CN112162640B - 晶体显示方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种晶体显示方法及系统包括获取分子的空间结构；获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标；获取晶胞的基矢、基矢夹角、空间群，分子沿基矢方向上的重复排列次数；计算按周期性和对称性重复的分子位置进行展胞；获取展胞的分子相对给定分子的相对位置，建立晶胞坐标系，获取原子在晶胞坐标系中的坐标；变换晶胞坐标系与虚拟坐标系重合，将原子的坐标转换到虚拟坐标系中的坐标；按照原子元素、原子间的键连方式和虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成虚拟场景，传输给AR眼镜，AR眼镜投射的虚拟场景与透过镜片看到的真实场景叠加；上述方法及系统结合了实际的分子积木和虚拟现实显示技术，可直接操作真实的实物，并能直观看到空间中的三维结构。

Description

晶体显示方法及系统

技术领域

本发明涉及晶体展示，特别涉及一种晶体显示方法及系统。

背景技术

当前晶体的可视化和人机交互的技术主要是通过电脑、平板电脑或手机的显示器展示3维立体结构，并通过鼠标、键盘或触摸屏进行交互。

在教学中，有时会用到球棍积木来拼接成晶体的3维立体结构，以更直观的示意其微观结构。

从微观层面看，晶体是一个或多个分子在空间中的有规律的排列。如果我们需要直观的展示其排列的规律，就需要在全空间中对一个或多个分子组成的最小非对称单元按其对称的规律重复显示，在晶体学中将这个过程称之为“展胞”，即将晶胞和晶胞中的非对称单元的一个或多个分子按对称规律重复展开。

通过电脑进行晶体的可视化显示和交互的方式，可以方便的进行展胞的操作和显示，但其显示是局限在2D的屏幕中的，无法获得真实三维空间的交互体验。

而用实体球棍积木的方式拼接成晶体的3维立体结构，虽然能获得真实三维空间的交互体验，但如果要进行展胞操作是非常低效且不实际的。比如，如果要将一个晶胞中的非对称单元的一个或多个分子在3维空间x，y，z方向分别重复100次的展胞操作，我们就需要100万套组成非对称单元的球棍积木，而且要将这些积木手动拼接起来，这显然是不现实的。

发明内容

基于此，有必要提供一种可提高体验性能的晶体显示方法。

同时，提供一种可提高体验性能的晶体交互系统。

一种晶体显示方法，包括：

获取空间结构：读取虚拟分子结构的文件数据，获取分子的空间结构；

获取积木绝对坐标：获取分子积木的控制插座模块在虚拟坐标系中的绝对坐标，根据控制插座模块的绝对坐标及分子空间结构获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标；

晶体展胞：获取晶胞的基矢a、基矢b、基矢c、基矢夹角α、基矢夹角β、基矢夹角γ、空间群，晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3；根据晶胞的基矢a、b、c、基矢夹角α、β、γ、空间群、晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3计算按周期性和对称性重复的分子位置，从而进行展胞，展开后的全部分子的集合形成超胞；

获取原子坐标：获取展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，将晶胞的三个基矢的交点设为原点，选择基矢a的方向为W轴，基矢a、b所在的平面通过原点垂直于基矢a的方向为R轴，通过原点垂直于基矢a、b所在平面的方向为T轴，建立晶胞坐标系，根据获取的分子的相对位置获取晶体在展开的超胞范围内的所有原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；

坐标转换：将晶胞坐标系变换与虚拟坐标系重合，将原子的晶胞坐标转换到虚拟坐标系中的位置坐标；

显示：将超胞范围内的原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子在虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成现实的虚拟场景，控制传输给AR眼镜显示，AR眼镜投射的虚拟场景与透过AR眼镜的镜片看到的真实场景叠加，分子积木搭建的分子与虚拟分子重合。

在优选的实施例中，所述获取原子坐标包括：获取分子的质心位置、分子的朝向矢量、分别与晶胞坐标系的三坐标轴之间的夹角θ1、θ2、θ3；分子中每个原子以其中一个原子为原点形成的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量进行平移变换，再对每个原子按夹角θ1、θ2、θ3做旋转变换，获取每个原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；获取晶体的空间群，对原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，得到原子经过对称变换的坐标，对原子按照重复排列次数t1、t2、t3在晶胞坐标系的三个轴向上进行平移变换，得到晶体在展开的超胞范围内所有原子的晶胞坐标。

在优选的实施例中，所述坐标转换包括：将虚拟坐标系的原点与晶胞坐标系的原点重合，虚拟坐标系的X轴与晶胞坐标系的W轴重合，虚拟坐标系的Y轴与晶胞坐标系的R轴重合，虚拟坐标系的Z轴与晶胞坐标系的T轴重合，沿虚拟坐标系的分子质心与晶胞坐标系的晶体初始分子质心之间的矢量对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行平移变换，按虚拟坐标系中分子内最远距离的原子之间的矢量方向和晶胞坐标系中晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行旋转变换，得到晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内的所有原子在虚拟坐标系中的位置坐标。

在优选的实施例中，还包括实时更新：若检测到分子积木移动或搭建的分子结构改变，则实时获取当前分子积木搭建的分子结构、位置，AR眼镜实时获取分子积木在虚拟坐标系中的位置，控制实时渲染当前晶体在展开的超胞范围内的虚拟场景，并控制通过AR眼镜投射；所述分子积木还包括原子球模块、分子键模块，所述控制插座模块包括：插座本体、及设置在所述插座本体上的插座连接器，所述原子球模块包括：原子球本体、及设置在原子球本体上并与所述插座连接器配合的原子球连接器，所述原子球模块上设置有多个所述原子球连接器，所述分子键模块包括：常规分子键模块、与柔性分子键模块，所述常规分子键模块包括：单键模块、双键模块、三键模块，所述单键模块或双键模块或三键模块包括：常规分子键键体、及设置在所述常规分子键键体端部并与原子球连接器配合的常规分子键连接器，所述柔性分子键模块：柔性分子键键体、及设置在所述柔性分子键键体端部并与所述原子球连接器配合设置的柔性分子键连接器；所述显示步骤中，将不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形，根据分子键的类型在两个原子之间圆柱体的分子键，圆柱体的分子键两端连接两原子，单键渲染成一个圆柱体，双键渲染成两个圆柱体，三键渲染成三个圆柱体。

在优选的实施例中，所述分子积木上设置有与AR眼镜通信的通信发生器，所述AR眼镜上设置有与所述通信发生器通信的通信接收器，所述通信接收器包括：设置在所述AR眼镜的两镜片中心的连接架上的第一通信接收器、分别设置在所述AR眼镜的两镜腿上且对称设置的第二通信接收器、第三通信接收器，所述第二通信接收器与第三通信接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一通信接收器且垂直相交于X轴的直线形成Y轴，X轴与Y轴的交点形成虚拟坐标系的虚拟原点，垂直于X-Y轴所在平面，且通过虚拟原点的直线为Z轴。

在优选的实施例中，所述通信发生器设置在控制插座模块上，所述通信发生器为超声波发生器，所述通信接收器为超声波接收器，所述超声波发生器内置电子时钟，以设定时间为一个发生位进行超声波编码；所述通信接收器内置时钟，将接收的超声波转换为电信号传输给处理器按设定时间一个单位反向解码，如果在设定时间内有设定信号，解码为1，若设定时间内没有接收到设定信号，解码为0；根据当前超声波接收器的时钟时刻减去发出的时钟时刻，加上完成编码发生时间，得到声波在空中传输的时间，该时间乘以声速得到超声发生器与超声接收器之间的距离。

一种晶体显示系统，其特征在于，包括：交互控制系统、与所述交互控制系统通信连接的分子积木、及与分子积木及交互控制系统通信连接的AR眼镜，所述交互控制系统包括：

获取空间结构模块：读取虚拟分子结构的文件数据，获取分子的空间结构；

获取积木绝对坐标模块：获取分子积木的控制插座模块在虚拟坐标系中的绝对坐标，根据控制插座模块的绝对坐标及分子空间结构获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标；

晶体展胞模块：获取晶胞的基矢a、基矢b、基矢c、基矢夹角α、基矢夹角β、基矢夹角γ、空间群，晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3；根据晶胞的基矢a、b、c、基矢夹角α、β、γ、空间群、晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3计算按周期性和对称性重复的分子位置，从而进行展胞，展开后的全部分子的集合形成超胞；

获取原子坐标模块：获取展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，将晶胞的三个基矢的交点设为原点，选择基矢a的方向为W轴，基矢a、b所在的平面通过原点垂直于基矢a的方向为R轴，通过原点垂直于基矢a、b所在平面的方向为T轴，建立晶胞坐标系，根据获取的分子的相对位置获取晶体在展开的超胞范围内的所有原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；

坐标转换模块：将晶胞坐标系变换与虚拟坐标系重合，将原子的晶胞坐标转换到虚拟坐标系中的位置坐标；

显示模块：将超胞范围内的原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子在虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成现实的虚拟场景，控制传输给AR眼镜显示，AR眼镜投射的虚拟场景与透过AR眼镜的镜片看到的真实场景叠加，分子积木搭建的分子与虚拟分子重合。

在优选的实施例中，所述获取原子坐标模块还包括：获取分子的质心位置、分子的朝向矢量、分别与晶胞坐标系的三坐标轴之间的夹角θ1、θ2、θ3；分子中每个原子以其中一个原子为原点形成的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量进行平移变换，再对每个原子按夹角θ1、θ2、θ3做旋转变换，获取每个原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；获取晶体的空间群，对原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，得到原子经过对称变换的坐标，对原子按照重复排列次数t1、t2、t3在晶胞坐标系的三个轴向上进行平移变换，得到晶体在展开的超胞范围内所有原子的晶胞坐标；所述坐标转换模块还包括：将虚拟坐标系的原点与晶胞坐标系的原点重合，虚拟坐标系的X轴与晶胞坐标系的W轴重合，虚拟坐标系的Y轴与晶胞坐标系的R轴重合，虚拟坐标系的Z轴与晶胞坐标系的T轴重合，沿虚拟坐标系的分子质心与晶胞坐标系的晶体初始分子质心之间的矢量对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行平移变换，按虚拟坐标系中分子内最远距离的原子之间的矢量方向和晶胞坐标系中晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行旋转变换，得到晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内的所有原子在虚拟坐标系中的位置坐标。

在优选的实施例中，还包括实时更新模块：若检测到分子积木移动或搭建的分子结构改变，则实时获取当前分子积木搭建的分子结构、位置，AR眼镜实时获取分子积木在虚拟坐标系中的位置，控制实时渲染当前晶体在展开的超胞范围内的虚拟场景，并控制通过AR眼镜投射；所述分子积木还包括原子球模块、分子键模块，所述控制插座模块包括：插座本体、及设置在所述插座本体上的插座连接器，所述原子球模块包括：原子球本体、及设置在原子球本体上并与所述插座连接器配合的原子球连接器，所述原子球模块上设置有多个所述原子球连接器，所述分子键模块包括：常规分子键模块、与柔性分子键模块，所述常规分子键模块包括：单键模块、双键模块、三键模块，所述单键模块或双键模块或三键模块包括：常规分子键键体、及设置在所述常规分子键键体端部并与原子球连接器配合的常规分子键连接器，所述柔性分子键模块：柔性分子键键体、及设置在所述柔性分子键键体端部并与所述原子球连接器配合设置的柔性分子键连接器；所述显示模块还包括：将不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形，根据分子键的类型在两个原子之间圆柱体的分子键，圆柱体的分子键两端连接两原子，单键渲染成一个圆柱体，双键渲染成两个圆柱体，三键渲染成三个圆柱体。

在优选的实施例中，所述分子积木上设置有与AR眼镜通信的通信发生器，所述AR眼镜上设置有与所述通信发生器通信的通信接收器，所述通信接收器包括：设置在所述AR眼镜的两镜片中心的连接架上的第一通信接收器、分别设置在所述AR眼镜的两镜腿上且对称设置的第二通信接收器、第三通信接收器，所述第二通信接收器与第三通信接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一通信接收器且垂直相交于X轴的直线形成Y轴，X轴与Y轴的交点形成虚拟坐标系的虚拟原点，垂直于X-Y轴所在平面且通过虚拟原点的直线为Z轴；所述通信发生器设置在控制插座模块上。

上述晶体显示方法及系统结合了实际的分子积木和虚拟现实显示技术，可以让使用者直接操作真实世界的实物，并能直观的看到其在空间中形成规则排列的晶体的三维结构。克服了单纯靠积木无法方便的展示其大量规则排列的效果，也克服了直接在电脑中看平面的虚拟效果，无法直观的在真实世界中感受其3维空间效果的问题，提高晶体展示的体验性。

另分子积木的分子键模块包括：常规分子键模块、与柔性分子键模块，通过设置柔性分子键模块支持分子内柔性分子键角度的精确数字化度量，分子模型内部各原子球模块和分子键模块之间的通信，同时，也通过控制插座模块实现了分子模型和交互系统之间的交互通信，分子模型和交互系统中的虚拟模型就实现了数字孪生，使用者操作实体模型时，交互系统中就会实时进行模拟，并支持分子能量的计算；使用者可以通过这套积木精确操作分子结构，并实时在软件中得到反馈，极大的提升了研发和教学的质量和效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的晶体显示方法的部分流程图；

图2为本发明一实施例的AR眼镜的部分结构示意图；

图3为本发明一实施例的分子积木的控制插座模块的部分结构示意图；

图4为本发明一实施例的分子积木的原子球模块的部分结构示意图；

图5为本发明一实施例的分子积木的常规分子键模块的部分结构示意图；

图6为本发明一实施例的分子积木的柔性分子键模块的部分结构示意图。

具体实施方式

如图1至图2所示，本发明一实施例的晶体显示方法，包括：

步骤S101，获取空间结构：读取虚拟分子结构的文件数据，获取分子的空间结构；

步骤S103，获取积木绝对坐标：获取分子积木的控制插座模块在虚拟坐标系中的绝对坐标，根据控制插座模块的绝对坐标及分子空间结构获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标；

步骤S105，晶体展胞：获取晶胞的基矢a、基矢b、基矢c、基矢夹角α、基矢夹角β、基矢夹角γ、空间群，晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3；根据晶胞的基矢a、b、c、基矢夹角α、β、γ、空间群、晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3计算按周期性和对称性重复的分子位置，从而进行展胞，展开后的全部分子的集合形成超胞；

步骤S107，获取原子坐标：获取展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，将晶胞的三个基矢的交点设为原点，选择基矢a的方向为W轴，基矢a、b所在的平面通过原点垂直于基矢a的方向为R轴，通过原点垂直于基矢a、b所在平面的方向为T轴，建立晶胞坐标系，根据获取的分子的相对位置获取晶体在展开的超胞范围内的所有原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；

步骤S109，坐标转换：将晶胞坐标系变换与虚拟坐标系重合，将原子的晶胞坐标转换到虚拟坐标系中的位置坐标；

步骤S111，显示：将超胞范围内的原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子在虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成现实的虚拟场景，控制传输给AR眼镜70显示，AR眼镜70投射的虚拟场景与透过AR眼镜70的镜片看到的真实场景叠加，分子积木搭建的分子与虚拟分子重合。

本实施例的步骤S101，获取空间结构，获取分子的空间结构和在空间的绝对位置。交互控制系统可以通过读取分子积木软件模块中虚拟分子结构的CIF文件数据，来直接获得分子的空间结构。将超声波发生器连接在分子积木的控制插座上，然后通过安装在AR眼镜上的多个超声波接收器，可以获得控制插座在虚拟坐标系中的坐标，从而可以得到整个分子在空间中的绝对坐标。

晶体是分子按一定的周期性和对称性规律，在空间中有序排列形成的固体形态。结晶学中通常将最小的重复单元称为晶胞。晶胞的边在晶体晶轴的方向上，边长为该方向上的一个周期长度。在空间中，晶胞交汇在同一顶点的三个边的矢量(a，b，c)，称为晶胞的基失，三个基失间的夹角(α，β，γ)称为晶胞角度参数。晶胞和晶胞内的分子沿三个基失重复排列，就形成了空间的晶体结构。在显示微观晶体结构时，不可能显示无限多的重复排列，所以软件可以指定三个方向上重复的次数T(t1，t2，t3)，比如(10，10，10)表示在3个方向上各重复10次。

在晶胞内，分子可以根据不同的对称性规律在空间排布。晶体学中通过严格的数学证明，发现对称性的规律只有230种，在晶体学中称为230个空间群。这230个空间群对应着不同的对称性操作，比如旋转180度，镜面对称等等。

对任意一个3维分子空间结构，给定晶胞的基失和基失夹角(a，b，c，α，β，γ)，给定一个空间群，给定T(t1，t2，t3)，就可以计算出在T范围内全部的按周期性和对称性重复的分子的位置。这个过程称为将晶体展胞，展开后的全部分子的集合称为这个晶体的一个超胞。

进一步，本实施例的获取原子坐标包括：获取分子的质心位置、分子的朝向矢量、分别与晶胞坐标系的三坐标轴之间的夹角θ1、θ2、θ3；分子中每个原子以其中一个原子为原点形成的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量进行平移变换，再对每个原子按夹角θ1、θ2、θ3做旋转变换，获取每个原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；获取晶体的空间群，对原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，得到原子经过对称变换的坐标，对原子按照重复排列次数T(t1、t2、t3)在晶胞坐标系的三个轴向上进行平移变换，得到晶体在展开的超胞范围内所有原子的晶胞坐标。

具体的，将分子通过计算虚拟展胞成T(t1，t2，t3)范围内的超胞后，交互控制系统就得到了其他展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，即得到就可以得到晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子的坐标。具体相对位置确定方式如下。将晶胞三个基失的交点设为原点，选择a的基失方向为W轴，a，b所在平面通过原点垂直于a的方向为R轴，通过原点垂直于a，b所在平面的方向为T轴。对于一个初始的三维分子结构，使用者给定分子的质心的位置(q1，q2，q3)，以及分子的朝向矢量(分子内两个距离最远的原子间的矢量)与W、R、T轴之间的夹角(θ1,θ2,θ3)。由于已知分子3维空间结构，即分子中每个原子的相对坐标(已其中一个原子为原点的坐标)，将每个原子的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量做平移变换，再对每个原子按夹角(θ1,θ2,θ3)做旋转变换，就得到了每个原子在W、R、T坐标系中的位置坐标。接下来，使用者给定晶体的空间群，然后对每个原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，可以得到每个原子经过对称变换的坐标。最后，对每个原子按给的的重复次数T(t1，t2，t3)在三个轴向上做平移变换，就可以得到晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子的坐标。

进一步，本实施例的坐标转换包括：将虚拟坐标系的原点与晶胞坐标系的原点重合，虚拟坐标系的X轴与晶胞坐标系的W轴重合，虚拟坐标系的Y轴与晶胞坐标系的R轴重合，虚拟坐标系的Z轴与晶胞坐标系的T轴重合，沿虚拟坐标系的分子质心与晶胞坐标系的晶体初始分子质心之间的矢量对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行平移变换，按虚拟坐标系中分子内最远距离的原子之间的矢量方向和晶胞坐标系中晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行旋转变换，得到晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内的所有原子在虚拟坐标系中的位置坐标。

具体的，交互控制系统得到了整个分子在X、Y、Z坐标系中的绝对坐标，这里得到了晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子在W、R、T坐标系中的坐标，将晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子的坐标从W、R、T坐标系变换到X、Y、Z坐标系，变换规则为，将X、Y、Z坐标系原点和W、R、T坐标原点重合，X方向和W方向重合，Y方向和R方向重合，Z方向和T方向重合，沿X、Y、Z坐标系中的分子质心和W、R、T坐标系中的晶体初始分子质心之间的矢量，对晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子的坐标做平移变换。在按X、Y、Z坐标系中的分子内最远距离的原子之间的矢量方向和W、R、T坐标系中的晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子的坐标做旋转变换。这样就得到了晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子在X、Y、Z坐标系中的位置坐标。

进一步，本实施例的晶体显示方法还包括实时更新：若检测到分子积木移动或搭建的分子结构改变，则实时获取当前分子积木搭建的分子结构、位置，AR眼镜实时获取分子积木在虚拟坐标系中的位置，控制实时渲染当前晶体在展开的超胞范围内的虚拟场景，并控制通过AR眼镜投射。

具体的，当使用者移动分子积木，或改变分子积木的结构时，分子积木的软件会实时获取最新的分子积木结构，AR眼镜上的超声波接收器也可以实时获取分子积木在X，Y，Z坐标系中的位置。这样软件模块就可以实时的渲染当前晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围的虚拟场景，并通过AR眼镜投射到使用者眼前。整个系统的延时包括超声波定位模块组的0.05秒和系统计算、渲染的0.1秒，使用者基本不会感受到卡顿。

进一步，本实施例的显示步骤中，将不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形，根据分子键的类型在两个原子之间圆柱体的分子键，圆柱体的分子键两端连接两原子，单键渲染成一个圆柱体，双键渲染成两个圆柱体，三键渲染成三个圆柱体。

具体的，交互控制系统将晶体在T(t1，t2，t3)超胞范围内所有原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子的坐标位置，渲染成显示的虚拟场景。不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形(按碳元素半径为一个标准单位显示，标准单位可由使用者设定，默认为5cm)。软件模块支持将所有的原子渲染成灰色，或按标准化学元素颜色渲染成彩色的。如果两个原子之间有分子键，软件模块会根据分子键的类型在两个原子之间渲染出圆柱体的分子键，圆柱体的两端连接两个原子，圆柱体的半径为标准单位的1/10。单键渲染一个圆柱体，双键渲染两个，三键渲染三个。分子键渲染成灰色。渲染好的虚拟场景会按AR眼镜的显示数据格式通过蓝牙模块传输给AR眼镜。

进一步，本实施例的分子积木上设置有与AR眼镜70通信的通信发生器。AR眼镜70上设置有与通信发生器通信的通信接收器。通信接收器包括：设置在AR眼镜70的两镜片中心的连接架上的第一通信接收器72、分别设置在AR眼镜的两镜腿上且对称设置的第二通信接收器74、第三通信接收器76。第二通信接收器74与第三通信接收器76的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一通信接收器72且垂直相交于X轴的直线形成Y轴，X轴与Y轴的交点形成虚拟坐标系的虚拟原点75。垂直于X-Y轴所在的平面且通过虚拟原点75的直线形成Z轴。

通信发生器设置在控制插座模块上。通信发生器优选为为超声波发生器。通信接收器优选为超声波接收器。超声波发生器内置电子时钟，以设定时间为一个发生位进行超声波编码。通信接收器内置时钟，将接收的超声波转换为电信号传输给处理器按设定时间一个单位反向解码，如果在设定时间内有设定信号，解码为1，若设定时间内没有接收到设定信号，解码为0；根据当前超声波接收器的时钟时刻减去发出的时钟时刻，加上完成编码发生时间，得到声波在空中传输的时间，该时间乘以声速得到超声发生器与超声接收器之间的距离。

具体的超声波发生器内置一个电子时钟，其微处理器读取当前的时钟时刻，并控制超声波发生电路将时钟时刻编码成40KHZ的超声波对外发出。时钟时刻按Unix时间戳计时，即当前时刻减去1970年1月1日0点0分0秒，计时单位为0.001秒。当前时间按Unix时间戳计时后，是一个13位的数值。将这个数转换为2进制表示是一个48位的二进制数，在最前面预留一位1，在最后补一位奇偶校验位，则会得到一个50位的二进制数。然后以0.001秒为一个发声位，进行超声波编码，即如果当前位是1，则发出0.001秒40KHZ的超声波，如果当前位是0，则0.001秒不发生。这样0.05秒钟可以完成50位二进制数的编码发声。

超声波发生器每0.1秒对外发出一次当前时刻的编码，这样在每个0.1秒内，前0.05秒会发出时刻编码，后0.05秒会静默。

超声波接收器也内置一个时钟，接收器可以接收40KHZ的超声波，并将超声波转换成电信号，交由微处理器按0.001秒一个单位反向解码，如果0.001秒内有40KHZ的信号，就解码为1，如果没有信号就解码为0。这样超声波接收器就可以获得超声波发生器发出的时钟时刻。将当前接收器里的时钟时刻，减去发出的时钟时刻，再加上0.05秒，就得到声波在空中传输的时间。这个时间乘以空气中的声速就得到了超声波发生器和接收器之间的距离。

超声波发生器可以固定在分子积木的控制插座上，具体固定方式可以是胶粘，镶嵌或其他物理固定方式。

超声波接收器分别安装在AR眼镜70对称的两个镜腿，和眼镜两镜片正中心的连接架上。三个超声波接收器所在的平面跟眼镜佩戴在头部时，头部的横切面平行。镜架上两个接收器的连线构成了虚拟的X轴，通过正中心的接收器，且垂直相交于X轴所在的直线为Y轴，两轴的交点为虚拟原点75。垂直于X-Y轴所在平面，且通过虚拟原点的直线为Z轴。这样就构建出一个虚拟的空间坐标系，三个超声波接收器的空间坐标也被唯一确定。分别记为R1(e，0，0)，R2(-e，0，0)，R3(0，f，0)。其中e为虚拟原点到镜架上接收器的距离，f为虚拟原点到正中心接收器的距离。这两个距离可由实际测量确定。

当系统工作时，三个超声波接收器同时获得超声波发生器的距离d1，d2，d3，设超声波发生器在空间中的坐标为S(x，y，z)，解方程组

就可以得到S(x，y，z)的值，从而定位发生器相对接收器在空间中的绝对位置。

AR眼镜70设置了超声波接收器与分子积木通信交互，内置蓝牙模块，眼镜通过蓝牙模块和电脑的蓝牙模块交互信息，从而完成眼镜和交互控制系统如晶体显示软件的信息交互。

AR眼镜需要透视，既要看到真实的外部世界，也要看到虚拟信息，所以成像系统不能挡在视线前方。这就需要多加一个或一组光学组合器(optical combiner)，通过“层叠”的形式，将虚拟信息和真实场景融为一体，互相补充，互相“增强”。

AR眼镜的光学显示系统包括微型显示屏和光波导光学元件。微型显示屏，用来为设备提供显示内容。它可以是自发光的有源器件，比如发光二极管面板像micro-OLED和现在很热门的micro-LED，也可以是需要外部光源照明的液晶显示屏(包括透射式的LCD和反射式的LCOS)，还有基于微机电系统(MEMS)技术的数字微镜阵列(DMD,即DLP的核心)和激光束扫描仪(LBS)。

光波导技术包括微软的Hololens和Magic Leap One的设备。光机完成成像过程后，波导将光耦合进自己的玻璃基地中，通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来。这个过程中波导只负责传输图像，一般情况下不对图像本身做任何“功”(比如放大缩小等)，可以理解为“平行光进，平行光出”，所以它是独立于成像系统而存在的一个单独元件。光波导的这种特性，对于优化头戴的设计和美化外观有很大优势。因为有了波导这个传输渠道，可以将显示屏和成像系统远离眼镜移到额头顶部或者侧面，这极大降低了光学系统对外界视线的阻挡，并且使得重量分布更符合人体工程学，从而改善了设备的佩戴体验。

本实施例的AR眼镜可以将虚拟的显示内容通过光波导技术投射在透明的眼镜镜片上，使用者可以通过眼镜看到虚拟内容和真实世界叠加显示的效果。

如图3至图6所示，本发明一实施例的分子积木包括：控制插座模块20、原子球模块40、分子键模块。

控制插座模块20包括：插座本体22、及设置在插座本体22上的插座连接器24。

进一步，本实施例的插座本体22为中空结构，形成插座内腔222。

进一步，本实施例的插座本体22中设置有控制模块、与控制模块连接并进行供电的电源、及与控制模块连接并受控进行通信的通信模块。本实施例中，优选的，通信模块可以为蓝牙模块。本实施例的插座连接器与控制模块连接。

进一步，本实施例的插座连接器24包括：插座连接器本体242、设置插座连接器本体242一端的插座插头244、及设置在插座插头244一端的连接接口246、及设置在插座连接器本体242与插座插头244之间的插座插头挡板248。本实施例的连接接口246优选为Type-C接口。

控制插座模块20是整个积木的控制和与软件系统交互的关键部件。控制插座20的主体的外形可以是方体、球体等其他形状。控制插座模块20内部是中空的，内置电路板、电池以及蓝牙模块。控制插座模块20的插座本体22外有一个伸出来的圆柱形的插座连接器24插座连接器24的端部安装Type-C接口。后面介绍的原子球有与之对应的键口插座。

原子球模块40就可以直接插在插座连接器24，通过Type-C接口进行通信。插座连接器24的插座连接器本体242上设置插座插头挡板248防止插入的时候用力过大损坏Type-C接口和其他通信线路的。

本实施例的控制插座模块20通过Type-C连接接口采集连接的原子球模块40、分子键模块包括常规分子键模块62和柔性分子键模块64的数据信息，然后将数据汇总后通过蓝牙实时发送给配套的软件系统。这样软件系统就可以实时构建和更新虚拟的分子结构，并对分子的能量进行计算。

本实施例的分子积木的每个积木有内置的芯片，芯片内会记录这个积木的一个唯一的识别ID(Identity document，身份标识号码)，以及这个积木的属性。

可通过代码或字母表示不同的积木类型属性如用A表示原子球模块，B表示分子键模块。

原子球模块属性，如果积木类型属性为A，原子球模块属性为代表的原子如原子的字母代号，比如氢为H，碳为C，氧为O；如果积木类型属性为B，则该属性为null。

分子键模块属性，如果积木类型属性为B，且该积木为常规分子键模块，则属性为N；该积木为柔性分子键模块，则属性为R。如果积木类型属性为A，则该属性为null。

当积木插到控制控制插座模块20上或控制插座模块20连接的其他积木上，控制插座模块20会读出这个积木的ID和其积木的属性。通过积木的属性，系统可以判断出插入的是什么原子，以及是什么分子键。

如图4所示，进一步，本实施例的原子球模块40包括：原子球本体42、及设置在原子球本体42上并与插座连接器24配合的原子球连接器44。原子球模块40上设置有多个原子球连接器44。原子球模块具有识别ID。

进一步，本实施例的原子球模块40还包括：内置在原子球本体42中的原子球处理模块。原子球处理模块记录该原子球模块的识别ID、属性、原子球连接器的坐标或位置。原子球连接器44与原子球处理模块电性连接。

进一步，本实施例的原子球本体42为中空结构。原子球处理模块设置在中空结构中。原子球连接器44包括：键口、及设置在键口内的插槽。键口之间的夹角不同以对应不同的分子键夹角。每个键口连接至原子球处理模块并设置有编号。原子球模块的属性包括：代表的原子。

可以通过积木属性判断出不同的原子。

原子球模块40上的键口都有编号，这些键口的电路会连接到原子球处理模块的芯片上，并与之编号一一对应。如果一个键口插入了分子键模块，则芯片会将对应的键口编号和插入状态发送给系统。系统通过不同的键口编号可以根据其经纬度坐标计算出不同的位置。

原子球模块40是一组代表分子内部原子的球体结构。这一组球的构造是一致的，代表不同原子的球的尺寸会有差异。在实际使用中，代表各原子的球的尺寸比例可以按照原子半径的比例来制造。这一组球的个数没有什么限制，可根据分子内原子的数量和需要组装的分子数量来按需生产。本实施例的键口为圆柱形并于原子球本体42的球表面有向内凹。本实施例的插槽优选为Type-C插槽。每个键口内有Type-C插槽。

常规分子键模块和柔性分子键模块可以直接插入键口，然后通过Type-C连接接口通信。各键口之间的夹角度数不同，对应了不同的分子键夹角。本实施例的键口包括可组成常见分子键角的16个键口。如果在使用中需要的其他特殊角度，也可以按同样的设计增加相应的键口。

表一：本实施例的键口在原子球本体42的球面上的分布如下：

表二：键口对应的常见分子键角的详细说明如下：

原子球模块40的球内是中空的，内置电路板，用于处理各键口Type-C接口的信息。控制插座模块20的插座插头244可以插入任一键口内，原子球模块40通过Type-C接口向控制插座模块20传递信息。

进一步，本实施例的分子键模块具有识别ID。分子键模块包括：常规分子键模块62、与柔性分子键模块64。

如图5所示，常规分子键模块62包括：单键模块、双键模块、三键模块。单键模块或双键模块或三键模块包括：常规分子键键体622、及设置在常规分子键键体端部622并与原子球连接器配合的常规分子键连接器624。

单键模块或双键模块或三键模块还包括：内置在常规分子键键体622中的常规分子键处理模块。常规分子键连接器624与常规分子键处理模块电性连接。常规分子键处理模块记录该常规分子键模块的识别ID、属性。常规分子键键体为中空结构。

进一步，本实施例的常规分子键键体622与常规分子键连接器624之间设置有常规分子键插头挡板626。

进一步，本实施例的常规分子键连接器624：设置在常规分子键键体622端部的分子键插头6242、及设置在分子键插头6242一端的连接接口6244。

本实施例的常规分子键模块62为圆柱形，代表分子内两个原子之间形成的分子键。常规分子键键体为中空结构，内置电路板。常规分子键键体622两端都设置有常规分子键连接器624，两端都装有Type-C接口，当分子键插头6242插入原子球模块40的键口后，原子球模块40和常规分子键模块62可以通过Type-C接口进行通信。常规分子键模块62的两端分别有一个常规分子键插头挡板626，防止插入的时候用力过大损坏Type-C接口和其他通信线路的。

常规分子键模块62可根据实际分子键的长短比例和键的类型(如单键、双键、三键)，生产不同长度和粗细的键体。如可将单键、双键、三键可以按粗细1:2:3的比例生产。

如图6所示，进一步，本实施例的柔性分子键模块64：柔性分子键键体642、及设置在柔性分子键键体642端部并与原子球连接器配合设置的柔性分子键连接器644。

进一步，本实施例的柔性分子键模块64还包括：内置在柔性分子键键体642中的有柔性分子键处理模块。

本实施例的柔性分子键处理模块记录该柔性分子键模块的识别ID、属性。柔性分子键连接器644与柔性分子键处理模块电性连接。

进一步，本实施例的柔性分子键键体642一端与柔性分子键连接器644之间设置有柔性分子键插头挡板646。柔性分子键键体642与另一个柔性分子键连接器644连接的另一端设置有编码器648。编码器648与柔性分子键处理模块电性连接。优选的，本实施例的编码器为绝对编码器。柔性分子键键体642为中空结构。柔性分子键连接器644包括：设置在柔性分子键键体642端部的柔性分子键插头6442、及设置在柔性分子键插头6442一端的连接接口6444。优选的，本实施例的柔性分子键连接器644的连接接口6444为Type-C接口。

本实施例的柔性分子键模块为圆柱形，代表分子内两个原子之间形成的柔性分子键。

柔性分子键是分子内可旋转的单键。通常当两个原子之间形成σ键的时候，键两端的基团可以沿着键轴旋转，形成不同的分子构象。

本实施例的柔性分子键模块的的构造与常规分子键模块基本相同。区别在于在柔性分子键模块的一端于柔性分子键插头挡板646的位置安装了一个绝对编码器。

旋转编码器测量旋转角度。绝对值旋转编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码(格雷码)，这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘进行记忆的。

绝对编码器由机械位置确定编码，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

从单圈绝对值编码器到多圈绝对值编码器，绝对值旋转单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。

绝对值旋转编码器的内侧装有一个零度标记指针649，柔性分子键键体642上有与之对应的0～360度的刻度。编码器可以沿柔性分子键键体642的轴旋转，在初始状态，柔性分子键键体642上的零度标记指针指向0，这是编码器的角度读数也是0。在使用过程中，使用者可以旋转编码器，编码器连接的一端键体会与另一端键体形成旋转角度，这个角度可以从编码器中读出。

本发明的配套的软件系统可以安装在计算机上或手机上。软件通过计算机或手机的蓝牙模块接收控制插座模块20传来的信息，完成设备与软件之间的通信。

交互控制系统中的配套的软件可以实时显示当前控制插座模块20上连接的原子球模块和分子键模块(包括这些原子球模块和分子键模块连接的其他原子球模块和分子键模块)。

配套的软件内置分子能量计算模块，支持用力场、半经验方法和高精度量子化学方法计算能量。

配套的软件系统可以安装在计算机上或手机上。软件通过计算机或手机的蓝牙模块接收控制插座传来的信息，完成设备与软件之间的通信。

配套的软件可以实时显示当前控制插座模块上连接的原子球模块和分子键模块(包括这些原子球模块和分子键模块连接的其他原子球模块和分子键模块)。

配套的软件内置分子能量计算模块，支持用力场、半经验方法和高精度量子化学方法计算能量。

当使用者需要搭建分子模型时，首先需要从分子内的所有原子中选择一个合适作为初始位置的原子。选择没有特定的要求，但从使用便捷性考虑，建议选择最边缘，键连最少的原子作为初始原子。

选好初始原子后，取一个原子球模块，根据原子的类型和键角的类型，确定需要使用的键口(确定规则见表2)。然后将任意一个非使用的键口插入到控制插座模块上。这时，控制插座模块通过Type-C接口获取到模型插入了一个原子球模块，并会将这个信息传输给配套软件。配套软件会在界面上显示一个原子球。使用者可以在软件中编辑这个原子球模块对应的原子类型，与目标分子一致。

接下来根据这个原子与其他原子之间的分子键的类型，选取相应的分子键模块。如果是柔性键，就选择柔性分子键模块，其他类型的键选择常规分子键模块。然后根据上一步确定好的键口，将分子键模块插入原子球模块的键口内。这时，这个原子球模块会将插入分子键的键口编号发给控制插座模块，控制插座模块会将信息发给配套软件。软件会在界面上显示这个些分子键模块插在了原子球模块上。使用者可以在软件中编辑这些分子键对应的键类型，与目标分子一致。按目标分子内原子和分子键的组合方式重复上述过程，直到整个分子模型组装完成。

如果将分子键模块从原子球模块40的键口内拔出，则与控制插座模块相连部分的原子球模块40或分子键模块会通过连接向控制插座模块20发出断开连接的信号，这时软件系统会删除断开部分的显示，只保留连接在控制插座模块20部分的分子基团的显示。

如果搭建好的分子模型中包括了柔性分子键模块，使用者可以通过绕键轴旋转柔性分子键模块来改变两端分子基团的相对夹角。使用者在旋转的时候，编码器会实时读取当前旋转的角度，并通过Type-C接口一路将信息传输给控制插座模块。控制插座模块将信息传输给配套软件，软件会按柔性键模块的旋转角度，更新显示出来。

当使用者搭好分子模型后，可以通过配套软件启动分子能量计算功能。这时软件会根据当前分子模型的三维结构计算能量。如果使用者旋转模型中的柔性分子键时，软件会根据转动的角度实时调整模拟的分子模型的三维结构，并计算能量。

本发明一实施例的一种晶体显示系统，包括：交互控制系统、与所述交互控制系统通信连接的分子积木、及与分子积木及交互控制系统通信连接的AR眼镜。

本实施例的交互控制系统包括：获取空间结构模块、获取积木绝对坐标模块、晶体展胞模块、获取原子坐标模块、坐标转换模块、显示模块。

获取空间结构模块：读取虚拟分子结构的文件数据，获取分子的空间结构；

获取积木绝对坐标模块：获取分子积木的控制插座模块在虚拟坐标系中的绝对坐标，根据控制插座模块的绝对坐标及分子空间结构获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标。

晶体展胞模块：获取晶胞的基矢a、基矢b、基矢c、基矢夹角α、基矢夹角β、基矢夹角γ、空间群，晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3；根据晶胞的基矢a、b、c、基矢夹角α、β、γ、空间群、晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3计算按周期性和对称性重复的分子位置，从而进行展胞，展开后的全部分子的集合形成超胞。

获取原子坐标模块：获取展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，将晶胞的三个基矢的交点设为原点，选择基矢a的方向为W轴，基矢a、b所在的平面通过原点垂直于基矢a的方向为R轴，通过原点垂直于基矢a、b所在平面的方向为T轴，建立晶胞坐标系，根据获取的分子的相对位置获取晶体在展开的超胞范围内的所有原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标。

坐标转换模块：将晶胞坐标系变换与虚拟坐标系重合，将原子的晶胞坐标转换到虚拟坐标系中的位置坐标。

显示模块：将超胞范围内的原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子在虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成现实的虚拟场景，控制传输给AR眼镜显示，AR眼镜投射的虚拟场景与透过AR眼镜的镜片看到的真实场景叠加，分子积木搭建的分子与虚拟分子重合。

本实施例的三个边的矢量方向是从原点出发，指向边所在的另一个顶点。在实际实现的时候，选出三边交汇的点作为原点，可以按右手螺旋规则确定W、R、T轴。三个方向重复的内容包括晶胞和晶胞内的初始分子，以及晶胞内按空间群对称性变换得到的分子。

进一步，本实施例的获取原子坐标模块还包括：获取分子的质心位置、分子的朝向矢量、分别与晶胞坐标系的三坐标轴之间的夹角θ1、θ2、θ3；分子中每个原子以其中一个原子为原点形成的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量进行平移变换，再对每个原子按夹角θ1、θ2、θ3做旋转变换，获取每个原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；获取晶体的空间群，对原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，得到原子经过对称变换的坐标，对原子按照重复排列次数T(t1、t2、t3)在晶胞坐标系的三个轴向上进行平移变换，得到晶体在展开的超胞范围内所有原子的晶胞坐标。

每个原子按给的的重复次数T(t1，t2，t3)在三个轴向上做平移变换，假设一个原子的坐标是(x,y,z)，则变换后的所有点的坐标为{(x,y,z),(x+a,y+b,z+c),(x+2a,y+2b,z+2c),…(x+t1*a,y+t2*b,z+t3*c)}，其中a、b、c为晶胞三个边的长度。

进一步，本实施例的坐标转换模块还包括：将虚拟坐标系的原点与晶胞坐标系的原点重合，虚拟坐标系的X轴与晶胞坐标系的W轴重合，虚拟坐标系的Y轴与晶胞坐标系的R轴重合，虚拟坐标系的Z轴与晶胞坐标系的T轴重合，沿虚拟坐标系的分子质心与晶胞坐标系的晶体初始分子质心之间的矢量对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行平移变换，按虚拟坐标系中分子内最远距离的原子之间的矢量方向和晶胞坐标系中晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行旋转变换，得到晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内的所有原子在虚拟坐标系中的位置坐标。

X、Y、Z坐标系中的分子质心为其所有原子坐标对每个原子质量的加权平均。这个质心(Q1点)与W、R、T中的质心(Q2点)的关系是：Q1＝O(W,R,T)+Q2，其中O(W,R,T)为W、R、T坐标系原点在X、Y、Z坐标系中的坐标。

旋转变换通过W、R、T坐标系原点在X、Y、Z坐标系的坐标，可以将W、R、T坐标系中的晶体初始分子内最远距离原子之间的矢量变换到X、Y、Z坐标系中。这样就可以求得W、R、T坐标系中的矢量旋转到X、Y、Z坐标系的矢量的选择矩阵TA。然后对超胞中的每个原子做选择变换，即对每个原子的坐标乘以选择矩阵TA，就得到变换后的坐标。

进一步，本实施例的交互控制系统还包括实时更新模块：若检测到分子积木移动或搭建的分子结构改变，则实时获取当前分子积木搭建的分子结构、位置，AR眼镜实时获取分子积木在虚拟坐标系中的位置，控制实时渲染当前晶体在展开的超胞范围内的虚拟场景，并控制通过AR眼镜投射。

进一步，本实施例的显示模块还包括：将不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形，根据分子键的类型在两个原子之间圆柱体的分子键，圆柱体的分子键两端连接两原子，单键渲染成一个圆柱体，双键渲染成两个圆柱体，三键渲染成三个圆柱体。

分子积木上设置有与AR眼镜通信的通信发生器。通信发生器设置在控制插座模块上。

AR眼镜70上设置有与通信发生器通信的通信接收器。通信接收器包括：设置在所述AR眼镜的两镜片中心的连接架上的第一通信接收器72、分别设置在AR眼镜70的两镜腿上且对称设置的第二通信接收器74、第三通信接收器76。第二通信接收器74与第三通信接收器76的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一通信接收器72且垂直相交于X轴的直线形成Y轴，X轴与Y轴的交点形成虚拟坐标系的虚拟原点75。垂直于X-Y轴所在的平面且通过虚拟原点75的直线形成Z轴。

通信发生器设置在控制插座模块上。通信发生器为超声波发生器。通信接收器为超声波接收器。超声波发生器内置电子时钟，以设定时间为一个发生位进行超声波编码。通信接收器内置时钟，将接收的超声波转换为电信号传输给处理器按设定时间一个单位反向解码，如果在设定时间内有设定信号，解码为1，若设定时间内没有接收到设定信号，解码为0；根据当前超声波接收器的时钟时刻减去发出的时钟时刻，加上完成编码发生时间，得到声波在空中传输的时间，该时间乘以声速得到超声发生器与超声接收器之间的距离。

具体的超声波发生器内置一个电子时钟，其微处理器读取当前的时钟时刻，并控制超声波发生电路将时钟时刻编码成40KHZ的超声波对外发出。时钟时刻按Unix时间戳计时，即当前时刻减去1970年1月1日0点0分0秒，计时单位为0.001秒。当前时间按Unix时间戳计时后，是一个13位的数值。将这个数转换为2进制表示是一个48位的二进制数，在最前面预留一位1，在最后补一位奇偶校验位，则会得到一个50位的二进制数。然后以0.001秒为一个发声位，进行超声波编码，即如果当前位是1，则发出0.001秒40KHZ的超声波，如果当前位是0，则0.001秒不发生。这样0.05秒钟可以完成50位二进制数的编码发声。

超声波发生器每0.1秒对外发出一次当前时刻的编码，这样在每个0.1秒内，前0.05秒会发出时刻编码，后0.05秒会静默。

超声波接收器也内置一个时钟，接收器可以接收40KHZ的超声波，并将超声波转换成电信号，交由微处理器按0.001秒一个单位反向解码，如果0.001秒内有40KHZ的信号，就解码为1，如果没有信号就解码为0。这样超声波接收器就可以获得超声波发生器发出的时钟时刻。将当前接收器里的时钟时刻，减去发出的时钟时刻，再加上0.05秒，就得到声波在空中传输的时间。这个时间乘以空气中的声速就得到了超声波发生器和接收器之间的距离。

本实施例的分子积木拼出来的是真实的目标分子的结构。交互控制系统即交互软件和AR眼镜通过叠加显示，让真实分子和虚拟分子完全重合。重合部分包括原子的形状、大小和位置，以及分子键的形状、大小和位置。重合的作用是为了让虚拟的场景和现实的场景在视觉上对应一致，达到增强现实的现实效果。当确定虚拟场景中的分子和真实场景中的分子需要重合时，虚拟场景的其他显示信息的位置就被完全确定了。叠加的具体过程通过AR眼镜的光波导系统，将虚拟场景投射的眼镜片上，因为眼镜片是透明的，这时用户透过眼镜就可以看到虚拟场景和真实场景叠加显示的效果。本实施例的真实场景中没有重复排列的部分，虚拟场景中有重复排列的分子。

本发明结合了实际的分子积木和虚拟现实显示技术，可以让使用者直接操作真实世界的实物，并能直观的看到其在空间中形成规则排列的晶体的三维结构。克服了单纯靠积木无法方便的展示其大量规则排列的效果，也克服了直接在电脑中看平面的虚拟效果，无法直观的在真实世界中感受其3维空间效果的问题。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种晶体显示方法，其特征在于，包括：

获取空间结构：读取虚拟分子结构的文件数据，获取分子的空间结构；

获取积木绝对坐标：获取分子积木的控制插座模块在虚拟坐标系中的绝对坐标，根据控制插座模块的绝对坐标及分子空间结构获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标；

晶体展胞：获取晶胞的基矢a、基矢b、基矢c、基矢夹角α、基矢夹角β、基矢夹角γ、空间群，晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3；根据晶胞的基矢a、b、c、基矢夹角α、β、γ、空间群、晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3计算按周期性和对称性重复的分子位置，从而进行展胞，展开后的全部分子的集合形成超胞；获取原子坐标：获取展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，将晶胞的三个基矢的交点设为原点，选择基矢a的方向为W轴，基矢a、b所在的平面通过原点垂直于基矢a的方向为R轴，通过原点垂直于基矢a、b所在平面的方向为T轴，建立晶胞坐标系，根据获取的分子的相对位置获取晶体在展开的超胞范围内的所有原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；

坐标转换：将晶胞坐标系变换与虚拟坐标系重合，将原子的晶胞坐标转换到虚拟坐标系中的位置坐标；

显示：将超胞范围内的原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子在虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成现实的虚拟场景，控制传输给AR眼镜显示，AR眼镜投射的虚拟场景与透过AR眼镜的镜片看到的真实场景叠加，分子积木搭建的分子与虚拟分子重合。

2.根据权利要求1所述的晶体显示方法，其特征在于，所述获取原子坐标包括：获取分子的质心位置、分子的朝向矢量、分别与晶胞坐标系的三坐标轴之间的夹角θ1、θ2、θ3；分子中每个原子以其中一个原子为原点形成的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量进行平移变换，再对每个原子按夹角θ1、θ2、θ3做旋转变换，获取每个原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；获取晶体的空间群，对原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，得到原子经过对称变换的坐标，对原子按照重复排列次数t1、t2、t3在晶胞坐标系的三个轴向上进行平移变换，得到晶体在展开的超胞范围内所有原子的晶胞坐标。

3.根据权利要求1所述的晶体显示方法，其特征在于，所述坐标转换包括：将虚拟坐标系的原点与晶胞坐标系的原点重合，虚拟坐标系的X轴与晶胞坐标系的W轴重合，虚拟坐标系的Y轴与晶胞坐标系的R轴重合，虚拟坐标系的Z轴与晶胞坐标系的T轴重合，沿虚拟坐标系的分子质心与晶胞坐标系的晶体初始分子质心之间的矢量对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行平移变换，按虚拟坐标系中分子内最远距离的原子之间的矢量方向和晶胞坐标系中晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行旋转变换，得到晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内的所有原子在虚拟坐标系中的位置坐标。

4.根据权利要求1所述的晶体显示方法，其特征在于，还包括实时更新：若检测到分子积木移动或搭建的分子结构改变，则实时获取当前分子积木搭建的分子结构、位置，AR眼镜实时获取分子积木在虚拟坐标系中的位置，控制实时渲染当前晶体在展开的超胞范围内的虚拟场景，并控制通过AR眼镜投射；所述分子积木还包括原子球模块、分子键模块，所述控制插座模块包括：插座本体、及设置在所述插座本体上的插座连接器，所述原子球模块包括：原子球本体、及设置在原子球本体上并与所述插座连接器配合的原子球连接器，所述原子球模块上设置有多个所述原子球连接器，所述分子键模块包括：常规分子键模块与柔性分子键模块，所述常规分子键模块包括：单键模块、双键模块、三键模块，所述单键模块或双键模块或三键模块包括：常规分子键键体及设置在所述常规分子键键体端部并与原子球连接器配合的常规分子键连接器，所述柔性分子键模块包括：柔性分子键键体及设置在所述柔性分子键键体端部并与所述原子球连接器配合设置的柔性分子键连接器；所述显示步骤中，将不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形，根据分子键的类型在两个原子之间渲染出圆柱体的分子键，圆柱体的分子键两端连接两原子，单键渲染成一个圆柱体，双键渲染成两个圆柱体，三键渲染成三个圆柱体。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的晶体显示方法，其特征在于，所述分子积木上设置有与AR眼镜通信的通信发生器，所述AR眼镜上设置有与所述通信发生器通信的通信接收器，所述通信接收器包括：设置在所述AR眼镜的两镜片中心的连接架上的第一通信接收器、分别设置在所述AR眼镜的两镜腿上且对称设置的第二通信接收器、第三通信接收器，所述第二通信接收器与第三通信接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一通信接收器且垂直相交于X轴的直线形成Y轴，X轴与Y轴的交点形成虚拟坐标系的虚拟原点，垂直于X-Y轴所在平面，且通过虚拟原点的直线为Z轴。

6.根据权利要求5所述的晶体显示方法，其特征在于，所述通信发生器设置在控制插座模块上，所述通信发生器为超声波发生器，所述通信接收器为超声波接收器，所述超声波发生器内置电子时钟，以设定时间为一个发生位进行超声波编码；所述通信接收器内置时钟，将接收的超声波转换为电信号传输给处理器按设定时间为一个单位进行反向解码，如果在设定时间内有设定信号，解码为1，若设定时间内没有接收到设定信号，解码为0；根据当前超声波接收器的时钟时刻减去发出的时钟时刻，加上完成编码发生时间，得到声波在空中传输的时间，该时间乘以声速得到超声发生器与超声接收器之间的距离。

7.一种晶体显示系统，其特征在于，包括：交互控制系统、与所述交互控制系统通信连接的分子积木、及与分子积木及交互控制系统通信连接的AR眼镜，所述交互控制系统包括：

获取空间结构模块：读取虚拟分子结构的文件数据，获取分子的空间结构；获取积木绝对坐标模块：获取分子积木的控制插座模块在虚拟坐标系中的绝对坐标，根据控制插座模块的绝对坐标及分子空间结构获取分子积木搭建的分子在空间中的绝对坐标；

晶体展胞模块：获取晶胞的基矢a、基矢b、基矢c、基矢夹角α、基矢夹角β、基矢夹角γ、空间群，晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3；根据晶胞的基矢a、b、c、基矢夹角α、β、γ、空间群、晶胞内的分子分别沿三个基矢方向上的重复排列次数t1、t2、t3计算按周期性和对称性重复的分子位置，从而进行展胞，展开后的全部分子的集合形成超胞；获取原子坐标模块：获取展胞后得到的所有分子相对初始给定分子的相对位置，将晶胞的三个基矢的交点设为原点，选择基矢a的方向为W轴，基矢a、b所在的平面通过原点垂直于基矢a的方向为R轴，通过原点垂直于基矢a、b所在平面的方向为T轴，建立晶胞坐标系，根据获取的分子的相对位置获取晶体在展开的超胞范围内的所有原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；

坐标转换模块：将晶胞坐标系变换与虚拟坐标系重合，将原子的晶胞坐标转换到虚拟坐标系中的位置坐标；

显示模块：将超胞范围内的原子按照原子元素、原子间的键连方式和原子在虚拟坐标系中的位置坐标，渲染成现实的虚拟场景，控制传输给AR眼镜显示，AR眼镜投射的虚拟场景与透过AR眼镜的镜片看到的真实场景叠加，分子积木搭建的分子与虚拟分子重合。

8.根据权利要求7所述的晶体显示系统，其特征在于，所述获取原子坐标模块还包括：获取分子的质心位置、分子的朝向矢量、分别与晶胞坐标系的三坐标轴之间的夹角θ1、θ2、θ3；分子中每个原子以其中一个原子为原点形成的相对坐标沿原点原子和质心位置的矢量进行平移变换，再对每个原子按夹角θ1、θ2、θ3做旋转变换，获取每个原子在晶胞坐标系中的晶胞坐标；获取晶体的空间群，对原子的坐标按空间群的对称操作进行坐标变换，得到原子经过对称变换的坐标，对原子按照重复排列次数t1、t2、t3在晶胞坐标系的三个轴向上进行平移变换，得到晶体在展开的超胞范围内所有原子的晶胞坐标；所述坐标转换模块还包括：将虚拟坐标系的原点与晶胞坐标系的原点重合，虚拟坐标系的X轴与晶胞坐标系的W轴重合，虚拟坐标系的Y轴与晶胞坐标系的R轴重合，虚拟坐标系的Z轴与晶胞坐标系的T轴重合，沿虚拟坐标系的分子质心与晶胞坐标系的晶体初始分子质心之间的矢量对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行平移变换，按虚拟坐标系中分子内最远距离的原子之间的矢量方向和晶胞坐标系中晶体初始分子内最远距离的原子之间的矢量方向之间的夹角对晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内所有原子的坐标进行旋转变换，得到晶体在重复排列次数t1、t2、t3超胞范围内的所有原子在虚拟坐标系中的位置坐标。

9.根据权利要求7所述的晶体显示系统，其特征在于，还包括实时更新模块：若检测到分子积木移动或搭建的分子结构改变，则实时获取当前分子积木搭建的分子结构、位置，AR眼镜实时获取分子积木在虚拟坐标系中的位置，控制实时渲染当前晶体在展开的超胞范围内的虚拟场景，并控制通过AR眼镜投射；所述分子积木还包括原子球模块、分子键模块，所述控制插座模块包括：插座本体、及设置在所述插座本体上的插座连接器，所述原子球模块包括：原子球本体、及设置在原子球本体上并与所述插座连接器配合的原子球连接器，所述原子球模块上设置有多个所述原子球连接器，所述分子键模块包括：常规分子键模块与柔性分子键模块，所述常规分子键模块包括：单键模块、双键模块、三键模块，所述单键模块或双键模块或三键模块包括：常规分子键键体及设置在所述常规分子键键体端部并与原子球连接器配合的常规分子键连接器，所述柔性分子键模块包括：柔性分子键键体及设置在所述柔性分子键键体端部并与所述原子球连接器配合设置的柔性分子键连接器；所述显示模块还包括：将不同元素的原子按元素的原子半径比例渲染成球形，根据分子键的类型在两个原子之间渲染出圆柱体的分子键，圆柱体的分子键两端连接两原子，单键渲染成一个圆柱体，双键渲染成两个圆柱体，三键渲染成三个圆柱体。

10.根据权利要求7至9任意一项所述的晶体显示系统，其特征在于，所述分子积木上设置有与AR眼镜通信的通信发生器，所述AR眼镜上设置有与所述通信发生器通信的通信接收器，所述通信接收器包括：设置在所述AR眼镜的两镜片中心的连接架上的第一通信接收器、分别设置在所述AR眼镜的两镜腿上且对称设置的第二通信接收器、第三通信接收器，所述第二通信接收器与第三通信接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一通信接收器且垂直相交于X轴的直线形成Y轴，X轴与Y轴的交点形成虚拟坐标系的虚拟原点，垂直于X-Y轴所在平面，且通过虚拟原点的直线为Z轴；所述通信发生器设置在控制插座模块上。

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