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基本信息
- 項目名稱：
- 基于雙目視覺的三維交互式電子黑板
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目集成計算機(jī)視覺技術(shù)、計算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序框架、OpenCV計算機(jī)視覺庫 、OGRE3D圖形渲染引擎以及ODE物理引擎，設(shè)計了一款名為“三維交互式電子黑板”的教學(xué)軟件。該軟件可以實現(xiàn)多種教學(xué)模型以及物理運(yùn)動規(guī)律的三維模擬，還可以對教師的特定手勢進(jìn)行識別，進(jìn)而分析教師意圖來對模型進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，以此達(dá)到人機(jī)交互的目的，提高課堂的生動性和趣味性。
- 詳細(xì)介紹：
- 針對現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備功能上的不足和教學(xué)中的缺陷，我們設(shè)計制作該款“三維交互式電子黑板”教學(xué)軟件，它基于計算機(jī)雙目視覺原理，應(yīng)用OpenCV開源庫實現(xiàn)圖像信號的采集和處理，并自行編寫交互算法，應(yīng)用OGRE圖形渲染引擎實現(xiàn)多科目下模型的三維渲染，利用ODE物理引擎實現(xiàn)物理過程模擬，利用Qt進(jìn)行用戶界面設(shè)計和整體框架的搭建。應(yīng)用本軟件，教師可以通過手勢控制界面中的三維模型，如對數(shù)學(xué)中的立體模型進(jìn)行平移旋轉(zhuǎn)縮放等操作，從不同角度展示三維模型；教師也可以通過手勢在虛擬的物理環(huán)境中演示物理過程，如物理中的平拋運(yùn)動，牛頓擺運(yùn)動和彈簧擺的混沌運(yùn)動，更加形象生動地展示教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的興趣，使課堂教學(xué)更為信息化、高效化；同時，也讓學(xué)生對“信息化”、“智能化”有更為真切的感受，增強(qiáng)他們對這一領(lǐng)域的了解及興趣。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的：本作品是針對高中生剛接觸立體幾何時空間想象力差而設(shè)計的一款助教軟件。我們的初衷是：設(shè)計一種適合課堂教學(xué)的交互式教學(xué)軟件，在三維可視化方面擁有現(xiàn)有多媒體教學(xué)手段沒有的優(yōu)勢，從而提高教師授課效率，幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容并提高其積極性, 使課堂教學(xué)更為信息化、高效化。 創(chuàng)新點： 1）根據(jù)人眼的視覺原理，通過自己設(shè)計的提取方法提取雙攝像頭獲取的兩個圖像，解析出有價值的立體信息。 2）通過手勢來控制三維物體模型的運(yùn)動，或演示某些物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生空間想象力，增加課堂趣味和課堂互動。 3）運(yùn)行平臺：具有良好可靠的跨平臺特性,減少了程序編寫時對外部資源的依賴，不需要動態(tài)加載資源，提高了運(yùn)行效率；采用界面作為程序的主體框架，按不同的功能進(jìn)行模塊化設(shè)計，使整個系統(tǒng)的魯棒性得到增強(qiáng)，同時也使程序的可擴(kuò)展性和編譯速度得到提高。 技術(shù)關(guān)鍵： 1）立體視覺感知方面：對攝像機(jī)的焦距、位置、方向等內(nèi)外部參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定；依據(jù)相機(jī)標(biāo)定參數(shù)，對實時視頻信號進(jìn)行特征提取、分析和匹配；借助雙目視覺技術(shù)，根據(jù)特征點的二維坐標(biāo)重建其三維空間坐標(biāo)。 2）與三維應(yīng)用程序的無縫結(jié)合：使用重建的三維信息 進(jìn)行了自然地交互解析，實時地對三維空間的模型、以及虛擬環(huán)境中的物理過程進(jìn)行控制。 3）多領(lǐng)域技術(shù)融合：內(nèi)容涉及計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，因此項目研發(fā)中使用了三維繪制引擎OGRE，視頻圖像處理API OpenCV，界面設(shè)計工具包QtGUI.
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本軟件的突出特色是多領(lǐng)域技術(shù)融合，系統(tǒng)設(shè)計涉及計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，因此項目研發(fā)中使用了具有世界先進(jìn)水平的三維繪制引擎OGRE，視頻圖像處理API OpenCV，界面設(shè)計工具包QtGUI。其先進(jìn)性表現(xiàn)為: 1）在提取顏色方面，我們自創(chuàng)了特征點的提取方法，最終達(dá)到單點三維重建過程用時為16ms,高效準(zhǔn)確的實現(xiàn)了對控制點的提取。 2）在三維重建采用最小二乘法處理方程組，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行了一定的優(yōu)化處理，使不確定度控制在0.7mm以內(nèi)，準(zhǔn)確地實現(xiàn)了三維重建。 3）我們在界面制作時采用了多線程處理方法，提高了速度，提高了應(yīng)用程序響應(yīng)，使得軟件運(yùn)行流暢，快捷。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年4月 本學(xué)院第一屆科技創(chuàng)新創(chuàng)意大賽創(chuàng)新組 一等獎。 2010年5月 我校第二十屆學(xué)生學(xué)術(shù)科技作品競賽 一等獎。 2010年12月 “中國移動G3杯”暨第五屆北京發(fā)明創(chuàng)新大賽 優(yōu)秀獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 待定
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 系統(tǒng)簡單易操作，打開主界面后，單擊“設(shè)置”，用戶可以自定義手上標(biāo)識色的HSV（或RGB）取值范圍以用于識別，設(shè)置完畢后，單擊“科目”，選擇要演示的科目及模型，即可以通過手勢來控制模型的運(yùn)動以及某些物理現(xiàn)象的演示，達(dá)到教學(xué)目的。 我們對三維重建算法做了許多的優(yōu)化，識別不確定度控制在0.7mm之內(nèi)，同時耗時短，操作靈敏度高。 此軟件可解決廣大學(xué)生空間想象能力難以培養(yǎng)的問題，通過形象的展示許多重要的3D模型，迅速培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力，通過人機(jī)交互，使教學(xué)變得更為生動、直觀、簡易、高效；為現(xiàn)代課堂教學(xué)提供了一種新的教學(xué)模式；教師容易掌握以及設(shè)備成本并不昂貴的特點使之適合在校園中推廣。另外，這不僅是一款教學(xué)軟件，而且可以作為計算機(jī)視覺開發(fā)工具而廣泛推廣，比如用于動漫作品或游戲的高效輸入、異地協(xié)同手術(shù)、遠(yuǎn)程裝配指導(dǎo)、遠(yuǎn)程教育，等領(lǐng)域，由于本款軟件具有很好的展示性能及可移植性，可適用于各種需要進(jìn)行三維模型展示的場合。
同類課題研究水平概述
- 國外對于交互式電子白板的研究進(jìn)行得較早，國內(nèi)相對而言發(fā)展的比較晚。從傳統(tǒng)黑板（或白板）到電子白板，再到交互式白板，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)逐步變得更加信息化、多元化。但目前，國內(nèi)電子白板的發(fā)展還主要出于研發(fā)的階段，真正運(yùn)用于實踐教學(xué)的實例較少。電子白板主要為觸屏方式操作，而我們設(shè)計的電子黑板所采用的三維交互方式在國內(nèi)外尚屬首次，無類似產(chǎn)品。
