CN107170041B - 一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统 - Google Patents
一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107170041B CN107170041B CN201710447167.6A CN201710447167A CN107170041B CN 107170041 B CN107170041 B CN 107170041B CN 201710447167 A CN201710447167 A CN 201710447167A CN 107170041 B CN107170041 B CN 107170041B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- experiment
- laboratory
- user
- scene
- virtual
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
- G06T19/006—Mixed reality
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- Processing Or Creating Images (AREA)
- User Interface Of Digital Computer (AREA)
Abstract
本发明特别涉及一种共享式实验室虚拟仿真方法，包括以下步骤：对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；根据用户发送的选择指令生成目标虚拟实验场景；根据用户发送的环境控制指令调整目标虚拟实验场景的环境参数；获取用户与三维模型的交互动作，在目标虚拟实验场景中模拟三维模型、交互动作以及交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。本发明将实验室设备进行实物3D建模并实现虚拟仿真操作，从而实现虚拟现实技术与具体实验场景的结合，不仅可以通过虚拟仿真实验熟悉具体实验的操作过程与结果，而且逼真度高；同时在虚拟现实中融入智能控制技术，实现环境的智能控制，满足不同实验的应用需求，提高了本发明的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别涉及一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统。
背景技术
2016年国家提出了教育的供给侧改革，党中央作出了实施供给侧改革的重大部署。在该新形式下，国家对实验室教学提出了更高的要求，那就是要加大对学生实验动手能力的培养要求。传统的实验室教学完全依赖于实验仪器设备，老师在进行实验教学时也完全离不开实验仪器，这就必然造成了设备供给失衡的问题，于是在供给侧改革的新政策下，各个学校将面临诸多矛盾，给实验教学带来了许多新的挑战。
同时随着社会经济的高速发展，三维计算机成像与显示技术、三维视频交互技术也变得日趋成熟。因此最近几年虚拟现实技术成为人们关注的焦点，VR娱乐、VR教育在全球的需求排行榜中分别位居第一、第二。用户在VR的体验过程中，感受到场景的真实和逼真的视觉冲击，尤其VR高清头盔技术的不断发展成熟，给用户提供了全景立体的展示效果，让用户具有了身临其境的临场感，使用户从真实的环境瞬间进入虚拟的环境中，与虚拟环境中的三维物体对象进行亲密交互。
目前，学校的实验教学急需建立一个逼真并具有通用性的虚拟仿真实验系统，以解决实验教学现阶段所出现的实验仪器供给失衡的问题。而现阶段各个高校已建立或者正在建立的虚拟仿真实验室，基本是采用简单的贴图建模，没有做实物的引擎开发，实物本身不具备其自身属性，因此在做每一个特定的实验需要单独定制开发。同时，各个高校所购买的实验仪器没有形成统一的尺寸规格，这就导致虚拟仿真实验系统中所导入的模型数据尺寸也难以形成统一规格。其次，高校现有的虚拟仿真实验系统无法让实验室内的全体师生在同一时刻体验同一VR内容。另外，由于头盔的市场价格昂贵，大部分高校由于资金不足无力购买。因此，学校所购入的虚拟仿真系统难以形成统一的标准，有的使用2D虚拟仿真实验系统，有的使用3D头盔+手柄的虚拟仿真实验系统。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种共享式实验室虚拟仿真方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；
步骤2，接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从预先构建的至少一个虚拟实验场景中生成目标虚拟实验场景；
步骤3，接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景的环境参数；
步骤4，获取用户与所述三维模型的交互动作，在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。
本发明的有益效果：本发明将学校实验室设备进行实物3D建模并实现虚拟仿真操作，从而实现虚拟现实技术与具体实验场景的结合，将有限的有形实验设备转换为无限的共享资源，不仅可以通过虚拟仿真实验熟悉具体实验的操作过程与结果，而且逼真度高，解决了高危险、高成本、高要求的实验难以实际操作的问题；同时上述实施例中在虚拟现实中融入智能控制技术，实现环境的智能控制，满足不同实验的应用需求，提高了本发明的适用范围。
进一步，还包括步骤5，具体为：
S501，当用户的实验评分满足预设条件时，生成预约指令；
S502，根据所述预约指令生成并显示与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息；
S503，接收用户发送的确认指令，并根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，然后将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统。
进一步，所述步骤1具体包括以下步骤：
S101，对所述实验室设备进行人工测量或者三维扫描，获取所述实验室设备的建模参数，然后根据所述建模参数生成与所述实验室设备尺寸比例一致的三维模型；
S102，获取所述实验室设备的物理属性，根据所述物理属性构建物理引擎，并采用所述物理引擎赋予所述三维模型对应的物理属性。
进一步，所述步骤2具体包括以下步骤：
S201，获取至少一个诺贝尔实验对应的实验信息，根据所述实验信息构建至少一个诺贝尔实验中每个诺贝尔实验对应的虚拟实验场景；
S202，按照时间顺序动态显示所述每个诺贝尔实验对应的实验信息；
S203，接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从所述至少一个诺贝尔实验中选择目标实验，并获取所述目标实验对应的虚拟实验场景从而生成目标虚拟实验场景。
进一步，所述步骤4具体为：根据用户发送的模式选择指令从预设的至少一个实验模式中生成对应的目标实验模式，并显示与目标实验模式对应的实验内容，然后获取用户根据所述实验内容生成的与所述三维模型的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。
进一步，步骤4中，所述交互动作为用户采用体感设备、语音控制设备、手柄、触摸屏、键盘鼠标和VR成像设备中的至少一个设备操作所述三维模型时生成的交互动作。
第二方面，本发明提供了一种共享式实验室虚拟仿真系统，包括模型构建模块、场景构建模块、场景控制模块、交互模块和存储模块，
所述模型构建模块用于对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；
所述场景构建模块用于接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从预先构建的至少一个虚拟实验场景中生成目标虚拟实验场景；
所述场景控制模块用于接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景的环境参数；
所述交互模块用于获取用户与所述三维模型的交互动作，在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分；
所述存储模块用于存储所述三维模型。
本发明的有益效果：本发明将学校实验室设备进行实物3D建模并实现虚拟仿真操作，从而实现虚拟现实技术与具体实验场景的结合，将有限的有形实验设备转换为无限的共享资源，不仅可以通过虚拟仿真实验熟悉具体实验的操作过程与结果，而且逼真度高，解决了高危险、高成本、高要求的实验难以实际操作的问题；同时上述实施例中在虚拟现实中融入智能控制技术，实现环境的智能控制，满足不同实验的应用需求，提高了本发明的适用范围。
进一步，所述模型构建模块具体用于对所述实验室设备进行人工测量或者三维扫描，获取所述实验室设备的建模参数，然后根据所述建模参数生成与所述实验室设备尺寸比例一致的三维模型；以及用于获取所述实验室设备的物理属性，根据所述物理属性构建物理引擎，并采用所述物理引擎赋予所述三维模型对应的物理属性。
进一步，所述共享式实验室虚拟仿真系统还包括预约模块，所述预约模块具体用于当用户的实验评分满足预设条件时生成预约指令，根据所述预约指令生成并显示与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息；以及用于接收用户发送的确认指令，并根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，并将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统。
进一步，所述场景构建模块具体包括：
构建单元，用于获取至少一个诺贝尔实验对应的实验信息，根据所述实验信息构建至少一个诺贝尔实验中每个诺贝尔实验对应的虚拟实验场景；
显示单元，用于按照时间顺序动态显示所述每个诺贝尔实验对应的实验信息；
目标生成单元，用于接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从所述至少一个诺贝尔实验中选择目标实验，并获取所述目标实验对应的虚拟实验场景从而生成目标虚拟实验场景。
进一步，所述交互模块具体用于根据用户发送的模式选择指令从预设的至少一个实验模式中生成对应的目标实验模式，并显示与目标实验模式对应的实验内容，然后获取用户根据所述实验内容生成的与所述三维模型的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种共享式实验室虚拟仿真方法的示意性流程图；
图2为本发明实施例2提供的共享式实验室虚拟仿真方法中步骤2的流程性示意图；
图3为本发明实施例3提供的共享式实验室虚拟仿真方法中步骤5的流程性示意图；
图4为本发明实施例4提供的共享式实验室虚拟仿真系统的结构示意图；
图5为本发明实施例5提供的共享式实验室虚拟仿真系统的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透切理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
图1给出了本发明实施例1提供的一种共享式实验室虚拟仿真方法的示意性流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1，对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；
步骤2，接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从预先构建的至少一个虚拟实验场景中生成目标虚拟实验场景；
步骤3，接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景的环境参数；
步骤4，获取用户与所述三维模型的交互动作，在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，生成实验报告和实验评分。
上述实施例中，将学校实验室设备进行实物3D建模并实现虚拟仿真操作，从而实现虚拟现实技术与具体实验场景的结合，将有限的有形实验设备转换为无限的共享资源，不仅可以通过虚拟仿真实验熟悉具体实验的操作过程与结果，而且逼真度高，解决了高危险、高成本、高要求的实验难以实际操作的问题；同时上述实施例中在虚拟现实中融入智能控制技术，实现环境的智能控制，满足不同实验的应用需求，提高了本发明的适用范围。
以下通过具体实施例，对上述步骤进行详细说明。
在一个优选的实施例中，所述步骤1具体包括以下步骤：
S101，对所述实验室设备进行人工测量或者三维扫描，获取所述实验室设备的建模参数，然后根据所述建模参数生成与所述实验室设备尺寸比例一致的三维模型，将所述三维模型保存在存储模块；
S102，获取所述实验室设备的物理属性，根据所述物理属性构建物理引擎，并采用所述物理引擎赋予所述三维模型对应的物理属性。
上述优选实施例中，所述建模参数包括实验设备的物理特性、颜色、材质和/或尺寸；所述三维模型包括所述实验室设备的整体三维模型、零件三维模型、成品三维模型和/或半成品三维模型。上述优选实施例中，根据已有的特定实验室设备进行仿真三维建模，建模设备为已有设备，建模尺寸按照实物比例建模，以人为测量加三维扫描装置相结合完成。同时，本发明的方法融入了与实验设备的物理特性对应的物理引擎，例如光学透镜模型中是赋予了焦距、折射、反射等物理引擎，从而在不同的实验进行应用时，不需要单独做开发编程，直接拿过来就能使用并形成实验结果，因此解决了应用的通用性问题。同时，由于三维模型具有实物一致的物理属性，因此通过本发明的共享式实验室虚拟仿真方法完成的实验可以与不同厂家的真实仪器做对接，不受限制，不仅实现通用性也符合实际实验仪器的标准规范。上述优选实施例中，所述三维模型包括所述实验室设备的整体三维模型、零件三维模型、成品三维模型和/或半成品三维模型，从而方便用户对实验室设备的零部件进行自由拆装，用户可以观看实验室设备的内部结构和外部结构，从而对单独零件、半成品、成品以及整体的实验室设备进行了解学习。具体实施例中，所述实验室设备包括高校实验室涉及的所有专业的实验仪器，包括通用型仪器，如：万用表、示波器、功率计等，以及专业仪器、器件，如迈克尔逊干涉仪、分光计、力学综合、热膨胀、霍尔效应等。在存储模块中存储每个实验室设备的三维模型时，同时存储所述实验室设备对应的详细性能参数、属性参数、功能介绍、使用方法等知识，可在使用过程中方便用户调用与观看。
图2为本发明实施例2提供的共享式实验室虚拟仿真方法中步骤2的流程性示意图，如图2所示，所述步骤2具体包括以下步骤：
S201，获取至少一个诺贝尔实验对应的实验信息，根据所述实验信息构建至少一个诺贝尔实验中每个诺贝尔实验对应的虚拟实验场景；
S202，按照时间顺序动态显示所述每个诺贝尔实验对应的实验信息；
S203，接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从所述至少一个诺贝尔实验中选择目标实验，并获取所述目标实验对应的虚拟实验场景从而生成目标虚拟实验场景。
上述优选实施例中，实验信息包括诺贝尔实验对应的获奖者以及相关背景知识，比如实验目的、实验内容、实验仪器、实验原理、实验步骤、实验注意事项等。然后根据所述获奖者以及相关背景知识构建该诺贝尔实验对应的虚拟实验场景，比如一个具体的虚拟实验场景中包括一个虚拟实验室，所述虚拟实验室中设置有窗帘、照明灯、空调、操作台等等，不同诺贝尔实验对应的虚拟实验场景中，光线、温度、风速、湿度等环境参数有所不同，因此对应的窗帘开关程度、照明灯亮度、空调运行模式等等均应有所区别。通过步骤3接收用户发送的环境控制指令，即可按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景中智能设备的运行状态，从而调整目标虚拟实验场景的环境参数，使其符合实验要求。而对于同一个诺贝尔实验的不同阶段，该虚拟实验室的环境参数也有所不同，因此也可以在实验进行的用时，通过步骤3接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景中智能设备的运行状态，从而调整目标虚拟实验场景的环境参数。例如在做光学迈克尔逊干涉仪实验时，由于需要在暗室环境观察干涉条纹所以对环境光要求较高，场景设计中在实验前期搭建实验平台时为正常室内环境；实验平台搭建完成进行调试光路时，需要通过关闭窗帘屏蔽室外太阳光的干扰；调试光路完成后观察实验现象时，需要通过室内灯光的亮度调节使室内形成模拟暗室；实验完成填写相关数据时需要恢复自然环境，因此可以调整所述目标虚拟实验场景中智能设备，比如窗帘、照明灯的运行状态，从而调整目标虚拟实验场景的环境参数，使虚拟实验场景更具有操作性且更逼真。
本优选实施例中，以诺贝尔实验为主线构建进入场景，采用时空穿梭方式在时空隧道中动态浮现诺贝尔实验对应的历史诺贝尔获奖者及相关的背景知识，并可以采用语音的方式进行讲解，模拟时空穿梭机由历史回到现实，从而增强实验的真实感及文化背景和氛围，提高人文知识及吸引力。
更加优选的实施例中，还可以通过所述环境控制指令调整显示所述目标虚拟实验场景的真实实验室的环境参数，比如通过所述环境控制指令对真实实验室的设备，比如窗帘、照明灯、空调等的运行参数进行调整，从而调整真实实验室的窗帘开关程度、照明灯亮度、空调运行模式等等，从而使真实实验室的光线、温度、风速、湿度等环境参数与虚拟实验室的环境参数保持一致，提高用户身临其境的感觉，也便于更加方便观察实验现象、记录实验结果等等。
优选实施例的步骤4中，所述交互动作为用户采用体感设备、语音控制设备、手柄、触摸屏、键盘鼠标和VR成像设备中的至少一个设备操作所述三维模型时生成的交互动作。具体的，本实施例的共享式实验室虚拟仿真方法提供多种交互方式，从而支持不同的用户需求，比如可以通过体感、语音进行识别交互进行实验的操作，也可以通过手柄进行实验操作，也可以通过键盘鼠标或触摸屏进行实验操作，根据实际需求还支持VR头盔进行互动，通过VR的沉浸式体验与智能操作相结合，增强身临其境的现实感使达到与现实实验一样甚至更好的效果。
优选实施例的步骤4中，根据用户发送的模式选择指令从预设的至少一个实验模式中生成对应的目标实验模式，并显示与目标实验模式对应的实验内容，然后获取用户根据所述实验内容生成的与所述三维模型的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。具体的，所述预设实验模式包括练习模式和考试模式，当用户选择练习模式时，显示的实验内容包括实验目的、实验内容、实验仪器、实验原理、实验步骤、实验注意事项、步骤提示，操作提示，操作需达到的理论最佳效果提示等等；当用户选择考试模式时，显示的实验内容为操作提示等等。本优选实施例中，用户可以在时空隧道中可点击诺贝尔实验对应的科学家进入其相关的实验，也可通过搜索、列表查询等方式进入实验，灵活多样。当生成目标虚拟实验场景并选定实验模式后，用户可以通过功能按钮生成环境控制指令，从而对窗帘开关、音量、按键灵敏度、实验室环境环境参数等进行设置。当选择练习模式时，用户可以选择实验室设备的三维模型，并将三维模型拖放操作台上，并对实验室设备的空间位置，包括实验室设备的前、后、左、右、上、下、水平旋转角度、垂直旋转角度等进行操作。同时，也可对实验室设备上的所有调节旋钮及开关等进行操作，对实验室设备进行拆装，观看实验室设备的内部结构、外部结构，实验室设备被拆解后仪器各个零件的名称及功能属性参数，使用方法都会给出正确提示，提示采用真人语音录音，语音立体感强，有利于用户深入了解原理同时不用担心会弄坏昂贵的仪器设备。当选择考试模式时，用户根据操作提示对实验进行操作，完成实验全流程的操作步骤后，将会有对应的实验现象以及对应的实验数据显示，用户可以根据观察、计算的数据填写实验报告，然后本实施例的共享式实验室虚拟仿真方法可以通过实验过程与实验结果对用户的实验进行评分，从而检验用户的实验掌握程度，并可以提供针对性的分析和学习。
在实施例3提供的共享式实验室虚拟仿真方法中，还包括步骤5，图3为本发明实施例3提供的共享式实验室虚拟仿真方法中步骤5的流程性示意图，如图3所示，步骤5包括以下步骤：
S501，当用户的实验评分满足预设条件时，生成预约指令；
S502，根据所述预约指令生成并显示与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息；
S503，接收用户发送的确认指令，并根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，然后将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统。
上述优选实施例中，可以将现实实验室与虚拟实验室有机融合，先通过虚拟仿真熟悉实验再在系统上预约真实实验，从而实现现实实验室的同步，真正做到虚实结合，情景交融，提高效率。例如迈克尔逊实验，一个刚刚学习的新生很难快速的熟悉与完成实验过程，他可以先采用本实施例的共享式实验室虚拟仿真方法进行虚拟仿真的操作与考试，考试通过后再预约现实实验室去做实验，比如生成预约指令，然后根据预约指令自动排序后得到分配给该用户的实验室及时间点，用户到时间自己去实验室做实验，同时对应的门禁及设备在该时间点就会允许其操作，完成现实实验。当前在其他的实施例中，还可以设置独立的实验室管理系统，当用户的实验评分满足预设条件并生成预约指令后，将所述预约指令发送至实验室管理系统，实验室管理系统根据所述预约指令生成与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息，并把所述实验室信息和实验时间信息发送给本实施例的仿真系统进行显示，当接收到用户的确认指令后，将所述确认指令发送至实验室管理系统，实验室管理系统根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，然后将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统。
在另一优选实施例中，本发明的方法还可以对实验过程中产生的数据进行云存储，并对云存储的数据进行分析，快速得出实验结果、形成实验报告，并对提交的实验报告进行存档和分析。同时，该方法可在电脑、平板、手机等多个终端上使用，支持单机运行、网络客户端运行、APP端应用多种模式结合，因此支持同一时刻多并发用户的同时使用，应用不受时间和空间限制，提高了本发明共享式实验室虚拟仿真系统的应用范围。
图4为本发明实施例4提供的共享式实验室虚拟仿真系统的结构示意图，如图4所示，包括模型构建模块、场景构建模块、场景控制模块、交互模块和存储模块，
所述模型构建模块用于对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；
所述场景构建模块用于接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从预先构建的至少一个虚拟实验场景中生成目标虚拟实验场景；
所述场景控制模块用于接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景的环境参数；
所述交互模块用于获取用户与所述三维模型的交互动作，在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分；
所述存储模块用于存储所述三维模型。
上述实施例中，将学校实验室设备进行实物3D建模并实现虚拟仿真操作，从而实现虚拟现实技术与具体实验场景的结合，将有限的有形实验设备转换为无限的共享资源，不仅可以通过虚拟仿真实验熟悉具体实验的操作过程与结果，而且逼真度高，解决了高危险、高成本、高要求的实验难以实际操作的问题；同时上述实施例中在虚拟现实中融入智能控制技术，实现环境的智能控制，满足不同实验的应用需求，提高了本发明的适用范围。
图5为本发明实施例5提供的共享式实验室虚拟仿真系统的结构示意图，如图5所示，所述共享式实验室虚拟仿真系统还包括预约模块，所述预约模块具体用于当用户的实验评分满足预设条件时生成预约指令，根据所述预约指令生成并显示与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息；以及用于接收用户发送的确认指令，并根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，并将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统。当前在其他的实施例中，还可以设置独立的实验室管理系统，当用户的实验评分满足预设条件并生成预约指令后，将所述预约指令发送至实验室管理系统，实验室管理系统根据所述预约指令生成与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息，并把所述实验室信息和实验时间信息发送给本实施例的仿真系统进行显示，当接收到用户的确认指令后，将所述确认指令发送至实验室管理系统，实验室管理系统根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，然后将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统。
在一优选实施例中，所述模型构建模块具体用于对所述实验室设备进行人工测量或者三维扫描，获取所述实验室设备的建模参数，然后根据所述建模参数生成与所述实验室设备尺寸比例一致的三维模型；以及用于获取所述实验室设备的物理属性，根据所述物理属性构建物理引擎，并采用所述物理引擎赋予所述三维模型对应的物理属性。所述建模参数包括实验设备的物理特性、颜色、材质和/或尺寸；所述三维模型包括所述实验室设备的整体三维模型、零件三维模型、成品三维模型和/或半成品三维模型。上述优选实施例中，根据已有的特定实验室设备进行仿真三维建模，建模设备为已有设备，建模尺寸按照实物比例建模，以人为测量加三维扫描装置相结合完成。同时，本发明的方法融入了与实验设备的物理特性对应的物理引擎，例如光学透镜模型中是赋予了焦距、折射、反射等物理引擎，从而在不同的实验进行应用时，不需要单独做开发编程，直接拿过来就能使用并形成实验结果，因此解决了应用的通用性问题。同时，由于三维模型具有实物一致的物理属性，因此通过本发明的共享式实验室虚拟仿真方法完成的实验可以与不同厂家的真实仪器做对接，不受限制，不仅实现通用性也符合实际实验仪器的标准规范。
在另一优选实施例中，所述场景构建模块具体包括：
构建单元，用于获取至少一个诺贝尔实验对应的实验信息，根据所述实验信息构建至少一个诺贝尔实验中每个诺贝尔实验对应的虚拟实验场景；
显示单元，用于按照时间顺序动态显示所述每个诺贝尔实验对应的实验信息；
目标生成单元，用于接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从所述至少一个诺贝尔实验中选择目标实验，并获取所述目标实验对应的虚拟实验场景从而生成目标虚拟实验场景。
上述优选实施例中，以诺贝尔实验为主线构建进入场景，采用时空穿梭方式在时空隧道中动态浮现诺贝尔实验对应的历史诺贝尔获奖者及相关的背景知识，并可以采用语音的方式进行讲解，模拟时空穿梭机由历史回到现实，从而增强实验的真实感及文化背景和氛围，提高人文知识及吸引力。
另一优选实施例中，所述场景控制模块还用于通过所述环境控制指令调整显示所述目标虚拟实验场景的真实实验室的环境参数，比如通过所述环境控制指令对真实实验室的设备，比如窗帘、照明灯、空调等的运行参数进行调整，从而调整真实实验室的窗帘开关程度、照明灯亮度、空调运行模式等等，从而使真实实验室的光线、温度、风速、湿度等环境参数与虚拟实验室的环境参数保持一致，提高用户身临其境的感觉，也便于更加方便观察实验现象、记录实验结果等等。
另一优选实施例中，所述交互模块具体用于根据用户发送的模式选择指令从预设的至少一个实验模式中生成对应的目标实验模式，并显示与目标实验模式对应的实验内容，然后获取用户根据所述实验内容生成的与所述三维模型的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。具体的，所述交互模块获取用户采用体感设备、语音控制设备、手柄、触摸屏、键盘鼠标和VR成像设备中的至少一个设备操作所述三维模型时生成的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。
本发明实施例的共享式实验室虚拟仿真系统采用互联网技术支持跨平台应用，可实现多屏互动、在线预习、在线预约、在线操作与评测以及实验室智能管理等等。同时，所述共享式实验室虚拟仿真系统不仅融合了多学科的理论知识与计算方法，通过实验数据的记录及填写可快速计算得出实验结果，完成实验后可立即提交实验报告进行存档、分析，而且该系统可在电脑、平板、手机等多个终端上均可使用，应用不受时间和空间限制，提高了本发明共享式实验室虚拟仿真系统的应用范围。
读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种共享式实验室虚拟仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；
步骤2，接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从预先构建的至少一个虚拟实验场景中生成目标虚拟实验场景；
步骤3，接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景的环境参数；
步骤4，获取用户与所述三维模型的交互动作，在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分；
还包括步骤5，具体为：
S501，当用户的实验评分满足预设条件时，生成预约指令；
S502，根据所述预约指令生成并显示与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息；
S503，接收用户发送的确认指令，并根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，然后将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统；
所述步骤2具体包括以下步骤：
S201，获取至少一个诺贝尔实验对应的实验信息，根据所述实验信息构建至少一个诺贝尔实验中每个诺贝尔实验对应的虚拟实验场景；
S202，按照时间顺序动态显示所述每个诺贝尔实验对应的实验信息；
S203，接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从所述至少一个诺贝尔实验中选择目标实验，并获取所述目标实验对应的虚拟实验场景从而生成目标虚拟实验场景。
2.根据权利要求1所述的共享式实验室虚拟仿真方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：
S101，对所述实验室设备进行人工测量或者三维扫描，获取所述实验室设备的建模参数，然后根据所述建模参数生成与所述实验室设备尺寸比例一致的三维模型；
S102，获取所述实验室设备的物理属性，根据所述物理属性构建物理引擎，并采用所述物理引擎赋予所述三维模型对应的物理属性。
3.根据权利要求1所述的共享式实验室虚拟仿真方法，其特征在于，所述步骤4具体为：根据用户发送的模式选择指令从预设的至少一个实验模式中生成对应的目标实验模式，并显示与目标实验模式对应的实验内容，然后获取用户根据所述实验内容生成的与所述三维模型的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。
4.根据权利要求3所述的共享式实验室虚拟仿真方法，其特征在于，步骤4中，所述交互动作为用户采用体感设备、语音控制设备、手柄、触摸屏、键盘鼠标和VR成像设备中的至少一个设备操作所述三维模型时生成的交互动作。
5.一种共享式实验室虚拟仿真系统，其特征在于，包括模型构建模块、场景构建模块、场景控制模块、交互模块和存储模块，
所述模型构建模块用于对实验室设备进行三维建模，生成对应的三维模型；
所述场景构建模块用于接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从预先构建的至少一个虚拟实验场景中生成目标虚拟实验场景；
所述场景控制模块用于接收用户发送的环境控制指令，按照所述环境控制指令调整所述目标虚拟实验场景的环境参数；
所述交互模块用于获取用户与所述三维模型的交互动作，在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分；
所述存储模块用于存储所述三维模型；
所述共享式实验室虚拟仿真系统还包括预约模块，所述预约模块具体用于当用户的实验评分满足预设条件时生成预约指令，根据所述预约指令生成并显示与所述用户对应的实验室信息和实验时间信息；以及用于接收用户发送的确认指令，并根据所述确认指令生成与所述实验室信息和实验时间信息对应的门禁控制指令，并将所述门禁控制指令发送至实验室的门禁控制系统；
所述场景构建模块具体包括：
构建单元，用于获取至少一个诺贝尔实验对应的实验信息，根据所述实验信息构建至少一个诺贝尔实验中每个诺贝尔实验对应的虚拟实验场景；
显示单元，用于按照时间顺序动态显示所述每个诺贝尔实验对应的实验信息；
目标生成单元，用于接收用户发送的选择指令，根据所述选择指令从所述至少一个诺贝尔实验中选择目标实验，并获取所述目标实验对应的虚拟实验场景从而生成目标虚拟实验场景。
6.根据权利要求 5所述的共享式实验室虚拟仿真系统，其特征在于，所述交互模块具体用于根据用户发送的模式选择指令从预设的至少一个实验模式中生成对应的目标实验模式，并显示与目标实验模式对应的实验内容，然后获取用户根据所述实验内容生成的与所述三维模型的交互动作，并在所述目标虚拟实验场景中模拟所述三维模型、所述交互动作以及所述交互动作对应的实验效果，并生成实验报告和实验评分。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710447167.6A CN107170041B (zh) | 2017-06-14 | 2017-06-14 | 一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710447167.6A CN107170041B (zh) | 2017-06-14 | 2017-06-14 | 一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107170041A CN107170041A (zh) | 2017-09-15 |
| CN107170041B true CN107170041B (zh) | 2020-12-04 |
Family
ID=59818468
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710447167.6A Active CN107170041B (zh) | 2017-06-14 | 2017-06-14 | 一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107170041B (zh) |
Families Citing this family (33)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107491176A (zh) * | 2017-09-27 | 2017-12-19 | 樊友林 | 一种虚拟仿真教学方法、系统及用户端设备和服务器 |
| CN107578663A (zh) * | 2017-09-29 | 2018-01-12 | 安徽华陶信息科技有限公司 | 一种基于虚拟现实操控手柄的教学实验操控方法 |
| CN107909651A (zh) * | 2017-11-06 | 2018-04-13 | 石化盈科信息技术有限责任公司 | 利用三维数字化平台进行设备拆解模拟的方法和系统 |
| CN107944152A (zh) * | 2017-11-28 | 2018-04-20 | 沈阳亿生元教育咨询有限公司 | 一种虚拟实验室的仿真方法及系统 |
| CN107862920A (zh) * | 2017-11-29 | 2018-03-30 | 桂林蓝港科技有限公司 | 一种基于vr环境下的过程控制实验教学的方法及系统 |
| CN108228883A (zh) * | 2017-11-30 | 2018-06-29 | 广东鸿威国际会展集团有限公司 | 一种数据分析系统和方法 |
| CN108133654B (zh) * | 2018-01-10 | 2019-12-13 | 河北农业大学 | 基于ar手机的棉花株型设计实验教学的方法 |
| CN109002597B (zh) * | 2018-06-29 | 2023-04-18 | 河南聚合科技有限公司 | 一种基于数字化双胞胎技术的虚实结合运维仿真调试平台 |
| CN110750921B (zh) * | 2018-07-04 | 2023-10-17 | 天津华信机械有限公司 | 空调使用效果展示方法及装置 |
| CN108831238A (zh) * | 2018-08-07 | 2018-11-16 | 苏州承儒信息科技有限公司 | 一种基于虚拟实验的教育系统控制方法 |
| CN109035915A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-18 | 合肥创旗信息科技有限公司 | 一种vr全息教学管理系统 |
| CN108986211A (zh) * | 2018-09-25 | 2018-12-11 | 深圳市笑泽子智能机器人有限公司 | 机器人骨架的外壳建模方法、终端、打印设备及介质 |
| CN109064562A (zh) * | 2018-09-29 | 2018-12-21 | 深圳阜时科技有限公司 | 一种三维场景模拟方法 |
| CN109410343A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-01 | 申旭 | 一种基于虚拟现实的生物实验方法及系统 |
| CN109635417A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-04-16 | 北京维盛网域科技有限公司 | 一种模拟场景生成方法、装置、系统和介质 |
| CN110262655A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-09-20 | 佛山科学技术学院 | 一种虚实融合仿真实验的数据采集方法及设备 |
| CN110825229A (zh) * | 2019-11-02 | 2020-02-21 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种基于虚拟现实技术模拟三轴试验的系统及方法 |
| CN111028598A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-04-17 | 佛山科学技术学院 | 一种基于操作行为信息的虚拟实验指导方法及系统 |
| CN111369852A (zh) * | 2020-03-03 | 2020-07-03 | 山东女子学院 | 基于虚拟现实的基因编辑实验教学仿真方法及系统 |
| CN111833679A (zh) * | 2020-05-05 | 2020-10-27 | 武汉理工大学 | 一种用于测定数据的换热器虚拟仿真实验平台 |
| CN111477041B (zh) * | 2020-05-22 | 2020-12-25 | 安徽师范大学 | 一种基于物联网通信技术的物理实验演示系统及方法 |
| CN111812999B (zh) * | 2020-06-08 | 2023-07-21 | 华南师范大学 | 人工智能伦理风险与防范虚拟仿真方法、系统和机器人 |
| CN111554142A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-08-18 | 广西生态工程职业技术学院 | 一种基于Vr的虚拟现实实验室 |
| CN111815789A (zh) * | 2020-08-12 | 2020-10-23 | 上海歌学信息技术有限公司 | 一种虚拟仿真实验的步骤分解、评测系统及方法 |
| CN111968470B (zh) * | 2020-09-02 | 2022-05-17 | 济南大学 | 一种面向虚实融合的闯关交互式实验方法和系统 |
| CN112233491A (zh) * | 2020-11-13 | 2021-01-15 | 中铁十二局集团电气化工程有限公司 | 基于虚拟现实技术的铁路电务施工仿真系统 |
| CN112489227B (zh) * | 2020-11-30 | 2022-02-15 | 珠海格力电器股份有限公司 | 空调机组的选型方法、装置和系统 |
| CN112967534B (zh) * | 2021-02-07 | 2022-11-11 | 广州大学 | 迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统及迈克尔逊干涉实验方法 |
| CN113052957A (zh) * | 2021-03-19 | 2021-06-29 | 北京润尼尔网络科技有限公司 | 三维虚拟仿真实验方法、装置及电子设备 |
| CN114283646A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-04-05 | 江苏圣邦教育科技有限公司 | 一种基于虚拟现实结合的实验室仿真系统 |
| CN116205023B (zh) * | 2022-07-12 | 2024-03-08 | 上海奔曜科技有限公司 | 机器人智能实验室的设计方法、装置、设备和存储介质 |
| CN115048814A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-09-13 | 上海理工大学 | 一种面向人工环境控制的虚拟仿真交互实验系统及方法 |
| CN116011599B (zh) * | 2022-12-29 | 2024-04-05 | 上海邺洋生物技术应用有限公司 | 一种生物实验室智能预约方法及系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102945313A (zh) * | 2012-10-18 | 2013-02-27 | 北京航空航天大学 | 一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2798036C (en) * | 2012-12-05 | 2020-01-21 | Nova Chemicals Corporation | Reduction of fouling in high pressure reactors |
| CN104504632A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-08 | 重庆机电职业技术学院 | 一种虚拟仿真教学实训平台构建方法 |
| CN106407604A (zh) * | 2016-10-29 | 2017-02-15 | 边伟 | 基于bim的实验室工程交互式设计方法及系统 |
| CN106774949A (zh) * | 2017-03-09 | 2017-05-31 | 北京神州四达科技有限公司 | 协同仿真交互方法、装置和系统 |
-
2017
- 2017-06-14 CN CN201710447167.6A patent/CN107170041B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102945313A (zh) * | 2012-10-18 | 2013-02-27 | 北京航空航天大学 | 一种开放式虚拟实验教学内容构建与展示方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 高校实验室智能管理解决方案;huifengedu;《https://wenku.baidu.com/view/d1398ff664ce0508763231126edb6f1aff0071d0.html》;20170513;第1-38页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107170041A (zh) | 2017-09-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107170041B (zh) | 一种共享式实验室虚拟仿真方法和系统 | |
| Nguyen et al. | Setting up virtual reality and augmented reality learning environment in unity | |
| Linowes | Unity 2020 virtual reality projects: Learn VR development by building immersive applications and games with Unity 2019.4 and later versions | |
| CN110210012A (zh) | 一种基于虚拟现实技术交互性课件制作方法 | |
| CN115170365A (zh) | 一种基于用户配置生成的虚拟仿真教学系统以及方法 | |
| CN117541713A (zh) | 一种基于虚幻引擎的变电元宇宙场景搭建方法及系统 | |
| He et al. | Design and implementation of virtual simulation teaching system for UAV based on WEBGL | |
| MacIntyre et al. | Using projection ar to add design studio pedagogy to a cs classroom | |
| Omidfar Sawyer et al. | Building Better Spaces: Using Virtual Reality to Improve Building Performance | |
| Sueyasu et al. | An interactive CG learning system through 3D authoring and programming | |
| KR101505174B1 (ko) | 이미지를 활용하는 학습 시뮬레이션 모델 방법 및 장치 | |
| Jain et al. | Building tangible augmented reality models for use in product development | |
| TW201738832A (zh) | 虛擬實境看屋系統 | |
| Mattová et al. | Cluster application in a virtual CAVE computing environment | |
| Susi | Interactive Architectural Visualization using Unreal Engine | |
| Warvik | Visualizing climate change in Virtual Reality to provoke behavior change | |
| Beever | Exploring Mixed Reality Level Design Workflows | |
| KURBONOVA | CREATING A VIRTUAL GEOGRAPHIC LEARNING ENVIRONMENT AND ITS USER ASSESSMENT | |
| Gupta et al. | Training in virtual environments | |
| Murcia López | The effectiveness of training in virtual environments | |
| US20240221533A1 (en) | Virtual reality training tool for industrial equipment and processes | |
| Kara | Development of a Training Module for Process Operation based on Mixed-Reality Technology | |
| Ayomide | Application of virtual reality for enhanced learning integration in higher education institutions | |
| Cheng et al. | The Application Status and Thinking of VR in Architecture | |
| Bladowski | Developing VR Technology Tools for Lighting Research in Architecture in Compliance With Daylight Recommendations From the Standard EN 17037 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A shared laboratory virtual simulation method and system Effective date of registration: 20210926 Granted publication date: 20201204 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN GUANGCHI EDUCATION & TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2021420000102 |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20220927 Granted publication date: 20201204 Pledgee: Guanggu Branch of Wuhan Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: WUHAN GUANGCHI EDUCATION & TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2021420000102 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |