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浙江工业大学硕士学位论文 双目视差的立体视觉研究及其在技术课程教育中的应用 摘要 作为虚拟现实技术的一个重要分支，立体视觉技术近年来发展迅 速，特别是基于双目视差的立体视觉技术已经渐渐走向成熟。在三维 空间概念的教学中，教师通常使用二维图形来解释三维空间概念，学 生很难正常理解，而立体视觉技术刚好可以作为这类空间问题的解决 办法。将立体视觉技术和多媒体技术结合，更好地促进教学，是教育 技术学研究者面对的一个崭新课题。本文通过文献分析和计算机软硬 件结合的方法来研究立体视觉的原理及其技术的实现方法，并把双目 视差的立体视觉技术应用在空间能力要求较高的技术课程教育中。 本文从知觉学习和空间能力等相关理论得出立体视觉对提高空间 能力很有帮助，通过对立体视觉理论及其技术的研究，建议使用双目 视差的立体视觉技术作为一种辅助教学手段。通过使用静态立体视图、 交互式立体图的方式，用户可以随时进行立体互动。作为一般的解决 方法，可以使用数码设备拍摄制作3 d 照片和视频，也可以使用q u e s t 3 d 、 a u t o c a d 等软件来制作立体格式图形，然后在3 d 教学平台中进行交互， 无论对教师还是学生都是很有效的解决方案。最后，本文从大学生参 与的教学实验中得出了以下结论：学生能更好的理解加入视差线索后 的立体图形，在教学中可以同时使用多种立体视觉技术，以便学生可 以根据他们特定的需求选择合适的方法。本文的创新点主要有以下三 点：( 1 ) 研究了双目视差立体图产生立体视觉的原理及其实现技术并 把立体视觉技术应用到技术课程教育中。( 2 ) 提出了一套实用的交互 式和非交互式的3 d 立体教学资源的设计方案。( 3 ) 针对技术课程和课 浙江工业大学硕士学位论文 堂的特点，提出了四种3 d 立体教学平台解决方案。 本研究具有一定的创新性，推进了立体视觉技术在教育中的应用， 丰富了教学模式，有利于提高学生的空间能力，也为后续相关研究提 供一定的参考价值。 关键词：双目视差，立体视觉，技术教育，空间能力 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fb i n o c u l a rp a r a l l a xi n s t e r e ov i s i o na n di t sa p p l i c a t i o ni n t e c h n i c a le d u c a t i o n a bs t r a c t s t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g yi sa ni m p o r t a n tp a r to fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y , i t d e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s p a r t i c u l a r l y , t h es t e r e o s c o p i cv i s i o nt e c h n o l o g yb a s e d o nb i n o c u l a rp a r a l l a xh a sg r a d u a l l ym a t u r e d t e a c h i n gt h ec o n c e p ti nt h r e e d i m e n s i o n a l s p a c e ，t e a c h e r so f t e n u s et w o d i m e n s i o n a l g r a p h i c s t o e x p l a i nt h ec o n c e p to f t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c e ，i sd i f f i c u l tt ou n d e r s t a n df o rt h es t u d e n t s ，a n ds t e r e ov i s i o n t e c h n o l o g yc a nb eu s e da st h es p a c es o l u t i o nt ot h ep r o b l e m c o m b i n a t i o no fs t e r e o v i s i o nt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g y , t op r o m o t et h et e a c h i n gm u c hb e t t e r , i sa n e wt o p i ct ot h ee d u c a t i o n a lt e c h n o l o g yr e s e a r c h e r s t h i sp a p e ru s el i t e r a t u r ea n a l y s i s a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt o s t u d yt h ep r i n c i p l e so fs t e r e o s c o p i c v i s i o na n di t s i m p l e m e n t a t i o n ，a n dp u tt h eb i n o c u l a rp a r a l l a xo fs t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g yi n t ot h e c o u r s e sw h i c hr e q u i r ea h i g h e rs p a c ec a p a b i l i t i e s i n t h i sp a p e r , w eg e tt h a ts t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g yi sh e l p f u lt o i m p r o v es p a t i a l a b i l i t i e sf r o mp e r c e p t u a ll e a r n i n ga n dt h et h e o r yo fs p a t i a la b i l i t y , t h r o u g ht h et h e o r yo f s t e r e ov i s i o na n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h ，w er e c o m m e n dt ou s e s t e r e o s c o p i cv i s i o n t e c h n o l o g yo fb i n o c u l a rp a r a l l a xa sas e c o n d a r yt e a c h i n gm e t h o d b yu s i n gas t a t i c s t e r e ov i e w , i n t e r a c t i v es t e r e om a p s ，s t u d e n t sc a l lc o n d u c ts t e r e oi n t e r a c t i o ne a s i l y a sa g e n e r a ls o l u t i o n ，w ec a nu s ed i g i t a le q u i p m e n tt om a k e 3 dp h o t o sa n dv i d e o s ，q u e s t 3 d ， a u t o c a da n do t h e rg r a p h i c ss o f t w a r ea r ea l s oag o o dw a yt oc r e a t es t e r e og r a p h i c s ， a n dt h e ni n t e r a c t i v ei nt h es t e r e ot e a c h i n gp l a t f o r m i ti sav e r ye f f e c t i v es o l u t i o nt o t e a c h e r so rs t u d e n t s f i n a l l y , t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r e g e tf r o mt h et e a c h i n g e x p e r i m e n t ：s t u d e n t sc a nu n d e r s t a n dt h eg r a p h i c sb e t t e ra f t e ra d d i n gd i s p a r i t yc u e s ， t e a c h e r sc a nu s eav a r i e t yo fs t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g i e si nt e a c h i n g ，s ot h a ts t u d e n t s 1 i 浙江工业大学硕士学位论文 c a r lc h o o s ea p p r o p r i a t em e t h o d sa c c o r d i n gt ot h e i rs p e c i f i cn e e d s t h ei n n o v a t i o no ft h i s p a p e ra r et h ef o l l o w i n gt h r e ep o i n t s ：( 1 ) a p p l i e dt h es t e r e ov i s i o nt e c h n i q u e st o t h e t e c h n o l o g yc o u r s e si ne d u c a t i o n ( 2 ) p r o p o s e das e to fp r a c t i c a ld e s i g ni d e a sf o rs t e r e o i n t e r a c t i v ea n dn o ni n t e r a c t i v et e a c h i n gr e s o u r c e s ( 3 ) p r o p o s e df o u r3 d l e a r n i n g p l a t f o r ms o l u t i o n sf o rt e c h n o l o g yc o u r s e sa n dc l a s s r o o m s t h i ss t u d yh a ss o m ei n n o v a t i v e ，i ta d v a n c e dt h es t e r e ov i s i o nt e c h n o l o g yi n e d u c a t i o na p p l i c a t i o n s ，e n r i c ht h et e a c h i n gm o d e ，a n dt h es t u d e n t sc a ni m p r o v es p a t i a l a b i l i t y , b u ta l s op r o v i d ea r e f e r e n c ev a l u ef o rf o l l o w - u ps t u d i e s k e yw o r d s ： b i n o c u l a rp a r a l l a x ，s t e r e o s c o p i cv i s i o n ，t e c h n i c a l e d u c a t i o n ，s p a t i a la b i l i t y i v 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着科学技术的发展，教学方式也在不断进化，纵观教育历史，各种新技术、 新媒体总是让教育不断发展着。虚拟现实技术在教育领域有着广泛应用，并且随 着计算机技术的发展而不断的发展着。作为虚拟现实技术的一个重要分支，立体 视觉技术在近年来发展迅速，特别是基于双目视差的立体视觉技术已经渐渐走向 成熟，视觉上真正意义上实现3 d 立体效果已经成为未来虚拟视觉发展的必然。在 三维空间概念的教学中，教师通常使用二维图形来解释这些概念，学生能否正常 的理解只能看学生空间能力的强弱了。作为一项新技术，3 d 立体技术正好可以作 为这类空间问题的解决办法。 在技术课程教育中，空间能力是一个很必要也很重要的能力，是一个高级工 程师必备的素质和特点之一，特别是在工程学、数学、物理和建筑学等学科中尤 其重要。空间能力包括空间表象能力、空间思维能力和空间想象力等因素。要发 展空间能力，需要学生具体完整的空间信息表现和空间物体的可操作性能力。学 生能否把握好空间方位、空间物体的关系主要看他有没有完整的空间信息，而学 生对空间物体的折叠、展开、旋转等操作的能力主要看他是否具备良好的空间物 体的可操作性。 立体视觉是人眼在观察事物时所具有的立体感，进一步讲，是人眼对获取的 景象的深度感知能力，而这些感知能力又源自人眼提取出景象中的深度线索。一 些感知深度视觉的线索只要求单眼，它们被称为单眼线索，通过单眼线索我们可 以看到平面的图像，这是心理作用的结果。还有一个更为重要的深度线索叫做双 眼线索，它通过双目视差来取得物体位置的深度，从而在生理上获得强烈的立体 感。 本论文将研究双目视差的立体视觉理论，对交互式的立体教学资源进行了设 计和研究，让普通p c 通过3 d 显示器和3 d 眼镜能够使用这些资源，并在特定的 教学案例中进行实证。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 在工程学、数学、物理和建筑学等技术类课程中，往往会遇到空间类概念的 问题。比如在化学中解释原子键及其属性的类型，在物理中解释电磁场，或在数 学中研究向量代数和立体几何时，教师通常使用二维图形来解释这些概念，因此 学生需要在脑海中把二位图形转换成三维图形才能理解，学生到底能不能正确理 解就看学生自己的空间能力了。空间能力对学生的学习非常重要，特别是学习技 术课程中的学生，空间能力是一个高级工程师必备的素质和特点之一。如果学生 空间想象能力不高，可能对他们的学习就会造成较严重的影响。 为了弥补空间类教学的不足，教师会使用一些教学辅助手段来提高教学质量。 比如可以采用图片法，实体模型法，空间物体类比法和教辅软件等，但是这些教 学辅助手段往往存在太多局限性。电脑图片虽然要比黑板的二维线框图更形象， 可以显示更多的细节，但缺少交互性，不直观、不全面，无法全方位观看。实体 模型虽然可以真实的展示三维物体，但是一般传统实体模型的制作费用较高，并 且搬运不方便，也需要很多空间存放，而且无法展示其内部结构。空间物体类比 法就是教师把抽象的概念与学生熟悉日常生活中的物体或生活环境进行类比，使 学习易于理解，但这需要学生有较好的生活观察力、记忆力和想象力。教辅软件 可以通过电脑动态的展示空间类概念，并且许多教辅软件也具有一定的交互性， 相对其他三个方法效果会好一些，但一般教辅软件在电脑屏幕显示的是二维化的 三维画面，不能展示出空间概念的深度感。随着立体视觉技术的成熟，这一问题 有了新的解决方法。 立体视觉技术又叫3 d 立体技术，区别传统的2 d 式的3 d 技术，它能显示传统3 d 画面下缺少的双目视差的深度线索，让人的双眼能够通过屏幕识别物体的空间位 置，包括远近、前后、高低等相对位置。当双眼观看同一物体时，由于左右眼睛 的位置不同，所以看到的景象不是完全一致的，会有细微的差别，这种差别称之 为双目视差。双目视差线索是人类获取显示世界立体线索的最主要也是最重要的 方法。3 d 立体图像形成的基本原理是通过让人的左右眼分别接收来自各自的图像， 该图像是对同一个场景产生两幅分别对应于左眼和右眼的不同图像，由于两者具 体有一定的视差，因而保存了完整的深度立体信息，通过人的双眼就可以完整地 恢复三维立体信息。 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 研究问题的提出 在以黑板和粉笔为主要教具所构成的传统教室环境相比，多媒体教室是在传 统的教室基础上加装了多媒体计算机和大屏幕投影为主要设备的多媒体配套设备 后形成的教学环境。但在立体几何、机械制图、工程图学、化学、分子生物等技 术课程中，传统的教具和多媒体教室也不能展示出真实三维世界的深度感，因此 无法很好地解释空间概念和相关问题。图片法、实体模型法、空间物体类比法和 教辅软件等教学辅助手段也存在太多局限性，不能展示出空间概念的深度感。 随着科技发展，3 d 立体技术也越来越成熟，在电影、电视甚至游戏领域都有 广泛的应用。3 d 电影阿凡达很好的向全世界诠释了3 d 世界的无限魅力，更 是加快了3 d 立体技术的发展步伐，各类3 d 电影层出不穷。不少国际知名公司都 推出了成熟的3 d 产品，n v i d i a 公司针对个人p c 发布了全套3 d 立体解决方案： n v i d 认3 dv i s i o n ，引起了全世界的关注。n v l d i a3 dv l s i o n 方案包含入门级 的n v i d m3 dv i s i o nd i s c o v e r ( 基于红蓝眼镜和普通显示器) 和完整版的 n v i d 队3 dv i s i o n ( 基于主动式立体眼镜和1 2 0 h z 显示器) 。n v i d i a 公司在推 出整套3 d 平台的同时也积极与各大软件公司合作，完善了3 d 软件开发平台，著 名的跨平台游戏引擎u n r e a le n g i n e3 ( 虚幻3 引擎) 已经加入了对n v i d i a3 d v i s i o n 的支持，虚拟现实软件q u e s t3 d 也加入了对n v i d i a3 dv i s i o n 的支持， 这意味着今后基于这类软件平台打造的游戏或其他软件作品均可支持3 d 立体输 出，而且这项技术不需要额外支付任何授权费用。 因此把3 d 立体技术应用到空间教学中，无疑是一个很好的办法，也是一个非 常有效的辅助教学手段。3 d 立体技术能够让学生完全沉浸在虚拟的三维场景中， 让学生在生理上产生更为真实的空间结构感和空间运动感，从而对三维空间类知 识有更加深刻理解，更容易掌握相关知识。本文通过研究双目视差的立体视觉理 论，对交互式的立体教学资源进行了设计和研究，让普通p c 通过n v i d i a3 d v i s i o n 使用这些资源，并在特定的教学案例中进行实证。 总体来说，本课题的研究问题包括以下三个内容： ( 1 ) 跟空间能力相关的立体视觉具有哪些特性? 如何在技术课程教学中利用这 些特性来提高教学效果； ( 2 ) 如何对双目视差的立体视觉进行理解、表达和创建具备深度线索的视差立 浙江工业大学硕士学位论文 体图； ( 3 ) 如何根据技能课程和学生的特点，设计和实现基于双目视差的立体视觉教 学案例： ( 4 ) 如何让学校在普通多媒体教室的基础上搭建3 d 多媒体教室以便使用3 d 教学资源。 1 3 国内外相关研究现状 将双目视差的立体视觉应用于技术课程的教学，是计算机虚拟现实的视觉技 术运用于教育领域的很好实践。目前国内对立体视觉技术应用于技术类课程的相 关研究还非常少，但在实验室和大型博物馆等机构有大量的应用。立体视觉技术 将会逐步深入到教育的各个领域，将给教学带来一系列重大变革。在学习技术类 课程时，在保证教学效果的前提下，它能极大地节省成本。学生在3 d 立体的虚拟 环境中，可以放心地做各种危险的实验。在专业技能培训上，3 d 显示技术能够为 学生提供辅助作用，比如虚拟驾驶、各种交通规则的模拟，特种器械模拟操作、 模拟装备等。在空间能力的认知教学方面，国内外研究学者对如何在教学中培养 空间想象能力进行了大量的研究。在计算机视觉领域，立体视觉技术正在蓬勃发 展。目前国内外的研究现状如下： 1 3 1 空间能力的认知教学 7 0 年代后期，国外学者认为在空间想象时，心理因素最重要。当我们在解决 空间能力想象问题时，一般先将空间问题暂时储存在大脑，然后大脑根据这些信 息产生一系列复杂的心理运算，从而解决问题( m c g e e ，f e n n e m a ，g u a y ，1 9 8 0 ) 【t 】 o 有的学者认为空间能力应该分为多个阶段来进行分析，以便学生能够更好的 理解几何图形( l i m a ，p e t e r s e n ，1 9 8 5 ) 。空间能力发展的关键时期是初中阶段，因 此在教学上要根据学生心理发展的特点来进行适当的教育( 周珍，2 0 0 0 ) 。 为了把空间能力细分成几个部分，导致了许多争论。不同的研究之间有不同 侧重点，有些研究认为心理能力需要一个可视化的视觉对象来进行空间转换，有 些研究认为还应该包括从不同的角度来想象一个场景在脑海中的景象( h e g a r t y & 4 浙江工业大学硕士学位论文 w a l l e r ，2 0 0 4 ) 。甚至一些研究认为性别不同也会导致心理上可视化和方向的差异 ( 考夫曼，2 0 0 7 年) 。 国内学者李洪玉、林崇德认为，空间认知能力是人类对物体或空间图形在大 脑中进行的一系列操作的能力，如识别、编码、贮存、表征、分解、组合、抽象 和概括等。他们还指出，在人类个体进行空间任务的过程中，空间记忆和空间想 象这两种能力有着关键的桥梁作用，但是起决定性作用的能力是空间思维能力( 李 洪玉、林崇德，2 0 0 5 ) 【2 】。 石志群( 1 9 9 6 ) 1 3 、余永安( 2 0 0 5 ) 1 4 、刘建明( 2 0 0 5 ) 【5 1 、徐明杰( 2 0 0 5 ) 【6 1 、吴宪芳( 2 0 0 5 ) 【7 1 等人对如何培养空间能力提出了许多观点，吴宪芳总结并归 纳了培养空间想象能力我们有以下途径： ( 1 ) 好好学习和把握空间的基础知识； ( 2 ) 通过观察实物、模型和解剖结构、分析制作等实践活动，形成较好的空间 观念； ( 3 ) 努力培养学生对空间图片的阅读和绘图能力： ( 4 ) 变式教学； ( 5 ) 通过计算机和教学软件进行辅助教学。 1 3 2 双眼线索与立体视觉技术 在1 9 5 9 年以前，人们认为心理作用是产生立体视觉产生的主要机制。h u b e l 和w i e s e l 在1 9 5 9 年证明在猫纹状皮层存在双眼驱动细胞( b i n o c u l a r l y a c t i v a t e d c o r t i c a lc e l l ) h j ，第一次明确了双眼视觉信息的生理因素。b l a c k e m o r e ( 1 9 7 6 ) 做了一 个实验，在小猫的一只眼睛上安放一片不透明的隐形眼镜而隔天在另一只眼镜上 安放另一片，周而复始，小猫成年后，他们不能完成非常简单的双眼深度知觉任 务，实验提供了双眼参与深度知觉的证明。j u l e s z ( 1 9 7 1 ) 通过采用随机点立体图 、 ( r a n d o md o ts t e r e o g r a r n ，即两个稍微不同的图形通过实体镜可以被看成三维吲9 】) 获得了关键证据。在两个随机点立体图中，除了其中一个图的一部分( 如，位于 中心的一个正方形部分) 侧移以改变它与背景的差异外，其他均是相同的。每一 个这样的立体图看起来均由随机白点和黑点组成。也就是说，似乎没有一个图形 包含一个可辨认形状。但是，当用实体镜观察立体图时，观察者就可以清晰地看 5 浙江工业大学硕士学位论文 到一个物体，如一个正方形等。因此就排除了立体视觉的单眼线索，t v l e r ( 1 9 7 9 ) 【l o 】则用更细致的实验证实了这种深度的立体视觉是由双眼视差引起的。 通过计算机模拟出基于双目视差的立体视觉，这种技术的核心是如何利用算 法产生出双目视差的图像。对于立体视觉的双目视差模型算法的研究，国外在这 方面已经取得了一定的成果。但是国内起步比较迟，天津大学教授侯春萍( 2 0 0 2 ) 【】通过将视点固定在z 轴，然后对双目视差立体视觉建立了平行和汇聚2 个数学 模型，得出了投影矩阵，并通过实验数据分析得出了最容易融合双目视差的生理 极限值和模型参数的限制区域。上海交大c a d 工程研究中心的周印、谢叻( 2 0 0 5 ) 【1 2 i 对四种生成双目视差图的方法进行了仔细研究，最后得出了一个结论，他们认 为显示效果最好的方法是双中心投影成像法。合肥工业大学的张字辉，吕国强 ( 2 0 0 6 ) p 3 通过对汇聚式双目系统产生的误差进行分析，得出了平行双目投影系 统的算法和利用分时图像法实现视差立体图的方法。同济大学的杨瑶、王继成、 刘然( 2 0 0 7 ) 【1 4 】利用3 d sm a x 中的摄像机对场景中的物体进行坐标变换和透视投 影变换，分别生成了左右眼视差图，从而产生立体视觉。综上所以，在双目视差 的算法方面，国内对立体视觉的表达与立体模型的建立还需要进一步的深入研究。 1 3 3 技术课程与空间能力 对于科学、技术、工程、数学等领域的科技人员而言，空间能力是一项基本能 力。一项对大学本科学生空间能力的研究表明，学生在完成空间问题直接相关的、 甚至某些间接相关的任务时，学生的空间能力的高低对于任务的完成情况会产生 明显影响( b o d n e r ，g u a y ，1 9 9 7 ) 。清华大学冯涓、田凌( 2 0 0 9 ) 通过对机械制图 这门技术课程的学生进行一学期的p s v t ：r 测试( p u r d u es p a t i a lv i s u a l i z a t i o nt e s t ： r o t a t i o n s ，图1 1 ) ，p s v t ：r 测试是美国普渡大学g u a y 等人设计的一套测试方法， 它被广泛地用来测试人的空间能力。他们得出的结论表明，空间能力的高低对学 生机械制图课程的学习产生了一定的影响。空间能力较低的同学在机械制图课程 的学习中可能会遇到较大的困难，因此学习成绩较低的可能性很大，另外，性别 差异和地区差异对空间能力也有一定的影响，一般男生的空间能力高于女生，来 自城市的学生的空间能力高于农村的学生 1 5 】。因此空间能力对于学习技术类课程 的学生而言相当重要。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 4 立体视觉与空间能力 昏寸鼙 啊瀛l 皇， a ! c d9 图1 1p s v t ：r 测试例题 k e n j i r os u z u k i ( 日本) 【1 6 1 ，e m i k o t s u t s u m i ( 日本) 1 1 7 ，h e l l m u t hs t a c h e l ( 澳 大利亚) 【1 8 】，g u n t e rw e i s s ( 德国) ，h a n sp e t e rs c h r o c k e r ( 澳大利亚) f 19 】等人在 m c t ( m e n t a lc u t t i n gt e s t ) 测试项目上进行了连续多年的统计和研究。e m i k o t s u t s u m i 等人从1 9 9 9 年开始，对空间能力和立体视觉的关系进行了长达4 年的研 究。他们用s t e r e o g r a p h i cm e n t a lc u t t i n gt e s t 2 0 】的方式对该校的女生进行立体视觉与 空间能力关系的实验，通过使用3 d 液晶光阀眼镜来观察双眼视差立体图，然后对 测试者进行s m c t 的测试。通过定量研究方法，他们得出结论，使用基于双目视 差的立体图可以更好的认知3 d 图形。在国内，李平也做过类似的实验并得出了类 似的结论。他们的实验证实，利用双目视差产生立体视觉的方式可以在一定程度 上提高学生对三维物体的空间认知能力。 1 3 5 基于立体视觉的教学资源 虽然教学软件目前种类丰富，涵盖各类学科，但基于立体视觉的教学资源目 前仍然相当稀少。1 9 9 6 年，教育部在全国中小学推广c a 课堂教学软件。2 0 0 4 年， 中科院院士张景中主持开发了套“z + z 智能平台 。2 0 0 8 年刘飞兵的“3 d 数学 画板”以及2 0 0 9 年薛学忠等人开发的“几何图霸”动态三维绘图软件较好的解决 了普通三维立体表现不足的问题，但是这些软件中的立体图形都只是基于单眼线 索的平面立体图形，是三维立体图形在二维屏幕上的投影，并不包含视差深度线 索。 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 1 0 年浙江工业大学谭颖开发的“立体几何乐园”利用了双眼视差和深度线 索，学生可以通过佩戴红蓝眼镜来观察立体几何，对学生学习立体几何课程有很 好的辅助作用【2 。 1 4 研究内容 本文主要研究立体视觉在技术课程教学中的应用。通过对双目视差的立体视 觉的原理研究，分析立体视觉在教学实践中的可行性，找出立体视觉和教学的契 合点，并结合认知心理学的空间知觉、知觉学习、空间意向、反应定向分化和教 学系统设计等理论，研究如何通过n v i d i a3 dv i s i o n 技术在主流p c 机上来实现 具有真实性、沉浸性的3 d 立体教学方法，并把它应用于教学实践，再通过和传统 等教学手段的对比评价，得出基于双目视差的3 d 立体教学的方式是否有利于改进 教学的结论。 ( 1 ) 研究双目视差的立体视觉在空间能力教学中的特性； ( 2 ) 研究基于双眼线索产生立体视觉的相关理论和技术； ( 3 ) 非交互式和交互式3 d 立体教学资源的设计方法； ( 4 ) 3 d 多媒体教室的组建方法； ( 5 ) 设计基于立体视觉技术的教学模式。 1 5 研究目标 本文的研究目标是提出一种利用双眼视差的立体视觉来解决技术课程中的空 间能力教学障碍的解决方案。 ( 1 ) 把立体视觉技术的应用到技术课程教学中 立体视觉在教学领域已有部分应用，但是在普通课堂上应用不广，并存在针 对性不强，缺乏系统性等缺点。本课题的研究致力于把立体视觉技术应用到复杂 空间的技术课程的教学中，并利用液晶分时技术，在普通p c 机上通过n v i d i a3 d v i s i o n 实现交互式和非交互式教学资源的应用。 ( 2 ) 通过立体视觉技术提高教学效果 在技术类课程中有很多无法用2 d 和平面3 d 来表达的内容，如建筑建模、机 械制图、零件装配、立体化学、分子生物等课程都要求学生具备一定的三维空间 8 浙江工业大学硕士学位论文 能力，学生在学习这类知识时，普遍存在识图困难等问题，通过立体视觉技术就 可以克服这些难点。 1 6 研究意义 由于立体图形在空间中所反映的真实结构的三维特点，在传统的课程教学中， 往往难以直接呈现深度感，学生在初学时难以从二维平面的角度看立体图形。如 果采用沉浸式的立体视觉方式来表达三维模型，将概念与真实的深度感的模型更 好的结合起来，使学生更容易建立起立体图形与文字意象之间的关系，能更好的 理解抽象的空间概念，把握复杂的空间物体特征及其各部分的空间关系，从而更 好的促进学习效果。3 d 立体的上课方式，也更容易激发学生的学习兴趣。 ( 1 ) 立体视觉的教学方式丰富了课堂教学方式 能帮助学生解决空间概念学习障碍的教学手段有多种，但跟其它教学手段相 比，立体视觉方式在空间能力教学中更具有直观性和空间性的特点。 ( 2 ) 对空间类相关的教学课程来说，具有一定的借鉴意义 立体视觉应用于教学的相关研究在国内还比较少，本文提出的立体视觉教学 模式可以为后人研究立体视觉在教学中的应用提供一定的借鉴意义。 1 7 关键概念界定 ( 1 ) 立体视觉( s t e r e o s c o p i cv i s i o n ) 立体视觉也称深度知觉，是人眼在观察事物时所具有的立体感。再进一步讲， 是人眼对获取的景象有相当的深度感知能力( d e p t hp e r c e p t i o n ) ，而这些感知能力 又源自人眼可以提取出景象中的深度要素( d e p t hc u e ) 【2 2 】。立体视觉的产生包含 单眼线索和双眼线索。 ( 2 ) 双目视差( b i n o c u l a rp a r a l l a x ) 由于人的两只眼睛存在间距( 平均值为6 5 c m ) ，因此对于同一景物，左右眼的 相对位置( r e l a t i v ep o s i t i o n ) 是不同的，这就产生了双目视差，即左右眼看到的是 有差异的图像，双目视差是人产生立体视觉的主要方式1 2 3 1 。本文就是基于此原理的 立体技术来开发3 d 立体教学资源。 9 浙江工业大学硕士学位论文 ：弋 = 添 徼 图1 2 双目视差的立体视觉原理图 ( 3 ) 运动视差( m o t i o np a r a l l a x ) 运动视差也称为单眼运动视差，是指观察者的视线在横向移动时见到的周围 环境中的物体的运动方向和速度的差异。不同距离物体的视角和变化速度不同， 会引起相对运动视差，此时，当环境中的物体固定而观察者的头或身体移动时， 会觉得较近的物体在向与其相反的方向移动，而且看上去进出的物体运动较快， 较远的物体则向相同方向移动，而且远处的物体运动较慢。另外，当观察者固定， 而环境中的物体在眼前移过时，就可以根据物体的相对运动来感知其距离。运动 视差是由于在同一时间内距离不同的物体在视网膜上运动的范围不同，即近处物 体视角大，在视网膜上运动的范围大，而远处物体视角小，在视网膜运动的范围 小，从来产生了物体不同的速度映像。 ( 4 ) 空间能力( s p a t i a la b i l i t y ) 空间能力指的是人们操作和变换空间图案映像以形成其它空间图案排列的能 力【l 】。空间能力是一个高级工程师必备的素质和特点之一，特别是在工程学、数学、 物理和建筑学等学科中尤其重要。空间能力包括空间表象能力、空间思维能力和 空间想象力等因素。要发展空间能力，需要具体完整的空间信息表现和空间物体 的可操作性的能力。学生能否把握好空间方位、空间物体的关系主要看他有没有 完整的空间信息，而学生对空间物体的折叠、展开、旋转等操作的能力主要看他 是否具备良好的空间物体的可操作性。 ( 5 ) 技术( t e c h n o l o g y ) 技术是指利用知识、工具和技能来解决实际问题，同时扩展人的能力。技术 通常被描述为是一种过程，技术可以给我们带来先进产品和社会效益。技术的构 成基础是科学原理，作用在于做、制造和实施【2 4 】。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 技术课程( t e c h n o l o g yc o u r s e s ) 技术课程的目标定位于提高学生的技术素养。技术课程内容以模块为基本单 元，既包括那些具有时代气息、适应社会发展、体现未来科技走向、具有可迁移 特征的内容，也包括那些贴近学生实际、富有挑战意义、满足学生个性发展需要、 有利于课程实施和学生选修的内容。技术课程内容非常广，如机械，立体构成， 分子化学，材料，能源，加工制造，农业与食品，生物技术，医疗技术，环境， 信息交流，电子学，计算机技术，交通运输等【2 5 1 。 ( 7 ) 线框图( w i r e f r a m e ) 线框图通常用于表示概念模型，所以在技术课程教育中显得尤其重要。三维 模型的线框图被广泛应用于矢量图的表示，包括电磁学、立体几何、虚拟化学原 子、技术设计图和结构设计等领域。但线框图缺少透视、阴影和明暗等单眼线索， 识图比较困难，如把双目视差的立体视觉技术应用到线框图，将会使线框图识图 变得相对容易。 1 8 研究方法 ( 1 ) 文献研究法 文献是指记录有知识的一切载体，文献检索是从文献中迅速准确地查找出所 需情报的一种方法和程序。文献是进行科学研究的基础，它贯穿了研究的全过程。 本论文中，文献综述法主要用于搜集与立体视觉、3 d 立体技术、空间能力、技术 课程等的大量文献，批判性的借鉴和吸收现有研究成果，并以双目视差的立体视 觉在技术课程教育中的应用为主线加以吸收和整合，为研究奠定基础。 ( 2 ) 比较研究法 教学科学研究的比较研究法是根据一定的标准，对某类教育现象在不同情况 下的不同表现，进行比较研究，找出教育的普遍规律及其特殊本质，力求得出符 合客观实际结论的方法。本文对传统教育手段和立体视觉教学手段进行了比较研 究从而得出立体视觉教学法的优点，另外对各类立体视觉技术也进行比较研究法 从而得出最适合教学的技术手段。 ( 3 ) 访谈法 访谈法又称晤谈法，是指通过访员和受访人面对面地交谈来了解受访人的心理 浙江工业大学硕士学位论文 和行为的心理学基本研究方法。因研究问题的性质、目的或对象的不同，访谈法 具有不同的形式。根据访谈进程的标准化程度，可将它分为结构型访谈和非结构 型访谈。访谈法应用面广，能够简单而迅速地收集多方面的工作分析资料，因而 深受人们的青睐。 “) 问卷调查法 问卷，是根据研究课题的需要而编制的问题表格，由调查对象填写回答的一 种收集资料的工具，同时又可以作为测量个人行为和态度倾向的测量手段f 2 6 j 。本 研究辅以问卷了解立体几何的辅助教学现状，并通过问卷测试立体几何深度知觉 教学系统的使用情况。 1 9 论文的结构 本论文的章节安排如下： 第一章提出本论文的课题来源，对课题的现状进行了分析，对课题的研究意 义与目的进行了归纳和总结。 第二章介绍了空间能力和知觉学习等理论。首先论述了知觉学习理论与教学 的应用。然后论述了立体视觉和空间能力相关理论。最后着重探讨立体视觉与学 习活动之间的关系；通过对前人理论上的综述得出结论：在技术课程教育中运用 立体视觉能提高教学效果，有助于学习效果的提高。 第三章介绍了立体视觉的原理及其实现技术。首先论述了基于双目视差的立 体视觉的相关概念和内容，然后论述了平面立体和三维立体的区别，最后，探讨 了实现立体视差图的软件和方法。 第四章主要介绍双目视差的立体视觉的教学资源设计。首先论述了双眼视差 的立体视觉在教学中的应用，然后提出了交互式的非立体教学资源设计、非交互 式的立体教学资源设计和立体的交互教学资源设计，并通过q u e s t 3 d 设计了一个 基于双目视差的立体视觉教学案例。最后论述了立体教学资源的教学应用和3 d 教 学平台的解决方案。 第五章主要介绍双目视差的立体视觉的教学系统的应用评价。抽选了一部分 大学生作为立体视觉教学系统的评价对象，并总结了结果，最后通过问卷调查进 行了教学评估。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第二章相关研究综述 感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的个别属性的反映。立体视觉 ( 深度知觉) 是知觉的一种，是人脑对客观环境中的时空信息的加工处理，知觉 是人将感觉信息整合为有意义模式的过程，是把接受到的信息进行整合并对其作 出解释的过程。空间想象能力是一种观察思考能力，立体视觉和空间能力之间存 在着一定的联系。本章主要对空间能力及与立体视觉相关的知觉学习理论进行文 献综述来研究立体视觉与空间能力的教学之间的关联。 2 1 研究的理论基础 2 1 1 感觉和知觉 梁宁建( 2 0 0 3 ) 指出“感知觉是人类觉察信息、认识世界的门户【2 7 】。”人对各 种事物的认识活动是从感觉开始的。但是，在日常生活过程中，感觉和知觉几乎 融合在一起同时发生，通常不加严格区分。在心理学发展历史上，曾经对感觉和 知觉的区分进行过争论【2 8 1 。目前，从感知觉产生的生理心理过程分析，感觉和知 觉是两个紧密联系而又不同的心理活动过程。艾森克指出：“感觉与知觉是有区别 的。感觉是呈现于感觉器官的、未经整合的信息；而知觉是由组织的，包括对感 觉的整合和赋予意义。总的说来，知觉是在感觉之后。但必须注意，在时间上， 感觉和知觉的过程经常是重叠的【2 9 1 。” ( 1 ) 感觉 感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的个别属性的反映。在现实生 活中，人对各种事物的认识活动是从感觉开始的。当要认识某种事物时，首先是 事物的颜色、声音、湿度、硬度、气味、味道等个别属性作用于人的感觉器官， 通过感官把这些个别属性反映到大脑中，使大脑获得客观事物的特征信息。感觉 不仅反映事物的外部属性，还反映有机体的变化和内部器官的状况，例如，人体 的运动姿势、干渴、饥饿、疼痛等。简而言之，外部和内部的刺激首先作用于人 浙江工业大学硕士学位论文 的感觉器官，并产生客观事物的刺激模式，感觉器官将适宜的刺激转换成神经冲 动，经过传入神经到达大脑皮层的相应区域，从而产生相应的感觉。 感觉具有直接性、个别属性和主观与客观的统一等特征。根据刺激信息的来 源和感觉的性质，可以把感觉分为外部感觉和内部感觉。 外部感觉 外部感觉是指由外部刺激引起，反映外部事物个别属性的感觉。外部感觉的 感受器位于人体表面或接近体表的部位，主要接受来自于有机体之外的适宜刺激， 反映事物的个别属性，主要有视觉、听觉、嗅觉、昧觉和触觉。 内部感觉 内部感觉是指由机体内部刺激引起，反映内脏器官、身体平衡及自身状态的 感觉。内部感觉的感受器位于人体各内脏壁内、腹膜、胸膜、关节囊、前庭器官 等处。它把内脏、关节、肌肉、前庭器官等部位的活动及其变化等化学和物理的 刺激，经传入神经传向中枢，从而引起饥、渴、饱、胀、恶心、痛、运动、平衡 等内部感觉。内部感觉主要有运动觉、平衡觉和机体觉。内部感觉通常不太精确， 有时甚至难以分辨。 根据感觉器官或感觉通道的不同，可以把感觉分为视觉、听觉、嗅觉、味觉、 触觉、运动觉、平衡觉等，表2 - 1 所示是人类主要的感觉。 表2 - 1人类主要的感觉分类 感觉适宜刺激感觉器官感受器获取的信息 视网膜的视锥细胞和视颜色、模式、结构、运动、 视觉光波眼 杆细胞空间深度 耳蜗内基底膜上的毛细 听觉声波耳噪声、音调 胞 触觉外接接触皮肤皮肤神经末梢触、痛、温、冷 挥发性气体气味( 麝香、花香、烧焦、 味觉鼻嗅上皮毛细胞 分子薄荷等) 味觉 可溶性物质舌舌头上的味蕾味道( 酸甜苦辣成) 平衡觉机械和重力 内耳 前庭器官中的毛细胞空间运动、重重力牵引 肌肉、肌腱肌肉、肌腱和关节的神经身体各部分的运动和位 运动觉身体运动 和关节纤维置 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 感觉是知觉、记忆