[发明专利]一种虚拟仿真实验系统

说明书

本发明公开了一种虚拟仿真实验系统，其特征是，包括摄像头和虚拟实验容器，所述虚拟实验容器包括电子芯片和显示器，所述摄像头获取场景中物体和操作人员人脸数据图像，所述电子芯片处理所述数据图像，根据数据图像中人脸视线与虚拟实验容器的位置关系，计算得到电子芯片预存的实验三维动画序列沿视线方向的二维投影，所述显示器显示所述二维投影。该虚拟仿真实验系统在实验容器本体结构上设置显示器，解决了实验操作中用户眼睛和正在操作的实验容器方向不一致的问题，使用户的操作过程方便自然，减少用户的认知负荷，改善用户体验。

技术领域

本发明涉及虚拟实验领域，具体涉及一种虚拟仿真实验系统。

背景技术

虚拟实验，是指采用仿真方法、采用虚实结合技术实现科学实验。例如，实验者利用两只模具烧杯，仿真模拟实际实验过程，该实验结果的现象呈现在计算机上。

但是，在此过程中，用户实际操作实验容器时，眼睛不是看向正在操作的实验容器，而是注视计算机屏幕的方向，由此，出现手势操作方向与操作结果显示位置不一致的问题，这种手眼不一致的问题，导致多种问题，一是使得实验者的操作过程不自然、不方便，二是影响用户体验，三是增加用户认知负荷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种虚拟仿真实验系统，能够使用户在进行虚拟仿真实验时手眼一致。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种虚拟仿真实验系统，其特征是，包括摄像头和虚拟实验容器，所述虚拟实验容器包括电子芯片和显示器，所述摄像头获取场景中物体和操作人员人脸数据图像，所述电子芯片处理所述数据图像，根据数据图像中人脸视线与虚拟实验容器的位置关系，计算得到电子芯片预存的实验三维动画序列沿视线方向的二维投影，所述显示器显示所述二维投影。

进一步地，所述虚拟实验容器的表面沿与中心轴平行的同一母线上分别设置不同颜色标识，通过得到不同标识的空间位置P1、P2，得到虚拟仿真实验容器的姿势L：

L＝(P1-P2)/||P1-P2||。

进一步地，所述虚拟实验容器上还设置位置传感器和姿态传感器，用于验证摄像头获取的数据图像经过处理所得的虚拟实验容器在世界坐标系中的三维位置和虚拟实验容器中心轴在世界坐标系中的方向向量。

进一步地，所述位置传感器为红外感知传感器。

进一步地，所述虚拟实验容器设置有若干个，通过所述位置传感器识别不同的虚拟实验容器。

进一步地，所述显示器为设置在所述虚拟实验容器顶部的平面显示器和侧面的环屏显示器。

进一步地，所述摄像头为两个，电子芯片通过双目重构算法对两个摄像头获取的数据图像进行分析处理；

所述双目重构算法获取两个摄像头的图像，标定获取摄像头外参和内参，提取图像中的特征，根据所提取的特征建立两幅图像之间的对应关系，使同一物理空间点在两幅图像中的成像点对应匹配，匹配结果结合摄像头外参和内参，构建三维场景信息；

所述摄像头外参决定摄像头坐标与世界坐标系之间相对位置关系，所述摄像头内参确定摄像头从三维空间到二维图像的投影关系；

所述特征包括特征点、特征线和特征区域。

进一步地，采用尺度不变特征变换算法提取图像特征，所述尺度不变特征变换算法为：

尺度空间的极值检测：搜索所有尺度空间上的图像，通过高斯微分函数识别潜在的对尺度和选择不变的兴趣点；

特征点定位：在每个候选的位置上，通过拟合精细模型确定位置尺度，依据他们的稳定程度选取关键点；

特征方向赋值：基于图像局部的梯度方向，分配给每个关键点位置一个或多个方向；