CN109545002A - 一种用于虚拟实验的容器套件及其应用 - Google Patents

一种用于虚拟实验的容器套件及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于虚拟实验的容器套件及其应用，属于实验设备领域。该套件包括：容器模型，在所述容器模型的外壁上设置有触摸屏显示器、电子芯片；在所述容器模型的入口边沿设置有多个传感器；所述触摸屏显示器、传感器分别与电子芯片连接；在所述容器模型的底部或侧面设置有声音传感器，所述声音传感器与电子芯片连接；在所述容器模型的底部隔离出一个封闭的空间，所述封闭的空间位于所述声音传感器的一侧；在所述封闭的空间内设置有小球；所述小球能够在所述封闭的空间内自由运动。利用本发明可以精准感知用户的操作过程并实时呈现与反馈；而且可以自由改变实验参数，进行不同参数下的科学实验；用虚拟容器模型就可以得到真实的用户体验。

Description

一种用于虚拟实验的容器套件及其应用
技术领域
本发明属于实验设备领域，具体涉及一种用于虚拟实验的容器套件及其应用。
背景技术
容器模型是实验的基本工具之一。目前存在的主要问题是：实验材料或昂贵、或有毒，因此采用虚拟实验材料或试剂很有必要。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于虚拟实验的容器套件及其应用，实现实验的智能化。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于虚拟实验的容器套件，包括容器模型，在所述容器模型的外壁上设置有触摸屏显示器、电子芯片；
在所述容器模型的入口边沿设置有多个传感器；
所述触摸屏显示器、传感器分别与电子芯片连接；
在所述容器模型的底部或侧面设置有声音传感器，所述声音传感器与电子芯片连接；
在所述容器模型的底部隔离出一个封闭的空间，所述封闭的空间位于所述声音传感器的一侧；
在所述封闭的空间内设置有小球；所述小球能够在所述封闭的空间内自由运动。
在所述触摸屏显示器上设有重量设置键、温度设置键、体积设置键、浓度设置键、酒精灯设置键，分别用于设置倒入容器模型的实验品的重量、温度、体积、浓度、虚拟酒精灯的打开；
在所述触摸屏显示器上设有实验品名称设置键，用于设置拟使用的实验品的名称；
在所述触摸屏显示器上设有清零按钮，用于把所有量化参数设置为0；
在所述电子芯片上设置有通讯设备，电子芯片通过通讯设备与位于容器模型外部的计算与显示设备进行通讯；
当用户按压触摸屏显示器上的酒精灯设置键后，在所述计算与显示设备中显示的虚拟容器模型的下方呈现一个点燃的虚拟酒精灯。
每个所述传感器有一个唯一的编号，所述编号从0开始，按照传感器在容器模型的入口边沿的位置顺次连续编号；
所述传感器采用压感传感器、光感传感器、磁感传感器或电感传感器中的一种；
所述用于虚拟实验的容器套件包括固体实验品模型、镊子模型、搅拌模型；
所述固体实验品模型用于模拟固体实验品；
所述镊子模型用于拾取固体实验品模型；
所述搅拌模型用于在容器模型的内腔中进行搅拌。
应用所述用于虚拟实验的容器套件进行实验的方法包括：
(1)在触摸屏显示器上分别设置量化参数和非量化参数；检测固体实验品与液体实验品；识别主动容器模型与被动容器模型；当从主动容器模型往被动容器模型里面倾倒时，主动容器模型要压在被动容器模型的入口边沿上；当用镊子模型往容器模型里放置固体实验品模型时，镊子模型要压在容器模型的入口边沿上；所述量化参数是指触摸屏显示器上能够设置的以下基本参数：温度，浓度，重量，体积；所述非量化参数是指触摸屏显示器上能够设置的以下基本参数：实验品的名称、颜色、材料、形状；
(2)识别用户的搅拌行为、搅拌速度；
(3)识别用户的摇动行为、摇动速度；
(4)建立行为数据库和仿真数据库，所述行为数据库用于存储实验录像，所述仿真数据库用于存储对应实验录像的机理动画；
(5)检索行为数据库，根据用户在触摸屏显示器上设置的参数，在行为数据库中检索出对应这些参数的实验录像；
(6)假设实验录像的序列由M帧图像构成，M帧图像分别为V1,V2,….,VM，则在计算与显示设备上同时呈现该实验录像和对应的机理动画；
(7)虚拟场景中的参数在触摸屏显示器上的显示：在实验过程中，在所述计算与显示设备上呈现实验录像和对应的机理动画，同时，实验中产生的数据通过通讯设备在触摸屏显示器上进行显示；
(8)计算主动容器模型的倾倒速度；
所述步骤(1)中的在触摸屏显示器上分别设置量化参数和非量化参数的操作包括：
2.1采用以下步骤设置量化参数：
2.1.1初始化：如果按压设置在触摸屏显示器上的清零按钮，则把所有量化参数均设置为0；
2.1.2如果检测到被按压区域有触压，且该区域所对应的量化参数为X，则：
X←X+1 (2)
2.1.3计算当前按压与下一次按压之间的等待时间t，判断t>λ是否成立，如果否，则转步骤2.1.2，如果是，则X即为被按压区域所对应的量化参数的设定值；
2.2采用以下步骤设置非量化参数：
2.2.1在触摸屏显示器上设置滚动窗口W和滚动条；
2.2.2将非量化参数的选项放入滚动窗口W内进行显示；
2.2.3当用户滑动滚动条时，非量化参数的选项滚动呈现；
2.2.4当用户触按某非量化参数的选项时，被触按选项对应的非量化参数即被选中；
所述步骤(1)中的检测固体实验品与液体实验品的操作包括：
如果电子芯片检测到有传感器的信号，则进行如下处理：
(A1)统计被激活的传感器的个数M及编号，M≤N，N+1是容器模型上传感器的总个数；所述被激活的传感器是指向电子芯片发送信号的传感器；
(A2)计算被激活的传感器之间的最大距离d：
其中，mod是求模运算算子，Max是求取最大值算子，||.||是绝对值算子符号，i、j为被激活的传感器的编号；
(A3)判断d<μ是否成立，如果是，则判定正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒液体实验品，如果否，则判定正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒固体实验品；μ是一个经验参数；
所述步骤(1)中的识别主动容器模型与被动容器模型的操作包括：
2.3.1如果电子芯片检测到有传感器的信号，则判定该激活的传感器所在的容器模型即为被动容器模型；
2.3.2最近完成触摸屏显示器的设置、且不是被动容器模型的容器模型即为主动容器模型。
所述步骤(2)的操作包括：
3.1当搅拌模型在容器模型的内腔中进行搅拌时，所述搅拌模型与容器模型的底部或内壁接触发出的声音被声音传感器检测到；
3.2计算声音的持续时间t和在该持续时间内的音频最大振幅f，如果
t>τ且f>κ (3)
则判定正在发生搅拌行为，转步骤3.3，其中，τ、κ是经验参数，τ>0、κ>0；
3.4计算搅拌速度v：
v＝αf (4)
其中，α是经验参数，α>0；
3.4在计算与显示设备上，将速度v作为参数控制虚拟搅拌模型的搅拌速度，呈现搅拌动画。
所述步骤(3)的操作包括：
4.1当摇动容器模型时，所述小球与容器模型接触发出的声音被声音传感器检测到；
4.2计算声音的持续时间t1和在该持续时间内的音频最大振幅f1，如果
T1>τ1且f1>κ1 (5)
则判定正在发生摇动行为，转步骤4.3，其中，τ1和κ1是经验参数，τ1>0、κ1>0；
4.3计算摇动速度v1：
v1＝βf1 (6)
其中，β是经验参数，β>0。
所述步骤(4)的操作包括：
首先，以触摸屏显示器上的设置选项作为参数，分别将不同参数条件下的对实验品进行搅拌和摇动行为的真实的实验录像存入行为数据库中；
然后，建立不同参数条件下的机理动画，将所有机理动画存入仿真数据库中。
所述步骤(6)中的呈现该实验录像和对应的机理动画的操作包括：
5.6.1利用公式(4)或(6)计算得到用户的当前实际行为速度U，从行为数据库中得到当前实验录像中的行为速度u；
5.6.2如果U>u，则间隔[U/u]帧重新采样序列V1,V2,….,VM，得到序列V(1),V(2),….,V(k)，其中k＝M([U/u]-1)；
5.6.3如果U<u，则对序列V1,V2,….,VM每帧后面插入[u/U]帧，得到序列V(1),V(2),….,V(k)，其中k＝M([U/u]+1)；利用公式(7)在相邻两帧V(d)与V(d+1)之间插入一个帧图像V(x)：
V(x)＝(V(d)+V(d+1))/2 (7)
公式(7)表示，把V(d)和V(d+1)图像对应位置的像素颜色值分别相加，产生新的像素颜色值；
5.6.4在计算与显示设备上依次显示序列V(1),V(2),….,V(k)。
所述步骤(8)的操作包括：
如果检测到正从主动容器模型往被动容器模型里面倾倒液体实验品，则进行如下处理：
7.1读取并计算被动容器上的传感器的数据的平均值N；
7.2按照下式计算液体的流量Q：
Q＝kN (8)
其中，k是一个经验参数，k>0；
7.3流量的动画控制：
用动画描述从主动容器到被动容器的倾倒过程时，流量Q越小，液体实验品越是沿着容器模型的内壁注入被动容器模型内；流量Q越大，且当流量超过设定的阈值时，液体不经过容器模型的内壁而直接倒入被动容器模型中；
7.5交互：
在实验过程中，用户能够通过触摸屏显示器动态调整、修改参数，并在计算与显示设备上实时呈现不同参数下的实验录像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明可以精准感知用户的操作过程并实时呈现与反馈；而且可以自由改变实验参数，进行不同参数下的科学实验；用虚拟容器模型就可以得到真实的用户体验。
附图说明
图1本发明用于虚拟实验的容器套件的结构示意图；
图2本发明用于虚拟实验的容器套件中的固体实验品模型；
图3本发明用于虚拟实验的容器套件中的镊子模型；
图4本发明用于虚拟实验的容器套件中的搅拌模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，本发明用于虚拟实验的容器套件是在一个容器模型2(容器模型不一定是普通的玻璃试管，可以是由任意材料构成的容器模型(例如，可以是塑料模型))上设置有带编程功能的触摸屏显示器12，在触摸屏显示器12上设有重量设置键3、温度设置键4、体积设置键13、浓度设置键11、酒精灯设置键5，利用这些键可人工设置倒入容器的实验品(固体/液体)的重量、温度、体积、浓度以及其它所需要的实验条件。触摸屏显示器12上设置有实验品名称设置键9，用户可以设置拟使用的实验品。在容器模型2的入口边沿设置有多个压感传感器1。触摸屏显示器12、压感传感器1分别与电子芯片6相连并在二者之间进行信息交换。此外，如图2、图3所示，可以有镊子模型和固体实验品模型。每个压感传感器1有唯一一个编号(从0开始递增编号，即0,1,2,….)，按照压感传感器1在容器模型2的入口边沿的位置顺次连续编号。镊子模型用于拾取固体实验品模型(镊子模型、固体实验品模型以后后面用到的搅拌模型分别是按照实际物体做成相应的模型即可。)。当用户是从一个容器模型往另一个容器里面倾倒时，一个容器模型(本发明将其简称为主动容器模型)要压在另一个容器模型(本发明将其简称为被动容器模型)的入口边沿上；当用户用镊子模型往容器模型里放置固体实验品模型时，镊子要压住容器模型的入口边沿上。电子芯片6上设置通讯设备，电子芯片6通过通讯设备与计算与显示设备进行通讯。当用户按压酒精灯设置5后，在计算与显示设备上，在虚拟容器模型之下呈现一个点燃的虚拟酒精灯。
在容器模型2的底部或侧面设置声音传感器7，声音传感器7与电子芯片6相连。在声音传感器7附近设置可以自由运动的小球8。电子芯片6上放置本发明的核心算法。
压感传感器1也可以更换为其它任何可以感知镊子或物体接触的传感器。例如，可以采用光感传感器、磁感传感器、电感传感器等。
应用上述用于虚拟实验的容器套件进行实验的方法如下：
1.固体实验品与液体实验品的感知算法：
如果电子芯片检测到有压感传感器信号，则：
1.1计算被激活的传感器(即有压感数据传输到电子芯片的传感器)的个数M(M≤N)及编号i。其中，N+1是容器模型上压感传感器的总个数；
1.2计算被激活的传感器之间的最大距离d：
其中，mod是求模运算算子，Max是求取最大值算子，||.||是绝对值算子符号。
1.3如果d<μ(μ是一个经验参数，用镊子把固体实验品倒入另一个容器所激活的压感传感器个数与从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒液体实验品所激活的压感传感器个数是不同的，用参数μ就可以区分它们)，则表示当前用户正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒液体实验品；否则，表示当前用户正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒固体实验品。
2.触摸屏显示器的设置方法
2.1对于量化参数(量化参数是指触摸屏显示器上用户可以设置的基本参数，包括但不限于：温度，浓度，重量，体积等。)的设置，采用以下方法：
2.1.1初始化。如果用户按压设置在触摸屏显示器12上的清零按钮10，则把所有量化参数设置为0；
2.1.2如果检测到按压位置区域Ω(即每一个按键的区域)有触压且该区域所对应的量化参数为X，则：
X←X+1 (2)
公式(2)表示将X+1的值赋予X，即X＝X+1；
2.1.3计算当前按压与下一次按压之间的等待时间t，如果t>λ(即如果等待时间大于λ，则下一次按压不再增加参数的值了)，则X即为所触摸区域所对应的量化参数的设定值；否则，转步骤2.1.2。
2.2对于非量化参数(非量化参数是指触摸屏显示器上用户可以设置的基本参数，包括但不限于：实验品的名称、颜色、材料、形状等。)的设置，采用以下方法：
2.2.1在触摸屏显示器12上设置滚动窗口W和滚动条；
2.2.2将非量化参数的选项放入W内显示；
2.2.3当用户滑动滚动条时，非量化参数的选项滚动呈现；
2.2.4当用户触按某选项时，被触按选项即被选中。
2.3主动容器模型与被动容器模型的识别算法：
2.3.1识别被激活的压感传感器，该压感传感器所在的容器模型即为被动容器模型。主动容器模型的压感传感器不会被激活，这是因为主动容器模型是用容器的侧壁去压住被动容器模型杯口上的压感传感器。即，在倾倒的过程中，主动容器模型杯口上的压感传感器不会产生压感；
2.3.2最近完成触摸屏显示器的设置、且不是被动容器模型的容器模型即为主动容器模型。
3.用户搅拌行为与搅拌速度的识别方法：
3.1当搅拌模型(如图4所示)在容器模型内部搅拌时，它与容器模型的底部或内壁接触发出的声音被声音传感器感知；
3.2计算声音的持续时间t和在该持续时间内的音频最大振幅f，如果
t>τ且f>κ (3)
则用户正在发生搅拌行为，转步骤3.3。其中，τ(>0)和κ(>0)是经验参数。
3.3计算搅拌速度v：
v＝αf (4)
其中，α(>0)是经验参数。
3.4在计算与显示设备上，速度v作为参数控制虚拟搅拌模型的搅拌速度，呈现搅拌动画。
4.用户摇动容器模型的识别算法
4.1当用户摇动容器模型时，小球与容器模型内壁接触发出的声音被声音传感器感知；
4.2计算声音的持续时间t1和在该持续时间内的音频最大振幅f1，如果
T1>τ1且f1>κ1 (5)
则用户正在发生摇动行为，转步骤4.3。其中，τ1(>0)和κ1(>0)是经验参数。
4.3计算摇动速度v1：
v1＝βf1 (6)
其中，β(>0)是经验参数。
5.容器套件的使用步骤
5.1在“触摸屏显示器”上分别设置实验品名称、体积等；
5.2感知用户行为。通过调用“用户搅拌行为与搅拌速度的识别方法”模块，识别“搅拌”与“摇动”两个行为；通过公式(4)或(6)得到“搅拌”或“摇动”的速度；
5.3建立行为数据库。首先，以“触摸屏显示器”上的设置选项作为参数，分别将不同条件下的实验品搅拌和“摇动”行为的真实实验录像放入行为数据库；
5.4用动画方法建立各参数条件下的机理演示，得到仿真数据库(机理动画)；
步骤5.3和5.4是提前准备好的，以后的每次实验中不需要重新建立这两个库了。
5.5检索行为数据库。根据用户在“触摸屏显示器”上的设置，在行为数据库中检索出实验录像；
5.6假设原始录像序列由M个帧图像V1,V2,….,VM所构成，在屏幕上同时再呈现该实验录像和对应的机理动画，再呈现录像(再呈现动画的方法与之相同)的具体方法如下：
5.6.1利用公式(4)或(6)计算得到用户的当前实际行为速度U，从行为数据库中得到当前录像中的行为速度u；
5.6.2如果U>u(其中，U为用户的当前实际行为速度，其值按照公式(4)或(6)计算；u是当前录像中的行为速度，其值从数据库中可以得到)，则间隔[U/u]([.]表示取整数)帧重新采样序列V1,V2,….,VM，得到序列V(1),V(2),….,V(k)，其中k＝M([U/u]-1)；
5.6.3如果U<u，则对序列V1,V2,….,VM每帧后面插入[u/U]帧，得到序列V(1),V(2),….,V(k)，其中k＝M([U/u]+1)。在相邻两帧V(d)与V(d+1)之间插入一个帧图像V(x)的方法为：
V(x)＝(V(d)+V(d+1))/2 (7)
上式表示，把V(d)和V(d+1)图像对应位置的像素颜色值分别相加，产生新的像素颜色值。
5.6.4在计算与显示设备上依次显示序列V(1),V(2),….,V(k)。
6.虚拟场景中参数在触摸屏显示器上的显示。
用户在实验过程中，计算与显示设备上呈现用户的实验过程、结果与机理，同时，实验中产生的部分关键数据也将通过通讯设备在触摸屏显示器上进行显示。例如，可以显示化学反映之后的温度、浓度、生成新物质的名称等基本信息。
7主动容器模型倾倒速度算法
如果检测出当前用户正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒液体实验品，则：
7.1读取并计算被动容器上压感的平均值N；
7.2按照下式计算液体的流量Q：
Q＝kN (8)
其中，k(k>0)是一个经验参数。如果比较微小的压力也可以反映出显著的流量改变，则k可以取较大的值。
7.3流量的动画控制：
用动画描述从主动容器到被动容器的倾倒过程时，Q越小，液体越是沿着器壁注入被动容器，流量也小；反之，流量越大，且当流量大到一定程度时，液体不经过器壁而直接倒入被动容器中。即：用户通过传感器值调控倾倒流量。
7.6交互
在化学实验的反应过程中，用户可以通过触摸屏显示器动态调整、修改参数，并实时呈现不同参数下的实验现象。例如，在实验过程中，可以不断升高温度或增加试验品的体积等，观察到新的实验现象。
本发明的一个实施案例如下：
以塑料为材料制作容器模型，在其侧面设置一个触摸显示屏，显示屏上面构建以下设置按钮：实验材料名称、重量、浓度、温度；设置一个温度传感器。在容器模型底部分别设置声音传感器和FPGA电子芯片；在声音传感器附近设置一个小空间(在容器模型底部隔离出一个封闭空间，让小铁球在该封闭空间内自由运动)，里面放置一个小铁球，小铁球可以在该空间内自由滚动而不会与其它传感器或电子芯片碰撞。触摸显示屏受电子芯片控制，所有传感器的输入传到电子芯片。电子芯片上放置本发明核心算法。电子芯片通过蓝牙通讯设备与计算与显示设备相连，计算与显示设备可以呈现实验过程与结果。
用户首先在容器模型A中设置浓硫酸，在容器模型B中设置水。用户用右手拿起容器模型B将杯壁自然压上模型A的口，同时左手拿起搅拌模型搅拌。计算与显示设备上将真实的实验录像与机理仿真相叠加进行虚实融合呈现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种用于虚拟实验的容器套件，其特征在于：所述用于虚拟实验的容器套件包括：容器模型，在所述容器模型的外壁上设置有触摸屏显示器、电子芯片；
在所述容器模型的入口边沿设置有多个传感器；
所述触摸屏显示器、传感器分别与电子芯片连接；
在所述容器模型的底部或侧面设置有声音传感器，所述声音传感器与电子芯片连接；
在所述容器模型的底部隔离出一个封闭的空间，所述封闭的空间位于所述声音传感器的一侧；
在所述封闭的空间内设置有小球；所述小球能够在所述封闭的空间内自由运动。
2.根据权利要求1所述的用于虚拟实验的容器套件，其特征在于：在所述触摸屏显示器上设有重量设置键、温度设置键、体积设置键、浓度设置键、酒精灯设置键，分别用于设置倒入容器模型的实验品的重量、温度、体积、浓度、虚拟酒精灯的打开；
在所述触摸屏显示器上设有实验品名称设置键，用于设置拟使用的实验品的名称；
在所述触摸屏显示器上设有清零按钮，用于把所有量化参数设置为0；
在所述电子芯片上设置有通讯设备，电子芯片通过通讯设备与位于容器模型外部的计算与显示设备进行通讯；
当用户按压触摸屏显示器上的酒精灯设置键后，在所述计算与显示设备中显示的虚拟容器模型的下方呈现一个点燃的虚拟酒精灯。
3.根据权利要求2所述的用于虚拟实验的容器套件，其特征在于：每个所述传感器有一个唯一的编号，所述编号从0开始，按照传感器在容器模型的入口边沿的位置顺次连续编号；
所述传感器采用压感传感器、光感传感器、磁感传感器或电感传感器中的一种；
所述用于虚拟实验的容器套件包括固体实验品模型、镊子模型、搅拌模型；
所述固体实验品模型用于模拟固体实验品；
所述镊子模型用于拾取固体实验品模型；
所述搅拌模型用于在容器模型的内腔中进行搅拌。
4.应用权利要求1-3任一所述用于虚拟实验的容器套件进行实验的方法，其特征在于：所述方法包括：
(1)在触摸屏显示器上分别设置量化参数和非量化参数；检测固体实验品与液体实验品；识别主动容器模型与被动容器模型；当从主动容器模型往被动容器模型里面倾倒时，主动容器模型要压在被动容器模型的入口边沿上；当用镊子模型往容器模型里放置固体实验品模型时，镊子模型要压在容器模型的入口边沿上；所述量化参数是指触摸屏显示器上能够设置的以下基本参数：温度，浓度，重量，体积；所述非量化参数是指触摸屏显示器上能够设置的以下基本参数：实验品的名称、颜色、材料、形状；
(2)识别用户的搅拌行为、搅拌速度；
(3)识别用户的摇动行为、摇动速度；
(4)建立行为数据库和仿真数据库，所述行为数据库用于存储实验录像，所述仿真数据库用于存储对应实验录像的机理动画；
(5)检索行为数据库，根据用户在触摸屏显示器上设置的参数，在行为数据库中检索出对应这些参数的实验录像；
(6)假设实验录像的序列由M帧图像构成，M帧图像分别为V1,V2,….,VM，则在计算与显示设备上同时呈现该实验录像和对应的机理动画；
(7)虚拟场景中的参数在触摸屏显示器上的显示：在实验过程中，在所述计算与显示设备上呈现实验录像和对应的机理动画，同时，实验中产生的数据通过通讯设备在触摸屏显示器上进行显示；
(8)计算主动容器模型的倾倒速度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的在触摸屏显示器上分别设置量化参数和非量化参数的操作包括：
2.1采用以下步骤设置量化参数：
2.1.1初始化：如果按压设置在触摸屏显示器上的清零按钮，则把所有量化参数均设置为0；
2.1.2如果检测到被按压区域有触压，且该区域所对应的量化参数为X，则：
X←X+1 (2)
2.1.3计算当前按压与下一次按压之间的等待时间t，判断t>λ是否成立，如果否，则转步骤2.1.2，如果是，则X即为被按压区域所对应的量化参数的设定值；
2.2采用以下步骤设置非量化参数：
2.2.1在触摸屏显示器上设置滚动窗口W和滚动条；
2.2.2将非量化参数的选项放入滚动窗口W内进行显示；
2.2.3当用户滑动滚动条时，非量化参数的选项滚动呈现；
2.2.4当用户触按某非量化参数的选项时，被触按选项对应的非量化参数即被选中；
所述步骤(1)中的检测固体实验品与液体实验品的操作包括：
如果电子芯片检测到有传感器的信号，则进行如下处理：
(A1)统计被激活的传感器的个数M及编号，M≤N，N+1是容器模型上传感器的总个数；所述被激活的传感器是指向电子芯片发送信号的传感器；
(A2)计算被激活的传感器之间的最大距离d：
其中，mod是求模运算算子，Max是求取最大值算子，||.||是绝对值算子符号，i、j为被激活的传感器的编号；
(A3)判断d<μ是否成立，如果是，则判定正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒液体实验品，如果否，则判定正从一个容器模型往另一个容器模型里面倾倒固体实验品；μ是一个经验参数；
所述步骤(1)中的识别主动容器模型与被动容器模型的操作包括：
2.3.1如果电子芯片检测到有传感器的信号，则判定该激活的传感器所在的容器模型即为被动容器模型；
2.3.2最近完成触摸屏显示器的设置、且不是被动容器模型的容器模型即为主动容器模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)的操作包括：
3.1当搅拌模型在容器模型的内腔中进行搅拌时，所述搅拌模型与容器模型的底部或内壁接触发出的声音被声音传感器检测到；
3.2计算声音的持续时间t和在该持续时间内的音频最大振幅f，如果
t>τ且f>κ (3)
则判定正在发生搅拌行为，转步骤3.3，其中，τ、κ是经验参数，τ>0、κ>0；
3.3计算搅拌速度v：
v＝αf (4)
其中，α是经验参数，α>0；
3.4在计算与显示设备上，将速度v作为参数控制虚拟搅拌模型的搅拌速度，呈现搅拌动画。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)的操作包括：
4.1当摇动容器模型时，所述小球与容器模型接触发出的声音被声音传感器检测到；
4.2计算声音的持续时间t1和在该持续时间内的音频最大振幅f1，如果
T1>τ1且f1>κ1 (5)
则判定正在发生摇动行为，转步骤4.3，其中，τ1和κ1是经验参数，τ1>0、κ1>0；
4.3计算摇动速度v1：
v1＝βf1 (6)
其中，β是经验参数，β>0。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)的操作包括：
首先，以触摸屏显示器上的设置选项作为参数，分别将不同参数条件下的对实验品进行搅拌和摇动行为的真实的实验录像存入行为数据库中；
然后，建立不同参数条件下的机理动画，将所有机理动画存入仿真数据库中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤(6)中的呈现该实验录像和对应的机理动画的操作包括：
5.6.1利用公式(4)或(6)计算得到用户的当前实际行为速度U，从行为数据库中得到当前实验录像中的行为速度u；
5.6.2如果U>u，则间隔[U/u]帧重新采样序列V1,V2,….,VM，得到序列V(1),V(2),….,V(k)，其中k＝M([U/u]-1)；
5.6.3如果U<u，则对序列V1,V2,….,VM每帧后面插入[u/U]帧，得到序列V(1),V(2),….,V(k)，其中k＝M([U/u]+1)；利用公式(7)在相邻两帧V(d)与V(d+1)之间插入一个帧图像V(x)：
V(x)＝(V(d)+V(d+1))/2 (7)
公式(7)表示，把V(d)和V(d+1)图像对应位置的像素颜色值分别相加，产生新的像素颜色值；
5.6.4在计算与显示设备上依次显示序列V(1),V(2),….,V(k)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤(8)的操作包括：
如果检测到正从主动容器模型往被动容器模型里面倾倒液体实验品，则进行如下处理：
7.1读取并计算被动容器上的传感器的数据的平均值N；
7.2按照下式计算液体的流量Q：
Q＝kN (8)
其中，k是一个经验参数，k>0；
7.3流量的动画控制：
用动画描述从主动容器到被动容器的倾倒过程时，流量Q越小，液体实验品越是沿着容器模型的内壁注入被动容器模型内；流量Q越大，且当流量超过设定的阈值时，液体不经过容器模型的内壁而直接倒入被动容器模型中；
7.4交互：
在实验过程中，用户能够通过触摸屏显示器动态调整、修改参数，并在显示器上实时呈现不同参数下的实验录像。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110309570A (zh) * 2019-06-21 2019-10-08 济南大学 一种具有认知能力的多模态仿真实验容器及方法

Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1439149A (zh) * 2000-04-26 2003-08-27 巴黎大学－丹尼斯·迪德罗特第七分校 用于牙科学的虚拟现实训练系统和方法
CN101042822A (zh) * 2006-09-18 2007-09-26 东莞市步步高教育电子产品有限公司 手持式虚拟实验室系统及其实现方法
EP1618905B1 (en) * 2000-10-09 2010-05-05 Levtech Inc. Systems using a levitating, rotating, pumping or mixing element and related methods
KR20120063133A (ko) * 2010-12-07 2012-06-15 하인크코리아(주) 가상 실험 학습 장치 및 그 방법
CN102508991A (zh) * 2011-09-30 2012-06-20 北京航空航天大学 一种基于图像素材的虚拟实验教学场景的构建方法
CN102592484A (zh) * 2010-11-16 2012-07-18 韩国电子通信研究院 用于基于虚拟现实的训练模拟器的可重配置平台管理设备
CN103021206A (zh) * 2013-01-16 2013-04-03 东北大学 一种tbm虚拟装配系统
CN104285142A (zh) * 2012-04-25 2015-01-14 Atonarp株式会社 内容提供系统
CN104282211A (zh) * 2013-07-01 2015-01-14 张耀 数字化化学探究实验系统
US9039504B2 (en) * 2009-10-23 2015-05-26 California Institute Of Technology Games having biotechnological content
CN105190724A (zh) * 2013-03-11 2015-12-23 林肯环球股份有限公司 在虚拟现实环境中提供增强的教学和训练的系统和方法
CN105702098A (zh) * 2016-04-22 2016-06-22 广东小天才科技有限公司 一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统
CN107025830A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 北京新唐思创教育科技有限公司 一种教学实验的模拟方法及装置
CN107066082A (zh) * 2016-12-30 2017-08-18 百度在线网络技术（北京）有限公司 显示方法和装置
CN206594921U (zh) * 2017-01-23 2017-10-27 重庆师范大学 一种教学演示用实验仪器
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
CN108230803A (zh) * 2017-12-20 2018-06-29 上海工程技术大学 一种基于人工智能的物联网实验装置
CN207709072U (zh) * 2017-08-30 2018-08-10 厦门兰特科技有限公司 一种基于虚拟现实教育的滴管

Patent Citations (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1439149A (zh) * 2000-04-26 2003-08-27 巴黎大学－丹尼斯·迪德罗特第七分校 用于牙科学的虚拟现实训练系统和方法
EP1618905B1 (en) * 2000-10-09 2010-05-05 Levtech Inc. Systems using a levitating, rotating, pumping or mixing element and related methods
CN101042822A (zh) * 2006-09-18 2007-09-26 东莞市步步高教育电子产品有限公司 手持式虚拟实验室系统及其实现方法
US9039504B2 (en) * 2009-10-23 2015-05-26 California Institute Of Technology Games having biotechnological content
CN102592484A (zh) * 2010-11-16 2012-07-18 韩国电子通信研究院 用于基于虚拟现实的训练模拟器的可重配置平台管理设备
KR20120063133A (ko) * 2010-12-07 2012-06-15 하인크코리아(주) 가상 실험 학습 장치 및 그 방법
CN102508991A (zh) * 2011-09-30 2012-06-20 北京航空航天大学 一种基于图像素材的虚拟实验教学场景的构建方法
CN104285142A (zh) * 2012-04-25 2015-01-14 Atonarp株式会社 内容提供系统
CN103021206A (zh) * 2013-01-16 2013-04-03 东北大学 一种tbm虚拟装配系统
CN105190724A (zh) * 2013-03-11 2015-12-23 林肯环球股份有限公司 在虚拟现实环境中提供增强的教学和训练的系统和方法
CN104282211A (zh) * 2013-07-01 2015-01-14 张耀 数字化化学探究实验系统
CN107025830A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 北京新唐思创教育科技有限公司 一种教学实验的模拟方法及装置
CN105702098A (zh) * 2016-04-22 2016-06-22 广东小天才科技有限公司 一种基于虚拟现实的化学实验方法、装置及系统
CN107066082A (zh) * 2016-12-30 2017-08-18 百度在线网络技术（北京）有限公司 显示方法和装置
CN206594921U (zh) * 2017-01-23 2017-10-27 重庆师范大学 一种教学演示用实验仪器
CN207709072U (zh) * 2017-08-30 2018-08-10 厦门兰特科技有限公司 一种基于虚拟现实教育的滴管
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
CN108230803A (zh) * 2017-12-20 2018-06-29 上海工程技术大学 一种基于人工智能的物联网实验装置

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
任腾菲: "融合传统实验与数字实验优化中学化学实验教学", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 社会科学Ⅱ辑》 *
朱亚辉: "虚拟现实技术在化学实验教学中的应用研究", 《计算机时代》 *
龚成斌: "化学化工虚拟仿真实验中心建设与实践", 《实验技术与管理》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110309570A (zh) * 2019-06-21 2019-10-08 济南大学 一种具有认知能力的多模态仿真实验容器及方法
CN110309570B (zh) * 2019-06-21 2022-11-04 济南大学 一种具有认知能力的多模态仿真实验容器及方法

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