CN118038725A - 基于混合现实交互的工程法规教学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混合现实技术教学应用技术领域，具体公开了基于混合现实交互的工程法规教学系统，包括：图像信息采集模块，用于采集工程法规教学案例图像信息和采集用户端窗口信息；案例问题提取模块，用于调取工程法规问题案例；案例问题匹配模块，用于将筛选后的图像信息特征与工程法规问题案例信息进行匹配；虚拟现实融合模块，用于输入工程法规问题案例信息并识别用户端窗口信息的指令生成工程法规问题案例人机交互数据；还包括教学模型生成模块及可视化输出模块，本发明将传统教学模型和混合现实交互技术相结合，实现工程法规教学的问题与教学案例的充分融合和视觉化展现并利用混合交互技术提高学生对工程法规条理的充分学习和直观理解。
Description
技术领域
本发明涉及混合现实技术教学应用技术领域，具体涉及基于混合现实交互的工程法规教学系统。
背景技术
混合现实中人机交互主要是实现用户自然高效地与虚实混合的内容进行交互，交互技术主要有手势识别技术、语音和声音交互技术、触觉反馈技术、眼动跟踪技术、生理计算技术等等。
随着网络教学模型的快速发展，通过将学科知识进行模块化分解，并将教学内容各个环节的与学生进行互动操作的学习方法，能够一定程度提高学生的学习主动性和互动性，并迎来了教学方法与教学手段的改革，包括问题性教学、探究式教学、案例切入法教学、模拟场景法教学等。
虽然现有的教学模型提高了学生与学科教学之间的互动性，但是混合现实交互的教学模式还仅仅停留在探索阶段，难以实现直观的感官视觉知识体验；特别是对于法规条理较为繁复的知识学习阶段而言，通过传统的教学模型很难将现实案例问题与具体的法规条例进行一一配对；导致现有的混合现实交互演示系统在工程法规教学方面的教学大多运用在针对传统演练模式，并且存在的模拟培训成本高、学习形式单一的问题，由于导致实际教学过程缺乏针对性和即时反馈性。
发明内容
本发明的目的在于提供基于混合现实交互的工程法规教学系统，解决以下技术问题：
(1)怎样将传统教学模型和混合现实交互技术相结合，实现工程法规教学的问题与教学案例的充分融合和视觉化展现；
(2)如何利用混合交互技术提高学生对工程法规条理的充分学习和直观理解。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于混合现实交互的工程法规教学系统，包括：
图像信息采集模块，用于采集工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息，并对工程法规教学案例信息进行图像信息特征筛选；
所述图像信息采集模块还包括硬件设备：
全景摄影设备，用于实时获取教学场景图像和生成教学环境全景虚拟图像；
混合现实体感交互设备，用于进行教学主体动作识别、语音识别及教学主体目标跟踪；
案例问题提取模块，用于调取工程法规教学数据库中的工程法规问题案例；
案例问题匹配模块，用于将筛选后的图像信息特征与工程法规问题案例信息进行匹配；
虚拟现实融合模块，用于输入匹配后的工程法规问题案例信息并识别用户端窗口信息的指令生成工程法规问题案例人机交互数据；
教学模型生成模块，用于根据图像信息采集模块和工程法规问题案例人机交互数据生成工程法规教学模型；
可视化输出模块，用于进行教学环境可视化展示。
优选地，所述图像信息采集模块进行图像信息特征筛选的方法包括：
采集连续的工程法规教学案例图像；
采用中值滤波法对图像进行去噪处理；
获取图像特征，所述图像特征包括：颜色特征、纹理特征及形状特征。
优选地，所述案例问题提取模块进行工程法规问题案例提取的方式为：
对多个工程法规问题案例进行语音录入；
将语音识别后的工程法规问题案例进行分词，筛选问题关键词；
根据问题关键词出现的频率大小进行顺序编号。
优选地，所述案例问题匹配模块：
对所述图像特征进行相似特征图像拼接；
将按照顺序编号后的问题与特征图像进行智能识别和匹配；
对匹配后图像重叠部分进行剪切并拼接，得到二维全景图像；
通过虚拟现实软件将二维全景图像转换为三维空间全景图像。
优选地，所述用户端窗口信息包括：
根据用户选择问题关键词推送用户标签信息；
捕捉教学主体目标跟踪选择的图像场景并执行显示指令。
优选地，所述教学主体动作识别包括：教室定位识别、教师主体关键特征点识别、教师手势识别；所述教学主体目标跟踪包括：识别教师头部位置信息及利用人脸识别技术获取视线关键点定位，利用头部姿势和视线追踪和识别目标区域。
优选地，所述教学模型生成模块包括：
模型搭建单元，用于将工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息输入CIPP模型搭建初级教学模型；
模型融合单元，用于将三维空间全景图像和工程法规问题案例人机交互数据输入教学模型进行融合构建工程法规教学模型。
优选地，还包括对工程法规教学模型进行验证，验证过程为：
收集历史工程法规教学案例信息和用户端窗口信息并作为输入数据集合；
将数据集合输入预设CIPP模型进行参数拟合，输出参数集合；
通过神经网络模型对参数集合进行训练并对训练输出结果；
根据输出结果更新工程法规教学模型。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过图像信息采集模块保证的工程法规教学案例信息的实时获取和选择，进而自由选择窗口进行学习，提高学生的学习兴趣，提高教学质量，并且学生在学习中能够根据教师提供案例所创设的问题情境进行可视化呈现，有针对性地理解法律条文并解决案例中出现的问题，通过混合交互式的教学在“建设工程法规”的教学中应用。
(2)本发明通过设置案例问题提取模块调取工程法规教学数据库中的工程法规问题案例，通过工程法规教学数据库中的典型问题类型进行筛选，并提取筛选的问题并识别，提高问题案例之间的联系程度；并且设置案例问题匹配模块，根据筛选后的图像信息特征匹配对应的工程法规问题案例信息，保证筛选的不同图像信息特征与工程法规问题案例进行对应，保证根据工程法规问题便于筛选特定的图像并进行展现案例教学部分，提高课程互动效率，同时加深了学生对法规知识系统性的认识，便于加深学生对工程问题类型的法规进行出图的直观对比，同时加深教学内容相关法规的全面认识。
(3)本发明通过设置虚拟现实融合模块通过输入用于输入匹配后的工程法规问题案例信息并识别用户端窗口信息的指令生成工程法规问题案例人机交互数据，本实施例中为了增强课程内容的系统性，通过将获取的图像信息进行虚拟显示模拟和融合，提高学生在工程法律课程学习过程中将虚拟现实结合，通过交互感知技术保证学生更好的沉浸式体验。
(4)本发明通过设置教学模型生成模块，保证根据图像信息采集模块获取的图像信息数据和工程法规问题案例人机交互数据进行结合并基于现有CIPP模型教学模型进行训练生成工程法规教学模型；进而提高工程法规教学信息的自动化形成过程。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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本发明的一些实施例，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为本发明基于混合现实交互的工程法规教学系统模块结构图；
图2为本发明图像信息采集模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2所示，本发明为基于混合现实交互的工程法规教学系统，包括：
图像信息采集模块，用于采集工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息，并对工程法规教学案例信息进行图像信息特征筛选；
图像信息采集模块还包括硬件设备：
全景摄影设备，用于实时获取教学场景图像和生成教学环境全景虚拟图像；
混合现实体感交互设备，用于进行教学主体动作识别、语音识别及教学主体目标跟踪；
案例问题提取模块，用于调取工程法规教学数据库中的工程法规问题案例；
案例问题匹配模块，用于将筛选后的图像信息特征与工程法规问题案例信息进行匹配；
虚拟现实融合模块，用于输入匹配后的工程法规问题案例信息并识别用户端窗口信息的指令生成工程法规问题案例人机交互数据；
教学模型生成模块，用于根据图像信息采集模块和工程法规问题案例人机交互数据生成工程法规教学模型；
可视化输出模块，用于进行教学环境可视化展示。
通过上述技术方案，为了解决上面提到的技术问题，本发明通过设计基于混合现实交互的工程法规教学系统，具体设置了全景摄影设备和混合现实体感交互设备，还设置了图像信息采集模块、案例问题提取模块、案例问题匹配模块、虚拟现实融合模块、教学模型生成模块及可视化输出模块六个模块。
本实施例设置全景摄影设备对教室中的教学场景图像和对应生成教学环境全景虚拟图像进行实时获取，全景摄影设备主要由镜头、全景摄影云台、三脚架、快门线等组成；其中，镜头是关键，起到拍摄作用，目前，全景用摄像头用的是鱼眼镜头，其具有超大广角，接近180°，能极宽阔地拍摄场景信息，保证对图像信息的全角度采集，并且拍摄图像张数少，一般在2-3张即可，继而满足全景的虚拟展示需要；设置混合现实体感交互设备实现教学主体动作识别、语音识别及教学主体目标跟踪；通过混合现实体感交互设备可以让用户端体验全方位的观测和实体场景感受；实现用户与数字内容交互以及与周围真实环境中的数字影像互动，因此实现互动、交互的载体硬件必不可少；混合现实体感交互设备是本系统中另一个关键硬件，例如Hololens，可以实现观测主体的视线、手势及语音进行统一处理，集中处理器、图形处理器、数字处理器为一体，并融合了最先进的光学元件和传感器。
还通过设置图像信息采集模块用于采集工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息，并对工程法规教学案例信息进行图像信息特征筛选，在建设工程法规学习中，考虑法规条纹内容多，涉及范围广，单纯进行法条的逐步学习和一一对照；容易让学生感觉枯燥且无味，通过图像信息采集模块可以获取实际案例信息，并将案例图像与法律条例进行结合；同时采集了用户端窗口信息进行工程法规教学案例信息的选择；通过图像信息采集模块保证的工程法规教学案例信息的实时获取和选择，进而自由选择窗口进行学习，提高学生的学习兴趣，提高教学质量，并且学生在学习中能够根据教师提供案例所创设的问题情境进行可视化呈现，有针对性地理解法律条文并解决案例中出现的问题，通过混合交互式的教学在“建设工程法规”的教学中应用。
设置案例问题提取模块调取工程法规教学数据库中的工程法规问题案例，通过工程法规教学数据库中的典型问题类型进行筛选，并提取筛选的问题并识别，提高问题案例之间的联系程度。
设置案例问题匹配模块，根据筛选后的图像信息特征匹配对应的工程法规问题案例信息，保证筛选的不同图像信息特征与工程法规问题案例进行对应，保证根据工程法规问题便于筛选特定的图像并进行展现案例教学部分，提高课程互动效率，同时加深了学生对法规知识系统性的认识，便于加深学生对工程问题类型的法规进行出图的直观对比，同时加深教学内容相关法规的全面认识。
设置虚拟现实融合模块通过输入用于输入匹配后的工程法规问题案例信息并识别用户端窗口信息的指令生成工程法规问题案例人机交互数据，本实施例中为了增强课程内容的系统性，通过将获取的图像信息进行虚拟显示模拟和融合，提高学生在工程法律课程学习过程中将虚拟现实结合，通过交互感知技术保证学生更好的沉浸式体验。
设置教学模型生成模块，保证根据图像信息采集模块获取的图像信息数据和工程法规问题案例人机交互数据进行结合并基于现有CIPP模型教学模型进行训练生成工程法规教学模型；进而提高工程法规教学信息的自动化形成过程。
设置可视化输出模块，保证进行教学环境可视化展示，提高学生和教师的课堂教学的沉浸式体验。
作为本发明的一种实施方式，图像信息采集模块进行图像信息特征筛选的方法包括：
采集连续的工程法规教学案例图像；
采用中值滤波法对图像进行去噪处理；
获取图像特征，图像特征包括：颜色特征、纹理特征及形状特征。
通过上述技术方案，本实施例通过设计图像信息采集模块对获取的工程法规问题案例图像进行图像特征筛选，具体的，首先，采集连续的工程法规教学案例图像；然后，采用中值滤波法对图像进行去噪处理；最后，获取图像特征，图像特征包括：颜色特征、纹理特征及形状特征。
作为本发明的一种实施方式，案例问题提取模块进行工程法规问题案例提取的方式为：
对多个工程法规问题案例进行语音录入；
将语音识别后的工程法规问题案例进行分词，筛选问题关键词；
根据问题关键词出现的频率大小进行顺序编号。
通过上述技术方案，本实施例中的案例问题提取模块具体包括：首先对多个工程法规问题案例进行语音录入；然后，将语音识别后的工程法规问题案例进行分词，筛选问题关键词；最后，根据问题关键词出现的频率大小进行顺序编号。
作为本发明的一种实施方式，案例问题匹配模块：
对图像特征进行相似特征图像拼接；
将按照顺序编号后的问题与特征图像进行智能识别和匹配；
对匹配后图像重叠部分进行剪切并拼接，得到二维全景图像；
通过虚拟现实软件将二维全景图像转换为三维空间全景图像。
通过上述技术方案，本实施例中设计案例问题匹配模块具体包括：首先，对图像特征进行相似特征图像拼接；然后，将按照顺序编号后的问题与特征图像进行智能识别和匹配；接着，对匹配后图像重叠部分进行剪切并拼接，得到二维全景图像；最后，通过虚拟现实软件将二维全景图像转换为三维空间全景图像。
作为本发明的一种实施方式，用户端窗口信息包括：
根据用户选择问题关键词推送用户标签信息；
捕捉教学主体目标跟踪选择的图像场景并执行显示指令。
通过上述技术方案，本实施例中的用户端窗口信息具体包括根据用户选择问题关键词推送用户标签信息；接着捕捉教学主体目标跟踪选择的图像场景并执行显示指令。
作为本发明的一种实施方式，教学主体动作识别包括：教室定位识别、教师主体关键特征点识别、教师手势识别；教学主体目标跟踪包括：识别教师头部位置信息及利用人脸识别技术获取视线关键点定位，利用头部姿势和视线追踪和识别目标区域。
通过上述技术方案，本实施例中混合现实体感交互设备可以对教学主体进行动作识别，识别的方式为通过内置传感器，获取教学主体的关键特征点、手势识别，手势使得用户可以与数字图进行自然的交互，如使用简单的手势打开应用、选择和调整项目的大小，以及拖放全息影像等。其中教学主体的关键特征点包括：头部特征点、肩部特征点、上肢特征点、下肢特征点。
另外，教学主体目标跟踪是通过识别教师头部位置信息及利用人脸识别技术获取视线关键定位，利用头部姿势和视线追踪和识别目标区域；其中教师头部位置信息的识别是通过识别教师的头部特征点和面部信息特征点获取视线移动光标的输入，并进行视线关键定位，随着头部姿势的变化和视线移动进行追踪和定位识别，其中面部信息特征点是依据人脸识别技术进行获取的，通过移动光标反馈到混合现实体感交互设备获取注视信息，进行目标追踪。
作为本发明的一种实施方式，教学模型生成模块包括：
模型搭建单元，用于将工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息输入CIPP模型搭建初级教学模型；
模型融合单元，用于将三维空间全景图像和工程法规问题案例人机交互数据输入教学模型进行融合构建工程法规教学模型。
通过上述技术方案，本实施例中的教学模型生成模块具体包括：模型搭建单元和模型融合单元；其一，模型搭建单元用于将工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息输入CIPP模型搭建初级教学模型；其二，模型融合单元，用于将三维空间全景图像和工程法规问题案例人机交互数据输入教学模型进行融合构建工程法规教学模型。通过输入CIPP模型进行模型的初步搭建实现项目驱动教学案例，通过具体的立体教学实践，提高学生的学习兴趣，最大限度地让学生做到将理论知识与实践应用相结合。
其中，通过CIPP模型理论框架获取当前工程法规教学案例评价信息，保证快速获取工程法规案例问题培训的评价指标，提高学生当前课程教学过程的总结评价的精确记录，有效提升学生的参与度和学习体验，引导学生对法规案例问题的深化思考过程。
作为本发明的一种实施方式，还包括对工程法规教学模型进行验证，验证过程为：
收集历史工程法规教学案例信息和用户端窗口信息并作为输入数据集合；
将数据集合输入预设CIPP模型进行参数拟合，输出参数集合；
通过神经网络模型对参数集合进行训练并对训练输出结果；
根据输出结果更新工程法规教学模型。
通过上述技术方案，本实施例为了保证获取的工程法规教学模型更加精确，对模型继续宁验证的过程为：首先，收集历史工程法规教学案例信息和用户端窗口信息并作为输入数据集合；然后，将数据集合输入预设CIPP模型进行参数拟合，输出参数集合；接着，通过神经网络模型对参数集合进行训练并对训练输出结果；最后，根据输出结果更新工程法规教学模型。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，包括：
图像信息采集模块，用于采集工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息，并对工程法规教学案例信息进行图像信息特征筛选；
所述图像信息采集模块还包括硬件设备：
全景摄影设备，用于实时获取教学场景图像和生成教学环境全景虚拟图像；
混合现实体感交互设备，用于进行教学主体动作识别、语音识别及教学主体目标跟踪；
案例问题提取模块，用于调取工程法规教学数据库中的工程法规问题案例；
案例问题匹配模块，用于将筛选后的图像信息特征与工程法规问题案例信息进行匹配；
虚拟现实融合模块，用于输入匹配后的工程法规问题案例信息并识别用户端窗口信息的指令生成工程法规问题案例人机交互数据；
教学模型生成模块，用于根据图像信息采集模块和工程法规问题案例人机交互数据生成工程法规教学模型；
可视化输出模块，用于进行教学环境可视化展示。
2.根据权利要求1所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，所述图像信息采集模块进行图像信息特征筛选的方法包括：
采集连续的工程法规教学案例图像；
采用中值滤波法对图像进行去噪处理；
获取图像特征，所述图像特征包括：颜色特征、纹理特征及形状特征。
3.根据权利要求1所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，所述案例问题提取模块进行工程法规问题案例提取的方式为：
对多个工程法规问题案例进行语音录入；
将语音识别后的工程法规问题案例进行分词，筛选问题关键词；
根据问题关键词出现的频率大小进行顺序编号。
4.根据权利要求3所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，所述案例问题匹配模块：
对所述图像特征进行相似特征图像拼接；
将按照顺序编号后的问题与特征图像进行智能识别和匹配；
对匹配后图像重叠部分进行剪切并拼接，得到二维全景图像；
通过虚拟现实软件将二维全景图像转换为三维空间全景图像。
5.根据权利要求1所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，所述用户端窗口信息包括：
根据用户选择问题关键词推送用户标签信息；
捕捉教学主体目标跟踪选择的图像场景并执行显示指令。
6.根据权利要求1所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，所述教学主体动作识别包括：教室定位识别、教师主体关键特征点识别、教师手势识别；所述教学主体目标跟踪包括：识别教师头部位置信息及利用人脸识别技术获取视线关键点定位，利用头部姿势和视线追踪和识别目标区域。
7.根据权利要求1所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，所述教学模型生成模块包括：
模型搭建单元，用于将工程法规教学案例信息和采集用户端窗口信息输入CIPP模型搭建初级教学模型；
模型融合单元，用于将三维空间全景图像和工程法规问题案例人机交互数据输入教学模型进行融合构建工程法规教学模型。
8.根据权利要求1所述的基于混合现实交互的工程法规教学系统，其特征在于，还包括对工程法规教学模型进行验证，验证过程为：
收集历史工程法规教学案例信息和用户端窗口信息并作为输入数据集合；
将数据集合输入预设CIPP模型进行参数拟合，输出参数集合；
通过神经网络模型对参数集合进行训练并对训练输出结果；
根据输出结果更新工程法规教学模型。
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