原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端技术方案

本发明专利技术属于虚拟现实技术领域，公开了一种原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端，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；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。包括：MD分子动力学模拟环境模块；虚拟现实技术开发环境模块；3D system touch力反馈交互设备模块。本发明专利技术在交互过程中得到分析数据，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，使分子动力学更加直观和便于理解。

【技术实现步骤摘要】
原子结构三维显示方法、系统、存储介质、程序、终端
本专利技术属于虚拟现实
，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。
技术介绍
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，专利技术了一种带有力/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。该专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术是这样实现的，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+，O2-，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。本专利技术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，所述存储器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原子结构三维显示方法，其特征在于，所述原子结构三维显示方法包括：/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一种原子结构三维显示方法，其特征在于，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；
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。


2.如权利要求1所述的原子结构三维显示方法，其特征在于，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。


3.如权利要求1所述的原子结构三维显示方法，其特征在于，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。


4.如权利要求1所述的原子结构三维显示方法，其特征在于，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。


5.如权利要求1所述的原子结构三维显示方法，其特征在于，所述原子结构三维显示方法使用的蒙脱石含有Na+，si4+，Al2+，Mg2+，O2-，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。


6.如权利要求5所述的原子结构三维显示方法，其特征在于，所述吸引...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴正，郑媛媛，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44