一种磁场可视化及交互方法技术

一种磁场可视化及交互方法，该方法主要包括磁感线建模，体感捕获和合成渲染；使用三维建模工具和图形引擎构建磁铁和磁感线模型，并实时计算磁铁周围磁场变化；将构建好的模型移植到Kinect环境中调试，调整交互方式和坐标系系统；利用Kinect自带的普通摄像头捕获真实图像，将磁感线模型与捕获到的图像实时渲染得到合成的交互式场景。利用Kinect自带的红外摄像头，捕获用户与设备的距离，实现对模型的交互控制。本发明专利技术应用于中学物理教学，设备简单，交互行为自然、方便，学习者可随时通过手势移动磁铁，观察磁感线的变化规律，达到较好的教学效果。

【技术实现步骤摘要】
一种磁场可视化及交互方法
本专利技术属于物理教学实验领域，具体地说，是一种磁铁和磁感线模型的制作方法，该方法为基于增强现实技术和体感设备的磁场可视化及交互方法，应用于中学物理课堂教学或学生自主实验。
技术介绍
实验是人类认识世界的主要方法，在教育领域中，实验教学更是完整的教学体系中不可缺少的一部分。实验是学生验证课堂中学到的知识、将课堂中学到的知识转化为实践能力和探究新知识的重要手段，无论是从培养科学思维能力还是提高实践和创造能力来看，实验教学都是非常重要的。实验教学在培养科学思维能力还是提高实践和创造能力方面都起着举足轻重的作用，然而，由于我国大部分中学中的物理实验环境并不理想，很多仪器不够先进，实验室也不具备开展课堂教学的条件，所以我国现在大部分中学物理实验教学仍然处于薄弱环节。在计算机技术飞速发展和教育信息化的背景下，实验教学所面临的困难迎来了新的机遇。随着各种新技术不断地被应用到教学研究和实践当中，特别是实验教学的环境当中，如何合理有效的运用这些新技术成为教育研究的热点问题。2006年，我国的《教育部2006年职业教育工作要点》中就提出要“加强数字图书馆、数字博物馆和虚拟实验室等应用工程建设”。在我国的《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》（《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010－2020年）》）中也提到要“建立数字图书馆和虚拟实验室”，“强化信息技术应用”，“鼓励学生利用信息手段主动学习、自主学习，增强运用信息技术分析解决问题能力”。在虚拟实验室中开展虚拟实验教学不仅从一定程度上解决教育资源分布不均的情况，通过模拟在现实中无法实现的场景，给学生提供更多的实验机会。虚拟实验是虚拟现实技术（VirtualReality）（虚拟现实技术[J].航空计算技术,1994,(01)）引入教育中产生的新的实验方式。从20世纪80年代中期起，在政府虚拟实验室示范工程的推动和引领下欧美各大高校和研究机构相继推出了自己的虚拟实验软件和平台。如美国联邦宇航局根据哈勃望远镜观测数据推出了一系列天体物理虚拟实验软件，在其中的卫星通信仿真实验，实验者可以在浏览器中点击或者拖拽鼠标就能完成实验；基于麻省理工学院的WebLab在线实验系统，新加坡微电子学科的学生点击菜单选择合适的“仪器”就能获得来自MIT实验室的数据；卡耐基-梅隆大学的虚拟实验室将函数发生器、数字万用表、数字示波器连接到实验系统中。增强现实(AugmentedReality，简称AR，是虚拟现实的延伸)可以看作是虚拟现实技术的延伸，是把计算机生成的二维或三维的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中的一种技术，与虚拟现实技术几乎同时出现，但是由于当时硬件设备与图形学研究本身的限制，AR技术没有显著的进展。从20世纪90年代开始增前现实应用逐渐增多，出现了部分增强现实的虚拟实验。例如一种多媒体艺术混合现实学习环境-SMALLab（Johnson-Glenberg,M.C.,Birchfield,D.,Savvides,P.&Megowan-Romanowicz,C.(2010)Semi-virtualEmbodiedLearning–RealWorldSTEMAssessment.InL.Annetta&S.Bronack(eds.)SeriousEducationalGameAssessment：PracticalMethodsandModelsforEducationalGames,SimulationsandVirtualWorlds.SensePublications,Rotterdam.p225-241.），可以实现让学习者在一个计算机模拟的协作多媒体空间中通过全身的三维运动以及手势进行学习。这种虚拟实验注重虚拟与现实的结合，通过在现实环境之中设置虚拟信息，让学习者使用计算机或移动设备在虚实融合环境中与学习内容互动。可以说，增强现实技术已经成为虚拟现实研究中的一个重要领域，也是人机界面技术发展的一个重要方向。在教育领域中，增强现实技术的优势也十分突出，对于教育工作者而言，基于增强现实的教学是一种全新、独特的教学体验；借助于增强现实技术的学习和实验工具可以帮助学生去探索学习知识的过程和深层次地认识知识的本质，从一定程度上有效解决了真实条件下实验教学的限制问题。体感交互是人机交互技术(Human-ComputerInteractionTechniques)最新发展成果。体感交互是继虚拟现实交互之后出现的一种新的交互方式，其中体感一词来源于体感游戏，体感游戏是一种通过感知身体动作来进行操作控制的电子游戏，由此引申而来的体感技术是指身体动作识别技术和以此来进行软硬件操控的技术。最初体感器都是通过手持内置了三轴加速度传感芯片的设备来模拟输出用户的动作，使用这些设备人们可以更容易的与机器进行交互，但是还是没有彻底摆脱这些设备的限制，直到微软的Kinect面世人们才找到了摆脱设备限制的交互输入方式。2011年11月份微软为其XBox游戏机发布了一款称为Kinect的体感器，由于其先进的理念和良好的用户体验，由此引发一股研究热潮，Kinect也几乎成为时下体感的代名词。各行各业也在迅速展开相关的研究，其中以机器人研究、三维测绘和医疗护理领域进展最快。回归到教育领域，虽然Kinect所代表的体感技术会给教育实践带来什么样的变化现在还没有公认的结论，但有理论研究已经表明，Kinect能够增强教学环境的交互性，增加学生的参与性，提高教师呈现和操作多媒体材料的能力，并且能够创造交互和交流的机会（HsuHJ.ThepotentialofKinectineducation[J].InternationalJournalofInformationandEducationTechnology,2011,1(5)：365-370.）；同时，将Kinect应用到教育领域中的实例也开始逐渐增多，例如ChangYJ等三位学者开发的基于Kinect系统的物理修复设备（ChangYJ,ChenSF,HuangJD.AKinect-basedsystemforphysicalrehabilitation：Apilotstudyforyoungadultswithmotordisabilities[J].Researchindevelopmentaldisabilities,2011,32(6)：2566-2570）等。这些实例表明，Kinect对于解决虚拟实验交互方式存在的信息迁移的问题方面，有自己独特的优势。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服当前磁铁与磁感线实物实验效果不佳、现象不明显，而虚拟实验临场感不强、表现力较弱的缺点，提供一种磁场可视化及交互方法。这种制作方法流程简单、形象生动，所需设备不复杂，操作也异常方便，实验过程中，不仅磁感线的变化可以完全实时显示在屏幕上，操作者本人以及真实的场景也能合成渲染到屏幕上，带给操作者更加真实细腻的体验，营造最佳的沉浸式学习环境，适合教师课堂演示与学生课后复习或课外自学使用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磁场可视化及交互方法，该方法包括磁感线建模流程，体感捕获流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁场可视化及交互方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)采用三维建模工具和图形引擎，利用毕奥—萨伐尔定律，构建一个含有磁铁和磁感线的模型，即磁铁和磁感线模型，利用鼠标对该模型中的磁铁和磁感线进行移动和旋转的交互操作；步骤(2)将含有磁铁和磁感线的模型移植到Kinect环境中，得到Kinect环境下的虚拟模型，调整交互方式和坐标系系统；具体为：将利用三维建模工具和图形引擎建立的磁铁和磁感线模型移植到Kinect环境中，并去除原磁铁和磁感线模型中的鼠标事件行为，添加Kinect自然交互的功能，同时调整和修改三维建模工具中的坐标系系统，从而建立Kinect环境下的虚拟模型，此虚拟模型中同样含有磁铁和磁感线，在Kinect环境下，通过自然交互的方式便能实时更新虚拟模型的几何状态；步骤(3)利用Kinect的摄像头，将捕获到的真实图像与磁铁和磁感线模型渲染合成；在合成渲染流程中通过Kinect自带的摄像头实时捕获用户活动的真实场景，计算出Kinect环境下虚拟模型中的磁铁应对应的空间位置和方向，并映射到已建立的虚拟模型中的磁铁和磁感线上，使含有磁铁和磁感线的虚拟模型的位置和方向产生对应的变化，将变化后的虚拟模型与Kinect的摄像头捕获的原始场景实时渲染后得到合成的交互式图像；步骤(4)利用Kinect的红外摄像头，探测用户与设备的距离，控制虚拟模型旋转；根据Kinect的红外摄像头所获取的数据，计算出用户与Kinect设备的相对距离，并映射到磁铁和磁感线模型的空间几何变化上，使虚拟模型的方向发生对应的变化，使用户可通过自己与Kinect设备的远近距离变化来控制虚拟模型的几何变化；步骤(5)用户利用手势移动或旋转虚拟模型中的磁铁模型，观察磁感线随磁铁的变化规律。2.根据权利要求1所述的磁场可视化及交互方法，其特征在于，在所述步骤(1)中使用的是Java3D来建立包含磁铁和磁感线的模型，其依据的原理是毕奥—萨伐尔定律；对于空间中的任意点，利用毕奥—萨伐尔定律，计算出两个磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡苏，余胜泉，林成龙，孙羽辰，李巧慧，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：