本發(fā)明涉及化學(xué)實驗仿真，特別涉及一種基于虛擬現(xiàn)實的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、化學(xué)實驗室是提供化學(xué)實驗條件及其進(jìn)行科學(xué)探究的重要場所。在這里，實驗人員通過實驗操作，不僅能夠驗證理論知識，還能培養(yǎng)科學(xué)思維和實驗技能。然而，實驗室中也潛藏著不少安全隱患。由于實驗人員技能不熟練，操作不當(dāng)，這些隱患可能隨時轉(zhuǎn)化為嚴(yán)重的安全事故。例如，化學(xué)試劑的不當(dāng)混合、實驗設(shè)備的誤操作等，都可能導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸甚至中毒等嚴(yán)重后果。因此，確保實驗室安全，提高人們的實驗技能，是教育者和受教育者共同面臨的挑戰(zhàn)。正是在這種背景下，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用顯得尤為重要。通過虛擬現(xiàn)實仿真化學(xué)實驗室，實驗人員可以在一個安全的環(huán)境中進(jìn)行實驗操作，無需擔(dān)心真實實驗中可能出現(xiàn)的危險，同時，這種技術(shù)還能夠提供更加直觀和互動的學(xué)習(xí)體驗，幫助實驗人員更好地掌握化學(xué)實驗技能。

2、盡管虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)實驗室仿真教學(xué)中的應(yīng)用前景廣闊，但目前市場上的仿真系統(tǒng)功能單一，無法全面模擬真實實驗室中的復(fù)雜環(huán)境和多變條件。而且大多系統(tǒng)只提供了基本的化學(xué)試劑和儀器的簡單操作，缺乏對實驗過程中化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)模擬，或者在操作細(xì)節(jié)上缺乏真實感，如實驗器材的精確操作、化學(xué)反應(yīng)的精確模擬等。這些問題限制了仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的實際應(yīng)用效果，也影響了人們通過仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)化學(xué)實驗的積極性和效果。因此，開發(fā)一個功能全面、操作真實、能夠滿足教學(xué)需求的化學(xué)實驗室仿真系統(tǒng)，對于提高人們的實驗技能和實驗室安全意識具有重要意義。

3、鑒于此，需要一種基于虛擬現(xiàn)實的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中無法全面模擬真實實驗室中的復(fù)雜環(huán)境和多變條件，且缺乏對實驗過程中化學(xué)反應(yīng)的動態(tài)模擬，進(jìn)而在操作細(xì)節(jié)上缺乏真實感的問題，本發(fā)明提供了一種基于虛擬現(xiàn)實的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)及方法，能夠通過搭建化學(xué)實驗室模型以及化學(xué)儀器模型，并且通過特效和動畫的形式模擬化學(xué)實驗中的各種化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)各項基本的化學(xué)實驗。具體技術(shù)方案如下：

2、一種基于虛擬現(xiàn)實的化學(xué)實驗仿真系統(tǒng)，包括：

3、場景搭建單元，采用3d建模和動畫軟件搭建化學(xué)實驗室模型和化學(xué)儀器模型并將其導(dǎo)入游戲引擎中，所述化學(xué)試驗室模型包括桌子，所述化學(xué)儀器模型包括酒精燈；

4、特效單元，包括火苗特效制作模塊，所述火苗特效制作模塊通過游戲引擎的粒子系統(tǒng)模擬火焰效果；

5、碰撞檢測單元，基于游戲引擎進(jìn)行碰撞檢測，當(dāng)觸發(fā)相對應(yīng)的碰撞時，自動觸發(fā)相應(yīng)操作；

6、vr交互單元，包括拾取放置物品模塊和顯隱模塊，所述拾取放置物品模塊建立抓取事件和松開事件，使用手柄將化學(xué)儀器拾取和松開，所述顯隱模塊通過設(shè)置actor在游戲中隱藏直接切換節(jié)點進(jìn)行顯示和隱藏物體，通過不同的碰撞檢測觸發(fā)相對應(yīng)的顯隱。

7、優(yōu)選的，所述拾取放置物品模塊使用手柄將化學(xué)儀器拾取和松開的操作過程具體如下：

8、新建藍(lán)圖接口，新增拾取和松開的函數(shù)，拾取的函數(shù)添加輸入?yún)?shù)，選擇變量的引腳類型為場景組件；新建藍(lán)圖actor，并設(shè)置碰撞屬性，加入物體拾取和釋放的函數(shù)；在vrpawn藍(lán)圖里輸入左右手柄動作，當(dāng)目標(biāo)設(shè)置為靠近物體，判斷還物體是否實現(xiàn)了接口類的方法，再執(zhí)行抓取和松開函數(shù)。

9、優(yōu)選的，所述現(xiàn)已模塊具體操作如下：

10、調(diào)用事件開始執(zhí)行事件，執(zhí)行連接設(shè)置actor在游戲中隱藏，勾選布爾，目標(biāo)連接隱藏actor；調(diào)用碰撞盒子的碰撞重疊事件，類型轉(zhuǎn)換為huochai_2，碰撞檢測是不是huochai_2，object類別連接回object?actor，使用延遲節(jié)點，調(diào)用設(shè)置actor在游戲中隱藏，連接目標(biāo)actor。

11、優(yōu)選的，所述vr交互單元還包括歸位模塊，所述歸位模塊用以實現(xiàn)化學(xué)儀器的還原歸位，其制作過程具體如下：

12、新建布爾變量guiwei、變換變量taeget、浮點變量delta?seconds、浮點變量interp?speed。調(diào)用事件tick執(zhí)行連接一個序列，序列執(zhí)行連接一個分支，在分支里condition連接新建好的guiwei布爾變量，分支true執(zhí)行連接設(shè)置變量delta?second的值，浮點節(jié)點連接事件tick的浮點；

13、調(diào)用設(shè)置actor變換節(jié)點，連接設(shè)置變量delta?second的值，在設(shè)置actor變換節(jié)點中，目標(biāo)連接到所需要?dú)w位的actor，獲取actor的變換，變換t插值到，設(shè)置變量taeget的目標(biāo)變換、變量delta?seconds上次tick后講過的時間、變量interp?speed插值速度；

14、在碰撞盒子的重疊事件，執(zhí)行連接類型轉(zhuǎn)化為yaoping1，碰撞檢測是不是yaoping1，再執(zhí)行連接設(shè)置變量guiwei的值，勾選guiwei。

15、優(yōu)選的，所述火焰特效制作模塊用于制作火焰特效，制作過程如下：

16、火苗材質(zhì)制作：使用ue4里的粒子系統(tǒng)制作火苗，新建一個火苗材質(zhì)球，修改材質(zhì)的混合模式為additive,在用途里勾選使用粒子sprite；導(dǎo)入火苗的紋理圖連接在multiply節(jié)點的b，multiply節(jié)點的a連接一個三維節(jié)點設(shè)置顏色，再將multiply節(jié)點連接到材質(zhì)的自發(fā)光顏色；新建一個一維節(jié)點，修改其值并連接到材質(zhì)的不透明度；

17、在粒子系統(tǒng)的發(fā)射器材質(zhì)里選擇制作好的火苗材質(zhì)，修改必需、生成、初始大小、初始速度等數(shù)值得到一個火苗粒子特效。

18、優(yōu)選的，還包括關(guān)卡序列動畫單元，所述關(guān)卡序列動畫模塊用于制作動畫，并在觸發(fā)相對應(yīng)的碰撞時播放動畫，所述關(guān)卡序列動畫單元包括中和反應(yīng)變色制作模塊，所述中和反應(yīng)變色制作模塊用于制作材質(zhì)變色動畫，具體過程如下：

19、新建一個材質(zhì)，給材質(zhì)一個基礎(chǔ)顏色，并轉(zhuǎn)換為參數(shù)，改名為color；

20、新建一個材質(zhì)參數(shù)集，添加一個向量參數(shù)，命名為color，選擇材質(zhì)球，把基礎(chǔ)顏色替換為新建好的材質(zhì)參數(shù)集，并把參數(shù)名選擇color；

21、新建一個關(guān)卡序列，將材質(zhì)參數(shù)集拖入，添加color屬性，修改其顏色值和打關(guān)鍵幀。

22、優(yōu)選的，還包括關(guān)卡序列動畫單元，所述關(guān)卡序列動畫模塊用于制作動畫，并在觸發(fā)相對應(yīng)的碰撞時播放動畫，所述關(guān)卡序列動畫單元包括塑料瓶炸飛制作模塊，所述塑料瓶炸飛制作模塊用于制作塑料瓶炸飛展示動畫，具體過程如下：

23、新建一個藍(lán)圖actor，添加場景組件并將大塑料瓶靜態(tài)網(wǎng)格體作為其子集，添加樣條線，添加函數(shù)命名為fly，添加浮點變量distance，獲取scene的獲取場景位置和旋轉(zhuǎn)節(jié)點，獲取沿樣條線的距離處位置，獲取沿樣條線的距離處旋轉(zhuǎn)，目標(biāo)連接樣條線，使用浮點變量distance來控制其位置和旋轉(zhuǎn)變換，枚舉值選擇世界坐標(biāo)；

24、選擇變量distance勾選向過場動畫公開，使其暴露到sequence。在構(gòu)造函數(shù)里連接fly函數(shù)，讓fly函數(shù)從一開始就計算；

25、編輯樣條線，編輯成所需要的運(yùn)動路線；

26、新建一個sequence，添加變量distance屬性和中繼器事件，對distance的值進(jìn)行打關(guān)鍵幀，匹配事件與關(guān)鍵幀的長度，在事件函數(shù)調(diào)用fly函數(shù)，勾選激活事件在編輯器的調(diào)用；

27、利用碰撞檢測來實現(xiàn)實驗操作后播放爆炸擊飛動畫。

28、一種基于虛擬現(xiàn)實的化學(xué)實驗仿真方法，應(yīng)用于如上所述的系統(tǒng)，包括如下步驟：

29、通過場景搭建單元搭建化學(xué)實驗室模型和化學(xué)儀器模型，化學(xué)儀器模型包括酒精燈、試管、燃燒匙、集氣瓶、燒杯、火柴、硫、藥匙、玻璃片、廣口瓶；

30、在化學(xué)實驗期間，通過拾取放置物品模塊抓取或放置化學(xué)儀器模型；

31、碰撞檢測單元基于游戲引擎進(jìn)行碰撞檢測，在完成正確的碰撞檢測操作，觸發(fā)特效單元中相對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)粒子特效；

32、通過設(shè)置actor在游戲中隱藏直接切換節(jié)點進(jìn)行顯示和隱藏物體，通過不同的碰撞檢測觸發(fā)相對應(yīng)的顯隱。

33、一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)包括存儲的程序，其中，在程序運(yùn)行時控制所述計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)所在設(shè)備執(zhí)行如上所述的智能探測施工方法。

34、一種處理器，所述處理器用于運(yùn)行程序，其中，程序運(yùn)行時執(zhí)行如上所述的智能探測施工方法。

35、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

36、本發(fā)明通過場景搭建單元搭建化學(xué)實驗室模型和化學(xué)儀器模型，在化學(xué)實驗期間，通過拾取放置物品模塊抓取或放置化學(xué)儀器模型，通過碰撞檢測單元進(jìn)行碰撞檢測，在完成正確的碰撞檢測操作，觸發(fā)特效單元中相對應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)粒子特效，并且通過設(shè)置actor在游戲中隱藏直接切換節(jié)點進(jìn)行顯示和隱藏物體，通過不同的碰撞檢測觸發(fā)相對應(yīng)的顯隱。進(jìn)而模擬包括硫的燃燒實驗、高錳酸鉀制取氧氣實驗、粉塵爆炸實驗、中和反應(yīng)實驗在內(nèi)的眾多化學(xué)實驗。