一种平抛运动虚实融合实验平台及方法技术

本发明专利技术公开了一种平抛运动虚实融合实验平台，包括平抛运动仪、高速相机、计算机和投影仪；还公开了一种平抛运动虚实融合方法，包括以下步骤：S1、高速相机连续拍摄小球下落的图像；S2、计算机对所述图像进行识别，获取小球各时刻在高速相机图像坐标系中的位置；S3、计算机将获取的小球各时刻在高速相机图像坐标系中的中心点位置转换成投影仪图像坐标系中的位置，并将投影仪图像坐标系中各位置对应的点拟合成曲线；S4、投影仪将拟合成的曲线投影至平抛运动仪上，进行虚实融合的呈现。本发明专利技术基于真实的实验设备与操作，在真实的实验数据基础上拓展实验，进行虚拟呈现。进行虚拟呈现。进行虚拟呈现。

【技术实现步骤摘要】
一种平抛运动虚实融合实验平台及方法


[0001]本专利技术涉及增强现实
，具体涉及一种平抛运动虚实融合实验平台及方法。

技术介绍

[0002]增强现实(简称AR)，是一种实时地计算摄像机影像的位置角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。
[0003]目前市面上以增强现实技术为基础的实验教具应用仍不广泛，大多数还是通过点击手机屏幕或者使用电脑鼠标、键盘达到互动功能，现实感不强、互动效果差。通过该专利技术的教学资源辅助实验教学，学生可以利用真实的实验仪器的交互功能完成实验操作，并且在课下可以反复练习，弥补对实验过程认识的不足。
[0004]虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实(简称VR)等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。
[0005]现有的虚拟实验教学技术存在以下不足之处：现有的虚拟实验大多忽略了用户在实际操作中的手感，体验感不强，不便于中小学的实验教学。然而，本专利技术的这种平抛运动虚实融合实验平台很好的解决了这个问题。
[0006]例如公告号为CN207799975U的专利说明书中公开了一种物体移动轨迹演示系统，该系统包括图像采集模块、控制系统、图像处理模块、数据传输模块、多媒体教学系统，所述的图像采集模块与控制系统连接，所述的控制系统与图像处理模块连接，所述的控制系统、图像处理模块分别通过数据传输模块与多媒体教学系统连接。上述方案不足之处在于忽略了用户在实际操作中的手感，体验感不强。
[0007]随着我国经济的不断发展，对教育的重视程度也越来越高。教育部于2019年11月20日发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，文中指出“对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现”。
[0008]基于此背景，我们设计了《平抛运动虚实融合实验平台》，“实”——实体的实验设备、实际的实验操作、真实的实验数据；“虚”——虚拟的数据处理、虚拟的拟合曲线、虚拟的增强呈现。“基于现实，超越现实”是我们作品的核心设计理念。

技术实现思路

[0009]本专利技术的一个目的在于提供一种平抛运动虚实融合实验平台，能够基于真实的实验设备与操作，在真实的实验数据基础上拓展实验，增强实际操作中的手感和体验感。
[0010]本专利技术的另一个目的在于提供一种平抛运动虚实融合方法，能够通过增强现实技术将真实环境中不容易观察到的运动轨迹以虚实结合的方式呈现出来，让学生仍然保留实
际操作的感受。
[0011]一种平抛运动虚实融合实验平台，包括：
[0012]平抛运动仪，用于进行小球平抛运动实验；
[0013]高速相机，用于连续拍摄小球下落的图像，并将图像传输到计算机；
[0014]计算机，用于分析高速相机连续拍摄的图像,获得小球各时刻的位置，并转换成投影仪图像坐标系中的点，最后将点拟合成曲线；
[0015]投影仪，用于将在计算机中拟合的曲线投影至平抛运动仪相应位置上。
[0016]本专利技术的实验平台基于真实的实验设备与操作，在真实的实验数据基础上拓展实验，进行虚拟呈现，同时本实验平台的搭建方法，简单方便、易于上手，并且环境要求低，成本不高，可进行大范围推广。
[0017]一种平抛运动虚实融合方法，包括以下步骤：
[0018]S1、高速相机连续拍摄小球下落的图像；
[0019]S2、计算机对所述图像进行识别，获取小球各时刻在高速相机图像坐标系中的位置；
[0020]S3、计算机将获取的小球各时刻在高速相机图像坐标系中的中心点位置转换成投影仪图像坐标系中的位置，并将投影仪图像坐标系中各位置对应的点拟合成曲线；
[0021]S4、投影仪将拟合成的曲线投影至平抛运动仪上，进行虚实融合的呈现。
[0022]本专利技术的方法基于现实，虚实融合，通过增强现实技术将真实环境中不容易观察到的运动轨迹以虚实结合的方式呈现出来，一方面通过计算机将传统实验中操作繁琐的部分(复写纸多次描点等)变得简单方便，提高了实验的高效性，使实验更加直观；另一方面将绘制的图像叠加在真实的场景中，可以让学生仍然保留实际操作的感受。
[0023]作为优选，步骤S2具体包括：
[0024]S21、采用帧差法检测高速相机拍摄的RGB图像的运动目标，分割前景与背景像素，进行运动目标提取；
[0025]S22、对运动目标的图像进行二值化处理，突出重点区域；
[0026]S23、通过八连通区域提取算法获取小球所在的有效的连通区域；
[0027]S24、提取有效区域轮廓，对所述轮廓的形状进行检测判断，识别实物对象的位姿；
[0028]S25、通过识别出的实物对象的位姿得到对应时刻小球在高速相机拍摄图像中的点坐标。
[0029]通过多种图像处理算法，将高速运动的物体进行捕捉并分析，提取到小球对应时刻的运动特征，有利于观察和进一步分析小球的运动状态。
[0030]作为优选，所述步骤S24中提取有效区域轮廓的具体步骤为：
[0031]在包含目标和背景的数字图像中，忽略背景和目标内部的纹理以及噪声干扰的影响，通过对图像水平方向和竖直方向扫描，选取有效区域，对有效区域进行轮廓周长、面积以及横纵比过滤来实现目标轮廓提取。
[0032]通过图像处理算法将运动的小球与背景分开，对轮廓及连通区域有效点过滤的判断，排除杂点等无关影响因素，使实验数据更可靠。
[0033]作为优选，步骤S3具体包括：
[0034]S31、标定高速相机、投影仪、平抛运动仪之间的单应关系；
[0035]S32、计算机利用高速相机与平抛运动仪之间的单应关系计算得到小球各时刻在平抛运动仪上的点坐标；
[0036]S33、计算机利用平抛运动仪与投影仪之间的单应关系计算出小球在投影仪图像坐标系中对应的点坐标。
[0037]将小球在相机图像坐标系中的坐标精准转化成投影仪图像坐标系中的坐标，将坐标输入计算机，从而能进行下一步的拟合与分析。
[0038]作为优选，所述步骤S31具体包括：
[0039]选取多组点，通过高速相机拍摄图像中的坐标和平抛运动仪面板坐标计算出单应矩阵，对高速相机图像坐标系与平抛运动仪面板坐标系进行标定；
[0040]选取多组点，通过投影仪图像坐标和平抛运动仪面板坐标计算出单应矩阵，对投影仪图像坐标系与平抛运动仪面板坐标系进行标定。
[0041]该步骤实现了平抛运动仪面板坐标系与高速相机图像坐标系、投影仪图像坐标系三者的转化，将软件生成的坐标点以及拟合曲线准确无误差地转换到平抛运动仪面板上，保证实验数据的真实性与精准性，进而保证最终投影在平抛运动仪面板上的图像与数据的精准。
[0042]作为优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种平抛运动虚实融合实验平台，其特征在于，包括：平抛运动仪，用于进行小球平抛运动实验；高速相机，用于连续拍摄小球下落的图像，并将图像传输到计算机；计算机，用于分析高速相机连续拍摄的图像,获得小球各时刻的位置，并转换成投影仪图像坐标系中的点，最后将点拟合成曲线；投影仪，用于将在计算机中拟合的曲线投影至平抛运动仪相应位置上。2.一种平抛运动虚实融合方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、高速相机连续拍摄小球下落的图像；S2、计算机对所述图像进行识别，获取小球各时刻在高速相机图像坐标系中的位置；S3、计算机将获取的小球各时刻在高速相机图像坐标系中的中心点位置转换成投影仪图像坐标系中的位置，并将投影仪图像坐标系中各位置对应的点拟合成曲线；S4、投影仪将拟合成的曲线投影至平抛运动仪上，进行虚实融合的呈现。3.根据权利要求2所述的平抛运动虚实融合方法，其特征在于，步骤S2具体包括：S21、采用帧差法检测高速相机拍摄的RGB图像的运动目标，分割前景与背景像素，进行运动目标提取；S22、对运动目标的图像进行二值化处理，突出重点区域；S23、通过八连通区域提取算法获取小球所在的有效的连通区域；S24、提取有效区域轮廓，对所述轮廓的形状进行检测判断，识别实物对象的位姿；S25、通过识别出的实物对象的位姿得到对应时刻小球在高速相机拍摄图像中的中心点坐标。4.根据权利要求3所述的平抛运动虚实融合方法，其特征在于，所述步骤S24中提取有效区域轮廓的具体步骤为：在包含目标和背景的数字图...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁庆曙，潘志庚，曾昱欣，任夯轲，范沁瑜，尉文琪，
申请(专利权)人：杭州师范大学，
类型：发明
国别省市：