生物显微镜虚拟增强现实教学系统

虚拟现实智能硬件2020年12月第4引文：周翔，唐立宇，丁琳，韩伟。生物显微镜实验教学中的虚拟增强现实。虚拟现实智能硬件，2020，2（4）：316-329DOI：10.1016/j.vrih.2020.07.004·文章·生物显微镜实验教学中的虚拟XianggZHOU1，2，LiyuTANG1，2*，DingLIN1，2，We iHAN1，21. 福州大学空间数据挖掘信息共享MoE重点实验室福州3501082. 福州大学地理空间信息技术国家工程研究中心，福州350108*通讯作者，tangly@fzu.edu.cn投稿时间：2020年3月23日修订日期：2020年5月11日接受日期：2020年6月15日国家重点研究发展计划（2018YFB1004905）资助摘要背景混合现实技术，包括虚拟现实（VR）和增强现实（AR），被认为是科学教学和学习过程中有前途的潜在工具，可以培养积极的情绪，激励自主学习，提高学习效果。方法提出一种基于VR/AR技术的生物显微镜辅助学习系统。显微镜的结构被描述在一个详细的三维（3D）模型，每个组件被表示与它们的拓扑相互关系和它们之间的关联被建立。对模型的交互行为进行了规范，并编制了标准操作指南。对基于碰撞检测的构件运动控制进行了仿真。结合沉浸式虚拟现实设备和增强现实技术，开发了虚拟显微镜子系统和移动虚拟显微镜引导系统。结果该系统由虚拟现实子系统和增强现实子系统组成。VR子系统的重点是模拟操作显微镜和相关的交互行为，允许用户通过沉浸式场景中的自然交互来观察和操作3D显微镜模型的组件。AR子系统允许参与者使用移动终端，从教科书中拍摄显微镜的照片，然后显示仪器的结构和功能，以及相关的操作指导。这使得学生可以灵活地在课前或课后使用该系统，而不受时间和空间的限制。该系统允许用户在VR和AR子系统之间切换。结论该系统通过交互式的模拟操作过程，帮助学习者（尤其是K-12学生）认识显微镜的结构，掌握必要的操作技能。今后，这种技术辅助教育将成为开放学习空间中的一个成功的学习平台。关键词虚拟现实;增强现实;显微镜;操作指南;实验1介绍各种生物过程和微观物体是肉眼看不到的，要理解这些知识，学习者必须具备抽象思维的能力，这使得儿童很难2096-5796/©版权所有2020北京中科学报出版有限公司Elsevier B. V.代表KeAi Communization Co. Ltd.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。www.vr-ih.com周翔等：虚拟增强现实技术在生物显微镜实验教学中的应用317学习科学。显微镜被认为是观察和操纵微观世界的必要工具[1]。因此，在K-12生物学教育中，要求学生实际操作显微镜。由于虚拟现实（VR）和增强现实（AR）的技术进步，例如，在一个实施例中，在过去的十年中，VR/AR已经成为一种潜在的有效工具，可以帮助学生通过教育提高他们的知识和实践技能[2]，特别是宏观层面的实验（例如：例如，在一个实施例中，天体运动的三维模拟）和微层实验（例如，例如，在一个实施例中，大分子结构）。学者们发现，AR，或者VR和AR的结合，可以提高学习效率，培养积极情绪[3-6]。此外，研究发现，存在和感知的学习情感质量之间存在正相关关系[7]。随着支持VR和AR应用的相关硬件设备的普及，一些VR和AR技术已经应用于教育，如磁场实验[8，9]，生物实验室课程[10]和几何课程[6]。随着移动学习变得越来越流行[11，12]，在教育中整合VR，AR和移动技术的趋势是积极的，特别是在未来开放教育空间的时代[13]。科学教育中使用的AR技术分为两类，基于图像的AR和基于位置的AR[14]。基于图像的AR（包括标记和无标记技术），有利于通过实时交互式模拟实验发展学生的空间能力，实践技能和对概念的理解[14-16]。例如，在化学教学中，可以利用基于图像的AR实时呈现物质的微量成分，并结合特定标记物完成虚拟交互学习，有利于学生直观理解化学[17]通过将基于图像的AR和移动技术融入物理实验模拟方便、有效地利用无处不在的手机辅助学生进行实验操作，使学生能够不受实验仪器的限制，实时操作实验[18]。K-12教育中最常见的基于图像的AR之一是AR书，它特别关注中学生的科学[13]。另一种是基于位置的AR，它有利于科学探究，通常与地理环境相结合，用于学习，实时数据，需要很大的空间[14]。VR技术在教育中的应用，提高了知识呈现的情境性和直观性，具有深度交互性和强烈沉浸感。它为学生提供了丰富多样的个性化学习环境，并提供了积极探索和互动交流的机会[19，20]。通过构建虚拟实验室，让学生在虚拟环境中进行虚拟实验，帮助学生记忆、理解，提高分析和解决问题的能力[21，22]。北京乐步公司开发的NOBOOK平台涉及中学物理、化学、生物虚拟实验资源（www.没有书。com）上下载。尽管VR/AR技术取得了进步，但使用这项技术创建与领域知识一致的有意义的内容仍然极具挑战性。生物实验课程的传统学习方法通常涉及教师使用实验手册或教科书来指导学生使用实验室设备。在过去的十年中，VR或AR已被应用于显微镜实验[10，23]。使用具有键盘和鼠标的现有生物显微镜模拟系统来操纵虚拟显微镜[23]。其优点是，简化的基本操作可以快速执行，而无需额外的交互设备。缺点是实验操作缺乏真实感，导致学生难以理解显微镜的操作原理。使用基于图像的AR技术开发的交互式应用程序模块ArBioLab涉及符合基本生物实验室手册的显微镜环境[10]。ArBioLab的AR显微镜318虚拟现实智能硬件2020年12月第4使用移动设备来操纵实验资源，这些移动设备是用于灵活的未来教育的良好平台，但是没有设计用于引导学生学习标准操作过程的功能（例如，文本或语音）。然而，它们大多是纯VR或纯AR，并且没有使用头戴式显示器进行人机交互，产生了较弱的真实感和较差的交互体验。对以往虚拟显微镜仿真实验研究的研究证实，基于图像的AR实验可以成功地与移动设备相结合，并应用于教科书，实现实时虚拟认知学习，但缺乏对学生完成标准实验操作的指导。桌面VR实验可以通过用户界面完成，但它不能模拟人类的自然交互行为来准确操作仪器。这导致学生误解显微镜的工作原理。在这项研究中，沉浸式VR和基于图像的移动AR被用来模拟显微镜的操作。采用基于图像的移动增强现实技术模拟显微镜的操作过程。通过与用户界面和音频支持的交互，学生被引导学习实验的标准操作，实验材料只是一本教科书。采用沉浸式虚拟现实技术，构建自主式三维虚拟学习环境，通过交互式虚拟现实设备模拟真实的显微镜操作，让学生在没有实际实验仪器的情况下进行实验。AR实验可用于显微镜使用的实时辅助学习，而VR环境旨在模拟真实实验，以帮助学生自主掌握正确的实验操作，并辅以学习指导。实践证明，利用现代技术提高学生自主学习的兴趣也是实验教学的有效辅助手段。2生物显微识别与实验模拟2.1显微镜操作知识要点作为中学生必修的生物学知识点，应了解光学显微镜的主要结构和功能，正确掌握实验操作技能。操作光学显微镜的步骤主要包括取出和设置显微镜、调节光线、观察和清洁显微镜，其中调节光线和观察是关键步骤。在调整光的过程中，步骤的顺序如下：将镜筒升高到最高位置;将低倍率物镜与光孔对准;调整反射镜以使通过孔发射的光量最大化。在观察过程中，关键的操作步骤如下：安装载玻片;调整物镜与载玻片的距离，使物镜靠近载玻片;目镜调焦。2.2显微镜模拟为了为学习如何操作显微镜提供足够直观的支持，VR和AR技术相结合，开发了一个模拟操作系统。在这项工作中，显微镜模型的某些组件被描述在一个详细的三维模型，并根据这些拓扑相互关系生成一个完整的显微镜结构。它们是VR和AR场景中运行的主要虚拟对象。详细说明了操作过程中各部件之间的运动相互关系和仿真过程中的交互操作。图1说明了显微镜操作模拟的方法。319周翔等：虚拟增强现实技术在生物显微镜实验教学中的应用图1显微镜实验模拟方案。建立三维显微镜模型作为虚拟实验的交互对象。该三维模型非常接近显微镜的物理形式，并且使用3ds Max构建了每个组件之间的拓扑相互关系。选择Autodesk 3ds Max作为3D建模软件来构建3D虚拟显微镜，因为与其他建模平台相比，它具有精细建模所需的高效建模方法，效果和渲染质量。光学显微镜有十二个主要部件：目镜、物镜、镜筒、鼻镜、臂、载物台、载物台夹、光圈、粗调焦旋钮、细调焦旋钮、镜子和底座。三个物镜被映射为具有4×、10×和40×的放大倍率。每个组件都体现了其功能特性。3ds Max主要包括多边形、几何体、复合对象、二维图形和NURBS建模方法。这些建模方法的特点如表1所示。由于显微镜是由多个结构规则或不规则的部件组成的单元，根据其所需的特点，综合运用多边形建模、几何建模和复合物体建模方法，分别完成了各个部件的建模。最后，组件模型组装成一个三维显微镜模型。为了实现显微镜的模拟操作，需要定义显微镜组件之间的相对运动。将显微镜各部件之间的运动关系分为层次关系和控制关系。在Unity3D开发平台中，子类零部件的运动方向和运动速率与父级零部件的运动方向和运动速率一致，但子类零件的运动不影响父级零件的运动状态的320虚拟现实智能硬件2020年12月第4多边形建模几何建模复合对象建模2D图形建模NURBS建模表1Autodesk 3ds Max特性通过更改点的排列来更改模型的几何结构，并用于向模型添加细节。使用基本几何图形构建简单模型，并且可以通过更改几何图形的大小参数来调整模型大小。将多个几何图形组合成一个新的几何图形，方法包括连接、放样、布尔运算等。由多条样条线组成的二维形状通过拉伸、旋转等编辑命令转换为三维模型。它主要用于曲面造型，适用于构建复杂曲面。根据标准实验设定显微镜组件之间的亲子关系显微镜的程序。主要的亲子关系是在物镜和物镜之间以及镜筒、目镜和物镜之间产生的。控制关系被定义为当运动部件控制其他相关部件的运动时产生的控制关系。根据标准过程，在实验操作期间，通过旋转粗调焦旋钮来控制镜筒的垂直移动，并且转换器控制物镜的运动状态。描述警告键操作的文本消息。2.3光学调整模拟在调整光线时，应考虑光线反射的原理。其基本原理是，当光被反射时，入射光、反射光和法线在同一平面上，反射光和入射光在法线两侧分离，反射角等于入射角，如图2a所示。根据数学模型，必须计算反射光线OB，其中AO是入射光线，OB是反射光线，法向量OP是垂直平分的AB，并且ON是单位法向量。通过计算可以得到反射光的计算公式（1）。图2计算从表面反射的光。OB=AO-2<$（AO<$ON）<$ON（1）在本研究中，光源的参考投影平面被定义为11×11小块，每个小块的中心被视为光源的入射点，如图2b所示。从而根据光反射的数学模型灯光调整是在假设321周翔等：虚拟增强现实技术在生物显微镜实验教学中的应用进入光孔的反射光的量大于100。2.4基于VR的显微镜操作在VR实验中，为了提高虚拟实验的体验性，HTC VIVE具有精确的360度头戴式显示器、逼真的图形显示、定向音频和高清触觉反馈等优势，它模拟自然交互，让用户与虚拟环境进行交互并在一个小的真实空间中提供令人兴奋的虚拟世界体验。随着技术的发展，表2 VR手持控制器与显微镜操作这种设备的性能正在改善，成本降低，因此，使用HTC VIVE虚拟现实设备来操作三维显微镜模型。VR手持控制器与显微镜操作之间的关联如表2所示。手柄键名称触摸板按住按钮菜单按钮触发按钮显微镜操作旋转粗/细调焦旋钮，鼻镜拾取滑块，旋转反射镜选择不同类型的幻灯片单击一次，打开舞台剪辑，单击两次，关闭舞台剪辑碰撞检测是虚拟现实系统的一个重要方面。高精度、实时的碰撞检测技术对增强三维仿真的实用性起着至关重要的作用。分层包围盒算法[24]用于显微镜模拟。碰撞器是为鼻镜、粗聚焦旋钮、细聚焦旋钮和其他组件（如相互作用所需的显微镜载玻片）而构造的。所有碰撞器应尽可能匹配显微镜组件的形状，以确保碰撞检测准确。这项工作利用了Unity3D中内置的物理引擎来实现这一目标。粗聚焦旋钮碰撞器如图3所示。在VR实验中，VR手持控制器与显微镜组件碰撞以激活相应的操作，例如旋转粗调焦螺钉和安装和拆卸程序。此外，触发器由碰撞器实现，并由碰撞器之间的碰撞激活，该触发事件用于检测显微镜操作的每个步骤是否正确执行和完成。2.5基于AR的显微镜说明在AR实验中，我们将生物学教科书或实验课程中的显微镜图像定义为真实物体，显微镜及其具有属性的部件的3D模型为虚拟物体。因此，建立了一个数据库，用于存储学习材料，如显微镜的图像，使用显微镜观察的图像，文本中的功能描述，以及操作显微镜的音频说明。我们使用从显微镜实验室课程或教科书中捕获的图像进行识别。虚拟场景包括显微镜的三维模型及其交互行为。显示了基于AR的显微镜交互过程图3粗调聚焦旋钮碰撞器的屏幕截图以黄色突出显示。322虚拟现实智能硬件2020年12月第4在图4中。用户界面（UI）控件被定义为表示物镜的不同放大率（例如，例如，在一个实施例中，4×、10×和40×），具有不同类型的载玻片和用于模拟显微镜操作的标尺，以及用于载玻片图像的显示窗口。在移动终端上通过手势交互图4基于AR的显微镜交互流程图。或声音。此外，显微镜中每个组件的功能是基于查询的。基于图像的增强现实技术用于激活3D显微镜模型和与生物教科书内容相对应的交互行为。基于自然特征的配准由于易于使用而不添加抽象标记而受到欢迎。应用生物教材中的显微图像进行鉴定。提取识别图像的特征信息。对摄像机采集的彩色图像进行实时二值化，提取图像的特征信息。然后，通过特征匹配算法，将视频流图像中的特征与识别图像中的特征进行匹配。匹配成功后，实时计算图像间的变换矩阵。注册过程如图5所示。根据计算得到的变换矩阵确定摄像机的视角位置，将摄像机拍摄的视频流图像与三维虚拟场景实时融合，以真实图像为背景，虚拟场景叠加在真实图像上，最后通过触摸屏在移动终端上操作显微镜。图5注册流程图2.6显微镜操作说明根据显微镜的标准操作规范了显微镜模拟实验，并设计了描述显微镜实验所有操作步骤的指导说明。此外，该模块还可以记录学习者在测试时如何操作设备。实验指导过程如图6所示。为了方便学习者了解自己的操作过程是否及时正确，引导结果通过用户界面实时反馈。当操作正确时，“UI按下”为绿色，当操作不正确时，“UI按下”为白色。3系统实现该系统的目标群体是教师和K-12学生。教师们可以使用非沉浸式VR子系统在课堂上演示仪器的结构和如何操作仪器。学生可以通过该系统了解显微镜的结构，掌握正确的操作技能，完成虚拟科学实验。该系统提供VR子系统（包括非沉浸式VR系统和沉浸式VR系统）和AR子系统。该系统允许学习者根据要求和条件在VR和AR子系统之间切换。323周翔等：虚拟增强现实技术在生物显微镜实验教学中的应用3.1系统结构基于VR/AR的三维生物显微模拟与操作指导系统面向中学教育。实验系统由基于VR和AR的显微镜实验组成，包含两个学习单元：显微镜结构和显微镜操作。系统结构如图7所示。学习材料包括用于识别的物理生物学显微镜图像和具有标准化属性和操作规范的3D显微镜模型。 VR系统使用Unity3D VRTK插件实现，AR系统使用Unity3D和Vuforia SDK实现，并针对移动和平板电脑平台或PC进行编译。Unity3D用于编写数字场景、交互式控件和用户界面的脚本代码。由于自然图像识别已集成到Vuforia SDK中，因此我们使用它来构建图像作为标记，以匹配相应的3D对象，检测图像，然后将相应的图像链接到数据库。基于虚拟现实的显微镜操作仿真的实现方法如下：首先，建立显微镜各部件之间的拓扑运动关系。第二，根据显微镜的特点编写了操作指南，图6操作指南流程示意图。图7系统结构。324虚拟现实智能硬件2020年12月第4标准操作程序该系统支持自动评估用户的操作是否符合规范。具体实验内容包括模拟显微镜操作、观察、3D用户界面和显示窗口中的图像观察。在VR实验中，使用沉浸式虚拟现实设备与显微镜模型进行交互。在AR实验中，使用移动设备操作显微镜并显示从VR模型获得的3D对象。过程顺序如下：首先，使用移动相机，学习者拍摄生物教科书中的图像。照片被认出了。最后，这触发了AR内容的显示，包括图像和3D模型作为屏幕上的覆盖层。该系统允许学习者切换到VR子系统，以便在沉浸式场景中操作3D模型。3.2结果基于VR/AR的三维仿真和操作指导系统便于使用图8a所示的UI选择实验子系统。图8b和8c示出了UI和基于VR的显微镜实验子系统的操作方案。该子系统的功能主要包括显微镜识别、操作指导、图像显示、显微镜交互、载玻片选择等。该模型可以通过旋转，缩放，并通过调查促进对显微镜的结构和功能，如物镜，粗调焦旋钮，细调焦旋钮的认识。系统提供操作指导，减轻学习者的认知负担。主要操作包括安装载玻片和操作显微镜观察载玻片图像，图8虚拟实验系统截图。325周翔等：虚拟增强现实技术在生物显微镜实验教学中的应用不同的物镜图8d和8e显示了基于AR的显微镜操作实验子系统的几个屏幕截图。学习者可以操作模型并使用UI来控制它，同时使用移动终端观察操作的结果。学习者可以选择显微镜的各种组件，以掌握它们的命名和功能。为了学习交互操作，当观察图8e所示的洋葱表皮细胞时，可以通过链接到现有的细胞观察图像来动态切换物镜的功率（4×，10×，40×）。移动AR子系统灵活，学生可以在课前或课后使用，不受时间和空间的限制。4讨论和结论本研究的主要目的是为学生提供一种新的辅助学习方法，利用VR/AR技术进行显微镜实验。从学习效果、学习态度和可用性三个方面对虚拟实验进行了测试，并根据实验结果进行了讨论。最后，根据实验获得的信息，制定了未来的改进研究。4.1实验结果和讨论实验对象为一年级及高中生，操作虚拟实验。在实验过程中，学生的学习态度的变化被记录下来。实验结束后，要求参加实验的学生写出显微镜实验的操作步骤。图9显示了学生参与实验的情况。图9学生参与实验。(1)学习效果在第一次学习实验中，新生被分为两组。一组学生先学习教材内容，然后进行学习测试，再进行实际实验并进行比较。另一组首先使用移动AR实验来帮助学习教科书并记录学习效果，然后进行VR实验并测试这些学习结果，最后进行现实操作实验以检查学习效果。高年级和新生的实验环境设置相似。根据实验结果，与传统学习方法相比，AR辅助学习方法对新生第一次实验学习的理论知识有积极的影响。经过VR实验条件下的学习，学生们基本上已经掌握了所教的操作流程。与没有VR326虚拟现实智能硬件2020年12月第4支持下，新生最后的实操实验成绩均令人满意。对于高年级学生，AR的辅助学习效果不显著，但在VR实验条件下练习后，能正确操作设备，学习效果显著优于未体验VR学习的学生。实验结果表明，VR/AR在辅助新生学习方面效果显著，对帮助学生掌握实验技能有积极影响。学生通过AR实验理解教材实验理论内容后，VR实验有效地帮助学生自主学习实验操作方法，学习效果与实际实验操作接近。对于高年级学生来说，AR辅助学习的效果并不显著，因为他们已经掌握了所测试的理论知识。(2)学习态度使用VR/AR辅助学习的学生的注意力与没有使用VR/AR辅助学习的学生相似，但自主学习需要更多的主动性和兴趣，也促进了学生之间的相互学习和交流。使用AR辅助学习的学生认为，它帮助他们学习显微镜使用的理论方面，VR辅助学习对实验的实际执行产生了显着的积极影响。4.2虚拟实验基于学生参与实验的评论，有建议，以提高基于VR/AR的辅助实验学习系统的效用。以下是汇编的意见：(1) 在AR实验中，可以添加关于实验的视频，这将有助于学生预览和回顾标准实验过程。(2) 实验中的关键操作可以用增强现实以文本的形式强调出来，与增强现实实验中的操作相结合，从而增强学生的学习记忆。(3) 在VR实验中，加入一些学校生物实验室的模拟内容，体验感会更接近真实。当操作中出现错误时，可结合操作指导进行语音提示，及时纠正错误。4.3结论将虚拟现实和增强现实技术相结合，开发了一个操作模拟系统，用于中学生物教学中了解显微镜的结构和功能，掌握标准操作技能。该系统提供了一个VR子系统（包括非沉浸式和沉浸式VR系统）和一个AR子系统。这允许学习者根据他们的要求和设备条件在VR和AR子系统之间切换。精确建立了显微镜的三维模型，明确了显微镜工作过程中各部件之间的相对运动。显微镜模型组件的层次和控制的相互关系，合理地指定使用Unity3D模拟交互行为。定义并编写了操作指南。虚拟现实子系统的重点是模拟显微镜的交互行为，让学习者在沉浸式场景中练习显微镜操作。实验结果表明，基于沉浸式VR的实验操作的学习效果与显微镜的实际操作相似327周翔等：虚拟增强现实技术在生物显微镜实验教学中的应用可穿戴设备可以让初中的学生培养积极的情绪，激励自我学习。AR子系统的重点是帮助学习者了解显微镜的结构，并在进入实验室之前熟悉实验程序。目标是简单和可移植性。从实验结果的分析来看，移动AR子系统对学生理解理论主题有积极的影响，并且不受课前或课后使用的时间和空间的限制。VR和AR是未来教育体验和其他K-12教育环境和开放式学习空间的学习环境的潜在辅助学习工具。今后，将对这种模拟进行优化，以提高其真实性。4.4改进和今后的工作本研究对帮助学生了解和理解实验基本理论，掌握实验基本操作具有很大的潜力和实用性。通过实证研究，基于VR/AR的显微镜实验学习工具有待改进。并提出了几个可以继续研究的方面。在系统设计方面：(1) 为了丰富基于VR和AR的实验功能，需要强调核心内容，让学生准确学习重点和难点内容。(2) 将改进学习工具的用户界面，使学生更容易使用。在实验设计方面：(1) 增加了两个单变量对照组。一组在AR实验条件下进行研究，另一组在VR实验条件下进行研究，这些组之间的差异分析已经鼓励研究AR和VR在辅助实验学习环境中的其他差异和优势。(2) 基于VR/AR的实验学习的长期学习效果测量。一旦实验组完成流程，就要考察学生的理论知识和对实际实验操作的掌握情况，检验基于VR/AR的显微镜实验学习的长期有效性。确认我们感谢北京乐步教育科技有限公司的金一飞先生提供了通过显微镜观察到的与各种物镜光焦度相对应的植物细胞图像。引用1张晓刚A，张晓刚A，张晓刚A.面向学校实验的VR系统。Procedia计算机科学，2013，25：201DOI：10.1016/j.procs.2013.11.0252Ardiny H，Khanmirza E. 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