CN113126773B - 一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，包括分子仿真模拟器、虚拟现实系统和网络服务器，虚拟现实系统通过网络服务器与分子仿真模拟器进行实时交互，用户经虚拟现实系统通过网络服务器将指令发送到分子仿真模拟器中，分子仿真模拟器进行底层分子动力学计算并将计算结果通过网络服务器实时的传输到虚拟现实系统，虚拟现实系统对接收到计算结果进行实时可视化渲染，虚拟现实系统和分子仿真模拟器进行实时交互响应。本发明通过一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，解决了现有技术中分子计算效率低、复杂分子的几何结构难以可视化和无法实现与分子模型进行实时交互和修改的技术问题。

Description

一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统
技术领域
本发明实施例涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统。
背景技术
分子模拟是特指利用计算机针对化学物质微观尺度的模拟计算方法，处理的长度尺寸在10-7-10-10米。分子模拟技术可以实现单个原子、多个原子、单个分子、多个分子甚至更为复杂物质结构的直接模拟，得到被模拟对象随时间推演所发生的结构和性质的变化规律。但是现有技术中的分子模拟存在以下问题：
现有技术中的分子模拟计算，只能预先设定环境和体系，关于分子计算部分的可视化也只是计算结果的可视化，不可同时进行分子计算和分子体系的修改。分子运动可视化、分子动力学计算以及实时修改分子体系不可同时进行，导致分子动力学的计算效率低；复杂的分子的几何结构难以理解，对于复杂结构的改造更是无法实现，现有技术对于分子结构的理解只能是通过三维立体结构展示，对于分子级别改造也是只能通过立体动画和建模实现，这种技术很大程度降低了研究员的效率，提高了模拟计算整体的时间成本；现有的分子模拟计算技术无法实现直接的人机交互，操作人无法通过肢体动作操控分子模型和修改分子模型。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，以解决现有技术中所提出的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例公开的一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，包括分子仿真模拟器、虚拟现实系统和网络服务器，虚拟现实系统通过网络服务器与分子仿真模拟器进行实时交互，用户经虚拟现实系统通过网络服务器将指令发送到分子仿真模拟器中，分子仿真模拟器进行底层分子动力学计算并将计算结果通过网络服务器实时的传输到虚拟现实系统，虚拟现实系统对接收到的计算结果进行实时响应和实时可视化渲染，虚拟现实系统和分子仿真模拟器进行实时交互响应；所述虚拟现实系统包括相互配合VR客户端和虚拟现实软件，VR客户端的数量不少于1个；
所述虚拟现实软件包括MENU、ROTATE、MOVE、SCALE、SELECT和MORE六个模块；所述MENU模块包括System、Visualization、Elements、Molecule和Others模块，System模块可以控制虚拟环境中模拟的温度、压力和施加力的大小，Visualization模块可以对分子的可视化显示模式进行选择调整，Elements模块包括Add/delete atoms选项，该选项通过添加/删除原子来修改分子的结构，Molecule模块可以控制显示所有原子或者隐藏原子且只显示原子之间的成键，Others模块可以对材料进行修改并进行可视化选择，Others模块包括的Contrail选项可以对所有原子的运动轨迹进行可视化；ROTATE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行旋转，MOVE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行移动，SCALE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行缩放，SELECT模块可以选择一个特定的原子或一组原子施加相互作用力，MORE模块可以在虚拟现实系统中对仿真模拟器中再在虚拟现实系统中两个相邻可视化运动所代表的时间步长数进行设置。
进一步地，VR客户端选用头戴式VR设备，所述头戴式VR设备包括头戴式显示器、手持控制器和定位系统，所述定位系统可以同时追踪头戴式VR设备和手持控制器的空间位置。
进一步地，定位系统通过激光传感器进行定位，所述定位系统的定位误差小于1cm。
进一步地，Visualization模块允许用户选择显示模式为VDW模型或CPK模型，定量可视化可以在x，y和z方向上复制晶胞。
进一步地，Visualization模块允许用户通过二级结构，三级结构和四级结构可视化的方式来展示生物分子(蛋白质分子)抽象分子结构。
进一步地，虚拟现实软件还包括RECORD模块，RECORD模块对分子结构的完整相互作用过程进行记录并生成运动轨迹，生成的运动轨迹通过网络服务器加载到VR客户端中。
本发明实施例具有如下优点：
本发明通过虚拟现实系统实时交互，使用户可以从不同的维度利用肢体运动的方式，进行分子结构的观察和设计分子结构，使用户从各个角度快速直观的观察复杂分子结构，用户可以在虚拟现实系统中操纵分子结构模型和预先设计轨迹等各方面，充分调动了用户的视觉和触感等感官；通过虚拟现实系统，用户可以利用想象力和创造力对分子结构进行任意修饰，帮助用户开发和创作新的结构和系统；分子仿真模拟器和虚拟现实系统实时交互和实时响应，使得用户能够操作虚拟现实环境中的分子系统，并展示分子运动；通过虚拟现实系统可以实现多个VR客户端同时接入，使得多个用户可以在不同地点或者相同地点出现在同一个虚拟环境中，进而促进了交流创造能力；该系统实现了以原子级别的精度对分子结构进行操作，可以应用在蛋白质结构设计等多个领域，应用领域广阔；可以应用到高等化学的教学中，增加学生对复杂分子结构的理解和洞察能力，提高理解分子结构的能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的VR客户端、网络服务器和分子仿真模拟器之间进行通信的流程图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
MENU：菜单
ROTATE：旋转
MOVE：移动
SCALE：缩放
SELECT：选择
MORE：其他工具选项
System：系统
Visualization：可视化
Elements：元素
Molecule：分子
Others：其他
Add/delete atoms：添加/删除原子
Contrail：分子移动尾迹
RECORD：记录
结合图1所示，本发明具体实施例公开了一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统(“技术的交互”，即通过肢体动作的移动操控单个原子、多个原子、单个分子和/或多个分子的运动)，该系统包括分子仿真模拟器、虚拟现实系统和网络服务器，虚拟现实系统通过网络服务器与分子仿真模拟器进行实时交互，用户经虚拟现实系统通过网络服务器将指令发送到分子仿真模拟器中，分子仿真模拟器进行底层分子动力学计算并将计算结果通过网络服务器实时的传输到虚拟现实系统，虚拟现实系统对接收到的计算结果进行实时反应，虚拟现实系统和分子仿真模拟器进行实时交互响应。虚拟现实系统包括相互配合VR客户端和虚拟现实软件，VR客户端的数量不少于1个。本发明通过虚拟现实系统实时交互，使用户可以从不同的维度利用肢体运动的方式，进行分子结构的观察和设计分子结构，使用户从各个角度快速直观的观察复杂分子结构，用户可以在虚拟现实系统中操纵分子结构模型和预先设计轨迹等各方面，充分调动了用户的视觉和触感等感官；通过虚拟现实系统，用户可以利用想象力和创造力对分子结构进行任意修饰，帮助用户开发和创作新的结构和系统；分子仿真模拟器和虚拟现实系统实时交互和实时响应，使得用户能够操作虚拟现实环境中的分子系统，并展示分子运动；通过虚拟现实系统可以实现多个VR客户端同时接入，使得多个用户可以在不同地点或者相同地点出现在同一个虚拟环境中，进而促进了交流创造能力；该系统实现了以原子级别的精度对分子结构进行操作，可以应用在蛋白质结构设计等多个领域，应用领域广阔；可以应用到高等化学的教学中，增加学生对复杂分子结构的理解和洞察能力，提高理解分子结构的能力。
虚拟现实软件包括MENU、ROTATE、MOVE、SCALE、SELECT和MORE六个模块。所述MENU模块包括System、Visualization、Elements、Molecule和Others模块，System模块可以控制模拟的温度、压力和施加力的大小，力的大小是调整施加在原子结构上的相互作用力的数值；Visualization模块可以对分子的显示模式进行选择调整，允许用户选择显示模式为VDW和CPK，并且还包括定量可视化以在x、y和z方向上复制晶胞；Elements模块包括Add/delete atoms选项，该选项通过添加/删除原子来修改分子的结构；Molecule模块可以控制显示所有原子或者隐藏原子且只显示原子之间的成键；Others模块可以对材料进行修改并进行可视化，Others模块包括的Contrail选项可以对所有原子的运动轨迹进行可视化，可以看到原子运动的轨迹留下痕迹。ROTATE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行旋转，MOVE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行移动，SCALE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行缩放，SELECT模块可以选择一个特定的原子或一组原子施加相互作用力。MORE模块可以对仿真模拟器中再在虚拟现实系统中两个相邻可视化运动所代表的时间步长数进行设置，即MORE模块可以设置加快/减慢分子的运动。Visualization模块允许用户选择显示模式为VDW模型或CPK模型，定量可视化可以在x，y和z方向上复制晶胞。还包括RECORD模块，RECORD模块对分子结构的完整相互作用过程进行记录并生成运动轨迹，生成的运动轨迹通过网络服务器加载到VR客户端中作为参考，用户可以在进行了一系列操作后，把操作过程进行保存，同时系统恢复到初始系统，进行其他操作，再把两次操作同时再虚拟空降中进行展示，空间中同时出现两次实验操作，可以进行操作对比。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统包括多个VR的客户端、网络服务器和分子仿真模拟器，VR客户端的可视化通过Unity3D引擎进行前端渲染，网络服务器是VR客户端和分子仿真模拟器之间的信息流，网络服务器与VR客户端之间进行可视化交互信息的传递，网络服务器与分子仿真模拟器进行实时交互，网络服务器内部包括网关、网络指令输入队列、网络指令处理器和网络指令输出队列等处理步骤，网络服务器通过网关与VR客户端进行信息传递，网络服务器通过网络指令处理器与分子仿真模拟器实现交互。分子仿真模拟器包括数值求解器、内部作用力、外部作用力和恒温器等模块，通过内部作用力、外部作用力和恒温器可以进行内部作用力、外部作用力和温度的调节设定，并通过数值求解器将计算结果进行输出。外部作用力定义为，在虚拟现实系统中通过肢体运动施加到选定的单个原子或者多个原子的力。内部作用力定义为，在物理模型基础上分子结构之间由于相互作用产生的原子间作用力。VR客户端采用的是HTV VIVE Pro的一种PC端虚拟现实设备，VR客户端选用头戴式VR设备，所述头戴式VR设备包括一个头戴式显示器、两个单手持控制器和一个能用于空间同时追踪显示器与控制器的定位系统，所述定位系统可以同时追踪头戴式VR设备和手持控制器的空间位置。定位系统通过激光传感器和/或光敏传感器进行定位，所述定位系统的定位误差小于1cm，这也就允许了用户可以在一定范围内走动。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统是将虚拟现实(VR)技术和分子动力学方法结合在一起实现的，VR客户端设备提供虚拟现实用户界面，用户首先进入选择界面，可以进行单独在虚拟现实环境中创建分子结构或者进入已经创建好的分子结构系统，实时响应与分子仿真模拟器中的计算方式。通过VR客户端进入已经创建的分子结构和系统，可以与构建好的分子结构进行交互，通过Unity引擎对虚拟现实环境中的面板进行设计，将信息数据(位置信息)传输给分子仿真模拟器，启动分子仿真模拟器进行运算。分子仿真模拟器主要是调用各种计算分子或原子级别的力学引擎，运算结果会实时反馈到虚拟现实系统中，用户就可以实时观测到分子的运动情况。分子仿真模拟器模拟分子动力学需要的引擎进行内部作用力计算，此处在虚拟现实系统的前端可以通过应用程序接口(API)与各种动力学计算引擎灵活通信，本发明中采用的计算引擎是分子动力学计算方法，还可添加各种力学引擎。虚拟现实环境中对分子结构施加力会影响分子的位置信息，这些信息会实时的传输到分子仿真模拟器中进行运算，进而影响到了分子的内部作用力运算。总体上，虚拟现实系统中分子结构进行交互的时候，分子仿真模拟器将外部作用力和内部作用力的叠加，结果会实时展现在头戴式显示器中，实现实时通信，实时交互。
在基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统中，可以实现多人同时在线交互，即同一个环境，对于同一个分子仿真模拟器，多人在不同的地点，不同的现实环境中，通过网络，可进入同一个虚拟现实系统中，对分子仿真模拟器同时交互。每个用户的头戴式显示器位置都是由实时的定位系统确定，每个用户的头戴式显示器都装在有合适的显卡的客户端计算机上进行渲染，可连接不同的计算机。分子仿真模拟器需要单独在同一台服务器上进行，可以在本地工作站，也可以在云端，只有连接VR客户端和网络服务器的网络传输数据的速度足够快，系统的延迟就不会被人眼感知，不会出现卡顿现象。在本地网络工作，经过优化降低延迟，分子仿真模拟器和VR客户端通过连接到路由器的电缆进行通信，最终实现多人在不同地点或相同地点，同一个虚拟环境中，实时进行分子模拟系统的交互。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统利用了VR技术的沉浸式体验。在教学应用中，本系统将充分调动学习者的各个感官，提高学习者的注意力，带领学生走进分子的世界，不仅可生动形象地展示微观结构，还允许学生与分子实时交互。该系统通过后台实时计算，对学生的操作实时响应，帮助学生充分理解和掌握分子运动；另一方面，这种实时计算也给予学生极大的自由度，允许他们自由地探索化学反应世界，增加学生对复杂结构的理解和洞察能力，观察分子对象的运动和对扰动的响应，充分调动学生的创造性思维，提高理解分子结构的能力。同时该系统允许多人同时处在同一个虚拟环境中，这样教师可以直接带领学生进行分子结构的探索。基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统是一个不仅科学实用，而且具有美学特点的系统，能有效提高学生对于化学结构的兴趣和学习能力。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统使用户可以从不同的维度进行分子结构的观察和预先设计分子的运动轨迹，头戴式显示器可以使用户从各个角度快速直观的观察复杂分子结构。在虚拟现实系统的环境中，可以操纵分子结构模型和预先设计轨迹等各方面，例如可以暂停或者恢复分子运动，显示或者隐藏某些结构，更方便的观察，旋转或者转换模型。3D空间的分辨率，VR技术可以允许用户灵活的控制分子的结构，沉浸式可视化效果和交互功能，充分调动了用户的视觉和触感等感官，对复杂结构理解更加深刻。
在虚拟环境中使得用户可以对分子结构进行修饰，例如通过将原子或者是官能团来替换另一个官能团来构建和修饰分子，也可在虚拟现实环境中，搭建独立设计的分子结构，促进想象力转化。分子乐高，可以在虚拟环境中，使用元素周期表中的原子搭建用户想要的系统，实现分子结构的乐高搭建，帮助用户开发和创作新的结构和系统，充分调动使用者的想象力和创造力。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统通过实时交互和实时响应，使得用户能够操作分子仿真模拟器，分子仿真模拟器进行动力学的实时响应，因为对分子的操作进行了实时的分子动力学计算，在前端虚拟环境中展示的分子运动基于科学理论，是真实的反应了交互后的分子仿真模拟器的运动。实时的响应，让这个系统更加真实，用户使用虚拟现实操作和创建的原子，运动轨迹都是真实的反应，不是既定轨迹，对于研究和发现新的反应有非常重要的数据支撑。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统可以进行多人实时交互模式，使得多个用户可以在不同地点或者相同地点出现在同一个虚拟世界中，虚拟现实技术进而促进了交流创造能力。虚拟现实技术使得化学结构探索跨越了地域的局限，即使在不同的地点，也可以对同一个系统的原子进行操作，实现团队的合作。在同一地区，可以在虚拟环境中，进行多人协作，实现对相同的系统进行操作，增加了团队的协作，也更加激发了彼此之间的创造性。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统以原子级别的精度对分子结构进行操作，可以应用在多个领域中，例如蛋白质结构设计，蛋白质与配体结合等生物领域，化学反应动力学，以及材料的设计与研究，更好的提高了使用者的认知能力和感知能力。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统为高等化学教育提供了一种新的教育方式，与传统教育相比，该系统更加能够激发学生探索分子结构和反应的兴趣。化学教育是通过物质的微观角度来解释宏观现象，当前的化学课程高度依赖化学结构的分析以及在不同热力学状态下的运动，然而，想要捕捉到复杂结构的变化很困难，学习的过程更是需要把抽象的理论知识与现实的结构联系起来，这增加了教学的难度，但是该系统为化学的教育提供了一种新的思路和想法。
基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统通过前端虚拟现实环境中分子之间的操作和分子仿真模拟器实时响应，实现了信息传输的实时交互模式。VR客户端的操作，通过指令调用分子仿真模拟器进行分子力学的计算，计算结果实时反应在虚拟现实环境中，即VR客户端与服务器的分子动力学计算。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，其特征在于：包括分子仿真模拟器、虚拟现实系统和网络服务器，虚拟现实系统通过网络服务器与分子仿真模拟器进行实时交互，用户经虚拟现实系统通过网络服务器将指令发送到分子仿真模拟器中，分子仿真模拟器进行底层分子动力学计算并将计算结果通过网络服务器实时的传输到前端虚拟现实系统，虚拟现实系统对接收到计算结果进行实时可视化，虚拟现实系统和分子仿真模拟器进行实时交互响应；所述虚拟现实系统包括相互配合VR客户端和虚拟现实软件，VR客户端的数量不少于1个；
所述虚拟现实软件包括MENU、ROTATE、MOVE、SCALE、SELECT和MORE六个模块；所述MENU模块包括System、Visualization、Elements、Molecule和Others模块，System模块可以控制虚拟环境中的温度、压力和施加力的大小，Visualization模块可以对分子的可视化模式进行选择调整，Elements模块包括Add/delete atoms选项，该选项通过添加/删除原子来修改分子的结构，Molecule模块可以控制显示所有原子或者隐藏原子只显示原子之间的成键，Others模块可以对材料进行修改并进行可视化选择，Others模块包括的Contrail选项可以对所有原子的运动轨迹进行可视化；ROTATE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行旋转，MOVE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行移动，SCALE模块可以对虚拟空间中的分子结构进行缩放，SELECT模块可以选择一个特定的原子或一组原子施加相互作用力，MORE模块可以在虚拟现实系统中对仿真模拟器中两个相邻可视化运动所代表的时间步长数进行设置；
其中，所述Visualization模块允许用户选择显示模式为VDW模型或CPK模型，定量可视化可以在x，y和z方向上复制晶胞。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，其特征在于：所述VR客户端选用头戴式VR设备，所述头戴式VR设备包括头戴式显示器、手持控制器和定位系统，所述定位系统可以同时追踪头戴式VR设备和手持控制器的空间位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，其特征在于：所述定位系统通过激光传感器进行定位，所述定位系统的定位误差小于1cm。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，其特征在于：所述Visualization模块允许用户通过二级结构，三级结构和四级结构可视化的方式来展示生物分子抽象分子结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实技术的交互式分子模拟系统，其特征在于：所述虚拟现实软件还包括RECORD模块，RECORD模块对分子结构的完整相互作用过程进行记录并生成运动轨迹，生成的运动轨迹通过网络服务器加载到VR客户端中。
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