计算机视觉技术应用 4.3-基于手势识别的手势画图程序-教案

北京新大陆时代教育科技有限公司《AIGC大模型部署与应用》课程教案《《AIGC大模型部署与应用》授课教案授课教案《计算机视觉技术应用教案》课程教案学年度第学期项目名称项目五手势识别之手势画图项目实战授课教师授课时间课题名称4.3基于手势识别的手势画图程序授课班级授课类型新授课课时4教学目标知识目标认识了解进阶OpenCV操作，如图像叠加和位运算；理解图像掩膜（Mask）的原理及其在图像处理中的应用；掌握手势画图程序的核心逻辑：选择模式与绘画模式的切换。。能力目标能够对已封装的handDetector类进行功能扩展；能够根据手指状态（食指、中指是否伸起）实现程序模式的切换；能够利用OpenCV函数，根据指尖的轨迹在画布上进行实时绘制。素质目标培养项目开发整体规划能力，将复杂应用拆解为多个逻辑模块；增强算法和代码的调试能力，解决在实时交互应用中可能出现的各种问题；体验创造性编程的乐趣，将技术转化为一个有趣交互的创意应用。教学重点实现根据特定手势（食指中指同时伸起/仅食指伸起）切换程序模式的功能；实现绘画模式下，根据食指指尖轨迹在画布上绘制线条的逻辑；理解并实现使用掩膜将画布与原始视频帧叠加的视觉效果。教学难点理解选择模式下，指尖位置与工具栏图标的碰撞检测逻辑；绘画模式下，处理连续帧之间的指尖坐标，使用cv2.line()绘制平滑线条；理解使用cv2.bitwise_and()和cv2.addWeighted()等函数进行图像融合的原理。教法与学法讲授法、任务驱动法、讨论法等。教学手段及资源教材、PPT、原码、思维导图、实操视频、JupyterLab环境。学情分析使用教材《计算机视觉技术应用教案》教学环节（时间分配）教学内容与教师活动学生活动设计意图教学手段课前准备（15min）教师说课-课程整体设计1.课程性质与定位；2.课程教学目标；3.课程教学内容；4.课程教学实施；5.课程考核评价。听讲本次课通过教师对课程标准相关内容的介绍（性质与定位、教学目标、教学内容、考核方式等），学生可对本门课程的学习有所了解。PPT课程导入引导案例：基于手势识别的手势画图程序。1.引导问题：（1）上节课我们已经能让电脑数出我们伸出了几根手指。既然电脑能实时“看”到我们的手指位置，那我们能不能用手指代替鼠标，在屏幕上画画呢？（引出手势画图）（2）要实现画图，我们需要哪些基本功能？（比如选择画笔颜色、橡皮擦、清空画布等），这些功能如何用手势来控制？（引出选择模式和绘画模式）自发回答引导问题由案例引出任务，通过引导问题激发学生的学习兴趣和积极性。PPT职业能力目标老师讲解本次任务所要达到的目标。帮助学生梳理各个任务点，为学习指明路径。任务分析1.教师围绕“基于手势识别的手势画图程序”讲解本任务的要求；2.演示任务5.3的完成效果（通过手势切换画笔颜色并在屏幕上流畅地画出图形）。听讲教师介绍完任务的结构后，演示任务完成效果，学生将对本任务的要求有一个感性的认识，同时也能吸引其注意力，激发其学习的积极性。PPT任务计划1.引导问题：要完成手势画图，我们应该如何一步步实现？2.学生以小组为单位研讨并制定任务计划。听讲、做任务计划通过问题和课程结构介绍，引导学生明确实现本任务所需的知识点和技能点。学生分组研讨制定任务计划，培养其职业能力和团队协作能力。PPT知识储备（0min）本任务无独立的知识储备章节，相关知识点融入任务实施中讲解任务实施（125min）环境配置与模块功能添加——讲解讲解环境配置的确认，并重点讲解如何在handDetector类中添加新的功能fingersUp()，用于返回一个代表五指伸起状态的列表。环境配置与模块功能添加——实操学生检查环境，并动手修改handDetector类，添加并测试fingersUp()方法。先决条件——讲解讲解画图程序的两个先决条件：1.获取食指和中指的像素坐标（调用findPosition()）；2.判断食指和中指是否伸起（调用fingersUp()）。并演示如何实现这两个功能。先决条件——实操学生编写代码，在视频流中实时检测并显示食指和中指的坐标，并根据手势状态在屏幕上打印出提示信息（如“选择模式”、“绘画模式”）。手势画图程序拆解（选择模式）——讲解拆解并讲解“选择模式”的实现逻辑：当食指和中指都伸起时，检测食指指尖是否进入顶部工具栏区域，并根据其x坐标位置切换画笔颜色或功能。手势画图程序拆解（选择模式）——实操学生编写“选择模式”下的if-elif判断逻辑，实现通过手势切换工具栏图标和画笔颜色变量。手势画图程序拆解（绘画模式）——讲解拆解并讲解“绘画模式”的实现逻辑：当只有食指伸起时，使用cv2.line()连接上一帧和当前帧的食指指尖坐标，在“画布”（一个NumPy数组）上画线。讲解如何使用掩膜和位运算将画布叠加到视频帧上。、手势画图程序拆解（绘画模式）——实操学生编写“绘画模式”下的代码，实现画线和图像叠加功能，完成完整的手势画图程序。分组开展任务实施教材建议的实施步骤遵循工作过程导向的原则。学生参考此步骤实施，可对其职业能力进行培养。培养学生可养成严谨、认真的工作态度以及善于总结的工作方式。教材、PPT、实操视频任务检查与评价（15min）经验分享当天轮到的小组选派代表分析本组实施经验；自评和互评1.小组各成员参照评价标准完成自评；2.完成对其他小组的评价。各组自评、互评学生通过对自己的实施过程和经验的介绍，锻炼自我展示能力。课堂任务单任务小结（5min