[发明专利]一种面向虚实融合实验的磁场可视化方法、系统及设备

说明书

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。

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 VisualizationSystem 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：