CN115331493A - 一种基于3d全息技术的立体综合教学系统及方法 - Google Patents

一种基于3d全息技术的立体综合教学系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于3D全息技术的立体综合教学系统，包括：数据库：存储多个全息影像模型；采集单元：用于采集学生的互动信息；互动信息包括采集到的声音信息、图像信息和视频信息；互动单元：用于显示数据库中的全息影像模型，根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换。立体综合教学系统，利用全息影像技术构建虚拟模型，这样在进行教学时，显示全息影像模型，学生通过观看全息影像模型完成教学。该立体综合教学系统可以同时供多名学生观看全息影像模型，实现多学生的同时教学，适用范围广。

Description

一种基于3D全息技术的立体综合教学系统及方法
技术领域
本发明属于3D全息、虚拟场景技术领域，具体涉及一种基于3D全息技术的立体综合教学系统及方法。
背景技术
目前的教学主要还是采用传统的方式进行，教师在教室给学生教学。这种教学方式的效果和教师有很大的关系，主要依赖教师。
虚拟现实应用于教育是教育技术发展的一个飞跃，它营造了“自主学习”的环境，由传统的“以教促学”的学习方式代之为学习者通过自身与信息环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式。
但是目前的虚拟教学系统仅能简单实现通过VR眼镜进行虚拟教学，这种教学系统需要配置VR眼镜，所以只适用于学生人数较少的教学场景中，不能应用于学生人数多的教学场景中，适用范围有限。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于3D全息技术的立体综合教学系统及方法，能实现多学生的同时教学，适用范围广。
第一方面，一种基于3D全息技术的立体综合教学系统，包括：
数据库：存储多个全息影像模型；
采集单元：用于采集学生的互动信息；互动信息包括采集到的声音信息、图像信息和视频信息；
互动单元：用于显示数据库中的全息影像模型，根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换。
进一步地，全息影像模型的构建方法包括：
利用多个AR摄像头同时对实际教学场景进行拍摄，以得到多个拍摄视频；
将每个拍摄视频划分为多个子视频，为每个子视频设置触发关键词；
根据拍摄视频构建全息影像模型，其中同一个触发关键词对应的所有子视频构成全息影像模型中的一子模型。
进一步地，声音信息包括学生提问时采集到的语音信号；
互动单元具体用于解析语音信号，以获得关键词，定义关键词为提问关键词；在全息影像模型中读取触发关键词与提问关键词一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示。
进一步地，图像信息包括学生提问时采集到的图像；
互动单元具体用于提取图像中所有学生的人形轮廓，当检测到一人形轮廓包含举手动作时，定义图像的状态为举手提问；在全息影像模型中读取触发关键词与状态一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示。
进一步地，视频信息包括在全息影像模型显示过程中实时录制的视频；
互动单元具体用于提取视频当前帧图片中所有学生的人形轮廓，当检测到多个人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差超过预设值时，定义视频当前时刻的状态为坐姿不端正；定义全息影像模型中触发关键词与状态一致的子模型为待显示子模型，定义全息影像模型当前显示的子模型为暂停子模型，记录暂停子模型的显示进度，将显示的全息影像模型切换至待显示子模型进行显示，当待显示子模型显示完毕后，将显示的全息影像模型切换至暂停子模型的显示进度继续显示。
进一步地，立体综合教学系统还包括：
监管单元：用于获取视频，提取视频每帧图片中所有学生的面部表情，分析面部表情，以得到每个学生的上课状态，对所有学生的上课状态进行统计。
第二方面，一种基于3D全息技术的立体综合教学方法，包括：
数据库存储多个全息影像模型；
采集单元采集学生的互动信息；互动信息包括采集到的声音信息、图像信息和视频信息；
互动单元显示数据库中的全息影像模型，根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换。
进一步地，全息影像模型的构建方法包括：
利用多个AR摄像头同时对实际教学场景进行拍摄，以得到多个拍摄视频；
将每个拍摄视频划分为多个子视频，为每个子视频设置触发关键词；
根据拍摄视频构建全息影像模型，其中同一个触发关键词对应的所有子视频构成全息影像模型中的一子模型。
进一步地，互动单元根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换具体包括：
当接收到学生提问采集到的语音信号时，解析语音信号，以获得关键词，定义关键词为提问关键词；在全息影像模型中读取触发关键词与提问关键词一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示；
当接收到学生提问采集到的图像时，提取图像中所有学生的人形轮廓，当检测到一人形轮廓包含举手动作时，定义图像的状态为举手提问；在全息影像模型中读取触发关键词与状态一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示；
接收全息影像模型显示过程中实时录制的视频，提取视频当前帧图片中所有学生的人形轮廓，当检测到多个人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差超过预设值时，定义视频当前时刻的状态为坐姿不端正；定义全息影像模型中触发关键词与状态一致的子模型为待显示子模型，定义全息影像模型当前显示的子模型为暂停子模型，记录暂停子模型的显示进度，将显示的全息影像模型切换至待显示子模型进行显示，当待显示子模型显示完毕后，将显示的全息影像模型切换至暂停子模型的显示进度继续显示。
进一步地，在接收全息影像模型显示过程中实时录制的视频之后，还包括：
提取视频每帧图片中所有学生的面部表情，分析面部表情，以得到每个学生的上课状态，对所有学生的上课状态进行统计。
由上述技术方案可知，本发明提供的基于3D全息技术的立体综合教学系统及方法，利用全息影像技术构建虚拟模型，这样在进行教学时，显示全息影像模型，学生通过观看全息影像模型完成教学。该立体综合教学系统可以同时供多名学生观看全息影像模型，实现多学生的同时教学，适用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为实施例提供的立体综合教学系统的一模块框图。
图2为实施例提供的立体综合教学系统的另一模块框图。
图3为实施例提供的立体综合教学方法的流程图。
图4为实施例提供的全息影像模型的构建方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
实施例：
一种基于3D全息技术的立体综合教学系统，参见图1，包括：
数据库1：存储多个全息影像模型；
采集单元2：用于采集学生的互动信息；互动信息包括采集到的声音信息、图像信息和视频信息；
互动单元3：用于显示数据库1中的全息影像模型，根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换。
在本实施例中，该系统可以预先构建多个全息影像模型，例如针对每堂课构建一个全息影像模型，每个全息影像模型可以设置一标签，标签可以包含教师名字、课程名称、教学时间等等，标签用来唯一标识全息影像模型，这样当需要从数据库1中读取全息影像模型时，可以搜索标签，从而读取到对应的全息影像模型。
在本实施例中，该立体综合教学系统通过显示全息影像模型完成教学，采集单元2用于采集教学过程中学生的互动信息，例如采集学生的语音信号、表情、动作等等数据。采集单元2可以包括多个设置在不同位置处的传感器，传感器的选择根据需要采集的数据确定。例如采集单元2可以包括声音采集器、红外传感器、摄像头、振动传感器等等。
在本实施例中，互动单元3可以从数据库1中读取全息影像模型并进行显示，这样学生就可以通过观看显示的全息影像模型完成教学。互动单元3可以根据学生的互动情况对显示的全息影像模型进行切换，使得全息影像模型显示的内容能够与学生的互动情况对应，呈现出学生和教师互动的效果。全息影像模型在显示过程中，可以按照子模型进行显示，例如全息影像模型包括子模型A、子模型B和子模型C，子模型A、子模型B和子模型C设别设有触发条件，当子模型A的触发条件满足时，显示子模型A，在子模型A的显示过程中，如果子模型B的触发条件满足时，将全息影像模型正在显示的子模型由子模型A切换至子模型B。
该立体综合教学系统，利用全息影像技术构建虚拟模型，这样在进行教学时，显示全息影像模型，学生通过观看全息影像模型完成教学。该立体综合教学系统可以同时供多名学生观看全息影像模型，实现多学生的同时教学，适用范围广。
进一步地，在一些实施例中，全息影像模型的构建方法包括：
利用多个AR摄像头同时对实际教学场景进行拍摄，以得到多个拍摄视频；
将每个拍摄视频划分为多个子视频，为每个子视频设置触发关键词；
根据拍摄视频构建全息影像模型，其中同一个触发关键词对应的所有子视频构成全息影像模型中的一子模型。
在本实施例中，全息影像模型通过AR摄像头拍摄构建得到。首先在教室里设置多个AR摄像头，教师在教室里正常授课，其中在教师授课过程中同时启动所有AR摄像头对教师进行拍摄，由此可以得到多角度拍摄教师得到的多个拍摄视频。接着将每个拍摄视频划分为多个子视频，为每个子视频设置触发关键词，其中触发关键词可以根据教学进度、教学阶段或教学内容等信息确定。例如触发关键词可以设置为授课、举手提问、坐姿不端正、多个答疑关键词，例如子视频为教师回答“白居易是哪个朝代的诗人”这个问题时，答疑关键词可以为“白居易朝代”。最后根据拍摄视频构建全息影像模型，其中全息影像模型中包含多个子模型，每个子模型根据同一个触发关键词对应的所有子视频构成，例如在所有拍摄视频中提取出“白居易朝代”这一答疑关键词对应的所有子视频，由此可以得到教师回答“白居易是哪个朝代的诗人”这个问题拍摄到的多角度的视频，并根据这些子视频构建子模型A，即得到全息影像模型中教师回答“白居易是哪个朝代的诗人”这个问题的子模型A。
进一步地，在一些实施例中，声音信息包括学生提问时采集到的语音信号；
互动单元3具体用于解析语音信号，以获得关键词，定义关键词为提问关键词；在全息影像模型中读取触发关键词与提问关键词一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示。
本实施例提供了第一种互动方式：回答学生提问问题。互动单元3接收到学生提问的语音信号时，解析语音信号，以获得提问关键词，例如当学生提问“白居易是哪个朝代的诗人”，互动单元3解析得到的提问关键词为“白居易朝代”。接着互动单元3从数据库中读取触发关键词与提问关键词一致的子模型，即互动单元3读取到子模型A，此时将全息影像模型当前显示内容切换为显示子模型A。
进一步地，在一些实施例中，图像信息包括学生提问时采集到的图像；
互动单元3具体用于提取图像中所有学生的人形轮廓，当检测到一人形轮廓包含举手动作时，定义图像的状态为举手提问；在全息影像模型中读取触发关键词与状态一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示。
本实施例提供了第二种互动方式：识别学生举手回答问题。互动单元3接收到学生提问时的图像，识别出该图像中是否有学生举手回答问题，例如通过检测人形轮廓识别出图像中是否包含举手动作，如果有，说明此时有学生举手，定义图像的状态为举手提问。其中对举手动作的轮廓识别可以采用灰度和最大连通域相结合的方式进行识别，例如识别出在一定灰度范围内的最大连通域，由此识别出每个人形轮廓。互动单元3当识别出图像的状态为举手提问后，在全息影像模型中读取触发关键词为举手提问的子模型，显示该子模型。例如该子模型的显示内容为：教师说“请举手同学(或某某同学)回答问题”。
进一步地，在一些实施例中，视频信息包括在全息影像模型显示过程中实时录制的视频；
互动单元3具体用于提取视频当前帧图片中所有学生的人形轮廓，当检测到多个人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差超过预设值时，定义视频当前时刻的状态为坐姿不端正；定义全息影像模型中触发关键词与状态一致的子模型为待显示子模型，定义全息影像模型当前显示的子模型为暂停子模型，记录暂停子模型的显示进度，将显示的全息影像模型切换至待显示子模型进行显示，当待显示子模型显示完毕后，将显示的全息影像模型切换至暂停子模型的显示进度继续显示。
本实施例提供了第三种互动方式：纠正学生坐姿不端正。采集单元2用于实时录制授课过程的视频，例如从录制授课过程中包含学生的视频。互动单元3提取视频中每帧图片的人形轮廓，标准坐姿轮廓可以预先设置，当人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差较小时，说明学生坐姿端正。当人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差较大时，说明学生坐姿不端正，东倒西歪，定义视频当前时刻的状态为坐姿不端正，此时就需要提醒学生保持端正的坐姿。接着互动单元3定义触发关键词为坐姿不端正的子模型为待显示子模型，定义当前显示的子模型为暂停子模型，此时暂停显示暂停子模型，显示待显示子模型，当待显示子模型显示完毕后，继续显示暂停子模型，这样给学生呈现的效果为：当课程中出现学生坐姿不端正时，暂停当前的教学，纠正学生坐姿，纠正完后再继续教学。其中待显示子模型的显示内容可以为：老师说“请同学们(或某某同学)肃静，坐姿端正”。暂停子模型再次显示时，从上一次暂停的显示进度继续显示。
进一步地，在一些实施例中，参见图2，立体综合教学系统还包括：
监管单元4：用于获取视频，提取视频每帧图片中所有学生的面部表情，分析面部表情，以得到每个学生的上课状态，对所有学生的上课状态进行统计。
在本实施例中，立体综合教学系统还可以统计学生的上课状态。监管单元4可以通过识别学生的面部表情判断学生的上课状态，例如当识别出学生出现闭眼频繁、打哈欠等面部表情时，认为学生的上课状态为精神不集中，当识别出学生全程保持正常的听课状态，认为学生的上课状态为精神集中，最后监管单元4还对所有学生的上课状态进行统计，例如统计全班学生中有多少人精神不集中，有多少人精神集中。
一种基于3D全息技术的立体综合教学方法，参见图3，包括：
S1：数据库存储多个全息影像模型；
S2：采集单元采集学生的互动信息；互动信息包括传感器采集到的声音信息、图像信息和视频信息；
S3：互动单元显示数据库中的全息影像模型，根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换。
进一步地，在一些实施例中，参见图4，全息影像模型的构建方法包括：
S11：利用多个AR摄像头同时对实际教学场景进行拍摄，以得到多个拍摄视频；
S12：将每个拍摄视频划分为多个子视频，为每个子视频设置触发关键词；
S13：根据拍摄视频构建全息影像模型，其中同一个触发关键词对应的所有子视频构成全息影像模型中的一子模型。
进一步地，在一些实施例中，互动单元根据互动信息对显示的全息影像模型进行切换具体包括：
当接收到学生提问采集到的语音信号时，解析语音信号，以获得关键词，定义关键词为提问关键词；在全息影像模型中读取触发关键词与提问关键词一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示；
当接收到学生提问采集到的图像时，提取图像中所有学生的人形轮廓，当检测到一人形轮廓包含举手动作时，定义图像的状态为举手提问；在全息影像模型中读取触发关键词与状态一致的子模型，将显示的全息影像模型切换至子模型进行显示；
接收全息影像模型显示过程中实时录制的视频，提取视频当前帧图片中所有学生的人形轮廓，当检测到多个人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差超过预设值时，定义视频当前时刻的状态为坐姿不端正；定义全息影像模型中触发关键词与状态一致的子模型为待显示子模型，定义全息影像模型当前显示的子模型为暂停子模型，记录暂停子模型的显示进度，将显示的全息影像模型切换至待显示子模型进行显示，当待显示子模型显示完毕后，将显示的全息影像模型切换至暂停子模型的显示进度继续显示。
进一步地，在一些实施例中，在接收全息影像模型显示过程中实时录制的视频之后，还包括：
提取视频每帧图片中所有学生的面部表情，分析面部表情，以得到每个学生的上课状态，对所有学生的上课状态进行统计。
本发明实施例所提供的方法，为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种基于3D全息技术的立体综合教学系统，其特征在于，包括：
数据库：存储多个全息影像模型；
采集单元：用于采集学生的互动信息；所述互动信息包括采集到的声音信息、图像信息和视频信息；
互动单元：用于显示所述数据库中的所述全息影像模型，根据所述互动信息对显示的所述全息影像模型进行切换。
2.根据权利要求1所述基于3D全息技术的立体综合教学系统，其特征在于，所述全息影像模型的构建方法包括：
利用多个AR摄像头同时对实际教学场景进行拍摄，以得到多个拍摄视频；
将每个所述拍摄视频划分为多个子视频，为每个所述子视频设置触发关键词；
根据所述拍摄视频构建所述全息影像模型，其中同一个触发关键词对应的所有子视频构成所述全息影像模型中的一子模型。
3.根据权利要求2所述基于3D全息技术的立体综合教学系统，其特征在于，所述声音信息包括所述学生提问时采集到的语音信号；
所述互动单元具体用于解析所述语音信号，以获得关键词，定义所述关键词为提问关键词；在所述全息影像模型中读取所述触发关键词与所述提问关键词一致的子模型，将显示的所述全息影像模型切换至所述子模型进行显示。
4.根据权利要求2所述基于3D全息技术的立体综合教学系统，其特征在于，所述图像信息包括所述学生提问时采集到的图像；
所述互动单元具体用于提取所述图像中所有学生的人形轮廓，当检测到一人形轮廓包含举手动作时，定义所述图像的状态为举手提问；在所述全息影像模型中读取所述触发关键词与所述状态一致的子模型，将显示的所述全息影像模型切换至所述子模型进行显示。
5.根据权利要求2所述基于3D全息技术的立体综合教学系统，其特征在于，所述视频信息包括在所述全息影像模型显示过程中实时录制的视频；
所述互动单元具体用于提取所述视频当前帧图片中所有学生的人形轮廓，当检测到多个人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差超过预设值时，定义所述视频当前时刻的状态为坐姿不端正；定义所述全息影像模型中所述触发关键词与所述状态一致的子模型为待显示子模型，定义所述全息影像模型当前显示的子模型为暂停子模型，记录所述暂停子模型的显示进度，将显示的所述全息影像模型切换至所述待显示子模型进行显示，当所述待显示子模型显示完毕后，将显示的所述全息影像模型切换至所述暂停子模型的显示进度继续显示。
6.根据权利要求5所述基于3D全息技术的立体综合教学系统，其特征在于，所述立体综合教学系统还包括：
监管单元：用于获取所述视频，提取所述视频每帧图片中所有学生的面部表情，分析所述面部表情，以得到每个学生的上课状态，对所有学生的上课状态进行统计。
7.一种基于3D全息技术的立体综合教学方法，其特征在于，包括：
数据库存储多个全息影像模型；
采集单元采集学生的互动信息；所述互动信息包括采集到的声音信息、图像信息和视频信息；
互动单元显示所述数据库中的所述全息影像模型，根据所述互动信息对显示的所述全息影像模型进行切换。
8.根据权利要求7所述基于3D全息技术的立体综合教学方法，其特征在于，所述全息影像模型的构建方法包括：
利用多个AR摄像头同时对实际教学场景进行拍摄，以得到多个拍摄视频；
将每个所述拍摄视频划分为多个子视频，为每个所述子视频设置触发关键词；
根据所述拍摄视频构建所述全息影像模型，其中同一个触发关键词对应的所有子视频构成所述全息影像模型中的一子模型。
9.根据权利要求8所述基于3D全息技术的立体综合教学方法，其特征在于，所述互动单元根据所述互动信息对显示的所述全息影像模型进行切换具体包括：
当接收到学生提问采集到的语音信号时，解析所述语音信号，以获得关键词，定义所述关键词为提问关键词；在所述全息影像模型中读取所述触发关键词与所述提问关键词一致的子模型，将显示的所述全息影像模型切换至所述子模型进行显示；
当接收到学生提问采集到的图像时，提取所述图像中所有学生的人形轮廓，当检测到一人形轮廓包含举手动作时，定义所述图像的状态为举手提问；在所述全息影像模型中读取所述触发关键词与所述状态一致的子模型，将显示的所述全息影像模型切换至所述子模型进行显示；
接收所述全息影像模型显示过程中实时录制的视频，提取所述视频当前帧图片中所有学生的人形轮廓，当检测到多个人形轮廓与标准坐姿轮廓偏差超过预设值时，定义所述视频当前时刻的状态为坐姿不端正；定义所述全息影像模型中所述触发关键词与所述状态一致的子模型为待显示子模型，定义所述全息影像模型当前显示的子模型为暂停子模型，记录所述暂停子模型的显示进度，将显示的所述全息影像模型切换至所述待显示子模型进行显示，当所述待显示子模型显示完毕后，将显示的所述全息影像模型切换至所述暂停子模型的显示进度继续显示。
10.根据权利要求9所述基于3D全息技术的立体综合教学方法，其特征在于，在所述接收所述全息影像模型显示过程中实时录制的视频之后，还包括：
提取所述视频每帧图片中所有学生的面部表情，分析所述面部表情，以得到每个学生的上课状态，对所有学生的上课状态进行统计。
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