一种基于裸眼3D显示技术的虚拟现实互动教学系统的制作方法

本发明涉及裸眼3d显示，具体为一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统。

背景技术：

1、虚拟现实系统的目的是创建一个虚拟的三维世界环境，并使之尽量贴近真实世界，提供给用户一种身临其境的体验，允许用户能够像在真实世界中一样与虚拟对象有良好的交互，使用户不能区分虚拟世界与真实世界。在自然条件苛刻的情况下，虚拟现实技术尤其可以发挥它的优势，因为用户不需要进入不适宜的环境(例如危险、寒冷等)也可以实施作业，在传统的教学过程中，对于实物的教学往往需要通过实训来操作，而学生的初始技能水平较低，在教学过程中由于条件限制，学生难以随时接触到实验仪器。在有限的实验时间中，学生也容易因不熟悉而损坏实验仪器，容易对具体需要实操的教学用具带来较大的损耗；而单纯的课本教学则存在一定的认知偏差，单一的文字和图片学习难以给学生带来强烈的认知体验，现在需要一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统。

2、在此基础上，经专利网检索，中国专利公告号cn106131530b公开了一种裸眼3d虚拟现实展示系统及其展示方法；

3、可知上述专利申请中存在不足之处：虽然专利对裸眼3d显示技术系统已经有了对应的展现，但是对于直接采集操作用户和姿态手势进行对影像的交互的内容并未在本领域具体展现，因此传统的教学模式下，在课程教学时间有限，缺少人机交互模式，致使学生对教学原理和实验方法的理解和掌握不够深入和透彻，学习兴趣不够高，降低裸眼3d显示技术的互动教学效果。

4、针对上述问题，为此，提出一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统，采用本装置进行工作，从而解决了上述背景中对于直接采集操作用户和姿态手势进行对影像的交互的内容并未在本领域具体展现，因此传统的教学模式下，在课程教学时间有限，缺少人机交互模式，致使学生对教学原理和实验方法的理解和掌握不够深入和透彻，学习兴趣不够高，降低裸眼3d显示技术的互动教学效果的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统，其包括：

3、高清屏幕显示设备，所述高清屏幕显示设备包括左屏幕、右屏幕、主正屏幕、天花板屏幕和地屏幕，且所述左屏幕、所述右屏幕、所述主正屏幕、所述天花板屏幕和所述地屏幕围合出一立体投影空间；

4、裸眼投影设备，用于向所述高清屏幕显示设备投射投影图像；

5、高清摄像机，又叫动作捕捉仪，从技术的角度来说，运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹，是为了获取用户的位置信息以及姿态变化信息，所述高清摄像机包括传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理器；

6、传感器是固定在运动物体特定部位的跟踪装置，一般会随着捕捉的细致程度确定跟踪器的数目，所述信号捕捉设备负责位置信号的捕捉，对于机械系统来说是一块捕捉电信号的线路板，对于光学系统则是高分辨率红外摄像机，所述数据传输设备需要将大量的运动数据快速准确地传输到所述控制装置进行处理；

7、控制装置，其输入端与所述高清摄像机连接，其输出端与所述裸眼投影设备连接；其可构建虚拟现实的3d虚拟场景和3d虚拟模型，并可根据所述高清摄像机获取的用户位置信息以及姿态变化信息，进而调整3d虚拟场景的视角，和控制改变3d虚拟模型的运动状态，并将其处理成裸眼3d图像，而输出给所述裸眼投影设备进行播放；

8、扩音装置，与所述控制装置连接，其包括音源处理器、功率放大器和扬声器，将所述控制装置接收的音频信息发送至音源处理器，所述音源处理器可采用效果器或者均衡器；所述音源处理器将处理完的音源信息传递至功率放大器，用于复杂环境下的音响控制和处理，最后将整合后的音源通过所述扬声器播放，为了用户虚拟现实互动教学过程中传递声源信息；

9、优选的，所述控制装置还包括虚拟现实平台，用于构建虚拟现实的3d虚拟场景和3d虚拟模型，根据用户的位置信息和姿态变化信息调整所述3d虚拟场景的渲染视角和控制改变所述3d虚拟模型的运动状态以实时渲染出虚拟现实动画图像；

10、优选的，所述虚拟现实平台包括人机交互模块，用于根据用户当前所处的位置而实时改变所述3d虚拟场景显示的视角，并根据用户的交互指令控制改变所述3d虚拟模型的运动状态；

11、优选的，所述人机交互模块包括数据手套、三维立体定位装置和连接线，所述三维立体定位装置安装在所述数据手套上，所述数据手套与三维立体定位装置相连接，所述数据手套通过连接线与所述控制装置通信，所述数据手套用于采集操作者的手的动作，所述三维立体定位装置计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给所述控制装置。

12、优选的，所述控制装置还包括输入端口、3d成像模块和输出端口，所述输入端口与所述高清摄像机连接，用于接收用户的位置信息和姿态变化信息；3d成像模块用于将所述虚拟现实动画图像进行左、右眼视点处理后输出具有裸眼3d效果的裸眼3d图像。

13、优选的，所述输出端口与所述裸眼投影设备连接，用于将所述裸眼3d图像输出给所述裸眼投影设备，且所述输出端口设有若干个，其分别连接一组所述裸眼投影设备。

14、优选的，所述虚拟现实平台还包括渲染模块、三维建模模块、虚拟模型动画模块和模型数据库。

15、优选的，所述渲染模块是用于实时渲染出所述虚拟现实动画，所述三维建模模块用于搭建所述3d虚拟场景和3d虚拟模型。

16、优选的，所述虚拟模型动画模块，是用于模拟现实物体的运动状态，所述模型数据库是用来储存记录所述虚拟现实平台接收的3d虚拟模型信息。

17、优选的，所述三维立体定位装置还包括发射器、控制器和接收器件，所述发射器发射电磁信号，所述控制器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器件安装在所述数据手套的手背位置，用于检测所述数据手套的位置和方向。

18、优选的，所述连接线将个位置参数和个方向参数发送给控制器，控制器与所述控制装置通信，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器件接收的电磁信号转换为数字信号发送给所述控制装置，所述控制装置将数字信号处理得到所述数据手套的当前位置和运动方向，所述控制装置实时更新虚拟实验场景原材料的位置。

19、优选的，所述数据处理器捕捉到的数据需要修正、处理后还要有三维模型向结合才能完成计算机动画制作的工作，后借助所述控制装置对数据高速的运算能力来完成数据的处理，使三维模型真正、自然地运动起来。

20、优选的，所述主正屏幕其为背投式裸眼3d投影屏幕，所述左屏幕设于所述主正屏幕的左侧，其为背投式裸眼3d投影屏幕。

21、优选的，所述右屏幕，设于所述主正屏幕的右侧，其为背投式裸眼3d投影屏幕，所述地屏幕平铺于水平地面上，其为正投式裸眼3d投影屏幕；所述天花板屏幕平铺于天花板面上，其为正投式裸眼3d投影屏幕。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

23、1、发明提出的一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统，其主要包括高清摄像机、控制装置、裸眼投影设备、扩音装置和高清屏幕显示设备，其中高清摄像机可实时捕捉用户的位置信息和姿态变化信息作为系统的输入，控制装置可根据动作捕捉设备获取的用户位置信息和姿态变化信息，而调整所述3d虚拟场景的渲染视角和控制改变所述3d虚拟模型的运动状态，实时渲染出虚拟现实动画图像，并将所述虚拟现实动画图像处理成裸眼3d图像，而输出给所述裸眼3d投影设备进行播放，从而实现交互效果，所述裸眼3d投影设备可将裸眼3d图像投射到高清屏幕显示设备上进行显示，用户便可裸眼直接观看到投影屏幕上的立体图像，用户通过姿态变化可对投影内容进行控制，从而进行交互体验。

24、2、本发明提出的一种基于裸眼3d显示技术的虚拟现实互动教学系统，可获得完全沉浸式的虚拟现实感受，其可应用于游戏、展示体验、仿真训练系统等，如模拟战地训练、汽车驾驶等各种场景，其应用范围十分广泛，通过人机交互设备实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便操作者进行虚拟物理实验操作，能够加深学生对教学内容的理解，提高学生的学习效率和学习兴趣，为学生提供立体、生动、可交互的场景，提高学生的空间想象能力，拓展学生思维、增强学生的科学探究能力和综合素养，采用裸眼3d显示学生不佩戴如何设备就可以直接观看到3d效果，提高沉浸感。

25、3、将三维的机械图通过电脑主机和影像系统处理后在高清屏幕显示设备上完成立体图像的展示，引导学生如何对实际产品进行内部结构的学习，便于学生在后续的教学实训中避免步骤的错误带来实际产品的损耗，提高教学质量和教学进度；本系统通过搭建裸眼3d影像系统，为实现人机交互提供有力的硬件基础，同时利用不同的操作指令和设备，使得教学任务得到贴近现实的展示，更好的进行教学。