[0001] 本发明属于计算机科学、人机交互以及教育学技术领域，尤其涉及一种互动式投影教学环保游戏装置、控制方法、设备及终端。

[0002] 目前，气候变化已经成为了儿童健康成长的威胁并已得到证。当前环境问题的迫在眉睫这体现在空气污染，生物多样性减少，海水酸化，水土流失和淡水污染等多个方面。随之而来的，人们对环境问题关注增多，使得小学生的环保教育越来越受到重视。在物质上，越来越频繁的自然灾害导致的伤亡威胁着儿童的人身安全。同时，儿童未发育完全的免疫系统会导致他们更易生病，环境恶化导致的空气、水源质量变差增加了儿童罹患食源性、水传播性等疾病的风险。在心理上，环境急剧恶化会增加慢性压力、焦虑和抑郁的发生，给儿童带来心理创伤。因此，向儿童教授环境气候知识、树立他们的环境保护意识、传授给他们自我保护技能是十分有必要的。

[0003] 互动教学游戏迎合了小学生对多元教育的需求，又是他们的兴趣所在。小学生热衷于将游戏作为他们娱乐的方式。互动教学的优势还体现于，可以引导儿童的创新、思考与启发。近年来，使用互动技术的游戏作为辅助工具进行教育已被运用到了多个学科内，并取得了较好的效果。

[0004] 但这些互动游戏多数使用了基于PC和手机等运用屏幕作为显示途径的工具，而很少出现实体的教学游戏装置。考虑到小学生群体，过度的屏幕使用可能会造成电子产品依赖并造成对他们实例健康的潜在影响，因此，基于屏幕的教育游戏使用存在着限制。

[0005] 通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的互动游戏多数使用基于PC和手机等运用屏幕作为显示途径的工具，可能会造成小学生群体对电子产品的依赖和对视力健康的负面影响，而很少出现实体的教学游戏装置。

[0053] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0054] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种互动式投影教学环保游戏装置、控制方法、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

[0055] 一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

[0056] 实施例1

[0057] 本发明实施例提供的互动式投影教学环保游戏装置的控制方法中，手持投影仪是用户的输入设备，用户通过使用手持投影仪将图片投射在可旋转界面上；固定投影仪在可旋转界面上投射出游戏的背景、游戏人物以及动画效果；当用户的输入发生改变时，固定投影仪根据用户的输入进行相应反馈；摄像头被用来检测用户的输入图像，可操作界面充当投影面，在界面中设有实体机关，在摄像头检测出相应用户输入信号后通过给用户进行反馈。

[0058] 如图1所示，本发明实施例提供的互动式投影教学环保游戏装置控制方法包括以下步骤：

[0059] S101，开启互动式投影教学环保游戏装置，进入游戏；

[0060] S102，正式进入关卡，在游戏界面会有游戏的介绍与引导；介绍与引导由固定投影仪在可旋转界面进行成像，使用简单明了的语言确保用户理解内容；

[0061] S103，利用摄像头实时检测幕布中的内容，并通过蓝牙进行实时通讯传递至所述图像识别模块中；

[0062] S104，当采集到被期望检测的正确图像信号，计算机终端控制系统进行运算，通过蓝牙通讯将信号传递给固定投影仪或可旋转界面进行图像或实体反馈；

[0063] S105，当儿童正确投影所有图像并在装置系统完成所有反馈后，位于可旋转界面底部的360度舵机将顺时针旋转90度，游戏进入下一关卡；

[0064] S106，当儿童完成所有关卡后，游戏结束。

[0065] 本发明实施例提供的互动式投影教学环保游戏装置控制方法原理图见图2。

[0066] 如图3所示，本发明实施例提供的互动式投影教学环保游戏装置由基于主控电脑的游戏系统、手持投影仪、固定投影仪、摄像头以及带有实体机关的可旋转界面组成。

[0067] 其中，基于主控电脑的游戏系统包括计算机终端控制系统、图像识别模块以及图形化游戏界面；

[0068] 手持投影与固定投影仪具备图像存储与控制功能，内置蓝牙通讯模块用于数据传输；

[0069] 摄像头像素高于800万，通过蓝牙连接或有线连接与主控电脑连接；

[0070] 可旋转界面包括四周覆盖幕布的立方体，内置若干电源装置、Arduino、LED以及360度舵机，总重量小于500g；在收到通讯后，可旋转界面进行反馈推动游戏进度。

[0071] 本发明实施例提供的计算机终端控制系统基于Python开发，用于通过多线程控制图像识别与游戏界面的信号输入与输出；

[0072] 图像识别模块基于python开源计算机视觉库开发，用于对所述摄像头采集的数据进行分析预处理；

[0073] 图形化游戏界面使用Unity2D设计基于儿童偏好的童话画风的游戏场景，并通过蓝牙传输至所述固定投影仪。

[0074] 本发明实施例提供的图形化游戏界面中，根据不同环境保护知识的主题，设计多个游戏场景；根据不同环境保护知识的内容，设计多种逻辑导向的交互形式进行启发式教学。

[0075] 所述图像识别模块基于python开源计算机视觉库开发，用于对所述摄像头采集的数据进行分析预处理；在将捕捉到的图像进行图像颜色空间转换成成灰度图像后，进而转换为二进制图像，来进行图像的轮廓识别。更加完整的过程是：首先获取图像大小。再转到hsv空间矩形后，去除图像的背景部分。之后，针对图像的背景部分进行膨胀与腐蚀，来排除空白部分对识别的误差影响。之后，找到面积最大的轮廓，绘制其最小外接圆。根据封闭轮廓的周长或曲线长度，进行多边形逼近，来识别图像的轮廓。

[0076] 所述图形化游戏界面中，这些交互形式包括了通过投影与实体机关的交互和与图像界面的交互。通过识别图形信号，来对用户进行实体或图像的反馈，形成新颖的教学交互方式。通过基于Unity对2D平台图像场景的控制与Arduino对电机、LED等机关的控制，达到多种交互的反馈。

[0077] 本发明实施例提供的可旋转界面中，立方体侧面的对脚线距离为27.5cm，表面覆盖的幕布为哑光白色；内置电源装置支持电源供电；Arduino为Arduino Uno或Arduino Nano版本，用于装载可旋转界面的控制程序；LED为型号WB2812，用于通过有线连接进行控制与通讯；360舵机位于所述立方体底部，设置0度、90度、180度以及270度四个状态。

[0078] 本发明实施例提供的互动式投影教学环保游戏装置中，python用于实现轮廓识别与通信的功能，Arduino用于实现硬件模块的功能与逻辑，Unity用于实现游戏界面的开发与运行。

[0079] 实施例2

[0080] 如图3所示，本发明实施例提供的互动式投影教学环保游戏装置由基于主控电脑的游戏系统、一个手持投影仪、一个固定投影仪、一个摄像头和一个带有实体机关的可旋转界面组成。所述手持投影与固定投影仪具备图像存储与控制功能，内置蓝牙通讯模块用于数据传输。所述摄像头像素高于800万，通过蓝牙连接或有线连接与主控电脑连接。

[0081] 本发明实施例提供的主控电脑的游戏系统，包括计算机终端控制系统，图像识别模块，图形化游戏界面。

[0082] 本发明实施例提供的计算机终端控制系统基于Python开发，通过多线程控制图像识别与游戏界面的信号输入与输出。图像识别模块基于python开源计算机视觉库开发，对摄像头采集的数据进行分析预处理。图形化游戏界面使用Unity2D设计基于儿童偏好的童话画风的游戏场景，并通过蓝牙传输至上述的固定投影仪。根据不同环境保护知识的主题，设计多个游戏场景。根据不同环境保护知识的内容，设计了多种逻辑导向的交互形式来进行启发式教学。

[0083] 本发明实施例提供的可旋转界面，包括四周覆盖幕布的立方体，内置若干电源装置、Arduino、LED、360度舵机，总重量小于500。立方体侧面的对脚线距离为27.5厘米，表面覆盖的幕布为哑光白色。内置电源装置支持电源供电。Arduino为Arduino Uno或Arduino Nano版本，装载了可旋转界面的控制程序。LED为型号WB2812，通过有线连接进行控制与通讯。360舵机位于上述立方体底部，设置0度，90度，180度，270度四个状态。在收到通讯后，可旋转界面会进行反馈来推动游戏进度。

[0084] 以下结合实施例进行该装置的流程说明，如图2所示。

[0085] (1)工作人员开启装置，进入游戏。

[0086] (2)正式进入关卡。在游戏界面会有游戏的介绍与引导。介绍与引导由固定投影仪在可旋转界面进行成像，使用简单明了的语言确保用户理解内容。

[0087] 具体包括：

[0088] 首先，用户需要开启互动式投影教学环保游戏装置，进入游戏；之后，用户会正式进入关卡，在游戏界面会有游戏的介绍与引导；在用户使用手持投影向幕布投影内容做出信号输出后，系统会利用摄像头实时检测幕布中的内容，并通过蓝牙进行实时通讯传递至所述图像识别模块中；当采集到被期望检测的正确图像信号，计算机终端控制系统进行运算，通过蓝牙通讯将信号传递给固定投影仪或可旋转界面进行图像或实体反馈；当用户正确投影所有图像并在装置系统完成所有反馈后，位于可旋转界面底部的360度舵机将顺时针旋转90度，游戏进入下一关卡；当用户完成所有关卡后，游戏结束。

[0089] 儿童需要根据介绍与引导进行手动投影仪的操作，向可旋转界面进行投影。投影素材内置在手持投影仪中，需要根据游戏的场景和需要由儿童在正确的时间与位置进行操作。

[0090] 本实施例中，儿童需要根据提示与场景设置进行自主游戏探索，增加了教学过程中的创新性与启发性。

[0091] 本实施例中，采取了与儿童能够完成的任务难度相匹配的操作设计，儿童能够通过自身思考与探索进行被期待的正确操作。当儿童出现长时间卡关的情况时，系统会做出进一步的提示。

[0092] (3)摄像头会实时检测幕布中的内容，并通过蓝牙进行实时通，讯传递至上述的图像识别模块中。

[0093] (4)一旦采集到被期望检测的正确图像信号，计算机终端控制系统会做出运算，并通过蓝牙通讯将信号传递给固定投影仪或可旋转界面，进行图像或实体反馈。

[0094] 本实施例中，通过不同的类型的反馈，能够加强游戏的趣味性，帮助儿童进行知识点的理解与迅速记忆。

[0095] 本实施例中，知识点将会通过游戏中图像元素与文字相结合的方式进行教学，在不破坏游戏沉浸感的前提下增加游戏的体验感与教学效果。

[0096] (5)当该儿童正确投影所有图像并在装置系统完成所有反馈后，位于可旋转界面底部的360度舵机将顺时针旋转90度，游戏将会进入下一关卡。

[0097] 本实施例中，由于环保教育知识的复杂性，设置了不同的关卡，分别关心空气污染，水污染，大气污染，垃圾回收等主题的相关知识，模拟了不同游戏场景。

[0098] 本实施例中，每一个关卡都采取了一贯的故事线与相似的故事玩法和UI设计，保证儿童在游玩过程中体验的一致性，保证游戏的教学效果。

[0099] (6)当儿童完成所有关卡后，游戏结束。

[0100] 二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

[0101] 本发明由于其较强的交互性和教学效果，以及便捷的组装和控制，可以应用于学校教学与家庭教学。在学校教学中，本发明可以被用于个人或小组的探究式学习、课堂学习以及课前或课后的自发式学习。在家庭教学中，本发明可被用于亲子共同学习、儿童协作学习，亦可用于儿童的自学与严肃游戏的教学。

[0102] 三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

[0103] 在2020年的用户测验中，本发明邀请了12名儿童进行系统的体验测试。测试主要关注交互性、游戏理解、知识学习三个方面。在交互性方面，当儿童触发装置的实体机关时，他们表现出不同程度的惊讶与喜悦。在游戏理解方面，参与的儿童均能记住游戏内容与画面的细节。其中有5位学生喜欢游戏的剧情并关注了游戏中不涉及的环保知识。在知识学习方面，我们提供了两份设计环保知识调查问卷供儿童在测试前后进行评估，结果显示，在经过系统使用后，他们的平均增加了55.7％。这表明，无论从游戏形式、趣味和交互性还是教育成果上，本发明都取得了有效的成果。

[0104] 本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD‑ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

[0105] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。