[发明专利]一种基于前置式的移动增强现实型实验的设计方法

说明书

本发明属于移动增强现实技术领域，提供一种基于前置式的移动增强现实型实验设计方法，包括：(1)前置式AR型实验环境设计；(2)AR型实验内容设计；(3)AR型实验的交互设计。本发明基于前置式的移动AR型实验的设计方法，可以有效改善当前流行的后置式移动AR实验存在的束缚学习者双手、视觉遮挡、交互性低等缺陷，基于识别图的AR交互方式可以将抽象或肉眼不易观察到的实验内容可视化、动态化，为实验教学提供一种全新的教学模式。

技术领域

本发明属于移动增强现实(Augmented Reality，AR)技术领域，更具体地，涉及一种基于前置式的移动增强现实型实验的设计方法。

背景技术

由多媒体、计算机网络、虚拟现实、计算机仿真等技术开发的虚拟实验可突破时空限制、不受场地和设备等客观条件的制约，但在实践中由于存在难以全面反应实物实验中环境因素与步骤、实验细节无法与实际对应等缺陷，因而不能为学习者提供逼真的感知体验。增强现实(Augmented Reality，AR)是在虚拟现实基础上发展起来的一种新型计算机应用和人机交互技术，AR技术可将计算机生成的虚拟信息叠加到真实场景上，并借助感知和显示设备将两者融为一体，为使用者呈现一个感官效果真实的新环境，所构建的系统具有三个突出特点：①虚实结合；②虚实同步；③交互自然。AR技术与智能终端结合所形成的移动AR系统可充分融合实物实验与虚拟实验，形成“虚实结合”的实验教学模式。

基于前置式的移动AR型实验是面向实验教学的一种虚实结合的新形态，通过AR技术这一媒介，既可发挥实物实验培养学生动手能力的优势，又能结合虚拟实验提升学生的学习兴趣和效率。当前AR已出现许多成熟的教育产品，如AR教育卡片即为典型应用。与传统的教育卡片相比，它成本低、便携性强，只需借助智能终端，就可以创造虚实结合的环境，符合动手做、用眼看、用耳听、用脑想的多元化教育理念。然而将其应用到实验教学领域尚存在如下缺陷：(1)学习者手持移动终端扫描识别图，会束缚学习者的双手，不符合实验教学培养动手能力的目标；(2)通过移动终端后置摄像头扫描识别图，由于人眼和识别图之间隔了移动终端，这种后置式应用极易出现视觉遮挡的情形；(3)通常实物实验需要多种器材，实验过程逐步展开，操作过程的交互形式存在多样性，这是当今纯AR卡片类应用所不具备的。这些缺陷限制了AR技术在实验教学的应用和发展，有必要探索多内容、多步骤、多交互、虚实结合的AR型实验设计方法，这正是本发明专利主要的动机和目的。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于前置式的移动增强现实型实验的设计方法，基于识别图的AR交互方式可以将抽象或肉眼不易观察到的实验内容可视化、动态化，为实验教学提供一种全新的教学模式。

本发明的目的是通过以下技术措施实现的。

一种基于前置式的移动AR型实验的设计方法，包括以下步骤：

(1)前置式实验环境设计。该实验环境由反光镜、基座和AR应用(包括移动终端、识别图、虚拟实验内容和App应用)组成，基座固定移动终端，通过设计合理的反光镜尺寸与外壳附合面的角度、基座倾斜度，再由前置摄像头与反光镜配合确定移动终端前的实验操作区域，该区域供实验过程中识别图卡片放置。

(2)AR型实验内容设计。根据实验教学内容，将实验仪器和内容分解出来，设计其对应的识别图和三维虚拟信息；按照实验步骤，设计实验操作区域内不同识别图的组合方式；依照实验目标，设计实验流程，支持学习者在实验操作区域完成操作。通过识别图与三维虚拟模型的叠加展示，令学习者从虚拟环境中获得对客观世界的感性及理性认识，丰富以及优化实验教学内容。

(3)AR型实验的交互设计。在实验操作区域完成识别图的布局，实现实验操作过程中器材内容的虚实同步；学习者与场景交互时，模型及其相互关系均会随之发生变化；通过触控交互实现对虚拟实验器材与过程的操作，语音提示、状态属性和动态演示等设置为学习者呈现感知效果更加丰富的交互过程。结合体验式学习理论令AR型实验实现寓教于乐的学习过程。