KR20230017935A - Chemistry education device using artificial intelligence and augmented reality and method of providing chemistry education service using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 화학 교육 디바이스 및 이를 이용한 화학 교육 서비스의 제공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인공지능 및 증강현실을 이용한 화학 교육 디바이스 및 이를 이용한 화학 교육 서비스의 제공 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a chemistry education device and a method of providing chemistry education services using the same, and more particularly, to a chemistry education device using artificial intelligence and augmented reality and a method of providing chemistry education services using the same.
방글라데시 학교 학생들을 대상으로 설문 조사를 실시한 결과, 학교 교육에 있어서 화학식(chemical formula), 화학물질명(chemical name), 화학반응식(chemical equation) 등을 이해하고 시각화하는 데 가장 어려움을 느낀다고 조사되었다. 이러한 어려움은 학교 시험에 많은 실수를 유발하고 학업 성취욕을 저하하는 원인으로 작용하고 있다. 이에 본 발명자들은 학생들의 어려움을 해결하고자 증강현실 및 인공지능의 새로운 기술을 이용하여 어려운 화학용어나 화학반응식을 시각화하여 쉽게 이해할 수 있도록 본 발명을 완성하게 되었다.As a result of a survey of Bangladeshi school students, it was found that they had the most difficulty in understanding and visualizing chemical formulas, chemical names, and chemical equations in school education. These difficulties cause many mistakes in school tests and act as a cause of lowering the desire for academic achievement. Accordingly, the inventors of the present invention have completed the present invention so that difficult chemical terms or chemical reactions can be easily understood by visualizing difficult chemical terms or chemical reactions using new technologies of augmented reality and artificial intelligence to solve the difficulties of students.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 어려운 화학용어를 쉽게 이해하도록 증강현실로 시각화하여 표시할 수 있고 화학반응식에 오류가 있는 경우 이를 자동으로 추출하여 정정답안 및 이의 화학구조식을 증강현실로 표시할 수 있는 화학 교육 서비스의 제공 방법을 제공하고자 하는 것이다.The problem to be solved by the present invention can be visualized and displayed in augmented reality to easily understand difficult chemical terms, and if there is an error in the chemical reaction formula, it can be automatically extracted and the correct answer and its chemical structure can be displayed in augmented reality. It is intended to provide a method of providing chemistry education services that are available.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 이러한 화학 교육 서비스를 제공하는 화학 교육 디바이스를 제공하고자 하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a chemistry education device that provides such a chemistry education service.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 서비스의 제공 방법은, 카메라부, 출력부 및 데이터베이스를 포함하는 화학 교육 디바이스를 이용한 화학 교육 서비스의 제공 방법으로서, 상기 화학 교육 디바이스가 선택적으로 AI 튜터링 서비스 또는 AR 구현 서비스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 AI 튜터링 서비스를 제공하는 단계는, 대상체를 촬영하여 상기 대상체의 영상 정보를 상기 출력부 상에 표시하는 단계; 상기 대상체 상에 기재된 화학반응식을 감지하는 단계; 상기 화학반응식을 구성하는 화학기호, 숫자 및 기타 기호를 인식하는 단계; 상기 화학기호, 상기 숫자 및 상기 기타 기호 간의 위치관계를 이용해 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하는 단계; 상기 데이터베이스 내에 복수의 기준반응식을 사전에 정의해 두고, 상기 화학반응식을 상기 기준반응식과 비교하여 오류를 추출하는 단계; 상기 화학반응식에 오류가 있는 경우, 상기 출력부 상에 상기 오류의 주변에 경계 상자를 표시하는 단계; 및 상기 오류에 대한 정정답안을 상기 출력부 상에 표시하고 사용자의 선택에 따라 상기 정정답안의 화학구조식을 증강현실로 시각화하여 상기 출력부 상에 표시하는 단계를 포함할 수 있다.A method of providing chemistry education services according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a method of providing chemistry education services using a chemistry education device including a camera unit, an output unit and a database, wherein the chemistry education device Optionally, it may include providing an AI tutoring service or an AR implementation service. Here, the providing of the AI tutoring service may include photographing the object and displaying image information of the object on the output unit; detecting a chemical reaction formula described on the subject; Recognizing chemical symbols, numbers and other symbols constituting the chemical reaction formula; extracting the context of the chemical reaction formula by using the positional relationship between the chemical symbol, the number, and the other symbols; Defining a plurality of reference reaction formulas in advance in the database, and extracting errors by comparing the chemical reaction formula with the reference reaction formula; If there is an error in the chemical reaction equation, displaying a bounding box around the error on the output unit; and displaying a correct answer to the error on the output unit, visualizing a chemical structural formula in the correct answer in augmented reality according to a user's selection, and displaying it on the output unit.
상기 컨텍스트를 추출하는 단계는, 상기 화학반응식에 있어서 화살표 또는 등호를 기준으로 일측을 반응물로, 타측을 생성물로 분류하는 단계; 및 상기 화학기호와 상기 숫자 간의 위치관계에 있어서, (i) 상기 숫자가 상기 화학기호의 전방에 배치된 경우, (ii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 아래첨자로 배치된 경우, 및 (iii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 위첨자로 배치된 경우를 구분하여 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.The step of extracting the context may include classifying one side as a reactant and the other side as a product based on an arrow or an equal sign in the chemical reaction equation; And in the positional relationship between the chemical symbol and the number, (i) when the number is arranged in front of the chemical symbol, (ii) when the number is arranged in a subscript after the chemical symbol, and ( iii) extracting the context of the chemical reaction formula by identifying a case in which the number is placed in a superscript at the rear of the chemical symbol.
상기 오류를 추출하는 단계는, 상기 화학반응식으로부터 하나 이상의 물질로 이루어진 반응물과, 하나 이상의 물질로 이루어진 생성물을 구분하고, 상기 화학반응식에 포함된 물질들을 기준으로 일치도가 가장 높은 기준반응식을 상기 데이터베이스에서 선택하는 단계; 상기 화학반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식을 상기 기준반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식과 각각 비교하여 화학식 오류를 추출하는 단계; 및 상기 화학식 오류를 수정한 후, 상기 화학반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수를 상기 기준반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수와 각각 비교하여 계수 오류를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.In the step of extracting the error, a reactant made of one or more materials and a product made of one or more materials are distinguished from the chemical reaction formula, and a reference reaction formula having the highest degree of agreement based on the materials included in the chemical reaction formula is obtained from the database. choosing; extracting formula errors by comparing chemical formulas of reactants and chemical formulas of products for the chemical reaction formula with chemical formulas of reactants and chemical formulas of products for the reference reaction formula, respectively; and extracting coefficient errors by comparing coefficients of reactants and coefficients of products for the chemical reaction equation with coefficients of reactants and products for the reference reaction equation, respectively, after correcting the chemical formula error.
상기 AR 구현 서비스를 제공하는 단계는, 대상체를 촬영하여 상기 출력부 상에 표시하는 단계; 상기 대상체 상에 기재된 화학용어를 감지하는 단계(상기 화학용어는 화학명 및 화학식을 포함함); 상기 데이터베이스 내에 복수의 기준용어를 사전에 정의해 두고, 상기 화학용어가 상기 기준용어와 일치하는 경우 상기 출력부 상에 상기 화학용어의 주변에 경계 상자를 표시하는 단계; 상기 경계 상자에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 상기 화학용어에 대한 '읽기 방법' 옵션창, '분자식 보기' 옵션창, '구조식 보기' 옵션창 및 '추가정보 보기' 옵션창으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 옵션창을 상기 출력부 상에 표시하는 단계; 및 상기 옵션창들 중 어느 하나에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 선택된 옵션창에 대응하는 교육 정보를 상기 출력부 상에 표시하는 단계를 포함할 수 있다.The providing of the AR implementation service may include photographing an object and displaying it on the output unit; detecting a chemical term written on the subject (the chemical term includes a chemical name and chemical formula); predefining a plurality of reference terms in the database, and displaying a bounding box around the chemical terms on the output unit when the chemical terms coincide with the reference terms; When a selection event occurs for the bounding box, a selection is selected from the group consisting of the 'Reading method' option window, the 'View molecular formula' option window, the 'View structural formula' option window, and the 'View additional information' option window for the chemical term. displaying at least one option window on the output unit; and displaying educational information corresponding to the selected option window on the output unit when a selection event occurs for any one of the option windows.
상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스는, 화학 교육 서비스를 제공하는 화학 교육 디바이스로서, 대상체를 촬영하는 카메라부; 상기 대상체의 영상을 표시하는 출력부; 상기 대상체 상에 기재된 화학반응식에 대해 AI 튜터링 서비스를 제공하는 AI 튜터링부; 상기 대상체 상에 기재된 화학용어에 대해 AR 구현 서비스를 제공하는 AR 구현부; 및 복수의 기준반응식 및 복수의 기준용어를 사전에 정의하는 저장한 데이터베이스를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 AI 튜터링부는, 상기 출력부 상에 표시된 상기 영상 정보로부터 상기 대상체에 기재된 화학반응식을 감지하고; 상기 화학반응식을 구성하는 화학기호, 숫자 및 기타 기호를 인식하고; 상기 화학기호, 상기 숫자 및 상기 기타 기호 간의 위치관계를 이용해 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하고; 상기 화학반응식을 상기 기준반응식과 비교하여 오류를 추출하고; 상기 화학반응식에 오류가 있는 경우, 상기 출력부 상에 상기 오류의 주변에 경계 상자를 표시하고; 상기 오류에 대한 정정답안을 상기 출력부 상에 표시하고 사용자의 선택에 따라 상기 정정답안의 화학구조식을 증강현실로 시각화하여 상기 출력부 상에 표시할 수 있다.A chemistry education device according to an embodiment of the present invention for achieving the other object is a chemistry education device providing a chemistry education service, comprising: a camera unit for photographing an object; an output unit displaying an image of the object; an AI tutoring unit providing an AI tutoring service for the chemical reaction described on the subject; an AR implementation unit providing an AR implementation service for chemical terms written on the object; And a plurality of reference reaction equations and a plurality of reference terms may be included in the stored database defining in advance. Here, the AI tutoring unit detects a chemical reaction formula described in the object from the image information displayed on the output unit; Recognize chemical symbols, numbers and other symbols constituting the chemical reaction formula; Extracting the context of the chemical reaction equation using positional relationships between the chemical symbol, the number, and the other symbols; extracting errors by comparing the chemical reaction equation with the reference reaction equation; if there is an error in the chemical reaction equation, display a bounding box around the error on the output unit; A correct answer to the error may be displayed on the output unit, and a chemical structural formula in the correct answer may be visualized in augmented reality and displayed on the output unit according to a user's selection.
상기 AI 튜터링부는, 상기 화학반응식에 있어서 화살표 또는 등호를 기준으로 일측을 반응물로, 타측을 생성물로 분류하고; 상기 화학기호와 상기 숫자 간의 위치관계에 있어서, (i) 상기 숫자가 상기 화학기호의 전방에 배치된 경우, (ii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 아래첨자로 배치된 경우, 및 (iii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 위첨자로 배치된 경우를 구분하여 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출할 수 있다.The AI tutoring unit classifies one side as a reactant and the other side as a product based on an arrow or an equal sign in the chemical reaction formula; Regarding the positional relationship between the chemical symbol and the number, (i) when the number is arranged in front of the chemical symbol, (ii) when the number is arranged in a subscript after the chemical symbol, and (iii) ) The context of the chemical reaction formula can be extracted by distinguishing the case where the number is placed as a superscript at the rear of the chemical symbol.
상기 AI 튜터링부는, 상기 화학반응식으로부터 하나 이상의 물질로 이루어진 반응물과, 하나 이상의 물질로 이루어진 생성물을 구분하고, 상기 화학반응식에 포함된 물질들을 기준으로 일치도가 가장 높은 기준반응식을 상기 데이터베이스에서 선택하고; 상기 화학반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식을 상기 기준반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식과 각각 비교하여 화학식 오류를 추출하고; 상기 화학식 오류를 수정한 후, 상기 화학반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수를 상기 기준반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수와 각각 비교하여 계수 오류를 추출할 수 있다.The AI tutoring unit distinguishes a reaction product composed of one or more substances from the chemical reaction formula and a product composed of one or more substances, and selects a reference reaction formula having the highest degree of agreement from the database based on the substances included in the chemical reaction formula; formulas of reactants and formulas of products for the chemical reaction formula are compared with chemical formulas of reactants and chemical formulas of products for the reference reaction formula, respectively, to extract formula errors; After correcting the chemical formula error, the coefficient of the reactant and the coefficient of the product for the chemical reaction equation may be compared with the coefficient of the reactant and the product coefficient for the reference reaction equation, respectively, to extract the coefficient error.
상기 AR 구현부는, 상기 출력부 상에 표시된 상기 대상체에 기재된 화학용어를 감지하고(상기 화학용어는 화학명 및 화학식을 포함함); 상기 화학용어가 상기 기준용어와 일치하는 경우 상기 출력부 상에 상기 화학용어의 주변에 경계 상자를 표시하고; 상기 경계 상자에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 상기 화학용어에 대한 '읽기 방법' 옵션창, '분자식 보기' 옵션창, '구조식 보기' 옵션창 및 '추가정보 보기' 옵션창으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 옵션창을 상기 출력부 상에 표시하고; 상기 옵션창들 중 어느 하나에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 선택된 옵션창에 대응하는 교육 정보를 상기 출력부 상에 표시할 수 있다.The AR implementation unit detects a chemical term described in the object displayed on the output unit (the chemical term includes a chemical name and chemical formula); displaying a bounding box around the chemical term on the output unit when the chemical term coincides with the reference term; When a selection event occurs for the bounding box, a selection is selected from the group consisting of the 'Reading method' option window, the 'View molecular formula' option window, the 'View structural formula' option window, and the 'View additional information' option window for the chemical term. displaying at least one option window on the output unit; When a selection event occurs for any one of the option windows, education information corresponding to the selected option window may be displayed on the output unit.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 구체적인 내용 및 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the specification and drawings.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 화학 교육 디바이스 및 이를 이용한 화학 교육 서비스의 제공 방법에 의하면, 화학 교육 디바이스가 종이 등과 같은 대상체를 촬영하면 대상체 상에 수기로 작성되거나 인쇄된 텍스트 중 화학용어 또는 화학반응식을 자동으로 감지하고, 사용자의 선택에 따라 AI 튜터링 서비스 또는 AR 구현 서비스를 제공할 수 있다.As described above, according to the chemistry education device according to the present invention and the method of providing chemistry education service using the same, when the chemistry education device photographs an object such as paper, chemical terms or chemical reaction formulas among handwritten or printed text on the object can be automatically detected, and AI tutoring service or AR implementation service can be provided according to the user's choice.
AI 튜터링 서비스의 경우, 감지된 화학반응식으로부터 화학기호, 숫자 및 기타 기호를 개별적으로 인식하고, 이들 간의 상호 위치관계를 이용해 화학반응식의 컨텍스트를 추출할 수 있다. 데이터베이스 내에 기 정의된 기준반응식과 상기 화학반응식의 비교하여 화학식 오류 및 계수 오류를 순차적으로 자동 추출할 수 있다. 출력부 상의 오류 주변에 경계 상자를 표시하고 경계 상자 주변에 오류에 대한 정정답안 및 이의 화학구조식을 증강현실로 표시함으로써, 사용자는 화학반응식에 있는 오류를 쉽게 파악하고 이해할 수 있다.In the case of the AI tutoring service, chemical symbols, numbers, and other symbols can be individually recognized from the detected chemical reaction formula, and the context of the chemical reaction formula can be extracted using the mutual positional relationship between them. Chemical formula errors and coefficient errors can be sequentially and automatically extracted by comparing the chemical reaction formula with a reference reaction formula previously defined in the database. By displaying a bounding box around the error on the output unit and displaying the correct answer to the error and its chemical structure in augmented reality around the bounding box, the user can easily identify and understand the error in the chemical reaction formula.
AR 구현 서비스의 경우, 대상체 상에 하나 이상의 화학용어를 감지하고 출력부 상에 감지된 화학용어 주변에 경계 상자를 표시하고, 사용자가 어느 하나의 경계 상자를 선택하면 해당 화학용어에 대한 '읽기 방법' 옵션창, '분자식 보기' 옵션창, '구조식 보기' 옵션창, '추가정보 보기' 옵션창 또는 이들의 조합을 출력부 상에 표시할 수 있다. 사용자가 이러한 옵션창들 중 어느 하나를 선택하면, 출력부 상에 선택된 옵션창에 대응하는 교육 정보가 표시된다. 예를 들어 화학용어가 소정의 화학식으로 구성된 경우, 사용자가 '읽기 방법' 옵션창을 선택하면 상기 화학식의 화학물질명이 출력부에 표시된다. 화학용어가 소정의 화학물질명으로 구성된 경우, 사용자가 '분자식 보기' 옵션창을 선택하면 상기 화학물질명의 분자식이 출력부에 표시된다. 또한, 사용자가 '구조식 보기' 옵션창을 선택하면 화학식 또는 화학물질명의 구조식이 출력부에 표시되고, 사용자가 '추가정보 보기' 옵션을 선택하면 화학식 또는 화학물질명에 대한 추가정보, 예를 들어 웹사이트 또는 동영상이 구동될 수 있다. 따라서 사용자는 화학 공부를 할 때 모르는 화학용어가 나오는 경우 상기 화학용어가 기재된 대상체를 화학 교육 디바이스로 촬영만 하면 학습에 유용한 정보를 자동으로 쉽게 얻을 수 있다.In the case of an AR implementation service, one or more chemical terms are detected on an object and a bounding box is displayed around the detected chemical terms on an output unit. ' Option window, 'View molecular formula' option window, 'View structural formula' option window, 'View additional information' option window, or a combination thereof may be displayed on the output unit. When the user selects one of these option windows, educational information corresponding to the selected option window is displayed on the output unit. For example, when a chemical term is composed of a predetermined chemical formula, the chemical name of the chemical formula is displayed on the output unit when the user selects the 'Reading Method' option window. When the chemical term is composed of a predetermined chemical name, the molecular formula of the chemical name is displayed on the output unit when the user selects the 'View Molecular Formula' option window. In addition, if the user selects the 'View Structure' option window, the structural formula of the chemical formula or chemical name is displayed in the output section, and if the user selects the 'View Additional Information' option, additional information about the chemical formula or chemical name, such as the web A site or video can be driven. Therefore, when a user encounters an unfamiliar chemical term while studying chemistry, he or she can automatically and easily obtain useful information for learning simply by taking a picture of an object written with the chemical term with the chemistry education device.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스를 개념적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 AI 투터링부를 개념적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 AI 투터링 서비스의 제공 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 인공지능 알고리즘을 이용하여 화학반응식을 감지하는 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1의 AR 구현부를 개념적으로 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 AR 구현 서비스의 제공 방법을 나타낸 순서도이다.
도 7은 인공지능 알고리즘을 이용하여 화학용어를 감지하는 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스를 이용하여 AI 튜터링 서비스를 제공하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스를 이용하여 AR 구현 서비스를 제공하는 과정을 나타낸 도면이다.1 is a configuration diagram conceptually showing a chemistry education device according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram conceptually showing the AI tutoring unit of FIG. 1 .
3 is a flowchart illustrating a method of providing an AI chattering service according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing a process of detecting a chemical reaction formula using an artificial intelligence algorithm by way of example.
5 is a conceptual configuration diagram of the AR implementation unit of FIG. 1 .
6 is a flowchart illustrating a method of providing an AR implementation service according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a process of detecting a chemical term using an artificial intelligence algorithm as an example.
8 is a diagram illustrating a process of providing an AI tutoring service using a chemistry education device according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating a process of providing an AR implementation service using a chemistry education device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.
본 발명에서 사용되는 "화학식(chemical formula)"은 화학 분야에 통용되는 분자식(molecular formula), 실험식(empirical formula), 시성식(rational formula), 및 구조식(structural formula)를 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 또한 본 발명에서 사용되는 "화학용어(chemical term)"는 화학식(chemical formula) 및 화학물질명(chemical name)을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.The "chemical formula" used in the present invention can be understood as a concept including molecular formulas, empirical formulas, rational formulas, and structural formulas commonly used in the chemical field. there is. In addition, the "chemical term" used in the present invention may be understood as a concept including a chemical formula and a chemical name.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스 및 이를 이용한 화학 교육 서비스의 제공 방법에 대해 자세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스를 개념적으로 나타낸 구성도이다. Hereinafter, a chemistry education device according to an embodiment of the present invention and a method of providing a chemistry education service using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a configuration diagram conceptually showing a chemistry education device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면 화학 교육 디바이스(100)는 화학 교육 서비스를 제공하는 장치로서, 인공지능 및 증강현실을 이용하여 화학반응식에 대한 오류 정정을 위한 <AI 튜터링 서비스> 또는 화학용어에 대한 교육 정보를 제공하는 <AR 구현 서비스>를 선택적으로 제공하는 장치이다. 구체적으로 화학 교육 디바이스(100)는 카메라부(10), 입력부(20), 출력부(30), AI 튜터링부(40), AR 구현부(50) 및 데이터베이스(60)를 포함한다.Referring to Figure 1, the
카메라부(10)는 종이, 책, 인쇄물 등과 같은 대상체를 촬영하여 생성한 영상 정보를 출력부(30) 상에 표시한다.The
입력부(20)는 소프트웨어 또는 하드웨어 입력기를 포함하고, 출력부(30)는 디스플레이를 포함한다. 디스플레이는 운영체제 소프트웨어의 UI/UX, 응용 소프트웨어의 UI/UX에 있어서 사용자의 터치입력을 감지하는 수단으로서 사용자 인터페이스를 포함할 수 있다. 디스플레이는 화면을 출력하는 출력부의 기능과 동시에 사용자의 터치 이벤트를 감지하는 입력부의 기능을 함께 실행하는 터치스크린으로 이루어질 수 있다. 출력부(30)는 대상체의 영상 정보를 디스플레이 화면에 출력한다.The
AI 튜터링부(40)는 대상체의 영상 정보로부터 대상체 상에 기재된 화학반응식을 감지하고 화학반응식에 대해 AI 튜터링 서비스(artificial intelligence tutoring service)를 제공한다. The
AR 구현부(50)는 대상체의 영상 정보로부터 대상체 상에 기재된 화학용어를 감지하고 화학용어에 대해 AR 구현 서비스(augmented reality implementation service)를 제공한다.The
데이터베이스(60)는 일반적으로 디바이스에 사용되는 컴퓨터 코드 및 데이터를 저장하는 장소를 제공한다. 구체적으로 데이터베이스(60)는 AI 튜터링 서비스를 위한 복수의 기준반응식 및 AR 구현 서비스를 위한 복수의 기준용어를 사전에 정의하여 저장한다. 데이터베이스(60)에는 모바일 애플리케이션 및 이의 구동/관리에 필요한 리소스뿐만 아니라 기본적인 입출력 시스템, 운영 체제, 다양한 프로그램들, 애플리케이션들, 또는 디바이스에서 실행되는 사용자 인터페이스 기능들, 프로세서 기능들 등을 포함하는 임의의 디바이스용 펌웨어(firmware)가 저장될 수 있다.
화학 교육 디바이스(100)는 별도의 프로세서(미도시)를 구비할 수 있으며, 프로세서는 운영체제와 함께 컴퓨터 코드를 실행하고 데이터를 생성하고 사용하는 동작을 실행한다. 또한 프로세서는 일련의 명령어를 사용하여 화학 교육 디바이스(100)의 컴포넌트들 간의 입력 및 출력 데이터의 수신 및 처리를 할 수 있다. 또한 프로세서는 화학 교육 디바이스(100)에 설치된 운영체제 소프트웨어와 각종 애플리케이션 소프트웨어들의 기능을 실행하는 제어부 역할을 담당한다.The
본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스(100)는 사용자가 이동하며 휴대할 수 있는 무선 통신 기능을 갖는 단말 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어 이러한 단말기로는 이동통신 네트워크를 통하여 통신 접속을 할 수 있는 이동통신 단말 장치, 네비게이션 단말 장치, 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 스마트장치, PDA, 컴퓨터, 노트북 등이 될 수 있다.The
이하 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 AI 튜터링부 및 이를 이용한 AI 튜터링 서비스의 제공 방법에 대해 자세히 설명한다. 도 2는 도 1의 AI 투터링부를 개념적으로 나타낸 구성도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 AI 투터링 서비스의 제공 방법을 나타낸 순서도이다. 도 4는 인공지능 알고리즘을 이용하여 화학반응식을 감지하는 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.Referring to FIGS. 2 to 4, an AI tutoring unit and a method of providing an AI tutoring service using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail. 2 is a configuration diagram conceptually showing the AI tutoring unit of FIG. 1 . 3 is a flowchart illustrating a method of providing an AI chattering service according to an embodiment of the present invention. 4 is a diagram showing a process of detecting a chemical reaction formula using an artificial intelligence algorithm by way of example.
도 2 및 도 3을 참조하면, AI 튜터링부(40)는 화학반응식 감지부(42), 매칭부(44), 오류 수정부(46) 및 모델링부(48)를 포함하며, <AI 튜터링 서비스>는 다음과 같이 진행된다.2 and 3, the
먼저 카메라부(10)가 대상체를 촬영하여 영상 정보를 생성하고 이를 출력부(30) 상에 표시하면(S31), 화학반응식 감지부(42)는 출력부(30) 상에 표시된 대상체의 영상 정보로부터 대상체 상에 기재된 화학반응식(chemical equation)을 감지한다(S32).First, when the
화학반응식 감지부(42)는 인공지능 및 기계학습을 통하여 화학반응식을 구성하는 화학기호(chemical symbol), 숫자 및 기타 기호를 구분하여 인식한다(S33). 구체적으로 화학반응식 감지부(42)는 기계학습 엔진을 이용하여 대상체 영상으로부터 텍스트를 인식하고, 기계학습 엔진의 소프트맥스 계층(softmax layer)으로부터 라텍스 코드(LaTeX code)의 토큰 확률을 감지한다. 이어서 화학반응식 감지부(42)는 가장 확률이 높은 토큰으로부터 라텍스 마크업 명령(LaTeX markup command)를 인출하고(fetch), 라텍스 명령(LaTeX command)을 MathML (Mathematical Markup Language) 버전으로 변환한다. 이어서 화학반응식 감지부(42)는 데이터베이스(60)에 MathML을 저장하고, 화학반응식을 구성하는 문자열로부터 화학기호, 숫자 및 기타 기호를 구분하여 인식한다.The chemical reaction
본 실시예의 화학반응식은 화학기호, 숫자 및 기타 기호로 구성될 수 있으며, 화학반응식 감지부(42)는 화학기호, 숫자, 기타 기호 간의 위치관계를 이용하여 화학반응식의 컨텍스트를 추출한다(S34). 여기서 화학기호(chemical symbol)는 화학원소(chemical element)를 간단하기 표시하기 위해 하나 또는 두 개의 로마자로 표기하는 기호로서, 예를 들어 수소는 H, 산소는 O, 철은 Fe와 같은 화학기호로 나타낼 수 있다. 또한 화학기호는 원소 주기율표 상의 원소기호(element symbol)와 실질적으로 동일한 것으로 이해될 수 있다. The chemical reaction formula of this embodiment may be composed of chemical symbols, numbers, and other symbols, and the chemical reaction
숫자는 화학량론 계수(stoichiometric coefficient), 원소 개수, 또는 이온 개수를 나타낼 수 있다. 숫자가 화학기호의 전방에 배치될 경우, 상기 숫자는 계수 또는 화학량론 계수의 의미를 가지는 것으로 이해될 수 있다. 숫자가 화학기호의 후방에 아래첨자로 배치될 경우, 상기 숫자는 원소 개수의 의미를 가지는 것으로 이해될 수 있다. 숫자가 화학기호의 후방에 위첨자로 배치되고 음의 기호 또는 양의 기호와 함께 기재될 경우, 상기 숫자는 이온 개수의 의미를 가지는 것으로 이해될 수 있다.The number can represent a stoichiometric coefficient, number of elements, or number of ions. When a number is placed in front of a chemical symbol, the number can be understood to have the meaning of a coefficient or stoichiometric coefficient. When a number is placed as a subscript after a chemical symbol, it can be understood that the number has the meaning of the number of elements. When a number is placed in a superscript after a chemical symbol and written with a negative or positive sign, the number can be understood to have the meaning of the number of ions.
기타 기호는 화살표, 등호(=), 양의 기호(+), 음의 기호(-) 등을 포함할 수 있다. 화학반응식을 구성하는 문자열에서 화살표 또는 등호를 기준으로 일측을 반응물로, 타측을 생성물로 분류될 수 있다.Other symbols may include arrows, equal signs (=), positive signs (+), negative signs (-), and the like. In the character string constituting the chemical reaction equation, one side may be classified as a reactant and the other side as a product based on an arrow or an equal sign.
이와 같이 화학반응식 감지부(42)는 먼저 화학반응식에 있어서 기타 기호(예를 들어, 화살표 또는 등호)를 기준으로 일측을 반응물로, 타측을 생성물로 분류하고, 이어서 화학기호와 숫자 간의 위치관계에 있어서, (i) 숫자가 화학기호의 전방에 배치된 경우, (ii) 숫자가 화학기호의 후방에 아래첨자로 배치된 경우, 및 (iii) 숫자가 화학기호의 후방에 위첨자로 배치된 경우를 구분하여 화학반응식의 컨텍스트를 추출한다.In this way, the chemical
이어서 매칭부(44)는 화학반응식을 데이터베이스(60) 내에 기 정의된 기준반응식과 비교하여 오류를 추출한다(S35). 구체적으로 매칭부(44)는 <기준반응식의 선택 과정>, <화학식 오류의 추출 과정> 및 <계수 오류의 추출 과정>을 순차적으로 수행한다.Subsequently, the matching
<기준반응식의 선택 과정>을 살펴보면, 매칭부(44)는 감지된 화학반응식(chemical equation)으로부터 반응물(reactant) 및 생성물(product)을 구분한다. 여기서 반응물은 하나 이상의 물질(substance)로 이루어질 수 있고, 생성물은 하나 이상의 물질(substance)로 이루어질 수 있다. 매칭부(44)는 화학반응식에 포함된 물질들을 기준으로 데이터베이스(60)에 저장된 기준반응식을 검색하여 일치도가 가장 높은 기준반응식을 데이터베이스(60)에서 선택한다.Looking at <Process of Selecting Standard Reaction Equation>, the matching
<화학식 오류의 추출 과정>을 살펴보면, 매칭부(44)는 화학반응식에 있어서 반응물의 화학식(chemical formula) 및 생성물의 화학식을 추출한다. 반응물 또는 생성물이 복수의 물질로 이루어져 있는 경우 각 물질의 화학식을 추출한다. 매칭부(44)는 화학반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식을, 기 정의된 기준반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식과 각각 비교하여 화학식 오류를 추출한다. Looking at the <Extraction Process of Chemical Formula Error>, the matching
<계수 오류의 추출 과정>을 살펴보면, 매칭부(44)는 화학식 오류를 수정한 후, 화학반응식에 대한 반응물의 계수(coefficient) 및 생성물의 계수를, 기준반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수와 각각 비교하여 계수 오류를 추출한다.Looking at <Extraction Process of Coefficient Error>, after correcting the chemical formula error, the matching
아래 예시를 참조하여 오류 추출 과정은 다음과 같이 진행될 수 있다.Referring to the example below, the error extraction process can proceed as follows.
[화학반응식] 2H2 + O3 → H2O[Chemical Reaction Equation] 2H 2 + O 3 → H 2 O
[기준반응식] 2H2 + O2 → 2H2O[Standard Reaction Equation] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
[화학식 오류 추출] 2H2 + O2 → H2O[Chemical formula error extraction] 2H 2 + O 2 → H 2 O
[계수 오류 추출] 2H2 + O2 → 2H2O[Extract count error] 2H 2 + O 2 → 2H 2 O
먼저, 매칭부(44)는 화학반응식(2H2 + O3 → H2O)에서 반응물(H2, O3)과 생성물(H2O)를 구분한다. 매칭부(44)는 화학반응식에 포함된 3개의 물질들(H2, O3, H2O)을 기준으로 일치도가 가장 높은 기준반응식(2H2 + O2 → 2H2O)을 선택한다. 본 예시에서 선택된 기준반응식과 화학반응식은 2개의 물질(H2, H2O)이 서로 일치한다. 이어서 매칭부(44)는 화학반응식에 대한 반응물의 화학식(H2, O3)과 생성물의 화학식(H2O)을, 기준반응식에 대한 반응물의 화학식(H2, O2)과 생성물의 화학식(H2O)과 각각 비교한다. 본 예시에서는 화학반응식의 반응물의 화학식(O3)에 오류가 발견된다. 이어서 매칭부(44)는 화학식 오류를 수정한 후, 화학반응식의 계수와 기준반응식의 계수를 비교하여 계수 오류를 추출한다. 본 예시에서는 화학반응식의 생성물(H2O)의 계수에 오류가 발견된다. First, the matching
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 오류 수정부(46)는 화학반응식에 오류가 있는 경우 출력부(30) 상에 상기 오류의 주변에 경계 상자를 표시한다(S36). Referring back to FIGS. 2 and 3 , the
오류 수정부(46)는 상기 오류에 대한 정정답안을 출력부(30) 상에 표시한다(S37). 여기서 정정답안의 경우 화학식 등과 같은 텍스트 형태로 이루어질 수 있다.The
사용자의 선택에 따라 모델링부(48)는 상기 정정답안의 화학구조식을 2D 또는 3D 타입의 증강현실로 시각화하여 출력부(30) 상에 표시한다(S38).According to the user's selection, the
도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 AI 튜터링부의 화학반응식 감지 과정을 설명한다. Referring to FIG. 4, the chemical reaction formula detection process of the AI tutoring unit according to an embodiment of the present invention will be described.
CNN(convolutional neural network) 유닛은 컨볼루션(convolution) 계층, 풀링(pooling) 계층 및 활성화 계층(activation layer)를 이용하여 화학반응식의 입력 영상으로부터 피처(feature)를 추출한다(S41). 각 컨볼루션 계층에서 입력 영상은 일련의 커널(kernel) 또는 이미지 필터와 컨볼류션 된다. 풀링 계층은 이미지 크기를 줄이고 수용 필드(receptive field)의 크기를 늘린다. 활성화 계층은 신경망에 비선형성을 추가한다.A convolutional neural network (CNN) unit extracts a feature from an input image of a chemical reaction using a convolution layer, a pooling layer, and an activation layer (S41). In each convolution layer, the input image is convoluted with a series of kernels or image filters. The pooling layer reduces the image size and increases the size of the receptive field. Activation layers add non-linearity to neural networks.
위치 인코딩 유닛은 화학반응식에서 화학기호, 숫자, 및 기타 기호 간의 위치 관계를 파악하여 중요한 수학적 의미 또는 화학반응식의 컨텍스트를 추출한다(S42). 이러한 위치관계는 좌우, 상하, 아래첨자, 위첨자, 중첩 등 다양한 방향으로 확장될 수 있다.The positional encoding unit identifies positional relationships between chemical symbols, numbers, and other symbols in the chemical reaction formula to extract important mathematical meanings or contexts of the chemical reaction formula (S42). This positional relationship can be extended in various directions such as left and right, up and down, subscript, superscript, and overlapping.
위치 인코닝 유닛의 컨텍스트와 CNN 유닛의 피처 맵이 함께 결합되고, 1차원 배열로 펼쳐져 인코더 출력을 구성한다(S43).The context of the location encoding unit and the feature map of the CNN unit are combined together and unfolded into a one-dimensional array to form an encoder output (S43).
화학방정식 토큰들은 서로 연관되어 있어서, 일반적으로 자연어 처리(NLP, natural language processing)에서 사용되는 단어 임베딩 레이어(word embedding layer)가 추가되어 토큰은 고차원 벡터로 투영된다(S44). 이러한 임베딩은 서로 다른 토큰 간의 상호 관계를 포착한다.Since the chemical equation tokens are related to each other, a word embedding layer generally used in natural language processing (NLP) is added to project the tokens into high-dimensional vectors (S44). These embeddings capture the interrelationships between different tokens.
디코더 모델은 양방향 장단기 메모리(Bi-LSTM, bidirectional long-short term memory) 셀을 기반으로 하며 보다 복잡한 언어 의미를 캡처한다(S45). 여기서 양방향 장단기 메모리는 표준 RNN(recurrent neural network)보다 긴 시퀀스를 다 잘 처리할 수 있다. 각 계측에서 양방향 셀을 사용하면 전후방향 모두에서 컨텍스트를 캡처하는데 도움이 된다.The decoder model is based on bidirectional long-short term memory (Bi-LSTM) cells and captures more complex language semantics (S45). Here, bidirectional long-short-term memory can handle longer sequences better than standard recurrent neural networks (RNNs). Using bidirectional cells in each measurement helps capture context in both forward and backward directions.
장기 기억을 포착하기 위해 LSTM(long short-term memory)을 확장할 수 있으나, 복잡한 화학반응식의 마크업(markup)이 100 개 이상의 토큰으로 확장되는 경우도 드물지 않다. 이러한 경우 RNN의 초기 숨겨진 상태 벡터(initial hidden state vector)는 인코더의 모든 정보를 압축하는 데 충분하지 않다. 또한 CNN 인코더에는 메모리 기능이 없기 때문에 이를 해결하기 위해 어텐션 메커니즘(attention mechanism)이 도입되었다(S46). 어텐션 계층은 인코더 출력을 사용하여 컨텍스트 벡터를 생성한다.Long short-term memory (LSTM) can be extended to capture long-term memory, but it is not uncommon for the markup of a complex chemical reaction to extend to 100 or more tokens. In this case, the initial hidden state vector of the RNN is not sufficient to compress all the information of the encoder. In addition, since the CNN encoder does not have a memory function, an attention mechanism is introduced to solve this problem (S46). The Attention layer uses the encoder output to create a context vector.
소프트맥스 함수(softmax function)는 어휘에 대한 다음 토큰의 확률 분포를 생성하는 데 사용된다(S47).A softmax function is used to generate the probability distribution of the next token for the vocabulary (S47).
이하 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 AR 구현부 및 이를 이용한 AR 구현 서비스의 제공 방법에 대해 자세히 설명한다. 도 5는 도 1의 AR 구현부를 개념적으로 나타낸 구성도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 AR 구현 서비스의 제공 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7은 인공지능 알고리즘을 이용하여 화학용어를 감지하는 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.Referring to FIGS. 5 to 7 , an AR implementation unit according to an embodiment of the present invention and a method of providing an AR implementation service using the same will be described in detail. 5 is a conceptual configuration diagram of the AR implementation unit of FIG. 1 . 6 is a flowchart illustrating a method of providing an AR implementation service according to an embodiment of the present invention. 7 is a diagram showing a process of detecting a chemical term using an artificial intelligence algorithm as an example.
도 5 및 도 6을 참조하면, AR 구현부(50)는 화학용어 감지부(52), 매칭부(54) 및 옵션 실행부(56)를 포함하며, <AR 구현 서비스>는 다음과 같이 진행된다.5 and 6, the
먼저 카메라부(10)가 대상체를 촬영하여 영상 정보를 생성하고 이를 출력부(30) 상에 표시하면(S61), 화학용어 감지부(52)는 출력부(30) 상에 표시된 대상체의 영상 정보로부터 대상체 상에 기재된 화학용어(chemical term)를 감지한다(S62). 여기서 화학용어는 화학식(chemical formula) 및 화학물질명(chemical name)을 포함할 수 있다.First, when the
화학용어 감지부(52)는 인공지능 및 기계학습을 통하여 화학식 및/또는 화학물질명을 인식한다(S63). 구체적으로 화학용어 감지부(52)는 기계학습 엔진을 이용하여 대상체 영상으로부터 텍스트를 인식하고, 기계학습 엔진의 소프트맥스 계층(softmax layer)으로부터 라텍스 코드(LaTeX code)의 토큰 확률을 감지한다. 이어서 화학용어 감지부(52)는 가장 확률이 높은 토큰으로부터 라텍스 마크업 명령(LaTeX markup command)를 인출하고(fetch), 라텍스 명령(LaTeX command)을 MathML (Mathematical Markup Language) 버전으로 변환한다. 이어서 화학용어 감지부(52)는 데이터베이스(60)에 MathML을 저장하고, 화학식 또는 화학물질명을 구분하여 인식한다.The chemical
매칭부(54)는 화학용어를 데이터베이스(60) 내에 기 정의된 기준용어와 비교하고, 화학용어가 기준용어와 일치하는 경우 출력부(30) 상에 화학용어의 주변에 경계 상자를 표시한다(S64). 만일 복수의 화학용어에 대해 이와 일치하는 기준용어가 데이터베이스(60)에 있는 경우, 상기 복수의 화학용어 각각의 주변에 경계 상자가 표시될 수 있다.The matching
출력부(30)에 표시된 경계 상자 중 어느 하나에 대해 사용자에 의한 선택 이벤트가 발생하는 경우, 옵션 실행부(56)는 선택된 화학용어에 대한 '읽기 방법' 옵션창, '분자식 보기' 옵션창, '구조식 보기' 옵션창 및 '추가정보 보기' 옵션창으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 옵션창을 출력부(30) 상에 표시한다(S65). When a selection event by the user occurs for any one of the bounding boxes displayed on the
사용자에 의해 옵션창들 중 어느 하나에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 옵션 실행부(56)는 선택된 옵션창에 대응하는 교육 정보를 출력부(30) 상에 표시한다(S66). 사용자가 '읽기 방법' 옵션창을 선택하는 경우, 선택된 경계 상자 내에 있는 화학식을 읽는 방법 또는 그 화학물질명을 출력부(30)에 표시한다. 사용자가 '분자식 보기' 옵션창을 선택하는 경우, 선택된 경계 상자 내에 있는 화학물질명에 대응하는 분자식을 출력부(30)에 표시한다. 사용자가 '구조식 보기' 옵션창을 선택하는 경우, 선택된 경계 상자 내에 있는 화학식 또는 화학물질명에 대응하는 구조식을 출력부(30)에 표시한다. 사용자가 '추가정보 보기' 옵션창을 선택하는 경우, 선택된 경계 상자 내에 있는 화학식 또는 화학물질명에 대응하는 추가정보, 예를 들어 백과사전 웹사이트 또는 동영상이 출력부(30) 상에 구동된다.When a selection event occurs for any one of the option windows by the user, the
도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 AR 구현부의 화학용어 감지 과정을 설명한다.Referring to FIG. 7 , a chemical term detection process of the AR implementation unit according to an embodiment of the present invention will be described.
대상체의 입력 영상이 CNN 계층으로 공급되면, CNN 계층은 상기 영상으로부터 관련 피처(feature)를 추출한다(S71). 구체적으로 컨볼루션 연산은 다양한 크기의 필터 커널(filter kernel)을 적용하여 영상에서 피처를 추출한다. 그리고 비선형 ReLU(rectified linear unit) 함수가 적용된다. 풀링 계층은 이미지 영역을 요약하고 입력의 축소된 버전을 출력한다.When the input image of the object is supplied to the CNN layer, the CNN layer extracts a related feature from the image (S71). Specifically, the convolution operation extracts features from an image by applying filter kernels of various sizes. And a nonlinear ReLU (rectified linear unit) function is applied. Pooling layers summarize image regions and output reduced versions of their inputs.
이어서 CNN 계층으로부터 제공된 피처 시퀀스는 이 시퀀스를 통해 관련 정보를 전차하는 RNN 셀로 공급된다(S72). RNN의 LSTM(long short-term memory) 구현이 사용된다. 이는 장거리를 통해 정보를 전파할 수 있고, vanilla RNN보다 더 강력한 훈련 특성을 제공할 수 있다. RNN 출력 시퀀스는 시간적 정보(temporal information)를 인코딩하는 매트릭스에 매핑된다.Subsequently, the feature sequence provided from the CNN layer is supplied to the RNN cell that stores related information through this sequence (S72). A long short-term memory (LSTM) implementation of RNN is used. It can propagate information over long distances and provide more powerful training properties than vanilla RNNs. RNN output sequences are mapped to matrices encoding temporal information.
RNN 출력 매트릭스와 Ground truth 텍스트가 CTC(connectionist temporal classification)에 제공되고, CTC는 손실 값을 계산한다(S73). 추론하는 동안, CTC에는 매트릭스만이 제공되며 CGTC는 이를 최종 텍스트로 디코딩한다(S74). 따라서, 위 과정에서 CTC는 NN(neural network)를 훈련하기 위한 손실 값을 계산하고, 입력 영상에 포함된 텍스트를 가져오기 위해 매트릭스를 디코딩하여 손으로 쓴 텍스트 레이블을 유추한다.The RNN output matrix and ground truth text are provided to CTC (connectionist temporal classification), and CTC calculates a loss value (S73). During reasoning, only the matrix is provided to the CTC and the CGTC decodes it into the final text (S74). Therefore, in the above process, CTC calculates a loss value for training a neural network (NN), decodes a matrix to get text included in an input image, and infers a handwritten text label.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스를 이용하여 AI 튜터링 서비스를 제공하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 화학 교육 디바이스를 이용하여 AR 구현 서비스를 제공하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 8 및 도 9는 화학 교육 디바이스로서 스마트폰을 사용한 경우를 예로 들어 나타낸 것이다.8 is a diagram illustrating a process of providing an AI tutoring service using a chemistry education device according to an embodiment of the present invention. 9 is a diagram illustrating a process of providing an AR implementation service using a chemistry education device according to an embodiment of the present invention. 8 and 9 illustrate the case of using a smartphone as an example of a chemistry education device.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art can realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting.
Claims (8)
상기 화학 교육 디바이스가 선택적으로 AI 튜터링 서비스 또는 AR 구현 서비스를 제공하는 단계를 포함하되,
상기 AI 튜터링 서비스를 제공하는 단계는,
대상체를 촬영하여 상기 대상체의 영상 정보를 상기 출력부 상에 표시하는 단계;
상기 대상체 상에 기재된 화학반응식을 감지하는 단계;
상기 화학반응식을 구성하는 화학기호, 숫자 및 기타 기호를 인식하는 단계;
상기 화학기호, 상기 숫자 및 상기 기타 기호 간의 위치관계를 이용해 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하는 단계;
상기 데이터베이스 내에 복수의 기준반응식을 사전에 정의해 두고, 상기 화학반응식을 상기 기준반응식과 비교하여 오류를 추출하는 단계;
상기 화학반응식에 오류가 있는 경우, 상기 출력부 상에 상기 오류의 주변에 경계 상자를 표시하는 단계; 및
상기 오류에 대한 정정답안을 상기 출력부 상에 표시하고 사용자의 선택에 따라 상기 정정답안의 화학구조식을 증강현실로 상기 출력부 상에 시각화하는 단계를 포함하는 화학 교육 서비스의 제공 방법. As a method of providing a chemistry education service using a chemistry education device including a camera unit, an output unit and a database,
Optionally providing an AI tutoring service or an AR implementation service by the chemistry education device,
The step of providing the AI tutoring service,
photographing the object and displaying image information of the object on the output unit;
detecting a chemical reaction formula described on the subject;
Recognizing chemical symbols, numbers and other symbols constituting the chemical reaction formula;
extracting the context of the chemical reaction formula by using the positional relationship between the chemical symbol, the number, and the other symbols;
Defining a plurality of reference reaction formulas in advance in the database, and extracting errors by comparing the chemical reaction formula with the reference reaction formula;
If there is an error in the chemical reaction equation, displaying a bounding box around the error on the output unit; and
Displaying a correct answer to the error on the output unit and visualizing a chemical structural formula in the correct answer on the output unit in augmented reality according to a user's selection.
상기 컨텍스트를 추출하는 단계는,
상기 화학반응식에 있어서 화살표 또는 등호를 기준으로 일측을 반응물로, 타측을 생성물로 분류하는 단계; 및
상기 화학기호와 상기 숫자 간의 위치관계에 있어서, (i) 상기 숫자가 상기 화학기호의 전방에 배치된 경우, (ii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 아래첨자로 배치된 경우, 및 (iii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 위첨자로 배치된 경우를 구분하여 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하는 단계를 포함하는 화학 교육 서비스의 제공 방법.According to claim 1,
Extracting the context,
Classifying one side as a reactant and the other side as a product based on an arrow or an equal sign in the chemical reaction equation; and
Regarding the positional relationship between the chemical symbol and the number, (i) when the number is arranged in front of the chemical symbol, (ii) when the number is arranged in a subscript after the chemical symbol, and (iii) ) A method of providing a chemistry education service comprising the step of extracting the context of the chemical reaction formula by identifying a case in which the number is placed in a superscript at the rear of the chemical symbol.
상기 오류를 추출하는 단계는,
상기 화학반응식으로부터 하나 이상의 물질로 이루어진 반응물과, 하나 이상의 물질로 이루어진 생성물을 구분하고, 상기 화학반응식에 포함된 물질들을 기준으로 일치도가 가장 높은 기준반응식을 상기 데이터베이스에서 선택하는 단계;
상기 화학반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식을 상기 기준반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식과 각각 비교하여 화학식 오류를 추출하는 단계; 및
상기 화학식 오류를 수정한 후, 상기 화학반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수를 상기 기준반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수와 각각 비교하여 계수 오류를 추출하는 단계를 포함하는 화학 교육 서비스의 제공 방법.According to claim 1,
The step of extracting the error is,
Distinguishing a reactant made of one or more materials from the chemical reaction formula and a product made of one or more materials, and selecting a reference reaction formula having the highest degree of agreement based on the materials included in the chemical reaction formula from the database;
extracting formula errors by comparing chemical formulas of reactants and chemical formulas of products for the chemical reaction formula with chemical formulas of reactants and chemical formulas of products for the reference reaction formula, respectively; and
After correcting the chemical formula error, the coefficient of the reactant and the coefficient of the product for the chemical reaction formula are compared with the coefficient of the reactant and the coefficient of the product for the reference reaction formula, respectively, and extracting the coefficient error. How to provide.
상기 AR 구현 서비스를 제공하는 단계는,
대상체를 촬영하여 상기 출력부 상에 표시하는 단계;
상기 대상체 상에 기재된 화학용어를 감지하는 단계(상기 화학용어는 화학명 및 화학식을 포함함);
상기 데이터베이스 내에 복수의 기준용어를 사전에 정의해 두고, 상기 화학용어가 상기 기준용어와 일치하는 경우 상기 출력부 상에 상기 화학용어의 주변에 경계 상자를 표시하는 단계;
상기 경계 상자에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 상기 화학용어에 대한 '읽기 방법' 옵션창, '분자식 보기' 옵션창, '구조식 보기' 옵션창 및 '추가정보 보기' 옵션창으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 옵션창을 상기 출력부 상에 표시하는 단계; 및
상기 옵션창들 중 어느 하나에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 선택된 옵션창에 대응하는 교육 정보를 상기 출력부 상에 표시하는 단계를 포함하는 화학 교육 서비스의 제공 방법.According to claim 1,
The step of providing the AR implementation service,
photographing the object and displaying it on the output unit;
detecting a chemical term written on the subject (the chemical term includes a chemical name and chemical formula);
predefining a plurality of reference terms in the database, and displaying a bounding box around the chemical terms on the output unit when the chemical terms coincide with the reference terms;
When a selection event occurs for the bounding box, a selection is selected from the group consisting of the 'Reading method' option window, the 'View molecular formula' option window, the 'View structural formula' option window, and the 'View additional information' option window for the chemical term. displaying at least one option window on the output unit; and
When a selection event occurs for any one of the option windows, displaying education information corresponding to the selected option window on the output unit.
대상체를 촬영하는 카메라부;
상기 대상체의 영상 정보를 표시하는 출력부;
상기 대상체 상에 기재된 화학반응식에 대해 AI 튜터링 서비스를 제공하는 AI 튜터링부;
상기 대상체 상에 기재된 화학용어에 대해 AR 구현 서비스를 제공하는 AR 구현부; 및
복수의 기준반응식 및 복수의 기준용어를 사전에 정의하는 저장한 데이터베이스를 포함하되,
상기 AI 튜터링부는,
상기 출력부 상에 표시된 상기 영상 정보로부터 상기 대상체에 기재된 화학반응식을 감지하고;
상기 화학반응식을 구성하는 화학기호, 숫자 및 기타 기호를 인식하고;
상기 화학기호, 상기 숫자 및 상기 기타 기호 간의 위치관계를 이용해 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하고;
상기 화학반응식을 상기 기준반응식과 비교하여 오류를 추출하고;
상기 화학반응식에 오류가 있는 경우, 상기 출력부 상에 상기 오류의 주변에 경계 상자를 표시하고;
상기 오류에 대한 정정답안을 상기 출력부 상에 표시하고 사용자의 선택에 따라 상기 정정답안의 화학구조식을 증강현실로 상기 출력부 상에 시각화하는 것을 특징으로 하는 화학 교육 디바이스.As a chemistry education device that provides chemistry education services,
a camera unit that photographs an object;
an output unit displaying image information of the object;
an AI tutoring unit providing an AI tutoring service for the chemical reaction described on the subject;
an AR implementation unit providing an AR implementation service for chemical terms written on the object; and
Including a stored database that defines a plurality of reference reaction formulas and a plurality of reference terms in advance,
The AI tutoring unit,
detecting a chemical reaction formula described in the object from the image information displayed on the output unit;
Recognize chemical symbols, numbers and other symbols constituting the chemical reaction formula;
Extracting the context of the chemical reaction equation using positional relationships between the chemical symbol, the number, and the other symbols;
extracting errors by comparing the chemical reaction equation with the reference reaction equation;
if there is an error in the chemical equation, display a bounding box around the error on the output unit;
Chemistry education device, characterized in that for displaying the correct answer to the error on the output unit and visualizing the chemical structural formula of the correct answer on the output unit in augmented reality according to the user's selection.
상기 AI 튜터링부는,
상기 화학반응식에 있어서 화살표 또는 등호를 기준으로 일측을 반응물로, 타측을 생성물로 분류하고;
상기 화학기호와 상기 숫자 간의 위치관계에 있어서, (i) 상기 숫자가 상기 화학기호의 전방에 배치된 경우, (ii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 아래첨자로 배치된 경우, 및 (iii) 상기 숫자가 상기 화학기호의 후방에 위첨자로 배치된 경우를 구분하여 상기 화학반응식의 컨텍스트를 추출하는 것을 특징으로 하는 화학 교육 디바이스.According to claim 5,
The AI tutoring unit,
Classifying one side as a reactant and the other side as a product based on an arrow or an equal sign in the above chemical reaction formula;
Regarding the positional relationship between the chemical symbol and the number, (i) when the number is arranged in front of the chemical symbol, (ii) when the number is arranged in a subscript after the chemical symbol, and (iii) ) Chemistry education device, characterized in that for extracting the context of the chemical reaction formula by distinguishing the case where the number is placed in a superscript at the rear of the chemical symbol.
상기 AI 튜터링부는,
상기 화학반응식으로부터 하나 이상의 물질로 이루어진 반응물과, 하나 이상의 물질로 이루어진 생성물을 구분하고, 상기 화학반응식에 포함된 물질들을 기준으로 일치도가 가장 높은 기준반응식을 상기 데이터베이스에서 선택하고;
상기 화학반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식을 상기 기준반응식에 대한 반응물의 화학식 및 생성물의 화학식과 각각 비교하여 화학식 오류를 추출하고;
상기 화학식 오류를 수정한 후, 상기 화학반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수를 상기 기준반응식에 대한 반응물의 계수 및 생성물의 계수와 각각 비교하여 계수 오류를 추출하는 것을 특징으로 하는 화학 교육 디바이스.According to claim 5,
The AI tutoring unit,
distinguishing a reactant composed of one or more substances from the chemical reaction formula and a product composed of one or more substances, and selecting a reference reaction formula having the highest degree of agreement based on the materials included in the chemical reaction formula from the database;
formulas of reactants and formulas of products for the chemical reaction formula are compared with chemical formulas of reactants and chemical formulas of products for the reference reaction formula, respectively, to extract formula errors;
After correcting the chemical formula error, the coefficient of the reactant and the coefficient of the product for the chemical reaction equation are compared with the coefficient of the reactant and the coefficient of the product for the reference reaction equation, respectively, to extract the coefficient error. Chemistry education device.
상기 AR 구현부는,
상기 출력부 상에 표시된 상기 대상체에 기재된 화학용어를 감지하고(상기 화학용어는 화학명 및 화학식을 포함함);
상기 화학용어가 상기 기준용어와 일치하는 경우 상기 출력부 상에 상기 화학용어의 주변에 경계 상자를 표시하고;
상기 경계 상자에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 상기 화학용어에 대한 '읽기 방법' 옵션창, '분자식 보기' 옵션창, '구조식 보기' 옵션창 및 '추가정보 보기' 옵션창으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 옵션창을 상기 출력부 상에 표시하고;
상기 옵션창들 중 어느 하나에 대해 선택 이벤트가 발생하는 경우, 선택된 옵션창에 대응하는 교육 정보를 상기 출력부 상에 표시하는 것을 특징으로 하는 화학 교육 디바이스.According to claim 5,
The AR implementation unit,
detecting a chemical term described in the object displayed on the output unit (the chemical term includes a chemical name and chemical formula);
displaying a bounding box around the chemical term on the output unit when the chemical term coincides with the reference term;
When a selection event occurs for the bounding box, a selection is selected from the group consisting of the 'Reading method' option window, the 'View molecular formula' option window, the 'View structural formula' option window, and the 'View additional information' option window for the chemical term. displaying at least one option window on the output unit;
When a selection event occurs for any one of the option windows, the chemistry education device, characterized in that for displaying educational information corresponding to the selected option window on the output unit.
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