[发明专利]一种基于图像素材的虚拟实验教学场景的构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟现实和计算机辅助教学领域，具体地说是一种基于图像素材的虚拟实验教学场景的构建方法。

背景技术

远程教育技术作为现代课堂教育的重要补充，采用视频、音频等传统媒体作为知识传播载体，而由于远程教育师生在空间上的分离，学生无法直接到学校完成实验，校外学习中心也因场所或仪器设备缺乏不能充分满足实验教学的需要，学生无法获得交互式和沉浸式的体验，造成实验教学难以解决的矛盾，使得实验教学成了远程教育的薄弱环节，因此，往往教学质量较差。虚拟现实以计算机技术为核心，结合相关科学技术，生成与一定范围真实环境在视、听、触感等方面高度近似的数字化环境，具有“3I”特征：沉浸性、交互性、想象性。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行业对虚拟现实技术的需求日益旺盛，人们对虚拟现实技术的研究日益重视，虚拟现实技术也取得了巨大进展，并逐步成为一个重要的科学技术领域。虚拟实验教学随着计算机网络技术与虚拟现实技术的发展而兴起的一种教学方法和实验技术逐渐成为解决远程教育瓶颈的技术手段之一，受到了国内外研究人员和研究机构的广泛关注。

目前，国外在虚拟实验教学方面已经开展了一系列探索性的研究并取得了实质性的进展，其典型代表成果主要有：美国印地安那州立大学的化学虚拟实验系统，该系统用于化学实验教学，利用计算机辅助完成采集与分析实验数据、展示虚拟实验等功能，并在网上发布相关的实验指导材料，供学生下载学习；美国麻省理工学院的WebLab虚拟实验系统，该系统应用于微电子学科教学，该系统能够对微电子学科实验进行结果仿真，并可以对真实的数据与模拟的数据进行比较，同时支持多人协作实验。

与国外的虚拟实验教学研究相比较，国内虚拟实验的开展尽管起步较晚，但目前虚拟实验的研究也取得一定的成果。国内具有代表性的虚拟实验研究成果主要有：中国科技大学的几何光学实验设计平台，该平台完成了光学虚拟实验的设计，通过实验所提供的一系列光学仪器，学生可以基本上完成所有的单透镜实验和组合透镜实验，并且提供了完整的文档和习题系统；同济大学的普通物理网上仿真实验系统，该系统对每一个实验都列出了实验原理、实验仪器、实验内容、数据处理、思考题和相关知识等内容，对仪器的常见操作实现了仿真，学生通过点击仿真设备的各控制按钮，调节控制实验设备，完成实验操作。

在上述的这些的典型的虚拟实验教学系统中，每个虚拟实验教学场景都是一个相对独立的应用程序，即在完成程序设计后便已经构建好了实验场景，忽视了学生进行虚拟实验教学场景的构建过程；虚拟实验教学场景嵌入程序系统中，虚拟实验教学场景不具有可扩展性和共享性；虚拟实验构件依赖于不同的系统设计，虚拟实验构件建模需要专业的编程知识，建模过程复杂，不易扩展与复用，不同的虚拟教学实验系统间不能共享虚拟实验构件，限制了虚拟实验教学资源的丰富性；虚拟实验构件和场景的建模，采用基于几何图形的建模方法，需要专业的美工知识，建模需要耗费资源大，难以达到快速、逼真的虚拟实验教学构件建模与场景构建。

发明内容

根据上述实际需求和关键问题，本发明的目的在于：提出一种基于图像素材的虚拟实验教学场景的构建方法，快速的构建逼真的、通用的虚拟实验教学场景。该方法不需要复杂的虚拟教学实验构件和实验场景的几何图形美工设计，而是利用可以简单获取的大量的实验仪器图像素材，快速建模逼真的、可交互、可复用的虚拟实验构件。根据用户需求复用已建模的虚拟实验构件，组合到初始虚拟实验教学场景中，并以可视化的方式编辑所选虚拟实验构件的逻辑属性和外观属性。用户通过交互的方式指定虚拟实验构件之间的连接关系，自动构造并清晰的可视化虚拟实验构件之间的连接关系，实现易读、美观的虚拟实验教学场景构建，同时使得用户对该教学实验场景获得直观的理解。

为完成发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于图像素材的虚拟实验教学场景的构建方法，包含以下步骤：

(1)在教学实验仪器图像素材中，利用基于测地线的交互式图像对象提取算法，快速、准确的从教学实验仪器图像素材中提取出教学实验仪器图像对象；

(2)基于虚拟教学实验构件逻辑表示模型，以教学实验仪器图像对象为主体，结合简单几何图形元素，快速建立逼真、可复用的虚拟教学实验构件，即建模该虚拟教学实验构件的可视化信息，并使用可缩放矢量图形表示，然后，与虚拟教学实验构件的逻辑表示模型相组合，并使用规范的可扩展标记语言描述，加入到多学科的虚拟教学实验构件库；