（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案 第2章 增强现实技术电子教案.doc

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1、（中职）【02】虚拟现实技术与应用教案 第2章 增强现实技术电子教案虚拟现实技术概论教案 授课班级班级人数授课教师课题序号授课课型授课课时4课时授课章节名 称第2章 增强现实技术 教学目标知识目标1. 了解增强现实技术；2. 掌握增强现实技术原理；3. 了解增强现实硬件设备；4掌握VR/AR全景硬件设备。技能目标掌握和理解增强现实技术概论解决实际问题的方法和思路。情感目标1. 培养勤于思考、举一反三的学习习惯；2. 培养良好的团队合作精神。教学重点增强现实技术概念的理解教学难点增强现实技术原理的理解和应用教学方法讲授法、自主学习法、探究法、小组讨论法教学资源教材、网络资源、教学视频、相关PPT

2、，多媒体教室板书设计第2章 增强现实技术 知识学习1.基本概念2.技术原理3.增强现实硬件设备4.全景摄像机设备技能训练评析增强现实技术产品教 学 过 程主 要 教 学 内 容 及 步 骤教师活动学生活动教学目标【一】导入新章节在虚拟现实家族中，还有一个与VR有着近似关联的技术，叫做增强现实技术，也被称为AR技术。上次课已经认识了虚拟现实技术，本次课来了解AR技术。【二】新 授第2章 增强现实技术学习目标 1.知识目标 了解增强现实技术； 掌握增强现实技术原理； 了解增强现实硬件设备；掌握VR/AR全景硬件设备。 2.技能目标 掌握和理解增强现实技术概论解决实际问题的方法和思路。知识学习2.1

3、 增强现实技术简介增强现实（Augmented Reality，简称AR）全称增强虚拟现实系统。增强现实技术利用计算机生成一种逼真的视觉、听觉、 味觉、触觉和交互等感觉的虚拟环境，并将虚拟信息影射到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个3D画面或空间。通过各种传感设备使用户“沉浸”到虚拟环境中，实现用户和环境直接进行自然交互，是一种全新的人机交互技术。增强现实（AR）技术不仅在与虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术相类似的应用领域，诸如尖端武器和飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强

4、显示输出的特性，在精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计、医疗研究与解剖以及远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势，是虚拟现实技术的一个重要的前沿分支。图2-1 增强现实系统“高速列车缓缓开进会场” 课堂讨论请同学们分组讨论上一章的VR技术与本章的AR技术有什么相同点和不同点？知识学习共同点：二者都是创建虚拟信息的技术；都运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段。虚拟现实与增强现实技术有着密不可分的联系。不同点：1、虚拟现实技术用虚拟世界来取代用户的世界，而增强现实是在现实环境的基础上为人类的现实生活提供额外的数字支持。 2、增强现实（AR）技术

5、是采用对真实场景利用虚拟物体进行“增强”显示的技术，与虚拟现实相比，具有更强的真实感受、建模工作量小等优点。那么增强现实是如何实现的呢？接下来一起来了解：2.2 增强现实技术原理增强现实技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息，即视觉信息、声音、味道、触觉等。通过计算机和增强现实硬件和软件技术，模拟仿真后再叠加显示输出，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实

6、时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。2.2.1 增强虚拟现实系统基本特征增强现实技术主要特点: AR系统具有三个突出的特点： 真实世界和虚拟世界的信息集成； 具有实时交互性； 是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。虚实结合：增强现实是把虚拟环境与用户所处的实际环境融合在一起，在虚拟环境中融入真实场景部分，通过对现实环境的增强，来强化用户的感受与体验。实时交互：增强现实系统提供给用户一个能够实时交互的增强环境，即虚实结合的环境，该环境能根据参与者的语音和关键部位位置、状态、操作等相关数据, 为参与者的各种行为提供自然、实时的反馈。实时性非常重要, 如果交互时存在较大的延迟, 会严重影响参与者的

7、行为与感知能力。三维注册技术：增强现实系统最为关键的技术之一，其原理是将计算机生成的虚拟场景造型和真实环境中的物体进行匹配的过程。 在增强现实系统中绝大多数是利用动态的三维注册技术。动态三维注册技术分两大类，即基于跟踪器的三维注册技术和基于视觉的三维注册技术。基于计算机显示器的AR增强现实系统实现方案，如图2-2所示。跟踪摄像机定位增强现实系统虚实结合虚实物体在真实场景中注册虚拟场景虚拟造型渲染真实场景图2-2 基于计算机显示器的AR增强现实系统实现方案2.2.2 增强现实技术构成增强现实技术的构成包括基于计算机显示器的AR实现方案和穿透式头盔式显示器（HMD）两种实现方案。课堂讨论请同学们以

8、小组为单位搜集相关信息，了解“基于计算机显示器的AR实现方案”和“穿透式头盔式显示器（HMD）”两种实现方案的相同点和不同点？2.2.3基于计算机显示器的AR增强现实系统在基于计算机显示器的AR实现方案中，摄像机摄取的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图形系统产生的虚拟景象合成，并输出到屏幕显示器。用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它虽然简单，但不能带给用户多少沉浸感。图2-3 三维产品模型以及相关设备和软件图在平面印刷品上叠加展品的三维虚拟模型或动画，通过显示设备呈现，以独特的观赏体验吸引用户深入了解产品。浏览者可以360度自助观赏三维立体场景，在三维立体场景中对文字、视频、三维模型进行

9、叠加，支持互动游戏，支持网页发布。适用于展览会、产品展示厅、公共广告、出版、网络营销等应用场合。 案例欣赏：2.2.4 基于穿透式头盔式显示器（HMD）增强现实系统头盔式显示器(Head-mounted displays,简称HMD)被广泛应用于虚拟现实系统中，用以增强用户的视觉沉浸感。增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示技术，这就是在AR中广泛应用的穿透式头盔式显示器（HMD）。根据具体实现原理又划分为两大类，分别是基于光学原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD(Video See-through HMD)。光学透视式增强现实

10、系统实现方案。2.3增强现实硬件设备增强现实硬件交互设备是指一个典型的增强现实智能交互设备系统由虚拟环境、以高性能计算机为核心的虚拟环境处理器、以头盔显示器为核心的视觉系统、摄像头、传感器系统、虚实定位系统以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、立体鼠标、跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备，以及味觉、嗅觉、触觉以及力觉反馈系统等功能单元构成。增强现实智能交互设备主要包括：AR/3D眼镜、AR/3D头盔显示器（HMD）、数据手套（Data Glove）、数据衣（Data Suit）、跟踪设备（Tracking Equipment）、控制球（Sphere Controll

11、er）、三维立体声耳机（Three Dimensional Earphone）以及三维立体扫描仪等。下面将例举几款在市场中反响突出的硬件设备：2.3.1 谷歌眼镜谷歌眼镜（Google Project Glass）是由谷歌公司于2012年4月发布的一款“增强现实”眼镜，它具有和智能手机一样的功能，可以通过声音控制拍照、视频通话和辨明方向，以及上网冲浪、处理文字信息和电子邮件等。谷歌眼镜（Google Project Glass）是消费级增强现实眼镜的鼻祖。谷歌眼镜主要结构包括，在眼镜前方悬置的一台摄像头和一个位于镜框右侧的宽条状的电脑处理器装置，镜片上配备了一个头戴式微型显示屏，它可以将数据投

12、射到用户右眼上方的小屏幕上。显示效果如同 2.4 米外的 25 英寸高清屏幕。它具有和智能手机一样的功能。如果用户对着谷歌眼镜的麦克风说“OK，Glass”，一个菜单即会在用户右眼上方的屏幕出现，显示多个图标，用户可以用自己的声音进一步选择拍照、录像、使用谷歌地图或打电话等功能。从兼容性上来看，谷歌眼镜可以同任一款支持蓝牙的智能手机同步。这款设备在多个方面性能异常突出，省去了从裤兜里掏出智能手机的麻烦。当信息出现在眼镜前方时，虽然让人有些分不清方向，但丝毫没有不适感。因此，这款AR眼镜被称为消费级增强现实眼镜的鼻祖。（视频素材资源：2.3.2 微软增强现实眼镜微软正式发布了一款全新增强现实眼镜

13、HoloLens以及Windows Holographic全息技术，微软研发的全息影像眼镜HoloLens设备，将伴随Windows 10推出。作为融合了CPU、GPU和全息处理器的特殊AR/MR眼镜，HoloLens通过图片影像和声音，让用户在家中就能进入全息世界，以周边环境为载体进行全息体验。让用户的眼前出现悬浮界面，以实际环境作为载体，实时处理、获取虚拟信息。如在墙上查看消息、查找联系人，在地上玩游戏、在客厅墙上直接进行 Skype 视频通话、观看球赛等。（视频素材资源： Hololens 产品解说）2.3.3 增强现实滑雪护目眼镜增强现实（AR）滑雪护目镜，即“AR RideOn滑雪护

14、目镜”是由一支以色列创业团队专门为高山滑雪爱好者设计，号称是世界上首款真正的增强现实（AR）滑雪护目镜。当通过蓝牙连接手机App后，RideOn可以帮查看短信、天气、位置和滑行速度，并且只需要你的眼神就可以控制。目前可以兼容IOS和Android系统，并且透视显示清晰度是谷歌眼镜的3倍。RideOn滑雪护目镜具备防水防雾功能，镜片也可以替换。续航方面，RideOn滑雪护目镜内置了2200mAh的锂电池，续航长达8小时，待机24小时。2.4 VR/AR全景摄像机设备VR/AR全景摄像机设备可以独立实现大范围无死角360度摄像，在VR/AR全景摄像机上设有一个鱼眼镜头或者一个反射镜面，如抛物线，双

15、曲线镜面等，或者多个朝向不同方向的普通镜头拼接而成，拥有360度全景视场（Field of View, FOV）。一台全景摄像机可以取代多台普通的摄像机，做到了无缝拼接，实现视频全景录制，主要应用于虚拟现实和增强现实领域，也可以应用于其他领域如视频监控、交通安全、银行、社会安全、公共场所、文化娱乐场所等。下面将例举几款比较有代表性的全景摄像设备：2.4.1 虚拟现实摄像机GOPRO虚拟现实摄像机GOPRO具有16摄像头的虚拟现实摄像机，这款产品之前已经在谷歌I/O大会上宣布，正式名称是“奥德赛”。GOPRO开始出售内建16个摄像头的虚拟现实摄像机，售价高达1万5千美元，只有专业的创作者和制作人

16、在提出申请之后，才会被允许直接购买这款产品。获得GOPRO奥德赛虚拟现实摄像机，意味着客户将得到16部GOPRO顶级Hero 4相机，1部麦克风，以及所有必需的电缆和数据线、1个手提箱以及保修和支持。（视频素材资源： 全景相机 Fusion 官方宣传视频）2.4.2 三星360度3D全景虚拟现实相机三星发布360度3D全景虚拟现实相机Project Beyond，三星电子发布了一款新的相机产品，该相机所搭载的360度摄像头能够捕获3D图像，并能够将图像整合成视频流传送至三星最新虚拟眼罩产品Gear VR上。这一被称为“Project Beyond（超越计划）”的数码相机产品，通过在球形设备边缘

17、分布安装的16个高清摄像头，能够拍摄全景3D照片；并能够将捕获的图片拼接到一起，提供实时的现场直播视频，通过三星最新推出的虚拟现实眼罩Gear VR，可以观看到连续画面。三星旗舰智能平板手机Galaxy Note 4将为虚拟现实眼罩Gear VR提供支持。他们也正在与Facebook旗下的虚拟现实设备厂商Oculus VR展开合作，推出自己的虚拟现实产品，以展示并强调公司的创新。三星目前尚未透露这一全景3D虚拟现实相机的具体上市时间。（视频素材资源：2.4.3 诺基亚推出360度全景相机OZO诺基亚公司在芬兰西南部的湖港城市坦佩雷工厂进行生产OZO。从外观来看区别于市面上许多扁平的虚拟现实摄影

18、产品，该设备重量大约6磅(约2.72千克)，搭载了8枚光学传感器，分布在球型机身的四周。同时，OZO还配备了8颗嵌入式麦克风，隐藏在每枚镜头附近，通过这种方式，该设备可以记录全息影音。诺基亚OZO录制的视频可以通过VR硬件比如头戴式屏幕来呈现，也能通过第三方专业的数字内容工作流来简化内容发布。（视频素材资源：诺基亚360度球型全景摄像机OZO评测）【三】小结与评价【四】作业布置1、 简述增强现实的特点和功能。2、 增强现实技术实现方式主要有哪两种？3、搜集增强现实技术的产品和真实案例，并分析案例。展示一段AR技术的视频出示并分析本次课学习目标增强技术概念讲解增强现实案例分享引导小组活动 分析总

19、结原理理论讲解讲解、分析讲解、分析引导小组活动讲解、分析播放视频案例、分析案例讲解、分析讲解、图片资料例举图片、视频资源讲解引导观看图片、视频资源，并进行讲解引导观看图片、视频资源，并进行讲解引导观看图片、视频资源，并进行讲解引导观看图片、视频资源，并进行讲解引导观看图片、视频资源，并进行讲解教师引导总结小结、评价听讲、思考听讲、思考听讲、思考观看、思考小组讨论、汇报结果听讲，思考听讲、思考 听讲、思考听讲、思考小组讨论、汇报结果听讲、思考观看案例、思考听讲、思考听讲、思考观看、思考观看、思考观看、思考观看、思考观看、思考观看、思考学生评价并小结培养对本节课内容学习兴趣目标导向理解概念了解增强

20、现实的应用途径、开拓视野比较思考虚拟现实和增强现实各自的特点；锻炼学生的团队协作能力和表达能力理解虚拟现实和增强现实的共性和特性理解增强现实技术原理了解增强虚拟现实系统的基本特征了解增强现实技术的两种方案激发思考，引出下一小节课程内容；锻炼学生的团队协作能力和表达能力掌握基于计算机显示器的AR增强现实系统的特点和技术原理直观认识基于计算机显示器的AR增强现实系统掌握基于穿透式头盔式显示器（HMD）增强现实系统的特点和技术原理了解增强现实硬件设备的概念和主要类型了解谷歌眼镜的特点了解微软增强现实眼镜的特点了解增强现实滑雪护目眼镜眼镜的特点了解虚拟现实摄像机GOPRO的特点了解三星360度3D全景虚拟现实相机的特点了解诺基亚360度全景相机OZO的特点巩固本节课内容，分享成果，培养表达能力教后记（教学反思）感谢您的支持与使用12