CN108986568A - 一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学系统 - Google Patents

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谢东
王�琦
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Abstract

本发明公开了一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学系统，包括机体，机体内部设置有接收投影模块，接收投影模块外侧设置有摄像头，内侧设置有用于显示的屏幕和镜头；在初始化阶段采集真实背景图像RG(x,y)；动态物体图形M(x,y)捕捉；将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)；本发明实施中，在使用设备的VR/AR模式功能的时候，接收投影模块下降遮挡视窗，此时进入沉浸式体验；接收投影模块上升，视窗不再遮挡，学生能够通过视窗直接观察；用户可以像传统模式一样直接通过设备观看录制的VR教学视频，当需要教师进行指导的时候，此时将教师的人形抠图加载入虚拟背景中，能够实现教师对学生的指导互动。

Description

一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学系统
技术领域
本发明涉及虚拟教学设备领域，具体涉及一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学系统。
背景技术
VR教学相对于传统的教学优势非常明显，在传统教学活动中，很多需要操作的知识如果仅仅通过理论讲述，学习者很难理解掌握。VR教学通过3D虚拟现实技术可以创设虚拟教学情境，为学习者亲身实践提供了可能性。传统的实验教学基本都在学校开展，上课时间比较固定，时间和空间受到限制。部分实验设备价格昂贵，不能给学生全面使用和操作，在某些实验环节中存在安全隐患，学生无法直接参与，多数以演示为主，不能形成对该实验的感性认识。
VR教学虚拟实验室是利用虚拟现实技术创设的，如虚拟物理实验室、虚拟化学实验室等，打破传统教学中时间、空间等限制，学生只要在安装有虚拟实验室的设备上即可进行实验操作，在很大程度上提高了学习的自由度。VR教学在进行一些有安全隐患的危险实验时，不会因操作不当造成的不可预料的后果，这样VR教学就可以保障学习者的人身安全。在VR教学的环境沉浸式虚拟环境，包括海啸、地震等灾害应急处理，还可以进行武器部件、汽车驾驶的虚拟操作等。使学生做到足不出户就可以做实验，提高对学习内容的感性认识，加深对实验教学内容的理解，培养学习兴趣。
但是传统的VR教学是将录制好的VR视频材料在学生的VR设备进行播放，互动性不强，教师不能根据教学实际情况对学生进行互动。
在专利号为CN106910382A的专利中公开了一种基于VR视频的课程自主在线学习方法，其特征在于，包括：步骤A:对教材进行重新解构，并对解构后的教材进行模块化分割，形成若干课程模块；步骤B:为各课程模块设计基于VR的展现方案；步骤C:根据为各课程模块设计的展现方案，制作各课程模块的VR教学视频；步骤D:将各VR教学视频进行后期视频处理后存放在Z5·端服务器上，并为每一VR教学视频赋予其在所有VR教学视频中的顺序；步骤E:利用安装在VR设备上的VR教学视频应用程序连接所述云端服务器，并从所述云端服务器选择作为学习起点的VR教学视频，然后从所述作为学习起点的VR教学视频开始，按照所述顺序依次播放存放在所述云端服务器上的VR教学视频。
上述方案中也是单纯进行教学灌输，教师无法与学生针对教学点进行临时互动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学系统，教师能够针对教学内容与学生进行互动。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学设备，包括机体，机体内部设置有接收投影模块，接收投影模块外侧设置有摄像头，内侧设置有用于显示的屏幕和镜头，其特征在于：机体两端固定有框体，机体两侧框体顶部固定有头戴箍，头戴箍末端连接有弹性带；
所述机体正面眼睛部位设置有贯穿的视窗，视窗顶部设置有升降的接收投影模块，接收投影模块通过升降器的控制升降；
所述框体内侧设置有发声装置。
进一步地，所述弹性带与框体末端的拉紧机构固定，所述拉紧机构包括固定于框体内部的转动座，转动座内部设置有活动的转块，转块固定有转轴，转轴中部固定缠绕有弹性带，转轴在卷簧的作用下拉紧弹性带。
进一步地，所述转块外壁与转动座内壁之间设置有滚珠。
一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤S1：在初始化阶段采集真实背景图像RG(x,y)；
步骤S2：动态物体图形M(x,y)捕捉；
步骤S3：将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)。
进一步地，在所述步骤S2中，具体包括以下步骤，
步骤S2.1：在设置的初始化阶段判断采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1；
步骤S2.2：将实时采集的动态画面F(x,y)通过减法器剪除真实背景图像RG(x,y)，得出与动态物体图形M(x,y)相同轮廓的轮廓残差图形C(x,y)＝F(x,y)-RG(x,y)；
步骤S2.3：由于轮廓残差图形C(x,y)通过减法器运算可得，反推得到动态物体图形M(x,y)所在区域；
步骤S2.4：将真实背景图像RG(x,y)中动态物体图形M(x,y)所在区域图片抠出，即可得到动态物体图形M(x,y)。
进一步地，步骤S2.1中，
实时采集的动态画面F(x,y)与真实背景图像RG(x,y)的总误差大于摄像头图像采集标准误差Δμ，则判定该时刻为采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1。
进一步地，所述步骤S2.1～步骤S2.2中，将真实背景图像RG(x,y)与动态画面F(x,y)预先均匀间隔删除像素点的方式进行压缩。
进一步地，均匀间隔删除像素点，保留q％比例的像素点。
进一步地，删除q％的像素点之后导致无法得出稳定的动态物体图形M(x,y)所在区域，则返回步骤S2.2，保留比例的像素点。
进一步地，在步骤S3中，将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)中轮廓残差图形C(x,y)的对应位置。
本发明的收益效果是：
将设备戴在学生头部，头戴箍防止设备下沉，弹性带固定在头部后方，起到固定的作用；拉紧机构中，转轴在卷簧的作用下拉紧弹性带4，防止使用过程中弹性带松动。
在使用设备的VR/AR模式功能的时候，接收投影模块下降遮挡视窗，此时进入沉浸式体验；接收投影模块上升，视窗不再遮挡，学生能够通过视窗直接观察。
用户可以像传统模式一样直接通过设备观看录制的VR教学视频，当需要教师进行指导的时候，此时将教师的人形抠图加载入虚拟背景中，能够实现教师对学生的指导互动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述基于混合式增强虚拟现实的互动教学设备的主视结构透视图；
图2为本发明所述互动教学设备的侧视结构透视图；
图3为本发明所述互动教学设备的后视图；
图4为本发明所述拉紧机构的示意图；
图5为本发明所述接收投影模块的示意图；
图6为本发明所述基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，本发明为：
一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学设备，包括机体1，机体内部设置有接收投影模块12，接收投影模块12外侧设置有摄像头121，内侧设置有用于显示的屏幕122和镜头123，其特征在于：机体1两端固定有框体2，机体1两侧框体2顶部固定有头戴箍3，头戴箍3末端连接有弹性带4；
所述机体1正面眼睛部位设置有贯穿的视窗11，视窗11顶部设置有升降的接收投影模块12，接收投影模块12通过升降器13的控制升降；
所述框体2内侧设置有发声装置21。
进一步地，所述弹性带4与框体2末端的拉紧机构22固定，所述拉紧机构22包括固定于框体2内部的转动座221，转动座221内部设置有活动的转块222，转块222固定有转轴223，转轴223中部固定缠绕有弹性带4，转轴223在卷簧225的作用下拉紧弹性带4。
进一步地，所述转块222外壁与转动座221内壁之间设置有滚珠224。
一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤S1：在初始化阶段采集真实背景图像RG(x,y)；
步骤S2：动态物体图形M(x,y)捕捉；
步骤S3：将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)
进一步地，在所述步骤S2中，具体包括以下步骤，
步骤S2.1：在设置的初始化阶段判断采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1；
步骤S2.2：将实时采集的动态画面F(x,y)通过减法器剪除真实背景图像RG(x,y)，得出与动态物体图形M(x,y)相同轮廓的轮廓残差图形C(x,y)＝F(x,y)-RG(x,y)；
步骤S2.3：由于轮廓残差图形C(x,y)通过减法器运算可得，反推得到动态物体图形M(x,y)所在区域；
步骤S2.4：将真实背景图像RG(x,y)中动态物体图形M(x,y)所在区域图片抠出，即可得到动态物体图形M(x,y)。
进一步地，步骤S2.1中，
实时采集的动态画面F(x,y)与真实背景图像RG(x,y)的总误差大于摄像头图像采集标准误差Δμ，则判定该时刻为采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1。
进一步地，所述步骤S2.1～步骤S2.2中，将真实背景图像RG(x,y)与动态画面F(x,y)预先均匀间隔删除像素点的方式进行压缩，压缩保留基本图形之后进行减法器操作，降低减法器的工作负荷，提高设备的响应速度。
进一步地，均匀间隔删除像素点，保留q％比例的像素点。
进一步地，删除q％的像素点之后导致无法得出稳定的动态物体图形M(x,y)所在区域，则返回步骤S2.2，保留比例的像素点。
进一步地，在步骤S3中，将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)中轮廓残差图形C(x,y)的对应位置。
本实施例的一个具体应用为：
将设备戴在学生头部，头戴箍3防止设备下沉，弹性带4固定在头部后方，起到固定的作用；拉紧机构22中，转轴223在卷簧225的作用下拉紧弹性带4，防止使用过程中弹性带4松动。
在使用设备的VR/AR模式功能的时候，接收投影模块12下降遮挡视窗11，此时进入沉浸式体验；接收投影模块12上升，视窗11不再遮挡，学生能够通过视窗11直接观察。
用户可以像传统模式一样直接通过设备观看录制的VR教学视频，当需要教师进行指导的时候：
-进入初始化阶段，实时采集的动态画面F(x,y)与真实背景图像RG(x,y)的总误差大于摄像头图像采集标准误差Δμ，则判定该时刻为采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1；
-将真实背景图像RG(x,y)与动态画面F(x,y)预先均匀间隔删除像素点的方式进行压缩，压缩保留基本图形之后进行减法器操作，降低减法器的工作负荷，提高设备的响应速度；
-均匀间隔删除像素点，保留q％比例的像素点；
-删除q％的像素点之后导致无法得出稳定的动态物体图形M(x,y)所在区域，则返回步骤S2.2，保留比例的像素点；
-将实时采集的动态画面F(x,y)通过减法器剪除真实背景图像RG(x,y)，得出与动态物体图形M(x,y)相同轮廓的轮廓残差图形C(x,y)＝F(x,y)-RG(x,y)；
-由于轮廓残差图形C(x,y)通过减法器运算可得，反推得到动态物体图形M(x,y)所在区域；
-将真实背景图像RG(x,y)中动态物体图形M(x,y)所在区域图片抠出，即可得到动态物体图形M(x,y)；
-将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)中轮廓残差图形C(x,y)的对应位置；
此时将教师的人形抠图加载入虚拟背景中，能够实现教师对学生的指导互动。
上述操作中，相比较传统方式，教师能够针对教学内容与学生进行互动。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料过着特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学设备，包括机体(1)，机体内部设置有接收投影模块(12)，接收投影模块(12)外侧设置有摄像头(121)，内侧设置有用于显示的屏幕(122)和镜头(123)，其特征在于：机体(1)两端固定有框体(2)，机体(1)两侧框体(2)顶部固定有头戴箍(3)，头戴箍(3)末端连接有弹性带(4)；
所述机体(1)正面眼睛部位设置有贯穿的视窗(11)，视窗(11)顶部设置有升降的接收投影模块(12)，接收投影模块(12)通过升降器(13)的控制升降；
所述框体(2)内侧设置有发声装置(21)。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学设备，其特征在于：所述弹性带(4)与框体(2)末端的拉紧机构(22)固定，所述拉紧机构(22)包括固定于框体(2)内部的转动座(221)，转动座(221)内部设置有活动的转块(222)，转块(222)固定有转轴(223)，转轴(223)中部固定缠绕有弹性带(4)，转轴(223)在卷簧(225)的作用下拉紧弹性带(4)。
3.根据权利要求2所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学设备，其特征在于：所述转块(222)外壁与转动座(221)内壁之间设置有滚珠(224)。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤S1：在初始化阶段采集真实背景图像RG(x,y)；
步骤S2：动态物体图形M(x,y)捕捉；
步骤S3：将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)。
5.根据权利要求1所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：在所述步骤S2中，具体包括以下步骤，
步骤S2.1：在设置的初始化阶段判断采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1；
步骤S2.2：将实时采集的动态画面F(x,y)通过减法器剪除真实背景图像RG(x,y)，得出与动态物体图形M(x,y)相同轮廓的轮廓残差图形C(x,y)＝F(x,y)-RG(x,y)；
步骤S2.3：由于轮廓残差图形C(x,y)通过减法器运算可得，反推得到动态物体图形M(x,y)所在区域；
步骤S2.4：将真实背景图像RG(x,y)中动态物体图形M(x,y)所在区域图片抠出，即可得到动态物体图形M(x,y)。
6.根据权利要求5所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：步骤S2.1中，
实时采集的动态画面F(x,y)与真实背景图像RG(x,y)的总误差大于摄像头图像采集标准误差Δμ，则判定该时刻为采集真实背景图像RG(x,y)的起始时间t1。
7.根据权利要求5所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：
所述步骤S2.1～步骤S2.2中，将真实背景图像RG(x,y)与动态画面F(x,y)预先均匀间隔删除像素点的方式进行压缩。
8.根据权利要求7所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：均匀间隔删除像素点，保留q％比例的像素点。
9.根据权利要求8所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：删除q％的像素点之后导致无法得出稳定的动态物体图形M(x,y)所在区域，则返回步骤S2.2，保留比例的像素点。
10.根据权利要求4-9任一项所述的一种基于混合式增强虚拟现实的互动教学方法，其特征在于：在步骤S3中，将动态物体图形M(x,y)叠加进虚拟背景V(x,y)中轮廓残差图形C(x,y)的对应位置。
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