基于增强现实的虚拟教学系统的制作方法
【专利摘要】本发明一种适用于教育系统，通过人机交互，将虚拟物体叠加到标示物上并且在投影仪上展现出来，方便为同学们提供各种各样复杂的模型，通过程序可以实现模型的变换，旋转等操作，使得同学们对模型有一个深入的了解。且具有价格成本低，使用方便，硬件设备方便等特点。
【专利说明】基于增强现实的虚拟教学系统
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种计算机图形技术以及空间定位技术，具体地说是涉及一种AR增强现实技术应用于教育的发明。
【背景技术】
[0002]增强现实(Augmented Reality，简称AR)，也被称之为混合现实。它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。传统的产品展示方法，是将产品实物在现场进行展示，这种方式不仅需要在现场准备好产品实物，而且需要考虑诸多问题，包括产品的运输成本(如产品体积较大、产品精密程度较高而具有怕震易碎的特性等)、产品在展示过程中损坏时的紧急预案、展示人员的误操作等。一旦出错，会对所展示的产品产生许多负面影响，也会给企业带来不小的损失。而利用增强现实技术，将事先准备好的虚拟产品实物模型，利用计算机技术将虚拟模型叠加在真实的展示场景中，并可以添加事先做好的动画特效，从而将合成影像展示给客户，如此一来，就无需将产品实物带到现场，不必考虑产品实物会损坏，也不必担心展示人员的误操作。利用增强现实技术来实现产品展示，可以通过摄像机来拍摄不含产品的展示场景，其中可由展示人员手持一种具有标定功能的参照物品，然后利用增强现实手段，在参照物品上叠加所要展示的展品，并允许添加相应的动画，从而完成生动、自然的产品展示。所以将这项技术应用到教学上，在课堂上展现一定的虚拟场景，使得原本单调的课堂变得丰富多彩，将那些复杂而抽象的概念以形象生动的方式进行说明，从而充分地调动学生的积极性，有效地改善师生之间的互动，并有利于学生对知识的把握和吸收，增强课堂学习效果，提高学习效率。
【发明内容】
[0003]本发明目的是克服了现有技术中的不足，提供了一种基于ART00LKIT增强现实技术应用于教育系统的发明。本课题的研究目的是基于增强现实技术在Intel嵌入式开发板进行开发，从而应用在课堂上，展现一定的虚拟场景，使得原本单调的课堂变得丰富多彩，将那些复杂而抽象的概念以形象生动的方式进行说明，从而充分地调动学生的积极性，有效地改善师生之间的互动，并有利于学生对知识的把握和吸收，增强课堂学习效果，提高学习效率。其实用功能如下:
1、模型的平移、旋转和缩放
在实际操作的过程中，教师可以通过软件调节模型所在的位置、调节模型进行旋转以观测四周、进行缩放以改变大小。从而可以使得所需要呈现的场景以任何大小被放置在任何同学的身边，以便于同学们的观赏。
[0004]2、模型的动态实现和播放控制
为了呈现更加逼真的效果，系统可以通过程序控制，使得所要展现的模型产生所需要的动态效果，并可以通过软件进行播放的控制，使教师可以在适当的时候暂停播放，并做相应的讲解和说明。
[0005]3、模型库的增减
为了适应不同教学科目的需要，系统设置了不同科目库文件的导入，在实际的使用中，只需要选取适当的科目环境，我们就可以呈现该科目所需要的模型。这样，使得系统的使用变得简单和广泛，并具有很强的扩展性。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现:
本系统将摄像头作为视频输入设备，LPD光学投影机作为视频输出设备，Intel嵌入式开发板为计算设备，实现一套完整现实增强产品展示系统。
[0006]终端设备搭载的控制端软件，使用ARToolkit工具集，对摄像机获取的图像进行识别，以确定标识物的位置，然后在相应位置处叠加所要展示的产品，最后将合成加工后的图像传输给投影仪进行显示。
[0007]本系统的设计目的是最大限度的发挥Intel? EPCM-505C嵌入式开发板的特性，在Windows Embed Standard 7系统上,采用ARToolkit增强现实库实现基将电脑虚拟的图像覆盖到真实世界画面中的功能，即在一定距离内，识别标识物，并电脑虚拟的图像覆盖标记卡所示的位置的真实世界画面，最后输出经过叠加的图像。
[0008]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、良好的便携性:对于开发板本身而言，由于整个开发板的物理尺寸很小，所以具有良好的便携性。并且当开发板形成产品后，在更高的工艺上进行生产，可以在体积上做得更小，集成度上做得更大，甚至可以通过精简无用的硬件，将此开发板做成头盔或眼镜。对于其他外围设备而言，包括摄像头、投影仪，都是可以做到便携的设备。并且对于大多数会场来说，都会提供这些必要设备，所以有时这些设备是不需要额外携带的。
[0009]2、性能充足且成本和功耗较低:所采用的Intel?EPCM_505C开发板内部继承了Intel?Atom E645C处理器，和一颗型号为Altera EP2AGXE6XX的FPGA。这款处理器的功耗低，并且内部集成了图形处理器等相应期间，在器件集成度上做得很高，所以降低了相应的成本。而这款FPGA的作用，是辅助做视频处理的器件，该FPGA可以提供快速的视频处理功能，而消耗较少地资源。有了 FPGA，就无需大量的外围电路，用于图像处理等，节约了大量的硬件成本，包括设计成本和损耗、维护成本。
[0010]3、实现设备简单:本系统外围设备只需要一个普通的摄像头与投影仪即可。本系统演示用AV接口的监控摄像头，价格低廉，不需任何改装，调整好角度方位即可使用本系统。同类产品实现设备中，摄像头需增加滤光片才能捕捉，甚至个别方案需购买特殊的红外摄像头方可正确捕捉。本系统的摄像头亦可用于视频通话、投影功能。相比同类产品之下，本系统在使用不进行任何改装的摄像头，仍可完成相同的功能，达到了摄像头的多用。在图像处理方面，因为开发板集成了 FPGA，也不需要其他专用设别。综上所述，本系统实现设备较为简单。
[0011]4、可移植性好:系统采用开源的ARToolkit工具集、OpenGL工具集和OpenMp工具集，均可以在多种操作系统和平台上使用。虽然软件方面采用的MFC框架只能在Windows平台上运行，但MFC的编程代码，与开源跨平台的WxWidget框架编程方式非常相似，由MFC设计的程序代码，只需很少的改动，即可编程WxWidget框架的程序。之所以本系统软件未采用Qt框架进行设计，是因为Qt使用的是自带的界面API，而MFC和WxWidget采用的是系统原生的界面API，在效率上优势更大。不仅如此，MFC仅作为应用程序框架，来支撑系统软件，而软件的核心算法，均是由开源工具集实现，核心部分具有良好的可移植性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是系统整体设计框架图图2是ARToolkit程序整体流程。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
本课题所开发的现实增强系统，通过对虚拟场景的设定，可以对教师的教学提供必要的补充。当教师在播放幻灯片讲课时，可能会遇到一些复杂的模型，如水利上的大坝模型，需要对其做各个部分的讲解；再如远古的动植物，需要对其进行做适当的描述；在物理相关的课程上，物体的各种运动，需要学生的空间想象，这些都可以通过本课题所开发的增强现实系统所建立的模型来解决这些问题。使用本课题所开发的现实增强系统来解决问题的方法也很简单，只需要在系统中加入适当的模型库，就可以在课上任何需要的时候，在投影仪上展现出所需的场景。通过本系统，教师可以展现一个消失多年的恐龙模型，让它置于同学们的周围；还可以在同学们的眼前重现神州九号飞船发射及升空的模拟场景，用生动形象的模型动画，让大家了解身边的科技。本系统主要是通过对现实中标示物的捕捉，通过程序的运行，使得已经设计好的3D模型在电脑中叠加到虚拟物体上，然后通过投影仪展现给大家。3D模型的设计涉及到3Dmax等专业软件工具,捕捉标示物等需要使用AR技术。AR中还有许多现有的模型库可以使用。
[0014]本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种虚拟现实技术，包括ARtoolkit技术和3D技术,其特征是:所述采用AR技术实现物体的叠加；所述使用3D技术实现模型的制作。
2.根据权利要求1所述的ARtoolkit技术，其特征是:所述对运行硬件的要求较低、且有较强的图像处理能力；所述平台相关性较低。
3.根据权利要求1所述的3D模型技术，其特征是:所述目前3D软件较多；所述可以实现各种各样模型的制作。
【文档编号】G09B5/02GK104464389SQ201310418080
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月15日 优先权日:2013年9月15日
【发明者】高蓉 申请人:南京大五教育科技有限公司