CN115394178B - 一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法 - Google Patents
一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及教育教学的技术领域，特别是涉及一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，采用高分卫星影像DEM数据三维建模与先进的3d打印技术结合的方式，从数据来源、三维建模到3D打印的每个流程严格符合科学规范，很好地解决了传统方式存在的问题，三维、汉盲双语标注、拼图的方式，更加激发了视障学童的学习兴趣，提高了学习效果，使特教学校地理课的教与学步入了一个新纪元；包括以下步骤：(1)数据准备，下载包含陆地和海洋的地形影像；(2)地形影像垂直度处理，突出地形起伏特征，便于盲童感知地形差异；(3)投影和裁剪，确定制模区；(4)加载行政边界并标注行政区名。
Description
技术领域
本发明涉及教育教学的技术领域，特别是涉及一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法。
背景技术
地理是一门关于生活在地球上的人与他所处地理环境之间关系的学科。一般来讲，地理所涉及的范围包括人类生活的各种环境,也就是自然环境与人文环境。
地理课是全国盲校课程实施方案中的必修课程之一。盲文地理教材中没有触觉地图，也没有与之配套的触觉地图册用以辅助教学，有些学校的地图教具采用照猫画虎的2维或2.5维近似方式手工制作完成，这样的教具缺乏统一的制作标准、规范，不符合地理科学精准、严谨的原则，给教师和视障学生学习、使用带来诸多困扰。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，采用高分卫星影像DEM数据三维建模与先进的3d打印技术结合的方式，从数据来源、三维建模到3D打印的每个流程严格符合科学规范，很好地解决了传统方式存在的问题，三维、汉盲双语标注、拼图的方式，更加激发了视障学童的学习兴趣，提高了学习效果，使特教学校地理课的教与学步入了一个新纪元。
本发明的一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，包括以下步骤：
（1）数据准备，下载包含陆地和海洋的地形影像；
（2）地形影像垂直度处理，突出地形起伏特征，便于盲童感知地形差异；
（3）投影和裁剪，确定制模区；
（4）加载行政边界并标注行政区名；
（5）面积较小的行政区做区域一体化处理，因为面积过小的模型不便于盲童拾取、感触及收纳，所以需要结合周边地区地形做一体化处理，做大模型体积；
（6）以行政区为单位进行图像剪裁，形成单个模型；
（7）将全部行政区以外的相邻区域作为一个整体托盘模型导出，作为模型的周边区域，增强地形特征的连续性；
（8）制作34省所在区域的平板模型，类似于一个托盘，作为34省模型的拼装区，在拼装区以向上微微凸起的形式加注各省轮廓线，引导盲童进行拼装，并能自行检查拼装的正确性；
（9）转换34省及周边地区模型格式，使模型格式适应3D打印机读取要求；
（10）进行3D分层设色打印，通过控制打印层数分层分色，用不同颜色区分深海、浅海、陆地、34省；区分颜色主要是便于明眼陪护人员或者教师进一步增强版图和各省概念，提升教学效果；
（11）为增强模型普适性，针对小型3D打印机打印范围较小的情况，可按需提供适合小型3D打印机的分块模型；
（12）柔化模型边界和尖锐棱角，使模型适合触摸与拼装，提高安全性，保护盲童双手不被刺破和划伤；
（13）为整个模型制作外围边框，完成最终制模。
进一步地，所述步骤（13）中外围边框边角做圆角处理，保护盲童双手。
进一步地，所述步骤（4）中使用汉语和盲文分别标注行政区名。
进一步地，所述步骤（5）的方法为：对于模型底部，在ArcMap中使用融合工具Merge，将小区域和周边大的省份做融合，用融合后的行政范围进行地形影像裁剪，得到多区域融合影像。
进一步地，所述步骤（2）的方法为：通过World Machine软件的滤波工具filter，组合terrace、blur、bias/gain滤波因子，将陆上高程从8613米扩大到50000米，海下高程从-10015米扩大到-13000米，处理后的结果使地形差异从1.8放大到5.3，进行了约3倍放大，山川地形差异触感明显增加。
进一步地，所述步骤（10）中分层设色的方法为：在打印预览模式下，查看整体模型打印层数，然后将地形高度换算为层数，打印时，通过查看层数进程，确定换线时机；
根据地形与层数的换算结果设计打印颜色，中国台湾省巴士海峡以东区域为深海区，使用深蓝色打印；沿海地区为浅海区，使用浅蓝色打印；陆地用灰色，34省底板用橘黄色，34省用白色，陆上国境线为突出显示，用红色。
与现有技术相比本发明的有益效果为：（1）用卫星地形影像数据和3D打印技术结合，制作精准汉盲双语标注的触觉地图拼图教具的完整制模流程；
（2）为模型底部加注盲文标注的设计，使盲童更方便进行辨识；
（3）小区域结合周围地区一体化处理，使得盲童更易进行拼装；
（4）托盘表面各行政区划对应部分，以行政区划线凹槽加汉字标注形式设计，使盲童更方便进行辨识。
附图说明
图1是实施例步骤（2）中对影像裁剪和投影后的效果图；
图2是实施例步骤（3）中未进行垂直度处理的效果图；
图3是实施例步骤（3）中调整地形垂直度的流程图；
图4是实施例步骤（3）中图2经扩大垂直度方法处理后的效果图；
图5是实施例步骤（4）的示意图；
图6是实施例步骤（5）的示意图；
图7是实施例步骤（5）的示意图；
图8是实施例步骤（6），面积较小的行政区做区域一体化处理的流程图；
图9是经过实施例步骤（6）后的效果图；
图10是实施例步骤（7）形成的独立模型的示意图；
图11是实施例步骤（8）中生成汉盲对照的标注示意图；
图12是实施例步骤（8）中对汉盲对照标注左镜像处理后的示意图；
图13中左侧为实施例步骤（9）带有地形特征的正像示意图，右侧为根据省的轮廓，制作省的反像平板模型的示意图
图14是实施例步骤（10）中未进行棱角柔化处理的示意图；
图15是实施例步骤（10）中进行棱角柔化处理的示意图；
图16是实施例步骤（11）的示意图；
图17是实施例步骤（11）使用3D打印软件加载模型后的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，包括以下步骤：
（1）数据准备：下载NGDC美国地球物理中心发布（U.S. National GeophysicalData Center ）的ETOPO的地形高程数据；
（2）第一次裁剪和投影，如图1所示，由于原始数据过大，为加快处理速度，先在ArcMAP软件中先进行一次影像裁剪，保留下亚洲地区；然后参照国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站的标准地图对高程影像进行投影，选用Asia_North_Albers_Equal_Area_Conic，确保最为接近国家标准版图范围；
（3）地形影像垂直度处理，如图2-图4所示，打印区域高程最大值为珠穆朗玛峰8848.86米，陆上区域海拔高度多为100米-4000米；模型高度若按照1:1比例打印，我国东中部地区地形起伏不明显，盲童在触摸时，不能更直观感受山川地形的起伏变化；因此，本模型产品采用World Machine地形生成软件加大了影像的垂直因子，使最终的模型在垂直度上的比例进行了加倍放大；
操作步骤是：先使用Global Mapper软件将TIFF格式转为HFZ格式，然后使用WorldMachine进行垂直度处理；
扩大垂直度方法：通过World Machine软件的滤波工具filter，组合terrace、blur、bias/gain等滤波因子，将陆上高程从8613米扩大到50000米，海下高程从-10015米扩大到-13000米；处理后的结果使地形差异从1.8放大到5.3，进行了约3倍放大，山川地形差异触感明显增加；
（4）导出处理后的地形数据，如图5所示，将World Machine处理后的高程影像导出，再次打开ArcMAP软件，加载上述处理后的地形数据；
（5）加载行政边界并标注汉字名称，如图6-图7所示，按照国家测绘地理信息局建设的地理信息综合服务网站的“标准地图”添加行政区边界线，并严格按照行政区规范名称，不使用简称（例如，宁夏的标注为“宁夏回族自治区”），使标注符合我国地图制图规范；
（6）面积较小的行政区做区域一体化处理，如图8-图9所示，北京、天津、上海、香港、澳门6个行政区面积小，按照1:1比例打印会使模型体积过小，在模型实际使用过程中不容易触摸识别，也容易丢失和损坏，所以对上述区域进行了分部处理，实现方法是：对于模型底部，在ArcMap中使用融合工具Merge，将小区域和周边大的省份做融合，用融合后的行政范围进行地形影像裁剪，得到多区域融合影像。通过这一步骤的融合和裁剪，使得小行政区域周边大省无缝连接在一起，相当于是放大了小区域模型的展示范围。对于该区域模型上部——仍旧保持各区域行政分界不变，以省为单位进行图像裁剪。接下来，对得到的模型底部和模型上部进行模型连接，形成一个完整的新模型，新模型下部连接、上部分界。
经过上述步骤，实现了小区域模型变大的处理目的，提高了小模型的易用性。同时也为盲童传达了我国区域经济发展的概念：即京津冀一体化，长三角城市群，珠三角城市群。
（7）以省为单位进行图像剪裁，其中北京天津和河北、广东香港和澳门、浙江上海以及江苏分别进行合并为一个模型，如图10所示，为使各个模型块便于拼装，对各行政区先做制图综合，平滑行政区线条，再缓冲区处理，加大行政区分界宽度。处理过程中参数设置选择保持特征点，以确保行政边界不被过渡平滑。经过上述处理，模型边界平滑适中，便于拼装。
（8）标注盲文，如图11-12所示，盲文的标注中，盲文来自“中国盲文数字教学平台”的汉盲翻译系统。将翻译后的34省名称由字符转为图片，导入到ArcMap软件，进行矢量化，生成汉盲对照的标注，然后对标注做镜像处理。
作镜像的操作原理类似于制作印章的过程。刻印章的时候使用反字，盖印章的时候，印出来的字是正字。所以要在模型底部加注盲文标注，采用了镜像处理法；
（9）制作盲文标注模型，如图13所示，因为盲文的识读是通过触摸凸起实现的，所以制模时要将盲文要附着在一个平板上，才能打印出凸起效果。因此，要先根据省的轮廓，制作省的反像平板模型，叠加上盲文标注。
打印的时候，分别打印地形模型和盲文标注模型，打印完成后，将盲文标注模型和省模型进行粘合，盲文在下，地形在上，最终形成一个上部是地形特征，底部是盲文标注的完整模型。
（10）柔化模型尖锐棱角，如图14-15所示，遇到高大山体和地形被边界线切割时，会产生尖锐棱角，盲童在使用这样的模型时，有被划伤的可能，所以最终导出模型之前，需要提高产品安全性，做法是使用World Machine软件的滤波工具Blur对模型进行棱角柔化处理，处理时既要保持地形特征，又要圆滑过渡。
（11）模型格式转换（TIFF→OBJ），如图16-17所示，按照上述步骤形成的地形模型格式为TIFF格式，3D打印机不能直接读取，所以需要进行格式转换。转换步骤是：先使用Global Mapper软件将TIFF格式转为HFZ格式；然后使用World Machine加载HFZ影像，输出OBJ格式的地形模型，使用3D打印软件读取模型。
（12）进行3D分层设色打印，34省周边地区地貌包括陆地和海洋，为区分地形高低和海水深浅，选择通过控制打印的层数，进行分层设色打印。分层设色方法：在打印预览模式下，查看整体模型打印层数，然后将地形高度换算为层数。打印时，通过查看层数进程，确定换线时机。
根据地形与层数的换算结果设计打印颜色，中国台湾省巴士海峡以东区域为深海区，使用深蓝色打印；沿海地区为浅海区，使用浅蓝色打印；陆地用灰色。34省底板用橘黄色，34省用白色，陆上国境线为突出显示，用红色。模型分色是便于向明眼人展示地形特征，便于这些人在和盲童交流地形特征时，传达更多的关于地形变化的信息。
（13）为整个模型制作外围边框，中国全域及周边地区模型制作完毕后，添加图框，为保护盲童双手不被边框锐利边角伤到，轮廓做圆角处理。
经过上述步骤，最终的制成品是一个既符合地图制图学要求，又便于盲童触摸识别的地图产品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）数据准备，下载包含陆地和海洋的地形影像；
（2）地形影像垂直度处理，突出地形起伏特征，使最终的模型在垂直度上的比例进行加倍放大；
操作步骤是：先使用Global Mapper软件将TIFF格式转为HFZ格式，然后使用WorldMachine进行垂直度处理；
扩大垂直度方法：通过World Machine软件的滤波工具filter，组合terrace、blur、bias/gain滤波因子，将陆上高程从8613米扩大到50000米，海下高程从-10015米扩大到-13000米；处理后的结果使地形差异从1.8放大到5.3，山川地形差异触感明显增加；
（3）投影和裁剪，确定制模区；
（4）加载行政边界并标注行政区名；
（5）面积较小的行政区做区域一体化处理；
（6）以行政区为单位进行图像剪裁，形成单个模型；
（7）将全部行政区以外的相邻区域作为一个整体托盘模型导出，作为模型的周边区域，增强地形特征的连续性；
（8）制作34省所在区域的平板模型，类似于一个托盘，作为34省模型的拼装区，在拼装区以向上微微凸起的形式加注各省轮廓线，引导盲童进行拼装，并能自行检查拼装的正确性；
（9）转换34省及周边地区模型格式，使模型格式适应3D打印机读取要求；
（10）进行3D分层设色打印，通过控制打印层数分层分色，用不同颜色区分深海、浅海、陆地、34省；
（11）为增强模型普适性，针对小型3D打印机打印范围较小的情况，可按需提供适合小型3D打印机的分块模型；
（12）柔化模型边界和尖锐棱角，使模型适合触摸与拼装；
（13）为整个模型制作外围边框，完成最终制模。
2.如权利要求1所述的一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，其特征在于，所述步骤（13）中外围边框边角做圆角处理。
3.如权利要求2所述的一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，其特征在于，所述步骤（4）中使用汉语和盲文分别标注行政区名。
4.如权利要求3所述的一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，其特征在于，所述步骤（5）的方法为：对于模型底部，在ArcMap中使用融合工具Merge，将小区域和周边大的省份做融合，用融合后的行政范围进行地形影像裁剪，得到多区域融合影像。
5.如权利要求4所述的一种特教用汉盲双语标注触觉地图拼图教具的制作方法，其特征在于，所述步骤（10）中分层设色的方法为：在打印预览模式下，查看整体模型打印层数，然后将地形高度换算为层数，打印时，通过查看层数进程，确定换线时机；
根据地形与层数的换算结果设计打印颜色，中国台湾省巴士海峡以东区域为深海区，使用深蓝色打印；沿海地区为浅海区，使用浅蓝色打印；陆地用灰色，34省底板用橘黄色，34省用白色，陆上国境线为突出显示，用红色。
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