AR教学资源实现的关键技术研究

发布时间：2020-06-01 19:20

【摘要】：目前大家的学习方式主要是课上听讲为主,课下学习资料为辅,教学资源单一。增强现实技术作为新兴技术,其在教育领域的应用优势为学习者带来了新的体验。该技术丰富了学生的学习形式,增加了学生的动手能力,让那些缺乏空间感和想象力的学习者能够身临其境的感受虚实叠加的学习资源。但是,由于受增强现实技术性能的影响,不能满足学习者实时、准确获得虚拟学习资源的需求,这使得增强现实教学资源还没有广泛普及。因此,如何提高增强现实教学资源实现中关键算法的性能,对增强现实教学资源普及具有重要意义。为此,本文研究了AR教学资源实现的关键技术,并设计和实现了一些基于增强现实的教学资源。首先,本文对增强现实教学资源实现算法进行了整体设计,对其中的关键技术进行了性能分析;然后,通过对传统的图像匹配算法进行研究与仿真,针对单一目标物体识别,研究了基于SURF的植物特征点检测和改进的ORB植物特征描述相融合的目标匹配算法;接着,针对多目标物体识别场景,本文结合深度学习算法对图像进行配准,通过对主流的基于CNN的目标检测算法进行分析与仿真,利用卷积神经网络的特征提取能力,训练了 YOLOv3的植物检测模型,用植物图片对其进行了检测测试。最后,本文在Android studio环境下,开发了基于增强现实的教学资源。该系统实现了教学资源采集与显示、三维注册、虚拟教学资源和真实场景叠加及人机交互等关键功能。增强现实技术的速度和精度均有所提升,可以从多方面满足学习者的学习需求。该增强现实教学资源原型系统已经完成。经过初步测试,本系统各个功能模块已经实现,算法的实时性和鲁棒性达到预定目标,该系统可以为学习者提供一种虚实叠加的学习资源,提高了学习者对学习的兴趣。
【图文】：

流程图,增强现实,教学资源,流程

图２．２增强现实教学资源流程逡逑增强现实的教学资源实现中应用的关键技术主要有：二维图像检测、三维物体逡逑检测、资源模型设计、三维注册、显示技术等１１７］。主要流程如图２．３所示。逡逑（开始）逡逑Ｉ逡逑教学图像逡逑采集逡逑教学图像逡逑压缩逡逑士逦广＾ｉ邋逦逡逑教学三维邋｜教学图像逦｜教学资源逡逑物体检测逦检测逦模型设计逡逑１邋￣邋ｊ邋￣￣逡逑三维注册｜多传感融合逡逑Ｊｒ—逡逑教学资源邋逦＊逦逡逑哰实ＩＩ加逦教学系统Ｗ逡逑逦－Ｔ逦逦｜邋面可视化逡逑Ｉ逡逑图２．３增强现实教学资源实现逡逑⑴图像及三维物体检测技术逡逑目标检测是增强现实的关键技术之一［１８］。摄像头拍摄到真实世界的场景信息后，逡逑系统需要识别到并准确的给学习者展示要学习的教学资源。对于真实世界的三维物逡逑体，移动端摄像头也需要进行目标识别，从而使虚拟信息进行精准叠加。逡逑（２）资源模型设计逡逑为了给学习者展示多样化的学习资源，我们需要设计大量的学习模型。ＡＲ教逡逑７逡逑

植物图像,增强现实,算法,不变性

（ｌ）ＦＡＳＴ算法最主要的特点就是速度快首先对待检测的植物图像设置合适逡逑的阈值，，通过对该图像中的像素点周围的若干个点（通常为１６个）的像素值进行分逡逑析，如图２．５所示的１６个点。判断这些点中是否满足Ｎ个连续的像素点的值都大逡逑于或者小于某个阈值，若果满足，则其为植物的角点，否则舍弃。该算法的缺点明逡逑显。首先，它不能排除大部分的候选点，当为１２个时，相邻的多个植物特征点会被逡逑检测到。其次，该算法检测出的植物角点不是最优的。更为重要的是它不具有旋转逡逑不变性和尺度不变性［２３］。然而增强现实资源中需要用到旋转等角度变换操作，鉴于逡逑此，其不适用于增强现实教学资源系统。逡逑Ｉ邋％．逦，逡逑Ａ邋ｉｉｌｉｉｉｌ逡逑ｅｌ邋ｉｉ逦３邋４Ｊ逡逑１３邋１０逦４逡逑Ｊ逦逡逑~|邋ｌ１１邋８邋７逡逑图２．５ＦＡＳＴ算法图逡逑（２）ＳＩＦＴ算法即尺度不变特征变换算法该算法在植物图像中具有的尺度不逡逑变性和旋转变换不变性。同时，当学习者的学习视角发生变换或者受到周围环境噪逡逑声的影响时
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：G434;TP391.41

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