原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端与流程

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端。

背景技术：

目前，作为21世纪影响人们生活的最重要的技术之一，虚拟现实技术发展迅速，已广泛应用于军事、医疗、教育、商业、娱乐和制造业等各个领域。美国、日本、英国等发达国家对这一领域的研究和开发已投入大量资金，并取得丰富的成果。近年来，虚拟现实技术越来越受到国内研究者的关注，已成为国家科技攻关的重要项目之一。为了更好地增强虚拟现实系统沉浸性、交互性和构想性，人们已不再满足于视觉和听觉上的交互，而将目光转移到了力反馈上。力反馈是指通过适当的算法控制驱动器根据用户交互的力度大小给出特定的力输出，从而渲染用户通过眼、耳感知到的虚拟环境，使用户更便捷地执行相关操作，并通过相应反馈对自己的操作做出判断并修正。与其他感知方式不同，触觉是人类感觉中唯一可以与外界进行双向沟通的媒介，这可以极大扩展虚拟现实技术的应用范围，给用户更丰富和逼真的感觉。力触觉反馈系统可广泛应用于社会生产发展的各个领域，从工业生产到机器人设计，从医疗到科研教育，从军事国防到生活娱乐都有不可替代的作用。力反馈设备在操作者和虚拟环境之间的交互过程中起着虚实转换的作用，力反馈设备的拓扑性能决定了用户的体验的好坏。国外的一些力反馈设备目前已实现商品化，其中美国sensable公司的phantom系列，immersion公司的cyberforce系列和瑞士dimension公司的forcedimension系列运用较为广泛。力反馈设备的研究对驱动器、传感器和机械结构的设计和耦合有很高的要求，因为它决定了该系统作为力反馈人机界面的可交互性，灵敏度和控制精度。

现有力反馈显示系统技术方案中，绝大部分是基于宏观尺度环境建设而成的，如各种游戏类环境、仿真类产品、体验类模拟仓等，这些产品都是基于人本身对于身边物理环境的理解，模拟人与环境交互过程，帮助人们体验、理解和掌控虚拟环境中特定目标的几何外形、动力学和运动学特征具有重要作用。然而，对于微观世界特别是纳米原子层面微观世界，研究对象的物理形态和特性的虚拟现实研究十分少见，以分子动力学为理论支撑的虚拟现实配合数值仿真计算，对于高校研究和教育具有突出特色和先导性，可以帮助研究人员，更加细致、精确的搭建理论模型，更加生动、全面的阐述md理论模型的突出特点，通过力触觉交互操作，可以让研究人员对于原/分子世界的力学模型、热力学模型、惯性模型，甚至表面纹理模型等拥有更加全面准确的认识，让纷繁复杂的分子动力学研究变得生动有趣、易于理解接受，有利于科研成果进一步转化，为将来产学研结合拓展更大空间。

现有技术：cn201710402277.0一种带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统，发明了一种带有力/触觉反馈的虚拟现实飞机座舱系统，即用头盔显示器、运动跟踪传感器及力/触觉反馈系统，代替常规飞行模拟器实物座舱及操纵机构，以虚拟现实技术为人机交互方式而构造的飞行模拟器。该发明虚拟现实飞机座舱系统，由计算机和相应的虚拟现实接口设备组成，采用基于网络的分布式结构，以计算机作为计算节点，不同计算节点之间通过网络进行通信；通过运动跟踪传感器采集运动数据，以头盔显示器作为视觉反馈设备输出虚拟场景，力/触觉反馈系统为用户提供真实的力/触觉反馈。与传统的飞行仿真器相比，该系统体积较小，成本较低，在结构和功能上有较强的柔性，且能实现较好的力/触觉反馈体验，进而获得更好的沉浸感和交互性。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有技术的虚拟现实主要体现形式为流程式模拟仿真，是对建造、构建、操作等一系列复杂动作进行规范化模拟，即现有技术是对成熟的操作流程进行模拟，对于一些流程要求不明确，或者些相对自由的研发流程，现有技术没有解决切入口聚焦的问题；

(2)现有技术为基于流程管理的图像模型，例如，飞行器控制台操作，建筑工地施工流程管理、手术操作等，这些与后台数据算法模型耦合度不够，不利于科研或研发的进一步数据分析，难以从定性走向定量；

(3)在数据模型发生变动时，原模型需要进行较大调整。

解决以上问题及缺陷的难度为：在图像模型与后台数据模型耦合时，因系统原因，尤其是针对异地多人协同系统，会出现系统延时，导致图像模型与数据模型模拟结果不同步，数据耦合出现滞后式偏移，或者因系统处理冲突，导致数据输出紊乱。

解决以上问题及缺陷的意义为：将图像模型和后台数据模型进行耦合后，可以直观、方便的对图像模型进行进一步分析，推导下一步模拟方法和路径，且系统可以和其他接口进行友好交互，有利于系统模块化扩展和整合。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端。

本发明是这样实现的，一种原子结构三维显示方法，所述原子结构三维显示方法包括：

第一步，md分子动力学模拟环境，通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算，(计算过程见下述内容)；

第二步，计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界通过后台数据库进行数据图像耦合，在每个原子上均可以打开相关属性，该属性值寄存于后台数据库，原子的基本属性可以通过视图调整显示出来；

第三步，耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈，在克服作用力的情况下重新组合原子结构，对分子或原子结构的破坏、重组。

进一步，所述原子结构三维显示方法通过x射线衍射实验获得材料所含原子的空间坐标；通过定义原子之间相互作用势能来定义结构中的原子力场；通过原子的势能对坐标的偏导获得作用在每个原子上的力；运用牛顿第二定律即可获得结构中每个原子的加速度；通过选择时间步长，对加速度求积分获得每个原子的速度，再对速度求积分可获得每个原子的位移，获得结构新的构型。

进一步，所述原子结构三维显示方法的分子动力学模拟可以获得各个时刻下每个原子的加速度、速度和位移，通过统计力学原理，用少数粒子长时间的平均行为来取代大量粒子的瞬时平均行为，宏观物体的宏观物理量。

进一步，所述原子结构三维显示方法以代表性单元为元胞，加上周期边界条件，采用三维周期边界条件可以模拟大尺寸的块体材料；采用二维周期边界条件模拟表面及薄膜；采用一维周期边界条件模拟纳米丝，用纳米尺度的模拟结果来与宏观的物理力学性质进行比较。

进一步，所述原子结构三维显示方法使用的蒙脱石含有na⁺，si⁴⁺，al²⁺，mg²⁺，o^2-，oh^-及h2o分子，对不同的离子进行差异染色，同时赋予各自对应的原子量，以构建各自的惯性特征；作用力通过原子中心间距的函数计算而来，在一定范围内原子间作用力对外表现为吸引力，超出一定范围表现为排斥力。

进一步，所述吸引力和排斥力的大小、方向均根据原子间相对位置，及原子晶格分布密度计算得出，然后通过人机交互给用户整体的力反馈体验，力反馈交互设备能够提供6个自由度的操作，包括直角坐标系里的3个正交轴方向和绕各自轴的旋转方向。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

第一步，md分子动力学模拟环境，通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算；

第二步，计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界进行数据图像耦合；

第三步，耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈，在克服作用力的情况下重新组合原子结构，对分子或原子结构的破坏、重组。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

第一步，md分子动力学模拟环境，通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算；

第二步，计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界进行数据图像耦合；

第三步，耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈，在克服作用力的情况下重新组合原子结构，对分子或原子结构的破坏、重组。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述原子结构三维显示方法的原子结构三维显示系统，所述原子结构三维显示系统包括：

md分子动力学模拟环境模块，用于通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算；

虚拟现实技术开发环境模块，接收md分子动力学模拟环境模块1的计算结果，将计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界进行数据图像耦合；

3dsystemtouch力反馈交互设备模块，将虚拟现实技术开发环境模块2的耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈；在克服作用力的情况下重新组合原子结构，对分子或原子结构的破坏、重组。

本发明的另一目的在于提供一种终端，所述终端搭载所述的原子结构三维显示方法系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明通过三维虚拟现实系统构建出来，用户则可以通过人机交互设备，配合vr眼镜等，将自己转换的原子空间结构中去，可以近距离观察原子结构，体验原子惯性运动，拉动、拖拽、翻转、敲击目标，配合md后台计算，可以在交互过程中得到一些分析数据，并且可以通过力反馈操作，拼接或破坏相关共价键，通过力反馈捕捉原子结构，是分子动力学更加直观和便于理解，以便进一步分析模型，找到下一步研发突破口。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的原子结构三维显示方法流程图。

图2是本发明实施例提供的原子结构三维显示系统的结构示意图；

图中：1、md分子动力学模拟环境模块；2、虚拟现实技术开发环境模块；3、3dsystemtouch力反馈交互设备模块。

图3是本发明实施例提供的多尺度模拟示意图。

图4是本发明实施例提供的单晶格元胞结构示意图。

图5是本发明实施例提供的三维空间的氧原子与硅原子示意图。

图6是本发明实施例提供的正四面体结构的sio2示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的原子结构三维显示方法包括以下步骤：

s101：md分子动力学模拟环境，通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算；

s102：计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界进行数据图像耦合；

s103：耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈给用户，也可以在克服作用力的情况下重新组合原子结构，对分子或原子结构的破坏、重组。

如图2所示，本发明提供的原子结构三维显示系统包括：

md分子动力学模拟环境模块1，用于通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算。

虚拟现实技术开发环境模块2，接收md分子动力学模拟环境模块1的计算结果，将计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界进行数据图像耦合。

3dsystemtouch力反馈交互设备模块3，将虚拟现实技术开发环境模块2的耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈；在克服作用力的情况下重新组合原子结构，对分子或原子结构的破坏、重组。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明的多尺度数值模拟根据时间和空间的尺度，可分为宏观、细观到微观的分子和电子四个尺度，每种尺度有对应的数值模拟方法，如宏观的有限元方法，细观的离散元方法，分子(原子)尺度的分子动力学方法以及电子尺度的第一性原理等，如图3所示。

在土木工程领域，由于岩土材料结构和成分的复杂性，对岩土材料的模拟主要是用宏观和细观模拟方法，相当于把岩土材料均质化后放置在黑箱中，通过实验得出的岩土材料本构关系对其进行计算机建模模拟。分子动力学模拟方法则是对岩土材料的原子结构进行建模，把岩土材料“黑箱”透明化，实现岩土材料微观变形破坏过程的可视化，从而为宏观实验及宏细观模拟的结果提供机理解释。

分子动力学是以分子或原子为研究对象，遵循牛顿第二定律的古典粒子动力学。通过x射线衍射实验获得材料所含原子的空间坐标；通过定义原子之间相互作用势能来定义结构中的原子力场；通过原子的势能对坐标的偏导获得作用在每个原子上的力；由于每个原子的质量已知，运用牛顿第二定律即可获得结构中每个原子的加速度；通过选择合适的时间步长，对加速度求积分获得每个原子的速度，再对速度求积分可获得每个原子的位移，从而获得结构新的构型。因此，分子动力学模拟可以获得各个时刻下每个原子的加速度、速度和位移，通过统计力学原理，可以用少数粒子长时间的平均行为来取代大量粒子的瞬时平均行为，即宏观物体的宏观物理量，如温度、压强、能量、应力等。

由于现有计算能力的限制，从微观原子角度用分子动力学方法来模拟宏观材料的力学行为时，很难直接模拟实际宏观材料的尺寸，只能选取一个分子动力学元胞来进行模拟。如图4所示，以代表性单元为元胞，加上周期边界条件，采用三维周期边界条件可以模拟大尺寸的块体材料；采用二维周期边界条件可以模拟表面及薄膜；采用一维周期边界条件可以模拟纳米丝，可以用纳米尺度的模拟结果来与宏观的物理力学性质进行比较。

作为一种带力反馈的虚拟现实原子结构三维显示系统，其组成部分主要包括：md分子动力学模拟环境、虚拟现实技术开发环境、3dsystemtouch力反馈交互设备系统。md分子动力学模拟环境，通过md方法对矿物材料原子或分子结构模型进行建模计算，其计算结果通过虚拟现实技术开发环境，与虚拟现实世界进行数据图像耦合，该耦合结果的力学特性将通过力反馈交互系统反馈给用户，用户也可以在克服作用力的情况下重新组合原子结构，达到对分子或原子结构的破坏、重组。

以蒙脱石为例，里面含有na⁺，si⁴⁺，al²⁺，mg²⁺，o^2-，oh^-等各种离子，及h2o分子，对不同的离子进行差异染色，同时赋予各自对应的原子量，以构建各自的惯性特征。作用力是通过原子中心间距的函数计算而来，在一定范围内原子间作用力对外表现为吸引力，超出一定范围表现为排斥力。这两种力大小、方向均根据原子间相对位置，及原子晶格分布密度计算得出，然后通过人机交互给用户整体的力反馈体验。力反馈交互设备能够提供6个自由度的操作，包括直角坐标系里的3个正交轴方向和绕各自轴的旋转方向。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

本实验假设有一个简单的二氧化硅sio2正四面体，微观世界中其一个单晶元胞表现为一个硅原子被四个氧原子通过共价键包围，该四面体包含两种原子，si原子和o原子，原子量分别为28和16，通过一定比例系数放大后，该原子量可以作为惯性系统参数依据设计力反馈，而氧原子和硅原子通过共价键结合后，二者之间的结合力也可以通过md方法计算得出，该力的大小也可以通过力反馈设备设定给出，而作为一个包含5个原子、4根共价键的基本元胞，该结构可以通过三维虚拟现实系统构建出来，用户则可以通过人机交互设备，配合vr眼镜等，将自己转换的原子空间结构中去，可以近距离观察原子结构，体验原子惯性运动，拉动、拖拽、翻转、敲击目标，配合md后台计算，可以在交互过程中得到一些分析数据，并且可以通过力反馈操作，拼接或破坏相关共价键，通过力反馈捕捉原子结构，是分子动力学更加直观和便于理解，以便进一步分析模型，找到下一步研发突破口。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。