基本信息
- 项目名称：
- 基于双目视觉的三维交互式电子黑板
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目集成计算机视觉技术、计算机图形学、虚拟现实技术，结合Qt图形用户界面应用程序框架、OpenCV计算机视觉库 、OGRE3D图形渲染引擎以及ODE物理引擎，设计了一款名为“三维交互式电子黑板”的教学软件。该软件可以实现多种教学模型以及物理运动规律的三维模拟，还可以对教师的特定手势进行识别，进而分析教师意图来对模型进行平移、旋转、缩放等操作，以此达到人机交互的目的，提高课堂的生动性和趣味性。
- 详细介绍：
- 针对现有教学设备功能上的不足和教学中的缺陷，我们设计制作该款“三维交互式电子黑板”教学软件，它基于计算机双目视觉原理，应用OpenCV开源库实现图像信号的采集和处理，并自行编写交互算法，应用OGRE图形渲染引擎实现多科目下模型的三维渲染，利用ODE物理引擎实现物理过程模拟，利用Qt进行用户界面设计和整体框架的搭建。应用本软件，教师可以通过手势控制界面中的三维模型，如对数学中的立体模型进行平移旋转缩放等操作，从不同角度展示三维模型；教师也可以通过手势在虚拟的物理环境中演示物理过程，如物理中的平抛运动，牛顿摆运动和弹簧摆的混沌运动，更加形象生动地展示教学内容，激发学生的兴趣，使课堂教学更为信息化、高效化；同时，也让学生对“信息化”、“智能化”有更为真切的感受，增强他们对这一领域的了解及兴趣。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的：本作品是针对高中生刚接触立体几何时空间想象力差而设计的一款助教软件。我们的初衷是：设计一种适合课堂教学的交互式教学软件，在三维可视化方面拥有现有多媒体教学手段没有的优势，从而提高教师授课效率，帮助学生理解教学内容并提高其积极性, 使课堂教学更为信息化、高效化。 创新点： 1）根据人眼的视觉原理，通过自己设计的提取方法提取双摄像头获取的两个图像，解析出有价值的立体信息。 2）通过手势来控制三维物体模型的运动，或演示某些物理现象，培养学生空间想象力，增加课堂趣味和课堂互动。 3）运行平台：具有良好可靠的跨平台特性,减少了程序编写时对外部资源的依赖，不需要动态加载资源，提高了运行效率；采用界面作为程序的主体框架，按不同的功能进行模块化设计，使整个系统的鲁棒性得到增强，同时也使程序的可扩展性和编译速度得到提高。 技术关键： 1）立体视觉感知方面：对摄像机的焦距、位置、方向等内外部参数进行准确标定；依据相机标定参数，对实时视频信号进行特征提取、分析和匹配；借助双目视觉技术，根据特征点的二维坐标重建其三维空间坐标。 2）与三维应用程序的无缝结合：使用重建的三维信息 进行了自然地交互解析，实时地对三维空间的模型、以及虚拟环境中的物理过程进行控制。 3）多领域技术融合：内容涉及计算机图形学、计算机视觉和虚拟现实技术，因此项目研发中使用了三维绘制引擎OGRE，视频图像处理API OpenCV，界面设计工具包QtGUI.
科学性、先进性
- 本软件的突出特色是多领域技术融合，系统设计涉及计算机图形学、计算机视觉和虚拟现实技术，因此项目研发中使用了具有世界先进水平的三维绘制引擎OGRE，视频图像处理API OpenCV，界面设计工具包QtGUI。其先进性表现为: 1）在提取颜色方面，我们自创了特征点的提取方法，最终达到单点三维重建过程用时为16ms,高效准确的实现了对控制点的提取。 2）在三维重建采用最小二乘法处理方程组，并且对数据进行了一定的优化处理，使不确定度控制在0.7mm以内，准确地实现了三维重建。 3）我们在界面制作时采用了多线程处理方法，提高了速度，提高了应用程序响应，使得软件运行流畅，快捷。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年4月 本学院第一届科技创新创意大赛创新组 一等奖。 2010年5月 我校第二十届学生学术科技作品竞赛 一等奖。 2010年12月 “中国移动G3杯”暨第五届北京发明创新大赛 优秀奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 待定
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示，图片，录像，样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 系统简单易操作，打开主界面后，单击“设置”，用户可以自定义手上标识色的HSV（或RGB）取值范围以用于识别，设置完毕后，单击“科目”，选择要演示的科目及模型，即可以通过手势来控制模型的运动以及某些物理现象的演示，达到教学目的。 我们对三维重建算法做了许多的优化，识别不确定度控制在0.7mm之内，同时耗时短，操作灵敏度高。 此软件可解决广大学生空间想象能力难以培养的问题，通过形象的展示许多重要的3D模型，迅速培养学生的空间想象力，通过人机交互，使教学变得更为生动、直观、简易、高效；为现代课堂教学提供了一种新的教学模式；教师容易掌握以及设备成本并不昂贵的特点使之适合在校园中推广。另外，这不仅是一款教学软件，而且可以作为计算机视觉开发工具而广泛推广，比如用于动漫作品或游戏的高效输入、异地协同手术、远程装配指导、远程教育，等领域，由于本款软件具有很好的展示性能及可移植性，可适用于各种需要进行三维模型展示的场合。
同类课题研究水平概述
- 国外对于交互式电子白板的研究进行得较早，国内相对而言发展的比较晚。从传统黑板（或白板）到电子白板，再到交互式白板，传统的课堂教学逐步变得更加信息化、多元化。但目前，国内电子白板的发展还主要出于研发的阶段，真正运用于实践教学的实例较少。电子白板主要为触屏方式操作，而我们设计的电子黑板所采用的三维交互方式在国内外尚属首次，无类似产品。
