规律，为相关知识的深入学习奠定良好的基础。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具，包括不同形状的几何形态积木，积木内置嵌入式控制系统，积木内置9轴姿态传感器，分别实时识别三个方向的地磁针方向、三个方向的陀螺仪倾角以及三个方向的加速度；积木内置蓝牙模块；积木内置及蓝牙模块的图像显示系统，显示系统内置程序预存有各个积木块的三维线框模型，三维模型通过HT for Web或同类功能的基于HTML5环境的三维绘图程序来显示在显示器上；显示系统内置与几何积木内相同的9轴姿态传感器。
进一步地，积木内置ARMv7系列或同性能微处理器的嵌入式控制系统。
进一步地，显示系统装有三块显示屏，三块显示屏三条边紧挨，屏幕面相互垂直呈墙角状摆放，三块显示器分别命名为V、W、H。
进一步地，积木上设有开关。
另外，旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具控制系统，打开几何积木开关，积木的蓝牙模块会与显示系统的蓝牙模块自动配对，显示系统调取对应三维模型显示在三块显示器上；积木将内置的9轴传感器获取的姿态信息传给显示系统，显示系统对照内置的9轴传感器的姿态信息，得出积木的与显示系统的相对旋转角度与扭转方向；以显示系统为参考系，系统通过HT for Web或同类功能的基于HTML5环境的三维绘图程序获取当前角度姿态下积木三维模型的正视线框图、左视线框图和顶视线框图，并分别显示到V、W、H三块屏幕中央。
将立体物体转换为三视图投影线条，是理解和学习立体几何、工程制图等数学、工程知识所必备的基础知识和能力。培养这一能力的最重要的环节就在于三维立体物体与二维平面投影的相互转换，也就是所谓的“立体感”这一观察和表达能力。以往的教学过程中，由于缺乏数字化的手段，往往需要靠背记很多规则才能完成绘图，如“长对正”、“高平齐”等，但只有能将各种平面投影与立体形态相互转换才是真正理解并建立了立体感这一能力。
本发明的有益效果为： 1.可以实时呈现出对应几何体三个视角的投影图，三个投影视图可以随着几何体的扭转实时变化，这样学生可以理解各个几何体边缘线框是如何在不同视角中出现和消失的，为训练立体感建立直观、感性的实际经验，为立体几何、工程制图等方面的深入学习打好基础；2.与传统三维建模软件不同，本发明基于实物操作，有软件无法比拟的实际体验感；3.通过姿态传感器来控制模型角度变化，无须深度图像识别技术，系统开发成本低，运算处理量小，延迟少。
附图说明
图1是教具的结构示意图。
图2是教具系统的控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解释说明。
如图1所示，教具包括，不同形状的几何形态积木1，积木内置51单片机或同性能的嵌入式控制系统，积木上设有开关；积木内置9轴姿态传感器，分别实时识别三个方向的地磁针方向、三个方向的陀螺仪倾角以及三个方向的加速度；积木内置蓝牙模块；内置ARMv7系列或同性能微处理器的嵌入式控制系统及蓝牙模块的图像显示系统2，系统装有三块显示屏，三块显示屏三条边紧挨，屏幕面相互垂直呈墙角状摆放，三块显示器分别命名为V、W、H；显示系统内置程序预存有各个积木块的三维线框模型，三维模型通过HT for Web或同类功能的基于HTML5环境的三维绘图程序来显示在显示器上；显示系统内置与几何积木内相同的9轴姿态传感器。
如图2所示，控制系统的流程为：1.启动图像显示系统，启动一个几何形态积木，积木的蓝牙模块与显示系统的蓝牙模块自动配对，并在显示器上显示该积木块的三维线框模型；2.系统通过蓝牙读取几何积木的9轴姿态传感器数据，并与自身的姿态数据对比，得出以显示系统为参照物下积木块的相对姿态扭转角度和倾斜角度；3.将该相对姿态角度下积木三维线框模型的正视图、左视图、顶视图分别显示到V面显示器3、H面显示器4、W面显示器5上；4.显示画面实时跟随积木的姿态变化而更新。

Claims (5)

1. 一种根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具，其特征在于，包括不同形状的几何形态积木，积木内置嵌入式控制系统，积木内置9轴姿态传感器，分别实时识别三个方向的地磁针方向、三个方向的陀螺仪倾角以及三个方向的加速度；积木内置蓝牙模块；积木内置及蓝牙模块的图像显示系统，显示系统内置程序预存有各个积木块的三维线框模型，三维模型通过HT for Web或同类功能的基于HTML5环境的三维绘图程序来显示在显示器上；显示系统内置与几何积木内相同的9轴姿态传感器。
2.根据权利要求1所述的根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具，其特征在于，积木内置ARMv7系列或同性能微处理器的嵌入式控制系统。
3.根据权利要求1所述的根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具，其特征在于，显示系统装有三块显示屏，三块显示屏三条边紧挨，屏幕面相互垂直呈墙角状摆放，三块显示器分别命名为V、W、H。
4.根据权利要求1所述的根据旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具，其特征在于，积木上设有开关。
5.如权利要求1-4任一项所述的旋转角度姿态实时显示三视图的学习教具控制系统，其特征在于，打开几何积木开关，积木的蓝牙模块会与显示系统的蓝牙模块自动配对，显示系统调取对应三维模型显示在三块显示器上；积木将内置的9轴传感器获取的姿态信息传给显示系统，显示系统对照内置的9轴传感器的姿态信息，得出积木的与显示系统的相对旋转角度与扭转方向；以显示系统为参考系，系统通过HT for Web或同类功能的基于HTML5环境的三维绘图程序获取当前角度姿态下积木三维模型的正视线框图、左视线框图和顶视线框图，并分别显示到V、W、H三块屏幕中央。
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