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
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目集成計算機視覺技術、計算機圖形學、虛擬現(xiàn)實技術，結合Qt圖形用戶界面應用程序框架、OpenCV計算機視覺庫 、OGRE3D圖形渲染引擎以及ODE物理引擎，設計了一款名為“三維交互式電子黑板”的教學軟件。該軟件可以實現(xiàn)多種教學模型以及物理運動規(guī)律的三維模擬，還可以對教師的特定手勢進行識別，進而分析教師意圖來對模型進行平移、旋轉、縮放等操作，以此達到人機交互的目的，提高課堂的生動性和趣味性。
- 詳細介紹：
- 針對現(xiàn)有教學設備功能上的不足和教學中的缺陷，我們設計制作該款“三維交互式電子黑板”教學軟件，它基于計算機雙目視覺原理，應用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進行用戶界面設計和整體框架的搭建。應用本軟件，教師可以通過手勢控制界面中的三維模型，如對數學中的立體模型進行平移旋轉縮放等操作，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，如物理中的平拋運動，牛頓擺運動和彈簧擺的混沌運動，更加形象生動地展示教學內容，激發(fā)學生的興趣，使課堂教學更為信息化、高效化；同時，也讓學生對“信息化”、“智能化”有更為真切的感受，增強他們對這一領域的了解及興趣。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、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計的一款助教軟件。我們的初衷是：設計一種適合課堂教學的交互式教學軟件，在三維可視化方面擁有現(xiàn)有多媒體教學手段沒有的優(yōu)勢，從而提高教師授課效率，幫助學生理解教學內容并提高其積極性, 使課堂教學更為信息化、高效化。 創(chuàng)新點： 1）根據人眼的視覺原理，通過自己設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動，或演示某些物理現(xiàn)象，培養(yǎng)學生空間想象力，增加課堂趣味和課堂互動。 3）運行平臺：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，提高了運行效率；采用界面作為程序的主體框架，按不同的功能進行模塊化設計，使整個系統(tǒng)的魯棒性得到增強，同時也使程序的可擴展性和編譯速度得到提高。 技術關鍵： 1）立體視覺感知方面：對攝像機的焦距、位置、方向等內外部參數進行準確標定；依據相機標定參數，對實時視頻信號進行特征提取、分析和匹配；借助雙目視覺技術，根據特征點的二維坐標重建其三維空間坐標。 2）與三維應用程序的無縫結合：使用重建的三維信息 進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)境中的物理過程進行控制。 3）多領域技術融合：內容涉及計算機圖形學、計算機視覺和虛擬現(xiàn)實技術，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，界面設計工具包QtGUI.
科學性、先進性
- 本軟件的突出特色是多領域技術融合，系統(tǒng)設計涉及計算機圖形學、計算機視覺和虛擬現(xiàn)實技術，因此項目研發(fā)中使用了具有世界先進水平的三維繪制引擎OGRE，視頻圖像處理API OpenCV，界面設計工具包QtGUI。其先進性表現(xiàn)為: 1）在提取顏色方面，我們自創(chuàng)了特征點的提取方法，最終達到單點三維重建過程用時為16ms,高效準確的實現(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，并且對數據進行了一定的優(yōu)化處理，使不確定度控制在0.7mm以內，準確地實現(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，提高了應用程序響應，使得軟件運行流暢，快捷。
獲獎情況及鑒定結果
- 2010年4月 本學院第一屆科技創(chuàng)新創(chuàng)意大賽創(chuàng)新組 一等獎。 2010年5月 我校第二十屆學生學術科技作品競賽 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
技術轉讓方式
- 待定
作品可展示的形式
- 實物、產品，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 系統(tǒng)簡單易操作，打開主界面后，單擊“設置”，用戶可以自定義手上標識色的HSV（或RGB）取值范圍以用于識別，設置完畢后，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動以及某些物理現(xiàn)象的演示，達到教學目的。 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，同時耗時短，操作靈敏度高。 此軟件可解決廣大學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)學生的空間想象力，通過人機交互，使教學變得更為生動、直觀、簡易、高效；為現(xiàn)代課堂教學提供了一種新的教學模式；教師容易掌握以及設備成本并不昂貴的特點使之適合在校園中推廣。另外，這不僅是一款教學軟件，而且可以作為計算機視覺開發(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、遠程裝配指導、遠程教育，等領域，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行得較早，國內相對而言發(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)的課堂教學逐步變得更加信息化、多元化。但目前，國內電子白板的發(fā)展還主要出于研發(fā)的階段，真正運用于實踐教學的實例較少。電子白板主要為觸屏方式操作，而我們設計的電子黑板所采用的三維交互方式在國內外尚屬首次，無類似產品。
