CN105702098B - 一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统 - Google Patents
一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明适用虚拟现实技术领域，提供了一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统，所述方法包括：接收用户输入的化学实验内容，该化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤，通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像，根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像，从而增加了化学模拟实验互动性和真实性，提高了实验模拟效果。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统。
背景技术
虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等多种技术的集合。虚拟现实技术主要涉及模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面，虚拟现实已成为当前科技企业的研究热点。
由于虚拟现实设备可生成人体直接感观的虚拟现实场景，为用户提供浸入式体验，因此，可用于一些操作性或者危险性较强的化学教学情形中。然而，大多数情况，现有虚拟现实设备仅用于场景配合，用户无法与虚拟现实场景中的对象进行互动，因此，虚拟现实设备只能用以辅助用户或教员进行示范讲解，无法实现危险实验的操作、模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统，旨在解决现有技术无法提供互动性好、可用于有一定危险性的化学实验模拟的问题。
一方面，本发明提供了一种基于虚拟现实的化学实验方法，所述方法包括下述步骤：
接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤；
通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像；
根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像；
根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
另一方面，本发明提供了一种基于虚拟现实的化学实验装置，所述装置包括：
实验内容接收单元，用于接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤；
第一图像输出单元，用于通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像；
实验操作图像获取单元，用于根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像；以及
第二图像输出单元，用于根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
另一方面，本发明还提供了一种基于虚拟现实的化学实验系统，所述系统包括虚拟现实设备以及多个实验用操作件，所述虚拟现实设备包括摄像头，其中：
所述虚拟现实设备接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤，所述虚拟现实设备通过所述摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作， 使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像，根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
在本发明实施例中，通过虚拟现实设备将不具备有害性的操作件物体虚拟为化学实验用虚拟现实图像中的实验器材，降低了化学实验练习带来的危险性和练习成本，进一步通过对操作件的操作、对该操作的虚拟向用户输出虚拟现实实验操作图像以进行化学实验模拟，增加了化学模拟实验互动性和真实性，提高了实验模拟效果。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的基于虚拟现实的化学实验方法的实现流程图；
图2是本发明实施例二提供的基于虚拟现实的化学实验方法的实现流程图；
图3是本发明实施例三提供的基于虚拟现实的化学实验装置的结构示意图；
图4是本发明实施例四提供的基于虚拟现实的化学实验装置的结构示意图；以及
图5是本发明实施例五提供的基于虚拟现实的化学实验系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1示出了本发明实施例一提供的基于虚拟现实的化学实验方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
在步骤S101中，接收用户输入的化学实验内容，该化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤。
在本发明实施例中，执行主体为虚拟现实设备，虚拟现实设备可以是虚拟现实眼镜、虚拟现实头盔等。用户可通过与虚拟现实设备连接的计算机输入化学实验内容，也可以直接将化学实验内容通过其他方式存储在虚拟现实设备中，化学实验内容至少包括执行化学实验的实验步骤，还可以包括执行这些实验步骤的实验用器材，例如，实验用仪器和材料。
在步骤S102中，通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据实验用操作件关联的标识信息、实验用操作件的图像生成并向用户输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
在本发明实施例中，预先设置摄像头，以用于获取提供的实验用操作件的图像，摄像头可独立设置，但与虚拟现实设备连接，也可以设置在虚拟现实设备中，实验用操作件为表示实验用仪器和材料的物件，例如，木制物件、塑料物件或铁制物件，也就是说，这些实验用操作件并不一定为实验用仪器或材料，而是表示实验用仪器或材料的物件。
优选地，实验用操作件上设置特定的标识，以用作获取实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识，这样，将这些操作件虚拟为虚拟或模拟目标时，可以直接根据实验用操作件上的标识进行虚拟操作，简化了虚拟操作过程，提高了虚拟现实设备的响应速度。优选地，特定的标识为颜色、条码，以便于用户操作。
在步骤S103中，根据虚拟现实操作件图像以及实验步骤对操作件进行操作，使用摄像头对操作进行摄像，以得到实验操作图像。
在本发明实施例中，在输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像后，可根据虚拟现实操作件图像以及实验步骤对操作件进行操作，具体地，可通过 人工操作，从而加强模拟或虚拟现实实验中的互动性，当然，也可以使用其他自动化设备进行实验操作。与此同时，使用摄像头对操作进行同步摄像，以得到实验操作图像。
在步骤S104中，根据实验操作图像生成并向用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
在本发明实施例中，在根据实验操作图像生成对应的虚拟现实实验操作图像时，将实验操作图像中的实验用操作件替换为或虚拟为实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。作为示例地，生成虚拟现实图像时，例如，可将实验操作图像中的实验用木块操作件替换或虚拟为实验用酒精灯，将实验操作图像中的短木棒替换或虚拟为实验用试管。在具体实施中，为了形象地、具体地呈现实验过程，也可以将多个操作件虚拟为一个实验物质。例如，模拟高锰酸钾生成氧气的过程：2KMnO4＝K2MnO4+MnO2+O2，其中用操作件1代表K、操作件2代表Mn、操作件3代表O，在该实验开始时，当将一个操作件1、一个操作件2、四个操作件3放在一起时，这些操作件则可被虚拟为高锰酸钾(KMnO4)，通过用户的点燃操作后，则可通过显示这些操作件的分离显示KMnO4的化学变化过程。
在本发明实施例中，通过虚拟现实设备将不具备有害性的操作件物体虚拟为化学实验用虚拟现实图像中的实验器材，降低了化学实验练习带来的危险性和练习成本，进一步通过对操作件的操作、对该操作的虚拟向用户输出虚拟现实实验操作图像以进行化学实验模拟，增加了化学模拟实验互动性和真实性，提高了实验模拟效果。
实施例二：
图2示出了本发明实施例二提供的基于虚拟现实的化学实验方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
在步骤S201中，接收用户输入的化学实验内容，该化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤。
在本发明实施例中，执行主体为虚拟现实设备，虚拟现实设备可以是虚拟现实眼镜、虚拟现实头盔等。用户可通过与虚拟现实设备连接的计算机输入化学实验内容，也可以直接将化学实验内容通过其他方式存储在虚拟现实设备中，化学实验内容至少包括执行化学实验的实验步骤，还可以包括执行这些实验步骤的实验用器材，例如，实验用仪器和材料。
在步骤S202中，通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像。
在本发明实施例中，预先设置摄像头，以用于获取提供的实验用操作件的图像，摄像头可独立设置，但与虚拟现实设备连接，也可以设置在虚拟现实设备中，实验用操作件为表示实验用仪器和材料的物件，例如，木制物件、塑料物件或铁制物件，也就是说，这些实验用操作件并不一定为实验用仪器或材料，而是表示实验用仪器或材料的物件。
在步骤S203中，获取化学实验内容的种类标识，根据实验用操作件关联的标识信息以及种类标识，获取实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识。
在本发明实施例中，预先建立存储关联关系的表格，在该表格中记录了操作件的标识、化学实验内容所属的种类标识以及操作件标识在该化学实验内容的种类下被虚拟为的目标对象的标识，这样，一个操作件在不同种类的化学实验内容中可表示不同的实验仪器或材料，从而提高了操作件的利用效率。
在步骤S204中，根据被虚拟为的目标对象的标识获取目标对象的图像。
在步骤S205中，结合目标对象的图像以及实验用操作件的图像生成并向用户输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
在步骤S207中，根据实验操作图像生成并向用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
在本发明实施例中，在根据实验操作图像生成对应的虚拟现实实验操作图像时，将实验操作图像中的实验用操作件替换为或虚拟为实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。作为示例地，生成虚拟现实图像时，例如，可将实验操作图像中的实验用操作件木块替换或虚拟为实验用酒精灯，将实验操作图像中 的短木棒替换或虚拟为实验用试管。
在步骤S208中，将实验操作图像或虚拟现实实验操作图像与预先存储的对应实验操作图像或虚拟现实实验操作图像进行对比，以得到用户的化学实验成绩并输出。
在本发明实施例中，为了提高化学实验操作的准确率，预先存储有实验操作图像或虚拟现实实验操作图像，这样在获取到实验操作图像或虚拟现实实验操作图像后，可与预先存储的对应实验操作图像或虚拟现实实验操作图像进行对比，以得到用户的化学实验成绩并输出，从而提醒用户进行进一步的操作训练，提高化学实验的准确率，降低进行真实化学实验操作的过程中的危险性。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
实施例三：
图3示出了本发明实施例三提供的基于虚拟现实的化学实验装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：
实验内容接收单元31，用于接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤；
第一图像输出单元32，用于通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像；
实验操作图像获取单元33，用于根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像；以及
第二图像输出单元34，用于根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
在本发明实施例中，基于虚拟现实的化学实验装置的各单元可由相应的硬 件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。各单元的具体实施方式可参考前述实施例一各步骤对应的描述，在此不再赘述。
实施例四：
图4示出了本发明实施例提供的基于虚拟现实的化学实验装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
在本发明实施例中，基于虚拟现实的化学实验装置包括标识设置单元41、实验内容接收单元42、第一图像输出单元43、实验操作图像获取单元44、第二图像输出单元45以及成绩获取单元46，其中：
标识设置单元41，用于在所述实验用操作件上设置特定的标识，以用作获取所述实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识。
实验内容接收单元42，用于接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤；
第一图像输出单元43，用于通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像；
实验操作图像获取单元44，用于根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像；
第二图像输出单元45，用于根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像；以及
成绩获取单元46，用于将所述实验操作图像或虚拟现实实验操作图像与预先存储的对应实验操作图像或虚拟现实实验操作图像进行对比，以得到所述用户的化学实验成绩并输出。
在本发明实施例中，第一图像输出单元43在生成并向用户输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像时，首先获取化学实验内容的种类标识，根据 实验用操作件关联的标识信息以及种类标识，获取实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识，根据被虚拟为的目标对象的标识获取目标对象的图像，结合目标对象的图像以及实验用操作件的图像生成并向用户输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
因此，优选地，第一图像输出单元43可包括：
标识获取单元431，用于获取化学实验内容的种类标识，根据实验用操作件关联的标识信息以及种类标识，获取实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识；
目标对象获取单元432，用于根据被虚拟为的目标对象的标识获取目标对象的图像；以及
图像输出子单元433，用于结合目标对象的图像以及实验用操作件的图像生成并向用户输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
在本发明实施例中，基于虚拟现实的化学实验装置的各单元可由相应的硬件或软件单元实现，各单元可以为独立的软、硬件单元，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。各单元的具体实施方式可参考前述实施例一各步骤对应的描述，在此不再赘述。
实施例五：
图5示出了本发明实施例提供的基于虚拟现实的化学实验系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
在本发明实施例中，提供的基于虚拟现实的化学实验系统5包括虚拟现实设备51以及多个实验用操作件52，虚拟现实设备51中包括有摄像头。
在本发明实施例中，虚拟现实设备51接收用户输入的、包括执行化学实验的实验步骤的化学实验内容后，通过摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据实验用操作件关联的标识信息、实验用操作件的图像生成并向用户输出与实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，根据虚拟现实操作件图像以及实验步骤对操作件进行操作，使用摄像头对操作进行摄像，以得到实验操作图像， 根据实验操作图像生成并向用户输出对应的虚拟现实实验操作图像。
在本发明实施例中，实验用操作件52为表示实验用仪器和材料的物件，例如，木制物件、塑料物件或铁制物件，也就是说，这些实验用操作件并不一定为实验用仪器或材料，而是表示实验用仪器或材料的物件。
在本发明实施例中，基于虚拟现实的化学实验系统通过其中的虚拟现实设备将不具备有害性的操作件物体虚拟为化学实验用虚拟现实图像中的实验器材，降低了化学实验练习带来的危险性和练习成本，进一步通过对操作件的操作、对该操作的虚拟向用户输出虚拟现实实验操作图像以进行化学实验模拟，增加了化学模拟实验互动性和真实性，提高了实验模拟效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于虚拟现实的化学实验方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤；
通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，所述实验用操作件为表示实验用仪器和材料的物件；
根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像；
根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像；
根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像的步骤，包括：
获取所述化学实验内容的种类标识，根据所述实验用操作件关联的标识信息以及所述种类标识，获取所述实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识；
根据所述被虚拟为的目标对象的标识获取所述目标对象的图像；
结合所述目标对象的图像以及所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述实验用操作件上设置特定的标识，以用作获取所述实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特定的标识为颜色、条码。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述实验操作图像或虚拟现实实验操作图像与预先存储的对应实验操作图像或虚拟现实实验操作图像进行对比，以得到所述用户的化学实验成绩并输出。
5.一种基于虚拟现实的化学实验装置，其特征在于，所述装置包括：
实验内容接收单元，用于接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤；
第一图像输出单元，用于通过预设的摄像头获取提供的实验用操作件的图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，所述实验用操作件为表示实验用仪器和材料的物件；
实验操作图像获取单元，用于根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像；以及
第二图像输出单元，用于根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像；
所述第一图像输出单元包括：
标识获取单元，用于获取所述化学实验内容的种类标识，根据所述实验用操作件关联的标识信息以及所述种类标识，获取所述实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识；
目标对象获取单元，用于根据所述被虚拟为的目标对象的标识获取所述目标对象的图像；以及
图像输出子单元，用于结合所述目标对象的图像以及所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
标识设置单元，用于在所述实验用操作件上设置特定的标识，以用作获取所述实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识。
7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
成绩获取单元，用于将所述实验操作图像或虚拟现实实验操作图像与预先存储的对应实验操作图像或虚拟现实实验操作图像进行对比，以得到所述用户的化学实验成绩并输出。
8.一种基于虚拟现实的化学实验系统，其特征在于，所述系统包括虚拟现实设备以及多个实验用操作件，所述虚拟现实设备包括摄像头，其中：
所述虚拟现实设备接收用户输入的化学实验内容，所述化学实验内容包括执行化学实验的实验步骤，所述虚拟现实设备通过所述摄像头获取提供的实验用操作件的图像，所述实验用操作件为表示实验用仪器和材料的物件，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，根据所述虚拟现实操作件图像以及所述实验步骤对所述操作件进行操作，使用所述摄像头对所述操作进行摄像，以得到实验操作图像，根据实验操作图像生成并向所述用户输出对应的虚拟现实实验操作图像，根据所述实验用操作件关联的标识信息、所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像，包括：
获取所述化学实验内容的种类标识，根据所述实验用操作件关联的标识信息以及所述种类标识，获取所述实验用操作件被虚拟为的目标对象的标识；
根据所述被虚拟为的目标对象的标识获取所述目标对象的图像；
结合所述目标对象的图像以及所述实验用操作件的图像生成并向所述用户输出与所述实验用操作件对应的虚拟现实操作件图像。
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