[0001] 本发明涉及水利工程，水力学领域，尤其涉及一种光影互动技术虹吸管新工科实验教学装置。

[0002] 互动魔法墙，基于虚拟现实技术，是采用先进的计算机视觉技术和投影显示技术来营造一种奇幻生动的交互体验，系统可在墙面产生各种特效影像，参与者通过身体动作来与墙面的图像进行互动，增强沉浸感、科技感、互动性和趣味性，从而达到教学、展示、宣传等效果。

[0003] 虚拟现实技术最早出现于20世纪60年代。1968年，计算机图形学专家Ivan [1]Sutherland 与学生Bob Sproull研发出了一个头盔显示器(head mounted display,HMD)系统，这个头盔被广泛视为第一个虚拟现实和增强现实系统。到了20世纪80年代，虚拟现实技术趋于完善，并开始运用于现实中。1985年，Jaron Lanier成立了VPL研究公司，开始售卖VR眼镜和有线手套，并于1989年正式提出虚拟现实的概念，首次创造了“虚拟现实”一词。在这之后，虚拟现实技术在不同方向的应用不断涌现。1995年，任天堂分别在日本、北美先后推出便携式游戏机—Virtual Boy，玩家通过将头放在游戏机目镜上就能看到红色单色显示屏显示的游戏画面。2007年，谷歌推出街景服务，再现了全球大部分地区的全景，后期又推出其相应的立体3D模式。之后，Facebook和谷歌等知名公司都相继投资虚拟现实公司，中[2]
国也出现虚拟现实技术热潮，虚拟现实技术进入快速发展时期 。

[0004] 虚拟现实技术在我国的起步研究比较晚。2000年5月，位于西安的虚拟现实工程技[3]术研究中心 在西安工业大学正式成立，是国内最早开展虚拟现实技术研究的机构。研究中心的工作内容主要集中在虚拟现实的基础理论和研发方法、虚拟现实环境开发工具及网[4]
络平台的建设等等。2004年上半年，电子科技大学国家重点电子工程实验室 成功开发了虚拟灾难环境模拟系统，这是电子工程领域的示范系统，该系统的成功开发引领了我国虚拟现实技术发展的新方向。近年来，随着科学技术和传播媒介的不断进步和发展，我国的虚[5]
拟现实技术已有很大进展。同时虚拟现实技术也引起了高度重视 。

[0005] 虚拟现实技术的不断发展，也推动着教学方式向着智能化发展，促进了虚拟学习[6]环境、虚拟实验室等虚拟现实系统的建立。2017年，中国科学院大学的向世明 等人基于虚拟现实技术构建了一个虚拟地球物理实验室系统，用于帮助学生理解和掌握实验仪器、实验原理以及实验过程，以提高地球物理的教学效果。北京航空航天大学的虚拟现实技术与[7]
系统国家重点实验室 建立了一个基于位置动力学的胆囊切除术虚拟现实仿真系统，用于医学培训。在多家医院进行应用后的结果显示，该系统具有较高的真实性和稳定性，对于提[8]
高手术能力有很大的帮助。华北电力大学的邵绪强教授 建立了一个新型的电力虚拟装配[9]
系统，该系统通过多个感官与学习者进行交互，便于学习者操作。梁辉 等人在Unity 3D游戏引擎中设计“太阳系家族”的交互式操作，以“太阳系家族”动画为例，在互动投影系统上进行互动操作演示。在整个演示过程中，体验非常流畅，参与者对作品产生强烈兴趣。综上所述，虚拟现实技术正以其强大的交互性、灵活性、经济性等特征给展览、医疗、教育等各个领域带来技术革新，推动各行各业朝着智能化发展。

[0006] 参考文献

[0007] [1]王晓妍.基于虚拟现实技术的档案学实践教学改革研究[D].福建师范大学，2021.

[0008] [2]安维华.虚拟现实技术及其应用[M].北京:清华大学出版社，2014.04.[0009] [3]黎学坚.基于flash builder的魔法书互动投影系统的设计与实现[D].华南理工大学2014.

[0010] [4]吴明生.基于互动投影的游戏开发平台.浙江大学.2014(03)：12‑66.[0011] [5]梁晓彤.大明宫历史情景复原结合虚拟现实技术展示研究[D].西安理工大学，2018.

[0012] [6]Shiming Xiang,Lei Chuang Wang.VGLS:A virtual geophysical laboratory system based on C#and viustools and  its application for geophysicaleducation[J].Computer Applications in Engineering Education,2017,25(3).

[0013] [7]Pan Junjun,Zhang Leiyu,Yu Peng,et al.Real‑time VR simulation of laparoscopic cholecystectomy based on parallel position‑based dynamics in GPU[C]//2020IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces(VR).IEEE,2020:548‑556.

[0014] [8]Shao Xuqiang,Feng Xiaohua,Yu Yelu,et al.A natural interaction method of multi‑sensory channels for virtual assembly system of power transformer control cabinet[J].IEEE Access,2020,8:54699‑54709.

[0015] [9]梁辉，陈慧颖.多模态互动投影技术在科普教育的应用研究[J].现代商贸工业，2021，42(S1)：194‑195.

[0050] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0051] 本发明实施例设计的光影互动技术虹吸管新工科实验教学装置，以能量方程为实验原理，将传统实验管道换为虹吸管道，采用互动投影技术，将实验现象投影到墙上，既能达到验证能量方程式、观察压强水头和位置水头之间的转化、绘制测压管水头线和总水头线的目的，又能直观看到传统水力实验中无法观察到的速度水头、虹吸管最大真空压强位置以及各个水头的转化，包括：实验讲解、实验装置、实验计算三个模块。

[0052] 其中，实验讲解，包括：对虹吸原理、能量方程的原理及实验内容的介绍。操作者通过碰触墙上书本上标有实验原理的互动光影，触发虹吸原理和能量方程原理的内容显现。碰触墙上书本上标有实验内容的互动光影，则墙面显示对实验内容的介绍。这部分的介绍将帮助操作者全面详细的了解实验原理及理解实验内容。

[0053] 其中，实验装置，包括：墙面喷画，投影动画及总体布局设计。

[0054] (1)墙面喷画。包括：实验管路系统、上下游水域、测压管、抽真空装置、总开关。实验管路系统为虹吸管路，包括：从上游虹吸管进水口到下游虹吸管出水口。测压管内的水位投影用于观测测压管水头与速度水头的高度及变化。抽真空装置用于实验开始时抽出虹吸管中空气，使虹吸管中的水徐徐进入。总开关设计为家用灯具开关样式，用于控制整个实验装置开关状态及标题动画效果。

[0055] (2)投影动画。包括：“测压管水头”字样10，“速度水头”字样11，测压管水头线及总水头线，虹吸管管径修改模块，“虹吸管最大真空压强位置”字样13，水流。测压管水头采用实体填充水柱表示，速度水头采用虚线填充水柱表示，参与者通过碰触“测压管水头”及“速度水头”字样，投影测压管水头及速度水头动画，水头对应的水柱由最低点缓慢上升至测压管水头高度，随后保持高度不变。实体填充水柱与虚线填充水柱的高度之和用于表示总水头高度。抽真空装置7的排气管与外界相通，抽真空装置开启前，水流位于虹吸管上游水位下，抽真空装置开启后，水流从虹吸管上游水位处沿管段逐渐流动至虹吸管下游出口处。虹吸管管径修改模块用于修改虹吸管的直径大小，使管道内流量改变从而改变测压管内的水位，此时操作者通过碰触“虹吸管管径”字样旁的左右双箭头调节虹吸管管径大小。

[0056] (3)总体布局。总体布局包括：标题1、实验原理讲解2、实验内容讲解3、总开关4、上游水域5、测压管6、抽真空装置7、实验管路系统8、下游水域9、“测压管水头”字样10、“速度水头”字样11、“虹吸管管径”字样12、“虹吸管最大真空压强位置”字样13。画面左边从上至下依次为标题1、实验原理讲解2、实验内容讲解3、总开关4、“虹吸管管径”字样12，中间部分为实验装置，包括：上游水域5，测压管6，抽真空装置7、实验管路系统8、下游水域9。整体画面的最下部分从左至右依次为“测压管水头”字样10、“速度水头”字样11、“虹吸管最大真空压强位置”13。整体画面的不同元素以墙面喷画或投影动画两种形式显示。

[0057] 上述实验计算，包括：流量量测和速度水头、总水头计算。流量量测中根据操作者选取的虹吸管直径，结合实际实验“称重法”测得数据显示管径调节后的流量数据，测压管水头根据实验实测数据得出。速度水头根据测得的流量数据计算得出，总水头根据能量方程计算得出，将实验数据信息记录于互动交流软件中，通过互动程序流程的处理，通过智能光学信号将水流、测压管水头高度、速度头高度、总水头高度以不同填充形式呈现于光影互动墙上，实现10组工况下实验现象的有机衔接。

[0058] 实施例2

[0059] 下面结合具体的实验过程对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

[0060] 实验开始前，画面如图2所示。

[0061] 第一，参与者触摸总开关按钮，整体画面亮度提高，并触发标题动画效果，随后参与者通过碰触墙上书本的互动光影，触发实验介绍内容显现。操作者通过碰触墙上书本上标有实验原理的互动光影，触发虹吸原理和能量方程原理的内容显现，此时画面如图3所示；碰触墙上书本上标有实验内容的互动光影，则墙面显示对实验内容的介绍，此时画面如图4所示。

[0062] 第二，参与者通过碰触抽真空装置图案7，触发真空泵抽气，水流流入实验管路的动画效果，水流流出虹吸管出口后，此时画面稳定，此时实验管内流量为Q1，具体流量数值显示在虹吸管入水口处。

[0063] 第三，参与者通过触摸最下方的“测压管水头”字样10与“速度头开关”字样11，触发各个点位的测压管水头与速度水头图像如图5所示。

[0064] 第四，参与者通过碰触“虹吸管最大真空压强位置”字样，一圆点出现在虹吸管最大真空压强处的下方如图像6所示。

[0065] 第五，参与者将一组流量对应能头观察完毕后，通过碰触“虹吸管管径”字样12旁的左右箭头调节虹吸管管径10种大小，改变实验管内流速，此时画面中出现的测压管水头及速度头开始上升或下降直至稳定不变，此时参与者可以观测第二组流量所对应的水头变化。并重复此操作，改变多组流量变化并观察能头变化趋势。

[0066] 本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

[0067] 本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。