数据可视化课程思政的探索与实践

针对当前大思政背景下工学类专业出现的思政课堂与专业课堂“各行其道”,学生重专业学习而忽略自身思想品德和修身,被动接受思政知识,对思政理解不够深入且学习兴趣较低等问题,以计算机学科的数据可视化课程为背景,提出基于五维思政元素框架的课程思政模式,基于虚拟现实的沉浸式可视化技术创新文化育人模式,介绍具体课程思政育人实践。

虚拟现实沉浸式学习中的人机交互技术研究——以K12物理实验教学为例

传统物理实验教学存在实验器材受限、教学内容枯燥、学生参与度不足等困境。基于虚拟现实技术(以下简称VR)的沉浸式学习以学生为主体,提供沉浸式、交互性及可复用性的学习体验,可以很好地突破当前传统实验教学的瓶颈。针对当前虚拟学习环境中较为普遍的临场感缺乏和交互体验受限等问题,研究重点关注沉浸式学习中人机交互技术应用和学习者的力/触觉体验对实验学习效果的影响。将VR交互技术中的力反馈引入K12物理实验教学场景设计中,通过准实验评估力反馈在沉浸式学习中的应用效果。结果显示,在VR沉浸式学习中,使用力反馈技术可以显著提高学习者的真实感和交互效率,但对知识增益没有产生显著性影响。通过研究,为深入探索沉浸式学习中的人机交互设计、力反馈在科学教育等教学场景的应用及发展适宜性策略等提供借鉴。

鼻-颅底虚拟手术基于黏膜钳力交互的肿瘤形变

目前还没有针对黏膜钳力交互的颅底肿瘤形变研究,黏膜钳作为鼻-颅底手术的主要工具之一,研究其虚拟仿真可以为鼻-颅底虚拟手术系统提供技术支撑.首先,基于CT重建颅底脊索瘤模型,参照实物建立黏膜钳模型;其次,根据碰撞点与三角面片的位置关系进行精确碰撞检测;再次,根据碰撞点与三角面片顶点的距离的比例将外力分配到顶点上;从次,基于Voigt模型模拟肿瘤形变,采用4阶龙格-库塔法求解动力学方程;最后,基于Geomagic Touch设备与弹簧-阻尼器模型实现力反馈.实验所用脊索瘤模型有2601个顶点,在CPU i7-9700K,GPU 1660Ti环境下的实验结果表明,形变效果符合软组织的黏弹性、应力-应变非线性与应变滞后性,形变帧速超过60帧/s,达到实时性要求,针对17位医师的问卷调查也获得了较好评价.

基于八叉树势场的鼻内镜虚拟导航路径规划

虚拟导航可从多角度直观展示人体组织内部结构,其中导航路径规划算法是影响导航效果的关键,传统中心路径提取算法能保证导航过程视野开阔,但在复杂鼻-颅底体模型上时间效率不够高。为此提出基于八叉树势场的快速导航路径规划算法。通过八叉树对障碍物外部空间进行建模,计算所有八叉树节点所在位置的势,构建八叉树势场;根据八叉树中正方体的邻接关系,以势场路径积分为边的权重,构建八叉树邻接图;基于A^(*)算法得到邻接图中总权重较小的导航路径。在真实患者影像数据上测试算法性能和效果,实验结果表明,本文算法的时间效率高于传统算法和基于八叉树加速的距离变换法。基于规划的导航路径,通过体绘制实现虚拟导航过程的动态可视化,可为用户提供良好的鼻-颅底观察效果,为鼻-颅底外科手术术前规划提供帮助。

基于VR的“京师红迹”沉浸式体验系统设计

红色教育是思政教育的重心,现阶段红色教育大多依靠文字、图片资料和实地游览,存在着形式单一,互动性和体验感不足等问题。红色文化要想葆有生机与活力,需要结合当下先进的科学技术,不断得以传承和发展。北京师范大学是当之无愧的“红色师范”,基于VR技术构建京师红色虚拟环境,利用3Dmax再现校园“红迹”,实现虚拟环境的高真实感;通过Unity3D实现参观宣传中的音频、视频交互及“穿越”环节,提高了红色教育的趣味性。评估结果表明,上述系统能够充分吸引学生兴趣,激发探索欲,具有较好的沉浸感和临场效果,可使学生获得更加难忘的学习体验,达到更好地弘扬校史文化,传播红色精神的效果。

人体循环系统的沉浸式学习环境设计与开发

生物是K12教育中的一个重要学科,以实验为基础。但由于条件制约,一些实验无法在现场完成,且模型较抽象,难以在课堂上展示,导致学生学习困难。基于沉浸式可视化和交互技术,提出“人体循环系统”沉浸式学习环境的总体框架和开发流程,对心脏、肺、肾脏等器官进行精细建模,基于Unity3D实现血液循环的动态可视化和三维交互设计,为VR生物教学提供典型示范。通过评价实验可以得出:系统可增强学习的沉浸感和交互性,提高学习兴趣,使学习者获得直观而深刻的体验,加深对生物学中形态结构、生理现象的理解。

地形模拟的细分细化方法

提出一类几何造型的方法——ｐ 细分法，并用生成多项式的代数方法给出其收敛性和光滑性条件．进一步，将其运用于地形模拟，提出细分细化方法．为了有效地控制地形形状，作者选取了满足插值条件的对称插值ｐ细分法．为了减少计算量，提高速度，在细分３层的基础上，进一步对细分加密特征网使用细化方法，直到满足精度要求．细分细化方法始终满足插值性质，因而能很好地控制地形形状．为了模拟不同地貌特征的地形，一方面，根据最终要求，选取合适的“控制光滑性参数β”；另一方面，对特征网格的法向进行不同幅度扰动以真实感显示．所提方法能快速模拟不同地貌特征的地形，为自然景观仿真提供了有效手段．

生成曲线的有理稳定细分方法

本文推广稳定细分方法，得到生成曲线的有理稳定细分方法，并讨论了该方法所产生曲线的几何性质．有理稳定细分方法生成曲线的类型更为丰富。

高临场感和自然交互性的分子可视化教学系统

介绍一个面向分子可视化教学的虚拟现实系统。系统基于多投影无缝拼接技术提供了具有高度临场感的虚拟环境,使学生沉浸在虚拟的分子、原子模型结构中学习生化分子的有关知识。学习者不仅可以带上立体眼镜,观察到高度真实的三维立体分子结构,而且可使用 6 自由度触觉/力觉反馈设备对分子模型进行自然直观的交互操作,获得操作真实物体的效果。文章主要介绍系统硬件构成、多投影无缝拼接、触觉交互技术、分子可视化以及分布式绘制等方面的内容。

几何造型的有理p-细分法

本文提出一类细分法——有理ｐ－细分法．该方法能够生成计算机辅助几何设计中常用的有理多项式曲线、曲面，增加了自由度，扩展了表示对象范围，一定程度上推广和完善了Ｃａｖａｒｅｔａ，Ｄａｈｍｅｎ，Ｍｉｃｈｅｌｉ等１９８９年和１９９３年的有关结果．

控制四点法“形状参数”实现地景仿真

将满足插值和离散性质的“四点法”运用于地景仿真，调整其“形状参数”可产生所期望的地形形状。为了产生丰富的地貌特征，一方面，用几何纹理生成法；另一方面，在定义场景的ＧＬ光照中，通过更新材质、光源和光照模型属性，真实感显示地表细节。实验表明，该方法能简单、快速模拟一些受环境、树木、土壤、气候等影响的地景，为自然景观仿真提供了一种有效手段。

张量积 Bézier 体的广义离散

本文给出了张量积Ｂéｚｉｅｒ体的广义离散定理，并得到了计算新的Ｂéｚｉｅｒ控制顶点的显式公式．

多投影系统D-vision中双手6自由度力觉交互

D-vision系统(这里“D”有“DivideScreen”和“Duplex-Vision”双重含义)是一类基于PC机群的多投影虚拟现实系统(或简称多投影系统)。给出D-vision系统中双手6自由度力觉交互的实现过程:在客户端协同控制两个力觉交互设备Spidar-G(SpaceInterfaceforArtificialRealitywithGrip)实现双手协作交互,其次构造一个基于UDP的Socket类完成客户端和绘制服务器节点之间的通讯,传递跟踪球的位置、方向等信息;然后,通过分布绘制实现在大屏幕上无缝显示。最后实验结果表明:在D-vision系统中双手6自由度力觉交互是一种自然直观的人机交互方式。

文物数字化的关键技术

以文物三维网格模型的获取、三维纹理映射为重点,对文物保护方面相关的若干工作进行了探讨.利用三维激光扫描仪InSpeck 3D-DF采集文物几何数据,然后使用三维建模工具对文物几何数据进行后续处理,来建构特定文物的网格模型.在此基础上,给出了以建构好的网格模型与彩色图像之间的纹理映射关系,基本方法是根据一个透视投影模型,利用文物网格模型和各幅图像之间手工标记的特征对应来求解图像与模型间的纹理映射,并最终把各个模型点实际对应的多个纹理值进行合成,得到较好的纹理映射效果.

一种基于Leap Motion的直观体交互技术

Leap Motion系统可高精度实时检测并跟踪手掌、手指的位置和速度等信息,为大屏幕、远距离体交互提供有效途径。通过观察用户手势远距离操控现实环境中的物体,该文设计易于理解的体交互操作手势;借助对Leap Motion传感器工作区域的远近场划分,建立合理的物理空间和信息空间映射关系;针对利用深度相机的手部姿态解算问题,结合Leap Motion传感器的特点,提出一种结合手掌法向和指尖向量的空间姿态算法;结合大屏幕体交互的任务特点,设计了支持连续数据流的非接触式体交互原型系统;最后通过用户实验对原型系统进行评估。结果表明,和传统的2D体交互比较,该文算法的用户体验和表现更为自然、直观和高效。

基于球B样条的3D人物角色建模与动画

提出一种新的人物角色的快速建模和动画的方法。通过使用球B样条实现以骨架为基础自动构建角色模型以及数据驱动的角色动画生成方法。给定人物角色骨架后,依据人体测量学根据骨骼长度计算出关节点处的半径。通过插值关节点以及半径生成球B样条曲线曲面表示的角色模型。根据所获取的运动数据(来自运动捕获),通过更新控制顶点来更新角色模型,从而实现角色的实时动画。

鼻窦和鼻颅底手术解剖的历史与进展

当今时代,鼻窦与鼻颅底外科手术技术不断发展和更新,这是数百年来解剖学进步带来的成果。随着科技和医学日新月异的进步,鼻窦与鼻颅底手术解剖的理论和技术还在持续发展。我们在文中回顾了鼻窦与鼻颅底解剖的历史与进展,从大体解剖、显微镜和内镜解剖、影像学与虚拟现实解剖等角度对相关内容进行综述。

Bézier曲线与Said-Ball曲线的递归转换算法

根据 Bézier曲线与 Said- Ball曲线的统一表示 ,给出了 Bézier曲线与 Said-

面向脑血管物联网电子健康平台的分割及重构关键技术研究

在物联网应用中,脑血管诊疗的电子健康平台可以很好地实现脑血管健康异地保健和远程医疗的要求.设计实现了脑血管诊疗的物联网e-health平台层次结构.面对物联网平台网络的普及化应用要求,提出并实现了基于统计模型的脑血管无人工干预分割算法;面向物联网平台组件之间的快速和高可靠性数据传输特点,提出并实现了基于球B样条三维重构模型.基于双高斯模型的脑血管统计分割模型融合改进的SEM算法,无需人工设定初始轮廓、高维进化函数和进化终止条件.脑血管在脑组织中所占比例较低(<5%),成像灰度不均匀,形态复杂且个体差异性大,该方法可获得良好的分割效果.球B样条模型具有严格的数学基础、较小的数据规模、平稳的光滑连续性和良好的交互性,非常适宜在物联网平台上传输.在上述关键技术的基础上,研究实现了光线投射法的GPUCUDA的并行加速体绘制及三维虚拟环境下脑血管的交互漫游和自主漫游.系统可实现脑血管疾病的诊断、医疗方案的制定和治疗过程中的监测以及脑血管疾病的教学和培训.相关研究为物联网平台下精细组织电子健康发展作出了有益的尝试.

沉浸式VR教学系统“未奥”

科学可视化教学在全球很多大学已开设,其中体数据可视化有助于理解数据中包含的内部信息,如几何结构和特征等,但是其原理抽象难懂。基于GPU的CUDA框架,利用传递函数、立体显示、手势交互等技术,建立沉浸式“未奥”教学系统,帮助学生理解传递函数、体绘制、沉浸感、手势交互以及虚拟现实等概念。通过评价实验可以得出,新开发的系统是辅助科学可视化教学的有力工具,可作为VR教学模版扩展到科学可视化其余教学内容或其它教学课程。