[發明專利]基于磁性液體及混合現實的磁場演示方法及裝置

有效

• 申請號: 201811254611.3
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109345634B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 謝磊;李兵;廖昌榮;張紅輝;張祥
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G06T19/00
• 分類號: G06T19/00;G06K9/00;G06K9/46
• 代理公司: 重慶項乾光宇專利代理事務所(普通合伙) 50244
• 代理人: 高姜

本發明公開了一種基于磁性液體及混合現實技術的磁場演示方法及裝置，其中方法包括以下步驟：s1.拍攝磁性液體演示儀所展示的圖像；s2.將所述圖像中山狀結構的“山峰”進行識別，并計算“山峰”數量和每一“山峰”的高度；s3.對每一個“山峰”所在區域的磁場強度分配磁感線，使該區域的磁感線數量占磁感線總數量的比例與該“山峰”的高度占“山峰”總高度的比例一致；s4.將磁感線與原始圖像進行疊加后，通過顯示器進行演示；其中裝置包括磁性液體演示儀、小景深攝像機、上位機和顯示器；本發明利用混合現實技術實現磁場分布結合磁性液體相變形態的直觀展示，以實現對磁場分布的良好演示。

技術領域

本發明涉及一種磁場教學、科普演示儀器，尤其涉及一種磁性液體相變特性及磁感線分布特性的展示方法和儀器。

背景技術

天然磁鐵自指南針起就被人們廣泛使用。1820年，丹麥物理學家奧斯特發現通電導線可以使小磁針發生偏轉，從而發現了電流的磁效應，即通電導線周圍可以激發產生磁場。1831年，法拉第發現將閉合電路中的導體在磁場中做切割磁感線的運動，閉合電路中就會產生感應電流，因而發現和完善了磁與電之間的相互聯系和轉化關系。但是，由于磁場的非可視性，如何去理解“看不見的磁場”存在抽象困難。因此，科學家用假想的“磁感線”概念來形象描述磁場的分布，但如果進一步演示出磁感線則有助于更直觀地理解磁場的內涵。

磁性液體是一種新型的功能材料，它通常是由納米級的磁性顆粒、添加劑和載液組成的膠體溶液。施加磁場時，磁性液體在毫秒級內形成磁鏈結構，發生液態到類固態的相變，去掉磁場后，又恢復到原來的狀態(即液態)。磁性液體在宏觀上形成類固態圓錐狀結構的“山峰”(又名“山狀結構”)。磁性液體在磁場作用下所形成的山狀結構在外觀上“形如”理論上假想的磁感線，而且山狀結構的高度、直徑、分布密度等形態參數本質上與“磁感線密度”對磁感應強度的描述一致。因此，磁性液體是一種可視化演示“磁感線”概念的理想材料。通過觀察時刻變化的山狀結構，生動地演示了磁感線所反映的磁感應強度的動態變化。

混合現實技術在虛擬世界、現實世界和用戶之間搭起一個交互反饋的信息回路，增強了用戶體驗的真實感。混合現實技術增加了教學的娛樂性和互動性，是對主流教學形式的豐富和補充,為教學形式的多樣化提供了更多可能。將磁性液體與混合現實技術結合，通過顯示器顯示出來，幫助人們更直觀地理解磁場的分布。

發明內容

本發明的目的是利用混合現實技術實現磁場(磁感線)結合磁性液體相變形態的直觀展示，以實現對磁場分布的良好演示。

本發明的一種基于磁性液體及混合現實的磁場演示方法，包括以下步驟：

s1.選用小景深相機拍攝磁性液體演示儀所展示的圖像；

s2.對所述圖像數據進行預處理；

s3.采用邊緣算法對圖像數據進行處理，對山狀結構的“山峰”進行邊界識別；并計算“山峰”數量和每個“山峰”的高度和寬度；

s4.對每一個“山峰”寬度分配磁感線，使該區域的磁感線數量占磁感線總數量的比例與該“山峰”的高度占“山峰”總高度的比例一致；

s5.將磁感線與原始圖像進行疊加后，通過顯示器進行混合現實時顯示。

進一步，步驟s2中，進行所述圖像數據預處理的步驟包括：

s21.對小景深相機獲得的圖像數據進行去噪處理，并轉換為灰度圖像；

s22.將焦平面前后背景虛化的山狀結構區域的平均灰度設定為閾值；

s23.將數字圖像中的灰度大于閾值的像素點設為1，而小于或等于閾值的像素點設為0，以此完成二值化處理。