[發明專利]一種面向虛實融合實驗的磁場可視化方法、系統及設備

有效

• 申請號: 202011393486.1
• 申請日: 2020-12-03
• 公開（公告）號: CN112528476B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 劉清堂;余舒凡;馬晶晶;徐蘇曉;鄭欣欣;楊煒欽;吳林靜
• 申請（專利權）人: 華中師范大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F3/01;G09B5/02;G06F119/14
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 雷霄

本發明公開了一種面向虛實融合實驗的磁場可視化方法、系統及電子設備。該方法包括步驟：步驟1，構建虛擬磁鐵模型數據庫，將長方體磁鐵模擬成在長方體磁鐵的N?S兩極連線方向上疊加的多層薄層電流環構成的電流環；步驟2，計算長方體磁鐵對磁體外任意一點的磁場矢量；步驟3，采集真實磁鐵圖像，根據真實磁鐵圖像為真實磁鐵從步驟1構建的數據庫中匹配對應的虛擬磁鐵模型，調用步驟2的磁場矢量計算方法計算磁場矢量，根據計算出的磁場矢量繪制磁感線并進行可視化。本發明應用于中學物理教學中，通過虛實融合交互提高學生的學習興趣，并且適合在移動終端上實現，仿真度高，交互性強。

技術領域

本發明屬于虛擬現實技術領域，更具體地，涉及一種面向虛實融合實驗的磁場可視化方法、系統及電子設備。

背景技術

新興技術的發展，尤其是虛擬技術的誕生，使得許多實驗可以在不同情境下有著相應的虛擬方式展陳，也提供了傳統實驗無法比擬的效果。虛擬實驗由此產生，1989年美國弗吉尼亞大學的Willian Wulf教授提出了虛擬實驗室是指通過計算機網絡技術創造出來的虛擬學習環境，在這樣一種環境中，學生可以不受時空的限制，通過鼠標、鍵盤、頭盔等交互設備在計算機模擬的虛擬空間內進行實驗操作與探究，從而獲得沉浸感體驗。

增強現實(Augment Reality,簡稱AR)是通過計算機技術將虛擬物體疊加在真實世界中的技術。它有著許多吸引眼球的特點，包括：自然交互、抽象內容具象化等。隨著移動技術、網絡技術的發展，移動端的增強現實成為了主流，其便捷性也為增強現實在教育中的大范圍應用提供了可能。在不同學科中已有相關研究，如Ewais A等人設計開發了一套基于增強現實的化學原子與分子APP用于課堂，結果證明該應用大大提升了學生對學習自然科學的態度。

磁場是一種看不見、摸不著的物質，學生在學習永磁體磁場的時候難以獲得深入的認識，由于磁場知識抽象，學生的日常經驗不足，容易產生不相干的聯想與推測，導致迷思概念的生成。為了能夠方便、形象地描述磁場，人們將小磁針在磁場中的排列情況用帶箭頭的曲線畫出來，這樣的曲線叫磁感線。但是，磁感線是虛構的，實際中并不存在。傳統的課堂磁鐵實驗，主要是采用磁鐵屑模擬磁場分布。然而，鐵屑實驗操作不便，一方面容易散落四處，另一方面容易吸附到磁鐵難以清理。由于器材的有限和費用，在這種實驗課堂中大都是教師操作進行教學，學生觀察與學習。最后學生通過自行繪制磁感線進行知識的“鞏固”。

目前關于磁鐵磁場虛擬化的方法大都通過類似于有限元、邊界元之類數值計算方法實現，其主要思想是通過插值進行劃分磁場區域來近似表達真實解或者對磁場邊界進行離散，由于待求未知數多，插值方程的規模大，導致輸入數據多，計算準備和計算過程工作量大，更多的只適用于物理專業研究。相關研究如Matsutomo(Real Time SimulationMethod of Magnetic Field for VisualizationSystem With Augmented RealityTechnology[J].IEEE Transactions on Magnetics)等人表明有限元法計算較慢非常耗時間，其通過簡化的有限元法進行磁場的AR可視化在pc上才得以運行成功。而當涉及多塊磁鐵的時候，磁場的計算量將會更大，這就不適合在計算能力偏弱的便攜式移動設備上運行了，從而很難進行教育應用。而目前在教育應用方面，也有部分基于增強現實的磁場實驗，其中大多數是通過模擬通電螺線管的磁場或者通過貝塞爾曲線模擬，一方面仿真性較低，會造成體驗感差等情況；另一方面有些是基于flash之類的模擬，交互性低；也有研究將Kinect應用在磁場實驗中，雖加強了用戶體驗，但由于設備要求，并不適合大班教學。因此亟待一種適合移動設備計算的，仿真度高、交互性強并適用于教育場景的磁場可視化方法和裝備。

發明內容

針對現有技術的至少一個缺陷或改進需求，本發明提供了一種面向虛實融合實驗的磁場可視化方法、系統及電子設備，適合在移動終端上實現，仿真度高，交互性強。

為實現上述目的，按照本發明的第一方面，提供了一種面向虛實融合實驗的磁場可視化方法，包括步驟：