CN111477041A - 一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统及方法 - Google Patents

一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，包括：对实验演示装置进行三维扫描并建立三维模型的三维扫描建模模块；设置在实验设备上的传感器和相机；用于接收传感器传感数据和相机拍摄数据的接收模块；对传感器数据和拍摄数据进行整合的数据叠置模块；对传感数据和拍摄数据进行分析处理的数据处理模块；以及将处理后的数据在三维模型中进行显示并演示实验过程的显示模块；所述数据处理模块还通过网络传输模块将预演成果进行远程传输；还包括一种方法；本发明基于物联网将实验过程转换为三维模型，在该模型中通过人为的处理可以重点凸显实验的动态部分，并且将动态部分以动画的形式再现出来，便于学生的观察和理解。

Description

一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及物理教学技术领域，具体涉及一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统及方法。
背景技术
物理实验是最能直观体现物理原理和物理规律的教学方法，通过对某些经典的物理实验进行演示或者展示其中的细节有利于学生更好的掌握基本物理原理，从而为以后更进一步的学习打下更加坚实的基础。
物理基础实验体现的是最基本的物理规律，因此在一般物理教学中将其作为入门的实验进行演示和教学。在常规的物理实验教学中，一般是教师或者助教、学生代表进行实验，其他学生在旁边进行观察或者集体进行实验，但是由于物理实验的规范性要求，一般学生无法按照标准完成相应的实验，因此并不能够直观的认识到相关的物理规律。由于物理实验过程是过程性的，无法进行再现，因此只能不断的重复实验过程以满足学生的观察需求，但是由于实验过程的随机性，每次观察的实验数据却是不一样的，对于理解能力较差的学生来说，无法在短时间内理解上述原理。
为了克服上述问题，在现有技术中往往借助多媒体手段进行摄录，再重新播放以实现实验过程的再现，从而帮助学生进一步观察和理解该实验原理。但是由于实验过程中干扰较大，传统的摄录无法进行噪音过滤，因此，难以突出实验的核心，并不便于实验的观察。随着物联网技术的发展，借助物联网技术实现实验过程的再现和分析以帮助学生理解经典物理实验的原理将成为主流的方向。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统及方法，以解决现有技术中物理实验无法重复以及将实验过程重点突出的问题。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，包括：
通过扫描设备对实验演示装置进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型的三维扫描建模模块；
设置在实验设备上的若干种传感器和若干种相机；
用于接收传感器传感数据和相机拍摄数据的接收模块；
基于同一时间轴对不同接收模块内传感器数据和拍摄数据进行整合的数据叠置模块；
用于将数据叠置模块中传感数据和拍摄数据进行分析处理的数据处理模块；
以及将数据处理模块中经过处理的数据在三维模型中进行显示并演示实验过程的显示模块；
所述数据处理模块在显示模块完成预演之后通过网络传输模块将预演成果进行远程传输。
作为本发明的一种优选方案，所述三维模型中通过人工校准识别出动作区和静止区，并将传感器和相机的位置标示在三维模型对应的位置上并设定点位标识。
作为本发明的一种优选方案，所述数据叠置模块包括时间轴建立模块、偏移校正模块和叠置模块，所述时间轴建立模块依据传感器和相机传输数据上的时间确定起始节点，在确定起始节点后将传感器的数据和相机数据在同一时间轴上顺次排列，并将位于同一时间点上的数据进行集合形成真集合体，在形成的真集合体上对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
所述偏移校正模块在同一时间轴上选择折中节点，计算未完成集合数据与折中节点的时间差，并设定时间差的阈值，在阈值范围内的传感数据和相机数据集合起来形成伪集合体，在形成的伪集合体上也对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
所述叠置模块在原时间轴上将真集合体和伪集合体重新顺次排列，剔除不能形成集合体的数据。
作为本发明的一种优选方案，在所述数据处理模块中输入三维模型，并且锁定三维模型中的静止区，将经过叠置模块处理后的集合体按照点位标识输入到三维模型中，并按照同一时间轴对动作区进行动态播放，并根据实验过程进行渲染形成动态演示画面，并将相机数据按照同一时间轴展示在三维模型的侧面；
在演示画面侧面设置超链接按钮，所述超链接按钮链接至当前点位标识指示的相机数据。
作为本发明的一种优选方案，所述数据处理模块中还包括物理计算模块，所述物理计算模块基于相同的时间轴计算当前的物理值，并将物理值根据点位标识标注出来。
另外，本发明还提供了一种基于物联网通信技术的物理实验演示方法，包括如下步骤：
步骤100、通过扫描设备对实验演示装置进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型；
步骤200、在实验演示装置上设置传感器和相机，并根据传感器和相机在实验演示装置上的位置标识在三维模型上；
步骤300、在进行实验时同步将传感信号和相机信号通过接收模块处理后传输至数据叠置模块，在数据叠置模块基于同一时间轴进行集合和叠置处理后再传输至数据处理模型；
步骤400、将处理后的数据按照点位标识投影至三维模型中，在所述三维模型中计算生成物理值同步标识，再进行渲染动态演示画面；
步骤500、在完成预演之后通过网络传输模块将预演成果进行远程传输。
作为本发明的一种优选方案，在步骤300中基于同一时间轴进行集合和叠置处理的具体方法为：
依据传感器和相机传输数据上的时间确定起始节点，在确定起始节点后将传感器的数据和相机数据在同一时间轴上顺次排列，并将位于同一时间点上的数据进行集合形成真集合体，在形成的真集合体上对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
在同一时间轴上选择折中节点，计算未完成集合数据与折中节点的时间差，并设定时间差的阈值，将在阈值范围内的传感数据和相机数据集合起来形成伪集合体，在形成的伪集合体上也对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
剔除不能形成集合体的数据，并在原时间轴上将真集合体和伪集合体重新顺次排列进行叠置。
作为本发明的一种优选方案，在步骤400中投影至三维模型中的具体步骤为：
在已经建立的三维模型中通过人工校准识别出动作区和静止区；
依据点位标识将真集合体和伪集合体按照同一时间轴的先后顺序标注在三维模型的动作区；
对于每一个真集合体和伪集合体均进行物理值的计算，也按照同一时间轴的先后顺序将物理值同步标注在相应的点位标识上。
作为本发明的一种优选方案，在步骤500中，在进行渲染后进行预演的具体方法为：
将渲染后的动态演示画面按照实际时间轴顺序进行多次循环的播放；
在动态演示画面中明确标识出点位标识，并将点位标识作为控制点，对不连续的画面或卡顿的画面通过插值方法进行主动再次渲染直至画面播放符合设定要求；
生成播放速率控制条，并据此渲染形成通用视频格式。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明基于物联网基于将实验过程转换为三维模型，在该模型中通过人为的处理可以重点凸显实验的动态部分，并且将动态部分以动画的形式再现出来，便于学生的观察和理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施方式中的结构框图；
图2为本发明实施方式中的方法流程示意图。
图中：1-三维扫描建模模块；2-传感器；3-相机；4-接收模块；5-数据叠置模块；6-数据处理模块；7-显示模块；8-网络传输模块；
501-时间轴建立模块；502-偏移校正模块；503-叠置模块；
601-物理计算模块。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，包括：
通过扫描设备对实验演示装置进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型的三维扫描建模模块1；
设置在实验设备上的若干种传感器2和若干种相机3；
用于接收传感器传感数据和相机拍摄数据的接收模块4；
基于同一时间轴对不同接收模块4内传感器数据和拍摄数据进行整合的数据叠置模块5；
用于将数据叠置模块5中传感数据和拍摄数据进行分析处理的数据处理模块6；
以及将数据处理模块6中经过处理的数据在三维模型中进行显示并演示实验过程的显示模块7；
所述数据处理模块6在显示模块7完成预演之后通过网络传输模块8将预演成果进行远程传输。
对于该物理实验演示系统，如图2所示，其工作方式如下，具体包括如下步骤：
步骤100、通过扫描设备对实验演示装置进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型；
步骤200、在实验演示装置上设置传感器和相机，并根据传感器和相机在实验演示装置上的位置标识在三维模型上；
步骤300、在进行实验时同步将传感信号和相机信号通过接收模块处理后传输至数据叠置模块，在数据叠置模块基于同一时间轴进行集合和叠置处理后再传输至数据处理模型；
步骤400、将处理后的数据按照点位标识投影至三维模型中，在所述三维模型中计算生成物理值同步标识，再进行渲染动态演示画面；
步骤500、在完成预演之后通过网络传输模块将预演成果进行远程传输。
在本发明中主要分为两个部分：
第一，将实验装置通过扫描设备采集扫描数据以实现三维建模，即将真实的实验设备转换为建模的数据，并依据该数据完成模型的建立，在三维模型建立后将传感器和相机等数据采集装置按照点位表示在三维模型上，将其作为定位点，其采集的数据作为定位数据来实现实验数据在三维模型上的再现；
第二，对采集的数据进行处理，并且将处理后的结果应用在三维模型上，通过在三维模型上展示其采集的数据，从而可以将实验的核心过程通过人工处理的方式凸显出来，便于学生的观察。而且在该过程中，虽然经过了人工的处理，但是本质上仍然只是对展示形式进行了处理，对于实验的本质和实验的过程没有做任何的处理，从而达到既展示实验过程，又能突出重点的目的。
结合上述演示系统和方法，在本实施方式中，所述三维模型中通过人工校准识别出动作区和静止区，并将传感器和相机的位置标示在三维模型对应的位置上并设定点位标识。
所述数据叠置模块5包括时间轴建立模块501、偏移校正模块502和叠置模块503，所述时间轴建立模块501依据传感器和相机传输数据上的时间确定起始节点，在确定起始节点后将传感器的数据和相机数据在同一时间轴上顺次排列，并将位于同一时间点上的数据进行集合形成真集合体，在形成的真集合体上对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
所述偏移校正模块502在同一时间轴上选择折中节点，计算未完成集合数据与折中节点的时间差，并设定时间差的阈值，在阈值范围内的传感数据和相机数据集合起来形成伪集合体，在形成的伪集合体上也对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
所述叠置模块503在原时间轴上将真集合体和伪集合体重新顺次排列，剔除不能形成集合体的数据。
在数据叠置模块中，其主要的作用在于两个方面：第一，建立时间轴，将传感数据和相机拍摄的数据在同一个时间轴上联系起来，从而实现传感数据和相机拍摄数据的同步变化，以便在后续的动画渲染后可以对应相应的时刻展示实际的拍摄过程。
第二，对采集的数据进行纠偏处理，即提高装置的容错能力，该容错能力取决于设定的时间差阈值，一般来说，由于传感数据和相机的采集数据是具有对应关系的。但是这两者之间并没有直接的关联关系，因此，将两者联系起来的目的是为了实现在同一个模型里面能够将传感数据和拍摄数据对应起来，便于实验过程的观察和对比，该对比过程并不影响实验结果，因此可以在一定的范围内将不是同一时刻的数据也对应起来，只不过对于这类的数据，在模型中需要对其按照时间差进行提前或者延迟。
在将数据进行集合之后，再将数据集合到三维模型上，再通过变化时间轴从而实现数据的动态化演示，再在数据插值和动态过程的渲染过程中实现整个实验过程的重现。
在所述数据处理模块6中输入三维模型，并且锁定三维模型中的静止区，将经过叠置模块503处理后的集合体按照点位标识输入到三维模型中，并按照同一时间轴对动作区进行动态播放，并根据实验过程进行渲染形成动态演示画面，并将相机数据按照同一时间轴展示在三维模型的侧面；
在演示画面侧面设置超链接按钮，所述超链接按钮链接至当前点位标识指示的相机数据。
所述数据处理模块6中还包括物理计算模块601，所述物理计算模块601基于相同的时间轴计算当前的物理值，并将物理值根据点位标识标注出来。
在该处理的过程中能够将采集的传感数据和相机数据计算成物理值，并通过物理值和三维建模的结合，将其转换成动画的形式，并且在以动画播放的同时还可以兼顾真实实验，从而实现两者之间的对比以及优势互补，再将实验过程数据化后能够基于物联网的优势实现远程教育。
如图2所示，对于该基于物联网通信技术的物理实验演示方法，在步骤300中基于同一时间轴进行集合和叠置处理的具体方法为：
依据传感器和相机传输数据上的时间确定起始节点，在确定起始节点后将传感器的数据和相机数据在同一时间轴上顺次排列，并将位于同一时间点上的数据进行集合形成真集合体，在形成的真集合体上对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
在同一时间轴上选择折中节点，计算未完成集合数据与折中节点的时间差，并设定时间差的阈值，将在阈值范围内的传感数据和相机数据集合起来形成伪集合体，在形成的伪集合体上也对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
剔除不能形成集合体的数据，并在原时间轴上将真集合体和伪集合体重新顺次排列进行叠置。
在步骤400中投影至三维模型中的具体步骤为：
在已经建立的三维模型中通过人工校准识别出动作区和静止区；
依据点位标识将真集合体和伪集合体按照同一时间轴的先后顺序标注在三维模型的动作区；
对于每一个真集合体和伪集合体均进行物理值的计算，也按照同一时间轴的先后顺序将物理值同步标注在相应的点位标识上。
在步骤500中，在进行渲染后进行预演的具体方法为：
将渲染后的动态演示画面按照实际时间轴顺序进行多次循环的播放；
在动态演示画面中明确标识出点位标识，并将点位标识作为控制点，对不连续的画面或卡顿的画面通过插值方法进行主动再次渲染直至画面播放符合设定要求；
生成播放速率控制条，并据此渲染形成通用视频格式。
本发明基于物联网基于将实验过程转换为三维模型，在该模型中通过人为的处理可以重点凸显实验的动态部分，并且将动态部分以动画的形式再现出来，便于学生的观察和理解。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，其特征在于，包括：
通过扫描设备对实验演示装置进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型的三维扫描建模模块(1)；
设置在实验设备上的若干种传感器(2)和若干种相机(3)；
用于接收传感器传感数据和相机拍摄数据的接收模块(4)；
基于同一时间轴对不同接收模块(4)内传感器数据和拍摄数据进行整合的数据叠置模块(5)；
用于将数据叠置模块(5)中传感数据和拍摄数据进行分析处理的数据处理模块(6)；
以及将数据处理模块(6)中经过处理的数据在三维模型中进行显示并演示实验过程的显示模块(7)；
所述数据处理模块(6)在显示模块(7)完成预演之后通过网络传输模块(8)将预演成果进行远程传输。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，其特征在于，所述三维模型中通过人工校准识别出动作区和静止区，并将传感器和相机的位置标示在三维模型对应的位置上并设定点位标识。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，其特征在于，所述数据叠置模块(5)包括时间轴建立模块(501)、偏移校正模块(502)和叠置模块(503)，所述时间轴建立模块(501)依据传感器和相机传输数据上的时间确定起始节点，在确定起始节点后将传感器的数据和相机数据在同一时间轴上顺次排列，并将位于同一时间点上的数据进行集合形成真集合体，在形成的真集合体上对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
所述偏移校正模块(502)在同一时间轴上选择折中节点，计算未完成集合数据与折中节点的时间差，并设定时间差的阈值，在阈值范围内的传感数据和相机数据集合起来形成伪集合体，在形成的伪集合体上也对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
所述叠置模块(503)在原时间轴上将真集合体和伪集合体重新顺次排列，剔除不能形成集合体的数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，其特征在于，在所述数据处理模块(6)中输入三维模型，并且锁定三维模型中的静止区，将经过叠置模块(503)处理后的集合体按照点位标识输入到三维模型中，并按照同一时间轴对动作区进行动态播放，并根据实验过程进行渲染形成动态演示画面，并将相机数据按照同一时间轴展示在三维模型的侧面；
在演示画面侧面设置超链接按钮，所述超链接按钮链接至当前点位标识指示的相机数据。
5.根据权利要求4所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统，其特征在于，所述数据处理模块(6)中还包括物理计算模块(601)，所述物理计算模块(601)基于相同的时间轴计算当前的物理值，并将物理值根据点位标识标注出来。
6.一种基于物联网通信技术的物理实验演示方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、通过扫描设备对实验演示装置进行三维扫描并依据扫描结果建立三维模型；
步骤200、在实验演示装置上设置传感器和相机，并根据传感器和相机在实验演示装置上的位置标识在三维模型上；
步骤300、在进行实验时同步将传感信号和相机信号通过接收模块处理后传输至数据叠置模块，在数据叠置模块基于同一时间轴进行集合和叠置处理后再传输至数据处理模型；
步骤400、将处理后的数据按照点位标识投影至三维模型中，在所述三维模型中计算生成物理值同步标识，再进行渲染动态演示画面；
步骤500、在完成预演之后通过网络传输模块将预演成果进行远程传输。
7.根据权利要求6所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示方法，其特征在于，在步骤300中基于同一时间轴进行集合和叠置处理的具体方法为：
依据传感器和相机传输数据上的时间确定起始节点，在确定起始节点后将传感器的数据和相机数据在同一时间轴上顺次排列，并将位于同一时间点上的数据进行集合形成真集合体，在形成的真集合体上对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
在同一时间轴上选择折中节点，计算未完成集合数据与折中节点的时间差，并设定时间差的阈值，将在阈值范围内的传感数据和相机数据集合起来形成伪集合体，在形成的伪集合体上也对不同传感器和相机传输的信号按照点位标识进行位置标注；
剔除不能形成集合体的数据，并在原时间轴上将真集合体和伪集合体重新顺次排列进行叠置。
8.根据权利要求6所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示方法，其特征在于，在步骤400中投影至三维模型中的具体步骤为：
在已经建立的三维模型中通过人工校准识别出动作区和静止区；
依据点位标识将真集合体和伪集合体按照同一时间轴的先后顺序标注在三维模型的动作区；
对于每一个真集合体和伪集合体均进行物理值的计算，也按照同一时间轴的先后顺序将物理值同步标注在相应的点位标识上。
9.根据权利要求6所述的一种基于物联网通信技术的物理实验演示方法，其特征在于，在步骤500中，在进行渲染后进行预演的具体方法为：
将渲染后的动态演示画面按照实际时间轴顺序进行多次循环的播放；
在动态演示画面中明确标识出点位标识，并将点位标识作为控制点，对不连续的画面或卡顿的画面通过插值方法进行主动再次渲染直至画面播放符合设定要求；
生成播放速率控制条，并据此渲染形成通用视频格式。
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