本發(fā)明涉及電子教學技術領域，尤其涉及一種教學實驗的模擬方法及裝置。
背景技術：
實驗課作為課堂教學的延伸，是理論與實踐的橋梁和紐帶，能夠通過對科學理論的具體演示，給學生一個實在可見的感性事物，促進學生對所學知識的理解。因此，實驗課已成為大多數(shù)課程的必修課，每個學生都應當在實驗課上親手操作各類實驗，但在實際中，很多實驗課的原材料都是有一定危險性的，學生在親自操作過程中稍有不慎，就會引起人身傷害或者財產(chǎn)損失。
因此有必要提供一種教學實驗的模擬方法及裝置，為學生提供安全、真實的模擬實驗平臺。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于提出一種教學實驗的模擬方法及裝置，旨在解決現(xiàn)有技術教學實驗中當原材料有一定危險性時，學生在親自操作過程中稍有不慎，就會引起人身傷害或者財產(chǎn)損失的缺陷。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種教學實驗的模擬方法，適用于模擬實驗平臺，所述方法包括步驟：
在顯示器中顯示預存的模擬實驗平臺操作區(qū)的三維場景；
當實驗教具進入所述模擬實驗平臺操作區(qū)時，對所述實驗教具進行識別，確定其對應的實驗器材，并獲取預存所述實驗器材的三維模型；
實時捕捉所述實驗教具的運動軌跡；將所述三維模型合成到所述三維場景中，并在所述顯示器同步顯示所述三維模型在三維場景中沿著與捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
提供一種如上所述的方法，所述捕捉實驗教具的運動軌跡之后，所述方法還包括：
根據(jù)所述實驗教具的運動軌跡識別所述實驗教具的操作動作；
查找與所述實驗器材以及與其對應的所述操作動作相應的預存視頻；
將所述顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為所述預存視頻。
提供一種如上所述的方法，所述將顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為所述預存視頻之前，所述方法還包括：
接收預設的播放指令。
提供一種如上所述的方法，所述對所述實驗教具進行識別，確定其對應的實驗器材，包括：
對所述實驗教具上的顏色進行識別，通過預存的顏色與實驗器材對應關系表確定所述顏色對應的實驗器材；或者
掃描所述實驗教具上的二維碼，通過預存的二維碼與實驗器材對應關系表確定所述二維碼對應的實驗器材；或者
對所述實驗教具進行拍攝，通過圖像識別確定所述實驗教具對應的實驗器材。
提供一種如上所述的方法，所述捕捉該實驗教具的運動軌跡，包括：
通過紅外深度圖像傳感技術和深度圖像處理技術捕捉所述實驗教具的運動軌跡。
提供一種如上所述的方法，所述在所述顯示器同步顯示所述三維模型在三維場景中沿著與捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動，包括：
將所述運動軌跡上當前捕捉到的坐標根據(jù)預設的算法轉(zhuǎn)換為所述三維場景中的坐標；
所述三維模型沿著當前已轉(zhuǎn)換的三維場景中的坐標依次進行移動，且在所述三維場景中顯示。
提供一種如上所述的方法，所述將所述顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為所述預存視頻之后，所述方法還包括：
當所述預存視頻播放結(jié)束之時，將所述顯示器的顯示內(nèi)容切換顯示當前所述三維模型在三維場景中沿著與所述當前捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
此外，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提出一種教學實驗的模擬裝置，適用于模擬實驗平臺，所述裝置包括：
顯示處理單元，用于在顯示器中顯示預存模擬實驗平臺操作區(qū)的三維場景；
教具識別單元，用于當實驗教具進入所述模擬實驗平臺操作區(qū)時，對所述實驗教具進行識別，確定其對應的實驗器材并獲取預存所述實驗器材的三維模型；
軌跡捕捉單元，用于實時捕捉所述實驗教具的運動軌跡；
所述顯示處理單元，還用于將所述三維模型合成到所述三維場景中，并同步顯示所述三維模型在三維場景中沿著與捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
提供一種如上所述的裝置，所述裝置還包括：
動作識別單元，用于根據(jù)所述實驗教具的運動軌跡識別所述實驗教具的操作動作；
查找單元，用于查找與所述實驗器材以及與其對應的所述操作動作相應的預存視頻；
所述顯示處理單元，還用于將所述顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為所述預存視頻。
提供一種如上所述的裝置，所述裝置還包括：接收單元，用于根據(jù)所述將顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為所述預存視頻之前，接收預設的播放指令。
提供一種如上所述的裝置，所述教具識別單元，還用于對所述實驗教具上的顏色進行識別，通過預存的顏色與實驗器材對應關系表確定所述顏色對應的實驗器材；或者用于掃描所述實驗教具上的二維碼，通過預存的二維碼與實驗器材對應關系表確定所述二維碼對應的實驗器材；或者用于對所述實驗教具進行拍攝，通過圖像識別確定所述實驗教具對應的實驗器材。
提供一種如上所述的裝置，所述軌跡捕捉單元，還用于通過紅外深度圖像傳感技術和深度圖像處理技術捕捉所述實驗教具的運動軌跡。
提供一種如上所述的裝置，所述顯示處理單元，還用于將所述運動軌跡上當前捕捉到的坐標根據(jù)預設的算法轉(zhuǎn)換為所述三維場景中的坐標，以及將所述三維模型沿著當前已轉(zhuǎn)換的坐標依次進行移動，且在所述三維場景中進行顯示。
提供一種如上所述的裝置，所述顯示處理單元，還用于當所述預存視頻 的播放結(jié)束之時，將所述顯示器的顯示內(nèi)容切換顯示當前所述三維模型在三維場景中沿著與所述當前捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
本發(fā)明提出的教學實驗的模擬方法及裝置，利用實驗教具替代實驗器材，通過對實驗教具的操作動作的識別，在顯示器中顯示出對應的實驗器材在當前操作中的動畫效果，使操作者能夠真實的體驗實驗過程，并且避免了實驗過程中可能出現(xiàn)的危險，適合學生對實驗課程進行學習、操作。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例提供的一種教學實驗的模擬方法的流程圖；
圖2為本發(fā)明實施例提供的一種教學實驗的模擬裝置的模塊結(jié)構示意圖。
本發(fā)明目的的實現(xiàn)、功能特點及優(yōu)點將結(jié)合實施例，參照附圖做進一步說明。
具體實施方式
應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
現(xiàn)在將參考附圖描述實現(xiàn)本發(fā)明各個實施例的移動終端。在后續(xù)的描述中，使用用于表示元件的諸如“模塊”、“部件”或“單元”的后綴僅為了有利于本發(fā)明的說明，其本身并沒有特定的意義。因此，″模塊″與″部件″可以混合地使用。
本發(fā)明提出一種教學實驗的模擬方法，該方法適用于模擬實驗平臺。請參閱圖1，方法流程包括：
s110、在顯示器中顯示預存模擬實驗平臺操作區(qū)的三維場景；
s120、當實驗教具進入該模擬實驗平臺操作區(qū)時，對該實驗教具進行識別，確定其對應實驗器材，并獲取預存該實驗器材的三維模型；
s130、實時捕捉該實驗教具的運動軌跡；
s140、將該三維模型合成到該三維場景中，并在該顯示器同步顯示該三維模型在三維場景中沿著與捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
實際應用中，可以預先存儲各實驗教具對應的實驗器材的三維模型以及不同的實驗所需實驗平臺的三維場景。實驗器材的三維模型和實驗場景的三維場景之間的大小比例可以根據(jù)實際需要建立。當用戶開始試驗時，可以選擇當前試驗所需實驗平臺的三維場景。
需要說明的是，本發(fā)明所稱的實驗平臺的操作區(qū)域是指實驗平臺上能夠?qū)嶒灲叹叩倪\動軌跡進行捕捉的區(qū)域。
具體的，在該模擬實驗平臺上，擺放有實驗所需的實驗教具，為了增強實驗的真實性，各實驗教具的形狀及大小都可以按照實際應用中的實驗器材的形狀及大小制作。
在一個可行的方案中，步驟s120可以通過以下方式實現(xiàn)：
方式一、在不同的實驗教具上涂上不同顏色的涂料，對該實驗教具上的顏色進行識別，通過預存的顏色與實驗器材對應關系表確定該顏色對應的實驗器材，然后根據(jù)確定的實驗器材在預存的實驗器材與三維模型對應關系表中獲取預存的與該實驗器材對應的三維模型。
該方式預先存儲各顏色與實驗器材的對應關系表，然后識別出實驗教具的顏色，查詢各顏色與實驗器材對應關系表，將識別出的顏色進行比對，確定實驗器材，然后根據(jù)該實驗器材調(diào)取該實驗器材的三維模型。
其中，在識別顏色時，可以由顏色識別模塊的發(fā)光源向操作區(qū)內(nèi)的實驗教具發(fā)射探測光，再由傳感器接收反射光來測量顏色信息的顏色，然后進行數(shù)據(jù)采集、存儲、對比來識別顏色。
方式二、掃描該實驗教具上的二維碼，通過預存的二維碼與實驗器材對應關系表確定該二維碼對應的實驗器材。
該方式可以在各實驗教具上貼上不同的二維碼，然后在進入操作區(qū)時在二維碼掃描模塊前對二維碼進行掃描，根據(jù)掃描結(jié)果在預存的二維碼與實驗器材對應關系表確定該二維碼對應的實驗器材。
方式三、對該實驗教具進行拍攝，通過圖像識別確定該實驗教具對應的實驗器材。
具體的，在該方式中，可以對操作區(qū)進行拍攝，然后對拍攝得到圖片進行圖像識別，識別出其中的實驗教具，在根據(jù)預存的實驗教具與實驗器材對應關系表查找出對應的實驗器材，以及實驗器材的三維模型。
實際應用中，也可以根據(jù)用戶輸入的指令調(diào)出當前放入操作區(qū)的實驗教具對應的實驗器材。
在一個可行的方案中，步驟s130可以包括：
通過紅外深度圖像傳感技術和深度圖像處理技術追蹤該實驗教具的運動軌跡。
實際應用中，可以利用體感模塊對運動軌跡進行識別，包括：
紅外線發(fā)射器在操作區(qū)內(nèi)向指定的方向發(fā)射有編碼的結(jié)構光平面；
紅外線接收器接收并感應經(jīng)由操作區(qū)所在環(huán)境反射回來的紅外結(jié)構光信號獲取感應圖像；
深度圖像處理子模塊根據(jù)結(jié)構光編碼技術原理，獲取該感應圖像的深度信息；
目標跟蹤子模塊根據(jù)深度圖像處理子模塊獲取的當前感應圖像的深度信息從預先獲取的環(huán)境背景的深度信息獲取實驗教具當前的位置和深度信息，從而獲得捕捉到實驗教具的當前的坐標。
實際應用中，該紅外線發(fā)射器與紅外線接收器的感應區(qū)可以覆蓋整個操作區(qū)。
在一個可行的方案中，步驟s140可通過如下方式實現(xiàn)：
在捕捉到實驗教具的運動軌跡時，根據(jù)預設的算法，將當前捕捉到的實驗教具的坐標轉(zhuǎn)換為預設的三維場景中的坐標，從而將與該實驗教具對應的實驗器材的三維模型按照當前轉(zhuǎn)換的坐標在三維場景中進行顯示。顯示的效果即為實驗器材的三維模型依照運動軌跡的先后轉(zhuǎn)換坐標依次進行移動，從而再現(xiàn)實驗教具在模擬實驗平臺的操作區(qū)內(nèi)的運動情況，實現(xiàn)將實驗者的操作以動畫的方式在三維場景中實時顯示。
在一個可行的方案中，步驟s140之后，該方法還可以包括如下步驟：
根據(jù)該實驗教具的運動軌跡識別該實驗教具的操作動作；
查找與該實驗器材及該操作動作相對應的預存視頻；
將該顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為該預存視頻。
實際應用中，可以預先存儲不同的實驗器材的不同操作動作對應的預存視頻，當識別出實驗教具的操作動作時，根據(jù)該實驗教具對應的實驗器材，顯示與該操作動作對應的預存視頻。該預存視頻的內(nèi)容可以是該實驗器材在 被執(zhí)行了操作動作之后的實驗效果或?qū)嶒灲Y(jié)果。顯示的預存視頻可以是一段視頻數(shù)據(jù)、一段動畫或者是類似的圖片等等可以在顯示器上呈現(xiàn)的內(nèi)容。
具體的，可以在預存動作比對列表預先存儲運動軌跡與操作動作的對應關系，根據(jù)該運動軌跡在預存動作比對列表中查找對應的操作動作。
實際應用中，根據(jù)該運動軌跡在預存動作比對列表中查找對應的操作動作，包括：
將體感模塊追蹤到的實驗教具的運動軌跡與預存動作對比列表中的操作動作進行比對，查找對應的(或最接近的)操作動作。
需要說明的是，本發(fā)明所稱的操作動作，可以定義為一個播放指令，播放對應預存的視頻、動畫或者是圖片等等可以在顯示器上呈現(xiàn)的內(nèi)容。
需要說明的是，無論是否接收到預設的播放指令，或者是否正在播放預存視頻，對模擬操作實驗平臺操作區(qū)中的實驗教具的運動軌跡的追蹤都可以是實時進行的。
該預設的播放指令，可以通過如下方式獲?。?/p>
方式一、由用戶輸入，比如在模擬操作實驗平臺上設置專門的按鈕，當用戶完成一個操作動作時，便可按下該按鈕，顯示預存視頻的播放指令。
方式二、對模擬操作實驗平臺的實驗教具的運動軌跡進行捕捉，當實驗教具沒有新的軌跡產(chǎn)生(或保持靜止超過預設的時長時)，認為接收到顯示預存視頻的播放指令。
下面結(jié)合一個實際的場景對本實施例的方法進行說明：
學生首先選擇實驗場景的三維場景，顯示單元根據(jù)選擇顯示其中顯示被選擇的實驗場景的三維場景。學生從實驗架上拿出一個替代酒精燈的圓錐形的實驗教具進入模擬實驗臺操作區(qū)，該實驗教具的材質(zhì)可以是木頭或是塑料的，其形狀尺寸與酒精燈一致，其上面有個木頭罩子/帽子。實際應用中，對于由多個可分離的部件組成的實驗教具，可以對不同的部件進行區(qū)分，比如涂上不同的顏色，或在各部件上分別貼上不同的二維碼等。該圓錐形的實驗教具進入操作區(qū)時，教具識別單元識別出該實驗教具對應的實驗器材為酒精燈，調(diào)取預存的酒精燈的三維模型，同時軌跡捕捉單元開始對該實驗教具進行追蹤，捕捉其運動軌跡。在調(diào)取預存的酒精燈三維模型的同時，顯示處理單元將該三維模型合成到三維場景，則顯示器中的三維場景出現(xiàn)一個帶蓋子 的酒精燈，帶蓋子的酒精燈在三維場景中的坐標則由顯示處理單元根據(jù)軌跡追蹤模塊捕捉到帶蓋子的酒精燈實驗教具的運動軌跡的當前坐標進行計算，轉(zhuǎn)換為三維場景中三維模型所在的當前坐標。當該實驗教具被移動時，即運動軌跡坐標逐一發(fā)生變化，顯示處理單元對每個坐標進行逐一進行計算，轉(zhuǎn)換為三維場景中的坐標，該三維模型也逐一在三維場景中先后坐標進行移動，從而在顯示器同步顯示為酒精燈的三維模型在三維場景中移動的動畫效果。因此，當圓錐形的實驗教具被放置在實驗平臺上時，顯示器中的酒精燈也被放置在顯示器中顯示的虛擬實驗臺上，當學生拿下木頭罩子/帽子時，顯示器中顯示酒精燈蓋子被拿下；當學生拿出一個火柴大小尺寸的木棍及火柴盒大小的盒子時，教具識別單元識別出該木棍及盒子對應的實驗器材為火柴及火柴盒，則在顯示器顯示為沒有燃燒的火柴及火柴盒；若學生拿著該木棍在盒子上做滑動點火的動作后，操作動作識別單元根據(jù)追蹤到的木棍及盒子的運動軌跡在預存動作比對表中識別該動作為點燃火柴操作動作，查找點燃火柴操作動作相對應的預存動畫，則顯示器從顯示三維場景的內(nèi)容切換到播放該預存動畫；若學生拿著該木棍在盒子上做滑動點火的動作后，又拿著這個木棍，放到圓錐形實驗教具頂端，完成這兩個動作，則操作動作識別單元首先根據(jù)追蹤到的木棍及盒子的運動軌跡在預存動作比對表中識別出點燃火柴的操作動作，然后再根據(jù)木棍的運動軌跡分析出該動作為點燃酒精燈操作動作，查找點該兩個操作動作相對應的預存動畫，則顯示器從顯示三維場景的內(nèi)容切換播放預存的動畫，預存的動畫可能為點燃火柴以及燃燒的火柴點燃酒精燈燈絲的動畫內(nèi)容。當播放該動畫時，顯示器自動切換顯示到當前的三維實驗場景中，并繼續(xù)追蹤顯示學生在模擬實驗平臺上的運動軌跡。例如學生拿起木頭罩子，并將其蓋到圓錐形的實驗教具上，那么顯示器繼續(xù)顯示酒精燈三維模型在三維場景中蓋上蓋子的動畫，此時若學生輸入了顯示當前操作結(jié)果的播放指令，則根據(jù)上一次播放的動畫或記錄的實驗結(jié)果，調(diào)取并顯示燃燒的酒精燈蓋上蓋子熄滅的動畫效果。
在一個可行的方案中，還可以同步錄制和存儲該顯示器顯示的實驗過程的動畫。
在一個可行的方案中，還可以設置一個攝像機，在實驗過程中對操作者的操作過程進行拍攝，方便學生或教師在實驗課后對實驗過程進行分析、指 導、改進等。
在一個可行的方案中，還可以在用戶完成實驗并播放了實驗結(jié)果的動畫之后，播放預存的標準實驗操作過程及實驗結(jié)果。
本發(fā)明的教學實驗的模擬方法，利用實驗教具替代實驗器材，通過對實驗教具的操作動作的識別，在顯示器中顯示出對應的實驗器材在當前操作中的動畫效果，使操作者能夠真實的體驗實驗過程，并且避免了實驗過程中可能出現(xiàn)的危險，適合學生對實驗課程進行學習、操作。
在上述實施例的基礎上，本發(fā)明進一步提供一種教學實驗的模擬裝置，適用于模擬實驗平臺。請參閱圖2，該裝置包括：
顯示處理單元210，用于在顯示器中顯示預存模擬實驗平臺操作區(qū)的三維場景；
教具識別單元220，用于在實驗教具進入該模擬實驗平臺操作區(qū)時，對該實驗教具進行識別，確定其對應的實驗器材并獲取預存該實驗器材的三維模型；
軌跡捕捉單元230，用于實時捕捉該實驗教具的運動軌跡；
該顯示處理單元210，還用于將該三維模型合成到該三維場景中，并同步顯示所述三維模型在三維場景中沿著與所述捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
具體的，在該模擬實驗平臺上，擺放有實驗所需的實驗教具，為了增強實驗的真實性，各實驗教具的形狀及大小都可以按照實際應用中的實驗器材的形狀及大小制作。
在一個可行的方案中，該教具識別單元220包括：
顏色識別模塊，用于對該實驗教具上的顏色進行識別；
第一確定模塊，用于通過預存的顏色與實驗器材對應關系表確定該顏色對應的實驗器材。
在一個可行的方案中，該教具識別單元220包括：
二維碼掃描模塊，用于掃描該實驗教具上的二維碼；
第二確定模塊，用于通過預存的二維碼與實驗器材對應關系表確定該二維碼對應的實驗器材。
在一個可行的方案中，該教具識別單元220包括：
拍攝模塊，用于對該實驗教具進行拍攝；
圖像識別單元，用于從該拍攝模塊拍攝的圖像中識別該實驗教具的圖像，并根據(jù)該實驗教具的圖像確定對應的實驗器材。
需要說明的是，在實現(xiàn)上述幾個教具識別單元220的可行的方案中，均需要在該裝置的數(shù)據(jù)庫中預先存儲對應的顏色與實驗器材的對應關系表、二維碼與實驗器材的對應關系表或者實驗教具與實驗器材對應關系表。
在一個可行的方案中，裝置還包括：
動作識別單元，用于根據(jù)該實驗教具的運動軌跡識別該實驗教具的操作動作；
查找單元，用于查找與該實驗器材以及與其對應的該操作動作相應的預存視頻；
該顯示處理單元210，還用于將該顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為該預存視頻。
在一個可行的方案中，改裝置還包括：接收單元，用于將顯示器的顯示內(nèi)容切換播放為所述預存視頻之前，接收預設的播放指令。
軌跡捕捉單元230，還用于通過紅外深度圖像傳感技術和深度圖像處理技術捕捉該實驗教具的運動軌跡。
在一個可行的方案中，顯示處理單元210，還用于將所述運動軌跡上當前捕捉到的坐標根據(jù)預設的算法轉(zhuǎn)換為所述三維場景中的坐標，以及將所述三維模型沿著當前已轉(zhuǎn)換的坐標依次進行移動，且在所述三維場景中進行顯示。
在一個可行的方案中，顯示處理單元210，還用于當該預存視頻的播放結(jié)束之時，將該顯示器的顯示內(nèi)容切換回播放該預存視頻之前的顯示內(nèi)容，將所述顯示器的顯示內(nèi)容切換顯示當前所述三維模型在三維場景中沿著與所述當前捕捉到的運動軌跡相同的軌跡進行移動。
本發(fā)明的教學實驗的模擬裝置，利用實驗教具替代實驗器材，通過對實驗教具的操作動作的識別，在顯示器中顯示出對應的實驗器材在當前操作中的動畫效果，使操作者能夠真實的體驗實驗過程，并且避免了實驗過程中可能出現(xiàn)的危險，適合學生對實驗課程進行學習、操作。
需要說明的是，實現(xiàn)上述方法實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括：rom、ram、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。
以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。