一种书画教学与临摹训练装置及训练效果评估方法

本发明涉及教学装置领域，具体涉及一种书画教学与临摹训练装置及训练效果评估方法。

背景技术：

1、书画教育是文化传承手段，其信息化更是现代教学改革重心。现有书画教学设备或装置还存在一些不足：多依赖机械辅助，用户对细粒度书画状态数据不明，脱离机器不知如何发力；多关注“学”，对“教”涉猎较少，学习者只能按照既定程序完成动作，灵活性差；未能实现书画效果评估，学习者难以知晓进步情况。因此，针对上述问题，提出一种书画教学与临摹训练装置及训练效果评估方法。

2、专利cn102938222b提出一种基于力反馈的书写训练器，旨在实现“手把手”教学目的。该发明考虑文字形状和书写速度并基于力反馈装置控制用户动作，但对握笔姿态考虑不足加之被动书写模式极可能导致用户脱离书写训练器后自行书写困难。此外，由于训练内容固定且未能可视化书写参数，用户进步状况不明难以起到良好训练效果。

技术实现思路

1、为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供一种书画教学与临摹训练装置及训练效果评估方法，具有书画教学内容及参数可视化、握笔及用笔姿态数据动态采集及书画训练效果智能评估等特点，能够达到提升书画教学与临摹训练效果的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种书画教学与临摹训练装置及训练效果评估方法，包括主动式压力感知电容笔、书画教学临摹液晶数位板组和书画教学及训练评分软件；

4、所述主动式压力感知电容笔用于书画教学、临摹训练中采集处理用户握笔压力数据及电容笔姿态数据并将其传输至书画教学临摹液晶数位板组；

5、所述书画教学临摹液晶数位板组用于书画教学、临摹训练中获取及显示用户笔迹数据、调整教学训练模式及传输书画教学数据与临摹训练数据至书画教学及训练评分软件；所述用户笔迹数据包括书画教学笔迹数据及书画临摹笔迹数据；

6、所述书画教学及训练评分软件用于评估当前训练效果、展示历史训练情况及渲染书画教学内容。

7、进一步的，所述主动式压力感知电容笔用于采集、处理及传输用户握笔压力数据及电容笔姿态数据；

8、所述压力感知模块1001与主控芯片1012及电源模块1013连接；所述压力感知模块1001根据压力类型分别置于笔体及笔尖；

9、所述笔尖加速度测量模块1007为微型电容式加速度计；所述笔尖加速度测量模块1007与主控芯片1012及电源模块1013连接；

10、所述主动式压力感知电容笔内其他模块分别连接主控芯片1012及电源模块1013。

11、进一步的，所述压力感知模块1001用于采集用户握笔压力数据，包括笔尖压力感知模块1002；食指第一关节压力感知模块1003；拇指第一关节压力感知模块1004；中指第一关节压力感知模块1005；食指根部压力感知模块1006；

12、所述用户握笔压力数据包括笔手四接触点压力值和笔尖压力值d1；所述笔手四接触点压力值包括中指第一关节压力值d2、食指第一关节压力值d3、拇指第一关节压力值d4及食指根部压力值d5。

13、进一步的，所述电容笔姿态数据包括笔尖加速度数据及笔尖倾角数据；所述笔尖加速度数据指用笔方向速度变化数据，由笔尖加速度测量模块1007采集；所述笔尖倾角数据指主动式压力感知电容笔轴线与书画教学临摹液晶数位板组平面间夹角值，由笔尖倾角测量模块1008采集；所述笔尖倾角测量模块1008由微型加速度计和微型陀螺仪组成；所述微型加速度计用于测量静止状态笔尖倾角数据；所述微型陀螺仪用于测量书画状态笔尖倾角数据；所述主控芯片1012用于整合用户握笔压力数据、电容笔姿态数据及笔唯一标识数据为json格式；所述笔唯一标识数据存储于笔数据存储模块1010由笔生产时写入；

14、所述json格式数据通过笔数据传输模块1011发送至书画教学临摹液晶数位板组。

15、进一步的，所述书画教学临摹液晶数位板组包括书画教学液晶数位板2001及书画临摹液晶数位板2011；

16、所述书画教学液晶数位板2001用于接收用户握笔压力数据及电容笔姿态数据、显示书画教学笔迹数据、生成及传输书画教学数据及教学音频数据；

17、所述书画教学液晶数位板2001内各模块分别连接主控单元2002及电源模块2010；

18、所述用户握笔压力数据、电容笔姿态数据、笔唯一标识数据及书画教学笔迹数据由主控单元2002处理并转换为json格式书画教学数据；所述书画教学数据包括书写教学数据及绘画教学数据；所述书画教学笔迹数据包括书写教学笔迹数据及绘画教学笔迹数据；所述书写教学笔迹数据包括笔顺n中某笔迹段起点坐标(x1,y1)及终点坐标(x2,y2)、笔顺数据n；所述绘画教学笔迹数据包括某笔迹段起点坐标(x1,y1)及终点坐标(x2,y2)；所述笔迹段起点坐标及终点坐标由所述高频电信号发射模块1009引起书画教学液晶数位板中电容式触控屏2005电容变化确定；所述笔顺数据由笔尖压力值d1确定，笔尖压力值由非零转零则该笔顺书写结束；所述教学音频数据于教学过程产生，由麦克风模块2003采集；所述书画教学数据及教学音频数据通过数据传输模块2004发送至书画教学云数据库4005；

19、所述书画临摹液晶数位板2011用于调整学习模式，选择训练内容，接收及显示用户握笔压力数据、电容笔姿态数据、笔唯一标识数据和书画教学数据，采集并显示书画临摹笔迹数据，生成及传输临摹训练数据；

20、所述书画临摹液晶数位板2011内各模块分别连接主控单元2012及电源模块2019；

21、所述用户握笔压力数据、电容笔姿态数据、笔唯一标识数据及书画临摹笔迹数据由主控单元2012处理并转换为json格式临摹训练数据；所述临摹训练数据包括书写训练数据data3及绘画训练数据data4；所述书画临摹笔迹数据包括书写临摹笔迹数据data4及绘画临摹笔迹数据data5；所述书写临摹笔迹数据包括笔顺n中某笔迹段起点坐标(x1,y1)及终点坐标(x2,y2)、笔顺数据n；所述绘画临摹笔迹数据包括线段n中某笔迹段起点坐标(x1,y1)及终点坐标(x2,y2)、线段标号n；所述笔迹段起点坐标及终点坐标由所述高频电信号发射模块1009引起书画临摹液晶数位板中电容式触控屏2015电容变化确定；所述笔顺数据及线段标号由笔尖压力值d1确定，笔尖压力值由非零转零则该笔顺或线段书画结束；所述临摹训练数据通过数据传输模块2014发送至临摹训练云数据库4012。

22、进一步的，所述书画教学及训练评分软件包括书画教学示范客户端4001及书画训练评分客户端4002；

23、所述书画教学示范客户端4001用于操作教学音频、展示书画教学内容及查看临摹训练情况；所述书画教学示范客户端4001包括可视化交互模块4003、数据传输及维护模块4004、书画教学云数据库4005及书画数据处理模块4008；

24、所述可视化交互模块4003用于教学用户与书画教学示范客户端间人机交互；

25、所述数据传输及维护模块4004用于读取临摹训练数据、接收教学音频数据、接收并存储书画教学数据；

26、所述书画教学云数据库4005用于存储书画教学数据及教学音频数据；所述书画教学云数据库4005包括书写教学数据库4006及绘画教学数据库4007；

27、所述书画教学数据处理模块4008用于手写汉字识别及图像唯一编号生成；

28、所述书画训练评分客户端4002用于书画训练类型和内容选择与展示、临摹训练效果评估情况展示；所述书画训练评分客户端4002包括可视化交互模块4009、临摹训练效果评估模块4010、数据传输及维护模块4011及临摹训练云数据库4012；

29、所述可视化交互模块4009用于训练用户与书画训练评分客户端4002间人机交互；

30、所述临摹训练效果评估模块4010用于根据书画训练效果智能评估方法给出综合评分；

31、所述数据传输及维护模块4011用于接收并存储临摹训练数据至临摹训练云数据库4012及读取并发送书画教学数据至书画临摹液晶数位板2011；

32、所述临摹训练云数据库4012用于存储临摹训练数据；所述临摹训练云数据库4012包括书写训练数据库4013及绘画训练数据库4014。

33、进一步的，所述书画训练效果智能评估方法包括书写训练效果评估方法及绘画训练效果评估方法；所述书写训练效果评估方法具体实施步骤如下：

34、步骤1：根据余弦相似度及坐标重合率计算书写字形相似度f；

35、步骤2：根据轨迹坐标匹配法计算书写笔顺正确度o；

36、步骤3：根据用户握笔压力数据及jaccard相似系数计算书写力度相似度jd；

37、步骤4：根据笔尖加速度数据及jaccard相似系数计算书写加速度相似度ja；

38、步骤5：根据笔尖倾角数据及jaccard相似系数计算书写倾角相似度jg；

39、步骤6：对步骤1到步骤5结果加权求和并放大100倍计算书写综合评分s；

40、所述绘画训练效果评估方法具体实施步骤如下：

41、步骤7：根据余弦相似度及坐标重合率计算绘画线条吻合度p；

42、步骤8：根据用户握笔压力数据及jaccard相似系数计算绘画力度相似度pd；

43、步骤9：根据笔尖加速度数据及jaccard相似系数计算绘画加速度相似度pa；

44、步骤10：根据笔尖倾角数据及jaccard相似系数计算绘画倾角相似度pg；

45、步骤11：对步骤7到步骤10结果加权求和并放大100倍计算绘画综合评分sd。

46、本发明的有益效果。

47、(1)本发明中主动式压力感知电容笔可捕捉用户握笔压力、电容笔姿态等细粒度数据；上述数据可有效记录书画教学及临摹训练状态有益于学生分析回顾教学内容提升教学效果；

48、(2)本发明中书画教学临摹液晶数位板组可实现书画教学及临摹训练数据动态感知、学生端书画教学内容渲染展示等功能；上述功能有益于学生动态跟学，适时调整训练方式，相较于机械辅助具有较强灵活性；

49、(3)本发明中书画教学及训练评分软件可实现临摹训练内容智能评分、临摹训练情况变化趋势统计、训练评估结果展示等功能；上述功能一方面有益于学生明确自学跟学效果便于调整改进；此外，教师可根据临摹训练效果明确学生掌握情况给出改进意见并调整教学方式。