CN112710608A - 实验观测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种实验观测方法及系统包括：获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；获取浊度传感器和图像采集装置的实时采集数据；正面面对观测试管架，正视观测试管架的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与试管位置对应的单元格，单元格包括：试管图像显示部分、试管溶液浊度表示部分；根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景；控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中；上述方法及系统，结合了增强现实显示技术、实时摄像技术和实时浊度传感技术，可以将大量实验试管的实时状态统一显示在用户眼前，极大的提升了实验观测的效率。
Description
技术领域
本发明涉及实验观测技术，特别涉及一种增强现实的实验观测方法及系统。
背景技术
在实验研究的过程中，判断每个试管中实验的进展情况非常重要。通常都观察每个试管中是否有固体析出，颜色如何变换，形貌是怎样的，这样可以决定接下来的实验策略。
目前这个过程主要是人工直接观察。尚未有系统能在这个环节提供直接的人机交互。
在实验规模小，需要查看的试管量少的时候，人工观察是可以的。但随着研究的发展，同时进行的实验规模越来越大，当每次需要查看几百甚至几千个试管中的实验情况时，就非常耗时耗力。
发明内容
基于此，有必要提供一种可提高效率的实验观测方法。
同时，提供一种可提高效率的实验观测系统。
一种实验观测方法，包括：
获取位置：控制接收安装在观测试管架四角的发射器的发射信号，根据发射信号进行定位，获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；
获取采集数据：控制观测试管架上的浊度传感器对试管浊度进行实时采集，控制观测试管架上的图像采集装置对试管图像进行实时采集，获取浊度传感器和图像采集装置对试管的实时采集数据；
渲染虚拟正视图：获取正面面对观测试管架时，观测试管架四角的位置，形成虚拟正视图的顶点A、B、C、D，依次连接形成虚拟正视图的四边，正视观测试管架的宽、高的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与观测试管架中试管位置对应的单元格，单元格的中心与正视的试管位置的中心对应，所述单元格包括：根据图像采集装置采集的图片形成的试管图像显示部分、根据浊度传感器采集的浊度数据形成的试管溶液浊度表示部分；
变换：根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景，实时获取观测试管架的四角的空间位置，并控制对应转换为增强现实眼镜的虚拟场景中，将虚拟正视图中的像素点P(a1,b1)通过坐标变换得到在可叠加到现实试管架的虚拟场景中的P*(x1,y1,z1)，变换规则为虚拟正视图上的A、B、C、D四个角的像素点经过变换直接映射到可叠加到现实试管架的虚拟场景中A*，B*，C*，D*四个的空间点，过P点平行于AC边的直线与AB、CD边相交于Ph1、Ph2，过P点平行于AB边的直线与AC、BD边相交于Pw1、Pw2，
Ph1、Ph2、Pw1、Pw2映射到P*h1、P*h2、P*w1、P*w2点，满足
P*h1在A*B*边上，且APh1:AB＝A*P*h1*:A*B*,
P*w1在A*C*边上，且APw1:AC＝A*P*w1*:A*C*，
P*h2在C*D*边上，且CPh2:CD＝C*P*h2*:C*D*，
P*w2在B*D*边上，且BPw2:BD＝B*P*w2*:B*D*，
P点映射到P*，满足
P*在P*h1P*h2上，且PPh1:Ph1Ph2＝P*P*h1:P*h1P*h2，
P*在P*w1P*w2上，且PPw1:Pw1Pw2＝P*P*w1:P*w1P*w2，对虚拟正视图中的除四个顶点的像素点按上述规则进行坐标变换，就得到了可叠加到现实试管架的虚拟场景；
显示输出：控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中。
在优选实施例中，所述试管图像显示部分与试管溶液浊度表示部分相对上下对应设置，所述试管图像显示部分为拍摄对应试管获取的图像，所述试管溶液浊度显示部分由半透明的灰度表示，所述灰度值＝当前试管溶液的浊度值/所有试管溶液浊度的最大值，所述单元格的宽度为试管宽度的1-5倍，在宽度一定的情况下，单元格的高度变化范围在宽度的1-4倍之间。
在优选实施例中，所述单元格的高度为试管高度的1.5倍，所述单元格的宽度为试管宽度的4倍；所述虚拟正视图的1个像素对应现实电子观测试管架1×1平方毫米的区域，若根据横向上的两发射器之间距离获取相应观测试管架的宽和根据纵向上两发射器之间的距离获取的相应试管架的高分别为Lw毫米和Lh毫米，，则虚拟正视图的顶点A的像素坐标为(0，0)，顶点B的像素坐标为(Lw，0)，顶点的C像素坐标为(0，Lh)，顶点D的像素坐标为(Lw，Lh)。
在优选实施例中，所述观测试管架包括：框架、设置在框架上的试管单元、设置在框架的四个角上是发射器、及设置在框架上的试管架控制器，所述框架包括：立板及设置在立板上的试管架层板、线路控制槽，所述试管架层板上设置有放置试管的试管槽，所述试管单元包括：试管、设置在试管两侧的浊度传感器、设置在所述试管底部的图片采集单元；
所述增强现实眼镜为透视的AR眼镜，所述增强现实眼镜上设置有与观测试管架上的发射器对应设置的接收器，所述接收器包括：设置在所述增强现实眼镜的两镜片中心的连接架上的第一接收器、分别设置在所述增强现实眼镜的两镜腿上且对称设置的第二接收器、第三接收器，所述第二接收器与第三接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一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，三个接收器的空间坐标分别记为R1(a，0，0)，R2(-a，0，0)，R3(0，b，0)，其中a为虚拟原点到镜架上接收器的距离，b为虚拟原点到正中心接收器的距离，这两个距离实际测量确定，工作时，三个接收器同时获得发射器的距离d1，d2，d3，设发射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，从而定位发射器相对接收器在空间中的绝对位置。
在优选实施例中，所述发射器设置在观测试管架的立板上，所述发射器为超声波发生器，所述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。
一种实验观测系统，包括：交互控制系统、与所述交互控制系统通信连接的观测试管架、及与观测试管架及交互控制系统通信连接的增强现实眼镜，所述交互控制系统包括：
连接模块：搜索观测试管架，并通信连接；
获取位置模块：控制增强现实眼镜接收安装在观测试管架四角的发射器的发射信号，根据发射信号进行定位，获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；
获取采集数据模块：控制观测试管架上与试管对应设置的浊度传感器对试管浊度进行实时采集，控制观测试管架上与试管对应设置的图像采集装置对试管图像进行实时采集，获取浊度传感器和图像采集装置对试管的实时采集数据；
渲染虚拟正视图模块：获取正面面对观测试管架时，观测试管架四角的位置，形成虚拟正视图的顶点A、B、C、D，依次连接形成虚拟正视图的四边，正视观测试管架的宽、高的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与观测试管架中试管位置对应的单元格，单元格的中心与正视的试管位置的中心对应，所述单元格包括：根据图像采集装置采集的图片形成的试管图像显示部分、根据浊度传感器采集的浊度数据形成的试管溶液浊度表示部分；
变换模块：根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景，实时获取观测试管架的四角的空间位置，并控制对应转换为增强现实眼镜的虚拟场景中，将虚拟正视图中的像素点P(a1,b1)通过坐标变换得到在可叠加到现实试管架的虚拟场景中的P*(x1,y1,z1)，变换规则为虚拟正视图上的A、B、C、D四个角的像素点经过变换直接映射到可叠加到现实试管架的虚拟场景中A*，B*，C*，D*四个的空间点，过P点平行于AC边的直线与AB、CD边相交于Ph1、Ph2，过P点平行于AB边的直线与AC、BD边相交于Pw1、Pw2，
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显示输出模块：控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中。
在优选的实施例中，所述观测试管架包括：框架、设置在框架上的试管单元、设置在框架的四个角上是发射器、及设置在框架上的试管架控制器，所述框架包括：立板及设置在立板上的试管架层板、线路控制槽，所述试管架层板上设置有放置试管的试管槽，所述试管单元包括：试管、设置在试管两侧的浊度传感器、设置在所述试管底部的图片采集单元。
在优选的实施例中，所述试管图像显示部分与试管溶液浊度表示部分相对上下对应设置，所述试管图像显示部分为拍摄对应试管获取的图像，所述试管溶液浊度显示部分由半透明的灰度表示，所述灰度值＝当前试管溶液的浊度值/所有试管溶液浊度的最大值，所述单元格的宽度为试管宽度的1-5倍，在宽度一定的情况下，单元格的高度变化范围在宽度的1-4倍之间。
在优选的实施例中，所述单元格的高度为试管高度的1.5倍，所述单元格的宽度为试管宽度的4倍；所述虚拟正视图的1个像素对应现实电子观测试管架1×1平方毫米的区域，若根据横向上的两发射器之间距离获取相应观测试管架的宽和根据纵向上两发射器之间的距离获取的相应试管架的高分别为Lw毫米和Lh毫米，则虚拟正视图的顶点A的像素坐标为(0，0)，顶点B的像素坐标为(Lw，0)，顶点的C像素坐标为(0，Lh)，顶点D的像素坐标为(Lw，Lh)。
在优选的实施例中，，所述增强现实眼镜为透视的AR眼镜，所述增强现实眼镜上设置有与观测试管架上的发射器对应设置的接收器，所述接收器包括：设置在所述增强现实眼镜的两镜片中心的连接架上的第一接收器、分别设置在所述增强现实眼镜的两镜腿上且对称设置的第二接收器、第三接收器，所述第二接收器与第三接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一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，三个接收器的空间坐标分别记为R1(a，0，0)，R2(-a，0，0)，R3(0，b，0)，其中a为虚拟原点到镜架上接收器的距离，b为虚拟原点到正中心接收器的距离，这两个距离实际测量确定，工作时，三个接收器同时获得发射器的距离d1，d2，d3，设发射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，从而定位发射器相对接收器在空间中的绝对位置。
上述实验观测方法及系统，结合了增强现实显示技术、实时摄像技术和实时浊度传感技术，可以将大量实验试管的实时状态统一显示在用户眼前，极大的提升了实验观测的效率。
附图说明
图1为本发明一实施例的实验观测方法的部分流程图；
图2为本发明一实施例的观测试管架的部分结构示意图；
图3为本发明一实施例的试管单元的部分结构示意图；
图4为本发明一实施例的试管单元的另一视角的部分结构示意图；
图5为本发明一实施例的增强现实眼镜的部分结构示意图；
图6为本发明一实施例的虚拟正视图的示意图；
图7为本发明一实施例的根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景的变换示意图；
图8为本发明一实施例的虚拟场景叠加显示在现实场景的示意图。
具体实施方式
本发明的一实施例的实验观测系统包括：观测试管架20、增强现实眼镜70、和交互控制系统。
如图2至图4所示，观测试管架20为可以存放通用试管的架子上。本实施例的观测试管架20包括：框架22、设置在框架22上的试管单元24、设置在框架22的四个角上是发射器26、及设置在框架22上的试管架控制器28。
进一步，本实施例的框架22包括：立板222、设置在立板222上的试管架层板224、及设置在立板222上线路控制槽226。进一步，本实施例的试管架层板224上设置有放置并限位试管的试管槽。
本实施例的试管单元24包括：试管242、设置在试管242两侧的浊度传感器244、设置在试管242底部的图片采集单元246。优选的，本实施例的图片采集单元246可以采用摄像头进行图像采集。
在优选实施例中，对每个试管242的位置加装了浊度传感器、摄像头。并将浊度传感器244和摄像头用线路控制槽226连接，线路控制槽226将这些线路汇总并连接到试管架控制器28。本实施例的浊度传感器244包括：浊度模块发射器2442、浊度模块接收器2444。
对每个试管位置，都有一个浊度传感器(包括一个浊度模块发射器，一个浊度模块接收器)和一个摄像头组成的观测单元来监控试管内的溶液情况。
浊度是由水中的悬浮颗粒引起的，悬浮颗粒会漫反射入射光，通常采用90度那个方向的散射光做为测试信号。散射光与浊度符合多段线性关系，因此传感器需要多点标定。而且光源强度和温度变化均会影响测量结果的准确性。经多次实验研究和理论推算，发现散射光与透射光的比值与浊度符合线性关系。本实施例的浊度传感器244采用散射光与透射光比值代替单纯的散射光测量浊度，传感器的准确度、可靠性提高，维护更加简单，抗污性增强。
本实施例的浊度传感器244内部是一个IR958与PT958封装的红外线对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越污浊，透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，透过的光多，电流大，反之透过的光少，电流小。通过测量接收端电流的大小，就可以计算出水的污浊程度。
浊度电流信号经过电阻R1转换为0V～5V电压信号，利用A/D转换器进行采样处理，单片机就可以获知当前水的污浊度。
浊度模块发射器2442发出的光线穿过玻璃试管，到达浊度模块接收器2444，这样浊度传感器就可以检测到玻璃试管中的溶液浊度单位为NTU。
本实施例的摄像头安装在试管底部，直接从试管底部采集试管中的视频图像。
线路控制槽226内置有线电路，可以将浊度传感器和摄像头对应的编号ID和采集的信号实时传输给试管架控制器28。
优选的，本实施例的试管架控制器28内置主板、内存、硬盘、处理器和Wi-Fi模块。试管架控制器28运行可采用Android系统，系统会将线路控制槽226中线路的传回的采集信号存储在硬盘中，支持用户直接从硬盘拷贝信号数据。控制器也会实时通过Wi-Fi模块将信号发送到交互控制系统如安装配套软件的电脑。
本实施例的增强现实眼镜在AR眼镜基础上，增加了超声波接收器，同时内置蓝牙模块，增强现实眼镜通过蓝牙模块和交互控制系统如电脑的蓝牙模块交互信息，从而完成增强现实眼镜和交互控制系统的信息交互。
本实施例的增强现实眼镜为透视的，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。采用多加一个或一组光学组合器(opticalcombiner)，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”。
本实施例的增强现实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)。
光波导元件采用光波导技术，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。
增强现实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。
本实施例的观测试管架的四个角中每个角设置有一个与增强现实眼镜70通信的发射器26。
如图5所示，本实施例的增强现实眼镜70上设置有与发射器26通信的接收器。接收器包括：设置在增强现实眼镜70的两镜片中心的连接架上的第一接收器72、分别设置在AR眼镜的两镜腿上且对称设置的第二接收器74、第三接收器76。第二接收器74与第三接收器76的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一接收器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。
发射器26设置在观测试管架的立板上。发射器优选为为超声波发生器。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。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观测试管架的控制插座上，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增强现实眼镜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(a，0，0)，R2(-a，0，0)，R3(0，b，0)。其中a为虚拟原点到镜架上接收器的距离，b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。
如图1所示，本发明一实施例的实验观测方法，包括：
步骤S101，获取位置：控制接收安装在观测试管架四角的发射器的发射信号，根据发射信号进行定位，获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；
步骤S103，获取采集数据：控制观测试管架上与试管对应设置的浊度传感器对试管浊度进行实时采集，控制观测试管架上与试管对应设置的图像采集装置对试管图像进行实时采集，获取浊度传感器和图像采集装置对试管的实时采集数据；
步骤S105，渲染虚拟正视图：获取正面面对观测试管架时，观测试管架四角的位置，形成虚拟正视图的顶点A、B、C、D，依次连接形成虚拟正视图的四边，正视观测试管架的宽、高的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与观测试管架中试管位置对应的单元格，单元格的中心与正视的试管位置的中心对应，单元格90包括：根据图像采集装置采集的图片形成的试管图像显示部分92、根据浊度传感器采集的浊度数据形成的试管溶液浊度表示部分94，如图6所示；
步骤S107，变换：根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景，实时获取观测试管架的四角的空间位置，并控制对应转换为增强现实眼镜的虚拟场景中，将虚拟正视图中的像素点P(a1,b1)通过坐标变换得到在可叠加到现实试管架的虚拟场景中的P*(x1,y1,z1)，变换规则为虚拟正视图上的A、B、C、D四个角的像素点经过变换直接映射到可叠加到现实试管架的虚拟场景中A*，B*，C*，D*四个的空间点，过P点平行于AC边的直线与AB、CD边相交于Ph1、Ph2，过P点平行于AB边的直线与AC、BD边相交于Pw1、Pw2，
Ph1、Ph2、Pw1、Pw2映射到P*h1、P*h2、P*w1、P*w2点，满足
P*h1在A*B*边上，且APh1:AB＝A*P*h1*:A*B*,
P*w1在A*C*边上，且APw1:AC＝A*P*w1*:A*C*，
P*h2在C*D*边上，且CPh2:CD＝C*P*h2*:C*D*，
P*w2在B*D*边上，且BPw2:BD＝B*P*w2*:B*D*，
P点映射到P*，满足
P*在P*h1P*h2上，且PPh1:Ph1Ph2＝P*P*h1:P*h1P*h2，
P*在P*w1P*w2上，且PPw1:Pw1Pw2＝P*P*w1:P*w1P*w2，
对虚拟正视图中的除四个顶点的像素点按上述规则进行坐标变换，就得到了可叠加到现实试管架的虚拟场景，如图7所示，其中图7中的图(e)为表示虚拟正视图的点，图7中的图(f)表示可叠加到现实试管架的虚拟场景中的点；
步骤S109，显示输出：控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中，如图8所示。
步骤S101获取位置与步骤S103获取采集数据不分先后，只要步骤S105，渲染虚拟正视图前完成即可。
进一步，本实施例的单元格的宽度为试管宽度的1-5倍，在宽度一定的情况下，单元格的高度变化范围在宽度的1-4倍之间。
进一步，优选的，本实施例的单元格的高度为试管高度的1.5倍，所述单元格的宽度为试管宽度的4倍。
进一步，本实施例的试管图像显示部分与试管溶液浊度表示部分相对上下并列对应设置。试管图像显示部分为拍摄对应试管获取的图像。本实施例的试管溶液浊度显示部分由半透明的灰度表示，灰度值＝当前试管溶液的浊度值/所有试管溶液浊度的最大值。
进一步，本实施例的虚拟正视图的1个像素对应现实的观测试管架1×1平方毫米的区域，若根据横向上的两发射器之间距离获取相应观测试管架的宽和根据纵向上两发射器之间的距离获取的相应试管架的高分别为Lw毫米和Lh毫米，则虚拟正视图的顶点A的像素坐标为(0，0)，顶点B的像素坐标为(Lw，0)，顶点的C像素坐标为(0，Lh)，顶点D的像素坐标为(Lw，Lh)。
进一步，本实施例的交互控制系统包括：
连接模块：搜索观测试管架，并通信连接；
获取位置模块：控制接收安装在观测试管架四角的发射器的发射信号，根据发射信号进行定位，获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；
获取采集数据模块：控制观测试管架上与试管对应设置的浊度传感器对试管浊度进行实时采集，控制观测试管架上与试管对应设置的图像采集装置对试管图像进行实时采集，获取浊度传感器和图像采集装置对试管的实时采集数据；
渲染虚拟正视图模块：获取正面面对观测试管架时，观测试管架四角的位置，形成虚拟正视图的顶点A、B、C、D，依次连接形成虚拟正视图的四边，正视观测试管架的宽、高的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与观测试管架中试管位置对应的单元格，单元格的中心与正视的试管位置的中心对应，单元格90包括：根据图像采集装置采集的图片形成的试管图像显示部分92、根据浊度传感器采集的浊度数据形成的试管溶液浊度表示部分94，如图6所示；
变换模块：根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景，实时获取观测试管架的四角的空间位置，并控制对应转换为增强现实眼镜的虚拟场景中，将虚拟正视图中的像素点P(a1,b1)通过坐标变换得到在可叠加到现实试管架的虚拟场景中的P*(x1,y1,z1)，变换规则为虚拟正视图上的A、B、C、D四个角的像素点经过变换直接映射到可叠加到现实试管架的虚拟场景中A*，B*，C*，D*四个的空间点，过P点平行于AC边的直线与AB、CD边相交于Ph1、Ph2，过P点平行于AB边的直线与AC、BD边相交于Pw1、Pw2，
Ph1、Ph2、Pw1、Pw2映射到P*h1、P*h2、P*w1、P*w2点，满足
P*h1在A*B*边上，且APh1:AB＝A*P*h1*:A*B*,
P*w1在A*C*边上，且APw1:AC＝A*P*w1*:A*C*，
P*h2在C*D*边上，且CPh2:CD＝C*P*h2*:C*D*，
P*w2在B*D*边上，且BPw2:BD＝B*P*w2*:B*D*，
P点映射到P*，满足
P*在P*h1P*h2上，且PPh1:Ph1Ph2＝P*P*h1:P*h1P*h2，
P*在P*w1P*w2上，且PPw1:Pw1Pw2＝P*P*w1:P*w1P*w2，
对虚拟正视图中的除四个顶点的像素点按上述规则进行坐标变换，就得到了可叠加到现实试管架的虚拟场景，如图7所示，其中图7中的图(e)为表示虚拟正视图的点，图7中的图(f)表示可叠加到现实试管架的虚拟场景中的点；
显示输出模块：控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中，如图8所示。
进一步，本实施例的单元格的宽度为试管宽度的1-5倍，在宽度一定的情况下，单元格的高度变化范围在宽度的1-4倍之间。
进一步，优选的，本实施例的单元格的高度为试管高度的1.5倍，所述单元格的宽度为试管宽度的4倍。
进一步，本实施例的试管图像显示部分与试管溶液浊度表示部分相对上下并列对应设置。试管图像显示部分为拍摄对应试管获取的图像。本实施例的试管溶液浊度显示部分由半透明的灰度表示，灰度值＝当前试管溶液的浊度值/所有试管溶液浊度的最大值。
进一步，本实施例的虚拟正视图的1个像素对应现实的观测试管架1×1平方毫米的区域，若根据横向上的两发射器之间距离获取相应观测试管架的宽和根据纵向上两发射器之间的距离获取的相应试管架的高分别为Lw毫米和Lh毫米，则虚拟正视图的顶点A的像素坐标为(0，0)，顶点B的像素坐标为(Lw，0)，顶点的C像素坐标为(0，Lh)，顶点D的像素坐标为(Lw，Lh)。
本实施例的增强现实眼镜通过叠加显示，让真实观测试管架和虚拟场景完全重合。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与试管对应设置的单元格和真实场景中的试管需要重合时，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增强现实眼镜的光波导系统，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。
本发明结合了增强现实显示技术、实时摄像技术和实时浊度传感技术。可以将大量实验试管的实时状态统一显示在用户眼前，极大的提升了实验观测的效率。
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)
1.一种实验观测方法，其特征在于，包括：
获取位置：控制接收安装在观测试管架四角的发射器的发射信号，根据发射信号进行定位，获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；
获取采集数据：控制观测试管架上与试管对应设置的浊度传感器对试管浊度进行实时采集，控制观测试管架上与试管对应设置的图像采集装置对试管图像进行实时采集，获取浊度传感器和图像采集装置对试管的实时采集数据；
渲染虚拟正视图：获取正面面对观测试管架时，观测试管架四角的位置，形成虚拟正视图的顶点A、B、C、D，依次连接形成虚拟正视图的四边，正视观测试管架的宽、高的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与观测试管架中试管位置对应的单元格，单元格的中心与正视的试管位置的中心对应，所述单元格包括：根据图像采集装置采集的图片形成的试管图像显示部分、根据浊度传感器采集的浊度数据形成的试管溶液浊度表示部分；
变换：根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景，实时获取观测试管架的四角的空间位置，并控制对应转换为增强现实眼镜的虚拟场景中，将虚拟正视图中的像素点P(a1,b1)通过坐标变换得到在可叠加到现实试管架的虚拟场景中的P*(x1,y1,z1)，变换规则为虚拟正视图上的A、B、C、D四个角的像素点经过变换直接映射到可叠加到现实试管架的虚拟场景中A*，B*，C*，D*四个的空间点，过P点平行于AC边的直线与AB、CD边相交于Ph1、Ph2，过P点平行于AB边的直线与AC、BD边相交于Pw1、Pw2，Ph1、Ph2、Pw1、Pw2映射到P*h1、P*h2、P*w1、P*w2点，满足
P*h1在A*B*边上，且APh1:AB＝A*P*h1*:A*B*,
P*w1在A*C*边上，且APw1:AC＝A*P*w1*:A*C*，
P*h2在C*D*边上，且CPh2:CD＝C*P*h2*:C*D*，
P*w2在B*D*边上，且BPw2:BD＝B*P*w2*:B*D*，
P点映射到P*，满足
P*在P*h1P*h2上，且PPh1:Ph1Ph2＝P*P*h1:P*h1P*h2，
P*在P*w1P*w2上，且PPw1:Pw1Pw2＝P*P*w1:P*w1P*w2，
对虚拟正视图中的除四个顶点的像素点按上述规则进行坐标变换，就得到了可叠加到现实试管架的虚拟场景；
显示输出：控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中。
2.根据权利要求1所述的实验观测方法，其特征在于，所述试管图像显示部分与试管溶液浊度表示部分相对上下对应设置，所述试管图像显示部分为拍摄对应试管获取的图像，所述试管溶液浊度显示部分由半透明的灰度表示，所述灰度值＝当前试管溶液的浊度值/所有试管溶液浊度的最大值，所述单元格的宽度为试管宽度的1-5倍，在宽度一定的情况下，单元格的高度变化范围在宽度的1-4倍之间。
3.根据权利要求1所述的实验观测方法，其特征在于，所述单元格的高度为试管高度的1.5倍，所述单元格的宽度为试管宽度的4倍；所述虚拟正视图的1个像素对应现实电子观测试管架1×1平方毫米的区域，若根据横向上的两发射器之间距离获取相应观测试管架的宽和根据纵向上两发射器之间的距离获取的相应试管架的高分别为Lw毫米和Lh毫米，，则虚拟正视图的顶点A的像素坐标为(0，0)，顶点B的像素坐标为(Lw，0)，顶点的C像素坐标为(0，Lh)，顶点D的像素坐标为(Lw，Lh)。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的实验观测方法，其特征在于，所述观测试管架包括：框架、设置在框架上的试管单元、设置在框架的四个角上是发射器、及设置在框架上的试管架控制器，所述框架包括：立板及设置在立板上的试管架层板、线路控制槽，所述试管架层板上设置有放置试管的试管槽，所述试管单元包括：试管、设置在试管两侧的浊度传感器、设置在所述试管底部的图片采集单元；
所述增强现实眼镜为透视的AR眼镜，所述增强现实眼镜上设置有与观测试管架上的发射器对应设置的接收器，所述接收器包括：设置在所述增强现实眼镜的两镜片中心的连接架上的第一接收器、分别设置在所述增强现实眼镜的两镜腿上且对称设置的第二接收器、第三接收器，所述第二接收器与第三接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一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，三个接收器的空间坐标分别记为R1(a，0，0)，R2(-a，0，0)，R3(0，b，0)，其中a为虚拟原点到镜架上接收器的距离，b为虚拟原点到正中心接收器的距离，这两个距离实际测量确定，工作时，三个接收器同时获得发射器的距离d1，d2，d3，设发射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，从而定位发射器相对接收器在空间中的绝对位置。
5.根据权利要求4所述的实验观测方法，其特征在于，所述发射器设置在观测试管架的立板上，所述发射器为超声波发生器，所述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。
6.一种实验观测系统，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观测试管架、及与观测试管架及交互控制系统通信连接的增强现实眼镜，所述交互控制系统包括：
连接模块：搜索观测试管架，并通信连接；
获取位置模块：控制增强现实眼镜接收安装在观测试管架四角的发射器的发射信号，根据发射信号进行定位，获取观测试管架的位置，获取观测试管架在透视的增强现实眼镜的虚拟场景的位置；
获取采集数据模块：控制观测试管架上与试管对应设置的浊度传感器对试管浊度进行实时采集，控制观测试管架上与试管对应设置的图像采集装置对试管图像进行实时采集，获取浊度传感器和图像采集装置对试管的实时采集数据；
渲染虚拟正视图模块：获取正面面对观测试管架时，观测试管架四角的位置，形成虚拟正视图的顶点A、B、C、D，依次连接形成虚拟正视图的四边，正视观测试管架的宽、高的中心点位于虚拟正视图中心，控制在虚拟正视图显示与观测试管架中试管位置对应的单元格，单元格的中心与正视的试管位置的中心对应，所述单元格包括：根据图像采集装置采集的图片形成的试管图像显示部分、根据浊度传感器采集的浊度数据形成的试管溶液浊度表示部分；
变换模块：根据虚拟正视图变换可叠加到现实试管架的虚拟场景，实时获取观测试管架的四角的空间位置，并控制对应转换为增强现实眼镜的虚拟场景中，将虚拟正视图中的像素点P(a1,b1)通过坐标变换得到在可叠加到现实试管架的虚拟场景中的P*(x1,y1,z1)，变换规则为虚拟正视图上的A、B、C、D四个角的像素点经过变换直接映射到可叠加到现实试管架的虚拟场景中A*，B*，C*，D*四个的空间点，过P点平行于AC边的直线与AB、CD边相交于Ph1、Ph2，过P点平行于AB边的直线与AC、BD边相交于Pw1、Pw2，Ph1、Ph2、Pw1、Pw2映射到P*h1、P*h2、P*w1、P*w2点，满足
P*h1在A*B*边上，且APh1:AB＝A*P*h1*:A*B*,
P*w1在A*C*边上，且APw1:AC＝A*P*w1*:A*C*，
P*h2在C*D*边上，且CPh2:CD＝C*P*h2*:C*D*，
P*w2在B*D*边上，且BPw2:BD＝B*P*w2*:B*D*，
P点映射到P*，满足
P*在P*h1P*h2上，且PPh1:Ph1Ph2＝P*P*h1:P*h1P*h2，
P*在P*w1P*w2上，且PPw1:Pw1Pw2＝P*P*w1:P*w1P*w2，
对虚拟正视图中的除四个顶点的像素点按上述规则进行坐标变换，就得到了可叠加到现实试管架的虚拟场景；
显示输出模块：控制将可叠加到现实试管架的虚拟场景传输给增强现实眼镜现实输出，将虚拟场景叠加显示在现实场景中。
7.根据权利要求6所述的实验观测系统，其特征在于，所述观测试管架包括：框架、设置在框架上的试管单元、设置在框架的四个角上是发射器、及设置在框架上的试管架控制器，所述框架包括：立板及设置在立板上的试管架层板、线路控制槽，所述试管架层板上设置有放置试管的试管槽，所述试管单元包括：试管、设置在试管两侧的浊度传感器、设置在所述试管底部的图片采集单元。
8.根据权利要求6所述的实验观测系统，其特征在于，所述试管图像显示部分与试管溶液浊度表示部分相对上下对应设置，所述试管图像显示部分为拍摄对应试管获取的图像，所述试管溶液浊度显示部分由半透明的灰度表示，所述灰度值＝当前试管溶液的浊度值/所有试管溶液浊度的最大值，所述单元格的宽度为试管宽度的1-5倍，在宽度一定的情况下，单元格的高度变化范围在宽度的1-4倍之间。
9.根据权利要求6至8任意一项所述的实验观测系统，其特征在于，所述单元格的高度为试管高度的1.5倍，所述单元格的宽度为试管宽度的4倍；所述虚拟正视图的1个像素对应现实电子观测试管架1×1平方毫米的区域，若根据横向上的两发射器之间距离获取相应观测试管架的宽和根据纵向上两发射器之间的距离获取的相应试管架的高分别为Lw毫米和Lh毫米，则虚拟正视图的顶点A的像素坐标为(0，0)，顶点B的像素坐标为(Lw，0)，顶点的C像素坐标为(0，Lh)，顶点D的像素坐标为(Lw，Lh)。
10.根据权利要求6至8任意一项所述的实验观测系统，其特征在于，所述增强现实眼镜为透视的AR眼镜，所述增强现实眼镜上设置有与观测试管架上的发射器对应设置的接收器，所述接收器包括：设置在所述增强现实眼镜的两镜片中心的连接架上的第一接收器、分别设置在所述增强现实眼镜的两镜腿上且对称设置的第二接收器、第三接收器，所述第二接收器与第三接收器的连线形成虚拟坐标系的X轴，通过第一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，三个接收器的空间坐标分别记为R1(a，0，0)，R2(-a，0，0)，R3(0，b，0)，其中a为虚拟原点到镜架上接收器的距离，b为虚拟原点到正中心接收器的距离，这两个距离实际测量确定，工作时，三个接收器同时获得发射器的距离d1，d2，d3，设发射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，从而定位发射器相对接收器在空间中的绝对位置。
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