江 鋒，林 定，唐麗玉，周 翔，陳崇成

(福州大學(xué)空間數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州大學(xué)地理空間信息技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 福建 福州 350108)

0 引言

DNA分子結(jié)構(gòu)抽象、 微觀且復(fù)雜，初學(xué)者較難想象DNA雙鏈反向互補(bǔ)匹配的三維空間形態(tài)及其螺旋和解旋的動(dòng)態(tài)過程. 通常采用圖片、 文字、 視頻等二維形式進(jìn)行說明[1]，或者采用曲別針、 泡沫塑料、 橡皮泥等實(shí)物或者3D打印物類比DNA結(jié)構(gòu)的組分，逐個(gè)拼接形成DNA分子結(jié)構(gòu)示意模型，以增強(qiáng)三維效果[2]. 這些教學(xué)手段通常占用較多課堂時(shí)間、 形式單一、 信息傳遞效果不佳[3]，而且受材料限制難以動(dòng)態(tài)展示相關(guān)的DNA微觀生物過程，如堿基互補(bǔ)配對(duì)、 DNA復(fù)制等. 隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)快速發(fā)展，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)、 虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)等技術(shù)手段呈現(xiàn)受時(shí)空限制而無法在現(xiàn)實(shí)世界中觀察和控制的現(xiàn)象具有顯著優(yōu)勢(shì)，如變化太快或太慢的微觀現(xiàn)象以及空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體等. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來，深度融合專業(yè)知識(shí)，將虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景實(shí)時(shí)精準(zhǔn)疊加，構(gòu)建沉浸式三維可視化場(chǎng)景, 在真實(shí)環(huán)境中增強(qiáng)感知體驗(yàn)[4-5]，培養(yǎng)探究式邏輯思維[6-7]，是促進(jìn)認(rèn)知的一種新方法和支撐技術(shù)[8-9], 已在教育[10]、 古建筑物重建[11]、 旅游[12]等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用. 大量事例說明了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)了生物化學(xué)教學(xué)的發(fā)展[13-14]，現(xiàn)有軟件能夠模擬生物大分子結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，如BiochemAR[15]、 CADD[16]、 ChemPreview[17]等. 但是這些工具都是面向大學(xué)課程和科學(xué)研究的，對(duì)硬件要求比較高，模型復(fù)雜，受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制等原因，難以大眾化使用.

生物大分子結(jié)構(gòu)的三維模擬是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源制作的關(guān)鍵，常結(jié)合曲線進(jìn)行可視化模擬，如GraphiteLifeExplorer[18]和cellVIEW[19]等軟件對(duì)DNA分子的建模. 本研究面向DNA知識(shí)初學(xué)者，利用基于自然特征識(shí)別的AR技術(shù)和曲線，實(shí)現(xiàn)了一種交互式參數(shù)化DNA三維動(dòng)態(tài)模擬的方法，并研發(fā)了原型系統(tǒng)，直觀形象地展示了DNA的多種三維構(gòu)象，動(dòng)態(tài)模擬了堿基互補(bǔ)配對(duì)、 堿基對(duì)邊堆疊邊螺旋、 DNA復(fù)制的邊解旋邊半保留半不連續(xù)復(fù)制等微觀過程，增強(qiáng)用戶對(duì)DNA基本知識(shí)的認(rèn)知.

1 DNA結(jié)構(gòu)三維模擬

1.1 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模擬

DNA分子是由一系列的磷酸、 脫氧核糖、 堿基(如腺嘌呤(A)、 鳥嘌呤(G)、 胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C))，按一定的先后次序和相對(duì)空間位置關(guān)系，形成雙螺旋模式. DNA三維結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[20]如圖1(a)所示：① 脫氧核糖(圖1(a)中Ci處)和磷酸(圖1(a)中Hi處)以磷酸二酯鍵交互連接成主鏈，外側(cè)的兩條主鏈以反向平行方式組成雙螺旋鏈的骨架； ② 堿基以氫鍵(圖1(a)中的紅色線段)相連，且遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)的原則(A-T型2個(gè)氫鍵，C-G型3個(gè)氫鍵)； ③ DNA分子在三維空間中有線狀(圖1(b)[20])、 環(huán)狀(圖1(c))等多種形態(tài)，環(huán)狀DNA是對(duì)線性DNA的雙螺旋鏈參考中心軸進(jìn)行交互式仿射變換而得，具體詳見圖1(d)所示.

圖1 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of DNA double helix

1.1.1主鏈的模擬

以線狀DNA為例，構(gòu)建DNA主鏈的基本思想如下：首先，根據(jù)DNA三維結(jié)構(gòu)的直徑參數(shù)，生成雙螺旋結(jié)構(gòu)的圓柱狀參考空間，以圓柱底面圓心為原點(diǎn)建立局部參考坐標(biāo)系F0，并令y軸與圓柱中心軸對(duì)齊； 其次，根據(jù)不同DNA模式參數(shù)的螺距d、 堿基對(duì)轉(zhuǎn)角θ等，構(gòu)建沿y軸位移d并繞y軸旋轉(zhuǎn)θ的仿射變換矩陣T，重復(fù)執(zhí)行一系列的T變換得到Fi，于是將雙螺旋鏈的參考中心軸(圖1(a)中的紅色虛線)離散化并計(jì)算得到堿基對(duì)的局部參考標(biāo)架集合F，其中Fi(0≤i≤n)為各個(gè)堿基對(duì)的局部參考標(biāo)架； 接著，根據(jù)不同DNA模式參數(shù)(如磷酸和脫氧核糖相對(duì)于堿基對(duì)的扭轉(zhuǎn)參數(shù))，結(jié)合堿基對(duì)的局部參考坐標(biāo)系Fi，計(jì)算雙螺旋鏈上磷酸的局部參考標(biāo)架集合Hi和脫氧核糖局部參考標(biāo)架集合Ci，其中(0≤i≤n)； 然后，生成磷酸二酯鍵交替連接磷酸和脫氧核糖，形成DNA外側(cè)雙螺旋主鏈上的組分連接(如圖1(a)中的粉色線段)，利用Hermite曲線將主鏈上的磷酸位點(diǎn)(圖1(a)中的紅點(diǎn))進(jìn)行平滑渲染處理(如圖1(a)中的紫色曲線).

1.1.2堿基對(duì)邊螺旋邊堆疊的動(dòng)態(tài)模擬

采用隨機(jī)游走模擬游離的堿基對(duì)f(即DNA的基本構(gòu)造單元脫氧核苷酸對(duì))的邊螺旋邊堆疊形成DNA的動(dòng)態(tài)過程，如圖1(a)所示. 在游離堿基對(duì)的初始位置(如圖1(a)中的J)和目標(biāo)位置(如圖1(a)中的B)間構(gòu)建隨機(jī)游走緩沖區(qū)(如圖1(a)中的淺黃色區(qū)域)，游離堿基對(duì)f在該緩沖區(qū)內(nèi)按照設(shè)定隨機(jī)移動(dòng)步長序列S={S1，S2，…，Si}和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，在初始位置和目標(biāo)位置之間進(jìn)行插值，運(yùn)用仿射變換將其放置到局部標(biāo)架Fi，模擬堿基一對(duì)一對(duì)地在雙螺旋空間中逐漸堆疊的動(dòng)態(tài)過程.

動(dòng)態(tài)堆疊脫氧核苷酸對(duì)后，每個(gè)脫氧核苷酸對(duì)仍為獨(dú)立個(gè)體，缺少磷酸二酯鍵的交替連接. 采用線段將相鄰脫氧核苷酸對(duì)上的同側(cè)Hi+1和Ci進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)磷酸二酯鍵(如圖1(a)中的粉色線段)的模擬，形成類似鋸齒狀的雙螺旋結(jié)構(gòu). 為了美化雙螺旋結(jié)構(gòu)的視覺效果，本研究采用分段Hermite曲線對(duì)位于雙螺旋外側(cè)兩條主鏈上的磷酸(圖1(a)中的Hi)進(jìn)行平滑，如公式(1)所示：

Q(t)=T·Mh·Gh(0≤t≤1)

(1)

用戶可交互式選擇常見的線狀DNA類型，依據(jù)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)更新圓柱狀參考空間和仿射變換矩陣T，計(jì)算每組脫氧核苷酸對(duì)上的Fi、Hi和Ci，實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的交互式參數(shù)化模擬.

1.1.3非線狀結(jié)構(gòu)的模擬

在三維空間中DNA分子有線狀、 環(huán)狀、 螺線管狀和彎曲纏繞狀等多種形態(tài)，線狀DNA三維結(jié)構(gòu)是非線狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ). 非線狀DNA三維形態(tài)模擬的基本思想是：首先，按小節(jié)1.1.1～1.1.2方法生成線狀DNA三維模型； 接著，采用文獻(xiàn)[21]的方法，用Bezier曲線對(duì)雙螺旋鏈參考中心軸進(jìn)行交互式仿射變換，計(jì)算非線狀雙螺旋繞轉(zhuǎn)的中心軸線，更新其離散化成局部參考標(biāo)架集合F，如圖1(d)所示； 然后，利用仿射變換矩陣級(jí)聯(lián)乘法運(yùn)算，更新非線狀DNA結(jié)構(gòu)主鏈上各組脫氧核糖和磷酸的局部參考標(biāo)架Hi和Ci，根據(jù)這些標(biāo)架放置DNA分子的各相應(yīng)組分，形成非線狀DNA三維結(jié)構(gòu)，其中，環(huán)狀DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示.

1.2 不同模式的DNA三維模擬

表1 常見DNA模式參數(shù)

為拓展用戶對(duì)DNA三維結(jié)構(gòu)和功能的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)探究性學(xué)習(xí)，模擬表1中所示的常見DNA的三維構(gòu)象. 根據(jù)表中的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用交互式參數(shù)化建模方法模擬，讓用戶體驗(yàn)相同的組成元件因不同的空間布局而造成的三維結(jié)構(gòu)差異，探索DNA三維結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系. 仍以線狀DNA為例，不同模式DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算如圖2(a)所示，交互式變換結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)B-DNA和A-DNA的三維結(jié)構(gòu)表達(dá)，如圖2(b)所示.

圖2 不同模式的DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)化表達(dá)Fig.2 Parametric expression of DNA structure in different modes

假設(shè)y軸為螺旋參考中心軸，根據(jù)下式計(jì)算1.1節(jié)中堿基對(duì)單元的局部參考標(biāo)架Fi的局部坐標(biāo)系原點(diǎn):

[xiyizi1]=[xi-1yi-1zi-11]T

(2)

其中: (x0,y0,z0)為雙螺旋結(jié)構(gòu)的圓柱狀參考空間的底面圓心坐標(biāo)，即局部坐標(biāo)系F0的原點(diǎn);T為仿射變換矩陣，根據(jù)不同的DNA模式參數(shù)計(jì)算變換矩陣T, 如以下表達(dá)式所示:

(3)

式中:θ為相鄰堿基對(duì)之間的旋轉(zhuǎn)角度，A-DNA為33.6，B-DNA為36；m為一對(duì)堿基之間相互推擠而產(chǎn)生的相對(duì)于雙螺旋中心軸的偏移距離，m非零時(shí)，形成如A-DNA三維空間形態(tài)的“中空”現(xiàn)象，m取0時(shí)為B-DNA.

用戶可交互式選擇DNA類型，改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到不同模式DNA的三維構(gòu)象，如圖2(b)所示. DNA的三維物理結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間不均一性，在螺旋軸方向上主鏈與堿基沒有完全充滿雙螺旋空間，呈現(xiàn)“大溝”和“小溝”的現(xiàn)象，為藥物蛋白功能結(jié)合.

2 基于移動(dòng)端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)交互設(shè)計(jì)

2.1 基于自然特征識(shí)別的AR交互

DNA復(fù)制是重要的微觀生物過程，不可直接觀察且難以理解，利用移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)DNA復(fù)制過程的動(dòng)態(tài)模擬，有助于提高初學(xué)者對(duì)DNA知識(shí)的掌握程度. DNA復(fù)制過程的原理如圖3(a)所示. 首先，利用參數(shù)化模擬方法生成DNA的雙螺旋三維結(jié)構(gòu)，并使用Tag設(shè)定解旋初始位置； 其次，構(gòu)造一個(gè)緩沖區(qū)(如圖中3(a)的綠色區(qū)域)跟隨在復(fù)制叉周圍，在該緩沖區(qū)內(nèi)隨機(jī)地(包括隨機(jī)類型、 隨機(jī)位置、 隨機(jī)運(yùn)動(dòng)方向等)生成游離的脫氧核苷酸； 然后，采用基于自然特征的識(shí)別和跟蹤技術(shù)，通過標(biāo)識(shí)物的碰撞檢測(cè)觸發(fā)DNA在復(fù)制叉處邊解旋邊復(fù)制的交互式模擬, 如圖3(b)所示，具體步驟如下.

步驟1對(duì)用于進(jìn)行場(chǎng)景交互操作的實(shí)物標(biāo)識(shí)物圖像(如表征限制酶)提取特征點(diǎn)信息并保存;

步驟2程序運(yùn)行時(shí)，相機(jī)實(shí)時(shí)捕捉真實(shí)場(chǎng)景信息，在當(dāng)前幀圖像中，識(shí)別并提取標(biāo)識(shí)物圖像的特征信息而后保存;

步驟3利用特征匹配方法，對(duì)標(biāo)識(shí)物圖像的兩組特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，若匹配失敗則忽略，若匹配成功，則轉(zhuǎn)向下一步；

步驟4利用標(biāo)識(shí)物圖像特征點(diǎn)對(duì)的匹配信息，計(jì)算相機(jī)位姿的變換關(guān)系，對(duì)當(dāng)前視頻幀中的標(biāo)識(shí)物進(jìn)行定位；

步驟5利用相機(jī)位姿信息設(shè)置虛擬場(chǎng)景相機(jī)的相關(guān)參數(shù)，將虛擬DNA三維模型渲染到當(dāng)前視頻幀中；

步驟6采用基于包圍盒的碰撞檢測(cè)，在當(dāng)前視頻幀中的標(biāo)識(shí)物位置處，渲染跟隨標(biāo)識(shí)物運(yùn)動(dòng)的疊加場(chǎng)景，如DNA復(fù)制過程中動(dòng)態(tài)移動(dòng)的復(fù)制叉、 跟隨復(fù)制叉的緩沖區(qū)以及緩沖區(qū)內(nèi)的游離堿基對(duì)等，模擬DNA邊解旋邊復(fù)制的動(dòng)態(tài)過程； 若DNA復(fù)制結(jié)束則停止，否則，返回步驟3.

通過實(shí)物標(biāo)識(shí)物的識(shí)別、 跟蹤和交互操作，對(duì)占用相同屏幕空間的兩個(gè)或多個(gè)不可穿透的物體進(jìn)行消隱或半透明處理，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景位移、 縮放、 旋轉(zhuǎn)等變換，以及物體拾取、 觸發(fā)子場(chǎng)景渲染等功能. 如圖3(a)所示，操縱代表解旋酶/聚合酶的標(biāo)識(shí)物圖像，執(zhí)行層次包圍盒碰撞檢測(cè)，若疊加的酶模型(圖3(a)中的粉色塊狀物體)與螺旋鏈上堿基發(fā)生碰撞，則觸發(fā)解旋事件，在發(fā)生碰撞處渲染復(fù)制叉并構(gòu)建與復(fù)制叉正交的緩沖區(qū)； 緩沖區(qū)內(nèi)隨機(jī)生成游離脫氧核苷酸. 游離的脫氧核苷酸按預(yù)設(shè)的隨機(jī)步長序列和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，從初始位置移動(dòng)至目標(biāo)位置，與母鏈(圖3(a)中的紅色曲線)上裸露堿基碰撞生成氫鍵，模擬動(dòng)態(tài)“吸附”的效果. 前導(dǎo)鏈上從5′至3′復(fù)制生成新子鏈(圖3(a)中的紫色曲線)，后隨鏈上形成岡崎片段(圖3(a)中的藍(lán)色曲線)，以鏈表形式記錄岡崎片段的空間位置； 對(duì)代表連接酶標(biāo)識(shí)物的圖像進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，獲取鏈表中存儲(chǔ)的位置信息，觸發(fā)渲染磷酸二酯鍵和后隨鏈新鏈的右螺旋子場(chǎng)景.

圖3 基于圖像的AR交互設(shè)計(jì)Fig.3 Design of image-based AR interactive

2.2 趣味性交互操作設(shè)計(jì)

互補(bǔ)配對(duì)的堿基之間才能形成氫鍵，維持雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性. 為增加趣味性，本研究模仿連連看游戲，通過隨機(jī)組合兩條單鏈上的堿基對(duì)，設(shè)計(jì)了包含不同錯(cuò)誤率的實(shí)驗(yàn). 采用雙向鏈表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)DNA螺旋雙鏈結(jié)構(gòu)中的鏈1#和鏈2#上的堿基，堿基取值如表2所示. 重載運(yùn)算符實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈表結(jié)點(diǎn)的直接訪問，對(duì)鏈1#和2#上相同索引的結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)(即堿基)執(zhí)行位異或運(yùn)算，位異或運(yùn)算值為11則堿基匹配成功，否則匹配失??； 對(duì)匹配失敗的堿基對(duì)，設(shè)定A-T-C-G的輪播循環(huán)糾錯(cuò)規(guī)則，結(jié)合觸屏點(diǎn)選的交互操作，對(duì)鏈1#和鏈2#上錯(cuò)配堿基進(jìn)行“翻牌”式糾正，糾錯(cuò)成功時(shí)觸發(fā)生成氫鍵.

表2 堿基的取值

本研究還集成了RTVoice和百度語音識(shí)別，實(shí)現(xiàn)觸屏、 語音、 實(shí)物等多通道交互功能. 移動(dòng)端手勢(shì)觸屏操作中的單點(diǎn)劃動(dòng)，依據(jù)劃動(dòng)的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA三維模型的旋轉(zhuǎn)，亦可喚醒虛擬按鍵，調(diào)用定制的響應(yīng)事件和模擬特效； 雙指交互操作可對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行任意縮放操作，以便從多個(gè)角度觀察DNA細(xì)節(jié). 語音和實(shí)物交互，使虛實(shí)融合場(chǎng)景具有更好的用戶體驗(yàn)，如即時(shí)語音播報(bào)DNA的相關(guān)知識(shí)、 DNA實(shí)驗(yàn)操作的講解、 即時(shí)錯(cuò)誤提示等.

3 基于移動(dòng)端的DNA交互式仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于AR的移動(dòng)DNA應(yīng)用的開發(fā)流程如圖4所示. 利用Autodesk 3ds Max構(gòu)建DNA模型的各個(gè)元件，如脫氧核苷酸、 酶、 堿基等； 在Visual Studio2017開發(fā)環(huán)境中集成Unity3D和Vuforia SDK，實(shí)現(xiàn)了AR標(biāo)識(shí)物的檢測(cè)和追蹤、 DNA的三維構(gòu)象以及復(fù)制過程的動(dòng)態(tài)模擬，具備單點(diǎn)/多點(diǎn)觸控交互、 語音輔助、 實(shí)物交互等多模態(tài)交互功能，設(shè)計(jì)了引導(dǎo)、 激發(fā)自主學(xué)習(xí)的內(nèi)容； 采用趣味性游戲方式對(duì)課標(biāo)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行延伸，適用不同知識(shí)水平用戶的探究性學(xué)習(xí).

系統(tǒng)在功能上主要?jiǎng)澐譃槿竽K：知識(shí)導(dǎo)覽模塊、 實(shí)驗(yàn)操作模塊、 內(nèi)容回顧模塊. 知識(shí)導(dǎo)覽功能模塊包含了視頻學(xué)習(xí)功能，以視頻方式引導(dǎo)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)(如發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的故事、 DNA結(jié)構(gòu)的概念和DNA復(fù)制過程等)，通過視覺和聽覺開展預(yù)習(xí)，為實(shí)驗(yàn)操作模塊做準(zhǔn)備. 實(shí)驗(yàn)操作功能模塊目前實(shí)現(xiàn)了DNA三維結(jié)構(gòu)、 DNA復(fù)制、 構(gòu)建載體表達(dá)等內(nèi)容. 其中，DNA三維結(jié)構(gòu)模擬了堿基對(duì)動(dòng)態(tài)堆疊的過程； DNA復(fù)制和構(gòu)建載體表達(dá)交互式模擬了AR場(chǎng)景中DNA邊解旋邊復(fù)制、 切割質(zhì)粒、 獲取和插入目的基因等微觀過程. 內(nèi)容回顧功能模塊包含練習(xí)題庫，收錄了常見題型以及高頻易錯(cuò)題，用戶完成答題后，答錯(cuò)處將觸發(fā)相關(guān)的正確解答內(nèi)容的講解.

圖4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)流程Fig.4 Flow of system implementation

3.2 原型系統(tǒng)測(cè)試

本研究研發(fā)的是基于移動(dòng)平臺(tái)的DNA三維模擬原型系統(tǒng). 為了測(cè)試該系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)，將開發(fā)的原型系統(tǒng)，發(fā)布為面向Android系統(tǒng)的“.apk”文件，在20個(gè)中學(xué)生的手機(jī)上安裝和使用，同時(shí)收集測(cè)試者的反饋，如表3所示. 從數(shù)據(jù)中可見，本研究實(shí)現(xiàn)的視、 聽、 觸、 實(shí)物等多模態(tài)交互功能，受到中學(xué)生的普遍歡迎，運(yùn)行效果如圖5所示. 基于AR的應(yīng)用程序能夠快速準(zhǔn)確地展示DNA三維結(jié)構(gòu)，模擬堿基對(duì)邊堆疊邊螺旋的動(dòng)態(tài)過程，靈活展示DNA復(fù)制過程，能夠有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)DNA知識(shí)的理解，提高學(xué)習(xí)效率.

表3 實(shí)驗(yàn)者測(cè)試結(jié)果

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行效果Fig.5 Some scenarios of system

4 結(jié)語

本研究實(shí)現(xiàn)一種交互式參數(shù)化模擬DNA三維構(gòu)象的方法，展示了參數(shù)差異導(dǎo)致DNA三維構(gòu)象不同的現(xiàn)象； 利用Hermite曲線平滑處理DNA雙螺旋骨架，采用Bezier曲線控制螺旋鏈的中心軸，形成環(huán)狀DNA等； 模擬了堿基對(duì)邊堆疊邊螺旋和DNA復(fù)制的微觀動(dòng)態(tài)過程； 所研發(fā)的原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了語音、 實(shí)物等多通道交互功能，為用戶帶來舒適體驗(yàn). 該系統(tǒng)能夠利用實(shí)時(shí)顯示和AR交互的特性，以三維可視化的方式輔助初學(xué)者完成DNA基本結(jié)構(gòu)特征和復(fù)制過程的認(rèn)知學(xué)習(xí). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該原型系統(tǒng)能夠快速高效地模擬出不同類型的DNA三維構(gòu)象，虛實(shí)結(jié)合可視化效果佳，系統(tǒng)提供的動(dòng)態(tài)化學(xué)習(xí)引導(dǎo)，有助于增強(qiáng)用戶對(duì)DNA知識(shí)的理解、 掌握. 借助移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的學(xué)習(xí)資源，可以打破時(shí)間和空間的約束，使用戶能夠隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)DNA知識(shí)，沉浸式交互方式有利于引發(fā)更深層次的思考，培養(yǎng)探究式邏輯思維. 但參與測(cè)試的中學(xué)生中也存在因趣味性交互而陷入長時(shí)間使用電子屏幕的現(xiàn)象，可能帶來視力傷害.