CN104571527B - 一种基于增强现实技术的3d分子交互对接系统及实现方法 - Google Patents

一种基于增强现实技术的3d分子交互对接系统及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于增强现实技术的3D分子交互对接系统及实现方法。所述系统包括具有增强现实模块、用户管理模块的用户端和具有打分函数模块、传递分数的消息中间件及用户排名系统服务器端两部分；本发明是以特制标识卡为真实图景，利用Web浏览器端摄像头基于增强现实技术获得的虚拟的三维分子，然后在Web浏览器端的显示屏上呈现可交互的分子对接的过程，而且对接过程的分数可以实时的显示在网页上并记录最优分数和当前分数，最终根据用户提交的最优分数计算用户排名并显示在网页上。

Description

一种基于增强现实技术的3D分子交互对接系统及实现方法
技术领域
本发明涉及Web浏览器端，特别是基于增强现实技术(Augmented RealityTechnique，简称AR)与标识(marker)识别技术的3D分子交互对接系统及实现方法。
背景技术
增强现实技术是在虚拟现实的基础上发展而来的新技术，是一种将计算机产生的虚拟物体与真实世界的场景相结合并对场景加以增强的技术。增强现实技术因其独特的魅力，近几年在游戏应用上也成为国内外的研究热点。将增强现实技术应用于游戏之中，可以通过虚实结合的游戏场景给用户身临其境的互动感受，从而提高游戏的用户体验，这也是增强现实技术在游戏中运用的优势。常规地，Web浏览器端的增强现实应用是基于一种黑白标签或标识通过其集成的摄像头获取得到一个简单的虚拟物体。
目前比较常用的实现增强现实的方式主要有以下三种：第一种是GPS结合Sensor的方式。原理是通过GPS取得经度、纬度和高度，通过地磁Sensor(即电子指南针)取得面向的方向，通过加速度Sensor取得倾斜的角度，然后根据这些位置信息获取相关信息叠加后显示。这种方式最适合在手机上实现。第二种就是Marker识别的方式。简要来说，原理是将Marker图像的信息事先保存，通过图像识别技术，在当前的图像中查找识别Marker图像，然后在Marker图像上叠加相关信息。该技术目前已经相对成熟。第三种是图像分析识别的方式。它必须要对摄影图像进行解析，识别出风景、物体和空间，然后叠加相关信息。它和marker识别的最大区别在于不需要识别特定的marker，而是直接对图像进行解析，但这也导致它需要处理的数据量很大，技术上也还有许多问题仍待解决，是一种相对较新，也比较具有发展前景的方式。
另一方面，图像识别技术室目前非常广泛的一种技术，其通过对图像的特征进行识别从而判断图像对应的相关信息，例如条形码。而标识识别是基于图像识别而实现的。
AR系统跟踪注册技术也有很多种，其中以基于视觉的跟踪注册最为常见，就是使用模式识别技术，对事先定义好的标识物或基准点进行识别，然后导入模型信息，合成虚拟场景。为了提高AR场景的真实感，不仅需要在跟踪定位过程基础上进行准确的注册，还需要对嵌入的虚拟物体进行与场景一致的真实感渲染。人机交互是实现用户与真实场景中的虚拟对象之间更加自然的交互，也是实现的AR的目的之一。
由以上可见，由于目前Web浏览器端都内置了一定像素的摄像头，并集成了WebRTC、ThreeJS等技术。将其与增强现实技术相结合，使增强现实系统能够在Web浏览器端进行，实现图像的标识识别、分子的三维显示、分子对接的实时打分及显示等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于增强现实与标识识别技术的3D分子交互对接系统及实现方法，通过本发明可以把分子对接三维显示、实时打分嵌入增强现实Web端，让分子对接的过程以一种崭新的方式呈现出来，让用户能够通过标识与虚拟三维分子实时交互，使增强现实智能化。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于增强现实技术的3D分子交互对接系统，所述3D分子交互对接系统包括相互连接的用户端和服务器端；
所述用户端包括增强现实模块和用户管理模块；所述增强现实模块包括标识识别模块、分子三维显示模块以及能量显示模块；所述用户管理模块包括构象提交、构象检索和用户排名查询模块；
所述服务器端包括打分函数模块、传递分数的消息中间件、排名系统以及分子数据库；
所述打分函数模块用来实现分子对接过程中的显示构象的实时打分，评价当前构象的结合能力，确定构象是否合理；
所述打分函数模块与所述能量显示模块通过所述消息中间件完成所述用户端与所述服务器端的实时通讯，提供快速可靠的消息传递机制；
所述排名系统对用户和用户提交的构象进行排名，并且保存相关信息，供所述排名查询模块进行查询和统计；
所述分子数据库提供相关受体和配体结构，并对受体和配体进行一定的预处理，供用户对接时选择。
所述标识识别模块通过用户授权后调用其浏览器摄像头，在摄像头捕获的视频元素中识别用户设定的标志，来确定用户选择的配体与受体分子。
所述分子三维显示模块在Web浏览器端显示分子三维结构，帮助用户确认配体与受体之间的位置关系。
所述能量显示模块用来获得用户当前构象的评价，并显示产生的虚拟的配体与受体分子对接过程中实时打分的结果，帮助用户继续搜寻更好的构象。
一种基于增强现实技术的3D分子交互对接实现方法，包括如下步骤：
(1)利用图形引擎建模和绘制已知的生物大分子，存入分子数据库；用户从所述分子数据库中选择配体和受体结构；根据所述配体和受体结构初始化标示卡的标识信息；
(2)通过用户端的摄像头对所述标识卡进行识别，以获取虚拟三维分子的构象，并将该虚拟三维分子与真实场景中的标识卡叠加，在所述用户端的显示屏上显示增强现实的分子构象，得到所述增强现实的分子构象中配体和受体的相对坐标矩阵；
(3)所述用户端将所述相对坐标矩阵通过服务器端的消息中间件发送至打分函数模块，评价当前构象的结合能力，确定构象是否合理，进行实时打分；并通过所述消息中间件将实时打分结果传回所述用户端的能量显示模块，所述能量显示模块显示所述实时打分结果，供用户判断是否为最佳构象或继续搜寻更好的构象；
(4)所述服务器端的排名系统对用户和用户提交的所有构象所获得的实时打分进行排名，并将排名信息传送至所述用户端的用户管理模块，用于后续的构象检索和排名查询以及统计分析。
步骤(2)中用户通过移动标识改变所述显示屏上显示的三维分子的位置，其当前位置构象的分数也实时地显示在所述显示屏上。
步骤(3)中所述打分函数模块的实时打分方法为：根据分子生物学理论，利用基于GPL协议的开源分子对接软件Autodock现有的打分函数，并使用相关的算法对其进行优化。首先，采用格点法，对蛋白质进行预处理，先计算出接近蛋白质区域的各点内的范德华作用、静电相互作用、氢键相互作用和溶剂化效应。其次，得到所有能量之后，在每次计算能量打分时候，只需要利用三线插值法，将范德华作用、静电相互作用、氢键相互作用和溶剂化效应加权求和，再加上自由度能量，就能得到相应的结合自由能。最终实现基于配位点局部范围搜索的打分函数，获取交互式对接的分数，依据该分数评价交互过程中的分子对接效果。
将步骤(4)中实时打分结果传送至成绩排行网站并进行显示，系统根据所有用户的分数建立一个排行榜，以激励用户对分子对接游戏的兴趣。
步骤(1)和步骤(2)的所述标识卡上集成了便于图像识别的特征元素；所述用户端通过调用自身集成的摄像头采集该标识卡上的图像信息，并通过自身集成的标识识别模块对所述特征元素进行识别，获取所述标识卡中的二维图像信息，以调取相对应的虚拟三维分子。
所述标识卡具有黑色边框，所述黑色边框的内部是白底黑色字符的标识。
总体上，本发明的实现方法是以特制标识卡为真实图景，利用Web浏览器端摄像头基于增强现实技术获得的虚拟的三维分子，然后在Web浏览器端的显示屏上呈现可交互的分子对接的过程，而且对接过程的分数可以实时地显示在网页上并记录最优分数和当前分数，最终根据用户提交的最优分数计算用户排名并显示在网页上。
本发明的系统和实现方法具有如下有益效果：将标识图像的信息事先保存，通过图像识别技术，在当前的图像中查找识别标识图像，然后通过增强现实技术和Web浏览器相关的ThreeJS、WebRTC、JSARToolKit等先进技术在标识上叠加相关信息，导入相关模型，合成虚拟的实时分子对接的场景。在用户端的Web浏览器上显示的虚拟三维分子可以与用户通过标识实现更好的交互，用户端和服务器端通过消息中间件实现实时通信，保证分子对接过程中的实时打分效果。本发明能在Web浏览器端给予用户良好的增强现实应用体验，与虚拟三维分子显示、分子对接实时打分完美结合且内容丰富多样，使得Web浏览器端的增强现实系统更加智能化。
附图说明
图1是实施例1的系统框架图；
图2是实施例1的系统工作流程图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行具体描述，但实施例只用于对本发明进一步说明，并不限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所述，本实施例的基于增强现实技术的3D分子交互对接系统，包括相互连接的用户端和服务器端。
用户端包括增强现实模块和用户管理模块；增强现实模块包括标识识别模块、分子三维显示模块以及能量显示模块；用户管理模块包括构象提交、构象检索和用户排名查询模块；
服务器端包括打分函数模块、传递分数的消息中间件、排名系统以及分子数据库。其中：
打分函数模块用来实现分子对接过程中的显示构象的实时打分，评价当前构象的结合能力，确定构象是否合理；
打分函数模块与能量显示模块通过消息中间件完成用户端与服务器端的实时通讯，提供快速可靠的消息传递机制；
排名系统对用户和用户提交的构象进行排名，并且保存相关信息，供排名查询模块进行查询和统计；
分子数据库提供相关受体和配体结构，并对受体和配体进行一定的预处理，供用户对接时选择。
标识识别模块通过用户授权后调用其浏览器摄像头，在摄像头捕获的视频元素中识别用户设定的标志，来确定用户选择的配体与受体分子。
分子三维显示模块在Web浏览器端显示分子三维结构，帮助用户确认配体与受体之间的位置关系。
能量显示模块用来获得用户当前构象的评价，并显示产生的虚拟的配体与受体分子对接过程中实时打分的结果，帮助用户继续搜寻更好的构象。
如图2所示，上述基于增强现实技术的3D分子交互对接实现方法如下：通过用户端Web浏览器对标识图像进行识别，识别后将虚拟的三维分子与图像进行叠加，最终在浏览器显示屏上显示增强现实的三维分子对接过程，消息中间件将服务器端的实时打分结果传到用户端页面，最终用户分数上传至服务器端排名系统，然后显示在用户端用户管理模块。
在利用本发明实现在Web浏览器端的增强现实型分子对接过程时，首先需要PC安装支持WebRTC的浏览器，同时需要制作一张或数张有特征的标识卡，该标识卡上具有可以通过图像识别技术的特征元素。
用户从分子数据库中选择配体和受体结构，并对配体和受体结构进行预处理。
通过WebRTC技术启动摄像头，初始化标识信息，获得配体和受体的初始位置。
通过摄像头捕获用户标识，获得配体和受体相对位置，将相对位置通过计算得到受体对于配体的相对位置坐标转换矩阵。
HTML客户端将坐标转换矩阵发送到PHP服务器端，PHP服务器端接受到坐标转换矩阵后，将坐标转换矩阵发送往消息中间件。
消息中间件将坐标转换矩阵转发到打分函数模块，打分函数接收坐标转换矩阵，解析转换矩阵，对当前配体和受体结合构象进行评价打分，并将打分结果传回消息中间件。最终，消息中间件将打分结果转发到PHP服务器端。
服务器端接收到打分结果，传回HTML客户端。HTML接收到打分结果，反馈打分结果给用户。用户根据打分结果判定是否为最佳构象以及是否需要继续搜寻更好的构象，然后提交最佳构象给排名系统。
排名系统接收到用户提交的构象，保存构象，并根据现有排名对其进行排名，将排名结果发送回HTML客户端。HTML客户端接受到排名结果，告知用户排名情况，对接结束。
以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并非来限制本发明实施范围，凡依本发明申请专利所述构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (7)

1.一种基于增强现实技术的3D分子交互对接系统，其特征在于，所述3D分子交互对接系统包括相互连接的用户端和服务器端；
所述用户端包括增强现实模块和用户管理模块；所述增强现实模块包括标识识别模块、分子三维显示模块以及能量显示模块；所述用户管理模块包括构象提交、构象检索和用户排名查询模块；
所述服务器端包括打分函数模块、传递分数的消息中间件、排名系统以及分子数据库；
所述打分函数模块用来实现分子对接过程中的显示构象的实时打分，评价当前构象的结合能力，确定构象是否合理；
所述打分函数模块与所述能量显示模块通过所述消息中间件完成所述用户端与所述服务器端的实时通讯，提供快速可靠的消息传递机制；
所述排名系统对用户和用户提交的构象进行排名，并且保存相关信息，供所述排名查询模块进行查询和统计；
所述分子数据库提供相关受体和配体结构，并对受体和配体进行一定的预处理，供用户对接时选择；所述标识识别模块通过用户授权后调用其浏览器摄像头，在摄像头捕获的视频元素中识别用户设定的标志，来确定用户选择的配体与受体分子；所述分子三维显示模块在Web浏览器端显示分子三维结构，帮助用户确认配体与受体之间的位置关系；所述能量显示模块用来获得用户当前构象的评价，并显示产生的虚拟的配体与受体分子对接过程中实时打分的结果，帮助用户继续搜寻更好的构象。
2.一种基于增强现实技术的3D分子交互对接实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用图形引擎建模和绘制已知的生物大分子，存入分子数据库；用户从所述分子数据库中选择配体和受体结构；根据所述配体和受体结构初始化标识卡的标识信息；
(2)通过用户端的摄像头对所述标识卡进行识别，以获取虚拟三维分子的构象，并将该虚拟三维分子与真实场景中的标识卡叠加，在所述用户端的显示屏上显示增强现实的分子构象，得到所述增强现实的分子构象中配体和受体的相对坐标矩阵；
(3)所述用户端将所述相对坐标矩阵通过服务器端的消息中间件发送至打分函数模块，评价当前构象的结合能力，确定构象是否合理，进行实时打分；并通过所述消息中间件将实时打分结果传回所述用户端的能量显示模块，所述能量显示模块显示所述实时打分结果，供用户判断是否为最佳构象或继续搜寻更好的构象；
(4)所述服务器端的排名系统对用户和用户提交的所有构象所获得的实时打分进行排名，并将排名信息传送至所述用户端的用户管理模块，用于后续的构象检索、排名查询或统计分析。
3.根据权利要求2的3D分子交互对接实现方法，其特征在于，步骤(2)中用户通过移动标识改变所述显示屏上显示的三维分子的位置，其当前位置构象的分数也实时地显示在所述显示屏上。
4.根据权利要求2所述的3D分子交互对接实现方法，其特征在于，步骤(3)中所述打分函数模块的实时打分方法为：根据分子生物学理论，利用基于GPL协议的开源分子对接软件Autodock现有的打分函数，并使用相关的算法对其进行优化，具体如下：
首先，采用格点法，对蛋白质进行预处理，先计算出接近蛋白质区域的各点内的范德华作用、静电相互作用、氢键相互作用和溶剂化效应；
其次，得到所有能量之后，在每次计算能量打分时候，利用三线插值法，将范德华作用、静电相互作用、氢键相互作用和溶剂化效应加权求和，再加上自由度能量，得到相应的结合自由能；
最终，实现基于配位点局部范围搜索的打分函数，获取交互式对接的分数，依据该分数评价交互过程中的分子对接效果。
5.根据权利要求2所述的3D分子交互对接实现方法，其特征在于，将步骤(4)中实时打分结果传送至成绩排行网站并进行显示，系统根据所有用户的分数建立一个排行榜，以激励用户对分子对接游戏的兴趣。
6.根据权利要求2所述的3D分子交互对接实现方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)的所述标识卡上集成了便于图像识别的特征元素；所述用户端通过调用自身集成的摄像头采集该标识卡上的图像信息，并通过自身集成的标识识别模块对所述特征元素进行识别，获取所述标识卡中的二维图像信息，以调取相对应的虚拟三维分子。
7.根据权利要求6所述的3D分子交互对接实现方法，其特征在于，所述标识卡具有黑色边框，所述黑色边框的内部是白底黑色字符的标识。
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