[发明专利]一种基于增强现实的嵌入式教学模型及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于增强现实的嵌入式教学模型，以及利用该模型进行教学辅助的方法，属于增强现实技术领域。

背景技术

随着计算机图形图像技术和空间定位技术的发展，人们越来越多地将增强现实技术应用在各个领域。在教学方面，相比于传统方式，可以采用增强现实技术使教学内容更真实生动，提高教学效果。在平面印刷品上叠加三维虚拟模型和动画，再通过显示设备呈现，以独特的教学体验吸引学生深入了解教学内容。

在课堂上展现一定的虚拟场景，使得原本单调的课堂变得丰富多彩，将那些复杂而抽象的概念以形象生动的方式进行说明，从而充分地调动学生的积极性，有效地改善师生之间的互动，并有利于学生对知识的把握和吸收，增强课堂学习效果，提高学习效率。

但是目前的虚拟场景应用起来不是很方便、灵活，教学体验效果不佳。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于增强现实的嵌入式教学模型及其方法。

本发明提供一种灵活的辅助教学的解决方案，通过摄像机来拍摄不含展品的展示场景，其中由教师手持一种具有标定功能的参照物，然后利用增强现实手段，在参照物上叠加与教学内容有关的虚拟模型，添加相应的动画，从而完成生动、自然的教学。

本发明的方案，不仅可以方便地更换虚拟模型，而且也可以控制动画的播放时间和速度，满足各类教学需求。同时该方案可以推广到商品发布、模拟训练等场景中，有广泛的应用空间和推广价值。

本发明针对嵌入式平台做了大量的优化工作，保证了系统运行的实时性和流畅度，增强了教学体验。

技术方案：一种基于增强现实的嵌入式教学模型，包括嵌入式开发板、标记卡、摄像机和投影仪；所述嵌入式开发板分别与摄像机和投影仪连接；将虚拟三维模型叠加在所述标记卡上；所述摄像机用于拍摄包括标记卡的真实场景，并将视频传给嵌入式开发板；所述嵌入式开发板接收到摄像机传来的视频后，识别标记卡的位置，利用增强现实技术，对虚拟三维模型进行叠加，并将合成影像传给投影仪，投影仪将合成影像输出到投影屏幕上显示。

所述嵌入式开发板，是一个基于X86架构的嵌入式开发板，其中内嵌一个X86架构的处理器和一个FPGA，两者通过PCI-E总线相连；嵌入式开发板通过AV接口与摄像机连接，通过VGA接口与投影仪连接；AV接口与FPGA之间，有模数转换芯片和视频解码芯片，嵌入式开发板通过AV接口来接收摄像机发来的模拟视频信号，并转换为数字视频信号传递给FPGA，由FPGA做白平衡、滤波降噪处理后，再传递给处理器进行处理；处理器识别标记卡的位置和坐标角度，将虚拟三维模型叠加在标记卡位置处，提供模型平移、旋转、放缩、更换、动画控制等功能，并实时输出合成图像。

所述标记卡是一种起到标记作用的物体，是一个由黑白两色构成的图案所绘制的图形标记卡；所述嵌入式开发板通过标定标记卡的位置和角度，将虚拟模型叠加在标记卡上。教师通过手持标记卡，或将标记卡固定在三脚架上，由摄像机进行拍摄，并通过教学系统，将教学用的虚拟三维模型叠加在标记卡上。除了用于教学，还可应用到其他场景，如产品介绍等。

一种基于增强现实的嵌入式教学模型的方法，包括如下步骤：

首先，将标记卡固定在合适的位置，初始化摄像机的相应参数，以便从摄像机获取正确的拍摄帧图像；

然后，当通过摄像机获取帧图像后，对帧图像做白平衡、滤波降噪处理，从帧图像中寻找事先规定的标记卡位置，以及标记卡相对于摄像机拍摄的角度；

当找到标记卡位置之后，计算摄像机相对于探测到的标识的投影变换矩阵，将摄像机拍摄位置的坐标系转换为标记卡所在位置的坐标系，从而在探测到的标记卡上叠加虚拟三维模型；

最后，将叠加虚拟三维模型提供模型平移、旋转、放缩、更换、动画控制后，通过投影仪输出叠加后的虚拟三维模型。

本发明最大限度的发挥了嵌入式开发板的特性，在Windows Embedded Standard 7系统上，采用ARToolkit 增强现实库，实现将电脑虚拟的三维模型叠加到真实世界画面中的功能，即在一定距离内，拍摄真实世界画面，并识别画面中的标记卡，从而将虚拟三维模型叠加到标记卡所示的位置上，最后实时输出经过叠加合成的图像。所叠加的三维模型，是随着标记卡的移动而移动，看起来就好像黏在标记卡上面一样，标记卡角度的变化，也会改变三维模型的角度。