基于学生生活现实

基于学生生活现实（精选7篇）

基于学生生活现实 篇1

在当前作文教学中, 学生感到作文难, “没意思”。每次作文不是草草了事, 就是东拼西凑。作文水平总是提不高, 尤其当今教育发展的新潮流, 要求应试教育向素质教育转变。如何写作文, 师生往往是望而生畏。要想真正提高学生的素质, 培养学生的写作能力, 就必须坚定地走出当前作文的误区, 寻找一条作文教学的改革之路。

中考作文的命题也体现了“写作离不开生活, 服务于生活”的原则。这就说明作文教学只要扎根于现实生活的沃土, 就能成功。学生的世界是宽广的、丰富多彩的。

家庭中有幸与不幸;有盆盆罐罐, 磕磕碰碰;有悲欢离合, 生离死别;有希冀, 有得失。孩子对父母的情感, 有仰慕、敬佩、尊重;有讨厌乃至憎恨。以上这些, 信手拈来, 皆可成文。

学校的环境、纪律、校风、校训及教师等都影响着每一个学生, 碰撞每个幼小的心灵, 迸出种种火花。如学生心目中的老师, 性格、工作、讲课如何, 对学生怎样, 衣着是否讲究, 何其丰富。学生呢, 优秀者清高孤傲, 落落寡欢, 低劣者畏首畏尾, 自卑自贱, 或有的孤芳自赏, 自怜自爱, 性格或热情如火或冷漠似冰, 或活泼好动或喜静独处, 或深沉或直率;细细道来, 多如牛毛。

社会是一个万花筒, 小到花草虫鱼, 邻里琐事, 大到国家大事, 社会焦点。学生自身的苦乐喜忧, 爱恨歌泣, 娓娓诉来, 一部洋洋洒洒的感情历程。

我们常教导学生“我手写我心”“作文要写真人真事, 说真话, 才会感人”“真实是成功的一半”。而学生呢, 却在编作文:写家庭的作文, “家丑不可外扬”, 父母性格中的懦弱或粗暴或蛮横或恣肆, 这些性格一般是见不到的。写学校题材的作文, 学生心中有杆称, “宁愿编, 不可得罪老师”。老师家访好不好, 惩罚学生对不对, 处理某事公不公, 学生不敢写, 丰富的学校生活变得乏味, 著名教育家魏书生说过:事物有两面性, 阳面、阴面, 薄如蝉翼的纸亦是如此, 正是阳光下的镜子, 明亮而耀眼, 可另一面, 暗多了。作文要写真事, 说真话, 那么暗面就不是真事、就不是生活了吗?只写一面不但限制了学生的视野, 而且培养了他们圆滑事故, 虚伪自私的性格。所以我们的作文教学其实是一种独断、专制的模式, 在让学生说真话时, 恰恰鼓励他们讲假话, 一个令人窒息的环境, 要提高作文水平真是天方夜谭。因此, 要改变这种柴米堆积却无米下锅的现状, 老师应该解放思想, 放开手脚, 发挥主导作用, 取消学生的思想顾虑, 对他们以鼓励、抚慰、支持, 而不是嘲笑、挖苦、打击, 要敢于对学生说, 家丑也可扬一扬, 短也可揭一揭, 暗面也可曝曝光, 使学生敢讲真话, 敢写实事、真事, 真正实现“我手写我口, 我手写我心”。

写作文, 只要勤于动笔, 善于观察, 以临池学书, 池水为墨”的王羲之为楷模, 勤恒结合便会对写作产生兴趣。只要养成良好的写作习惯, 坚持写作就一定会游到理想的写作彼岸, 写出好的作文。

基于学生生活现实 篇2

一、设计要自然、贴近生活

教师在教学时可以根据不同的教学内容,选择教学导入方法。散步作为日常生活中的一件小事,与学生的生活息息相关。但由于目前的大部分学生喜欢玩电脑、手机。散步这个日常活动渐渐与他们远离,那么在教学过程中如何拉近学生与课文之间的距离呢?在此,我的教学导入设计用情境导入法来引导学生进入课文学习。

“同学们,你和你的家人一起散过步吗?到哪里去散步?(学生们自由举手回答,教师进行总结引导)今天,就让我们跟随着作者莫怀戚一家一起去田野散步。请打开书本。”

这样的教学设计,以提问形式让学生去说自己的散步经历,一方面可以拉近学生与课本的距离;另一方面在学生自主发言的过程中,教师可以引导学生辨别好坏,进而一步步树立正确的价值观。例如少玩电脑游戏、手机,去体会和珍惜父母的爱等等。所以,设计这样自然、贴近学生生活的导入,不仅可以使学生积极发言,还让学生在讨论和发芽中学得知识。

二、引导学生品读细节,与文本进行深入对话

文章细节是我们在教学中最容易忽视的,也是在课文教学中最应该抓住的,在《散步》中有几个细节值得我们重点研读。在教学的过程中,要引导学生一起找到文章的细节所在,并且细细品读。我的教学设计以问题为主线,引导学生了解课文内容,并且与文本进行深入对话。

(一)品读细节

一是文章开头“我们在田野散步:我,我的母亲,我的妻子和儿子”。作者在此没有直接写道:“我们在田野散步:我,母亲,妻子,儿子”,这是为什么?

二是文章第三自然段:“我的母亲又熬过了一个严冬。”鉴赏“熬”字,表现了作者怎样的思想情感,这样写有何好处?

(二)与文本对话

一是分析在田野散步发生分歧时的场景和面对分歧时作者的心理活动。思考面对分歧,作者当时是什么样的状态?用课文中的一句话来概括。其次请把“我”当时的心理活动补充完整。你在生活中遇到过这样的事情吗?最后,结合课文和学生自己的亲身经历提两个小问题:一是我们可以感受到母亲对小孙子的什么感情?二是作者为我们展示了什么样的家庭?(合理即可)

二是品味课文最后一句话:“我”和妻子是如何背着母亲、儿子走过那条小路的?为什么说“我背上的同她背上的加起来,就是整个世界”?

三是品读课文两处景物描写。指导学生思考找到景物描写的关键词,思考其中所表达的思想感情及这两处景物描写的异同。

“解读文本,分析文本,只有从文本中提出问题才能进入文本,不从文本中提出问题,远离文本,对文本的核心价值,不但没有深化之功相反有歪曲之嫌。”就如从去年一直备受学术界关注的“李韩之争”,双方就该怎样解读文本进行了热议,以《背影》为例。我们在引导学生与课文《散步》深度对话时,注意三点:首先让学生了解作者及生平;其次是整体感知,把握文本中的主要内容及提炼出课文主题;最后是重点研读,带领学生揣摩文本中的一些重点字词。在对文本进行深度解读时,不能一味地拔高,使解读趋于“假、大、空”,停留于表面的热闹。

三、尊重文本,提炼主题

在教学过程中,尤其是提炼主旨部分,适当的主旨升华是十分必要的。但有的教师在总结文章主旨时,总是习惯性给课文带上“假、大、空”的帽子,导致学生学得一头雾水,似懂非懂;教师的教学效果也不理想。因此,教师在教学过程中,要立足于文本实际,总结升华主旨。

在解读分析《散步》时,要紧扣课文主题。当我读到“我的母亲又熬过了一个严冬”时,“熬”字有作者的欣慰,透漏出作者对母亲的关爱,在寒冷的冬天,作者的母亲在痛苦中煎熬时,他也在担心。此时,作者对母亲的爱是关心,是担心,是盼望。当我读到解决分歧时,作者的慎重考虑,那种责任感正是现在社会成年人所缺少的。在这里,爱就是牺牲自我,是责任。当我读到文章最后,品味“好像我背上的,和她背上的加起就是整个世界”时,课文中所展现给我们的是作者对母亲的责任和浓浓的爱。我们在提炼主旨的时候,要带领学生在课文中找到体现主旨的原文,最后师生一起总结出作者有一个温馨和谐的家庭,爱时时刻刻融化在我们生活的小事中,引导学生树立“尊老爱幼”的观念,珍惜父母的付出,学会感恩。

总而言之,教学设计应贴近学生的现实生活,避免晦涩、难懂,这样教师教学才能持续有效,学生才能在学习中获得乐趣。

参考文献

基于学生生活现实 篇3

“认同” 这一术语由心理学家埃里克·埃里克森 (Erik.H.Erikson) 首次使用于心理研究领域。 在他看来, 认同是“一种熟悉自身的感觉, 一种知道个人未来目标的感觉, 一种从他信赖的人们中获得所期待、认可的内在自信”[2]。 认同具有两个层面的内涵: 在个体层面上, “认同是指个人对自我的社会角度或身份的理性确认, 它是个人社会行为的持久动力”[3];在社会层面上, “认同则是指社会共同体成员对一定信仰和情感的共有和分享, 它是维系社会共同体的内在凝聚力”[4]。因此, 社会主义核心价值观认同不仅是一种“社会成员通过生产生活、交往互动, 逐步调整自身的价值结构以接受、遵循核心价值观, 并用以规范自己行为的过程”[5], 而且是核心价值观作为科学思想理论形态与主体日常意识形态相互转化的动态过程, 是核心价值观大众化与主体接纳内化的有机结合。

一、现实的人的需要是社会主义核心价值观认同的现实土壤

当前, 核心价值观认同的相关理论研究和实践探索取得了很大进展, 但同时也面临诸多现实困境。 就理论研究而言, 一方面, 目前“社会主义核心价值观的认同问题主要还是被视为一个思想认识问题”[6], 认为社会主义核心价值观的确立和践行是先进、正确的价值观与落后、错误的价值观之间的较量、角逐与克服的过程, 属于思想和意识领域的工作。 另一方面, 社会主义核心价值观的认同机制研究主要还是从心理过程的角度加以展开, 认为要从认知、情感、意志等认同过程加以影响直到行为认同得以落实。 以上认识势必会形成这样的思维定势, 即:对于根本利益一致的教育对象而言, 关键是核心价值观教育在理论上做到内容完备、逻辑精密, 在宣传载体上做到覆盖全面、先进迅捷, 如此, 教育对象自然可以接受并实现认同。 这一理论倾向映射于实践中, 便体现为核心价值观的教育中重宣传示范等外在机理和新媒体等新兴渠道的功能和地位。 同样, 在高校以大学生为对象的培育工作中, 重点仍放置于借助课堂教学、报告演讲、知识竞赛、主题实践活动、新媒体网络等形式以对学生晓之以理、动之以情、育之以行, 以期达到大学生内化于心、外化于行的效果。

实践证明, 当前大学生社会主义核心价值观的认同工作还面临一定困境, 集中体现为:一方面大学生普遍认同核心价值观, 并对国家建设、社会进步、个人发展表现出肯定态度和热情关注。 另一方面, 少数大学生对核心价值观的认同在不同程度上表现出认知片面、知行脱节的现象。 究其原因, 除了社会转型带来的诸多矛盾、市场经济利益导向带来的冲击、互联网技术带来的多元思潮裹挟等宏观因素之外, 还有一个关键原因在于当前核心价值观教育工作忽视了“现实的人的需要”这一重要维度, 忽视了从现实的人的需要出发以激发个体认同的内在动力。 市场经济体制下, 人民内部矛盾主要是在根本利益一致基础上的具体利益的分化和矛盾, 而这也往往表现为代表不同利益诉求的多元价值观念间的冲突。 本质上说, 利益即是“需要在生产关系上的表现”[7], 而“‘价值’这个普遍的概念是从人们对待满足他们需要的外界物的关系中产生”[8]。 因而, 利益矛盾和价值冲突即是在资源有限的条件下, 不同群体基于不同的需要结构和发展水平为各自的生存和发展产生的冲突和矛盾在物质层面和精神层面的体现。 正是这种基于现实需要的矛盾和冲突影响着一些大学生社会主义核心价值观的认同。

由此, 大学生社会主义核心价值观的培育和弘扬不仅是对其精神层面的改造与提升, 而且是必须扎根于大学生所处的现实生活土壤、扎根于大学生作为现实的人的需要而开展的实践活动。 对此, 马克思需要理论为我们提供了必要的理论依据和方法指引。 在马克思主义理论中, 需要范畴是考察分析人类全部历史活动的根本出发点, 具有丰富的内涵。首先, 人的需要源于现实的人的本性。裴德海认为人的本性展现为“三重生命的存在”, 即“人直接地是自然存在物”、“个人是社会存在物”、“人是自由的有意识的活动”的存在物[9]。 人的三重属性决定了人在动物性、社会性和意识自觉性的复杂交织下需要结构的丰富性和层次性;其次, 人的需要体现为辩证发展的过程。 “已经得到满足的第一个需要本身、满足需要的活动和已经获得的为满足需要而用的工具又引起新的需要, 而这种新的需要产生是第一个历史活动”[10]。 即, 人性的复杂性和层次性决定了人的需要及其满足方式的复杂性和层次性, 人的社会历史性决定了人的需要的实现是能动性与局限性、主动性与受动性矛盾运动的过程, 人作为思想和实践主体的自觉性决定了人的需要的发展性;再次, 以人为本, 要尊重人的需要作为价值尺度的原始依据, 要追求个人需要同社会需要的和谐统一。

总之, 现实的人的需要不仅构成了核心价值观认同的基础, 而且决定了核心价值观认同的差异性、层次性和复杂性, 为核心价值观认同提供了的驱动力。 要有效提高大学生核心价值观的认同度, 必须从其需要结构着手并改善我们的工作。

二、掌握大学生的需要特征是增进社会主义核心价值观认同度的前提

对大学生群体而言, 对于社会主义核心价值观的认同与否不仅取决于核心价值观自身的科学性、 先进性和完备性, 而且取决于在具体的生存和发展境遇中, 在大学生自身及教育工作者的协同努力下, 能否理解内心多重需要及困惑矛盾, 找到实现国家、 社会和个体需要之间的最佳平衡点, 最终引导多层次、多维度需要的和谐健康发展, 真正将核心价值感纳入内心、化为行动、成为习惯。 要达成这一点, 必须对当前大学生的需要结构及其特征有全面的了解和清醒的认识。

相关数据显示, 我国大学生群体的需要结构呈现出相对稳定性和具体差异性的双重特征。 上世纪80年代初开始, 我国学者即采用调查问卷的方法对于大学生的需要倾向与德育的关系问题展开了专门研究。 到了新世纪, 学者开始对于不同地域、学科、院校、家庭经济背景的大学生群体展开细化研究, 取得了较为丰富的成果, 为我们了解和掌握大学生群体需要结构的现实状态和发展趋向提供了宝贵线索。分析30年来大学生需要研究的相关文献可以发现:一方面, 大学生群体需要结构整体上具有相对稳定性, 并呈现出一定的共性和普遍性。 如孙宝志、 景汇泉自上世纪80年代至2001年的持续跟踪调研表明, 不同年代、不同大学间大学生的需要层次密切相关, 具有一定稳定性、连续性和普遍性特征。 大学生的三类基本需要由强到弱依次为成才需要、成长需要和服从需要, 反映出由计划经济向市场经济转型过渡时期, 我国大学生需要结构的宏观变迁趋势[11]。另一方面, 大学生群体的需要结构也因时代、地域、家境、学科、年级等因素呈现出较为明显的具体差异性。 时代差异方面, 王萍以黄希庭编制的“大学生需要结构调查问卷”对20世纪90年代的大学生进行调查, 发现大学生生理需要的相对强度低于80年末的大学生[12]。而黄希庭于上世纪80年代对大学生展开的18中需要研究中并无明确的“就业需要”概念, 但时建朴、刘卫红等在20年前后发现“求职需要”成为大学生群体新兴强势需要[13];学科差异方面, 如石沙泉等研究表明, 军校大学生的优势需要依次主要为:身体健康、发展、保持个性、求知和成就需要[14]。而牛勇等以北京工科大学生为对象的调研问卷结果表明, 其优势需要依次为:友情的需要、维持生存的需要、自尊自立的需要、身体素质开发的需要。 各年级之间在需要结构上总体呈现出一致性的, 但在强弱排序上则因年级、性别、家庭经济背景的不同而存在显著差异[15];家庭经济差异方面, 郑永廷早在2005年注意到贫困大学生对于物质、精神和心理上的多重需要[16]。

大学生群体的需要结构呈现出矛盾性。 大学生群体正处于人生关键的转折期和过渡期, 经济上尚未独立, 思想上活跃积极, 需要意识迅速觉醒, 呈现出诸多矛盾。 主要体现在三个方面:一是物质需要与精神需要之间的矛盾。 对于正处于人生黄金时期的大学生而言, 既需要一定物质基础以承担学业、维持生活、开拓社交, 又强烈表现出在归属感、爱与尊重、自我实现等方面的精神需要。 囿于大学生自身尚无独立的经济来源, 对于费用开支、就业前景等现实因素较为敏感, 往往在物质需要与精神需要、基本需要与更高层次需要的满足之间徘徊、无法兼顾。 二是理想性需要与功利性需要之间的矛盾。 大学期间往往是理想与现实激烈碰撞、理想性需要与功利性需要激烈冲突的阶段。 尤其在我国由计划经济体制向市场经济体制的转型期, 作为社会结构、体制变迁在主体思想意识中的反映, 社会群体及个人的需要呈现出理想性与功利性之间的矛盾。 相关调研结果发现, 身处社会转型期的当代大学生既有个人全面发展的成长需要, 也注重学分绩点、奖助学金、就业机会、是否保送研究生等具体的现实问题, 反映出当前大学生需要的理想性和功利性并存。 三是个人需要与社会需要之间的矛盾。 一个时代的精神和主导价值会影响人们的价值追求和需要倾向。 随着社会主义市场经济体制的建立健全, 个人需要与社会需要之间的矛盾也日益显著。 调研结果表明, 仅就北京工科大学生需要结构而言, 其维持生存需要强度较高, 奉献需要强度则降低至了。

三、基于需要提升大学生社会主义核心价值观认同度的路径探讨

当前大学生需要结构现状和特点构成大学生社会主义核心价值观培育与践行无法忽略的重要维度, 而马克思需要理论与核心价值观的内在关系为我们更好提升地大学生社会主义核心价值观的认同度提供了理论依据和方法指导。

(一) 立足大学生现实需要, 尊重普遍性与差异性。

正如马克思所言“‘思想’一旦离开‘利益’, 就一定会使自己出丑”[17]。 大学生作为社会主义核心价值观教育的重要接受者和承担着, 其现实需要是否得以满足、何种程度的满足及如何满足直接影响到其对于社会主义核心价值观的认同度。 因此, 核心价值观的教育既要真正了解大学生的现实需要, 把握其普遍性和规律性, 也要有针对性地开展教育, 充分尊重其需要的层次性和差异性。 一方面, 要借助问卷调研、网络舆情等渠道, 及时全面地了解当前大学生的多元需要, 掌握当代大学生群体中具有普遍性和规律性的需要特征, 牢牢抓住核心价值观教育的主动权。 另一方面, 要有的放矢、因材施教, 做到尊重教育规律和大学生需要特点基础上的差别化教育。 具体包括要充分考虑大学生群体在性别、年级、学科、地域、民族、家庭经济状况等方面的差异, 准确找到与教育对象特定需要和利益相契合的具体教育内容、方式和途径, 适时、适度、适宜地开展各类教育活动, 而不能一成不变、因循守旧、流于形式。

(二) 着眼于当前时代特征, 兼顾现实性与引导性。

首先, 核心价值观教育应当直面大学生追求功利性需要、关注个人利益的真实心态。 虽然目前我国已初步建立社会主义市场经济体制, 极大地解放并发展了生产力, 国家经济总量和人民生活水平实现飞速提升, 但也带来了市场经济体制不够健全、经济秩序不够规范、利益协调机制还不够完善等诸多问题。 以利益为导向的市场经济环境下, 以上问题的叠加更加促使包括大学生在内的社会大众相比以往更加追求个人利益、关注利益得失, 并易出现需求上的困惑和冲突。 社会主义核心价值观教育不应也不能回避当代大学生追求切身利益、关注个人需要的满足的实际心态。 对此, 要引导大学生认同并践行社会主义核心价值观, 必须一方面充分尊重大学生现实性的需求, 在日常教育中做到理解学生、尊重学生、关爱学生, 将学生所思所想、所盼所虑作为开展教育、启发思考、引领观念的起点。另一方面, 充分利用大学生需要的发展性特征, 要积极帮助学生澄清真实需要、拨开价值困惑、优化需要结构、将个人需要与社会需要、 功利性需要与理想性需要有机结合, 焕发内在认同动力, 自觉地将社会主义核心价值观内化于心、外化于行。

(三) 落脚于习惯养成和社会实践, 增进实效性。

基于视线跟踪的增强现实交互 篇4

增强现实系统通过三维注册技术利用附加的图形或文字等信息对用户周围真实世界的场景动态地进行增强,期望用户能够像在现实世界一样在增强信息空间中自由活动[1]。目前国内外研究人员采用的三维注册方法无论是基于方位跟踪设备,基于计算机视觉,还是基于视觉-方位跟踪器混合跟踪,都是通过跟踪用户头部方位,获取头部位置信息的变化来实现虚实信息的叠加[2]。视觉通道是人类与外部环境之间最重要的信息接口,人在增强信息空间中活动除了头部运动外,眼睛也在转动,以头部位置去近似视线方向,不考虑人眼运动,虚拟信息的注册误差最大有20°。在复杂机电设备维修、军用飞机导航、武器瞄准、医疗手术等特殊的应用领域,对注册精度的要求达到亚毫米级,较大的注册误差将直接威胁到生命的安全。而在娱乐、教育培训等应用领域,较大的注册误差,将破坏用户对其周围真实环境的正确感知,改变用户在真实环境中的动作协调性,因此,增强现实系统必须能够实时地检测出用户的头部位置和视线方向,跟踪使用人员视线的变化,根据这些信息实时确定所要添加的虚拟信息在真实空间坐标中的映射位置,将虚拟信息显示在正确的位置[3,4]。目前,美国的Nvis公司的视频透视式增强现实头盔已经配备有视线跟踪功能,日本的ISCAN公司也在进行类似的研究。

2 系统集成原理和光路设计

具有视线跟踪功能的增强现实系统既要能够跟踪用户视线方向,获得用户在场景的感兴趣区域,又能体现增强现实系统三维注册、实时交互和虚实融合的特点,既不能降低两者性能,又不能干扰用户注意力,给使用人员增加额外负担。图1为具有视线跟踪功能的增强现实头盔光路图,视线跟踪系统的光路包括放置在眼睛斜上方的红外LED发出红外光照射到用户眼睛,人眼反射的红外光通过其前方的半透半反分光器反射之后被红外高反滤光片反射改变方向经红外高透滤光片进入红外眼摄像机成像。眼摄像机得到眼球的完整图像,将从Purkinje斑点到瞳孔中心的二维向量记作P-CR瞳孔-角膜反射向量,显然,P-CR向量与计算机屏幕上注视点向量有一一对应关系,通过映射函数将P-CR向量映射到注视点向量,达到视线跟踪的目的;增强现实光学透视式头盔光路为显示在头盔LCD显示器上的虚拟信息发出的光线经透镜之后照射到半透半反分光器上,从该分光器反射的光线被人眼接收,使人眼能够感知虚拟信息;另外场景光线经半透半反分光器后照射到人眼,使用户能够同时感知真实场景和虚拟信息,获得真实场景的增强效果。

基于视线跟踪的增强现实系统原理如图2所示,首先通过视线跟踪系统实时跟踪用户眼睛注视点在真实场景中的位置;然后根据预先保存在数据库里的场景先验知识,由场景摄像机获得的场景图像结合注视点在真实场景中的坐标判断用户的感兴趣区域和具体注视目标;最后,依据当前识别的目标信息去查询虚拟对象数据库,获得与真实场景匹配的虚拟增强信息,采用增强现实三维注册和虚实融合技术,对当前用户感兴趣区域目标进行信息增强。其中,视线跟踪部分用于获取用户的注视点,对应于ΤO←E的求解过程;虚拟增强信息显示部分实现对用户的感兴趣目标区域进行信息增强,对应于ΤH←O的求解过程。

3 视线跟踪系统ΤO←E的计算

注视点在眼坐标系E的坐标为Fe=[xe,ye,ze,1]T,在屏幕坐标系O下的坐标Fo=[xo,yo,zo,1]T,由图2描述的关系可知:

其中:ΤB←S由电磁式位置跟踪器实时跟踪得到;ΤR←E可由头部静止的视线跟踪系统得到;ΤO←B和ΤS←R由系统标定过程得到。

3.1 ΤO←B和ΤS←R的标定

采用欧拉角和平移向量描述ΤO←B和ΤS←R参数可减少到12个,其中前6个参数描述ΤO←B,后6个参数描述ΤS←R。标定时,用户始终注视眼睛前方透明玻片的中央圆点,那么眼坐标系E在位置跟踪器感应坐标系S是不变的,眼坐标系E与眼主视坐标系R重合,且注视点在E的x轴上。其中,[xo,yo,0,1]T为注视点在屏幕坐标系坐标,[xe,0,0,1]T为注视点在眼坐标系坐标,I为单位矩阵,反映了标定时眼坐标系E与眼主视坐标系R重合的事实[5,6]。

将式(2)展开可以消去xe改写为

其中:gxy为由注视点计算算法计算得到的二维屏幕坐标,P为12个模型参数集合,MB←S为位置跟踪器读数校准后的值,F是注视点计算函数。Gxy为标定过程中采集的实际注视点屏幕坐标,n为注视点的总个数,定义平均注视点误差Dmean为

由(2)和(3)ΤO←B和ΤS←R的标定是一个迭代优化求解过程,不断调整P的各个参数,使得Dmean最小。

3.2 ΤR←E的标定

此步标定要求用户头部保持静止且眼主视坐标系R的x轴与屏幕平面近似保持垂直。由于眼当前坐标系E与眼主视坐标系R的坐标原点均为眼球旋转中心,因此ΤR←E只包含反映旋转的分量。假设标定时主视注视点的屏幕坐标为C(xc,yc),眼睛旋转中心距离屏幕的距离为D,位置跟踪器的读数为M(x,y,z,θ,φ,φ),眼睛注视屏幕任意点时,由视线跟踪系统计算得到的屏幕坐标为P(xg,yg)。从眼主视坐标系R变换到注视P(xg,yg)时的眼坐标系E可分解为:绕眼主视坐标系R的z轴旋转β角度到临时坐标系;绕临时坐标系y轴旋转α角度到E,由α和β可得ΤR←E。

3.3 注视点计算

系统标定完成后,可通过式(6)计算用户注视点在屏幕坐标系下的坐标[X,Y,0,1]T

式中:r1、r4、r7、tx、ty、tz为ΤO←E的元素。

4 虚拟信息注册ΤH←O的计算

为了将虚拟增强信息准确放置在真实场景中,需要获得当前场景坐标系与光学透视式头盔显示器坐标系之间的变换关系,即求解世界坐标系与光学透视式头盔显示器坐标系的相对变换关系ΤH←O[7,8]。

其中:T-1O←B可由视线跟踪系统的标定得到,T-1B←S可由位置跟踪读数计算得到。TS←H的标定步骤见下。

佩戴美国NVIS公司的n Visor ST光学透视式头盔,光学透视式头盔显示器的标定采用SPAAM单点对准算法[6,7],把人眼和光学透视式头盔显示器看作一个虚拟摄像机,通过摄像机针孔模型来对它进行标定,基本步骤如下:

1)在显示器任意位置显示一个真实标志点,并记录该点的世界坐标[xw,yw,zw,1]T;

2)计算机生成n(n≥6)个虚拟标志点,按等间距排列显示在光学透视式头盔显示器上,记录这n个点在头盔显示器坐标系下的坐标[xi,yi,1]T。用户移动头部,使得虚拟标志点与眼睛看到的屏幕上标志点完全重合,每对准一个标志点,记录一次位置跟踪器读数;

3)依据TO←B由视线跟踪系统标定,TB←S由位置跟踪器实时读出,计算真实标志点在位置跟踪器接收器坐标系下的坐标[XMi,YMi,ZMi,1]T;

4)将[xi,yi,1]T和[XMi,YMi,ZMi,1]T代入式(8)用SVD分解法求解TS←H。

5 集成系统虚实信息交互的实现

5.1 具有视线跟踪功能的增强现实头盔

具有视线跟踪功能的增强现实头盔主要包括场景摄像机、耳机和话筒、电磁式位置跟踪器发射器、瞳孔间距调节旋钮、头盔垂直调节旋钮、头盔水平调节旋钮、头盔内衬、头盔光路盒。头盔光路器件包括微型彩色高分辨LCD显示器、红外高透滤光片、红外高反滤光片、红外眼摄像机、红外光源、半透半反分光器,主要完成使用人员视线跟踪和虚拟物体显示功能;场景摄像机完成自然场景采集;位置跟踪设备采用电磁式位置跟踪器,内置于头盔上,完成头部位置跟踪。图3是采用三维建模工具Catia绘制的头盔及其内部结构效果图。

5.2 集成系统虚实信息交互原理

具有视线跟踪功能的增强现实系统交互原理如图4所示,真实场景摄像机在运动过程中拍摄场景图像,自然交互系统通过语音系统发出语音命令进行场景目标判断或通过视线跟踪系统获取注视点坐标,在当前的场景图像中提取操作对象特征并进行目标识别,获取对象的位姿信息[9,10]。针对识别出的目标,从虚拟对象数据库中匹配合适的虚拟增强信息,对获取虚拟信息进行变换和渲染并结合获取的对象位姿信息利用增强现实三维注册算法完成虚、实信息的融合显示。

5.3 增强现实交互培训系统

为了验证具有视线跟踪功能的自然交互式增强现实头盔的效果,在计算机屏幕上显示CFM-56型发动机照片并在其上设置一些辅助标志,标志在屏幕坐标系下的形状及方位信息作为先验知识保存在数据库中,当用户随机注视17个标志中的任意一个时,判断用户的注视点位置和标志的方位信息,利用增强现实融合显示程序显示匹配的发动机部件名称进行增强现实交互式发动机知识培训。

6 结论

本文将视线跟踪和增强现实技术相结合,构建了基于视线跟踪的增强现实集成原型系统,该系统既能跟踪用户的视线方向,获得用户在场景的感兴趣区域,又能体现增强现实系统的特点,取得了较好效果。目前,由于系统中所用电磁式位置跟踪器的跟踪距离有限且很容易受到周围铁磁物质的干扰,头部运动范围不能过大,对使用环境要求较高,因此该系统的稳定性和易用性还需要进一步完善。

参考文献

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基于增强现实技术的导航系统研究 篇5

增强现实(Augmented Reality,简称AR)是一种将虚拟物体和真实环境“无缝”叠加在一起的技术,将在现实世界一定时间空间范围内很难体验到的实体信息,如视觉信息、声音、味道、触觉等,通过电脑等技术模拟仿真后再叠加,将虚拟的信息应用到真实世界,被人类感官所感知,从而获得超越现实的感官体验[1]。相比于虚拟现实技术(Virtual Reality,简称VR),增强现实技术增强了人对真实环境的感知与交互,它具有以下3个特征:(1)虚实结合:将虚拟物体和现实世界结合在一起,实现感官上的统一;(2)三维注册:增强现实技术与混合媒体(Mixed Media)的区分点,虚拟物体必须准确地注册到真实世界中,与真实世界完美融合,要求虚拟物体的注册位置是三维的[2];(3)实时交互:实时感知用户操作并互动。

增强现实技术由于具有对真实环境进行增强显示输出的特性,在医疗研究、精密仪器维修、古迹复原、娱乐与艺术等领域具有明显的优势[3]。

目前大多数智能手机的导航软件都以2D或3D形式提供导航服务,但这些都是通过矢量数据来提供地图导航,满足不了用户获取实时交通路况的需求,用户体验较差。本文提出一种通过手机摄像头获取实时路况,通过高德地图接口获取导航信息,并利用增强现实技术将路线指引和路况合成渲染,以提供更加直观的导航系统。

1 关键技术

1.1 增强现实技术

增强现实技术在智能手机客户端有两种实现方式:

(1)基于视觉的增强现实技术。它的识别方式分为基于标志(Marker Based)和非基于标志(Markerless)两种。其中,基于标志的识别又分为固定模板类和自定义模板类。

基于标志的主要代表是ARToolKit,其为采用C/C++语言编写的库。主要原理是预先将标志(Marker)图像信息保存,通过图像识别技术将当前图像中的标志图像识别出来,然后在标识图像上叠加信息[4]。效果如图1和图2所示。

目前,增强现实浏览器魔眼(Junaio)和Trading Card游戏等都采用了这种技术。但这种模板匹配方式的误识别率较高,一旦标志被遮挡将导致跟踪失败,所以不适合运用于户外导航。

非基于标志的主要代表是PTAM(Parallel Tracking and Mapping),其主要原理是从摄影图像上捕捉特征点,检测出平面,在上面建立虚拟的3D坐标,然后合成摄影图像和动画。其特点在于立体平面的检测和图像的合成采用并行处理方式[5]。

(2)基于智能手机上的GPS和传感器的增强现实技术。通过GPS获取当前位置的经纬度和高度,通过方向传感(Orientation Sensor)获取面向的方向和倾斜的角度,然后根据这些位置信息叠加相关信息[4]。目前荷兰SPRXmobile公司研发设计的增强现实手机浏览器Layar、Wikitude公司开发的Wikitude drive与Wikitude World Browser等都基于这种技术。

本文采用基于智能手机的GPS和传感器的增强现实技术来实现户外导航系统功能。

1.2 Android手机传感器原理

目前大多数Android智能手机都配备有测量运动、方向和环境的传感器。包括:加速度传感器、磁力传感器、方向传感器、陀螺仪传感器、温度传感器等[6]。

本系统主要采用方向传感器。当设备保持默认方向时(见图3),X轴指向屏幕面板的外部,Y轴水平向右,Z轴垂直向上。在方向传感器SensorEvent类中的Values的3个值分别对应3个坐标轴的角度数据,含义如下[7]:

Values[0]:方向角的大小,也就是手机绕着X轴旋转的角度。Values[0]的取值范围为0~360。0或360表示手机朝向正北;90表示手机朝向正东;180表示手机朝向正南;270表示手机朝向正西。

Values[1]:倾斜角的大小,也就是手机绕着Y轴旋转的角度。Values[1]的取值范围为-180~180。当手机屏幕朝上水平放置时,Values[1]的值为0;将手机头部抬起,绕Y轴旋转,当手机屏幕朝下水平放置时,Values[1]的值为180;将手机尾部抬起,绕Y轴旋转,当手机屏幕朝下水平放置时,Values[1]的值为-180[6]。

Values[2]:侧翻角大小,也就是手机绕Z轴旋转的角度。Values[2]的取值范围为-90~90。当手机水平放置时,Values[2]的值为0;当手机屏幕面向左侧时,Values[2]的值为-90;当手机屏幕面向右侧时,Values[2]的值为90。

1.3 Android定位原理

本系统使用Android手机自带的GPS进行粗略定位,同时也使用高德地图提供的定位SDK进行精确定位。定位的基本原理:当应用程序向定位SDK发起定位请求时,定位SDK会根据当前的GPS、WiFi信息生成相对应的定位依据。如果需要,定位SDK也会向定位服务器发送网络请求,然后根据请求的定位依据推算出对应的坐标位置,生成定位结果后返回给定位SDK[8]。

2 系统实现

2.1 系统总体框架

系统流程如图4所示。

2.2 地图定位

在MainActivity中调用高德地图的地图SDK和定位SDK。首先进行地图初始化,加载地图,通过LocationManagerProxy每隔固定时间发起一次定位请求。再通过OnLocationChangedListener中onLocationChanged()方法使用aMapLocation.getLatitude()和aMapLocation.getLongitude()获得经纬度;AMapLocation.getExtras()方法获取位置的描述信息,包括省、市、区以及街道信息,并以空格分隔。最后将地图中心定位到该位置。地图可进行缩放。运行效果如图5所示。

2.3 路线规划

点击图5中的出发按钮,跳转到RouteActivity进行路线规划。路线规划有3种模式可以选择,分别为公交模式、驾车模式、步行模式。为了便于测试,我们只选择步行模式。可以选择输入起点和终点或者在地图上点击起点和终点。为了提高精确度,对起点和终点附近的兴趣点进行搜索,并显示在ListView上让用户点击确认。界面如图6所示。以起点为例,点击确认后,通过RouteSearchPoiDialog获得startpoiItem,再通过startpoiItem.getLatLonPoint()方法转换成起点的经纬度。获得起点和终点的经纬度,用searchRouteResult(LatLonPoint startPoint,LatLonPoint endPoint)方法进行路径规划。再通过回调方法onWalkRouteSearched()获取路径WalkPath,并将路径的节点WalkRouteOverlay覆盖在地图上,运行效果如图7所示。

2.4 增强现实导航

通过路径规划获取路径WalkPath,路径节点列表由walkPath.getSteps()获得。通过Intent将其传递到NaviActivity中。

在NaviActivity中先开启摄像头,创建一个相机预览的类cameraPreview,继承SurfaceView类,并实现SurfaceHolder接口。SurfaceHolder.Callback()方法进行预览。然后根据Intent传递过来的stepList,通过stepList.get(i).getAction()可获取一个节点的导航信息。根据其判断加载直行箭头、左转箭头或者右转箭头(箭头通过Android的Graphics类绘制而成)。本次测试中获取的第一个节点导航信息是左转,所以加载左转箭头,并用TextView将详细的导航信息显示出来,效果如图8所示。

2.5 传感器实时导航

从图8可以看出预先设定的预览屏幕是横屏,但是用户在导航过程中不可能将手机姿态一直保持水平状态,所以需要利用手机的传感器数据,使箭头根据手机姿态的变化而旋转,实时指向正确的前进方向。首先要注册和监听方向传感器,当传感器变化时,在SensorEventListener中获取传感器变化的参数数组。调用SensorManager.getRotationMatrix方法获取旋转矩阵,然后调用SensorManager.getOrientation方法获取有手机方位信息的参数数组。将数组转为角度信息,对应图3的X、Y、Z轴信息。把数组回调给绘制箭头的类ArrowView,控制箭头的旋转。手机横屏旋转后的效果如图9和图10所示。

最后当用户接近路径的下一个节点时,用Android定时器对导航信息和箭头进行刷新。

3 结语

本系统在Android平台下,采用高德地图接口实现地图定位和路线规划功能,并采用基于GPS和方向传感器的增强现实技术将指引箭头和路况合成渲染,给予用户更直观的导航体验。

本系统还可扩展到大型场所的室内导航,也可以把景点作为兴趣点应用于旅游景区导航。

参考文献

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[2]张振颖.增强现实技术在产品服务系统设计中的应用与研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[3]白慧东.嵌入式增强现实系统设计与实现[D].成都:电子科技大学,2010.

[4]曾浩.基于Android平台的增强现实导航软件的设计与实现[D].长沙:湖南大学,2012.

[5]孙俊.虚拟物体与视频图像融合算法在交通事故再现中的研究[D].南京:东南大学,2013.

[6]江亚炬.基于移动增强现实的导航系统的设计与实现[D].青岛:中国海洋大学,2014.

[7]RAGHAVSOOD.Pro Android Augmented Reality[M].America,Apress,2012.

基于学生生活现实 篇6

随着现代篮球技术的发展, 越来越多的年轻人加入了这个行列。定点投篮是现代篮球技术的基础。篮球投篮命中率与投篮的初速度和角度有着直接的关系, 文献[1-10]从不同角度讨论了最佳出手角度的问题。

最佳投篮角度一直是篮球理论的研究热点。对于理想的篮球轨迹模型, 高秀明[9]等用变分法研究了投篮最佳出手角的问题。他们从抗角度偏差最佳角、抗速度误差最佳角和出手最省力三个角度详细地讨论了投篮出手角的问题, 并得出符合实际的精确定量结果。冯大志[10]等根据理想的投篮轨迹模型, 详细研究了投篮最高点的最佳位置, 并进一步给出在目测情况下, 篮球投篮训练的双1/3法, 提高投篮的命中率。

铅球和篮球一样, 其轨迹也是类似抛物线。以什么角度进行投掷, 铅球能投得最远, 一直是研究热点。蔡志东[11]等考虑了两种情况。一是假设空气阻力与速度平方成正比, 给出了铅球运动需满足的微分方程以及相应的近似解;二是假设空气阻力与速度成正比, 给出了铅球最佳投掷角的实用方程。根据理想的铅球轨迹模型, 龚劲涛[12]等详细讨论了运动员身高、推力、角度衰减系数、铅球质量与最佳出手角之间的关系。

对于无阻力的投篮轨迹模型, 虽然用复杂的变分法[9]可以分析出最佳出手角度, 但原理复杂, 过程繁琐, 并且其几何意义是角平分线, 不利于指导实际投篮。

根据估计投篮最高点的最佳位置[10]也可以估计最佳出手角度, 若没有直接给出最佳出手角度, 同样不利于指导实际投篮。对于有阻力的抛物轨迹模型, 虽然根据抛物原理可以得出铅球最佳投掷角的实用方程[11], 但它并不是篮球的最佳投掷角, 而且其过程与结果相当复杂。

本文对于无阻力的投篮轨迹模型, 运用二次方程的判别式, 简单明了地导出最佳出手角度, 其几何意义是两点之间的直线, 有利于指导实际投篮。对于有阻力的投篮轨迹模型, 根据泰勒展开, 将有阻力的投篮轨迹模型与无阻力的投篮轨迹模型完美统一。在无阻力最佳出手角度的基础上, 进一步得出有阻力最佳出手角度和无阻力的最佳出手角度完全一样, 出手速度是无阻力出手速度的倍数。

1 有阻力时投篮轨迹方程

假设篮球是一个质点, 且忽略空气阻力, 可以得出篮球运动方程及曲线为[9]:

其中θ是投篮出手角度, v是投篮出手初速度, g是重力加速度, t是篮球运行时间, 由式 (1) 消去时间参数t得:

为了求出抗角度偏差最佳角[9], 先固定y, v, 求偏导:

进而得出抗角度偏差最佳角[9]为:

但实际上, 空气阻力是不可避免的。假设空气阻力f与速度v成正比, 即f=kv。

由牛顿第二定律可求出篮球位置与时间参数t的关系[11]:

将式 (5) 直接消去t得:

此式过于复杂, 不利于分析抗角度偏差最佳角等性质。

文献[11]中为了求出抛掷铅球最远时的出手角度, 对上式进行了简化近似。

利用级数展开e-kt/m, 则式 (5) 简化为[11]:

式中x, y均由t的二次函数表示, 如果直接消去t, 那么x与y的表达式仍然很复杂, 同样不利于进一步分析抗角度偏差最佳角等性质。

本文给出了一种新的近似方法, 使x与y的表达式较简单, 有利于进一步分析抗角度偏差最佳角等性质。

由文献[9]可知, 一般来说, 为一小量。利用级数展开如果展开时仅仅保留前二项, 则:

这与没有考虑空气阻力时, x与y之间的关系完全一样, 从另一个方面也说明了有无空气阻力时, 抛物线位置关系的一致性。因此, 本文考虑展开时保留前三项, 则:

也就是说, 有空气阻力时, 仅仅在没有考虑空气阻力的基础上, 添加一些项即可。如果展开时用无穷级数表示, 则式 (9) 中从第三项开始都含有阻力系数k。因此当不考虑阻力, 即阻力系数k=0, 代入上式即得到与不考虑阻力时, x与y之间的关系完全一致。

2 无阻力时最省力的投篮出手角度

对于忽略阻力投篮轨迹模型为[9]:

其中H1为出手的位置离地面的距离。

本文根据二次方程的判别式, 求出无阻力时最省力的投篮出手角度, 其具体方法如下。

假设篮筐离地面的距离为H2, 篮筐离出手的水平距离为S, 则:

消去时间参数t得:

要想此方程有解, 将tanθ看成一个整体, 则其判别式:

所以

即初速度的平方最小为:

将此时的初速度代入式 (13) 即可求出:

此角度即为最省力的出手角度。

这个角度的几何意义如下:

如图1所示, O是投篮出手点, P是篮筐中心, PM⊥OM,

下面证明, 此角度与文献[9]中的角度完全一致。

文献[9]中的几何意义, 如图2所示。可知:

则由万能公式知:

则即:

两种方法最后得出的结果完全一样。文献[9]中用复杂的变分法求出, 而本文仅仅用简单的二次方程的判别式即可。另外, 文献[9]中的几何意义是角平分线, 不利于指导实际投篮, 而本文几何意思是一条直线, 利于实际投篮瞄准。

3有阻力时最省力的投篮出手角度

对于有阻力的轨迹模拟方程, 由式 (9) 知:

将篮筐的位置 (S, H2) , 代入式 (17) :

由于此式非常复杂, 直接求最省力的出手角度较困难, 因此, 本文对此式进行近似简化, 将无阻力时最省力的出手角度和出手速度代入vcosα, 其余保持不变。

令则此式简化为:

按照无阻力时的情况, 将tanα看成一个整体, 则判别式:

即初速度的平方最小为:

将此时的初速度代入有阻力轨迹模型即可求出:

此角度即为最省力的出手角度。

从结果可以看出, 有阻力时, 其最省力的出手角度与无阻力时完全一样。而其出手速度是无阻力时出手速度的倍数, 如图3所示。

4 基于增强现实的投篮轨迹模拟

虽然运动员在篮球场上训练投篮可以增加投篮感觉, 但不能看见篮球运动的轨迹, 没有直观的认识。为了让运动员能实时看见自己投篮的轨迹, 本文开发了一个基于增强现实的投篮轨迹模拟系统。系统软件结构图如图4所示, 系统工作示意图如图5所示。

系统前模块, 主要目的是获取投篮出手速度和投篮出手角度。获取的方式, 是根据磁力跟踪器和数据手套实时记录手的位置, 按照一定的算法, 拟合出轨迹曲线, 最终得出出手速度和出手角度。

系统中模块, 首先根据系统前获取的出手速度和出手角度, 对虚拟篮球的轨迹按照前面抛物线的模型进行渲染, 然后判断虚拟篮球是否落入虚拟篮筐。

系统后模块, 主要目的是根据前面虚拟篮球运动轨迹以及是否落入虚拟篮筐, 对运动员给出指导性的建议、出手速度快慢问题和出手角度大小问题。

5 结语

投篮轨迹近似可以看成一条抛物线, 本文首先通过理论分析给出了最省力的出手角度。对于有阻力时, 通过泰勒展开式将复杂的投篮轨迹进行简化, 证明了当空气阻力趋于0时, 与没有考虑空气阻力的投篮轨迹完全一致。其次, 通过二次方程的判别式给出了在没有考虑空气阻力时, 最省力投篮角度的获取, 并给出了其几何意义。相对于文献[9]复杂的变分法, 本文方法简单明了。另外, 文献[9]给出的几何意义与角平分线相关, 不利于实际投篮的判断。而本文给出的投篮角度几何意义是两点之间的直线, 非常利于实际投篮的指导。然后, 本文进一步分析了在有空气阻力时最省力的投篮角度。如果直接仿照没有空气阻力时求最省力的投篮角度方法, 结果将非常复杂。本文巧妙地将某些变量用没有空气阻力的结果代替, 大大简化了求最省力的投篮角度方法。结果表明, 有空气阻力时的投篮角度与没有空气阻力时的投篮角度完全一致, 只是其速度是没有空气阻力时投篮速度的某个倍数。最后, 本文设计了一个增强现实系统, 让运动员实时看见虚拟篮球的运动轨迹和虚拟的篮筐, 有效地指导运动员实时改变自己的投篮速度和投篮角度。

参考文献

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基于学生生活现实 篇7

随着网络技术的快速发展以及移动智能终端设备技术的革新,MAR技术在移动设备上的应用更加广泛。在MAR系统中,移动设备要将由计算机生成的虚拟对象叠加到真实场景中,要实现无缝、少延时、逼真的虚实融合场景,需要解决以下技术难点:实现高精度定位跟踪功能、基于计算机视觉的场景理解、模型3D渲染功能、大视场下的显示功能等[2][3]。主要使用Open GL ES技术对虚实融合中的三维模型解析、渲染、管理、加载和虚实融合场景图层设计等内容进行研究,以获得高度逼真的虚拟融合效果。

1 三维虚拟模型的渲染及管理

Open GL ES技术是用户界面和图形绘制功能的基础,针对手机、PDA和游戏主机等嵌入式设备而设计,是移动平台上的图形接口(API)标准。采用Open GL ES对三维模型进行渲染,能实现遮挡查询以及几何体实例化,能节省硬件资源,提高3D图形渲染性能[4]。

1.1 模型的渲染

渲染是指用3D数据生成一个2D图像的过程,是把程序提供的几何数据(物体坐标)转换为屏幕上的图像(帧缓冲区中的图像)的过程。容纳几何数据的缓存定义了要渲染的点、线段和三角形,图形处理单元(GPU)结合几何、颜色、灯光和其他数据而产生屏幕图像。为使三维模型更加具有真实感和立体感,渲染主要研究顶点数据的绘制、材质及灯光的渲染两方面的内容。

当创建场景几何体时,需要定义相关图元、顶点以及作用于各个顶点之上的操作,进而在屏幕空间内生成相对应的像素。随后,经确定的图元将确定所显示的填充像素,任何定义的外观信息都将用于定义像素在像素处理操作中的着色方式。Open GL ES使用顶点数据来定义点、线段和三角形。

Open GL ES中物体是在本地空间坐标中,然后转换到世界坐标空间,再到camera视图空间,再到投影空间,这一系列转换都是靠matrix计算来实现的。投影变换的目的是确定3D空间的物体如何投影到2D平面上,这些2D图像再经过视口变换就被渲染到屏幕上。常用的投影变换如图1所示,正交投影和透视投影。

在Open GL ES2.0中,可以通过特定的公式计算上述正交或透视投影矩阵。Open GL ES操作图形渲染管线的功能通过gl Enable Client State()和gl Disable Client State()两个函数进行开启和关闭。在进行绘制之前,在Xcode中需要加载Open GLES.framework、Quartz Core.framewor等6类系统库和资源,绘制模式也有GL_POINTS、GL_LINE_STRIP等多种选择,实验中使用的绘制模式是GL_TRIANGLES。首先,通过绘制三角形面片的方式绘制顶点数据;然后,通过gl Draw Arrays()方法对顶点数据进行绘制,模型绘制结束之后,为了更好地展示模型逼真的渲染效果,对模型进行物理运动测试。

1.2 材质及灯光的渲染

在原始渲染过程中,模型比较模糊,缺乏立体感,因此需要为模型添加适当的灯光效果[5][6]。Open GL ES灯光模拟由光源的3个不同部分组成:环境光(ambient)、漫反射光(diffuse)、镜面反射光(specular)。Open GL ES使用GPU来计算一个场景中的几何图形透射和散发出的模拟光线的数量。首先为每个三角形的顶点执行光线计算,然后把计算的结果插补到顶点之间来修改每个渲染的片元的最终颜色。模拟灯光的质量和光滑度取决于组成3D物体的顶点的数量,模型的材质感觉和镜面光泽与反射光的反射率高低有关。

2 模型的加载和使用

实验所使用的三维模型由216个顶点数据编码完成,程序编码量和资源占用都比较大,因此系统开发时采用适当工具进行模型加载和解析管理显得尤为重要[7]。常用的3D模型建模工具及其优缺点比较如表1所示。

在Open GL ES工程中使用以上建模软件制作三维模型,需要访问这些软件制作好的数据文件。有两种常见方式来访问三维模型文件:OBJ2OPENGL和COLLADA。OBJ2OPENGL将3D模型文件转换成Open GL ES可以使用的C/C++头文件,转换后文件包含存储面的顶点、法线、纹理坐标等浮点数组。COLLADA能实现建模工具和3D应用之间的信息交换,它保存几何体、材质、纹理、灯光、动画等到文件中。在i OS系统中,常使用离线工具COLLADAViewer读取COLLADA文件,转换为plist文件,来保存导入的模型数据。

3 图层关系设计

增强现实系统的虚实融合场景既包含真实物体,也包含虚拟物体,后期也还要添加文字、图片等信息。如何将这些信息融合显示,图层设计成为要解决的重要问题。i OS系统的大部分应用都要使用多个层,层会保存所有绘制操作的结果。所有绘图都发生在Core Animation层,Core Animation合成器会混合当前应用与操作系统的层,在Open GL ES的后帧缓存中产生最终的像素颜色,之后Core Animation合成器切换前后缓存以便把合成的内容显示到屏幕上。如图2所示,Open GL ES层显示了生成的旋转立方体,但显示状态栏层是由操作系统生成和控制的。

i OS的图层设计是通过专用的Interface Builder(IB)来直观设计图形界面,这样开发者能简单快捷地开发出具有良好人机交互的GUI[8]。另外,Xcode能可视化地编辑设计用户界面;Autolayout能解决UI可视单元或者元素的布局和排列问题。i OS APP使用Cocoa Touch框架,通过Core Animation层配置与Open GL ES的帧缓存分享内存的自定义UIView。为了简化模型设计并优化图形效果,Cocoa Touch框架还需要使用UIWindow、Root View Controller、GLKView、GLKBase Effect等组件。

4 实验结果分析

旨在通过对虚拟模型添加相应的灯光效果来提高模型的逼真度。使用216个顶点数据创建立方体,给立方体添加物理运动,以i Phone作为测试模拟器,经旋转和变换后的模型渲染结果如图3所示。另外,本实验还建立了人耳三维针灸模型,通过增加相应的灯光效果,实现了i OS系统下的人耳模型虚实融合,其结果如图4所示,其中(a)为原始渲染效果,虚拟模型趋于扁平化,不能清晰地看出模型的边界;图4(b)为虚拟模型添加了相应的灯光效果,使得虚拟模型立体感较强,很好的保留阴影效果,有更好地虚实融合效果。

5 结语

Open GL ES在三维图形的开发及增强现实等方面有着广泛的应用前景。首先解决三维虚拟模型的解析、渲染、管理问题,然后研究融合场景图层的关系。实验结果表明,Open GL ES不仅适用于移动终端的增强现实应用,而且创建的模型逼真度高,融合场景真实稳定。

参考文献

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