本发明涉及虚拟现实技术领域，更具体地说，它涉及一种基于虚拟现实技术的实验模拟系统及方法。
背景技术
实验教学法，是指学生在教师的指导下，使用一定的设备和材料，通过控制条件的操作过程，引起实验对象的某些变化，从观察这些现象的变化中获取新知识或验证知识的教学方法。在物理、化学、生物、地理和自然常识等学科的教学中，实验是一种重要的方法。一般实验是在实验室、生物或农业实验园地进行的。有的实验也可以在教室里进行。
但是通常情况下，由于有些实验存在一定危险性，例如：镁燃烧实验等，若由学生亲自做，容易造成危险，故而，有些实验通常是由老师做实验演示给学生看，使得学生无法真实体验实验的操作过程。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于虚拟现实技术的实验模拟方法，能够亲自使得学生能够真实体验实验的操作过程，且安全性高。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于虚拟现实技术的实验模拟方法，所述方法包括：
从场景数据库中选取、加载虚拟实验场景；所述用户包括学生和老师；所述虚拟实验场景包括：背景环境、学生操作区域和老师操作区域；所述学生操作区域、老师操作区域均配置有相应的实验道具；
依据用户的身份信息，将用户的第一视角对应至相应的操作区域；
获取老师的实验阶段切换指令，并依据实验阶段切换指令对虚拟实验场景内的实验道具的操作模式进行切换；其中，当获取到演示指令时，屏蔽学生的实验道具使用指令，并将学生操作区域内的实验道具与老师操作区域内的实验道具进行被动关联；当获取到实践指令时，开放对学生的实验道具使用指令的响应，并解除所述被动关联的设置；
在不同的实验阶段，获取相应用户的实验道具使用指令，根据实验道具使用指令确定相应的实验道具，并对虚拟实验场景的画面进行动态调整。
通过以上技术方案：老师可在实验正式开始前，在虚拟实验场景中向各个学生进行演示，在演示过程中，学生无法对场景中的实验道具进行操作；当老师演示结束后，解除对学生的限制，进而学生可自由地对各自的操作区域捉的实验道具进行操作。
优选地，当用户为学生时，在根据实验道具使用指令确定相应的实验道具，并对虚拟实验场景的画面进行动态调整的过程中，所述方法还包括：
记录实验道具的使用数据，以此作为当前实验过程；
依据预设的正确实验过程对该学生的当前实验过程进行评判；其中，在该学生的当前实验过程中，若错误次数达到预设值，则在老师的第一视角中呈现相应的提醒信息。
通过以上技术方案：可对学生的实验过程进行实时监控。
优选地，所述方法还包括：
接收老师的巡检指令，并依据老师的巡检指令开启场景漫游模式，进而按照预设的漫游路径调整老师的第一视角中的画面；
其中，在所述漫游模式运行时，还接收老师的启/停指令，并依据该启/停指令控制漫游过程的暂停、继续。
通过以上技术方案：能够方便老师巡检各个学生的实验过程，并提供了场景停留的功能。
优选地，所述方法还包括：
接收学生的视角切换指令，并依据学生的切换指令将该学生的第一视角切换至其它的学生操作区域。
通过以上技术方案：可方便学生之间相互借鉴。
优选地，所述方法还包括：
接收学生的协助指令，并依据学生的协助指令在老师的第一视角中呈现协助请求信息；
接收老师的协助确认指令，并依据老师的协助确认指令与该学生建立语音对话链路，以及将老师的第一视角切换至该学生的第一视角；并在这之后，
屏蔽该学生的实验道具使用指令；
接收老师的实验道具使用指令，依据老师的实验道具使用指令确定该学生所在的学生操作区域中的实验道具，并对该学生、老师的第一视角中的画面进行动态调整。
优选地，所述方法还包括：
接收老师的协助结束指令，依据老师的协助结束指令开放对该学生的实验道具使用指令的响应，切换所述语音对话链路，以及将老师的第一视角切换至默认状态。
通过以上技术方案：当学生遇到难题时，可通过上述的方法向老师获取协助，进而在老师的指导下完成实验。
附图说明
图1为实施例中实验模拟方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
本实施例提供一种基于虚拟现实技术的实验模拟方法，能够方便学生真实的体验实验过程，并且无需担心会因误操作而受伤。参照图1，该方法包括：
s01：从场景数据库中选取、加载虚拟实验场景；用户包括学生和老师；虚拟实验场景包括：背景环境、学生操作区域和老师操作区域；学生操作区域、老师操作区域均配置有相应的实验道具。
在实施本步骤之前，需要构建专用的实验室，该实验室的整体布局与一般的教室或实验室无明显区别，唯一的区别在于，教师台和学生台上分别配置有一套虚拟现实设备，每一套虚拟现实设备均包括语音对讲设备、vr头盔、手柄和控制分机，其中，语音对讲设备、vr头盔、手柄均通过驱动信号线连接到控制分机上。另外，实验室中还具有一台控制主机，控制主机配置有场景数据库，场景数据库中具有多个不同类别的虚拟实验场景，包括物理实验场景、化学实验场景、生物实验场景等，并且每一类虚拟实验场景均根据对应的课程被划分为多个子场景。
在每一个子场景中，场景画面总体与实验室的布局相同，分为老师操作区域和学生操作区域，其中中学生操作区域有多个虚拟的学生台，老师操作区域有一个教师台，学生台、教师台上均有配置有一套实验道具，供学生和老师操作。
在实验开始前，老师通过教师台上的控制分机从控制主机中选取相应的虚拟实验场景。控制主机基于老师的选择操作，将被选取的虚拟实验场景的数据传输至各个控制分机，各个控制分机接收到数据后，基于接收到的数据以驱动与之连接的vr头盔显示相应的虚拟实验场景的画面；
s02：依据用户的身份信息，将用户的第一视角对应至相应的操作区域。
每一控制分机均具有不同的识别代号，进而控制分机在驱动vr头盔时，根据自己的代号，将第一视角定位在对应的操作区域，具体地说，是定位在对应的学生台或教师台上,并正对于实验道具；
s03：获取老师的实验阶段切换指令，并依据实验阶段切换指令对虚拟实验场景内的实验道具的操作模式进行切换；其中，当获取到演示指令时，屏蔽学生的实验道具使用指令，并将学生操作区域内的实验道具与老师操作区域内的实验道具进行被动关联；当获取到实践指令时，开放对学生的实验道具使用指令的响应，并解除被动关联的设置。
在实验开始时，老师通过教师台上的控制分机向控制主机发出实验阶段切换指令，控制主机将该实验阶段切换指令转发至各个控制分机，各个控制分机接收到实验阶段切换指令后，屏蔽由手柄发出的指令，即：对应学生的实验道具使用指令。屏蔽后，无论学生如何操作手柄，控制分机都不会对手柄发出的操作指令作出响应。之后，老师、学生均戴上vr头盔，进入演示阶段；
s04：在不同的实验阶段，获取相应用户的实验道具使用指令，根据实验道具使用指令确定相应的实验道具，并对虚拟实验场景的画面进行动态调整。
首先，进入演示阶段后，老师通过手柄进行操作，控制分机基于手柄的操作指令生成实验道具使用指令，并据此确认与老师对应的虚拟实验场景中的实验道具，然后对场景内的画面进行动态调整，即控制相应的实验道具动作、显示名称等。与此同时，教师台上的控制分机将老师的实验道具使用指令发送至控制主机，进而由控制主机转发至各个学生台上的控制分机。控制分机在接收到老师的实验道具使用指令后，控制与学生对应的虚拟实验场景中的实验道具动作、显示名称等。在老师演示结束后，老师通过手柄发出实践指令，该指令一方面使得与老师对应的虚拟实验场景恢复为初始状态，另一方面通过控制主机转发至各个学生台上的控制分机，再控制与学生对应的虚拟实验场景恢复为初始状态；并且，学生台上的控制分机开发对相应的手柄的指令响应功能。
其次，在进入实验阶段后，学生各自由地开始实验；其操作过程与在演示阶段时老师的操作过程基本相同，不再赘述。值得说明的时，每一个控制分机在对虚拟实验场景进行调整后，均将实时数据同步至控制主机，再由控制主机同步地分发至各个控制分机，控制分机再根据接收到的同步数据驱动vr头盔显示。如此一来，所有的学生、老师佩戴的vr头盔内的实验场景数据都是相同的，唯一的区别在于视角的不同。
在实验阶段，为了让学生之间能够相互借鉴实验的操作过程，本方法中，还接收学生的视角切换指令，并依据学生的切换指令将该学生的第一视角切换至其它的学生操作区域。切换的具体过程是：
学生通过手柄调取用户列表，该用户列表显示于该学生的第一视角的画面中；
学生通过手柄选择用户列表中任意的另一个学生，并确认；
之后与主动选择的该学生对应的控制分机向控制主机发送视角调取请求；
控制主机接收到视角调取请求后，将对应的另一控制分机（与被选择的学生对应）的画面数据转发至发出视角调取请求的控制分机；
发出视角调取请求的控制分机在接收到画面数据后，传输至对应学生的vr头盔中进行实时显示。
另外，为了方便老师对各个学生的实验过程进行监视，本方法中，还接收老师的巡检指令，并依据老师的巡检指令开启场景漫游模式，进而按照预设的漫游路径调整老师的第一视角中的画面。具体过程是：老师通过手柄操作，在虚拟的画面中选择漫游按钮并确定；之后与老师对应的控制分机则基于接收到的同步数据，控制虚拟实验场景按照预设的漫游路径进行画面切换。由于在三维场景中进行漫游路径的设置、控制均为现有技术，本实施例不再赘述。另外，在漫游模式运行时，还接收老师的启/停指令（通过手柄操作），并依据该启/停指令控制漫游过程的暂停、继续。
另外，在步骤s04中，当用户为学生时，本方法还对学生的实验过程进行动态监控，具体过程是：
控制分机实时记录实验道具的使用数据，以此作为当前实验过程，并将此过程的数据实时上传至控制主机；
控制主机依据预设的正确实验过程对该学生的当前实验过程进行实时评判；其中，在该学生的当前实验过程中，若错误次数达到预设值，则在老师的第一视角中呈现相应的提醒信息。
另外，为了方便老师对学生进行指导，本方法还包括：
s11：接收学生的协助指令，并依据学生的协助指令在老师的第一视角中呈现协助请求信息；
学生通过手柄在画面中选择协助按钮并确认，之后对应的控制分机基于此操作生成相应的协助指令，然后通过控制主机发送至教师台上的控制分机；教师台上的控制分机接收到协助指令后，控制虚拟实验场景中的画面显示协助请求信息。信息的内容包括学生的信息、位置等；
s12：接收老师的协助确认指令，并依据老师的协助确认指令与该学生建立语音对话链路，以及将老师的第一视角切换至该学生的第一视角；
老师通过手柄对画面中的协助请求信息进行确认，确认后，对应的控制分机向控制主机返回一确认信息；之后，控制主机调取发出协助指令的控制分机中的画面数据，并传输至与老师对应的控制分机，并通过vr头盔进行显示。
在这之后，发出协助指令的控制分机还屏蔽该学生的实验道具使用指令，即：学生无法进行操作，进而由老师进行掌管。老师通过手柄继续相关的实验操作。相应的实验道具使用指令经由控制主机转发至学生所在的控制分机，控制分机接收老师的实验道具使用指令，依据老师的实验道具使用指令确定该学生所在的学生操作区域中的实验道具，并对该学生、老师的第一视角中的画面进行动态调整。
与此同时，学生和老师还可通过语音对讲设备进行交流沟通，语音数据通过各自对应朱控制分机上传到控制主机，再由控制主机进行分发；
s13：接收老师的协助结束指令，依据老师的协助结束指令开放对该学生的实验道具使用指令的响应，切换语音对话链路，以及将老师的第一视角切换至默认状态。