CN208985412U - 智慧教育物理环境系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智慧教育物理环境系统，包括用于展示教学内容的展示系统、用于教师操作演示的讲授系统、用于虚拟演示实训实验信息的VR实训实验系统、用于虚拟现实显示的CAVE系统以及用于收录教学现场视频的录播系统；所述展示系统、讲授系统、VR实训实验系统、CAVE系统和录播系统通过物联网平台与教学综合服务系统通信连接。本申请以智慧教育理论为基础，次用以互联网、物联网、大数据、人工智能、虚拟仿真及VR等技术，建立全息智慧教室形成教育的物理环境，通过将教学内容全程可视化，使用户可以针对教学重点、难点，方便快捷地制作出来VR教学内容，用于形象教学和交互式教学。

Description

智慧教育物理环境系统

技术领域

本实用新型涉及一种智慧教育物理环境系统。

背景技术

智慧教育物理环境系统是由物理环境、网络环境、人为环境等多种要素共同构成的,通过虚实融合、系统集成、联接社群、无缝切换、多终端访问等方式相互连接，共同构成一个完整统一、灵活多样的教育环境。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种智慧教育物理环境系统，利用该系统可实现形象教学和交互式教学，以提高学生的沉浸感，进一步提高教学效率和学习效率。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种智慧教育物理环境系统，包括用于展示教学内容的展示系统、用于教师操作演示的讲授系统、用于虚拟演示实训实验信息的VR实训实验系统、用于虚拟现实显示的CAVE系统以及用于收录教学现场视频的录播系统；所述展示系统、讲授系统、VR实训实验系统、CAVE系统和录播系统通过物联网平台与教学综合服务系统通信连接。

进一步地，所述展示系统包括全息黑板和3D立体投影设备。

进一步地，所述全息黑板包括拼接在一起的第一3D显示屏和电子白板。

进一步地，所述讲授系统包括全息操作台、设置在所述全息操作台内的中央处理器、设置在所述全息操作台上的与所述中央处理器连接的第二3D显示屏、与所述中央处理器通信连接的音响系统和无线话筒。

进一步地，所述讲授系统还包括与所述中央处理器连接的用于获取教室演示或操作视频的红外动作捕捉设备。

进一步地，所述VR实训实验系统包括虚拟环境处理器，与所述虚拟环境处理器通信连接的无线虚拟实现头盔和手持无线操作手柄和红外位置感应器。

进一步地，所述CAVE系统包括背投影墙、地投影幕布和三维跟踪器。

进一步地，所述录播系统包括视频采集设备和与所述视频采集设备连接的视频采集控制屏。

进一步地，所述视频采集设备为高清自动跟踪摄像机。

进一步地，该智慧教育物理环境系统还包括通过物联网平台与教学综合服务系统通信连接PC终端和移动终端。

本实用新型的有益效果为：本申请以智慧教育理论为基础，次用以互联网、物联网、大数据、人工智能、虚拟仿真及VR等技术，建立全息智慧教室形成教育的物理环境，通过将教学内容全程可视化，使用户可以针对教学重点、难点，方便快捷地制作出来VR教学内容，用于形象教学和交互式教学。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型一个实施例的原理图。

具体实施方式

如图1所示的智慧教育物理环境系统，包括用于展示教学内容的展示系统、用于教师操作演示的讲授系统、用于虚拟演示实训实验信息的VR实训实验系统、用于虚拟现实显示的CAVE系统以及用于收录教学现场视频的录播系统；所述展示系统、讲授系统、VR实训实验系统、CAVE系统和录播系统通过物联网平台与教学综合服务系统通信连接。

下面分别对智慧教育物理环境系统的各子系统进行详细描述：

所述展示系统包括全息黑板和3D立体投影设备，并且，所述全息黑板包括拼接在一起的第一3D显示屏和电子白板。

本申请中的展示系统是一款包括巨型的全息黑板及3D立体投影设备混合显示系统,全息黑板由两块79寸大屏拼接组成横向约3.6米，纵向约1.1米的显示区域。其中一块显示屏是分辨率为超高清4K的不闪式圆偏光3D显示屏，另一块屏为支持十点触控的79寸电子白板。而电子白板具备写、画功能，可以随意标注、放大、缩小，并支持十点触控功能。立体显示屏幕配备不闪式圆偏3D立体显示技术，同时配备支持无线六自由度交互的红外动作捕捉系统。不闪式圆偏光3D投影系统的投影幕布尺寸约为3米*2.25米、分辨率为11920*220524Hz或1920*1080 50Hz/60Hz。并且该系统支持主流3D格式；支持2D/3D切换；3D显示能双眼同步且连贯无拖尾。

电子白板具备写、画功能，可以随意标注、放大、缩小，并支持十点触控功能。立体显示屏幕配备不闪式圆偏3D立体显示技术，同时配备支持无线六自由度交互的红外动作捕捉系统。全息黑板配备智慧教育环境软件平台及虚拟全息3D实习实训系统，共同组成完整的智慧教育环境，可以同屏同步播放和演示常规、仿真、3D\VR\AR\MR等内容，以满足多人(不少于40人)共同观看与聆听；两块79寸显示屏共同组成全息黑板的方式是根据常规教室黑板尺寸选定，且系统明亮清晰、色彩饱满、长时间(一次课时间，即不少于2小时)使用不伤眼且无眩晕感、节能环保、使用寿命长、维护成本低，更符合教师或讲授人员的讲授习惯，并符合学生听课的习惯；全息黑板可以定位为教室的核心设备，它和远程会议系统很相似，可以连接同学的PC端或移动设备，同时配套智慧教育平台进行信息共享及实时同屏同步显示等功能。建立高效的沟通，这些得益与它独有的智能功能，同时也可独立运行。并且可以将任意学生操作端画面一键复制到全息黑板上，便于老师点评、指导。息黑板配备智慧教育环境软件平台及虚拟全息3D实习实训系统，共同组成完整的智慧教育环境，可以同屏同步播放和演示常规、仿真、3D\VR\AR\MR等内容，以满足多人(不少于40人)共同观看与聆听；两块79寸显示屏共同组成全息黑板的方式是根据常规教室黑板尺寸选定，且系统明亮清晰、色彩饱满、长时间(一次课时间，即不少于2小时)使用不伤眼且无眩晕感、节能环保、使用寿命长、维护成本低，更符合教师或讲授人员的讲授习惯，并符合学生听课的习惯；全息黑板可以定位为教室的核心设备，它和远程会议系统很相似，可以连接同学的PC端或移动设备，同时配套智慧教育平台进行信息共享及实时同屏同步显示等功能。建立高效的沟通，这些得益与它独有的智能功能，同时也可独立运行。并且可以将任意学生操作端画面一键复制到全息黑板上，便于老师点评、指导。

所述讲授系统包括全息操作台、设置在所述全息操作台内的中央处理器(可采用西门子CPU312系列)、设置在所述全息操作台上的与所述中央处理器连接的第二3D显示屏、与所述中央处理器通信连接的音响系统和无线话筒和红外动作捕捉设备。讲授系统可以连接至局域网，与智慧教育物理环境系统中的网络环境相关软件系统进行连接和融合。

本身申请中所述的讲授系统为单屏全息台，可任意切换2D/3D模式的55英寸圆偏3D显示屏，同时配备支持无线六自由度交互的红外动作捕捉设备(与大屏集中讲授、演示与展示系统共用)，能非常流畅地支持目前市面上主流仿真、3D\VR\AR\MR等内容及软件的演示、操作与设计。讲授计算机系统与全息黑板中立体显示屏幕画面同步且连贯无拖尾，讲授计算机系统上的内容能在“大屏集中讲授、演示与展示系统”上显示，教师或讲授人员在讲授计算机系统上集中演示或操作时，学生可以通过“大屏集中讲授、演示与展示系统”中立体显示屏幕观看完全同步的操作情况，避免避挡情况出现。讲授计算机系统连接声音洪亮、清晰、无混音、无杂音、无啸叫的音响系统，音响系统中含有讲授使用的无线话筒以及学生提问或回答问题的无线话筒，完全满足“大屏集中讲授、演示与展示系统”或讲授计算机的扩音需要。讲授计算机系统高度集成化的整体人性化设计满足教师或讲授人员对讲台需求的常规功能并符合讲授、操作、演示与展示的习惯。讲授计算机系统带有移动滚轮可根据实际场地大小确定讲台的最佳布局。

在VR实验室中时，可将全息黑板挂到黑板的位置作为中心设备，可供多人参与，全息黑板能连接全息台同时能将兼容大部分的Android/IOS手机和平板电脑，学生可以在桌面级全息台操作、移动设备或PC端将图像实时发送到全息黑板上，可以细致地表达出学生们的想法。且全息黑板是一个双向沟通性设备，设备可以连接到每个一个同学的设备上，可以毫不费力的共享内容，可以很容易的发送课堂内容和作业，不管是在课内还是课外，通过和全息黑板连接的移动设备/PC端，每个人都可以看到相同的内容，都会呈现清晰的声音和高质量的视频课堂。

所述VR实训实验系统包括虚拟环境处理器，与所述虚拟环境处理器通信连接的无线虚拟实现头盔和手持无线操作手柄和红外位置感应器。

VR实训实验系统采用无线套件版本头盔，头盔配有两个手持无线操控手柄，配合两个红外位置感应器，能够提供效果良好的直观交互能力，具有良好的空间定位能力，具有良好的动作捕捉能力。同时，整套VR实训实验系统可以连接至局域网，与智慧教育物理环境系统中的网络环境相关软件系统进行连接和融合。

所述录播系统包括视频采集设备和与所述视频采集设备连接的视频采集控制屏。录播系统选用不低于4台高清自动跟踪摄像机，支持后续机位扩展，主要采集图像为教师全景、教师近景特写、学生全景、学生近景特写以及教学讲义图像；视频采集控制屏为触摸屏，使用过程中可通过视频采集控制屏对录播系统进行开始、暂停和停止的控制，还可以通过视频采集控制屏进行教学模式的切换、录播画面的导播切换等，也可手动控制教师跟踪和学生定位、调节摄像机控制，包括摄像机光圈、聚焦、变焦等多种拍摄手法，完成全自动跟踪拍摄无需跟踪定位主机，能实现自动识别多个目标、自动跟踪完成等功能。

录播系统录制完成的资源将上传到智慧教育物理环境系统的网络环境相关软件系进行统一管理，从而形成一个完整的智慧教育物理环境系统。

所述CAVE系统包括背投影墙、地投影幕布和三维跟踪器。本申请的CAVE系统可包括3个面的背投影墙和1个面的地投影幕布组成的高度沉浸的虚拟演示环境，配合三维跟踪器，用户可以在被投影墙包围的系统近距离接触虚拟三维物体，可与逼真的虚拟环境进行实时人机交互。CAVE系统是应用于高标准的虚拟现仿真需求的高沉浸感显示及交互系统。

在沉浸式体验方面，CAVE系统采用4面房间式设计，使用者通过眼镜观看立体画面，位置跟踪设备连接图形主机，通过4个高清红外摄像头，实时捕捉使用者的头部及手部位置移动变化，空间位置数据传输到虚拟现实平台，并实时体现在虚拟场景中，以此达到画面视角跟随使用者的整体位置移动、头部偏转、操作手柄移动实时调整画面内容的功能，具有良好的沉浸感和穿越感。

在交互体验方面，CAVE系统可以检测有关对象的位置和方位，并将位置和方位信息报告给系统。系统主要跟踪用户的头部和手部位置两种方式：(1)跟踪头部位置与方位来确定用户的视点与视线方向，而视点位置与视线方向是确定虚拟世界场景现实的关键。(2)跟踪用户手部控制器的位置和方向，这是跟踪交互信息获取的关键。

在CAVE软件系统的可扩展性方面，CAVE的软件系统基于OpenGL和DirectX11的底层开发平台的内核，支持U3D/VRP/UE/UG/VT等广泛使用的虚拟仿真引擎。根据用户的需求不同可以进横向的扩展，不受任何软件功能的限制。

在CAVE硬件系统的可扩展性方面，CAVE系统硬件基于PC电脑，留有多个USB借口，可接入多种交互设备。随着PC电脑硬件技术的不断发展，通过提升PC电脑内部如显卡、CPU、内存、硬盘等方式升级硬件提升系统性能。

CAVE系统可以连接至局域网，与智慧教育物理环境系统中的网络环境相关软件系统进行连接和融合。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种智慧教育物理环境系统，其特征在于，包括用于展示教学内容的展示系统、用于教师操作演示的讲授系统、用于虚拟演示实训实验信息的VR实训实验系统、用于虚拟现实显示的CAVE系统以及用于收录教学现场视频的录播系统；所述展示系统、讲授系统、VR实训实验系统、CAVE系统和录播系统通过物联网平台与教学综合服务系统通信连接。

2.根据权利要求1所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述展示系统包括全息黑板和3D立体投影设备。

3.根据权利要求2所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述全息黑板包括拼接在一起的第一3D显示屏和电子白板。

4.根据权利要求1所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述讲授系统包括全息操作台、设置在所述全息操作台内的中央处理器、设置在所述全息操作台上的与所述中央处理器连接的第二3D显示屏、与所述中央处理器通信连接的音响系统和无线话筒。

5.根据权利要求4所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述讲授系统还包括与所述中央处理器连接的用于获取教室演示或操作视频的红外动作捕捉设备。

6.根据权利要求1所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述VR实训实验系统包括虚拟环境处理器，与所述虚拟环境处理器通信连接的无线虚拟实现头盔和手持无线操作手柄和红外位置感应器。

7.根据权利要求1所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述CAVE系统包括背投影墙、地投影幕布和三维跟踪器。

8.根据权利要求1所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述录播系统包括视频采集设备和与所述视频采集设备连接的视频采集控制屏。

9.根据权利要求8所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，所述视频采集设备为高清自动跟踪摄像机。

10.根据权利要求1所述的智慧教育物理环境系统，其特征在于，该智慧教育物理环境系统还包括通过物联网平台与教学综合服务系统通信连接PC终端和移动终端。