G—Show課堂互動展示系統

項目研究的目的

“三通兩平臺”的建設及教育現代化、信息化的推進，必將使傳統的課堂教學模式和教育方式產生根本性轉變。對于教育信息化進程中產生的負面新問題，目前社會各界尚未足夠重視，長此以往將會導致教育質量的嚴重下降，達不到教育信息化的目的和初衷，與“三通兩平臺”建設的精神背道而馳。

因此，為了使教育信息化能順利開展并達到預期目標，真正地利用現代教育技術為教學服務，很有必要在信息化建設過程中增加各種教育行為監測與預警機制，并及時采取如本項目研究成果那樣的改進措施，保證我國教育發展和教育信息化建設的穩步推進和卓有成效，這也是本項目研究開展的初衷與目的。

項目研究過程

項目總體目標

本項目的總體目標是設計一套軟硬件系統，使教師能方便地遠程操作基于計算機的各種教學設備如電子白板、多媒體展示系統等。項目總體目標包含如下幾個方面。

◇該系統硬件必須是無線通訊的可穿戴計算機系統，體積足夠小，重量足夠輕，且不能占用教師的雙手，以便教師能方便地板書和握持各種教具。

◇該系統軟件必須基于Windows系列操作系統，以便能與各種常見電子白板和多媒體展示系統兼容，同時軟件能針對課堂教學作相應優化，方便師生開展各種教學活動。

◇該系統還需要實現空中無線鼠標的所有功能，以便于師生能更靈活地操控計算機。

設計思路與解決方案

本項目的總體架構設計見圖1。

元器件的選用

◇加速度傳感器芯片的選型。由于項目硬件設備需要盡量精確地檢測用戶手部的姿態，因此僅使用直線加速度傳感器檢測設備線速度不能滿足項目要求，還需要添加角速度檢測的電子陀螺儀傳感器，為了能縮小設備體積和減輕重量，傳感器選型為MPU 6050芯片。

◇藍牙通訊模塊的選型。由于可穿戴式系統與計算機之間的通訊速率不是很高，因此采用TTL串行接口的藍牙通訊模塊承擔主控MCU和計算機之間的通訊，以便降低對射頻電路與生產加工工藝的要求。目前本項目采用了廣州匯承信息科技有限公司生產的HC OX系列藍牙通訊模塊。

◇MCU芯片的選型。本項目采用了美國atmel公司的AVR系列8位微控制器ATmega48PA作為主控芯片，承擔了采集、處理傳感器數據和與藍牙模塊通訊等工作。

手部姿態數據的解算與分析算法原理

本項目最核心的、也是最難實現、研究耗時最長的算法就是將計算機采集到的歐拉角數據流進行分析計算，實現對用戶手部運動姿態的檢測，進而由應用程序控制計算機做出用戶想實現的操作。因用戶的手部運動姿態是一個模擬量轉換成數字量的過程，且同一個人的每次運動姿態與路徑會存在一定的差異，因此該部分算法涉及數據處理的模糊識別，又需要算法具備一定的準確度和魯棒性。這部分算法曾經困擾了本人很久，最后終于研究出了一種分段式曲線擬合算法，其基本原理如下。

◇將從用戶手指上的姿態檢測設備傳送過來的歐拉角數據存儲到計算機內存中，以3組一維數組的形式保存，數組下標大小代表數據到來的先后。

◇將每個一維數組的數據按照需要平均分成若干個等距采樣點，計算每個采樣點之間的直線斜率，得到一個斜率數據集，將該數據集中的每一個數據與待比較曲線經同樣算法計算生成的上一個斜率數據集中的每一個數據分別進行比較，2個數據集中的相同單元數據偏差在一定的范圍內，即可認為該部分曲線是同等的，否則視為不同。

在擬合算法中，通過多次對調整擬合過程，即可找到參數最佳值。

計算機應用程序的關鍵算法實現

計算機應用程序除了根據上述算法解析出用戶意圖，第二個重要工作就是判斷出計算機當前窗口狀態，通過Windows系統消息機制指揮計算機做出相應的動作。以下以用戶水平向右揮手這一動作為例，說明計算機應用程序的關鍵算法。

用戶水平向右揮手這一動作，在不同的軟件窗口，代表不同的意義。如在PowerPoint中，這一動作代表向下翻頁，對應鍵盤的PageDown按下，因此應用程序通過判斷當前活動窗口的標題識別用戶是否在使用PowerPoint。當前窗口判斷完畢，應用程序通過Keybdevent（）函數發送Windows系統按鍵消息，實現模擬用戶按下鍵盤的操作，進而觸發PowerPoint的向下翻頁動作，實現PPT演示文稿的翻頁。其他的系統消息如鼠標移動、按下左鍵、打開應用程序等操作，實現方式均與上述過程相似。

最終產品外形見圖2。

項目的創新性

基于分段式斜率計算的運動軌跡判斷模糊算法

在研究運動軌跡三維曲線擬合的算法中，研究出了一種可通過2個關鍵參數靈活調整曲線形態的識別特性，并能方便地通過程序調整的算法。

加速度傳感器在教學互動設備上的應用

本項目基于作者對日常教學過程中出現問題的研究，是以加速度傳感器為核心的可穿戴式系統。目前加速度傳感器多數是作為飛航控制和游戲體感外設使用，經大面積市場調查和專利檢索，尚未出現與本研究項目相似的教學設備研制的文獻或投入市場應用的產品。

指套式可穿戴計算機系統結構

本項目的主要硬件設備是一個微型可穿戴計算機系統，本項目的應用程序是一個供師生開展課堂教學活動的管理平臺，具備很多針對課堂教學優化的設計，經檢索國家知識產權局的相關的軟件知識產權公開文檔，尚未發現與本項目相同的軟件產品。