专利名称：一种凸透镜成像虚拟实验制作方法
技术领域：
本发明属于物理教学实验领域，具体地说，是一种凸透镜成像虚拟实验制作方法， 该方法为基于增强现实技术的虚实融合的凸透镜成像实验方法，应用于中学物理课堂教学或学生自主实验。
背景技术：
增强现实(AugmentedReality，简称 AR)技术与虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术几乎同时出现，早在1968年，图形学先驱Sutherland制作的第一个头盔式显示器就是透射式、而非完全沉浸式的，它可以作为AR设备使用。在随后的20年中，由于硬件设备与图形学研究本身的限制，AR技术没有显著的进展。20世纪90年代初期，波音公司的 Tom Caudell与同事在其设计的辅助布线系统中提出了“增强现实”这个名词。虽然对于增强现实的概念目前尚没有一个统一的定义，但一般认为，增强现实技术是借助于三维显示技术、交互技术、多种传感技术、计算机视觉技术以及多媒体技术把计算机生成的二维或三维的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中的一种技术。虚拟现实是创造一个全新的虚拟世界，用户可借助必要的装备与数字化环境中的对象进行交互，产生身临其境的感受和体验，用户完全沉浸在合成的环境中，因此用户不能看到自己周围的真实环境。与虚拟现实尽可能消除人们真实世界的感知相反，增强现实是对真实世界的加强，它强调虚实结合，将虚拟的物体叠加或合成到真实世界汇总，它允许用户看见真实世界。因此，增强现实是补充真实而不是完全替代它。增强现实系统的目标是将互动的现实世界和交互式计算机生成的世界融合，以这样的方式使得它们看起来是一个环境。最早的增强现实应用一般都需要佩戴透视式头盔显示器，使用户在观察现实物理对象时，可以直接叠加上虚拟对象。随着技术的发展，近年来增强现实技术开始通过二维码类的标记来定位，摄像头捕捉到标记图像后由软件计算出内容。在教育领域也有越来越多的人关注其在教学中的应用。ARCHEOGUIDE(Augmented Reality-based Cultural Heritage On-site GUIDE)(Vlahakis V,2001)(V. Vlahakis, J. Karigiannis, M. Tsotros, M. Gounaris, L. Almeida, D. Strieker, T.Gleue, I. Christou, R. Carlucci, N. Ioannidis. (2001) “ ARCHEOGUIDE =First results of an Augmented Reality, Mobile Computing System in Cultural Heritage Sites" , Virtual Reality, Archaeology, and Cultural Heritage International Symposium(VAST01), Glyfada, Nr Athens, Greece,28-30 November 2001.)是由欧盟资助的旨在通过增强现实技术复原古迹的一个系统，用户在户外遗址所在的位置，透过增强现实客户端就可以接收到所在位置的相关虚拟信息，通过客户端与相应的S-HMD即可看到遗迹复原的效果。Kaufmann (2003) (Kaufmann，H.， Schmalstieg, D. (2003). Mathematics and geometry education with collaborative augmented reality [J]. Computers & Graphics, 27 (3) :339-345.)利用增强现实技术建立教师与学生合作式的教学互动，该系统能呈现简单的点线面与几何体的构成，并具有布尔运算的功能，教师可以方便的表达几何形体的变化以及在空间中的关系，而学生在这种虚实融合的立体环境中更容易掌握复杂的空间概念。DUnser与HornekeH2007) (Dunser, A. , Hornecker, Ε. (2007). An observational study of children interacting with an augmented story book[C]. Proceeding of Edutainment :305-315)以寓言故事作为内容， 加入3D角色、声音及互动道具，来观察5-7岁的儿童如何利用增强现实系统进行互动与合作学习，参与的儿童利用附有标签的互动道具，一边阅读故事一边完成与故事内容相关的小任务。研究中发现，增强现实环境会吸引小孩的注意力，并让他们在活动时会愿意不断的尝试着完成任务。Mulloni (2008) (Mulloni, A.，Wagner, D.，& Schmalstieg, D. (2008). Mobility and Social Interaction as Core Gameplay Elements in Multi-Player Augmented Reality[C]. The3rd international conference on Digital Interactive Media in Entertainment and Arts :472-478)设计了一个“牛与 UFO”游戏，通过移动设备上的蓝牙装置与空间中的标签图卡来进行小组对抗游戏。Vienna理工大学研究人员展示了 AR 技术在力学教学中的应用(Kaufmann，H. and B. Meyer (2008). Simulating educational physical experiments in augmented reality. ACM SIGGRAPH ASIA 2008 educators programme. Singapore, ACM :1-8.)，它利用一个为电脑游戏所开发的物理引擎来实时地模拟在力学领域的物理实验，学生可以积极主动地在一个三维虚拟世界中创建自己的试验并研究它们。在实验之前、实验过程中和实验结束后，该系统提供了多样化的工具，用以分析目标物体的受力、质量、运动路径等物理量。但该系统需要较昂贵的头盔、立体眼镜等设备。Martin—Gutierrez 等人(Jorge Mart η-Gutierrez, JoseLuis Saorin, Manuel Contero,et al. (2010). Education :Design and validation of an augmented book for spatial abilities development in engineering students. Computer Graphics[J] V. 34(1) :77-91.)展示了一项帮助工科学生提高空间能力的增强现实应用，他们设计了一本可以呈现3D模型的书籍AR-Dehaes帮助学生完成虚拟化的任务，试图在一个短期的补习课程内提高他们的空间技能，一个由M名大学新生参与的验证性实验证实了该训练在提高学生空间能力上具有可测量的积极效果。教育领域著名组织The New Media Consortium(NMC)在2010和2011连续两年发布的Horizon Report中将增强现实技术列为未来2-3年最具潜力的六个技术之一(参见文献NMC. (2010). 2010 Horizon Report. [DB/ OL]. [2010-07-02]. http//www. nmc. org/publications/2010-horizon_r印ort)及(参见文献 NMC. (2011). 2011 Horizon Report. [DB/0L]. [2010-06-02]. http//www. nmc. org/pu blications/2011-horizon-report)。国内对于增强现实技术的应用近两年也逐渐成为热点，如2010年南非世界杯期间CCTV5“豪门盛宴”节目中也采用了增强现实技术显示虚拟体育馆，但是这是纯静态展示， 无交互效果。而且在实际教学尤其是物理实验教学领域鲜有使用较强交互手段的增强现实技术来模拟实验的。总体说来，国内教育技术领域尚未从理论上系统探讨增强现实技术的可行性和实证案例，也少见开发自主知识产权的虚实结合教学实验案例做深入研究。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服当前实物实验设备复杂、成本过高，而虚拟实验临场感不强、表现力较弱的缺点，提供一种虚实融合的交互式凸透镜成像实验的制作方法。这种实验方法流程简单、绿色环保，所需设备不复杂，操作也异常方便，实验过程的数据完全实时显示在投影屏幕上，适合在大教室向所有人清晰展示实验过程。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，该方法包括视频捕获流程、虚实融合流程和交互显示流程；具体包含以下步骤步骤(1)制作带三个活动块的滑动导轨，并将三个特定标记卡片放在活动块上；步骤(2)设计并制作凸透镜成像实验的透镜、蜡烛和成像板三维虚拟模型；步骤C3)捕获标记，将虚拟三维模型叠加到实时捕获的视频中；在视频捕获流程中通过摄像头实时捕获活动导轨板活动块上的特定标记；在虚实融合流程中计算所述特定标记的空间位置和方向，并映射到已建立的透镜、蜡烛和成像板虚拟三维模型上，使虚拟三维模型的位置和方向产生对应的变化，将变化后的虚拟三维模型与摄像头捕获的原始场景实时合成后得到虚实融合的交互式图像；步骤(4)在交互显示流程中用户沿导轨调节活动块，摄像头实时监控所述特定标记的移动，并自动计算标记块之间距离，将其实时显示在合成图像上；步骤( 用户观察并记录屏幕上出现的成像图像和物距、像距，验证凸透镜成像规律。进一步的，在所述步骤(1)中制作一个长形夹板，该夹板由两块长木板组成，其两端由一定厚度的短木条固定住，在上方长木板中间凿开一个细凹槽，从侧面两块长木板空隙处插入三个小木条，并与顶面凹槽上方的三个方形木块固定，水平拨动小木条时能连带方形木块一起滑动。进一步的，在所述步骤(1)制作分别代表蜡烛、透镜、成像板的三个简单抽象图案卡片作为特定标记，并将其按照透镜在中间、蜡烛和成像板在两边的顺序将标记卡片贴在方形木块上。进一步的，在所述步骤(3)中捕获特定标记所用的摄像头是普通网络摄像头；本发明的原理在于本发明的方法主要分为视频捕获流程、虚实融合流程和交互显示流程；制作一个带滑动导轨的长木板并在其上安装三个活动滑块，滑块上分别放置三个特定标记；使用普通摄像头捕获特定标记，计算标记的空间位置和方向，分别映射到虚拟蜡烛、透镜和成像板三维模型上，将实时生成的虚拟三维模型与拍摄到的真实场景合成得到虚实融合交互式场景，并实时显示凸透镜成像中的物距、像距和焦距。本发明与现有技术相比的有益效果为(1)本发明方法设备是绿色环保的，它不需要实物实验中的真实蜡烛、透镜、成像板等材料，只需配备一台自带普通摄像头笔记本电脑和简单的导轨装置。学习者不需要额外操作指令按键，只要滑动导轨即可看到虚实融合的立体交互效果，这样的互动接近真实实验的操作行为，在提高学习者的感官体验的同时又不增加操作的陌生感和复杂性。(2)本发明中能检测多个不同的标记，且能实时显示任意时刻时蜡烛和透镜的距离(物距)、透镜和成像板之间的距离(像距)，直观迅速反映物距、像距与透镜焦距之间的关系。(3)本发明的标记识别、三维图形显示及交互效果均使用Java语言实现，由于 Java语言自身跨平台的特点，使得本书的后台程序能在不同操作系统移植。
图1为本发明一种凸透镜成像虚拟实验制作方法的流程图；图2为本发明的活动导轨板结构图；图3为本发明定义的蜡烛、透镜、成像板标记；图4为本发明的标记采集、计算及虚实场景融合流程图；图5为凸透镜成像虚拟实验现场操作。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。本发明为一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，包括视频捕获流程、虚实融合流程和交互显示流程，制作流程如图1所示。具体步骤如下所述(1)制作带三个活动块的滑动导轨板，并将三个标记卡片放在活动块上；制作一个长形夹板，该夹板由两块长木板组成，其两端由一定厚度的短木条固定住，在上方长木板中间凿开一个细凹槽，从侧面两块长木板空隙处插入三个小木条，并与顶面凹槽上方的三个方形木块固定，水平拨动小木条时能连带方形木块一起滑动。此导轨保证在交互显示模块中用户移动标记时始终保持三个标记在一条直线上。导轨板结构如图2 所示。设计并制作分别代表蜡烛、透镜、成像板的三个简单抽象图案作为特定标记。标记颜色对比度高的黑白二值图，图案越简单摄像头识别的效果越好，如图3所示。注意三个标记的图案不能看起来太相似，否则在同一场景中摄像头不能较好的区分。实际可使用外圈黑背景、内圈白背景、字体颜色为黑色的标记，以增强图案识别的灵敏度，在标记周围还可添加带版权标识的图案。标记设计好并打印出来之后，按照透镜在中间、蜡烛和成像板在两边的顺序将标记卡片贴在方形木块上。(2)设计并制作凸透镜成像实验的透镜、蜡烛和成像板三维虚拟模型；使用3DSMax或者其他的3D建模工具制作透镜、蜡烛和成像板三维虚拟模型，其中蜡烛的火焰使用粒子系统以达到逼真的动态火焰效果。(3)捕获标记，将虚拟三维模型叠加到实时捕获的视频中；视频捕获流程阶段首先将摄像头获取的真实场景图像显示为最底层；虚实融合流程阶段如果检测到摄像头捕获当前场景有预先设定的标记，则根据摄像头内外参数和三维注册算法计算出标记在真实空间中的三维位置，再调出标记块一一对应的虚拟三维模型，并在标记的三维位置上将其按照摄像头的投影矩阵投影到摄像头的投影平面上，并将虚拟三维模型在投影平面上的影像和真实空间在投影平面上的影像进行合成，形成最后虚实结合的场景进行输出。如图4所示，具体步骤如下A)利用摄像头捕获真实场景，获得彩色图像信息；B)根据设定的阈值将采集到的彩色图像转换成二值黑白图像，并对该二值图像进行连通域分析；C)找出其中所有的四边形区域作为候选匹配区域，将每一候选区域与模板库中的模板进行匹配，如果产生匹配，则认为捕获到了一个标记；
D)根据摄像头的位置信息和真实场景中的定位标记来计算摄像头相对于已知标记的位置和姿态；E)按照仿射变换矩阵在视平面上绘制虚拟物体，最后与真实场景的视频合并，并投影到普通显示屏幕上。所用的摄像头可以是普通网络摄像头。其中，本发明还可以根据需要捕获其他自定义特定标记，在当前虚实融合场景中映射对应的动态虚拟对象，用以辅助说明当前场景。(4)自动计算标记块之间距离，并将其实时显示在屏幕上；在虚拟场景三维坐标系中计算蜡烛与透镜的距离即物距，透镜与成像板的距离即像距。以物距为例其计算方法如下在局部坐标系建模时以底盘为坐标原点，假设蜡烛在场景坐标系中的坐标为(Xi，yi，Zi),透镜在场景坐标系中的坐标为0^，ypZp，则物距的计算
公式为Aj =Vfe-xJ2 -^Nfc-zsf。像距同理也可计算出来。将焦距以及计算
出来的物距和像距实时显示在屏幕上。(5)调节活动块之间的距离，观察并记录屏幕上出现的成像图像和物距、像距。用户在实验过程中可以调节导轨上的活动滑块，即改变物距和像距，交互显示流程阶段利用交互显示功能模块在电脑屏幕或投影屏幕上实时显示成像图像和变化着的物距、像距，用户可随时计算物距、像距和焦距的倒数，验证其是否在误差允许范围内符合凸
透镜成像规律丄+ 1 = + (其中u为物距，ν为像距，f为凸透镜焦距)。
UVj本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
权利要求
1.一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，该方法包括视频捕获流程、虚实融合流程和交互显示流程；其特征在于该方法包含以下步骤步骤(1)制作带三个活动块的滑动导轨板，并将三个特定标记卡片放在活动块上； 步骤(2)设计并制作凸透镜成像实验的透镜、蜡烛和成像板三维虚拟模型； 步骤C3)捕获标记，将虚拟三维模型叠加到实时捕获的视频中； 在视频捕获流程中通过摄像头实时捕获活动导轨板活动块上的特定标记；在虚实融合流程中计算所述特定标记的空间位置和方向，并映射到已建立的透镜、蜡烛和成像板虚拟三维模型上，使虚拟三维模型的位置和方向产生对应的变化，将变化后的虚拟三维模型与摄像头捕获的原始场景实时合成后得到虚实融合的交互式图像；步骤(4)在交互显示流程中用户沿导轨调节活动块，摄像头实时监控所述特定标记的移动，并自动计算标记块之间距离，将其实时显示在合成图像上；步骤( 用户观察并记录屏幕上出现的成像图像和物距、像距，验证凸透镜成像规律。
2.根据权利要求1所述的一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，其特征在于，在所述步骤(1)中制作一个长形夹板，该夹板由两块长木板组成，其两端由一定厚度的短木条固定住，在上方长木板中间凿开一个细凹槽，从侧面两块长木板空隙处插入三个小木条，并与顶面凹槽上方的三个方形木块固定，水平拨动小木条时能连带方形木块一起滑动。
3.根据权利要求1所述的一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，其特征在于，在所述步骤(1)制作分别代表蜡烛、透镜、成像板的三个简单抽象图案卡片作为特定标记，并将其按照透镜在中间、蜡烛和成像板在两边的顺序将标记卡片贴在方形木块上。
4.根据权利要求1所述的一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，其特征在于，在所述步骤(3)中捕获特定标记所用的摄像头是普通摄像头。
全文摘要
一种凸透镜成像虚拟实验制作方法，该方法主要分为视频捕获流程、虚实融合流程和交互显示流程；制作一个带滑动导轨的长木板并在其上安装三个活动滑块，滑块上分别放置三个特定标记；使用普通摄像头捕获特定标记，计算标记的空间位置和方向，分别映射到虚拟蜡烛、透镜和成像板三维模型上，将实时生成的虚拟三维模型与拍摄到的真实场景合成得到虚实融合交互式场景，并实时显示凸透镜成像中的物距、像距和焦距。本发明应用于中学物理实验教学，设备简单、成本低廉、绿色环保，且其交互行为自然，学习者可随时调节参数观测凸透镜成像的规律现象，达到较好的教学效果。
文档编号G09B23/22GK102509502SQ201110385549
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者余胜泉, 吴娟, 王伟, 蔡苏, 高梦楠 申请人:北京师范大学