CN109345634B - 基于磁性液体及混合现实的磁场演示方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁性液体及混合现实技术的磁场演示方法及装置，其中方法包括以下步骤：s1.拍摄磁性液体演示仪所展示的图像；s2.将所述图像中山状结构的“山峰”进行识别，并计算“山峰”数量和每一“山峰”的高度；s3.对每一个“山峰”所在区域的磁场强度分配磁感线，使该区域的磁感线数量占磁感线总数量的比例与该“山峰”的高度占“山峰”总高度的比例一致；s4.将磁感线与原始图像进行叠加后，通过显示器进行演示；其中装置包括磁性液体演示仪、小景深摄像机、上位机和显示器；本发明利用混合现实技术实现磁场分布结合磁性液体相变形态的直观展示，以实现对磁场分布的良好演示。

Description

基于磁性液体及混合现实的磁场演示方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁场教学、科普演示仪器，尤其涉及一种磁性液体相变特性及磁感线分布特性的展示方法和仪器。

背景技术

天然磁铁自指南针起就被人们广泛使用。1820年，丹麦物理学家奥斯特发现通电导线可以使小磁针发生偏转，从而发现了电流的磁效应，即通电导线周围可以激发产生磁场。1831年，法拉第发现将闭合电路中的导体在磁场中做切割磁感线的运动，闭合电路中就会产生感应电流，因而发现和完善了磁与电之间的相互联系和转化关系。但是，由于磁场的非可视性，如何去理解“看不见的磁场”存在抽象困难。因此，科学家用假想的“磁感线”概念来形象描述磁场的分布，但如果进一步演示出磁感线则有助于更直观地理解磁场的内涵。

磁性液体是一种新型的功能材料，它通常是由纳米级的磁性颗粒、添加剂和载液组成的胶体溶液。施加磁场时，磁性液体在毫秒级内形成磁链结构，发生液态到类固态的相变，去掉磁场后，又恢复到原来的状态(即液态)。磁性液体在宏观上形成类固态圆锥状结构的“山峰”(又名“山状结构”)。磁性液体在磁场作用下所形成的山状结构在外观上“形如”理论上假想的磁感线，而且山状结构的高度、直径、分布密度等形态参数本质上与“磁感线密度”对磁感应强度的描述一致。因此，磁性液体是一种可视化演示“磁感线”概念的理想材料。通过观察时刻变化的山状结构，生动地演示了磁感线所反映的磁感应强度的动态变化。

混合现实技术在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，增强了用户体验的真实感。混合现实技术增加了教学的娱乐性和互动性，是对主流教学形式的丰富和补充,为教学形式的多样化提供了更多可能。将磁性液体与混合现实技术结合，通过显示器显示出来，帮助人们更直观地理解磁场的分布。

发明内容

本发明的目的是利用混合现实技术实现磁场(磁感线)结合磁性液体相变形态的直观展示，以实现对磁场分布的良好演示。

本发明的一种基于磁性液体及混合现实的磁场演示方法，包括以下步骤：

s1.选用小景深相机拍摄磁性液体演示仪所展示的图像；

s2.对所述图像数据进行预处理；

s3.采用边缘算法对图像数据进行处理，对山状结构的“山峰”进行边界识别；并计算“山峰”数量和每个“山峰”的高度和宽度；

s4.对每一个“山峰”宽度分配磁感线，使该区域的磁感线数量占磁感线总数量的比例与该“山峰”的高度占“山峰”总高度的比例一致；

s5.将磁感线与原始图像进行叠加后，通过显示器进行混合现实时显示。

进一步，步骤s2中，进行所述图像数据预处理的步骤包括：

s21.对小景深相机获得的图像数据进行去噪处理，并转换为灰度图像；

s22.将焦平面前后背景虚化的山状结构区域的平均灰度设定为阈值；

s23.将数字图像中的灰度大于阈值的像素点设为1，而小于或等于阈值的像素点设为0，以此完成二值化处理。

进一步，步骤s3中，计算“山峰”数量和各“山峰”高度的方法为：对二值化处理后的图像进行边界识别，得到“山峰”数量k；从左到右的峰高为h₁,h₂,…,h_i,…,h_k；以及从左到右的“山峰”宽度为d₁,d₂,…,d_i,…,d_k。

进一步，步骤s3中，进行所述图像边界识别的步骤包括：

S31.采用差分算法从左至右运算，判定差分值由正变为负的像素点为峰顶，由此得“山峰”数量及峰高，由负变为正的像素点为峰谷。

S32.峰顶数目即为“山峰”数目；峰顶与底部的距离即为峰高；每个“山峰”的两个峰谷间的距离即为“山峰”宽度，其中最边缘两个“山峰”的宽度为其起始点与另一侧的峰谷间的距离。

进一步，步骤s4中，磁感线数目的分配方法为：设磁感线总数为M，为山状结构的第i个“山峰”分配磁感线数目m_i为：

本发明还公开了一种基于磁性液体及混合现实的磁场演示装置，包括：

磁性液体演示仪；

小景深摄像机，用于拍摄所述磁性液体演示仪内在焦面上的磁性液体山状结构

上位机，信号连接于所述小景深摄像机，用于对拍摄得到的图像进行识别并计算图像中的“山峰”数量、每个“山峰”的高度以及宽度，从而对每个“山峰”所在区域分配磁感线数量，最终生成磁感线与原始图像叠加后的混合现实图像；

显示器；信号连接于所述上位机，用于显示叠加后的混合现实图像。

本发明的有益效果是：本发明利用混合现实技术实现磁场(磁感线)与磁性液体相变形态的结合，以实现对磁场分布的良好演示。主要原理是利用线圈产生磁场，使磁性液体产生从液态到类固态的相变；摄像机将这种状态记录下来，并利用图像处理技术对“山状结构”进行识别与计算，根据山状结构的参数信息对磁感线进行分配；最后利用混合现实技术，模拟出磁感线并和磁性液体的山状结构叠加显示，增强对磁场分布的直观理解。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的演示装置的结构示意图；

图2为本发明中磁性液体的演示效果示意图；

图3为本发明中进行二值化处理后的图像；

图4为混合现实叠加效果图。

具体实施方式

实施案例一：

本实施例中通过磁性液体山状高度与宽度进行磁场分配的方法，包括以下步骤：

s1.拍摄磁性液体演示仪所展示的图像；本实施例中，采用小景深的专业摄像机进行拍摄，聚焦在演示仪磁性液体中的山状结构，景深外的区域都被虚化，由于其景深很小，能得到很小纵深的清晰图像，所以山状结构中心的景深范围能清晰地呈现在图片中，其他区域则会变得模糊，如图2所示为拍摄得到图像。

s2.将所述图像中山状结构的“山峰”进行识别，并计算“山峰”数量和每一“山峰”的高度；具体实施方法为：先对拍摄得到的图像数据进行平滑去噪，将数据与高斯平滑模板作卷积，去噪后的图像虽然与原始图像相比有些轻微的模糊，但对于要进行边缘检测算法运算的图像数据，这点损失是可以忽略不计的。随后对数据进行二值化处理，将摄像机拍摄的图像转换为灰度图像，将焦平面前后背景虚化的山状结构区域的平均灰度设定为阈值；将数字图像中的灰度大于阈值的点设为1，而小于或等于阈值的点设为0，以此完成二值化处理。

s3.二值化后的图像如图3所示，对二值化后的图像，进行边界识别，得到“山峰”数量k；采用差分算法从左至右运算，判定差分值由正变为负的点为峰顶，由负变为正的点为峰谷，由此得“山峰”数量及峰高。计算从左到右的峰高为h₁,h₂,…,h_i,…,h_k；磁性液体演示仪的山状结构活动区域总直径为φ，平均分配每个“山峰”所占的宽度，即d＝φ/k。经过上述一系列图像处理后，得到了磁性液体山状结构的参数信息，利用这些参数，我们可以模拟磁场分布。

s4.对每一个“山峰”宽度分配磁感线，使该区域的磁感线数量占磁感线总数量的比例与该“山峰”的高度占“山峰”总高度的比例一致；磁感线是用来形象地描述磁场状态的一种工具，磁感线上某一点的切线方向表示该点的磁场强度的方向，磁感线的疏密程度表示磁场的强度。磁性液体受磁场激励产生山状结构，波峰越高的区域说明磁场强度越大，其磁感线分布就越密集；反之起伏高度越低的区域磁感线分布就更稀疏。设磁感线总数为M，为山状结构的第i个“山峰”分配磁感线数目m_i为：

s5.由于该装置是用于教学演示的，所以将磁液池与上铁芯之间(磁性液体所处区域)磁场进行简化，假设磁感线其为竖直向下的箭头。所分配到的磁感线数量m_i被均匀地分布在第i个“山峰”宽度上。将磁感线与原始图像进行叠加后，通过投影仪或者混合现实显示器演示。

实施案例二：

本实施例中磁场分配方法，包括以下步骤：

s1.对小景深相机拍摄的图像，进行灰度转换，得到灰度图像；

s2.对灰度图像进行边界识别，得到“山峰”数量k；采用差分算法从左至右运算，判定差分值由正变为负的像素点为峰顶，由此得“山峰”数量及峰高，由负变为正的像素点为峰谷。计算从左到右的峰高为h₁,h₂,…,h_i,…,h_k；以及从左到右的“山峰”宽度为d₁,d₂,…,d_i,…,d_k。每个“山峰”的两个峰谷间的距离即为“山峰”宽度，其中最边缘两个“山峰”的宽度为其起始点与另一侧的峰谷间的距离。

s3.对每一个“山峰”宽度分配磁感线，使该区域的磁感线数量占磁感线总数量的比例与该”山峰”的高度占“山峰”总高度的比例一致。设磁感线总数为M，为山状结构的第i个“山峰”分配磁感线数目m_i为：

s4.由于该装置是用于教学演示的，所以将磁液池与上铁芯之间(磁性液体所处区域)磁场进行简化，假设磁感线其为竖直向下的箭头。所分配到的磁感线数量m_i被均匀地分布在第i个“山峰”宽度上。将磁感线与原始图像进行叠加后，通过投影仪或者混合现实时显示器演示。

本发明还公开了一种利用上文所述的演示方法进行演示的演示装置，包括：

磁性液体演示仪1；如图1所示，磁性液体演示仪一般包括磁液池和对所述磁液池内的磁性液体施加磁场的电磁线圈，磁性液体演示仪的磁液池位于磁场范围内，磁液池内的磁性液体将在磁场作用下形成山状结构。磁性液体演示仪1的详细构造为现有技术，在此不赘述。

小景深摄像机2，用于拍摄所述磁性液体演示仪1内展示的磁性液体形状；

上位机，信号连接于所述小景深摄像机2，用于对拍摄得到的图像进行识别并计算图像中的“山峰”数量和每一“山峰”的高度，从而对每一个“山峰”所在区域的磁场分配磁感线，最终生成磁感线与原始图像叠加后的图像。

显示器，信号连接于所述上位机，用于显示叠加后的图像。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于磁性液体及混合现实的磁场演示方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1.拍摄磁性液体演示仪所展示的图像；

s2.将所述图像中山状结构的“山峰”进行识别，并计算“山峰”数量和每个“山峰”的高度与宽度；其具体方法为：先对拍摄得到的图像数据进行平滑去噪，将数据与高斯平滑模板作卷积，去噪后的图像虽然与原始图像相比有些轻微的模糊，但对于要进行边缘检测算法运算的图像数据；随后对数据进行二值化处理，将摄像机拍摄的图像转换为灰度图像，将焦平面前后背景虚化的山状结构区域的平均灰度设定为阈值；将数字图像中的灰度大于阈值的点设为1，而小于或等于阈值的点设为0，以此完成二值化处理；

其中，计算“山峰”数量和各“山峰”高度的方法为：对二值化处理后的图像进行边界识别，得到“山峰”数量k；从左到右的峰高为h₁,h₂,…,h_i,…,h_k；以及从左到右的“山峰”宽度为d₁,d₂,…,d_i,…,d_k；

s3.对每一个“山峰”宽度分配磁感线，使该区域的磁感线数量占磁感线总数量的比例与该“山峰”高度占“山峰”总高度的比例一致；磁性液体演示仪的山状结构活动区域总直径为φ，平均分配每个“山峰”所占的宽度，即d＝φ/k；

采用差分算法从左至右运算，判定差分值由正变为负的像素点为峰顶，由此得“山峰”数量及峰高，由负变为正的像素点为峰谷；

设磁感线总数为M，为山状结构的第i个“山峰”分配磁感线数目m_i为：

所分配到的磁感线数量m_i被均匀地分布在第i个“山峰”宽度上；

s4.将磁感线与原始图像进行叠加后，通过显示器进行混合现实显示。

2.根据权利要求1所述的基于磁性液体及混合现实的磁场演示方法，其特征在于，每个“山峰”的周围两个峰谷间的距离即为“山峰”宽度，其中最边缘两个“山峰”的宽度为其起始点与另一侧的峰谷间的距离。

3.根据权利要求2所述的基于磁性液体及混合现实的磁场演示方法，所分配到的磁感线数量m_i被线性分布在第i个“山峰”宽度上，且为向外侧线性减少。

4.利用权利要求1-3任一项所述的演示方法进行演示的演示装置，其特征在于，包括：

磁性液体演示仪；

小景深摄像机，用于拍摄所述磁性液体演示仪内在焦面上的磁性液体山状结构；

上位机，信号连接于所述小景深摄像机，用于对拍摄得到的图像进行识别并计算图像中的“山峰”数量、每个“山峰”的高度以及宽度，从而对每个“山峰”所在区域分配磁感线数量，最终生成磁感线与原始图像叠加后的混合现实图像；

显示器：信号连接于所述上位机，用于显示叠加后的混合现实图像。

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