基于增强现实技术的书法学习系统及方法与流程

本发明涉及增强现实技术在书法学习上的应用，特别是涉及完整的书法学习系统，具体地说是一种面向书法初学者的增强现实学习方法。

背景技术：

书法艺术源远流长，博大精深，书写创作是一种运动技能，也包含了比较高级的审美和思维运动。现代汉字尽管大量使用硬笔书写，但其书法的审美和情趣不变，字的间架结构和运势转折与毛笔别无二致，所以硬笔书法是毛笔书法的特殊情形而已。初学者在学习书法的时候，掌握工具的使用方法和临摹练习是必不可少的过程。传统书法工具有笔、墨、纸、砚，临摹工具有字帖。随着科学技术的进步，书法练习工具也得到了功能上的提升，比如：数字化的练习笔、可重复使用的字帖、墨水等。现在已有的与本发明最近似的实现方案是通过一套复杂的设备实时采集教育端数据传输到学习端进行虚拟现实和增强现实的方法。

现有技术的缺点是需要通过复杂的设备才能实现教学目的，而且该种技术仅适用于一对多的实时书法教学模式，无法将一次教授的过程有效的保存，并反复在增强现实环境下重现。

技术实现要素：

鉴于现有技术的缺陷，本发明提供一种面向初学者的增强现实书法学习系统及法。将书法的笔、墨、纸、砚和字帖五类传统工具，在现实环境下以富媒体文件形式进行虚拟教学演示。提出并实现了在便携平台装置比如手机、平板电脑上使用增强现实技术学习书法的方法，并且可以通过增强现实技术对初学者在练习书法时的过程进行纠错和指导。

为达到上述目的，本发明一方面提供一种基于增强现实技术的书法学习系统，其包括摄像机、通信单元、显示单元、储存单元、三维模型组件、三维模型、运算单元和Vuforia AR 单元；所述三维模型包括手的三维模型、笔的三维模型和字迹的三维模型；摄像机用于获得现实环境及书法字标记；储存单元用于储存三维模型组件和三维模型；Vuforia AR 单元用于识别书法字标记，并对书法字标记在现实环境中与摄像机的相对位置进行判断；显示单元用于在书法字标记的字迹上面叠加显示三维模型和三维模型组件。

优选地，三维模型组件包括视频模块、特效组件、语言音频和动画模块。

另外本发明提供了一种基于增强现实技术的书法学习的方法，其具体步骤如下：

步骤一： Vuforia AR 单元启动摄像机，获得现实环境及书法字标记；

步骤二：Vuforia AR识别书法字标记并从存储单元提取对应的手、笔和字迹的三维模型以及三维模型组件，进而对书法字标记在现实环境中与摄像机的相对位置进行判断；

步骤三：显示单元显示摄像头获得的现实环境情况、书法字标记，并在书法字标记的字迹上面叠加显示步骤二中的三维模型和三维模型组件的内容。

优选地，具体步骤还包括改变摄像机与书法标记在现实环境中的相对位置，显示单元360度显示三维模型和三维模型组件的对应角度内容。

优选地，具体步骤还包括通过摄像机获取现实环境中用户临摹在临摹标记上临摹出的临摹标记图像，将存储单元的标准书法字数据与所述临摹标记图像数据通过 Vuforia AR 单元和运算单元进行书法特征、书法字形的数据比对，作出判断。并对所述判断进行数据可视化结果转换，显示单元显示相似值较低部分，进行重复演示。

用户在使用临摹标记进行临摹练习时，装置摄像机和 Vuforia AR 单元识别所述临摹标记，确定摄像机与临摹标记的相对位置，进而识别书法工具上的标记，通过临摹标记与书法工具上的标记相对位置变化，来判断书法工具使用方法是否正确。

优选地，具体步骤还包括通过Vuforia AR 单元识别笔、墨、纸、砚以及字帖五个传统工具标记，从存储单元提取对应的传统工具的三维模型，以及三维模型组件，显示传统工具的使用方法。

优选地，步骤一之前还包括版权验证步骤：识别书法字标记上的验证码，将所述验证码与装置序列号在数据库进行比对、匹配和绑定，验证成功，激活装置上的数据包。

用户通过控制器进行开始、暂停、动画加速或减速的交互操作，控制所述三维模型组件的动态显示、静态显示、加速或减速显示。

本发明的有益效果：首先在于提供了更方便的学习方式，用户仅需要使用便携的平台装置比如手机、平板电脑，就可以随时随地的进行学习。并且，通过增强现实技术提供了具有沉浸式的学习环境体验，提升学习效果。实现在现实环境中360度显示三维模型和组件的对应角度内容，多角度、多视角观摩正确的书写姿势、下笔力度、字的间架结构和运势转折。

本发明的关键点在于：创新的发明了增强现实环境下从书法工具的使用、书法的教学、临摹练习、纠错教学一整套学习系统及方法；并且将该系统和实现方法应用在便携式平台装置比如手机、平板电脑上，降低了用户的学习成本，提高了学习的便捷性和效率；将权力验证与基于增强现实的书法学习系统结合，有效的保护版权方和用户的权益；创新的将临摹练习结果通过增强现实技术进行纠错指导。其为用户提供现实环境与虚拟教学环境融合的沉浸式书法学习方法。并且，本发明将一次教授的过程进行有效的记录，并通过便携装置在现实环境中反复学习使用。进而建立在传统书写工具的基础上，让书法文化中的学习体验得到完整的保留和发扬光大。

本发明中的部分名词解释：增强现实技术：是一种实时地计算摄像机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实环境并进行互动。现实环境：取自现实世界环境的持续图像，比如使用摄像机记录物理现实世界的情况。书法字标记：将单一书法字与对应图案组合形成书法字标记。临摹标记：降低书法字部分对比度的书法字标记。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明临摹练习流程图；

图3为本发明方法的流程图。

具体实施例

一种基于增强现实技术的书法学习系统，其包括摄像机、通信单元、显示单元、储存单元、三维模型组件、三维模型、运算单元和Vuforia AR 单元；所述三维模型包括手的三维模型、笔的三维模型和字迹的三维模型；摄像机用于获得现实环境及书法字标记；储存单元用于储存三维组件、三维模型；Vuforia AR 单元用于识别书法字标记，并对书法字标记在现实环境中与摄像机的相对位置进行判断；显示单元用于在书法字标记的字迹上面叠加显示三维模型和三维模型组件。三维模型组件包括视频模块、特效组件、语言音频和动画模块。

优选书法学习系统还包括控制器和交互单元，两者用于开始、暂停、动画加速或减速的交互操作，控制所述三维模型组件的动态显示、静态显示、加速或减速显示。

一种基于增强现实技术的书法学习系统及方法，其是书法工具的使用、书法的教学、临摹练习、纠错教学的一整套学习系统及方法。

实现步骤如下：书法的教学过程：开启装置上的摄像机，读取书法字标记上的验证码，通过通信单元，将上述验证码与装置序列号在数据库进行比对、匹配和绑定，从而实现版权验证。验证成功，激活装置上的数据包，通过 Vuforia AR 单元启动摄像机，获得现实环境及书法字标记。识别书法字标记从存储单元提取对应的手、笔、字迹等三维模型，以及动画、音频、视频和特效等三维模型组件，根据 Vuforia AR 单元对书法字标记在现实环境空间关系进行位置判断。然后，在装置的显示单元显示摄像头获得现实环境情况、书法字标记，并在书法字标记的字迹上面叠加显示三维模型和组件内容。用户通过装置的交互单元、物理按钮等控制器进行开始、暂停、动画加速或减速等交互操作，控制三维模型组件的动态显示、静态显示、加速或减速显示，进而实现在不同学习程度上的用户进行对应技能学习的目的。并且，用户可以通过改变摄像头与书法标记在现实环境中的位置关系，实现在现实环境中360度显示三维模型和组件的对应角度内容。

另外，学习书法工具的使用：Vuforia AR 单元启动摄像机，识别笔、墨、纸、砚以及字帖五个传统工具标记，使用上述方法，在增强现实环境下学习基本工具的使用方法。需要说明的是上述的传统工具标记不是空间实物标记其是图形标记。比如，一张带有毛笔图案的卡片，识别图案，呈现三维的毛笔，并在增强现实环境下演示握笔、运笔方法等使用技巧，观看三维模型的增强现实演示来学习。

其次，进行临摹练习、纠错教学：用户在使用临摹标记进行临摹练习时，可以用装置摄像机和 Vuforia AR 单元识别临摹标记确定摄像机与临摹标记的位置关系，进而识别毛笔上的标记，通过临摹标记与毛笔上的标记位置关系变化，来判断用户在临摹练习时的运笔姿势是否正确。在临摹练习过程中，可以通过这个方法来实现实时的纠错指导。在临摹标记上，完成临摹学习后，通过 Vuforia AR 单元和摄像机获取临摹字标记图像，并将临摹标记图像与存储单元中的标准书法字调整为等比尺寸。将两者重叠，临摹的字迹完全重叠标准字迹部分为正确临摹，临摹的字迹未覆盖到标准字迹部分为错误临摹，临摹的字迹超出标准字迹部分的多余覆盖部分为错误临摹。进而，当字迹的边缘痕迹越平整，毛边和弯曲越少，即表明用户书写时越顺畅，临摹结果越好。然后，对该判断进行数据可视化结果转换，使用上述增强现实书法字显示方法在显示单元进行显示。进而，用户可以通过上述的交互操作将相似值较低部分进行演示重复演示，实现学习指导作用。

书法字标记：书法字迹（100%黑）+特定标记图案，临摹标记：书法字迹（45%黑）+特定标记图案，临摹标记是用户在实际书写练习时使用的标记，该标记有较浅的字迹，用户的临摹字迹将覆盖原有字迹。临摹标记再未被进行临摹练习时，是无法识别的。临摹练习后会进行纠错教学。

本实施例的有益效果：首先在于提供了更方便的学习方式，用户仅需要使用便携的平台装置比如手机、平板电脑，就可以随时随地的进行学习。并且，通过增强现实技术提供了具有沉浸式的学习环境体验，提升学习效果。其次，本发明从基础的书法工具、书法学习、临摹练习及纠错教学多个方面提供了完整的书法学习系统，有效的解决了初学者在自学中遇到的方法不完整问题。另外，本发明还为了提高学习兴趣在临摹练习和纠错教学中引入了可视化的临摹练习评定机制。最后，本发明还提供了在增强现实环境下的权利验证方法，保护版权方和用户的合理合法权益。