CN103310045B - 一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，包括以下步骤：1）根据晶体大分子空间结构数据，建立晶体大分子的空间结构数据库；2）在openGL环境下，根据获取的晶体大分子三维空间结构数据、建立可视化模型；3）实现晶体大分子基于增强现实的三维可视化；4）进一步开发、实现晶体大分子在增强显示条件下的信息查询、晶体大分子重构功能。本发明允许研究人员与晶体大分子进行交互，根据研究需要对晶体大分子的原有结构进行重构，对于教学实验和科学研究具有重要的意义，有助于提高教学实验水平，提高科学研究的质量和效率。

Description

一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法

技术领域

本发明涉及一种对晶体大分子三维空间结构进行可视化的新方法，尤其涉及一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法。

背景技术

随着材料科学和生命科学的蓬勃发展，分子模拟系统在科研和生产中起着越来越重要的作用，三维可视化对于分析大分子的结构和动力学特性有着重要的意义。大分子模拟涉及到分子力学计算、分子动力学模拟、能量优化、构象分析、结构预测、分子对接等诸多方面的内容,每一个方面的计算量都是惊人的。除了巨量的计算之外,为了有效地分析和处理所得到的数据,还需要借助高性能、高效率的可视化图形图像系统。目前，现有技术中利用不同开发工具进行分子建模工作的研究在国内外都有开展，如分子模拟软件RosMol、Chime、VMD以及Cerius等，它们大多具备三维显示分子结构的功能，并支持分子模拟过程的动态演示，但是这些软件价格一般比较昂贵、使用成本高，只能运行于高档的图形工作站。在国内，有学者进行了基于OpenGL和Java3D的大分子可视化的研究，如通过网上下载相关数据并在装有分子模拟软件的计算机上得到可视化结果,但是这种方式有一定的局限性，例如观察者的沉浸感不够强、用户对晶体大分子模型的交互功能还属于传统的操作方式，难以实时重构晶体大分子结构。

增强现实(AugmentedReality,AR)技术是近年来发展起来的一项新技术，它借助光电显示技术、交互技术、计算机图形技术、传感器技术和可视化技术等将计算机生成的虚拟信息有机地叠加到用户所看到的真实世界的场景中，并随着用户位置和视线方向的变化，所看到的虚拟对象也相应地发生变化，就像真的存在于客观世界一样，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的有机组成部分。利用AR技术可以对人的视觉系统进行景象的增强或扩张，大大增强用户对现实世界的感知能力和与现实世界的交互能力。

发明内容

本发明就是为了解决上述问题，提供一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法；通过头盔显示器让研究人员观察到真三维的大分子结构模型，研究人员能够对晶体大分子模型进行观察、查询、交互，能够提高教学实验水平，提高科学研究的质量和效率，对于教学实验和科学研究都具有十分重要的意义。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，包括以下步骤：

1）根据晶体大分子空间结构数据，建立晶体大分子的空间结构数据库；

2）在openGL环境下，根据获取的晶体大分子三维空间结构数据，建立可视化模型；

3）实现晶体大分子增强现实三维可视化；

4）通过进一步开发，实现在晶体大分子增强显示的条件下进行晶体大分子的信息查询、晶体大分子重构等功能。

所述步骤1）晶体大分子空间结构数据包括晶体大分子中各个原子的三维空间坐标、原子之间的相邻关系以及键长数据。

所述步骤1）晶体大分子空间结构数据通过X射线单晶衍射仪测定获取、或从网络资料中获取。

所述步骤2）组成晶体大分子的原子模型采用球体建模的方式来实现，通过不同的颜色以及大小来区分不同的原子；原子键模型采用柱体建模方式来实现，通过不同的颜色和直径的大小来区分不同类型的原子键。

所述步骤3）通过将在openGL中构建的晶体大分子三维模型的程序代码移植到增强现实工具中，实现从增强现实软件中建立晶体大分子三维模型。

所述步骤4）是通过进一步开发（例如在中VC中利用OpenGL语言），实现对晶体大分子的属性信息查询，所述属性信息查询包括对原子的各种属性（例如原子名称、原子量、三维坐标数据等等）查询、对原子键的各种属性查询；所述晶体大分子重构功能是用户通过直接对晶体大分子中的原子及原子键的删除、增加、移动功能，来重构晶体大分子。

研究人员通过头盔显示器观察真三维的晶体大分子结构模型，研究人员能够与晶体大分子进行交互、重构，大大增加了沉浸感、交互感、想象感，提高教学实验水平，提高科学研究的质量和效率。

本发明的有益效果：

1.本发明和传统的三维可视化方式相比，具有较强的沉浸感，本发明允许用户通过头盔显示器、或者计算机显示屏观察晶体大分子三维模型，佩戴上头盔显示器以后，用户所看到的晶体大分子模型可以随着用户观察位置和视线方向的变化而实时发生变化，就像真的存在于用户面前一样；

2.本发明允许研究人员与晶体大分子进行交互，根据研究需要对晶体大分子的原有结构进行重构，对于教学实验和科学研究具有重要的意义，有助于提高教学实验水平，提高科学研究的质量和效率。

附图说明

图1为本发明专利的实施技术路线图；

图2在openGL中建立晶体大分子三维模型示意图；

图3基于增强现实技术的晶体大分子三维模型可视化示意图；

图4从不同距离上显示的晶体大分子三维模型示意图；

图5从不同角度上显示的晶体大分子三维模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

结合图1至图5，一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，包括以下步骤：

1）根据晶体大分子空间结构数据，建立晶体大分子的空间结构数据库；

2）在openGL环境下，根据获取的晶体大分子三维空间结构数据，建立可视化模型；

3）实现晶体大分子增强现实三维可视化；

4）通过进一步开发，实现在晶体大分子增强显示的条件下进行晶体大分子的信息查询、晶体大分子重构等功能。

所述步骤1）晶体大分子空间结构数据包括晶体大分子中各个原子的三维空间坐标、原子之间的相邻关系以及键长数据。

所述步骤1）晶体大分子空间结构数据通过X射线单晶衍射仪测定获取、或从网络资料中获取。

所述步骤2）组成晶体大分子的原子模型采用球体建模的方式来实现，通过不同的颜色以及大小来区分不同的原子；原子键模型采用柱体建模方式来实现，通过不同的颜色和直径的大小来区分不同类型的原子键。

所述步骤3）通过将在openGL中构建的晶体大分子三维模型的程序代码移植到增强现实工具中，实现从增强现实软件中建立晶体大分子三维模型。

所述步骤4）是通过进一步开发（例如在中VC中利用OpenGL语言），实现对晶体大分子的属性信息查询，所述属性信息查询包括对原子的各种属性（例如原子名称、原子量、三维坐标数据等等）查询、对原子键的各种属性查询；所述晶体大分子重构功能是用户通过直接对晶体大分子中的原子及原子键的删除、增加、移动功能，来重构晶体大分子。

利用AR技术进行大分子结构的三维可视化，和以往的三维可视化研究相比，研究人员通过头盔显示器观察真三维的晶体大分子结构模型，并允许研究人员与晶体大分子进行交互、重构，大大增加了沉浸感、交互感、想象感，能够提高教学实验水平，提高科学研究的质量和效率。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，其特征是，包括以下步骤：

1)根据晶体大分子空间结构数据，建立晶体大分子的空间结构数据库；

2)在openGL环境下，根据获取的晶体大分子三维空间结构数据、建立可视化模型；

3)实现晶体大分子增强现实三维可视化；

4)进一步开发，实现晶体大分子在增强显示条件下的信息查询、晶体大分子重构功能；

所述步骤4)是通过进一步开发，实现对晶体大分子的属性信息查询，所述属性信息查询包括对原子的各种属性查询、和对原子键的各种属性查询；所述晶体大分子重构功能是通过直接对晶体大分子中的原子及原子键的删除、增加、移动功能，来实现重构晶体大分子。

2.如权利要求1所述的利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，其特征是，所述步骤1)晶体大分子空间结构数据包括晶体大分子中各个原子的三维空间坐标、原子之间的相邻关系以及键长数据。

3.如权利要求1所述的利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，其特征是，所述步骤2)组成晶体大分子的原子模型采用球体建模的方式来实现，通过不同的颜色以及大小来区分不同的原子；原子键模型采用柱体建模方式来实现，通过不同的颜色和直径的大小来区分不同类型的原子键。

4.如权利要求1所述的利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，其特征是，所述步骤3)通过将在openGL中构建的晶体大分子三维模型的程序代码移植到增强现实工具当中，实现从增强现实软件中建立晶体大分子三维模型。

5.如权利要求1所述的利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，其特征是，所述步骤1)晶体大分子空间结构数据通过X射线单晶衍射仪测定获取、或从网络资料中获取。

6.如权利要求1所述的利用增强现实技术进行晶体大分子三维可视化的方法，其特征是，通过头盔显示器观察三维晶体大分子结构模型。