CN116189516A - 基于元宇宙的物理实验室系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于元宇宙的物理实验室系统，包括：元宇宙世界部分和真实世界部分；元宇宙世界部分设置于计算机中，并通过真实世界部分向元宇宙世界部分输入物理实验参数；元宇宙世界部分包括：实验脚本设置模块、用户替身与虚拟用户管理模块以及计算仿真处理单元；实验脚本设置模块用于设置和选取对应的实验脚本以对整个物理实验的流程进行设置；用户替身与虚拟用户管理模块用于对用户替身和虚拟用户进行设置；计算仿真处理单元包括通过实验脚本设置模块调用并执行对应的实验脚本完成对应的物理实验过程，将用户替身与虚拟用户置于实验场景中与实验脚本进行交互，以获得实验结果。本发明可模拟出用户亲临真实实验环境进行物理实验。

Description

基于元宇宙的物理实验室系统
技术领域
本发明涉及虚拟现实领域，尤其涉及一种基于元宇宙的物理实验室系统及方法。
背景技术
物理实验对于加深学生对物理原理有很重要的帮助作用，但现实中由于条件限制等因素无法进行所有的物理实验。
元宇宙具有沉浸式的特点，对于切身感受物理实验有较大帮助。
发明内容
本发明提供了一种基于元宇宙的物理实验室系统，用以解决现实中由于条件限制等因素无法进行所有的物理实验的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于元宇宙的物理实验室系统，包括：元宇宙世界部分和真实世界部分；元宇宙世界部分设置于计算机中，并通过真实世界部分向元宇宙世界部分输入物理实验参数；
元宇宙世界部分包括：实验脚本设置模块、用户替身与虚拟用户管理模块以及计算仿真处理单元；实验脚本设置模块用于设置和选取对应的实验脚本以对整个物理实验的流程进行设置，物理实验的流程包括实验初始物品、物品初始状态、实验过程动作、实验过程控制以及实验结束判断；用户替身与虚拟用户管理模块用于对用户替身和虚拟用户进行设置，包括用户替身和虚拟用户的生成、用户替身的感知、虚拟用户的协同以及多用户替身之间的协作过程；计算仿真处理单元包括根据真实世界部分输入的物理实验参数通过实验脚本设置模块调用并执行对应的实验脚本完成对应的物理实验过程，通过调用用户替身与对应的虚拟用户管理模块将用户替身与虚拟用户置于实验场景中与实验脚本进行交互，以获得实验结果。
优选地，真实世界部分包括键盘、手持控制器和VR眼镜中任意一种或者几种的组合。
优选地，元宇宙世界部分，还包括：存储模块、虚拟物体绘制模块、虚拟环境绘制模块、物理参数设置模块、材质设置模块、环境设置模块和沉浸式显示与交互模块；
存储模块，用于存储配置信息、数据信息、计算中间结果信息以及显示信息；
虚拟物体绘制模块，用于提供对元宇宙世界中的物体的绘制工具，物体包括长方体、圆柱体、圆锥体、多面体和\或N棱柱，并用于对物体的物理组合融合、纹理皮肤和\或光泽贴片进行设置；
虚拟环境绘制模块，用于提供对物理实验环境的建模工具，物理实验环境包括天气、土地、海洋、滩涂、草原、森林和\或室内；
物理参数设置模块，用于对虚拟物体绘制模块绘制的物体的物理属性进行设置，物理属性包括速度、位置、质量、温度和体积；
材质设置模块，用于对虚拟物体绘制模块绘制的物体的材料属性进行设置，物体的材料属性包括硬度、密度、光反射、导热能力以及导电能力；
环境设置模块，用于对虚拟环境绘制模块建模的物理实验环境的参数进行设置，物理实验环境的参数包括光照、温度、湿度、气压、重力场以及磁场；
沉浸式显示与交互模块，用于元宇宙世界的展现与人机交互；包括展示实验过程以及实验结果。
优选地，元宇宙世界部分，还包括实验结果评价模块；
实验结果评价模块，用于提供各类物理实验结果的评价规则；
计算仿真处理单元，还用于调用实验结果评价模块对实验结果进行标准评价。
优选地，用户替身与操作真实世界部分的用户数量对应；虚拟用户为根据用户选定的物理实验的参数生成的虚拟人物。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的基于元宇宙的物理实验室系统，利用元宇宙技术用于物理实验，通过沉浸式虚拟现实和用户替身，模拟出用户亲临真实实验环境进行物理实验，大可以支持在虚拟沉浸式环境下进行各种物理实验，支持编辑关于物理实验的各种脚本，大大提高了用户对物理原理的理解。
2、本发明的基于元宇宙的物理实验室系统，设置灵活，给使用人员有较大的可操作空间，从底层的物体和环境都可以按需绘制，增加了自研物理实验的能力。
3、本发明的基于元宇宙的物理实验室系统，内置物理实验评价机制，支持对物理实验操作的评判，保证了参与实验的用户可以切实体会到实验过程规则的重要性和操作的正确性。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于元宇宙的物理实验室系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的基于元宇宙的物理实验室系统的另一结构组成模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本实施例中基于元宇宙的物理实验室系统，包括：元宇宙世界部分和真实世界部分；元宇宙世界部分设置于计算机中，并通过真实世界部分向元宇宙世界部分输入物理实验参数。
本实施例中，元宇宙世界部分包括：实验脚本设置模块、用户替身与虚拟用户管理模块以及计算仿真处理单元；实验脚本设置模块用于设置和选取对应的实验脚本以对整个物理实验的流程进行设置，物理实验的流程包括实验初始物品、物品初始状态、实验过程动作、实验过程控制以及实验结束判断；用户替身与虚拟用户管理模块用于对用户替身和虚拟用户进行设置，包括用户替身和虚拟用户的生成、用户替身的感知、虚拟用户的协同以及多用户替身之间的协作过程；计算仿真处理单元包括根据真实世界部分输入的物理实验参数通过实验脚本设置模块调用并执行对应的实验脚本完成对应的物理实验过程，通过调用用户替身与对应的虚拟用户管理模块将用户替身与虚拟用户置于实验场景中与实验脚本进行交互，以获得实验结果。
本实施例中，真实世界部分包括键盘、手持控制器和VR眼镜中任意一种或者几种的组合。
参见图2，元宇宙世界部分，还可包括：存储模块、虚拟物体绘制模块、虚拟环境绘制模块、物理参数设置模块、材质设置模块、环境设置模块和沉浸式显示与交互模块。其中：
存储模块，用于存储配置信息、数据信息、计算中间结果信息以及显示信息；
虚拟物体绘制模块，用于提供对元宇宙世界中的物体的绘制工具，物体包括长方体、圆柱体、圆锥体、多面体和\或N棱柱，并用于对物体的物理组合融合(形状组合及融合)、纹理皮肤和\或光泽贴片进行设置；
虚拟环境绘制模块，用于提供对物理实验环境的建模工具，物理实验环境包括天气、土地、海洋、滩涂、草原、森林和\或室内；
物理参数设置模块，用于对虚拟物体绘制模块绘制的物体的物理属性进行设置，物理属性包括速度、位置、质量、温度和体积；
材质设置模块，用于对虚拟物体绘制模块绘制的物体的材料属性进行设置，物体的材料属性包括硬度、密度、光反射、导热能力以及导电能力；
环境设置模块，用于对虚拟环境绘制模块建模的物理实验环境的参数进行设置，物理实验环境的参数包括光照、温度、湿度、气压、重力场以及磁场；
沉浸式显示与交互模块，用于元宇宙世界的展现与人机交互；包括展示实验过程以及实验结果；
以及实验结果评价模块；实验结果评价模块，用于提供各类物理实验结果的评价规则。在设置了实验结果评价模块的实施例中，计算仿真处理单元，还用于调用实验结果评价模块对实验结果进行标准评价。
实施时，用户替身与操作真实世界部分的用户数量对应；虚拟用户为根据用户选定的物理实验的参数生成的虚拟人物。用户进入元宇宙世界时可以选择替身，支持多个用户同时进行同一实验；元宇宙世界也可以产生虚拟人物来协助用户替身进行物理实验。
可以采用本实施例的基于元宇宙的物理实验室系统进行如下实验步骤或过程：
(1)实验脚本设置模块。
S1：管理人员(用户)使用实验脚本设置模块；
S2：设定实验标题、实验描述、实验参与最高人数；
S3：加载参与实验的物体、环境；
S4：调用存储模块中的数据，加载物体的材质设置参数；
S5：调用存储模块中的数据，加载环境设置参数；
S6：设置初始的物体的物理参数；
S7：设置实验阶段，描述实验每一阶段的操作过程；
S8：设置实验结束的状态。
(2)实验结果评价模块。
S1：管理人员(用户)使用实验结果评价模块；
S2：选择在实验脚本设置模块中的实验；
S3：针对该实验的每一个阶段，设置成功的状态标记，如位置、姿态、速度、温度、湿度、压力、压强、密度等等；
S4：设置最终实验状态的评价规则，等级分为A～E。
(3)基于元宇宙的物理实验室系统使用过程。
S1：管理人员在后台通过虚拟物体绘制模块、虚拟环境绘制模块、物理参数设置模块、材质设置模块、环境设置模块、实验脚本设置模块、用户替身与虚拟用户管理模块、计算仿真处理单元、实验结果评价模块等的设置，将实验场景建立；
S2：参与实验的人员操控键盘、手持控制器，戴上VR眼镜，选择对应的用户替身，进入元宇宙物理实验室；
S3：用户操纵替身选择物理实验，查看实验过程规则；
S4：实验脚本设置模块读取下一条实验阶段和规则，要求用户进行实验实现；
S5：实验进入各个阶段，在每个阶段，用户按照要求操作键盘和手持控制器对实验物体进行控制；
S6：计算仿真处理单元实时接收S5步骤的实验数据，并调用实验结果评价模块评价规则，实时计算实验正确与否，若错误进行预警，并跳转到S4；
S7：用户完成全部实验过程，计算仿真处理单元实时接收全部实验过程数据，并调用实验结果评价模块最终打分规则对本次实验进行评价。
(4)马德堡半球实验元宇宙物理实验过程。
通常在真实环境中进行马德保半球实验证明大气压存在是比较繁琐的，现在利用元宇宙物理实验环境进行验证。
S1：实验管理员在元宇宙中绘制出两个半球；
S2：实验管理员声明半球的物理特性、大气压等参数；
S3：实验管理员设定虚拟用户数量N，并将用户分组；
S4：设定每组虚拟用户的拉力方向和拉力大小；
S5：实验管理员设定开始实验；
S6：参与实验的真实用户U戴上眼镜进入系统，手持控制器；
S7：U利用控制器在元宇宙中将两个半球合并，并将其中的空气抽干净；
S8：U选择一个用户组(S3)；
S9：U点击开始拉动，U使用控制器和所选择的组一同用力拉；
S10：其余一组用户根据设定向相反的方向拉；
S11：U实时感受控制器回传的拉动阻力，U可以选择加大拉力；
S12：反复执行S10～S11，直到两边拉大大于大气压力，半球被拉开；
S13：实验结束。
综上可知，本发明利用元宇宙技术用于物理实验，通过沉浸式虚拟现实和用户替身，模拟出用户亲临真实实验环境进行物理实验，大可以支持在虚拟沉浸式环境下进行各种物理实验，支持编辑关于物理实验的各种脚本，大大提高了用户对物理原理的理解。从底层的物体和环境都可以按需绘制，增加了自研物理实验的能力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于元宇宙的物理实验室系统，其特征在于，包括：元宇宙世界部分和真实世界部分；所述元宇宙世界部分设置于计算机中，并通过真实世界部分向所述元宇宙世界部分输入物理实验参数；
所述元宇宙世界部分包括：实验脚本设置模块、用户替身与虚拟用户管理模块以及计算仿真处理单元；所述实验脚本设置模块用于设置和选取对应的实验脚本以对整个物理实验的流程进行设置，所述物理实验的流程包括实验初始物品、物品初始状态、实验过程动作、实验过程控制以及实验结束判断；所述用户替身与虚拟用户管理模块用于对用户替身和虚拟用户进行设置，包括用户替身和虚拟用户的生成、用户替身的感知、虚拟用户的协同以及多用户替身之间的协作过程；所述计算仿真处理单元包括根据所述真实世界部分输入的物理实验参数通过实验脚本设置模块调用并执行对应的实验脚本完成对应的物理实验过程，通过调用用户替身与对应的虚拟用户管理模块将用户替身与虚拟用户置于实验场景中与实验脚本进行交互，以获得实验结果。
2.根据权利要求1所述的基于元宇宙的物理实验室系统，其特征在于，所述真实世界部分包括键盘、手持控制器和VR眼镜中任意一种或者几种的组合。
3.根据权利要求1所述的基于元宇宙的物理实验室系统，其特征在于，所述元宇宙世界部分，还包括：存储模块、虚拟物体绘制模块、虚拟环境绘制模块、物理参数设置模块、材质设置模块、环境设置模块和沉浸式显示与交互模块；
所述存储模块，用于存储配置信息、数据信息、计算中间结果信息以及显示信息；
所述虚拟物体绘制模块，用于提供对元宇宙世界中的物体的绘制工具，所述物体包括长方体、圆柱体、圆锥体、多面体和\或N棱柱，并用于对所述物体的物理组合融合、纹理皮肤和\或光泽贴片进行设置；
所述虚拟环境绘制模块，用于提供对物理实验环境的建模工具，物理实验环境包括天气、土地、海洋、滩涂、草原、森林和\或室内；
所述物理参数设置模块，用于对虚拟物体绘制模块绘制的物体的物理属性进行设置，物理属性包括速度、位置、质量、温度和体积；
所述材质设置模块，用于对虚拟物体绘制模块绘制的物体的材料属性进行设置，所述物体的材料属性包括硬度、密度、光反射、导热能力以及导电能力；
所述环境设置模块，用于对虚拟环境绘制模块建模的物理实验环境的参数进行设置，所述物理实验环境的参数包括光照、温度、湿度、气压、重力场以及磁场；
所述沉浸式显示与交互模块，用于元宇宙世界的展现与人机交互；包括展示实验过程以及实验结果。
4.根据权利要求3所述的基于元宇宙的物理实验室系统，其特征在于，所述元宇宙世界部分，还包括实验结果评价模块；
所述实验结果评价模块，用于提供各类物理实验结果的评价规则；
所述计算仿真处理单元，还用于调用实验结果评价模块对实验结果进行标准评价。
5.根据权利要求1所述的基于元宇宙的物理实验室系统，其特征在于，所述用户替身与操作所述真实世界部分的用户数量对应；所述虚拟用户为根据用户选定的物理实验的参数生成的虚拟人物。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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