面向幼教的沉浸式交互CAVE教室的制作方法

本发明涉及虚拟现实技术领域，特别涉及一种面向幼教的沉浸式交互cave(caveautomaticvirtualenvironment)教室。

背景技术：

相对传统教学方式，虚拟现实与教育结合具有明显的优势：拓展学习的多维度空间，让不可能在虚拟现实中变为可能；虚拟现实能够激发学生的学习兴趣，让学习更安全；在虚拟现实课堂中，学生可以通过在虚拟环境中协作能够促进学生融入社会，而游戏化的虚拟现实教育更能够激发学生的学习动力，从而实现一种激发创造性学习的新工具。简单来说，虚拟现实能够提供更直观的沉浸式学习体验、更丰富的课程内容、更多样化的“实践与创造”方式、更全面的能力培养。传统的单向被动式学习方式需要向主动探索式的、启发和创造式的、多样化且有趣的学习方式进行转变。

国内外领头vr教育企业采取的主要方式都需要搭配vr头盔来进行交互体验，而现在主流vr头盔无论从重量、佩戴舒适度、眩晕度、对视力的刺激程度都并不适用于12岁以下的儿童，因此需要针对幼教领域开辟新的vr和ar的交互体验途径。其次，vr教育的硬件设备昂贵，很多教育机构无法承担，例如黑晶科技的一套vr超级教室成本在40-100万之间，一个学校如果要对大部分教室实现全面的vr改造需要十分高昂的成本，这往往令教育机构望而却步。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种价格成本较低、沉浸感较强、更加适合儿童的自然化人机交互、使用方便、没有眩晕感或者眩晕感较低、对空间要求不高、能满足多人互动需求的面向幼教的沉浸式交互cave教室。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种面向幼教的沉浸式交互cave教室，包括：

硬件标准化系统：用于构建供多人互动体验的具有高清晰度和沉浸感的交互式虚拟现实cave教室系统，为内容呈现提供硬件平台及技术接口；

软件标准化系统：用于实现沉浸式交互cave教室的课程软件系统、云端内容服务平台、整套系统维护与升级体系、内容制作、认证和管理系统，还提供针对幼儿教师或专业幼教机构的专业vrppt制作工具；

交互式教具系统：用于提供不同的教具和互动方式，并对不同小朋友提供身份id的个性化定制；能根据学习目标或任务的不同，将不同教具进行组合和搭配，通过排列组合或拼接顺序产生不同的互动形式；

所述硬件标准化系统、软件标准化系统和交互式教具系统相互连接；

所述硬件标准化系统包括：

cave多投影环境系统：用于建立能交互体验的vr教育环境；

多点触摸互动系统：用于建立能供多人协作参与的、身临其境的交互环境；

地面定位互动系统：用于建立能供多人协作参与的、身临其境的交互环境；

实物教具互动系统：用于构建虚拟世界与现实世界的工具；

所述cave多投影环境系统、多点触摸互动系统、地面定位互动系统和实物教具互动系统相互连接。

在本发明所述的面向幼教的沉浸式交互cave教室中，所述软件标准化系统包括：

课程软件系统：用于实现沉浸式交互cave教室的课程；

云端内容服务平台：用于进行硬件管理、完备自检、硬件备用件管理、软件管理、升级管理、在线升级、网络管理、路由通路、远程维护支持、内容管理、内容更新、扫描更新、用户管理、用户管理、认证机制和网上支付；

内容制作平台及技术接口：用于进行课程内容分包、大数据分析、课程设计、专家论证、方案制定、体验评测、认证加密、数字版权申请和内容发布；所述方案制定包括内容开发、数字内容制作、教具开发、设备研发、标准化硬件接口和硬件备用件管理；

内容版权认证管理系统：用于防止内容被盗版和设备被山寨，对内容和设备进行加密，只有加密内容能在内容制作平台中播放；

课程内容管理系统：用于组织未来教室课程内容；

所述课程软件系统、云端内容服务平台、内容制作平台及技术接口、内容版权认证管理系统和课程内容管理系统相互连接。

在本发明所述的面向幼教的沉浸式交互cave教室中，所述课程软件系统包括：

cave多通道沉浸式虚拟现实系统：用于将虚拟现实场景以正确的透视投影到展厅的上下左右以及正前方五面墙上，用户能使用交互设备与场景进行相关交互；

多墙面多点触摸系统：用于通过激光雷达和红外摄像头，让用户通过自然肢体动作及与墙面或地面的触摸来控制cave界面的内容，完成触电追踪和手势/动作识别功能；

实体标签系统：用于通过rfid传感器，构建电子标签系统，用户能使用标签式道具与整个cave虚拟情景及内容完成交互，通过所述电子标签系统能对不同用户进行多种个性化内容定制；

传感器网络管理系统：用于将多个激光雷达、rfid传感器和红外摄像头部署在cave空间区域内，建立自适应的智能传感器网络跨层管理框架，能实现协作地实时监测、感知、采集和处理cave环境内的对象信息，通过嵌入式系统对所述cave环境内的对象信息进行处理，并通过网络进行连接，实现整个cave教室系统内的多用户实时交互功能；

投影管理系统：用于实现多个投影的同步运算及矫正拼接，将三维图形计算机生成的三维数字图像实时地输出并显示在一个多面的cave环境中；

用户管理系统：用于实现对cave教室的所有用户的信息管理；

网络系统：用于实现对多通道内容的视景同步渲染及播放功能，实现单台主机对整个cave系统的操作和控制，具有系统自检功能，实现与云平台完成数据交换传输功能；实现面向不同用户端的用户数据采集与分析功能；

所述cave多通道沉浸式虚拟现实系统、多墙面多点触摸系统、实体标签系统、传感器网络管理系统、投影管理系统、用户管理系统和网络系统相互连接。

在本发明所述的面向幼教的沉浸式交互cave教室中，所述内容版权认证管理系统包括：

系统登录模块：用于完成客户端用户登录及用户基本信息的管理功能；

系统设置模块：用于进行密码修改、软件系统与硬件系统升级、本地数据库备份与恢复、硬件设备选择和互动设备选择功能；

认证管理模块：用于进行内容上传与修改、认证登记，平台内容下载、本地内容管理、硬件设备认证、用户身份认证和认证记录功能；

vr播放器：用于完成认证内容的播放和互动设备的连接使用功能；

移动客户端模块：用于实现移动端认证内容查询和进度查询功能；

所述系统登录模块、系统设置模块、认证管理模块、vr播放器和移动客户端模块相互连接。

在本发明所述的面向幼教的沉浸式交互cave教室中，所述课程内容管理系统包括：

系统登录模块：用于完成客户端用户登录及用户基本信息管理功能；

课程内容管理模块：用于实现用户对本地及云端内容的管理，包括课程内容的信息编辑、删除、上传/下载、统计、分组、收藏、分享、内容隐私模式与访问权限的更改操作；

课程内容教案模块：用于实现用户创建新的课程内容和教案，对已有课程教案的编辑和修改功能，以及教案内容的预览功能，还实现对不同格式的课程素材文件的添加、删除与管理功能；

课程内容查询模块：用于提供多种不同的查询接口，对于已登录教师用户，能查询到所有本人创建、收藏的课程内容以及本地和所述云端内容服务平台上所有公开的课程内容，对于管理员用户，能查询到本地的所有课程内容以及所述云端内容服务平台上所有公开的课程内容；还提供对具体课程教案内的查询；

课程内容信息统计模块：用于使用户创建、删除、修改个人本地及所述云端内容服务平台上的课程内容分类表，查看不同课程内容的下载量、预览量、播放量和浏览数据，查看所述云端内容服务平台上所有公开内容的不同分类信息、统计与分析数据；

系统操作指导模块：用于实现系统操作指导、平台使用指导和课程教案编辑系统操作指导功能；

系统数据管理模块：用于实现硬件环境管理、互动教具管理、用户管理以及系统数据的备份与恢复功能；

所述系统登录模块、课程内容管理模块、课程内容教案模块、课程内容查询模块、课程内容信息统计模块、系统操作指导模块和系统数据管理模块相互连接。

实施本发明的面向幼教的沉浸式交互cave教室，具有以下有益效果：由于设有硬件标准化系统、软件标准化系统和交互式教具系统，硬件标准化系统包括cave多投影环境系统、多点触摸互动系统、地面定位互动系统和实物教具互动系统，本发明与vr教育领域现有市场上的产品相比，抛弃了沉重的vr头盔体验，强调更加健康和安全的自然化身体交互，价格成本较低，为产品的市场快速推广和普及提供了可能性；采用更自然化的交互方式，如触摸、体感、实物卡片操作等，寓教于乐，让小朋友在虚拟现实环境中通过丰富的实践性操作/创造学习到新的知识，更加适合儿童的自然化人机交互虚拟现实环境；通过云端内容服务平台提供虚拟现实的远程协助、课程内容的在线更新以及内容的版权保护；提供强大的vrppt制作工具，使教师或专业幼儿教育机构能够使用工具简单、便捷地制作vrppt；沉浸强，交互更加自然化；没有眩晕感或者眩晕感低，适合幼教；对空间要求不高，能满足多人互动需求，一套面向幼教的沉浸式交互cave教室可以满足多个用户同时使用；利用互动教具教学，操作简单，容易上手；因此本发明的价格成本较低、沉浸感较强、更加适合儿童的自然化人机交互、使用方便、没有眩晕感或者眩晕感较低、对空间要求不高、能满足多人互动需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明面向幼教的沉浸式交互cave教室一个实施例中的结构示意图；

图2为所述实施例中硬件标准化系统的结构示意图；

图3为所述实施例中软件标准化系统的结构示意图；

图4为所述实施例中课程软件系统的结构示意图；

图5为所述实施例中内容版权认证管理系统的结构示意图；

图6为所述实施例中课程内容管理系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明面向幼教的沉浸式交互cave教室实施例中，该面向幼教的沉浸式交互cave教室的结构示意图如图1所示。图1中，该面向幼教的沉浸式交互cave教室包括相互连接的硬件标准化系统1、软件标准化系统2和交互式教具系统3；其中，硬件标准化系统1集成360度全景拍摄技术、高分辨率全景投影技术、三维计算机图形图像技术、多通道图像视景透视矫正技术、自然化人机交互技术等多种技术，用于构建供多人互动体验的具有高清晰度和沉浸感的交互式虚拟现实cave教室系统，为内容呈现提供硬件平台及技术接口；软件标准化系统2用于实现沉浸式交互cave教室的课程软件系统、云端内容服务平台、整套系统维护与升级体系、内容制作、认证和管理系统，还提供针对幼儿教师或专业幼教机构的专业vrppt制作工具。

交互式教具系统3是该面向幼教的沉浸式交互cave教室的重要组成部分，能通过不同的教具和互动方式来实现整个虚拟情景、课程内容和场景建造等，教具系统包括实物型联动教具、交互式卡片/绘本及动作式标签教具等，同时可以对不同小朋友提供身份id的个性化定制；针对不同年龄阶段和不同学习目标的课程内容体现为感官式和操作式，同时，能根据学习目标或任务的不同，将不同教具进行组合和搭配，通过排列组合或拼接顺序等产生不同的、更加丰富的互动形式。

该面向幼教的沉浸式交互cave教室还可以包括系统维护和云检测平台和针对不同年龄段的课程体系等。

图2为本实施例中硬件标准化系统的结构示意图，图2中，该硬件标准化系统1包括相互连接的cave多投影环境系统11、多点触摸互动系统12、地面定位互动系统13和实物教具互动系统14；其中，cave多投影环境系统11用于建立能交互体验的vr教育环境；多点触摸互动系统12用于建立能供多人协作参与的、身临其境的交互环境；地面定位互动系统13用于建立能供多人协作参与的、身临其境的交互环境；实物教具互动系统14用于构建虚拟世界与现实世界的工具。

值得一提的是，本实施例中，cave多投影环境系统11的硬件环境标准尺寸为：长度为5米，宽度为5米，高度为3米，长度、宽度和高度可以根据教室快速定制。

由此可见，该面向幼教的沉浸式交互cave教室是一套综合的教室系统，涉及到的技术领域较多，主要包括教室硬件系统整合技术、软件平台支持技术、系统维护和云检测平台技术、交互式教具技术等相关技术。对于教室硬件系统整合技术方面，该面向幼教的沉浸式交互cave教室集成了360度全景拍摄技术、高分辨率全景投影技术、三维计算机图形图像技术、多通道图像视景透视矫正技术、自然化人机交互技术等多种技术，能够打造一个被多层次投影画面包围的、供多人互动体验的具有高清晰度、沉浸感的交互式虚拟现实互动生态系统。整个系统就像一个不用戴vr眼镜的vr互动体验游戏，让其中的每一个人都能够融入整个奇妙的世界，并跟世界发生实时的交互沟通。

本发明采用更自然化的交互方式，如触摸、体感、实物卡片操作等，更加适合儿童的自然化人机交互虚拟现实环境，寓教于乐，让小朋友在虚拟现实环境中通过丰富的实践性操作、创造而学习到新的知识。本发明一改传统教室的硬件环境和教学方式，通过虚拟现实环境来完成课程内容呈现和自然化交互方式实现真正的实践性教学理念。本发明的价格成本较低、沉浸感较强、更加适合儿童的自然化人机交互、使用方便、没有眩晕感或者眩晕感较低、对空间要求不高、能满足多人互动需求。

图3为本实施例中软件标准化系统的结构示意图，图3中，软件标准化系统2包括相互连接的课程软件系统21、云端内容服务平台22、内容制作平台及技术接口23、内容版权认证管理系统24和课程内容管理系统25；其中，课程软件系统21用于实现沉浸式交互cave教室的课程；云端内容服务平台22用于进行硬件管理、完备自检、硬件备用件管理、软件管理、升级管理、在线升级、网络管理、路由通路、远程维护支持、内容管理、内容更新、扫描更新、用户管理、用户管理、认证机制和网上支付；内容制作平台及技术接口23用于进行课程内容分包、大数据分析、课程设计、专家论证、方案制定、体验评测、认证加密、数字版权申请和内容发布；上述方案制定包括内容开发、数字内容制作、教具开发、设备研发、标准化硬件接口和硬件备用件管理；内容版权认证管理系统24用于防止内容被盗版和设备被山寨，对内容和设备进行加密，只有加密内容能在内容制作平台中播放；该内容版权认证管理系统24设有后台数据库系统、前台发布系统、认证加密系统和客户端硬盘加密vr播放系统；课程内容管理系统25用于组织未来教室课程内容，保证课堂质量，提高系统的管理效率。

图4为本实施例中课程软件系统的结构示意图，图4中，该课程软件系统21包括cave多通道沉浸式虚拟现实系统211、多墙面多点触摸系统212、实体标签系统213、传感器网络管理系统214、投影管理系统215、用户管理系统216和网络系统217；其中，cave多通道沉浸式虚拟现实系统211用于通过多通道投影技术和多视点投影技术，将虚拟现实场景以正确的透视投影到展厅的上下左右以及正前方五面墙上，让用户产生身临其境的感觉，用户能使用交互设备(如：游戏手柄、虚拟现实定位设备)与场景进行相关交互；

多墙面多点触摸系统212用于基于光学原理，通过激光雷达和红外摄像头，让用户通过自然肢体动作及与墙面或地面的触摸来控制cave界面的内容，完成触电追踪和手势/动作识别功能；实体标签系统213用于通过rfid传感器，构建电子标签系统，包括实物型标签道具和标签卡片等，用户能使用标签式道具与整个cave虚拟情景及内容完成交互，同时，通过电子标签系统能对不同用户进行身份id、内容设计等多种个性化内容定制，例如，用户可以将rfid场景卡片放置于特定感应区域，来唤醒或控制不同的场景内容；也可以通过时钟标签道具来动态改变整个虚拟场景的时间等。

传感器网络管理系统214用于将多个激光雷达、rfid传感器和红外摄像头部署在cave空间区域内，建立自适应的智能传感器网络跨层管理框架，包括跨层结构、配置引擎和数据管理系统，能实现协作地实时监测、感知、采集和处理cave环境内的对象信息，通过嵌入式系统对cave环境内的对象信息进行处理，并通过网络进行连接，从而实现整个cave教室系统内的多用户实时交互功能。

投影管理系统215利用数字图像边缘融合与无缝拼接技术、通道间的色彩与亮度平衡技术、数字几何矫正(即非线性失真矫正)技术、及多通道视景同步控制技术等，实现多个投影的同步运算及矫正拼接，将三维图形计算机生成的三维数字图像实时地输出并显示在一个多面的cave环境中，使观看者和参与者获得一种身临其境的虚拟仿真视觉感受。

用户管理系统216用于实现对cave教室的所有用户的信息管理，包括学生系统、教师系统、家长系统、维护人员系统、权限管理系统、管理员系统等；网络系统217用于实现对多通道内容(包括音视频和互动内容等)的视景同步渲染及播放功能，建造一种包围式投影可视协同环境，例如cave教室中观看视点的前后、左右、上下和旋转等同步，实时渲染场景内容与互动内容的动态同步，以及场景光照和环境数据的同步等；同时，通过网络实时通信环境及协议的技术方案，提供有效解决数据丢失和延迟的处理和补偿，实现单台主机实现对整个cave系统的操作和控制；具有系统自检功能，保证稳定性和可靠性；实现与云平台完成数据交换传输功能，例如系统修复、备份、检测和平台升级管理等功能，内容的上传、下载与认证管理功能；实现面向不同用户端的用户数据采集与分析功能。

图5为本实施例中内容版权认证管理系统的结构示意图，图5中，内容版权认证管理系统24包括相互连接的系统登录模块241、系统设置模块242、认证管理模块243、vr播放器244和移动客户端模块245；其中，系统登录模块241用于完成客户端用户登录及用户基本信息的管理功能；系统设置模块242用于进行密码修改、软件系统与硬件系统升级、本地数据库备份与恢复、硬件设备选择和互动设备选择功能；认证管理模块243用于进行内容上传与修改、认证登记，平台内容下载、本地内容管理、硬件设备认证、用户身份认证和认证记录功能；vr播放器244用于完成认证内容的播放和互动设备的连接使用功能；移动客户端模块245用于实现移动端认证内容查询和进度查询功能。

图6为本实施例中课程内容管理系统的结构示意图，图6中，课程内容管理系统25包括相互连接的系统登录模块251、课程内容管理模块252、课程内容教案模块253、课程内容查询模块254、课程内容信息统计模块255、系统操作指导模块256和系统数据管理模块257；其中，系统登录模块251用于完成客户端用户登录及用户基本信息管理功能，用户分为普通教师用户和学校管理员用户；课程内容管理模块252用于实现用户对本地及云端内容的管理，包括课程内容的信息编辑、删除、上传/下载、统计、分组、收藏、分享、内容隐私模式与访问权限的更改等操作；课程内容教案模块253用于实现用户创建新的课程内容和教案，对已有课程教案的编辑和修改功能，以及教案内容的预览功能，还实现对不同格式的课程素材文件的添加、删除与管理功能。

课程内容查询模块254用于提供多种不同的查询接口，包括综合查询，是面向所有访问用户的关键词查询功能，对于未注册的访问用户，能够查询到本地所有隐私模式为公开的课程内容，并进行预览；对于已登录教师用户，能查询到所有本人创建、收藏的课程内容以及本地和云端内容服务平台上所有公开的课程内容，对于管理员用户，能查询到本地的所有课程内容以及云端内容服务平台上所有公开的课程内容；针对具体课程教案内的查询，是面向已登录用户对某个具体课程内容内所使用的媒体内容、互动教具信息和备注信息等的查询功能，在查询时，用户可输入所要查询的关键词进行查询，同时支持单一关键词和多个关键词组合的查询方式。

课程内容信息统计模块255用于使用户创建、删除、修改个人本地及云端内容服务平台上的课程内容分类表，查看不同课程内容的下载量、预览量、播放量和浏览数据等，查看云端内容服务平台上所有公开内容的不同分类信息、统计与分析数据；系统操作指导模块256用于实现系统操作指导、平台使用指导和课程教案编辑系统操作指导功能；系统数据管理模块257用于实现硬件环境管理、互动教具管理、用户管理以及系统数据的备份与恢复功能。对于用户管理，学校管理员用户能够对该面向幼教的沉浸式交互cave教室的各教师用户及课程内容信息进行维护和修改，可以对该面向幼教的沉浸式交互cave教室的访问者、教师用户、系统使用数据和课程内容数据信息进行添加、修改、删除和查询等基本操作。

在使用时，首先通过硬件标准化系统1中的标准化硬件配置搭建面向幼教的沉浸式交互cave教室，连接云端内容服务平台22，自动进行系统及相应软件配置，同时提供在线远程协助、课程内容的在线更新以及内容的版权保护。然后启动系统自检程序，自动检测调整投影拼接顺序及效果，检测及调整墙面互动响应及互动控制范围，检测及调整地面互动响应和互动控制范围，检测及调整交互式教具识别和响应范围。最后启动课程内容，检测画面质量、透视矫正效果、内容互动响应和声音效果反馈等。

该面向幼教的沉浸式交互cave教室的优势在于，具有12通道的沉浸式虚拟环境、更优质的交互体验、超高画面分辨率、更简易的操作模式和更多样的互动内容，其显著低于国内外竞品的售价及成本。该面向幼教的沉浸式交互cave教室抛弃了沉重的vr头盔体验，强调更加健康和安全的自然化身体交互，使得儿童能够以第一人称的方式，完全融入逼真的场景、故事情节或游戏任务里面，实现情景式、沉浸式、交互式的学习和娱乐体验，既能满足孩子们的好奇心和求知欲，建立团体协作的意识，还能让孩子在学习过程中全身运动，身体素质因此得到充分的锻炼，是寓教于乐教育理念的最佳诠释。

总之，本实施例中，1)通过多种交互体验方式和课程系统，能帮助和激发小朋友实现自己在智力、创造力和社会协作中的所有潜力；2)基于交互式教具系统3，通过cavevr提供全系列的教具操作解决方案和虚拟交互场景，建立以小朋友为中心的学习模式。在体验过程中，鼓励小朋友被视为自身发展的创作者，他们的发展过程是自然地、充满活力的和自我导向的；3)提供课程系统、教学教案、交互教具系统和测试评估，还提供教师培训和技术支持，协助教师在学习活动中的完成引导和帮助的角色，使教学过程有趣并富有启发，引导小朋友去创造自己的世界；4)通过丰富的可交互虚拟场景、教具系统、多种互动方式及课程内容体系相组合与搭配，强调环境的设计与场景与规则的建立，是具有体验性、互动性和创造性的游戏式学习过程；5)通过任务化目标和情节式课程内容，将个体活动与团体协作有机结合；6)以3-6岁儿童学习与发展指南及美国创新式课程体系为核心，以小朋友的4c能力为目标，提供全套的交互操作和动手实践方案，能够不仅适用于自由游戏，而且适合针对更加结构式和目标化的学习目标进行游戏。通过提供有效且趣味十足的学习与娱乐体验，来吸引和促使小朋友探索世界、建造世界、发现自身的潜在能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。