一种磁场可视化交互系统和方法与流程

本发明涉及实时交互及物理教学展示，尤其是一种磁场可视化交互系统和方法。

背景技术：

1、科技馆和科普馆在社会上起到了重要的作用，包括：教育和启发、普及科学知识、培养创新能力、推动科技文化交流等。现代社会中，科技馆和科普馆越来越受欢迎的原因有几个方面。

2、现在展馆中的展品大多结合多媒体进行科普，多媒体展示能够通过生动的图片、视频、动画等形式吸引观众的注意力，让科普知识更加生动、直观，从而提高观众的兴趣和参与度。多媒体展示通常具有互动性，观众可以通过触摸屏、投影互动等方式参与展示内容，与展品进行互动体验，增强学习效果和趣味性。多媒体展示可以通过动画、模拟等形式将抽象的科学概念转化为直观的图像，帮助观众更好地理解和掌握科学知识，提高科普效果。

3、但是，在磁场教学上，当前使用虚拟设备实现的磁铁与磁感线互动效果不佳、易受环境因素干扰、造价高、维护成本高，并且真实性不强的缺点，总体展示效果并不理想。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中虚拟设备实现磁场教学展示效果差的缺陷，本发明提出了一种磁场可视化交互系统，交互过程中，不仅能观察触摸真实的磁铁，并且能观察磁感线的实时变化。

2、本发明提出的一种磁场可视化交互系统，包括：旋转架、摄像装置、计算机和显示屏；旋转架用于放置磁铁并带动磁铁转动；旋转架上设有角度传感器；位于旋转架上的磁铁位于摄像装置的视野范围内；

3、计算机分别连接角度传感器、摄像装置和显示屏，计算机获取角度传感器检测到的角度值和摄像装置拍摄到的磁铁图像，计算机结合磁铁形状和角度值计算磁场线，显示屏用于显示磁场线。

4、优选的，还包括驱动电机和控制按钮，驱动电机连接旋转架并用于驱动旋转架转动，控制按钮用于控制驱动电机开关。

5、优选的，包括台面，台面上安装有多个旋转架，每一个旋转架上均安装有角度传感器，每一个旋转架上的磁铁均位于摄像装置的视野范围内。

6、优选的，计算机中设置有三种工作模式，分别为：

7、交互模式，计算机在角度传感器的检测值发生变化时进入交互模式；交互模式下，计算机根据角度传感器的检测值和摄像装置拍摄的磁铁形状生成动态磁场线，并发送到显示屏进行显示；

8、教学模式，计算机在角度传感器静止设定的第一时间阈值后进入教学模式；教学模式下，计算机播放预先存储的教学视频；

9、待机模式，计算机和显示屏在教学视频播放完成后进入待机模式。

10、优选的，交互模式下，计算机根据结合角度传感器检测值和摄像装置拍摄到的磁铁图像确定磁铁的n极、s极以及中心点，根据安培定律和毕奥-萨伐尔定律计算磁铁的磁感线路径，然后绘制磁感线。

11、优选的，计算机采用unity3d绘制磁感线。

12、本发明提出的一种磁场可视化交互方法：首先将磁铁安装到旋转架上，当角度传感器检测值发生变化，计算机启动摄像装置，计算机结合摄像装置拍摄图像获取磁铁图像并确定磁铁中心点；计算机获取角度传感器检测值以确定磁铁角度以及磁极，并计算磁感线路径；然后将磁感线以及磁铁渲染到显示屏上进行显示。

13、优选的，磁铁选择条形磁铁。

14、优选的，摄像装置覆盖范围内的实物均渲染到显示屏上进行显示。

15、本发明的优点在于：

16、(1)本发明提出的磁场可视化交互系统，利用简单的角度传感器和磁铁实体，学习者不需要任何操作指令和手势，只需要对台面磁铁任意拨动即可以看到在显示器上的磁感线实时变化效果，这样互动完全真实，基于真实磁铁，提高学习者的互动体验，操作十分简单。且不需要三维建立磁铁和磁感线模型，操作更加高效。

17、(2)本发明将角度传感器与自然交互技术进行融合，直接通过摄像装置让用户能够在屏幕上清楚得看到自己的操作以及整个真实环境，并实时渲染到画面中去，为用户提供完全真实的操作体验，营造最有利于用户学习的沉浸式学习环境。本发明中，用户与磁铁的交互方式为自然交互，无需借助增强现实技术和虚拟现实技术以及kinect设备，而是直接拨动磁铁就可完成交互，从而让用户获得更加优良的交互体验。

18、(3)本发明中可任意更换磁铁，由摄像装置获取磁铁，以便根据操作者需求改变磁场强度，可根据磁铁大小调整对应画面中的ns极，也可调整磁感线数量来真实模拟磁场变化。

19、(4)本发明实现的磁感线变化以及交互效果均基于unity3d实现，根据其跨平台的特性，使得后台程序能够在不同操作系统上移植。

20、(5)本发明结合了多媒体视频，在用户互动完后会出现一段视频介绍有关磁感线的知识，用户也可以随时用互动来中断视频，让用户最大程度的学习到有关磁感线的知识原理。

21、(6)本发明提出的磁场可视化交互方法中，磁感线制作流程简单，形象生动，所需设备简单，成本低，操作方便，交互过程中，不仅能观察触摸真实的磁铁，并且磁感线的实时变化和操作者本人及真实的场景也能合成渲染到屏幕上，给操作者更加真实细腻的体验，适合科技馆、科普馆、实验室展示以及各个对磁感线变化感兴趣的人进行互动学习。

22、(7)本发明中，用角度传感器装置结合磁铁实物，加上摄像装置画面捕捉以及多媒体显示，直接对磁铁实物进行交互，能够更加灵敏的展示二维磁感线的实时变化规律，解决虚拟现实技术、增强现实技术和体感交互在不同环境下容易受各种因素(光线、撞击)干扰和价格昂贵的问题；本发明无需建立三维磁铁模型，成本低，容易实现；且实时交互性强，无需用户用手势移动或者旋转磁铁。

技术特征：

1.一种磁场可视化交互系统，其特征在于，包括：旋转架、摄像装置、计算机和显示屏；旋转架用于放置磁铁并带动磁铁转动；旋转架上设有角度传感器；位于旋转架上的磁铁位于摄像装置的视野范围内；

2.如权利要求1所述的磁场可视化交互系统，其特征在于，还包括驱动电机和控制按钮，驱动电机连接旋转架并用于驱动旋转架转动，控制按钮用于控制驱动电机开关。

3.如权利要求1所述的磁场可视化交互系统，其特征在于，包括台面，台面上安装有多个旋转架，每一个旋转架上均安装有角度传感器，每一个旋转架上的磁铁均位于摄像装置的视野范围内。

4.如权利要求1所述的磁场可视化交互系统，其特征在于，计算机中设置有三种工作模式，分别为：

5.如权利要求4所述的磁场可视化交互系统，其特征在于，交互模式下，计算机根据结合角度传感器检测值和摄像装置拍摄到的磁铁图像确定磁铁的n极、s极以及中心点，根据安培定律和毕奥-萨伐尔定律计算磁铁的磁感线路径，然后绘制磁感线。

6.如权利要求4所述的磁场可视化交互系统，其特征在于，计算机采用unity3d绘制磁感线。

7.一种用于如权利要求1-6任一项所述的磁场可视化交互系统的磁场可视化交互方法，其特征在于：首先将磁铁安装到旋转架上，当角度传感器检测值发生变化，计算机启动摄像装置，计算机结合摄像装置拍摄图像获取磁铁图像并确定磁铁中心点；计算机获取角度传感器检测值以确定磁铁角度以及磁极，并计算磁感线路径；然后将磁感线以及磁铁渲染到显示屏上进行显示。

8.如权利要求7所述的磁场可视化交互方法，其特征在于，磁铁选择条形磁铁。

9.如权利要求7所述的磁场可视化交互方法，其特征在于，摄像装置覆盖范围内的实物均渲染到显示屏上进行显示。

技术总结本发明涉及实时交互及物理教学展示技术领域，尤其是一种磁场可视化交互系统和方法。一种磁场可视化交互系统，包括：旋转架、摄像装置、计算机和显示屏；旋转架用于放置磁铁并带动磁铁转动；旋转架上设有角度传感器；位于旋转架上的磁铁位于摄像装置的视野范围内；计算机分别连接角度传感器、摄像装置和显示屏，计算机获取角度传感器检测到的角度值和摄像装置拍摄到的磁铁图像，计算机结合磁铁形状和角度值计算磁场线，显示屏用于显示磁场线。本发明交互过程中，不仅能观察触摸真实的磁铁，并且能观察磁感线的实时变化。技术研发人员：王家伟,武海东,杜亚飞受保护的技术使用者：合肥安达创展科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/26