基于高速相机的平抛运动图像采集与数据分析文献综述

一、文献综述

（一）国内外研究现状

高中物理学科具有较强的实践性、理论抽象的特征，教材当中提出的大部分理论知识来源于物理学家的实验。因此实验教学在高中物理学科中占据不可小视的位置。姚宗兵认为新课程改革的全面展开对物理实验教学提出了更高的要求，需要实验的条件的保障和形式的创新^[9]。平抛运动是高中物理课程《曲线运动》中的重要部分。为了帮助学生理解平抛运动的运动过程，教师通常使用平抛运动装置进行实验，通过描点连线记录平抛轨迹，从而让学生进一步探究平抛运动规律。孙建中认为，在研究平抛运动规律时，如何通过实验精确描绘平抛运动的轨迹是关键。要充分实现教学的功能，需要根据教学实际做出一定的改进与创新^[10]。

随着现代教育技术的发展与新课程理念的推进，现代教育技术与教育教学的结合势在必行。增强现实技术（AR）是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。胡智标认为，相较于目前被广泛应用于教育领域的多媒体技术，增强现实技术有着独特的优势^[11]。Billinghurst指出，增强现实的沉浸性、交互性和构想性可以改变学习者传统学习静态学习方式，全身心沉浸于学习内容之中^[1]。

为了达到更好的教学效果，教育者开始在各自的教育领域灵活运用增强现实技术。在注重识记与阅读的文学类学科教学中，李丹指出，英语单词及基本语法的识记，可利用增强现实技术开发三维模型。同时利用集于增强现实的3D书籍，扫描标记符号可以看到配合文章情景的3D图像，便于加深记忆并培养阅读兴趣^[12]。在注重知识理解运用与实验的理工类学科领域，教育者们通过增强现实构建三维模型，将难以观察或想象的现象生动展现出来，帮助学习者对抽象理论知识进一步理解。周森等使用投影机、网络摄像机和虚拟三维建模包观察和旋转一个虚拟的 3D 星球模型以了解地球和太阳、白天和黑夜^[13]。增强现实 通过其良好的教学表现力和模拟演示的教学优势，使课堂教学更加立体和丰满，呈现信息更加直观和全面。

如今，除了传统的头戴式或手持显示器外，空间增强现实（SAR）已经使增强现实在更多的应用领域得以实现。Raskar指出，它通常利用空间排列的光学元件，如镜像光束组合器、透明屏幕、全息图和视频投影仪等。其中利用投影仪在物理空间中投影虚拟内容是较为常见的空间增强现实方式。比如用投影仪在平抛运动装置上投影小球的平抛运动轨迹，能将平时看不到的运动曲线在真实的物理空间中展现出来。在空间增强现实系统中，用户可以在物理空间中与虚拟内容进行交互，从而具有更好的环境感知、空间感知和协作感知能力^[2]。

随着网络、计算机、数字媒体、虚拟现实等技术的日新月异，带动了虚拟实验的蓬勃发展。当前，虚拟实验的价值更多的体现在教育教学中，尤其是实验教学领域。虚拟实验是指所有用虚拟内容进行增强显示的实验。它可以避免危险操作，缩短实验周期，显示不可见的实验现象。在这样的系统中，学生可以在没有任何额外成本的情况下重复虚拟实验多次，增加了实验的价值和效率^[3]。虚拟实验的问世对传统的实验教学是一个有效补充，它可以实现传统实验无法触及的实验，例如爆炸实验或天体模拟等。

（二）研究主要成果

空间增强现实在教育方面的运用给教育者带来了新的思路。在历史等文科类学科中，空间增强现实通过投影等方式将历史场景进行再现，让学习者能在真实的环境中进行体验。如基于投影的光学透明显示器被用来向博物馆参观者传达恐龙软组织重建的信息, 将几层软组织覆盖在物理头骨上，从而可以向学习者进行展示^[4]。在特殊的职业技能培训如医疗行业的培训中，空间增强现实通过数字化和三维技术, 将传统的二维图像信息投射到实物人体模型或叠加到患者身体上.比如Wen等提出的投影相机系统, 通过手术模型的投影、校正和配准, 直接在患者体内构建一个空间增强的真实手术环境，使医生的病患分析和手术治疗更加轻松精准^[5]。

虚拟实验与教育的结合在不同教育对象、不同领域都已有优秀的应用实例。比如，虚拟实验可以利用增强现实技术将原本看不见的实验现象或物体的特性在现实的空间中展现出来，方便学习者的理解。在磁感线实验中，X. Liu等提出了一种基于增强现实技术的三维磁场实时可视化方法，不仅可以实时可视化磁通量线，还可以模拟磁通量线在空间中的近似稀疏分布，允许学习者在三维空间中自由和交互式地移动磁体，并实时观察磁通量线。它将三维磁场中不可见的因素可视化，为学生学习电磁提供了现实参考^[6]。在化学实验中，Shell Games等研究出名为“快乐原子”的软件，学习者可以通过该软件将原子进行拆分和拼凑，则合成的分子会显示其性质和主要特点^[14]。部分实验中，一些污染环境或会存在一定危险的问题也可以通过虚拟实验得到解决。曾露丹在教授高中化学的制氯气的实验时选择用虚拟实验进行讲解。传统的氯气制造实验现象不明显，且氯气有毒，操作不当还容易引起爆炸，存在一定的危险系数。而通过软件进行虚拟实验则大大保证了实验的安全性^[15]。