【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数字实验教学领域，更具体地，涉及一种实体模型引导的增强现实实验教学系统。
技术介绍
1、在现代教育背景下，学生如何高效地在实验中实践课本中的知识受到广泛关注。传统的实验教学，需要学校实验室配备一定数量各式各样的实验仪器，以满足学生的需求。学生被限定在特定的课堂进行实验体验，且一些较为昂贵的实验仪器很难普及，购买成本和维护成本较大。并且对于一些危险实验用品与仪器，实验教学存在安全隐患。
2、目前已有的解决方案是使用虚拟现实(virtual reality，简称vr)。现阶段已有较为成熟的虚拟现实实验系统投入使用。学生通过佩戴虚拟现实设备，完全进入到虚拟的实验场景中，对虚拟的实验器件进行操作，观察虚拟实验现象。较之传统的实验教学方法，学生可以身临其境地参与复杂的实验，无需昂贵或者危险的实验仪器，降低了安全风险和资源成本。虚拟实验可以低成本地模拟不同的场景和条件，带来了更丰富、安全、互动性强的实验体验。
3、然而，虚拟实验教学系统仍存在一些缺陷。学生在实验过程中，全程需要佩戴虚拟现实头盔，双手通过操作手柄进行实验，设备较为笨重，使用不便。对于一些实验仪器，常常有比较严格复杂的操作使用要求，而学生对于虚拟模型的操作基本依靠手柄进行完成，并没有真正动手对实物进行操作，较难感受现实实验实物的使用过程，难以有效地让学生学习仪器的使用。因此减弱了学生在实验过程的动手实践过程，没有精细地对实验实物仪器的学习体验。
4、增强现实技术(augmented reality，简称ar)，是指将虚拟元素叠加
5、利用增强现实的实验教学系统既能保留虚拟现实的优势，并且增加了学生对实物的操作过程，更有实践体验。当前也有增强现实的实验教学系统的提出，但是实验过程中目标检测，虚拟三维模型的注册追踪受制于处理固定摄像头拍摄的图像，视野范围较小，并且当出现实体物品被遮挡等情况时，增强现实信息将会丢失，导致实验无法正常进行。并且增强现实实验信息通过外接屏幕显示，沉浸式实践操作较弱。故目前的增强现实实验方法与系统有一定的局限性。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种实体模型引导的增强现实实验教学系统，能够在保留虚拟实验系统丰富、安全、互动性强等优势的同时，利用增强现实技术加强实验过程中学生对实验仪器等实物的实践体验和精细操作。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种实体模型引导的增强现实实验教学系统，包括：
3、实体模型，与真实实验仪器的大小及形状外观相同且表面带有标识符；
4、三维注册模块，用于识别ar眼镜摄像头采集到的各实体模型上的标识符以确定各实体模型对应的真实实验仪器的虚拟模型；
5、处理模块，用于根据各标识符在ar眼镜摄像头中的位姿，将其对应的虚拟模型叠加至所述各标识符上，以使其显示在ar眼镜的屏幕上；
6、追踪模块，用于根据实验室的三维点云场景信息计算各实体模型的实时位姿以同步更新对应的虚拟模型的位姿，所述处理模块根据所述虚拟模型的位姿信息更新渲染虚拟模型；其中，所述三维点云场景信息通过多个深度摄像头采集；
7、动作判别模块，用于在ar眼镜摄像头采集到预设手部动作时，根据所述三维点云场景信息确定被施加所述预设手部动作的实体模型，并将所述预设手部动作施加至对应的虚拟模型，以更新虚拟模型的显示状态；
8、状态判别模块，包括：
9、实验状态判别单元，用于在虚拟模型之间的位姿关系满足预设位姿条件时更新所述预设位姿条件下显示状态发生改变的虚拟模型的显示状态；
10、实验错误判别单元，用于在根据虚拟模型的位姿或虚拟模型之间的位姿确定发生错误实验操作时进行提醒。
11、按照本专利技术的第二方面，提供了一种如第一方面所述的实体模型引导的增强现实实验教学系统的运行方法，包括：
12、s1，当学生看向实验操作台上的实体模型时，所述三维注册模块识别各实体模型上的标识符，所述处理模块根据各标识符在ar眼镜摄像头中的位姿，将其对应的虚拟模型叠加至所述各标识符上，以使其显示在ar眼镜的屏幕上；
13、s2，当学生操作实体模型模拟真实实验操作时，所述追踪模块根据实验室的三维点云场景信息计算各实体模型的实时位姿以同步更新对应的虚拟模型的位姿，所述处理模块根据所述虚拟模型的位姿信息更新渲染虚拟模型；所述动作判别模块在ar眼镜摄像头采集到预设手部动作时，根据所述三维点云场景信息确定被施加所述预设手部动作的实体模型，并将所述预设手部动作施加至对应的虚拟模型，以更新虚拟模型的显示状态；所述实验状态判别单元在虚拟模型之间的位姿关系满足预设位姿条件时更新所述预设位姿条件下显示状态发生改变的虚拟模型的显示状态；所述实验错误判别单元在根据虚拟模型的位姿或虚拟模型之间的位姿确定发生错误实验操作时进行提醒；
14、s3，当学生完成实验后，保存ar眼镜摄像头记录的实验过程。
15、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
16、本专利技术提供的系统，将增强现实技术运用到实验教学领域，不仅实验教学成本低、实验内容丰富、实验安全性高、实验可执行性较强、互动性强、沉浸式体验感强，而且学生通过操作实体物品来进行增强现实实验，有较好的动手实践体验，同时提升学生精细的实验操作，加强学生对实验仪器的使用规范。此外，通过实验室四周部署的摄像头，实验进程中学生的行为和虚拟模型的状态被全方位检测，不会由于摄像头视野或者遮挡问题影响实验的进程。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种实体模型引导的增强现实实验教学系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实验状态判别单元实时监测虚拟模型之间的位姿关系和关联关系，当位姿关系满足预设位姿条件且关联关系满足预设关联条件时，确定所述预设位姿条件和预设关联下显示状态发生改变的虚拟模型，并更新其显示状态。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述关键词包括实验仪器名称、实验名称及AR眼镜控制指令；
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述追踪模块、动作判别模块及状态判别模块均集成在与深度摄像头连接的服务器中；
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述追踪模块根据实验室的场景信息进行点云重建，通过点云融合及点云配准实时更新已注册虚拟模型的位姿。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AR眼镜还用于在实验开始前显示实验指南
10.一种如权利要求1-9任一项所述的实体模型引导的增强现实实验教学系统的运行方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种实体模型引导的增强现实实验教学系统，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实验状态判别单元实时监测虚拟模型之间的位姿关系和关联关系，当位姿关系满足预设位姿条件且关联关系满足预设关联条件时，确定所述预设位姿条件和预设关联下显示状态发生改变的虚拟模型，并更新其显示状态。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，还包括：
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述关键词包括实验仪器名称、实验名称及ar眼镜控制指令；
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