CN114973812A - 一种基于ar的远程实景在线教学方法及在线教学系统 - Google Patents

一种基于ar的远程实景在线教学方法及在线教学系统 Download PDF

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刘永刚
姚立权
张远望
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Abstract

本发明提供一种基于AR的远程实景在线教学方法及在线教学系统，属于在线教学技术领域。本发明基于AR的远程实景在线教学方法包括步骤：S1：服务器端搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域；S2：对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置；S3：接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的课件，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上；S4：将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备。本发明的有益效果为：模拟真实上课场景，有效提升远程教学效果。

Description

一种基于AR的远程实景在线教学方法及在线教学系统
技术领域
本发明涉及在线教学技术领域，具体涉及一种基于AR的远程实景在线教学方法及在线教学系统。
背景技术
目前受国内公共卫生事件的影响，很多中小学以及大学有时候采用雨课堂、腾讯会议、钉钉会议等在线教学模式。同时在成人教育、远程教育方面的教学方面的授课方式上也大多采用这种在线教学模式。但是这种在线教学模式存在很大的弊端，一般情况下是老师在电脑端授课，但是具体的学生只是打开了在线学习软件，对于学生具体是否在听课，以及学生处于什么样的学习状态，作为授课老师是完全不清楚的。这样就严重影响了授课效果。本发明采用一种基于AR的远程实景在线教学方法，完全避免了这种教学方法带来的弊端。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于AR的远程实景在线教学方法及在线教学系统。
本发明一种基于AR的远程实景在线教学方法,包括如下步骤：
S1：服务器端搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域；
S2：对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置；
S3：接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的课件，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上；
S4：将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备。
本发明作进一步改进，步骤S1和S2中，实时虚拟三维教室内的学生区域设有多个座位，根据客户端的编号，将客户端设置在不同的座位上，模拟真实的教室场景。
本发明作进一步改进，步骤S3中，所述实时视频流通过客户端的音视频设备采集，当所述音视频设备采集后，将采集的音视频数据实时上传给服务器端，服务器端将接收到的视频内容实时显示在所述设定位置上。
本发明还提供一种在线教学系统，包括通过网络相互连接的客户端和服务器端，所述客户端包括分别与服务器端相连的教师客户端和学生客户端，所述服务器端执行上述基于AR的远程实景在线教学方法。
本发明作进一步改进，所述教师客户端设有：
第一AR设备：与服务器端相连，用于教师进入虚拟三维教室，通过所述虚拟三维教室实时查看各个学生的实时状态；
第一音视频采集设备：用于采集教师的音频和视频数据，并上传至服务器端；
触摸显示板书：用于采集电子课件及板书内容，上传至服务器端。
本发明作进一步改进，所述学生客户端设有：
第二AR设备：与服务器端相连，用于学生进入虚拟三维教室，通过所述虚拟三维教室实时查看其他学生和教师的状态；
第二音视频采集设备：用于采集学生的音频和视频数据，并上传至服务器端。
本发明作进一步改进，所述服务器端设有：
虚拟三维教室搭建模块：用于服务器端搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域；
位置设置模块：用于对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置；
接收模块：用于接收学生客户端和教师客户端上传的音视频数据；
投射模块：用于接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的电子课件及板书内容，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上；
推送模块：用于将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备。
本发明作进一步改进，所述第一视频采集设备和第二视频采集设备分别采用与服务器端相连的摄像头，音频采集设备为设置在AR设备上的麦克风，所述第一AR设备和第二AR设备分别设有空间位置传感器，用于将客户端的实时空间位置信息上传给所述服务器端，所述服务器端根据客户端的编号，将虚拟信息与现实场景信息进行对位匹配；对摄像头和空间位置传感器上传的数据分析重构，从而获取得出虚拟场景和真实场景的相对位置，实现坐标系的对齐并进行虚拟场景与现实场景的融合计算，最后将其合成影像呈现给客户端的AR设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：解决远程授课教师无法确认学生学习状态的技术问题，采用该方法，跟在实体教室授课一样，每个学生都有独立的座位位置，老师也有具体的黑板授课位置。作为老师，能够全面掌握每个学生的动作行为，以及听课状态。作为学生，能够实际感受到老师的授课状态和授课内容，有效提升远程教学效果，本发明适用范围逛，可以适用于各类学校教学，以及成人教育等教学。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为本发明在线教学系统拓扑图；
图2为本发明在线教学系统各设备交互示意图；
图3为本发明基于AR的远程实景在线教学方法的方法流程图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明致力于解决远程教学过程中，老师授课，但是又无法清楚学生学习状态的教学问题。采用该方法，跟在实体教室授课一样，每个学生都有独立的座位位置，老师也有具体的黑板授课位置。作为老师，能够全面掌握每个学生的动作行为，以及听课状态。作为学生，能够实际感受到老师的授课状态，跟授课内容。
如图1所示，本发明包括通过网络相互连接的客户端和远程的服务器端，所述客户端包括分别与服务器端相连的教师客户端和学生客户端。
其中，学生客户端和教师客户端分别设有：
AR设备：佩戴在学生或老师头上，与服务器端相连，用于学生或教师进入虚拟三维教室，通过所述虚拟三维教室实时查看其他客户端学生和/或教师的实时状态；
音视频采集设备：用于采集教师的音频和视频数据，并上传至服务器端。
此外，本发明教师客户端还设有：
触摸显示板书：用于采集电子课件及板书内容，上传至服务器端。
具体地，所述音视频采集设备包括音频采集设备和视频采集设备，本例的视频采集设备采用与服务器端相连的摄像头，所述摄像头安装在能够全景覆盖学生和老师上课的位置，能够采集学生和老师的整体状态，音频采集设备为麦克风，本例音频采集设备可以设置在学生或老师佩戴的AR设备上，从而能够清晰的采集到学生或老师发出的音频信号，然后，将采集的视频和音频信息通过家里的网络传输到服务器上。电子板书的内容是在触摸一体机上进行的，具有网络接口，通过网络接口可以将一体机上书写的内容传输到服务器端。学生和教师佩戴的VR设备是用于呈现视频和音频信息的，实时接收服务器发送过来的信息，然后呈现在VR设备中。
此外，本例的AR设备上设有陀螺仪、传感器等配件实时更新用户在现实环境中的空间位置变化数据，此外，还可以在AR上设置眼动追踪器采集控制信号，并进行相应的人机交互，优选地，本例还可以通过AR头显或智能移动设备上的交互配件，如话筒、红外感应器、摄像头、传感器等设备采集控制信号，并进行相应的人机交互及信息更新，实现增强现实的交互操作。
本发明的服务器端设有：
虚拟三维教室搭建模块：用于搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域，模拟现实的三维教室；
位置设置模块：用于对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置，模拟现实的三维教室中的布局；
接收模块：用于接收学生客户端和教师客户端上传的音视频数据；
投射模块：用于接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的电子课件及板书内容，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上，模拟现实的三维教室孩子上课的情形；
推送模块：用于将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备，从而使每个客户端都能够有身临其境之感。
如图2所示，本发明的远程教学系统的交互方法为：
(1)每个学生客户端设备通过网络接入远程的服务器端；
(2)远程服务器端基于每个学生客户端设备上传的信息搭建虚拟三维教室环境；
(3)教师和学生带着AR设备，教室和学生根据设置，进入虚拟三维教室环境中；
(4)教师和学生在虚拟三维教室环境下教学、学习，模拟真实的教室环境的教学场景。
本步骤中，教师和学生都会沉浸在统一的一个三维的教室环境中，对于每个学生都有独立的编号。通过AR设备，在三维的教室环境中会体现出每个学生的各种姿势姿态，对于学生之间，以及老师与学生之间，都能互相看到各自的情况。
具体地，在所述虚拟三维教室环境下，学生能够实时听到教师的声音，并能够看到教室的动作，同时能够看到授课课件和板书内容；教师能够实时看到每个学生的上课状态，并且可能实时对学生进行提问，学生也能够实时回答问题，学生和学生之间也是能够相互看到。从而能够做到完全跟线下教学是一样的场景，提升远程在线教学效果。
如图3所示，本例的基于AR的远程实景在线教学方法主要通过服务器端实现，包括如下步骤：
S1：服务器端搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域。
S2：对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置。
步骤S1和S2中，实时虚拟三维教室内的学生区域设有多个座位，根据客户端的编号，将客户端设置在不同的座位上，模拟真实的教室场景。
S3：接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的课件，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上。
步骤S3中，所述实时视频流通过客户端的音视频设备采集，当所述音视频设备采集后，将采集的音视频数据实时上传给服务器端，服务器端将接收到的视频内容实时显示在所述设定位置上。
S4：将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备
本例虚拟三维教室环境搭建是在服务器中完成，其中包括视频信息，音频信息，板书内容。服务器要建立一个三维的场景，每个同学和老师都有独立的ID号，服务器会针对每个ID号安排，将采集到的老师和学生视频状态以及音频呈放到固定的位置上。这样每个学生在进入三维的场景之后，就能看到彼此。
本例的学生和教师可以在学校的官网或App上申请固定的ID号才能进入某一个虚拟三维教室进行学习。在申请ID号时需要输入学生和老师使用AR设备和音视频设备的MAC地址，保证了唯一性和安全性。当需要进行授课时，学生只需要开启音视频设备，并且佩戴好AR设备，等待上课时间就可以了，使用非常方便。
本例三维注册是AR技术之核心，即以现实场景中二维或三维物体为标识物，将虚拟信息与现实场景信息进行对位匹配，即虚拟物体的位置、大小、运动路径等与现实环境必须完美匹配，达到虚实相生的地步。
本例的音视频设备是用于采集学生和教师的声音以及动作状态，通过网络传输到服务器中，并在虚拟场景下呈现出来。这样学生和教师就能进行实时的互动，本发明的具体实现方法为：
首先通过摄像头和AR设备的传感器将真实场景进行数据采集，并传入服务器端对其进行分析和重构，再通过AR设备头显或智能移动设备上的摄像头、陀螺仪、传感器等配件实时更新用户在现实环境中的空间位置变化数据，从而得出虚拟场景和真实场景的相对位置，实现坐标系的对齐并进行虚拟场景与现实场景的融合计算，最后将其合成影像通过AR设备呈现给用户，同时将音频信号实时广播给客户端。
在其交互过程中，客户端可以通过信号控制配件进行控制，然后控制信号通过配件最终上传给服务器端，进行相应的人机交互及信息更新。
由上可知，本发明的有益效果是：通过AR技术，本发明能够实现与真实教室授课相同的场景，从而使每个学生都能够全面看到其他学生和/或老师的实时动作动态，能够与学生和教师实时互动，能够实际追踪到老师的授课内容；作为老师，也能够的听课状态，从而能够全面掌握每个学生的听课状态，因此，通过本发明的技术，能够有效的提升教学效果，虽然是远程教学，但是能够提供现有技术远程教育达不到的身临其境之感。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于AR的远程实景在线教学方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：服务器端搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域；
S2：对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置；
S3：接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的课件，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上；
S4：将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备。
2.根据权利要求1所述的基于AR的远程实景在线教学方法，其特征在于：步骤S1和S2中，实时虚拟三维教室内的学生区域设有多个座位，根据客户端的编号，将客户端设置在不同的座位上，模拟真实的教室场景。
3.根据权利要求1所述的基于AR的远程实景在线教学方法，其特征在于：步骤S3中，所述实时视频流通过客户端的音视频设备采集，当所述音视频设备采集后，将采集的音视频数据实时上传给服务器端，服务器端将接收到的视频内容实时显示在所述设定位置上。
4.一种在线教学系统，其特征在于：包括通过网络相互连接的客户端和服务器端，所述客户端包括分别与服务器端相连的教师客户端和学生客户端，所述服务器端执行权利要求1-3任一项所述的基于AR的远程实景在线教学方法。
5.根据权利要求4所述的在线教学系统，其特征在于：所述教师客户端设有：
第一AR设备：与服务器端相连，用于教师进入虚拟三维教室，通过所述虚拟三维教室实时查看各个学生的实时状态；
第一音视频采集设备：用于采集教师的音频和视频数据，并上传至服务器端；
触摸显示板书：用于采集电子课件及板书内容，上传至服务器端。
6.根据权利要求5所述的在线教学系统，其特征在于：所述学生客户端设有：
第二AR设备：与服务器端相连，用于学生进入虚拟三维教室，通过所述虚拟三维教室实时查看其他学生和教师的状态；
第二音视频采集设备：用于采集学生的音频和视频数据，并上传至服务器端。
7.根据权利要求6所述的在线教学系统，其特征在于：所述服务器端设有：
虚拟三维教室搭建模块：用于服务器端搭建虚拟三维教室，所述虚拟三维教室内设有教师区域和学生区域；
位置设置模块：用于对客户端依次编号，然后将客户端设置在虚拟三维教室内教师区域和学生区域的设定位置；
接收模块：用于接收学生客户端和教师客户端上传的音视频数据；
投射模块：用于接收客户端采集的实时视频流，然后将实时视频投射在与客户端对应的设定位置上，接收教师客户端上传的电子课件及板书内容，将课件内容实时显示在虚拟三维教室的一体机上；
推送模块：用于将包括客户端实时视频和一体机内容的虚拟三维教室视频流和音频信号实时推送给除上传视频客户端外的其他客户端的AR设备。
8.根据权利要求7所述的在线教学系统，其特征在于：所述第一视频采集设备和第二视频采集设备分别采用与服务器端相连的摄像头，音频采集设备为设置在AR设备上的麦克风，所述第一AR设备和第二AR设备分别设有空间位置传感器，用于将客户端的实时空间位置信息上传给所述服务器端，所述服务器端根据客户端的编号，将虚拟信息与现实场景信息进行对位匹配；对摄像头和空间位置传感器上传的数据分析重构，从而获取得出虚拟场景和真实场景的相对位置，实现坐标系的对齐并进行虚拟场景与现实场景的融合计算，最后将其合成影像呈现给客户端的AR设备。
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