CN112528476A - 一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备 - Google Patents
一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112528476A CN112528476A CN202011393486.1A CN202011393486A CN112528476A CN 112528476 A CN112528476 A CN 112528476A CN 202011393486 A CN202011393486 A CN 202011393486A CN 112528476 A CN112528476 A CN 112528476A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- magnet
- magnetic field
- point
- real
- virtual
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 241
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 title claims abstract description 39
- 230000004927 fusion Effects 0.000 title claims abstract description 27
- 238000007794 visualization technique Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 64
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 63
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000012800 visualization Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 6
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 5
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 9
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 8
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000003623 enhancer Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
- G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
- G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
-
- G—PHYSICS
- G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
- G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
- G09B5/00—Electrically-operated educational appliances
- G09B5/02—Electrically-operated educational appliances with visual presentation of the material to be studied, e.g. using film strip
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Abstract
本发明公开了一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及电子设备。该方法包括步骤：步骤1，构建虚拟磁铁模型数据库，将长方体磁铁模拟成在长方体磁铁的N‑S两极连线方向上叠加的多层薄层电流环构成的电流环；步骤2，计算长方体磁铁对磁体外任意一点的磁场矢量；步骤3，采集真实磁铁图像，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化。本发明应用于中学物理教学中，通过虚实融合交互提高学生的学习兴趣，并且适合在移动终端上实现，仿真度高，交互性强。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，更具体地，涉及一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及电子设备。
背景技术
新兴技术的发展，尤其是虚拟技术的诞生，使得许多实验可以在不同情境下有着相应的虚拟方式展陈，也提供了传统实验无法比拟的效果。虚拟实验由此产生，1989年美国弗吉尼亚大学的Willian Wulf教授提出了虚拟实验室是指通过计算机网络技术创造出来的虚拟学习环境，在这样一种环境中，学生可以不受时空的限制，通过鼠标、键盘、头盔等交互设备在计算机模拟的虚拟空间内进行实验操作与探究，从而获得沉浸感体验。
增强现实(Augment Reality,简称AR)是通过计算机技术将虚拟物体叠加在真实世界中的技术。它有着许多吸引眼球的特点，包括：自然交互、抽象内容具象化等。随着移动技术、网络技术的发展，移动端的增强现实成为了主流，其便捷性也为增强现实在教育中的大范围应用提供了可能。在不同学科中已有相关研究，如Ewais A等人设计开发了一套基于增强现实的化学原子与分子APP用于课堂，结果证明该应用大大提升了学生对学习自然科学的态度。
磁场是一种看不见、摸不着的物质，学生在学习永磁体磁场的时候难以获得深入的认识，由于磁场知识抽象，学生的日常经验不足，容易产生不相干的联想与推测，导致迷思概念的生成。为了能够方便、形象地描述磁场，人们将小磁针在磁场中的排列情况用带箭头的曲线画出来，这样的曲线叫磁感线。但是，磁感线是虚构的，实际中并不存在。传统的课堂磁铁实验，主要是采用磁铁屑模拟磁场分布。然而，铁屑实验操作不便，一方面容易散落四处，另一方面容易吸附到磁铁难以清理。由于器材的有限和费用，在这种实验课堂中大都是教师操作进行教学，学生观察与学习。最后学生通过自行绘制磁感线进行知识的“巩固”。
目前关于磁铁磁场虚拟化的方法大都通过类似于有限元、边界元之类数值计算方法实现，其主要思想是通过插值进行划分磁场区域来近似表达真实解或者对磁场边界进行离散，由于待求未知数多，插值方程的规模大，导致输入数据多，计算准备和计算过程工作量大，更多的只适用于物理专业研究。相关研究如Matsutomo(Real Time SimulationMethod of Magnetic Field for Visualization System With Augmented RealityTechnology[J].IEEE Transactions on Magnetics)等人表明有限元法计算较慢非常耗时间，其通过简化的有限元法进行磁场的AR可视化在pc上才得以运行成功。而当涉及多块磁铁的时候，磁场的计算量将会更大，这就不适合在计算能力偏弱的便携式移动设备上运行了，从而很难进行教育应用。而目前在教育应用方面，也有部分基于增强现实的磁场实验，其中大多数是通过模拟通电螺线管的磁场或者通过贝塞尔曲线模拟，一方面仿真性较低，会造成体验感差等情况；另一方面有些是基于flash之类的模拟，交互性低；也有研究将Kinect应用在磁场实验中，虽加强了用户体验，但由于设备要求，并不适合大班教学。因此亟待一种适合移动设备计算的，仿真度高、交互性强并适用于教育场景的磁场可视化方法和装备。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及电子设备，适合在移动终端上实现，仿真度高，交互性强。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，包括步骤：
步骤1，构建虚拟磁铁模型数据库，将长方体磁铁模拟成在长方体磁铁的N-S两极连线方向上叠加的多层薄层电流环构成的电流环，依据安倍定则确定电流环的电流方向，根据长方体磁铁长度确定每层薄层电流环的电流强度；
步骤2，确定长方体磁铁在磁体外任意一点的磁场矢量的计算方法，该计算方法具体是：根据虚拟磁铁模型的电流方向和电流强度，基于毕奥萨伐尔定律计算出每层薄层电流环在磁体外任意一点所产生的磁场矢量，在长方体磁铁N-S两极连线方向进行积分计算，以获得长方体磁铁对该点的磁场矢量；
步骤3，采集真实磁铁图像，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化。
优选的，所述步骤2中，将长方体磁铁在磁体外任意一点的磁场矢量简化为长方体磁铁对该点产生的x轴方向磁场分量和y轴方向磁场分量。
优选的，所述步骤3包括子步骤：
步骤3.1，若采集视野内只存在唯一的真实长方体磁铁，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配一个对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化；
步骤3.2，若采集视野内存在多个真实长方体磁铁，根据真实磁铁图像为每个真实长方体磁铁从步骤1构建的数据库中分别匹配对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法并根据磁场叠加原理计算多个虚拟磁铁模型在磁体外任意一点的磁场叠加矢量，根据计算出的磁场叠加矢量绘制磁感线并进行可视化。
优选的，所述步骤3.1包括步骤：
步骤3.1.1，将虚拟磁铁模型N极或S极附近标定1个点，若该标定点位于N极附近则作为磁感线的出点，若该标定点位于S极附近则作为磁感线的入点；
步骤3.1.2，记该标定点为基准点M0，计算该基准点M0磁场矢量
设置迭代长度L，若基准点M0在N极附近，则将基准点M0向其磁场方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代，若基准点M0在S极附近，将基准点M0向其磁场反方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代；
步骤3.1.3，判断每次迭代后的新基准点是否与虚拟磁铁模型的另一端碰撞，若碰撞，则停止迭代，形成点集P{M0，M1，M2，M3…Mn}，Mn为最后一次迭代产生的新基准点；
步骤3.1.4，将点集P作为绘制的路径，绘制出M0至Mn的一条磁感线，并且绘制磁感线方向箭头。
优选的，所述步骤3.1还包括步骤：
步骤3.1.5，在磁铁模型N极或S极标定4个点，这4个点相对于长方体磁铁中轴两两对称并均匀分布，重复执行步骤3.1.1至步骤3.1.4，绘制每个点出发的磁感线。
优选的，所述步骤3.2包括步骤：
步骤3.2.1，若采集视野内存在多个真实长方体磁铁，根据真实磁铁图像为每个真实长方体磁铁从步骤1构建的数据库中分别匹配对应的虚拟磁铁模型；
步骤3.2.2，在步骤3.2.1匹配的虚拟磁铁模型中的一个虚拟磁铁模型N极或S极附近标定1个点，若位于N极附近则作为磁铁磁感线的出点，若位于S极附近则作为磁感线的入点；
步骤3.2.3，记该标定点为基准点M0，计算该基准点M0磁场叠加矢量
设置迭代长度L，若基准点M0在N极附近，则将基准点M0向其磁场方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代，若基准点M0在S极附近，将基准点M0向其磁场反方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代；
步骤3.2.4，判断每次迭代后的新基准点是否与步骤3.2.1匹配的任一虚拟磁铁模型碰撞，若碰撞，则停止迭代，形成点集P{M0，M1，M2，M3…Mn}，Mn为最后一次迭代产生的新基准点；
步骤3.2.5，将点集P作为绘制的路径，绘制出M0至Mn的一条磁感线，并且绘制磁感线方向箭头；
步骤3.2.6，重复执行步骤3.2.2至步骤3.2.5，进行其他磁感线的绘制。
优选的，还包括步骤4，若采集视野内的真实长方体磁铁的位置、旋转发生改变，则通过平移矩阵、旋转矩阵对磁感线进行实时变换并可视化。
优选的，所述方法基于移动终端实现。
按照本发明的第二方面，提供了一种面向虚实融合实验的磁场可视化系统，包括：
建模子模块，用于构建虚拟磁铁模型数据库，将长方体磁铁模拟成在长方体磁铁的N-S两极连线方向上叠加的多层薄层电流环构成的电流环，依据安倍定则确定电流环的电流方向，根据长方体磁铁长度确定每层薄层电流环的电流强度；
磁场计算模块，用于确定长方体磁铁在磁体外任意一点所产生的磁场矢量的计算方法，该计算方法具体是：根据虚拟磁铁模型确定的电流方向和电流强度，基于毕奥萨伐尔定律计算出每层薄层电流环在磁体外任意一点所产生的磁场矢量，在长方体磁铁N-S两极连线方向进行积分计算，以获得长方体磁铁对该点产生的磁场矢量；
匹配模块，用于采集真实磁铁图像，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配对应的虚拟磁铁模型；
可视化模块，用于调用所述磁场计算模块磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化。
按照本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有软件程序，其特征在于，所述处理器执行所述软件程序时实现上述任一项所述的磁场可视化方法。
总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：适合在移动终端上实现，仿真度高、交互性强的一种磁场可视化方法与虚实融合实验系统，实验流程简单，操作方便，实验过程中，可以将虚拟的磁感线绘制在真实的磁铁上方，使用者在感受到真实磁铁之间的力的同时能够观察到磁场的实时变化，做到真正的虚实交互实验体验，适用于教师向学生展示实验过程，也适用于学生自主探究式学习。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程示意图；
图2是本发明实施例的磁铁建模示意图；
图3是本发明实施例的磁场可视化系统及电子设备的原理图；
图4发明实施例的虚实交互可视化示例图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请见图1，本发明提供的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，包括以下步骤：
步骤1：条形磁铁坐标系建模；
具体实现包括以下子步骤：
步骤1.1：确定磁铁坐标系的位置；
请见图2，确定真实的条形磁铁的长宽高a、b、h，以Unity 3D引擎坐标系的特性，建立左手坐标系，将等比例的磁铁模型建立在坐标系中，以原点为基准，对应的长宽高分别位于x、z、y轴正方向；同时设定磁铁N在上方，S极在下方；
步骤1.2：根据安倍分子环流定律，假设磁铁是带电的电流环组成的，进行磁铁电流环建模。
步骤1.2.1：设该磁铁的总电流大小为I总，在y轴上高度区间(0-h)间任取一厚度为dy0的薄层电流环A′B′C′D′A′，根据右手定则，可看出其电流方向为逆时针即按照A′B′C′D′A′的方向，同时可以计算电流强度为I＝JSdy0(JS＝I总/h)；
步骤1.2.2：取磁铁外任意一点坐标为P(x，y，z)，假想薄层电流环A′B′C′D′A′在p点处产生的磁场是薄层电流环每条边对齐产生的磁场的矢量和，可表示为：
步骤2：条形磁铁磁场计算；具体实现包括以下子步骤：
步骤2.1：计算薄层电流环A′B′C′D′A′对磁铁外对点p点产生的磁场(矢量)，取其x，y分量；
步骤2.1.1：以薄层电流环A′B′C′D′A′中A′B′段为例，从毕奥萨伐尔定律
出发，即电流元在空间任一点P产生的磁感应强度
的大小与电流元
(I为电流大小，
为线电流的微分)成正比，与距离r的平方成反比，与
和电流元
到场点P的位矢之间的夹角θ的正弦成正比。其方向与
一致。根据向量叉乘原理，我们可以将其转换为行列式形式：
基于此，确定计算该电流元对点P的磁场需要的变量。
步骤2.1.2：计算P与A′B′上任意一点的距离。取A′B′上任意一点(x0，y0，0)，很容易得出它与P点的距离为[(x-x0)2+(y-y0)2+z2]2；
步骤2.1.3：由于电流方向是顺时针方向，则根据毕奥萨伐尔定律，其积分区间为(0→a)，微分为dx0；
步骤2.1.4：通过毕奥萨伐尔定律可计算出A′B′段对点P产生的磁场，结果为：
分解该式，其中对应的x，y分量则为：
将磁场矢量简化为x轴方向磁场分量和y轴方向磁场分量，可以简化磁场计算复杂度，从而适用于在移动终端实现。但是此简化步骤并非是必须的。
步骤2.1.5：同理求出B′C′，C′D′，D′A′三段对于点p产生的磁场的x、y分量；
步骤2.1.6：根据步骤1.2.2提出的矢量和将薄层电流环对P产生的磁场相加，得出其对点P的磁场x、y分量：
步骤2.2：计算该长宽高为a，b，h的磁铁对p点产生的磁场(矢量)；
步骤2.2.1：在已知薄层电流环A′B′C′D′A′对p点产生的磁场的前提下，在磁铁的y方向进行0-h的积分，即可得出该磁铁对点P产生的磁场，结果如下：
步骤2.2.2：令
则步骤2.2.1中式子积分可得：
By
＝K[-W(b-z，a-x，y)-W(z，a-x，y)-W(a-x，b-z，y)-W(x，b-z，x)-W(b-z，x，y)-W(z，x，y)一W(a-x，z，y)-W(x，z，y)]
其中：
K＝10
步骤2.3：计算同类型的多块磁铁对p点产生的磁场(矢量)。
步骤2.3.1：计算每块磁铁作用在点P的磁场B1，B2，B3，...，Bn；
步骤2.3.2：根据磁场叠加原理可计算出点P的合成磁场为：
步骤3：条形磁铁磁场可视化。
步骤3.1：计算并绘制出单块磁铁的磁感线；
步骤3.1.1：将虚拟磁铁模型N极附近标定1个点，作为磁铁磁感线的出点，并在系统中标记；
步骤3.1.2：记该点为基准点M0，根据步骤2提出的计算方法，计算该点磁场
设置迭代长度L为0.001米，将M0向该点磁场方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代，形成点集P{M0，M1，M2，M3…Mn}，系统实时记录点集；可以根据实际情况设置L大小，在做到不影响磁感线精度的同时，实时控制降低计算复杂度；
步骤3.1.3：根据Unity3D实时反馈的碰撞结果，判断是否与磁铁的另一端相交，若相交，则停止记录点，记Mn为最后一个存储的点；根据磁场性质，Mn与M0是相对于磁铁(前提是均匀磁铁)中心对称的两个点；
步骤3.1.4：基于Unity 3D的绘线功能，将点集P作为绘制的路径，绘制出M0至Mn的一条磁感线，同时在
点处绘制磁感线方向箭头，磁感线箭头方向为
步骤3.1.5：在磁铁模型N极标定4个具有代表性的点，它们相对于磁铁中轴两两对称并均匀分布；基于步骤3.1.1至步骤3.1.4的方法，计算并绘制出该磁体的磁感线；但是特别说明的是，并非必须标定4个点，可以根据需要灵活调整；
步骤3.2：计算并绘制两块磁铁的磁感线。
步骤3.2.1：根据步骤1的方法，将两块磁铁进行建模，首先计算磁铁1的N极或S极某点的叠加磁场，依据叠加磁场的方向进行迭代，直到Unity3D碰撞检测到磁铁1或者磁铁2，依据步骤3.1的方法实时绘制出两块磁铁交互时在磁铁1上的一条磁感线；
步骤3.2.2：同步骤3.1.5的方式，将磁铁1的剩余磁感线绘制出来；同理，进行磁铁2的磁感线的绘制；
步骤3.2.3：基于Unity碰撞检测功能以及磁场的性质，两块磁铁的磁感线如果重合，则实时隐藏一条磁感线，以绘制出准确的磁场。
优选的，还包括步骤S4，若采集视野内的真实磁铁的位置、旋转发生改变，则通过平移矩阵、旋转矩阵对磁感线进行实时变换并可视化，而不需要重复执行步骤S3，重新匹配模型和计算磁场矢量。
具体变化方法如下：
我们可以将空间外P点的磁场向量二维坐标(BX，BY)表述为齐次坐标[BX，BY，1]，则其变换后的坐标可表示为[B′X，B′Y，1]，计算方式如下所述：
1.平移变换
变换表述为点P在x，y轴正方向平移dx与dy距离，可得出
B′X＝BX+dx
B′Y＝BY+dy
2.旋转
变换表述为点P在围绕原点逆时针旋转θ角度，可得出
B′X＝BXcosθ-BYsinθ
B′Y＝BXsinθ+BYcosθ
通过上述两个变换公式，在进行自由变换时，都能满足二维磁场的任意变换。
优选的，该方法基于移动终端实现，例如手机、IPAD等。
请见图3，一种虚实融合实验的磁场可视化系统主要包括建模子模块、磁场计算模块、匹配模块和可视化模块。
建模子模块用于构建虚拟磁铁模型数据库，将长方体磁铁模拟成在长方体磁铁的N-S两极连线方向上叠加的多层薄层电流环构成的电流环，依据安倍定则确定电流环的电流方向，根据长方体磁铁长度确定每层薄层电流环的电流强度。基于坐标系建模，为虚拟磁场计算提供基础。
匹配子模块用于采集真实磁铁图像，根据真实磁铁图像为真实磁铁从构建的数据库中匹配对应的虚拟磁铁模型。优选的，本实例提供的磁铁特征增强包装图纸，磁铁特征增强子模块用于对真实磁铁的识别度进行增强，应用包装纸对磁铁进行包装以增强特征点将真实磁铁通过摄像头与虚拟磁铁进行匹配融合，通过摄像头扫描捕捉真实磁铁的特征点，通过Vuforia自带的识别算法，根据真实磁铁的特征，与模型库进行比对并匹配对应的磁铁模型，进行真实磁铁到虚拟磁铁间的映射，系统追踪真实磁铁现实空间位置和方向对虚拟磁铁进行实时变化，以达到实时匹配的作用。
磁场计算模块，用于确定长方体磁铁在磁体外任意一点所产生的磁场矢量的计算方法，该计算方法具体是：根据虚拟磁铁模型确定的电流方向和电流强度，基于毕奥萨伐尔定律计算出每层薄层电流环在磁体外任意一点所产生的磁场矢量，在长方体磁铁N-S两极连线方向进行积分计算，以获得长方体磁铁对该点产生的磁场矢量。
可视化模块，用于调用磁场计算模块磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化。
优选的，系统还包括磁场实验功能构建子模块。磁场实验功能构建子模块主要包括磁铁屑模拟子模块、小磁针实验子模块、磁体间的力子模块和磁感线探究子模块；磁铁屑模拟子模块用于表述通过磁场计算算法，模拟虚拟磁铁周围的虚拟磁铁屑的变化情况；小磁针实验子模块主要应用磁场计算方法计算虚拟磁铁周围的某小磁针在不同位置的变换情况；磁体间的力子模块主要通过磁场的计算方法模拟两块磁铁在不同位置之间力的变化；磁感线探究子模块主要用于探究磁感线和磁极间的力的关系，用户感受两块磁体间不同位置的磁力的同时通过屏幕观察两块磁铁之间磁感线的变换。
磁场可视化系统的实现原理、技术效果与上述方法类似，此处不再赘述。
图4为本发明实施例的磁场可视化方法及系统的具体应用。虚实交互操作模块主要用于用户通过真实磁铁与虚拟系统进行虚实交互。用户拿起真实的磁铁，摄像头实时记录磁铁的位置和状态，并根据真实磁铁的实时位置匹配虚拟磁铁模型，同时实时计算其周围的磁场并将磁感线绘制出，其主要分为单条磁铁和双条磁铁的在是否放置在平面上的情况分不同的显示情况：
对于①、②，磁铁可在摄像头覆盖范围内活动，并实时计算并可视化周围的磁感线；
对于③、⑤，当两块磁铁在同一平面内，系统会自动判断其位置、方向情况，实时计算叠加的磁场并绘制磁感线，③情况下会出现磁场相斥的情况，④情况则出现磁场相吸的情况，而实时的磁场大小也会随着两块磁铁的位置进行计算并可视化；
对于④、⑥，两块磁铁未在同一平面内，系统不会计算磁场，并提醒用户将磁铁放在同一平面内，待矫正后系统进入③、⑤的情况。
通过上述方法，用户可以将磁铁移动/旋转不同的位置，体验磁铁之间相互吸引排斥的力，同时可以观察到磁铁周围磁感线的实时变化，从而实现真正的虚实交互。
本发明实施例运用毕奥萨伐尔定律结合分子环流定律，构建磁场可视化的计算方法；可以通过三种方式简化磁场计算：1.基于中学磁场实验特性只取计算的在磁铁横截平面方向的磁感线；2.基于特征样本点进行磁感线迭代绘制，减少不必要的计算；3.用户可以自行设置迭代次数，从而在简化计算量的同时绘制出标准的磁感线；在简化计算量的同时，充分利用增强现实技术的虚实融合特性，将虚实融合磁场实验通过便捷式移动设备实现，落实用户体验；运用等比例建模等技术，构建磁铁模型，并通过摄像头扫描真实磁铁，进行实时匹配。通过磁场计算方法对磁感线进行可视化。确定磁场实验模块，用户进行虚实交互。本发明实施例简化磁场计算方式，对磁场实验进行虚实融合的展现，供学习者学习，学习者能够在体验真实磁铁间的力的同时观察到磁感线的实时变化，以获得真正的虚实融合的体验。
本实施例还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行任一实施例一中磁场可视化方法，具体步骤参见方法实施例，此处不再赘述；本实施例中，处理器和存储器的类型不作具体限制，例如：处理器可以是微处理器、数字信息处理器、片上可编程逻辑系统等；存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合等。
优选的，电子设备为移动终端，例如手机、IPAD等。
必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，构建虚拟磁铁模型数据库，将长方体磁铁模拟成在长方体磁铁的N-S两极连线方向上叠加的多层薄层电流环构成的电流环，依据安倍定则确定电流环的电流方向，根据长方体磁铁长度确定每层薄层电流环的电流强度；
步骤2，确定长方体磁铁在磁体外任意一点的磁场矢量的计算方法，该计算方法具体是：根据虚拟磁铁模型的电流方向和电流强度，基于毕奥萨伐尔定律计算出每层薄层电流环在磁体外任意一点所产生的磁场矢量，在长方体磁铁N-S两极连线方向进行积分计算，以获得长方体磁铁对该点的磁场矢量；
步骤3，采集真实磁铁图像，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化。
2.如权利要求1所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，所述步骤2中，将长方体磁铁在磁体外任意一点的磁场矢量简化为长方体磁铁对该点产生的x轴方向磁场分量和y轴方向磁场分量。
3.如权利要求1所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，所述步骤3包括子步骤：
步骤3.1，若采集视野内只存在唯一的真实长方体磁铁，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配一个对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化；
步骤3.2，若采集视野内存在多个真实长方体磁铁，根据真实磁铁图像为每个真实长方体磁铁从步骤1构建的数据库中分别匹配对应的虚拟磁铁模型，调用步骤2的磁场矢量计算方法并根据磁场叠加原理计算多个虚拟磁铁模型在磁体外任意一点的磁场叠加矢量，根据计算出的磁场叠加矢量绘制磁感线并进行可视化。
4.如权利要求3所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，所述步骤3.1包括步骤：
步骤3.1.1，将虚拟磁铁模型N极或S极附近标定1个点，若该标定点位于N极附近则作为磁感线的出点，若该标定点位于S极附近则作为磁感线的入点；
步骤3.1.2，记该标定点为基准点M0，计算该基准点M0磁场矢量
设置迭代长度L，若基准点M0在N极附近，则将基准点M0向其磁场方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代，若基准点M0在S极附近，将基准点M0向其磁场反方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代；
步骤3.1.3，判断每次迭代后的新基准点是否与虚拟磁铁模型的另一端碰撞，若碰撞，则停止迭代，形成点集P{M0，M1，M2，M3...Mn}，Mn为最后一次迭代产生的新基准点；
步骤3.1.4，将点集P作为绘制的路径，绘制出M0至Mn的一条磁感线，并且绘制磁感线方向箭头。
5.如权利要求4所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，所述步骤3.1还包括步骤：
步骤3.1.5，在磁铁模型N极或S极标定4个点，这4个点相对于长方体磁铁中轴两两对称并均匀分布，重复执行步骤3.1.1至步骤3.1.4，绘制每个点出发的磁感线。
6.如权利要求3所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，所述步骤3.2包括步骤：
步骤3.2.1，若采集视野内存在多个真实长方体磁铁，根据真实磁铁图像为每个真实长方体磁铁从步骤1构建的数据库中分别匹配对应的虚拟磁铁模型；
步骤3.2.2，在步骤3.2.1匹配的虚拟磁铁模型中的一个虚拟磁铁模型N极或S极附近标定1个点，若位于N极附近则作为磁铁磁感线的出点，若位于S极附近则作为磁感线的入点；
步骤3.2.3，记该标定点为基准点M0，计算多个虚拟磁铁模型在该基准点M0磁场叠加矢量
设置迭代长度L，若基准点M0在N极附近，则将基准点M0向其磁场方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代，若基准点M0在S极附近，将基准点M0向其磁场反方向前进L，新到达的点作为新基准点M1，以此类推，每次基于新基准点进行迭代；
步骤3.2.4，判断每次迭代后的新基准点是否与步骤3.2.1匹配的任一虚拟磁铁模型碰撞，若碰撞，则停止迭代，形成点集P{M0，M1，M2，M3...Mn}，Mn为最后一次迭代产生的新基准点；
步骤3.2.5，将点集P作为绘制的路径，绘制出M0至Mn的一条磁感线，并且绘制磁感线方向箭头；
步骤3.2.6，重复执行步骤3.2.2至步骤3.2.5，进行其他磁感线的绘制。
7.如权利要求1所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，还包括步骤4，若采集视野内的真实长方体磁铁的位置、旋转发生改变，则通过平移矩阵、旋转矩阵对磁感线进行实时变换并可视化。
8.如权利要求1所述的一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法，其特征在于，所述方法基于移动终端实现。
9.一种面向虚实融合实验的磁场可视化系统，其特征在于，包括：
建模子模块，用于构建虚拟磁铁模型数据库，将长方体磁铁模拟成在长方体磁铁的N-S两极连线方向上叠加的多层薄层电流环构成的电流环，依据安倍定则确定电流环的电流方向，根据长方体磁铁长度确定每层薄层电流环的电流强度；
磁场计算模块，用于确定长方体磁铁在磁体外任意一点所产生的磁场矢量的计算方法，该计算方法具体是：根据虚拟磁铁模型确定的电流方向和电流强度，基于毕奥萨伐尔定律计算出每层薄层电流环在磁体外任意一点所产生的磁场矢量，在长方体磁铁N-S两极连线方向进行积分计算，以获得长方体磁铁对该点产生的磁场矢量；
匹配模块，用于采集真实磁铁图像，根据真实磁铁图像为真实磁铁从步骤1构建的数据库中匹配对应的虚拟磁铁模型；
可视化模块，用于调用所述磁场计算模块磁场矢量计算方法计算磁场矢量，根据计算出的磁场矢量绘制磁感线并进行可视化。
10.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有软件程序，其特征在于，所述处理器执行所述软件程序时实现权利要求1至8中任一项所述的磁场可视化方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011393486.1A CN112528476B (zh) | 2020-12-03 | 2020-12-03 | 一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011393486.1A CN112528476B (zh) | 2020-12-03 | 2020-12-03 | 一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112528476A true CN112528476A (zh) | 2021-03-19 |
| CN112528476B CN112528476B (zh) | 2023-02-28 |
Family
ID=74996366
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011393486.1A Active CN112528476B (zh) | 2020-12-03 | 2020-12-03 | 一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112528476B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113655415A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-16 | 东北大学 | 一种磁场分布的增强现实在线可视化方法 |
| CN114882773A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-08-09 | 华北电力大学（保定） | 一种基于Augmented Reality的磁场学习系统 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103760981A (zh) * | 2014-01-21 | 2014-04-30 | 北京师范大学 | 一种磁场可视化及交互方法 |
| JP2018124831A (ja) * | 2017-02-01 | 2018-08-09 | サイエンス ソリューションズ株式会社 | 電磁界解析装置、方法及びプログラム |
| CN108777081A (zh) * | 2018-05-31 | 2018-11-09 | 华中师范大学 | 一种虚拟舞蹈教学方法及系统 |
| CN108847057A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-20 | 北京师范大学 | 一种光电效应实验的虚实结合展示系统及方法 |
| US20200265644A1 (en) * | 2018-09-12 | 2020-08-20 | Limited Liability Company "Transinzhkom" | Method and system for generating merged reality images |
-
2020
- 2020-12-03 CN CN202011393486.1A patent/CN112528476B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103760981A (zh) * | 2014-01-21 | 2014-04-30 | 北京师范大学 | 一种磁场可视化及交互方法 |
| JP2018124831A (ja) * | 2017-02-01 | 2018-08-09 | サイエンス ソリューションズ株式会社 | 電磁界解析装置、方法及びプログラム |
| CN108777081A (zh) * | 2018-05-31 | 2018-11-09 | 华中师范大学 | 一种虚拟舞蹈教学方法及系统 |
| CN108847057A (zh) * | 2018-06-29 | 2018-11-20 | 北京师范大学 | 一种光电效应实验的虚实结合展示系统及方法 |
| US20200265644A1 (en) * | 2018-09-12 | 2020-08-20 | Limited Liability Company "Transinzhkom" | Method and system for generating merged reality images |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| QINGTANG LIU等: "Design and Implementation of an AR-Based Inquiry Courseware—Magnetic Field", 《IEEE》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113655415A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-11-16 | 东北大学 | 一种磁场分布的增强现实在线可视化方法 |
| CN113655415B (zh) * | 2021-08-16 | 2023-01-17 | 东北大学 | 一种磁场分布的增强现实在线可视化方法 |
| CN114882773A (zh) * | 2022-05-24 | 2022-08-09 | 华北电力大学（保定） | 一种基于Augmented Reality的磁场学习系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112528476B (zh) | 2023-02-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Barnsley | Fractals everywhere | |
| CN112528476B (zh) | 一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备 | |
| Liu et al. | Interactive study of multimedia and virtual technology in art education | |
| Fajrianti et al. | Application of augmented intelligence technology with human body tracking for human anatomy education | |
| Yan | Augmented reality instructions for construction toys enabled by accurate model registration and realistic object/hand occlusions | |
| Jin et al. | GAN-based pencil drawing learning system for art education on large-scale image datasets with learning analytics | |
| Aottiwerch et al. | Design computer-assisted learning in an online Augmented Reality environment based on Shneiderman's eight Golden Rules | |
| Suselo et al. | Teaching and learning 3d transformations in introductory computer graphics: A User Study | |
| Gomes Jr et al. | Semi-automatic methodology for augmented panorama development in industrial outdoor environments | |
| Harvey et al. | Haptic representation of the atom | |
| Chandramouli et al. | Desktop VR centered project based learning in ET courses using a low-cost portable VR system | |
| Cao et al. | Educational virtual-wear trial: More than a virtual try-on experience | |
| Girašek et al. | Visualization of temperature fields distribution on power module within web interface | |
| Baptista et al. | 3D content generation to moodle platform to support anatomy teaching and learning | |
| Pan et al. | Simulating the dilution of sulfuric acid on mixed reality platform | |
| Mustapha et al. | Incorporating Spatial-Visual Topology In Mobile Augmented Reality Application To Enhance Visual Realism | |
| Zhou et al. | Reform of computer graphics teaching method | |
| Sun et al. | Web3D-based online military boxing learning system | |
| Wan et al. | 3D Reconstruction Method of Virtual Teaching Laboratory Model Based on Akaze Features | |
| Pan et al. | A spatial augmented reality based circuit experiment and comparative study with the conventional one | |
| Paul et al. | Advanced 3D Modeling for Augmented Reality Visualizations in Engineering Education: Issues, Challenges, and Future | |
| Safrodin et al. | The 3D virtual drawing mobile application based on augmented reality using AR-Framework | |
| Immersive | 8 AugmentedinEducation Reality | |
| Velichová | Dynamic tools in mathematical education | |
| Shen | Modeling design of university laboratory based on virtual reality technology |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20210319 Assignee: Wuhan Hezhongxing Trading Co.,Ltd. Assignor: CENTRAL CHINA NORMAL University Contract record no.: X2023980052458 Denomination of invention: A magnetic field visualization method, system, and equipment for virtual real fusion experiments Granted publication date: 20230228 License type: Common License Record date: 20231219 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20210319 Assignee: Hubei ZHENGBO Xusheng Technology Co.,Ltd. Assignor: CENTRAL CHINA NORMAL University Contract record no.: X2024980001275 Denomination of invention: A magnetic field visualization method, system, and equipment for virtual real fusion experiments Granted publication date: 20230228 License type: Common License Record date: 20240124 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20210319 Assignee: Hubei Rongzhi Youan Technology Co.,Ltd. Assignor: CENTRAL CHINA NORMAL University Contract record no.: X2024980001548 Denomination of invention: A magnetic field visualization method, system, and equipment for virtual real fusion experiments Granted publication date: 20230228 License type: Common License Record date: 20240126 |
|
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |