[發明專利]交互式透射電子顯微鏡虛擬仿真教學系統與方法

有效

• 申請號: 201410844464.0
• 申請日: 2014-12-30
• 公開（公告）號: CN104537903A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 周蕊;何亞群;于冰;王震威;徐劍坤;李贊
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G09B5/06
• 分類號: G09B5/06
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

技術領域

本發明涉及一種顯微鏡仿真教學系統與方法，尤其是一種交互式透射電子顯微鏡虛擬仿真教學系統與方法。

發明背景

虛擬仿真技術，或稱為模擬技術，就是用一個系統模仿另一個真實系統的技術。虛擬仿真實際上是一種可創建和體驗虛擬世界的計算機系統。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現實世界的再現，亦可以是構想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，并通過頭盔顯示器(HMD)、數據手套等輔助傳感設備，提供用戶一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環境中的作用與變化，產生沉浸感。虛擬仿真技術是計算機技術、計算機圖形學、計算機視覺、視覺生理學、視覺心理學、仿真技術、微電子技術、多媒體技術、信息技術、立體顯示技術、傳感與測量技術、軟件工程、語音識別與合成技術、人機接口技術、網絡技術及人工智能技術等多種高新技術集成之結晶。其逼真性和實時交互性為系統仿真技術提供有力的支撐。

虛擬仿真技術為人們提供了一種理想的教學手段，目前在國內外己逐漸廣泛應用在軍事教學、體育訓練、醫學實習和一些院校的實際教學中。借助虛擬仿真技術完成教學課程中的相關實驗，具有效率高、費用低、內容豐富、性能有效、安全性好等明顯優勢。

透射電子顯微鏡是一種基礎性、大型、精密的科學儀器，應用范圍廣泛，對材料形態、晶體結構、化學成分、界面結構、表面分析、生物細胞、晶體缺陷探查等領域的科學研究與基礎理論探索有重要的作用。但透射電子顯微鏡價格較高，運行環境要求較為苛刻，操作相對復雜，目前透射電子顯微鏡用戶培訓、教學與客戶體驗多以實物為主，缺少低成本、高效率的專業培訓與教學系統，造成培訓成本高、儀器使用效率低，且容易因誤操作導致儀器損壞，這都不利于透射電子顯微鏡的推廣與使用。

發明內容

技術問題：本發明的目的是要克服已有技術中的不足之處，提供一種運用虛擬仿真技術、建立可在虛擬環境下進行透射電子顯微鏡軟件、硬件操作并顯示相應運行結果的交互式透射電子顯微鏡虛擬仿真教學系統與方法。

技術方案：實現本發明目的的交互式透射電子顯微鏡虛擬仿真教學系統與方法:

該仿真教學系統，包括有輸入模塊、控制模塊、透射電子顯微鏡教學模塊、典型樣品經驗數據庫模塊、數據處理分析模塊、電源模塊、音頻輸出模塊和視頻輸出模塊；所述系統內輸入模塊與控制模塊連接，輸入模塊用于輸入用戶操作信息；所述控制模塊分別與透射電子顯微鏡教學模塊、典型樣品經驗數據庫模塊、數據處理分析模塊連接，控制模塊根據用戶輸入信息調用運行相應模塊；所述控制模塊與音頻輸出模塊連接，音頻輸出模塊輸出語音信息；所述控制模塊與視頻輸出模塊連接，視頻輸出模塊輸出視頻信息；所述的透射電子顯微鏡教學模塊包括用戶操作界面、儀器操作指導教程、透射電子顯微鏡三維模型及運行數據庫，用以指導用戶在虛擬環境下操作透射電子顯微鏡，對操作進行評價，實現透射電子顯微鏡使用教學，并對誤操作提出警示。

所述的典型樣品經驗數據庫模塊包含煤、巖石、土、金屬、陶瓷和納米材料多種典型樣品測試數據及分析結果，用以指導用戶學習測試數據的分析方法，所述典型樣品經驗數據庫模塊與控制模塊雙向連接。

所述的數據處理分析模塊，將用戶人工輸入的未知樣品的數據與典型樣品經驗數據庫模塊中的典型樣品測試數據進行對比分析，快速確定用戶人工輸入的未知樣品的品類，所述數據處理分析模塊與控制模塊雙向連接。

一種利用上述交互式透射電子顯微鏡虛擬仿真教學系統的教學方法，用戶啟動上述交互式透射電子顯微鏡虛擬仿真教學系統，操作輸入模塊通過控制模塊調取透射電子顯微鏡使用教學模塊，在透射電子顯微鏡使用教學模式下，視頻輸出模塊顯示用戶操作界面與透射電子顯微鏡三維模型，并通過文字與語音方式提示用戶操作步驟與注意事項，用戶根據提示在輸入模塊上執行操作，視頻輸出模塊輸出透射電子顯微鏡三維模型相應運行結果，當用戶操作錯誤時，視頻輸出模塊與音頻輸出模塊分別給出錯誤報警提示，在用戶全部操作完成時，給出操作評價；

用戶操作輸入模塊通過控制模塊調取典型樣品經驗數據庫模塊，在典型樣品經驗數據庫模式下，瀏覽典型樣品測試的原始數據及分析結果，學習測試數據的分析方法及過程，積累經驗；