CN110517544A - 一种分布式桌面投影互动教学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式桌面投影互动教学系统，该互动教学系统包括投影系统、用户交互系统、图形与计算系统。互动教学系统通过输入端把授课内容分配投映在每位学员桌面纸张上,再随时把每位学员学习成果通过摄录仪反馈给讲台监视器，从而无需教师走临即可实现动态教学的目的。

Description

一种分布式桌面投影互动教学系统

技术领域

本发明涉及互动教学技术领域，尤其涉及一种分布式桌面投影互动教学系统。

背景技术

随着课程改革的实施，我国的素质教育得到了很大的发展，传统的教学模式已经不能够继续满足现代教学改革以及社会发展的需求。多媒体技术的应用在很大的程度上改善了教学方式，并且使教学资源得到了极大的丰富。也有效的提升了学生对于学习的积极性。在高校实践教学的过程中利用多媒体投影系统，可以使得教学质量得到提升，比如，在艺术教育领域，相对传统的“手手相授”教学方式，近年来在“电教化”方面有诸多的实践探索。

1)通过录课仪联动单一的投影或大屏幕，放大显示教学操作；

2)通过录课仪联动移动设备终端，达到教学目的；

3)通过桌面嵌入显示器，解决学习、临写、描摹的教学目的。

但上述实践探索中仍然暴露出如下亟待解决的问题：

1)单一的投影或大屏幕，在以班级为建制的教学中，处在最佳的视角和视距内的学员只占全体学员的30％，在互动教学中，抬头看低头写的过程中相当地分散学员的专注力和技巧运用的连续性；

2)录课仪联动移动设备终端，是指通过联接手机、平板等设备进行讲解、示范的教学活动，因屏幕较小，体验感较差，不利于开发专业的学习课件等缺点，其难于推广；

3)录课仪联动桌面嵌入显示器，前期施工布线复杂，屏幕显示有限，成本且巨大，只能在环境光较暗的前提下用特殊纸张解决描摹范本的学习目的，使用局限性较大，不利于学员视力的保护。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种分布式桌面投影互动教学系统。互动教学系统通过输入端把授课内容分配投映在每位学员桌面纸张上,再随时把每位学员学习成果通过摄录仪反馈给讲台监视器，从而无需教师走临即可实现动态教学的目的。

本申请是通过如下技术方案实现的：

一种分布式桌面投影互动教学系统，该互动教学系统包括投影系统、用户交互系统、图形与计算系统：

投影系统包括投影仪阵列以及投影屏幕，用来显示画面；

用户交互系统是让用户通过各种交互设备与互动教学系统应用程序之间进行自然的交互；

图形与计算系统是负责对用户的交互信息进行处理。

进一步的，所述投影仪阵列包括微控制器、线阵光电位置传感器、无线遥控模块、WIFI控制模块、2.4G无线通讯模块、电机控制模块以及步进电机。

进一步的，所述微控制器采用32bit单片机STM32F103RCT6作为主控模块处理器。

进一步的，所述线阵光电位置传感器的控制流程如下：

步骤1、初始化步骤，初始化时所述微控制器A1～A10引脚输出高电平；

步骤2、进行位置检测时根据矩阵键盘的扫描原理，先通过所述微控制器在A1引脚输出低电平，然后所述微控制器通过读取B1、B2……的引脚状态来确定按键按下的位置；

步骤3、当投影幕背后固定的激光发射器射到某一个光敏电阻时，光敏电阻导通，而其它没有受到激光照射的光敏电阻仍处于断路状态，由此模拟出按键的按下与松开。

进一步的，所述分布式桌面投影互动教学系统的控制流程如下：

步骤1、通过不同的行程按键，人为输入不同的控制量，触发所述投影仪阵列中第一微控制器不同的外部中断，第一微控制器处理相应的按键控制要求；

步骤2、第一微控制器根据接收到的不同信号，实现不同的控制作用，若接收到的是投银幕左右移动的信号，第一微控制器则输出不同的PWM波，通过步进电机的驱动模块控制投影幕左右移动电机，实现投影幕的左右移动。在投影幕移动的同时，通过第一微控制器采集线阵光电位置传感器的输出信号确定投影幕实时的位置信息；

步骤3、获取投影仪位置信息后，第一微控制器通过外设的2.4G无线通信模块将投影幕的实时位置信息发送到控制投影仪平动的微控制器2，微控制器2根据接收到的投影幕位置信息控制投影仪的移动，最终实现投影仪所投影出的内容始终投影在投影幕上。

进一步的，在步骤3中进一步包括：

若第一微控制器接收到开/关投影仪的信号，第一微控制器则通过外设的2.4G无线通信模块将该信号发送至控制投影仪平动的第二微控制器，通过第二微控制器实现开/关投影仪的功能；

若第一微控制器接收到上/下PPT翻页的信号，则其通过外设的Wifi模块将该信号发送至PC机，通过PC机上的上位机软件实现上/下PPT翻页的功能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)在书画等教学实践课程中，通过课桌上方的投影仪把教师录课仪的录课图像投影在学员桌面上，并通过视频捕捉系统把学员的实践成果反馈给教师，实现即时动态的教学方法，提高教学效率；

2)利用分布式桌面投影互动教学系统开发专门的教学课件，解决传统教学模式下，难以触碰的学习要领和不易察觉的表现技巧，比较传统模式，学习更加直观、高效；

3)实现教、学同步，通过录课仪即时动态影像，学员可实现跟进教师的书写或绘画的步骤，同步完成学习内容，把控技巧、要领并直观地比较不足处。

附图说明

图1为本发明的分布式桌面投影互动教学系统的组成结构示意图；

图2为本发明的分布式桌面投影互动教学系统中投影仪阵列示意图；

图3为本发明的分布式桌面投影互动教学系统中投影仪映画尺寸调节对照表；

图4为本发明的分布式桌面投影互动教学系统的硬件结构示意图；

图5为本发明的线阵光电位置传感器电路示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

互动教学系统通过输入端(教师实物录课仪和PC电脑端)把授课内容分配投映在每位学员桌面纸张上。再随时把每位学员学习成果通过摄录仪反馈给讲台监视器，从而无需教师走临即可实现动态教学的目的。

互动教学系统结构主要分为：投影系统、用户交互系统、图形与计算系统。投影系统包括投影仪阵列以及投影屏幕，用来显示画面；用户交互系统是让用户通过各种交互设备与互动教学系统应用程序之间进行自然的交互；图形与计算系统是负责对用户的交互信息进行处理。

图1为本发明的分布式桌面投影互动教学系统的组成结构示意图，图2为本发明的分布式桌面投影互动教学系统中投影仪阵列示意图，图3为本发明的分布式桌面投影互动教学系统中投影仪映画尺寸调节对照表。在互动教学系统搭建的过程中，互动教学系统设计方案如下：使用多台PC机、多台投影仪、一个摄像机，将其中一台PC机作为图像校正服务器Client PC，负责捕获投影仪的反馈信息，计算校准数据。另外几台PC机Server PC作为客户端，分别连接一台投影仪，用于负责读取、处理并根据相应位置分布绘制各显示区域的数据；最后分别通过相应的投影仪输出到投影屏幕，各计算机通过局域网进行连接和通信，采用鼠标或键盘等方式与系统进行交互。

图4为本发明的分布式桌面投影互动教学系统的硬件结构示意图。系统硬件包括：微控制器、线阵光电位置传感器、无线遥控模块、WIFI控制模块、2.4G无线通讯模块、电机控制模块以及步进电机。其中，微控制器选用意法半导体公司生产的32bit单片机STM32F103RCT6作为主控模块处理器，其内核为ARM Cortex－M3。该单片机的工作电压为2.0V～3.6V，工作主频最高可达到72MHz，共有8个定时器，3个串口，且可输出30路PWM，同时内置32K到128K的闪存，完全满足本设计对单片机工作主频及资源的需求。

图5为本发明的线阵光电位置传感器电路示意图。在程序初始化时A1～A10引脚输出高电平，进行位置检测时根据矩阵键盘的扫描原理，先通过STM32单片机在A1引脚输出低电平，然后单片机读取B1、B2……的引脚状态即可确定按键按下的位置。同理，在投影幕背后固定一个激光发射器，当激光发射器射到某一个光敏电阻时，光敏电阻阻值很小(相当于通路)，而其它没有受到激光照射的光敏电阻阻值很大(相当于通路)，这样便模拟出按键的按下与松开。根据矩阵键盘的扫描过程便可以确定激光头所处的位置，即投影幕的位置。

本发明的的分布式桌面投影互动教学系统的控制流程如下。通过不同的行程按键，人为输入不同的控制量，触发微控制器1不同的外部中断，微控制器1处理相应的按键控制要求。微控制器1根据接收到的不同信号，实现不同的控制作用若接收到的是投银幕左右移动的信号，微控制器1则输出不同的PWM波，通过步进电机的驱动模块控制投影幕左右移动电机，实现投影幕的左右移动。在投影幕移动的同时，通过微控制器1采集线阵光电位置传感器的输出信号确定投影幕实时的位置信息，获取投影仪位置信息后，微控制器1通过外设的2.4G无线通信模块将投影幕的实时位置信息发送到控制投影仪平动的微控制器2，微控制器2根据接收到的投影幕位置信息控制投影仪的移动，最终实现投影仪所投影出的内容始终投影在投影幕上。若微控制器1接收到开/关投影仪的信号，微控制器1则通过外设的2.4G无线通信模块将该信号发送至控制投影仪平动的微控制器2，通过微控制器2实现开/关投影仪的功能。若微控制器1接收到上/下PPT翻页的信号，则其通过外设的Wifi模块将该信号发送至PC机，通过PC机上的上位机软件实现上/下PPT翻页的功能。

本发明的分布式桌面投影互动教学系统的优点在于：

1)我们通过桌投设备分配一致的教学资源，使教学活动更加直观化、人性化、公平化。同时也使学员在学习中视线专注在一个平面上，实现眼、脑、手的优化联动学习；

2)桌投设备图像面积可根据教学需求调整幅面大小，直至匹配全尺幅纸张；

3)不改变任何传统学习用具、用品，在技巧经验方面无差别、无过度、无缝衔接该系统的学习方法和全新体验；

4)利于开发各种教学课件，根据教师讲解要点切换功能，尺幅可控，操控功能全，静态课件与即时示范随意分屏或切换；

5)成本经济、可控，操作简易，利于推广。

本发明的分布式桌面投影互动教学系统不仅解决了传统多媒体教学模式下投影幕占地面积大、黑板利用率低以及存在视野盲区的问题，并且以解决投影及黑板之间的矛盾为突破口，在原有传统黑板和现有投影仪设备的基础上，进一步深入开发拓展，通过选用磨砂玻璃作为新型黑板的书写板面，达到了减小视野盲区的目的，而单片机控制技术的引入，令本设计的功能更加丰富和智能化。在应用场合上，可广泛用于各大高校的多媒体教室的日常教学，提高教师授课效率。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式桌面投影互动教学系统，该互动教学系统包括投影系统、用户交互系统、图形与计算系统，其特征在于：

投影系统包括投影仪阵列以及投影屏幕，用来显示画面；

用户交互系统是让用户通过各种交互设备与互动教学系统应用程序之间进行自然的交互；

图形与计算系统是负责对用户的交互信息进行处理。

2.根据权利要求1所述的分布式桌面投影互动教学系统，其特征在于，所述投影仪阵列包括微控制器、线阵光电位置传感器、无线遥控模块、WIFI控制模块、2.4G无线通讯模块、电机控制模块以及步进电机。

3.根据权利要求2所述的分布式桌面投影互动教学系统，其特征在于，所述微控制器采用32bit单片机STM32F103RCT6作为主控模块处理器。

4.根据权利要求2所述的分布式桌面投影互动教学系统，其特征在于，所述线阵光电位置传感器的控制流程如下：

步骤1、初始化步骤，初始化时所述微控制器A1～A10引脚输出高电平；

步骤2、进行位置检测时根据矩阵键盘的扫描原理，先通过所述微控制器在A1引脚输出低电平，然后所述微控制器通过读取B1、B2……的引脚状态来确定按键按下的位置；

步骤3、当投影幕背后固定的激光发射器射到某一个光敏电阻时，光敏电阻导通，而其它没有受到激光照射的光敏电阻仍处于断路状态，由此模拟出按键的按下与松开。

5.根据权利要求1所述的分布式桌面投影互动教学系统，其特征在于，所述分布式桌面投影互动教学系统的控制流程如下：

步骤1、通过不同的行程按键，人为输入不同的控制量，触发所述投影仪阵列中第一微控制器不同的外部中断，第一微控制器处理相应的按键控制要求；

步骤2、第一微控制器根据接收到的不同信号，实现不同的控制作用，若接收到的是投银幕左右移动的信号，第一微控制器则输出不同的PWM波，通过步进电机的驱动模块控制投影幕左右移动电机，实现投影幕的左右移动。在投影幕移动的同时，通过第一微控制器采集线阵光电位置传感器的输出信号确定投影幕实时的位置信息；

步骤3、获取投影仪位置信息后，第一微控制器通过外设的2.4G无线通信模块将投影幕的实时位置信息发送到控制投影仪平动的微控制器2，微控制器2根据接收到的投影幕位置信息控制投影仪的移动，最终实现投影仪所投影出的内容始终投影在投影幕上。

6.根据权利要求5所述的分布式桌面投影互动教学系统，其特征在于，在步骤3中进一步包括：

若第一微控制器接收到开/关投影仪的信号，第一微控制器则通过外设的2.4G无线通信模块将该信号发送至控制投影仪平动的第二微控制器，通过第二微控制器实现开/关投影仪的功能；

若第一微控制器接收到上/下PPT翻页的信号，则其通过外设的Wifi模块将该信号发送至PC机，通过PC机上的上位机软件实现上/下PPT翻页的功能。