[發明專利]一種基于圖像素材的虛擬實驗教學場景的構建方法

有效

• 申請號: 201110294616.0
• 申請日: 2011-09-30
• 公開（公告）號: CN102508991A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 陳小武;趙沁平;池昌鑒;楊自強;賈國棟
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06T11/60
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 許玉明;顧煒

技術領域

本發明涉及虛擬現實和計算機輔助教學領域，具體地說是一種基于圖像素材的虛擬實驗教學場景的構建方法。

背景技術

遠程教育技術作為現代課堂教育的重要補充，采用視頻、音頻等傳統媒體作為知識傳播載體，而由于遠程教育師生在空間上的分離，學生無法直接到學校完成實驗，校外學習中心也因場所或儀器設備缺乏不能充分滿足實驗教學的需要，學生無法獲得交互式和沉浸式的體驗，造成實驗教學難以解決的矛盾，使得實驗教學成了遠程教育的薄弱環節，因此，往往教學質量較差。虛擬現實以計算機技術為核心，結合相關科學技術，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面高度近似的數字化環境，具有“3I”特征：沉浸性、交互性、想象性。隨著社會生產力和科學技術的不斷發展，各行業對虛擬現實技術的需求日益旺盛，人們對虛擬現實技術的研究日益重視，虛擬現實技術也取得了巨大進展，并逐步成為一個重要的科學技術領域。虛擬實驗教學隨著計算機網絡技術與虛擬現實技術的發展而興起的一種教學方法和實驗技術逐漸成為解決遠程教育瓶頸的技術手段之一，受到了國內外研究人員和研究機構的廣泛關注。

目前，國外在虛擬實驗教學方面已經開展了一系列探索性的研究并取得了實質性的進展，其典型代表成果主要有：美國印地安那州立大學的化學虛擬實驗系統，該系統用于化學實驗教學，利用計算機輔助完成采集與分析實驗數據、展示虛擬實驗等功能，并在網上發布相關的實驗指導材料，供學生下載學習；美國麻省理工學院的WebLab虛擬實驗系統，該系統應用于微電子學科教學，該系統能夠對微電子學科實驗進行結果仿真，并可以對真實的數據與模擬的數據進行比較，同時支持多人協作實驗。

與國外的虛擬實驗教學研究相比較，國內虛擬實驗的開展盡管起步較晚，但目前虛擬實驗的研究也取得一定的成果。國內具有代表性的虛擬實驗研究成果主要有：中國科技大學的幾何光學實驗設計平臺，該平臺完成了光學虛擬實驗的設計，通過實驗所提供的一系列光學儀器，學生可以基本上完成所有的單透鏡實驗和組合透鏡實驗，并且提供了完整的文檔和習題系統；同濟大學的普通物理網上仿真實驗系統，該系統對每一個實驗都列出了實驗原理、實驗儀器、實驗內容、數據處理、思考題和相關知識等內容，對儀器的常見操作實現了仿真，學生通過點擊仿真設備的各控制按鈕，調節控制實驗設備，完成實驗操作。

在上述的這些的典型的虛擬實驗教學系統中，每個虛擬實驗教學場景都是一個相對獨立的應用程序，即在完成程序設計后便已經構建好了實驗場景，忽視了學生進行虛擬實驗教學場景的構建過程；虛擬實驗教學場景嵌入程序系統中，虛擬實驗教學場景不具有可擴展性和共享性；虛擬實驗構件依賴于不同的系統設計，虛擬實驗構件建模需要專業的編程知識，建模過程復雜，不易擴展與復用，不同的虛擬教學實驗系統間不能共享虛擬實驗構件，限制了虛擬實驗教學資源的豐富性；虛擬實驗構件和場景的建模，采用基于幾何圖形的建模方法，需要專業的美工知識，建模需要耗費資源大，難以達到快速、逼真的虛擬實驗教學構件建模與場景構建。

發明內容

根據上述實際需求和關鍵問題，本發明的目的在于：提出一種基于圖像素材的虛擬實驗教學場景的構建方法，快速的構建逼真的、通用的虛擬實驗教學場景。該方法不需要復雜的虛擬教學實驗構件和實驗場景的幾何圖形美工設計，而是利用可以簡單獲取的大量的實驗儀器圖像素材，快速建模逼真的、可交互、可復用的虛擬實驗構件。根據用戶需求復用已建模的虛擬實驗構件，組合到初始虛擬實驗教學場景中，并以可視化的方式編輯所選虛擬實驗構件的邏輯屬性和外觀屬性。用戶通過交互的方式指定虛擬實驗構件之間的連接關系，自動構造并清晰的可視化虛擬實驗構件之間的連接關系，實現易讀、美觀的虛擬實驗教學場景構建，同時使得用戶對該教學實驗場景獲得直觀的理解。

為完成發明目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于圖像素材的虛擬實驗教學場景的構建方法，包含以下步驟：

(1)在教學實驗儀器圖像素材中，利用基于測地線的交互式圖像對象提取算法，快速、準確的從教學實驗儀器圖像素材中提取出教學實驗儀器圖像對象；

(2)基于虛擬教學實驗構件邏輯表示模型，以教學實驗儀器圖像對象為主體，結合簡單幾何圖形元素，快速建立逼真、可復用的虛擬教學實驗構件，即建模該虛擬教學實驗構件的可視化信息，并使用可縮放矢量圖形表示，然后，與虛擬教學實驗構件的邏輯表示模型相組合，并使用規范的可擴展標記語言描述，加入到多學科的虛擬教學實驗構件庫；