© 2013由Elsevier B.V.发布由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 5（2013）200 - 2082013年AASRI并行和分布式计算与系统基于虚拟现实技术吴英飞a， *，袁振明a，周迪斌a，蔡一舟ba中国杭州市学林巷16号杭州师范大学310036a中国杭州富春江路199号杭州胜利摘要传统的书法学习方法需要长时间的练习，练习过程往往使学习者感到枯燥。学习者在培训过程中不能得到即时的评价结果。本文介绍了一种基于虚拟现实技术的移动汉字书法训练系统。该系统的灵感来自于传统的学习书法的方法，包括三个主要步骤：a）学习字符的笔画顺序; b）复制书写; c）真实书写。系统首先以2D和3D模式演示书法字符的正确笔顺。其次，学习者可以在iPad屏幕上练习抄写。同时，学习者的写作轨迹将被捕获，并根据相似性进行评估。用户研究结果表明，我们的系统可以成功地引导学习者提高他们的写作技能和动机，他们学习书法。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审关键词：中国书法，动画，虚拟现实，计算机辅助教育1. 介绍中国书法是中国古代艺术的瑰宝，被联合国教科文组织列为非物质文化遗产* 通讯作者。联系电话：0086-139-581-774-05;传真：0086-571-288-653-55。电子邮件地址：hardwyf@hotmail.com。2212-6716 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。美国应用科学研究所负责的选择和/或同行评审doi：10.1016/j.aasri.2013.10.079Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）2002012009年的遗产。现在越来越多的人开始学习书法，因为它在写作过程中带来的美丽和快乐。但是，由于汉字的字形种类繁多，有些汉字的笔顺因字形的不同而不同，初学者学习汉字的过程比较困难。传统的学习书法的方法包括三个主要步骤：a）学习字的笔画顺序; b）抄写; c）记忆书写。学习书法主要有两种方法。第一种方法是参加书法课，由指导员展示正确的书写笔顺，演示写作过程，指出学生的错误，并提出改进建议。这是最有效的方法，但有些学习者没有时间上课，教师也没有。另一个原因是，这些课程往往要花很多钱。第二种是通过观看演示视频进行自学，学习者可以学习不同笔势的笔顺和使用方法。但是学生仍然很难完全掌握书写笔顺并正确地进行书写。而笔和纸之间的压力是很难为导游演示和解释清楚。它还遭受观看视频的不足，即，缺乏即时反馈。目前，许多研究工作都集中在利用计算机虚拟技术帮助学习者进行实践。Kamen Kanev介绍了一种有形的汉字表示，试图将平面书写的汉字带回到有形的3D世界，在那里学习者可以得到适当的触摸和感觉（Kamen Kanev等人，2012年）。介绍了一种舞蹈训练系统，通过该系统，用户可以模仿由投影在墙壁屏幕上的虚拟教师演示的动作，并根据捕获的学生动作给出错误（Jacky C.P. Chan，2011）。内森概述了空间能力，计算机图形教育和试点测试方法的关系。介绍了一个基于虚拟现实的空间能力评估仪器的工作原型（内森W。Hartman等人，2006年）。虚拟现实被广泛用于计算机教育，并证实了减少学习过程的效果（Elinda Ai-Lim Lee等人，2010年）。Unity3D等商业3D引擎在虚拟系统中得到了广泛的应用，因为它将创建和编辑3D对象集成在一个平台上，并且可以导出Android和iOS的源代码。一个虚拟教学系统（Kari L. Clase等人，2009），并介绍了基于3D引擎的动态虚拟现实应用的开发方法（Nikolaos Papastamatiou等人，2010年）。在计算机辅助书法教育领域也有许多有趣的研究工作。IP提出了一个模型来模拟真实的写作（SamT.S. Wong等人，2005年）。介绍了一种远程触觉书法系统，其中操作者通过使用触觉接口设备来控制具有书法画笔的从操纵器（Yutaka Ishibashi等人，2007年）。通过该系统，教师可以指导远程位置的学生使用书法毛笔。介绍了一些旨在支持学习者自我训练的增强书法教育系统（TakahiroShichinohe等人，2011年）。总结这些研究并不适合训练的目的，因为以下的局限性：1）训练过程不能随时随地练习; 2）在训练期间，教师应该在线; 3）学习书法的三个主要步骤不能完全覆盖。本文介绍了一个书法虚拟教学系统，它涵盖了学习书法的三个主要步骤。学习者可以使用在iPad上运行的应用程序来学习基本的笔顺，练习抄写和虚拟写作随时随地作为客户端。本文的组织结构如下。首先介绍了系统的目标和系统结构。其次介绍了客户端App的主要功能和算法。第三，给出了实验结果。最后给出了结论。2. 我们的目标：一个移动书法训练系统我们的目标是提供一个完整的技术解决方案，帮助人们以虚拟的方式学习书法。它需要包括书法图像预处理，提取笔画顺序和笔画粗细。与最终202Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）200写作学习徐>>第2页/共6页回来回来先前图像下一张图片>>iPad 11：59 75%Fig. 1.书法图像预处理模块(a)（b）第（1）款Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）200203表演写作文案写作虚拟书写（c）第（1）款图二. (a)产品预览;（b）抄写过程;（c）抄写结果提取结果用户可以使用iPad作为终端，学习正确的笔顺，练习抄写，虚拟这三个学习步骤的传统方法学习书法。为了满足随时随地学习的需要，应用程序应该在没有互联网连接的移动平台上运行。整个系统包括两个部分：1）书法图像预处理模块; 2）客户端应用程序，如图1所示。预处理模块主要是利用细化算法从图像骨架中提取笔划粗细和笔划顺序。它包括从骨架中检查和去除虚假顶点和虚假聚类点的过程，以避免错误的笔顺提取。笔画粗细提取和笔画顺序提取的算法可以在我们以前的研究工作中找到（Ying-fei Wu et al.，2007年）。第二部分是在iOS上运行的App。该应用程序是由一个完整的书法产品组成，具有2D和3D写作过程重现，复制写作和虚拟写作等功能。如图2所示，还支持预览整个产品等其他功能。（一）.204Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）2003. 客户端App3.1. 2D书写过程重现2D书写过程重现是通过2D动画的方法演示书写过程。有助于学习者掌握正确的笔顺。在传统的教学方式中，教师往往是面对面地展示学生的写作过程。传统教学方法的缺点是，教师示范的书写过程不能涵盖书法课上的所有字，如果有人想多看几次示范，会使教师感到厌烦。通过逐点（沿着笔划的每个像素）示出沿着在预处理模块中提取的笔划顺序的书写过程来应用递归过程。在预处理模块中提取了当前笔画粗细的特征，并以此来表示每个点。3.2. 手写体毛笔字是一种传统的学习方法，学习如何使用毛笔尖在起点、拐角或笔划结束时书写不同的形状。临摹的评价原则是与原图越相似越好。由于毛笔是由柔软的材料制成的，在书写过程中，它可以很容易地随着不同的方向和压力而改变形状和笔画粗细。但在我们的应用程序中，很难实现，因为iPad屏幕没有压力传感器。为了模拟笔画粗细变化，我们使用书写速度作为影响笔画粗细的重要因素。假设书写速度和笔画宽度具有相反的关系。下面的公式显示了笔画宽度和书写速度之间的细节：t i1ti1，t i1r，st i1vst i1vr，st i_1v（一）当使用中写入时，写入过程的存储厚度意味着骨架是笔划宽度的标准增量图2. （b）和（c）示出了复印过程，使用笔划粗细模拟方法复制书写结果。我们可以选择不同的r值来模拟不同材质的刷毛，如常用的黄鼠狼毛或山羊毛。3.3. 演示3D书写循环开发3D书写重现的目的是让用户有更多的选择和兴趣来学习笔顺。图3是3D书写过程的一些关键帧快照。在我们的项目中采用的3D引擎是Unity3D，因为它是一个功能强大的引擎，完全集成了一套直观的工具和快速的工作流程来创建交互式3D对象。我们选择Unity3D的主要原因是：1）3D对象和不同类型的灯光可以很容易地编辑; 2）用户交互得到广泛使用的脚本语言（如JavaScript，C#等）的良好支持; 3）Unity3D创建的3D场景可以在代码级导出为iOS项目。我们将Unity3D场景嵌入到代码级的App项目中。在三维场景中，毛笔的运动是按照预处理模块从原始书法图像中提取的笔画顺序进行的。主应用场景通过“PlayerPrefs”将笔划顺序传递给3D场景。我不是Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）2002054. 评价基于以上研究结果，我们使用三种著名的经典书法产品实现了四个苹果应用程序。这些应用程序可以从App Store下载，并以“CADAL”或“Chinese Calligraphy”作为关键字。为了评估系统的效能，我们邀请了80名小学生参加了五次书法学习测试。在每次测试中，所有的学生都被随机选择到一个传统的学习组和另一个使用我们的培训系统的组。目的是从以下角度调查系统性能：掌握笔顺：测试学生是否能更有效地掌握正确的笔顺。图三. 写作过程中反复出现表1.两种普通字体隶书草书印章文字小印笔迹字符传统方法百分之六十三32.3%48.2%百分之三十一百分之二十九206Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）200见图4。 两种方法与传统训练方法的比较：测试本系统是否优于传统训练方法，是否能激发学生学习书法的积极性？表2.不同市场市场单位中国13241美国889台湾431香港282加拿大189澳大利亚146日本138新加坡118英国102马来西亚814.1. 掌握笔画顺序在每次测试中，每个学生都被要求在40分钟内学会10个书法字符。这五个测试使用了不同的字体类型：普通字体、隶书、草书、篆书和小篆。在40分钟的学习后，每个学生都被要求在iPad上进行虚拟写作。表1.显示了两组的差异。在该系统的帮助下，学生可以更快地掌握笔顺。我们发现，对于正常字体，传统的方法和使用该系统的方法之间的差异很小。差异小的原因是，正常字体书法字符现在仍然用于日常写作，因此很少有错误。然而，对于其他三种字体，两组之间的差异是明显的，因为这些字体类型对大多数学生来说几乎是新的。Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）2002074.2. 与传统训练方法我们的系统进行了评估，以检查它是否可以提高学习者的兴趣，通过一些调查。调查有三个选项，比如你对书法有很高的兴趣，共同的兴趣或兴趣差。两组之间的比较结果如图4所示。实验结果表明，该系统有效地提高了学习者学习书法的兴趣。进一步的原因，我们通过个人访谈发现，学习者5. 结论本文讨论了汉字书写过程复现和笔画宽度模拟的几个关键算法。基于这些思想，我们实现了一个基于iOS的虚拟汉字书法训练系统，该系统可以帮助人们欣赏书法字符的书写美感，并为用户提供良好的书写范例，供用户在2D和3D模式下学习。学习者的实时写作轨迹可以被捕获并根据相似度进行评价。这些应用程序可以帮助学习者比传统方法更快地掌握正确的写作方法，并激发学习者这些应用程序已经在App Store上线约9个月。截至2013年2月底，全球市场销售数据见表2。下载总量超过15，000。下载来自许多国家，大多数来自中国，因为现在越来越多的人开始学习书法。确认本课题得到了教育部211重点项目CADAL（201003009）、国家青年科学基金（61103171）、浙江省自然科学基金（批准号：Z12F020027）和杭州市软科学专项（20120834M33）的资助。引用[1] Kamen Kanev，Itaru Oido，Rentaro Yoshioka，Nikolay Mirenkov.使用3D打印增强汉字学习。HCCE '12 Proceedings of the 2012 Joint International Conference on Human-Centered ComputerEnvironments，pp. 165-170，2012年。[2] 陈智强，梁浩华，Jeff K.T.唐高村拓运用动作捕捉技术的虚拟现实舞蹈训练系统。IEEE学习逻辑学报，第4卷，第2期，2011年4 - 6月。[3] 内森·W作者：Patrick E.作者：Jeffrey W. Gilger，Gary R.基于虚拟现实的空间技能评估及其在计算机图形学教育中的作用。ACM SIGGRAPH 2006教育者计划：计算机图形学和交互技术国际会议，2006年[4] 李爱琳，黄国慧，陈志峰。虚拟现实学习：对不同学习风格学生的影响。《教育学》第四卷，页。79 - 90，1月。2010年。[5] 卡里湖Clase，Nicoletta Adamo-Villani，S.放大图片作者：Lee Gooding，Aman Yadav，Jeffrey D.卡匹克，玛西亚·金特里。通过交互式虚拟环境增强合成生物学的创造力。第39届IEEE教育前沿国际会议论文集，2009年。[6] Nikolaos Papastamatiou，Theofanis Alexandis，Konstantinos Tsergoulas，Alex Michopoulos，Nikolaos208Yingfei Wu等人/ AASRI Procedia 5（2013）200卡拉迪马斯。具有动态内容开发用户界面的虚拟现实应用程序。2010年第四届WSEAS计算机工程与应用国际会议论文集[7] 山姆·T·S作者：Wong，Howard Leung，Horace H.S. IP.中国书法图像的模型分析，第九届国际。Conf. on Information Visualization（IV05），London，England，July 2005.[8] 石桥丰浅野俊夫具有预测功能的远程触觉书法系统媒体同步控制。ACE '07 Proceedings of theInternational Conference on Advances in Computer Entertainment Technology，pp.79[9] 七户孝弘，山部哲雄，岩田孝弘，中岛达雄。增强书法：写作技能发展的实验反馈设计。Proceedings of Tandem and Embedded Interaction，pp.301-302，2011.[10] 吴英飞，庄月婷，潘云鹤，吴江琴，吴飞。3D汉字书法再现系统及其关键算法研究，MINUS2007，LNCS 4418，pp. 105-116，2007年。
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