CN113655415A - 一种磁场分布的增强现实在线可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场分布的增强现实在线可视化方法，属于永磁材料应用技术领域。利用磁场模拟软件对永磁体的磁场空间分布进行模拟计算，且将模拟结果与高斯计的实测结果进行对比，获得准确的永磁体磁场空间分布。通过热力图形式对磁场中每个测量点进行着色，以点云的形式呈现。利用识别模型的方法实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别，以实现磁场分布可视化点云网格在真实永磁体上的稳定叠加。最后，将磁场分布可视化点云网格进行位置校准，利用Socket通信技术将永磁体的磁场空间分布数据实现可视化。可为永磁体的磁路设计、永磁体工程化设计提供有力的支持，从而为优化磁路设计、简化磁场设计及调节。

Description

一种磁场分布的增强现实在线可视化方法

技术领域

本发明属于永磁材料应用技术领域，特别涉及一种磁场分布的增强现实在线可视化方法。

背景技术

永磁材料具有高磁能密度，作为一种重要的基础功能材料，应用遍及信息通讯、电子、新能源汽车、航空、石油、医疗和国防等领域。通过永磁体周围空间有规律地分布的磁场将磁能不间断地传递到目标，产生交互作用。在工程应用中依据永磁体周围磁场的空间分布情况进行磁路设计，从而获得永磁体最佳的工作状态。然而磁场存在于磁体周围空间，无法直接观测到，只能通过特殊的高斯计才能逐点探测到，而且要在永磁体周围进行大量的测量，然后将数据处理才能获得磁场空间分布情况。但在工程实际应用中，即使获得了磁场分布的数据，由于永磁体周边磁场情况无法直接看到，因此在永磁体应用的设计、安装过程中，依然属于盲人摸象。永磁体安装后的磁路是否合理，只能凭借经验来推测，还需要进行重新磁场测量，评估磁场是否合理，再对永磁体进行调整获得合理的磁路和空间磁场，浪费大量的时间和人工。

发明内容

本发明的目的是针对现有永磁体应用设计磁场黑盒问题，提出一种磁场分布的增强现实在线可视化方法，旨在将看不见的磁场，实现实时、在线的可视化，将黑盒问题转化成白盒问题。

本发明的技术方案为：

一种磁场分布的增强现实在线可视化方法，包括以下步骤：

步骤1：利用测量工具对任意永磁体的磁场空间分布进行实际测量，获得永磁体的磁场空间分布实际数据；

步骤2：利用电磁场分析软件设置永磁体模型，并根据永磁体的磁场空间分布实际数据设置和调整矫顽力和剩磁参数，对永磁体的磁场空间分布进行数值模拟，直至获得相较于永磁体的磁场空间分布实际数据小于等于预设误差阈值的永磁体的磁场空间分布模拟数据；

步骤3：对永磁体的磁场空间分布模拟数据进行预处理：将磁场中每个测量点用点状三维模型进行图形绘制，并根据磁感应强度大小，用热力图形式对点状三维模型进行着色，最终以点云的形式呈现磁场空间分布；

步骤4：实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别；

步骤5：以增强现实设备作为客户端和台式计算机作为服务器并建立二者之间的通信，客户端向服务器发送磁感应强度测量点的位置，服务器返回测量点对应位置的磁感应强度值，客户端成功接收到返回的测量结果后，把结果在线显示在客户端的用户交互界面上。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述测量工具为高斯计。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述电磁场分析软件为ANSOFT Maxwell模拟软件。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述点状三维模型指的是在实时3d引擎Unity中使用顶点着色器渲染出来的点状图形。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：构建浮点数类型的三维数组Intensity[w][h][d]，且以零元素对该三维数组进行初始化；其中，w为永磁体磁场空间分布数据在x轴方向的测量点个数；h为永磁体磁场空间分布数据在y轴方向的测量点个数；d为永磁体磁场空间分布数据在z轴方向的测量点个数；

步骤3.2：将步骤2获取的永磁体磁场空间分布模拟数据按照如下的下标映射关系填入步骤3.1构建的三维数组Intensity：对于某个点P的坐标为(x′,y′,z′)，该点的磁感应强度值为I，则该位置的磁感应强度值与三维数组元素的下标映射关系可由公式(1)～(3)得到：

其中s_x、s_y和s_z分别为永磁体磁场空间分布数据在x、y和z轴方向上相邻两个测量点之间的测量间距，则点P的磁感应强度值I存储在Intensity中对应的下标为[i][j][k]，将其磁感应强度值I填入Intensity中，则有Intersity[i][j][k]＝I；

步骤3.3：对三维数组Intensity中的数据进行平均归一化，将Intensity中每个元素的大小映射到[0,1]范围内；

步骤3.4：将三维数组Intensity中的元素值看作灰度图中像素灰度值大小，使用跨平台计算机视觉库OpenCV提供的cvtColor接口，将步骤3.3得到的归一化后的三维数组表示的三维灰度图转化为带有RGB通道信息的彩色三维热度图，从而得到每个测量点磁感应强度值的热度图颜色；

步骤3.5：在Unity项目中读取步骤2得到的永磁体的磁场空间分布模拟数据，针对磁感应强度测量点位置在Unity场景中绘制点状三维模型，使用在步骤3.4得到的每个测量点磁感应强度值的热度图颜色对相应的点状三维模型进行着色，最后将所有着色后的点状三维模型进行合并，得到磁场分布可视化点云网格。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别的方法为：搭建基于增强现实软件开发工具包Vuforia的模型识别环境，利用基于识别模型的方法Model Target实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：使用Autodesk 3Ds Max建模软件构建与真实永磁体大小形状一致的永磁体三维模型，并利用UVLayout工具对构建的永磁体三维模型进行UV展开；

步骤4.2：根据真实永磁体，利用Vuforia提供的Model Target创建平台VuforiaModel Target Generator对步骤4.1构建的永磁体三维模型朝向Model Up Vector、模型大小单位Model Units、模型表面颜色Coloring和模型类型Model Type进行配置，生成三维模型识别目标；

步骤4.3：将步骤4.2得到的三维模型识别目标上传至Vuforia专门用于ModelTarget识别训练的云服务器，对上传的三维模型识别目标进行云端识别训练，生成不同相机位姿下观察永磁体三维模型得到的三维模型渲染图，并将这些三维模型渲染图和其对应不同的相机位姿作为训练样本，对姿态估计神经网络进行训练，并将训练结束后得到的永磁体姿态估计神经网络权重导入Unity项目中；

步骤4.4：在Unity项目中导入Vuforia的识别库，并在场景中添加Vuforia识别库提供的预置游戏物体ARCamera和Model Target，在Model Target物体的Model TargetBehaviour组件上，选择步骤4.1得到的永磁体三维模型作为识别目标。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述步骤5包括如下步骤：

步骤5.1：将对步骤3得到的磁场分布可视化点云网格进行激活的消息和进行隐藏的消息分别注册到Model Target物体的Default Trackable Event Handler组件的OnTarget Found事件和On Target Lost事件当中，以保证只有在增强现实设备正确识别到永磁体时，磁场分布的点云网格才会被可视化；且将磁场分布可视化点云网格与步骤4.1得到的永磁体三维模型进行坐标对齐，以确保识别成功后磁场分布可视化点云网格无偏差地在线叠加在现实世界的永磁体上；

步骤5.2：将步骤2得到的永磁体磁场空间分布模拟数据上传至服务器，计算磁感应强度测量点相对于永磁体三维模型坐标轴原点的相对位置的三维向量V_relative＝(x_relative,y_relative,z_relative)并将其发送到服务器端；其中x_relative、y_relative和z_relative分别是测量点相对于永磁体三维模型坐标轴原点在x、y和z方向上的偏移值；

步骤5.3：服务器端接收到客户端发送的三维向量V_relative，从服务器每次开启时按照步骤3.1和步骤3.2的方法根据永磁体磁场空间分布模拟数据构建的三维数组Intensity中，按照步骤3.2中所述的下标映射关系获取V_relative对应测量位置的磁感应强度标量I并将磁感应强度标量I返回给客户端；

步骤5.4：客户端将步骤5.2计算的V_relative与返回结果显示在客户端的用户交互界面上；

步骤5.5：将Unity项目进行发布，打开项目发布后生成的解决方案工程，并部署到客户端。

进一步地，根据所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，所述客户端为可穿戴增强现实设备HoloLens。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案较现有技术具有以下有益效果：本发明的磁场分布的增强现实在线可视化方法，通过佩戴的增强现实设备与高斯测量装置，将捕获信息传输到计算机中进行处理，并将处理后形成的磁场数据通过图像的形式传输到可穿戴增强现实设备。不仅可以为操作人员提供直观的三维引导指令，而且可以在场景中融合在线可视化磁场分布的全部信息。增强现实可视化技术能够使工作人员通过可穿戴增强现实设备，将磁性材料的磁场情况实时传输到现场，将永磁体的磁场空间分布模拟计算与AR技术相结合，获得永磁体的实时在线磁场空间分布可视化效果，引导相关人员直观地看到磁场分布的效果，方便了解磁功能材料的磁场空间分布及磁场大小，改善了现有磁性材料应用领域的磁场分布设计困难、工程应用中的多点测量及分析工作繁琐等关键问题。

附图说明

图1为本实施方式磁场分布的增强现实在线可视化方法的流程示意图；

图2为单个不同形状永磁体示意图：(a)为单个长方体永磁体示意图；(b)为单个正方体永磁体示意图；(c)为单个圆柱永磁体示意图；(d)为单个空心圆柱永磁体示意图；(e)为单个瓦片状永磁体示意图；(f)为单个圆环状永磁体示意图；

图3为多个永磁体组合示意图：(a)为瓦片状永磁体紧密排列的示意图；(b)为瓦片状永磁体间隔排列的示意图；(c)为长方体永磁体间隔排列的示意图；

图4为本发明方法通过服务器与客户端之间的通信实现永磁体空间磁场分布的实时测量与在线可视化的流程示意图；

图5为通过本发明方法在线观察到的长方体永磁体的磁场分布的效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。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。

本发明的核心思路是：利用ANSOFT Maxwell模拟软件对永磁体的磁场空间分布进行模拟计算，同时将模拟结果与高斯计的实测结果进行对比，从而获得准确的永磁体磁场空间分布。通过热力图形式对磁场中每个测量点进行着色，以点云的形式呈现。基于Vuforia的模型识别环境，利用识别模型的方法实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别，以实现磁场分布可视化点云网格在真实永磁体上的稳定叠加。最后，将磁场分布可视化点云网格进行位置校准，利用Socket通信技术将永磁体的磁场空间分布数据实现可视化。这一技术可为永磁体的磁路设计、永磁体工程化设计提供有力的支持，从而为优化磁路设计、简化磁场设计及调节。

图1是本实施方式磁场分布的增强现实在线可视化方法的流程示意图，如图1所示，所述磁场分布的增强现实在线可视化方法包括以下步骤：

步骤1：利用测量工具对任意永磁体的磁场空间分布进行实际测量，获得永磁体的磁场空间分布实际数据；

在本实施方式中该步骤使用高斯计对选定永磁体的磁场空间分布进行实际测量，具体是，将与高斯计控制器相连接的霍尔探头分别接触永磁体周围每个面中心、距离每个面中心3mm的位置和距离每个面中心5mm的位置测量相应位置的磁感应强度，并记录与统计高斯计控制器的液晶数显屏显示的磁感应强度值，获得该选定永磁体的磁场空间分布实际数据。需要说明的是，可用霍尔探头接触到永磁体周围不同位置，例如每个面中心，距离每个面中心不同毫米数的位置测量磁感应强度。

所述永磁体为永磁材料，包括永磁铁氧体、钕铁硼稀土永磁体、钐钴稀土永磁体等。永磁体的排布可为单个不同形状磁体，例如：长方体、正方体、圆柱、空心圆柱、瓦块和圆环的一种，如图2所示。永磁体的排布也可为多个永磁体组合，例如多个长方体、圆柱和瓦块形状的组合，如图3所示。

步骤2：利用电磁场分析软件设置永磁体模型，并根据永磁体的磁场空间分布实际数据设置和调整矫顽力和剩磁参数，对永磁体的磁场空间分布进行数值模拟，获得永磁体的磁场空间分布模拟数据，且直至所获得的永磁体的磁场空间分布模拟数据相对于步骤1获得的永磁体的磁场空间分布实际数据小于等于预设的误差阈值；

在本实施方式中运用ANSYS公司的基于三维电磁场有限元分析软件ANSOFTMaxwell，根据步骤1记录统计的高斯计液晶数显屏显示的磁感应强度值，对永磁体的矫顽力和剩磁参数进行调整设置，并采用零边界条件和自适应网格，网格类型选择为四面体，最大迭代次数设置为10次，在每次迭代过程中网格加密30％，同时保证前后迭代的能量差值误差百分比在1％。采用ANSOFT Maxwell对永磁体的磁场空间分布进行数值模拟，和步骤1相同，分别对永磁体周围每个面中心、距离每个面中心3mm的位置和距离每个面中心5mm的位置的磁感应强度进行数值模拟，并记录模拟计算的数据，获得该选定永磁体的磁场空间分布模拟数据。

在本实施方式中，将步骤1记录统计的高斯计液晶数显屏上显示的磁感应强度值和步骤2数值模拟得到的模拟结果进行对比，计算两者得到的关于每个面中心、距离每个面中心3mm和距离每个面中心5mm的磁感应强度值的相对误差，观察计算结果是否控制在预设的误差阈值5％以内，计算结果在5％以内便说明设置的永磁体的矫顽力、剩磁参数和计算结果的精确合理性。如果计算结果超过5％，便需要继续对永磁体的矫顽力和剩磁参数进行调整，直到计算结果控制在5％以内。同时为了获得整个永磁体的磁场空间分布数据和磁感应强度数据，对永磁体的磁场空间分布进行模拟，得到永磁体在x轴方向、y轴方向和z轴方向的磁感应强度，其中永磁体在某个点P的磁感应强度数据用坐标(x′,y′,z′)表示，该坐标下的磁感应强度数值为I。永磁体磁场空间分布数据保存在fld类型的永磁体磁场空间分布数据文件中；

步骤3：对步骤2得到的永磁体的磁场空间分布模拟数据进行数据预处理，将磁场中每个测量点用点状三维模型进行图形绘制；根据磁感应强度大小，用热力图形式对点状三维模型进行着色，最终以点云的形式呈现磁场空间分布情况。所述点状三维模型指的是在实时3d引擎Unity中使用顶点着色器渲染出来的点状图形。该步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1：构建浮点数类型的三维数组Intensity[w][h][d]，且以零元素对该三维数组进行初始化，其中，该数组一维对应的长度w为永磁体磁场空间分布数据在x轴方向的测量点个数，该数组二维对应的长度h为永磁体磁场空间分布数据在y轴方向的测量点个数，该数组三维对应的长度d为永磁体磁场空间分布数据在z轴方向的测量点个数。

数组是一种数据结构，用来存储同一类型值的集合。通过整型下标可以访问数组的每一个元素。例如Intensity[0][3][4]代表着三维数组Intensity在一维位置第一个，二维位置第四个，三维位置第五个的元素。

步骤3.2：将步骤2获取的永磁体磁场空间分布模拟数据按照如下的下标映射关系填入步骤3.1构建的三维数组Intensity。对于某个点P的坐标为(x′,y′,z′)，该点的磁感应强度值为I，则该位置的磁感应强度值数据与三维数组元素的下标映射关系可由公式(1)～(3)得到：

其中s_x、s_y和s_z分别为永磁体磁场空间分布数据在x、y和z轴方向上相邻两个测量点之间的测量间距，则点P的磁感应强度值I存储在Intensity中对应的下标为[i][j][k]，将其磁感应强度值I填入Intensity中，则有Intersity[i][j][k]＝I。

对于永磁体磁场空间分布模拟数据，记录磁感应强度值的最大值I_max与最小值I_min；

步骤3.3：对三维数组Intensity中的数据进行平均归一化。

在本实施方式中，对于三维数组Intensity中任意元素Intensity[i][j][k]，采用公式(4)进行计算：

其中μ是步骤2获取的永磁体磁场空间分布模拟数据中磁感应强度值的平均值，经过平均归一化后，Intensity中每个元素的大小被映射到[0,1]范围内；

步骤3.4：将三维数组Intensity中的元素值看作灰度图中像素灰度值大小，使用跨平台计算机视觉库OpenCV提供的cvtColor接口，将步骤3.3得到的归一化后的三维数组表示的三维灰度图转化为带有RGB通道信息的彩色三维热度图，从而得到每个测量点磁感应强度值的热度图颜色。颜色特征是RGB模式，每个测量点的颜色可以用R、G、B的三个通道值进行表示，所有测量点的RGB三个通道值分别对应着三个数组R[w][h][d]、G[w][h][d]和B[w][h][d]，以下简称数组R、G和B为通道值数组。

步骤3.5：在Unity项目中读取步骤2得到的永磁体的磁场空间分布模拟数据，针对磁感应强度测量点位置在Unity场景中绘制点状三维模型。使用在步骤3.4得到的R、G和B通道值数组表示的颜色对点状三维模型进行着色。最后将所有着色后的点状三维模型进行合并，得到磁场分布可视化点云网格。

在本实施方式中，在Unity的世界坐标系中以1米为一个Unity单位长度的比例，根据永磁体磁感应强度测量点位置在Unity场景中绘制点状三维模型。使用在步骤4.4得到的R、G和B通道值数组表示的颜色对点状三维模型进行着色。最后将所有着色后的点状三维模型进行合并，得到磁场分布可视化点云网格。

步骤4：搭建基于增强现实软件开发工具包Vuforia的模型识别环境，利用基于识别模型的方法Model Target实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别。

增强现实设备前置摄像头可以捕获连续的图像帧，这些图像帧可以作为ModelTarget方法的输入，以实现将步骤3所得到的磁感应强度可视化点云网格叠加在捕获图像帧中永磁体出现的位置上。

步骤4.1：使用Autodesk 3Ds Max建模软件，构建与真实永磁体大小形状一致的永磁体三维模型，并导出为.obj文件。将得到的.obj文件导入UVLayout工具，并对构建的永磁体三维模型进行UV展开。

UV指的是三维模型u、v纹理贴图坐标点，它定义了图片上每个点的位置的信息，并决定了表面纹理贴图的位置。UV展开指的是将图像上每一个点精确对应到模型物体的表面。进行UV展开是为了在材质绘制阶段更好地绘制永磁体三维模型的表面细节。将展开UV后的.obj文件导入Substance Painter工具，按照真实永磁体的材质，绘制永磁体三维模型的材质纹理，并导出颜色、金属度与法线三种贴图；

步骤4.2：将步骤4.1构建的永磁体三维模型导入Vuforia提供的Model Target创建平台Vuforia Model Target Generator，对模型朝向Model Up Vector、模型大小单位Model Units、模型表面颜色Coloring和模型类型Model Type按照真实永磁体的摆放朝向、大小、表面颜色情况进行配置。识别视角Guide Views参数需要设置为高级识别视角Advanced View，以便于从不同的观察角度对永磁体进行识别。配置完成后，生成三维模型识别目标；

步骤4.3：将步骤4.2得到的三维模型识别目标上传至Vuforia专门用于ModelTarget识别训练的云服务器，对上传的三维模型识别目标进行云端识别训练。Vuforia云端服务器会生成不同相机位姿下观察永磁体三维模型得到的三维模型渲染图，并将这些三维模型渲染图和其对应不同的相机位姿作为训练样本，对姿态估计神经网络进行训练，并将训练结束后得到的永磁体姿态估计神经网络权重导入Unity项目中；

姿态估计神经网络是Model Target方法使用的算法。在已对相机标定的前提下，将一张包含识别目标的图像输入姿态估计神经网络，网络可以计算出识别目标相对于相机的姿态(旋转及平移)，该姿态信息可用于实现将虚拟三维对象叠加到识别目标上的效果。训练结束后导出得到以.unitypackage为后缀名的永磁体姿态估计神经网络权重，并导入Unity项目中；

步骤4.4：在Unity项目中导入Vuforia的识别库，并在场景中添加Vuforia识别库提供的预置游戏物体ARCamera和Model Target。在Model Target物体的Model TargetBehaviour组件上，选择步骤4.1得到的永磁体三维模型作为识别目标。

步骤5：将步骤3.5得到的磁场分布可视化点云网格进行位置校准，以增强现实设备作为客户端和台式计算机作为服务器，利用Socket通信技术实现服务器与客户端之间的通信，客户端向服务器发送磁感应强度测量点的位置，服务器返回测量点对应位置的磁感应强度值。客户端(即增强现实设备)成功接收到返回的测量结果后，会把结果在线显示在客户端的用户交互界面上，从而实现永磁体空间磁场分布的实时测量与在线可视化。图4是永磁体空间磁场分布的实时测量与在线可视化流程图，步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：将对步骤3得到的磁场分布可视化点云网格进行激活的消息和进行隐藏的消息分别注册到Model Target物体的Default Trackable Event Handler组件的OnTarget Found事件和On Target Lost事件当中，以保证只有在增强现实设备正确识别到永磁体时，磁场分布点云网格才会被可视化；将磁场分布可视化点云网格与步骤4.1得到的永磁体三维模型进行坐标对齐，以确保识别成功后磁场分布可视化点云网格无偏差地在线叠加在现实世界的永磁体上；

步骤5.2：将存储步骤2得到的永磁体磁场空间分布模拟数据的文件上传至服务器。在客户端和服务器间通过Socket建立通信连接。计算磁感应强度测量点相对于永磁体三维模型坐标轴原点的相对位置的三维向量V_relative＝(x_relative,y_relative,z_relative)，其中x_relative、y_relative和z_relative分别是测量点相对于永磁体三维模型坐标轴原点在x、y和z方向上的偏移值。将V_relative进行编码并发送到服务器端。具体编码方式是将V_relative数据的实体类序列化得到的json字符串以UTF-8格式转化为byte类型的数组。采用tcp协议的Socket通信基于该类型的数据进行通信传输；

步骤5.3：服务器端接收到客户端发送的三维向量V_relative，从服务器每次开启时按照步骤3.1和步骤3.2的方法根据永磁体磁场空间分布模拟数据构建的三维数组Intensity中，按照步骤3.2中所述的下标映射关系获取V_relative对应测量位置的磁感应强度标量I并将磁感应强度标量I返回给客户端。其中，若三维向量V_relative表示的位置超出了磁感应强度测量范围，则认为磁感应强度可忽略不计，令I的值为0。

步骤5.4：客户端接收5.3步骤中服务器返回的磁感应强度标量I，并将步骤5.2计算的V_relative与返回结果显示在客户端的用户交互界面上；

步骤5.5：将Unity项目进行发布，打开项目发布后生成的解决方案工程，并部署到客户端。

在本实施方式中，Unity项目进行发布的发布平台设置为Windows通用应用平台Windows Universal Platform。使用Visual Studio 2019，打开项目发布后生成的解决方案工程，并部署到微软发布的可穿戴增强现实设备HoloLens上。部署成功后，HoloLens作为客户端会与服务器进行通信连接，并打开自身的前置摄像头。当Model Target在前置摄像头捕获到的图像帧中识别到真实永磁体时，会计算真实永磁体相对于前置摄像头的姿态(旋转及平移)，并将磁场分布可视化点云网格投射到HoloLens镜片成像上现实空间的永磁体的位置。此外，用户可以使用双手移动或旋转叠加在HoloLens镜片成像中的虚拟磁感应强度测量仪，虚拟磁感应强度测量仪的末端为步骤5.2所述的磁感应强度测量点。通过步骤5.2、步骤5.3、步骤5.4方法所述的永磁体磁感应强度实时测量方法，用户可以在HoloLens镜片成像中的用户交互界面上在线看到磁感应强度测量点的磁感应强度大小，图5是通过本发明方法在线观察到的长方体永磁体的磁场分布的效果图。用户使用双手操作虚拟磁感应强度测量仪的交互实现使用了微软提供并集成在Hololens中的手势识别技术，不在本方法范围内，故不对其进行详细阐述。

需说明的是：以上实施例仅用以本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：利用测量工具对任意永磁体的磁场空间分布进行实际测量，获得永磁体的磁场空间分布实际数据；

步骤2：利用电磁场分析软件设置永磁体模型，并根据永磁体的磁场空间分布实际数据设置和调整矫顽力和剩磁参数，对永磁体的磁场空间分布进行数值模拟，直至获得相较于永磁体的磁场空间分布实际数据小于等于预设误差阈值的永磁体的磁场空间分布模拟数据；

步骤3：对永磁体的磁场空间分布模拟数据进行预处理：将磁场中每个测量点用点状三维模型进行图形绘制，并根据磁感应强度大小，用热力图形式对点状三维模型进行着色，最终以点云的形式呈现磁场空间分布；

步骤4：实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别；

步骤5：以增强现实设备作为客户端和台式计算机作为服务器并建立二者之间的通信，客户端向服务器发送磁感应强度测量点的位置，服务器返回测量点对应位置的磁感应强度值，客户端成功接收到返回的测量结果后，把结果在线显示在客户端的用户交互界面上。

2.根据权利要求1所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述测量工具为高斯计。

3.根据权利要求1所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述电磁场分析软件为ANSOFT Maxwell模拟软件。

4.根据权利要求1所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述点状三维模型指的是在实时3d引擎Unity中使用顶点着色器渲染出来的点状图形。

5.根据权利要求4所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1：构建浮点数类型的三维数组Intensity[w][h][d]，且以零元素对该三维数组进行初始化；其中，w为永磁体磁场空间分布数据在x轴方向的测量点个数；h为永磁体磁场空间分布数据在y轴方向的测量点个数；d为永磁体磁场空间分布数据在z轴方向的测量点个数；

步骤3.2：将步骤2获取的永磁体磁场空间分布模拟数据按照如下的下标映射关系填入步骤3.1构建的三维数组Intensity：对于某个点P的坐标为(x′,y′,z′)，该点的磁感应强度值为I，则该位置的磁感应强度值与三维数组元素的下标映射关系可由公式(1)～(3)得到：

其中s_x、s_y和s_z分别为永磁体磁场空间分布数据在x、y和z轴方向上相邻两个测量点之间的测量间距，则点P的磁感应强度值I存储在Intensity中对应的下标为[i][j][k]，将其磁感应强度值I填入Intensity中，则有Intersity[i][j][k]＝I；

步骤3.3：对三维数组Intensity中的数据进行平均归一化，将Intensity中每个元素的大小映射到[0,1]范围内；

步骤3.4：将三维数组Intensity中的元素值看作灰度图中像素灰度值大小，使用跨平台计算机视觉库OpenCV提供的cvtColor接口，将步骤3.3得到的归一化后的三维数组表示的三维灰度图转化为带有RGB通道信息的彩色三维热度图，从而得到每个测量点磁感应强度值的热度图颜色；

步骤3.5：在Unity项目中读取步骤2得到的永磁体的磁场空间分布模拟数据，针对磁感应强度测量点位置在Unity场景中绘制点状三维模型，使用在步骤3.4得到的每个测量点磁感应强度值的热度图颜色对相应的点状三维模型进行着色，最后将所有着色后的点状三维模型进行合并，得到磁场分布可视化点云网格。

6.根据权利要求5所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别的方法为：搭建基于增强现实软件开发工具包Vuforia的模型识别环境，利用基于识别模型的方法Model Target实现永磁体相对于增强现实设备前置摄像头的相对位姿识别。

7.根据权利要求6所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述步骤4包括如下步骤：

步骤4.1：使用Autodesk 3Ds Max建模软件构建与真实永磁体大小形状一致的永磁体三维模型，并利用UVLayout工具对构建的永磁体三维模型进行UV展开；

步骤4.2：根据真实永磁体，利用Vuforia提供的Model Target创建平台Vuforia ModelTarget Generator对步骤4.1构建的永磁体三维模型朝向Model Up Vector、模型大小单位Model Units、模型表面颜色Coloring和模型类型Model Type进行配置，生成三维模型识别目标；

步骤4.3：将步骤4.2得到的三维模型识别目标上传至Vuforia专门用于Model Target识别训练的云服务器，对上传的三维模型识别目标进行云端识别训练，生成不同相机位姿下观察永磁体三维模型得到的三维模型渲染图，并将这些三维模型渲染图和其对应不同的相机位姿作为训练样本，对姿态估计神经网络进行训练，并将训练结束后得到的永磁体姿态估计神经网络权重导入Unity项目中；

步骤4.4：在Unity项目中导入Vuforia的识别库，并在场景中添加Vuforia识别库提供的预置游戏物体ARCamera和Model Target，在Model Target物体的Model TargetBehaviour组件上，选择步骤4.1得到的永磁体三维模型作为识别目标。

8.根据权利要求7所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述步骤5包括如下步骤：

步骤5.1：将对步骤3得到的磁场分布可视化点云网格进行激活的消息和进行隐藏的消息分别注册到Model Target物体的Default Trackable Event Handler组件的On TargetFound事件和On Target Lost事件当中，以保证只有在增强现实设备正确识别到永磁体时，磁场分布的点云网格才会被可视化；且将磁场分布可视化点云网格与步骤4.1得到的永磁体三维模型进行坐标对齐，以确保识别成功后磁场分布可视化点云网格无偏差地在线叠加在现实世界的永磁体上；

步骤5.2：将步骤2得到的永磁体磁场空间分布模拟数据上传至服务器，计算磁感应强度测量点相对于永磁体三维模型坐标轴原点的相对位置的三维向量V_relative＝(x_relative,y_relative,z_relative)并将其发送到服务器端；其中x_relative、y_relative和z_relative分别是测量点相对于永磁体三维模型坐标轴原点在x、y和z方向上的偏移值；

步骤5.3：服务器端接收到客户端发送的三维向量V_relative，从服务器每次开启时按照步骤3.1和步骤3.2的方法根据永磁体磁场空间分布模拟数据构建的三维数组Intensity中，按照步骤3.2中所述的下标映射关系获取V_relative对应测量位置的磁感应强度标量I并将磁感应强度标量I返回给客户端；

步骤5.4：客户端将步骤5.2计算的V_relative与返回结果显示在客户端的用户交互界面上；

步骤5.5：将Unity项目进行发布，打开项目发布后生成的解决方案工程，并部署到客户端。

9.根据权利要求8所述的磁场分布的增强现实在线可视化方法，其特征在于，所述客户端为可穿戴增强现实设备HoloLens。

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