一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统的制作方法

一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统。它包括电磁场源介质发生器、空间三维运动装置、电磁场信号采集模块、电磁场测试处理硬件模块、影像采集模块和显示设备。本发明基于电磁场理论的仿真计算来增强真实测量的效率与局限，并进而实现电磁场形态的可视化，提高课堂教学与实验的互动性，使学生能够在真实生动的课堂学习与交互实验过程中，增强对电磁场理论的深入理解。
【专利说明】一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机增强现实技术和物理电磁场测量技术在物理电磁场教学领域 的混合应用，更明确地，本发明涉及一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统。

【背景技术】
[0002] 电磁场相关理论与技术是现代物理发展的重要基石(本文所述的电磁场包括静态 的电场、静态的磁场，以及动态的电磁场，为描述方便，以下简称电磁场)，是电力、通讯、传 感、信息等现代应用技术诞生和发展的源泉，现代生活的方方面面都离不开电与磁。因此电 磁场理论与技术一直是物理教学领域的重要篇章，然而由于电场、磁场在真实世界中的一 些物理特点，使得对其直观化、形象化地授课与学习存在着困难： (1)电场和磁场的不可见性。众所周知，电场和磁场在自然环境下通过肉眼无法直接看 见，为了直观呈现这类物理场的形态，通常采用附加介质间接地进行展示。以磁场为例，若 在磁场中放置大量小磁针，则这些小磁针的位置和方向排布将在磁场力作用下呈现出与磁 场线（本文用磁场线来指代物理学概念中的磁感应线）相近的形态，传统电磁场教学的展 示和实验环节通常采用这种方法。这种间接展示方式的缺点是：通常只能展示某一空间截 面内的磁场作用效果，且不能直接获得精确的电磁场分布参数。
[0003] (2)电场和磁场的空间连续分布性。若不设置电磁屏蔽边界，自然世界中一个电磁 场的存在及其作用是空间无穷且连续的，但较远的位置由于作用较小通常忽略不计。宏观 世界中物体的位置可以在三维空间中唯一描述，从而易于测量与这类物体位置直接关联的 物理量，例如位置、速度等。然而对于电磁场，其磁场强度随着空间分布的不同而不同。因 此，对于空间电磁场的强度、方向、分布密度等各类空间分布信息，通常采用磁场线与等势 面的分布数据进行展示。然而受制于电磁场空间分布的广度，难以在课堂教学环节进行空 间电磁场的精确测量与展示。
[0004] (3 )场间的相互影响。电场间、磁场间、变化地电场与磁场间是相互作用的，且这种 作用同样是空间连续的，这是物理场的重要特点。如何能够在直观地反应出这种场间的作 用，在教学上非常重要。
[0005] 电磁场的上述特点已经制约了其课堂教学与学习，学生在学习过程感觉抽象，不 易深刻理解相关理论。最终导致老师难教，学生难学，教学目标难以实现。
[0006] 为此，一种现有的解决思路是将专用的电磁场科学测量仪器引入课堂教学。通常， 专用的电磁场科学测量仪器是通过单点场强传感器(例如用于空间一点磁场强度测量的霍 尔传感器）在被测空间内按一定路径扫描测量，获取该磁场强度、方向、分布密度等各类空 间分布信息并在计算机上展示[1]，例如通过专利201110061791. 5所给出的技术实现。这 类专业测量仪器针对特定科学研究，尽管能够获得极高精度的测量效果，但无论在展示的 直观性、课堂实验的互动性、测试的便利性等方面还不太适于课堂教学，而且专业测试设备 昂贵的价格极大限制了其在基础教学中的应用。
[0007] 简言之，缺乏一种具有良好互动性，能形象化再现电磁场能力的面向三维电磁场 理论教学与实验的系统和方法。
[0008] 另一方面，计算机领域的增强现实技术提供了一种形象化的场景显示技术。不同 于传统的虚拟现实技术，增强现实技术通过在真实的场景图像中增加显示虚拟的物体，达 到图像增强的目的。这类真假结合的显示技术能够极大增强虚拟物体的现场感展示，甚至 可以达到以假乱真的显示效果。更进一步，基于增强现实技术，场景中真实可见物体与虚拟 物体的互动效果亦可以被实现，例如通过专利201310272294. 9所给出的技术实现。


【发明内容】

[0009] 本发明的目的在于针对传统电磁场教学过程中电磁学概念的抽象以及电磁场可 视化实验系统的缺乏，提供一种基于增强现实技术的三维电磁场教学与实验系统，实现电 磁场形态的可视化，提高课堂教学与实验的互动性，使学生能够在真实生动的课堂学习与 交互实验过程中，增强对电磁场理论的深入理解。
[0010] 本发明的技术方案如下：一种基于增强现实技术的三维电磁场教学与实验系统， 包括： 含有特征标记的被测电磁场源介质，用于持续产生真实空间中的电场或磁场，且所含 特征标记的影像能够被有效地采集和识别，以用于其自身位置和姿态检测； 含有特征标记的空间三维运动装置，用于实现在电磁场待测区域范围内的机械三维运 动，并带动电磁场传感器件实现测量，且所含特征标记的影像能够被有效地采集和识别，以 用于其所含部件的位置和姿态检测； 电磁场信号采集模块，用于检测电磁场待测区域某一点的场强矢量，并在空间三维运 动装置的带动下实现某一空间区域内的测量； 电磁场测试处理硬件模块，负责运行有电磁场处理软件的硬件模块，其中电磁场测试 处理软件包括电磁场信号数据库模块、互动实验模块、测量轨迹生成模块、电磁场计算模 块、电磁场绘制模块、影像处理模块和电磁场绘制模块； 电磁场信号数据库模块，用于存储电磁场的数据信息； 互动实验模块，用于设置实验场景中的虚拟场源、虚拟屏蔽边界，以及相关实验参数 等； 测量轨迹生成模块，用于实时生成空间三维运动装置的运动轨迹，从而控制该装置实 现测试所需的运动； 电磁场计算模块，用于计算真实电磁场与虚拟电磁场的复合作用，并生成新的电磁场 分布数据；在获得电磁场分布数据的基础上，进而计算得到电磁场线形态（电磁场分布数据 的梯度)，以及电磁场等值面/线形态(等值分布数据）； 电磁场绘制模块，用于将电磁场计算模块计算得出的电/磁场的物理数据绘制为成电 /磁场线、等值面/线，从而图形化地显示空间电磁场的强度、方向、分布密度等各类空间分 布信息； 影像采集模块，用于采集实验装置所在的环境场景影像，并将采集到的影像传输给计 算机； 影像处理模块，用于接收影像采集模块所发送的影像，并同步分析和提取影像中所包 含的各类预先设定的标记特征信息； 影像生成模块，用于将虚拟场源及虚拟屏蔽边界图像、电磁场图像等虚拟图像与真实 场景影像相融合，形成新的影像； 显示设备，用于显示影像生成模块所提供的图像及文字信息。
[0011] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的含有特 征标记的电磁场源介质，其介质类型包括永磁体、螺线管等典型的电磁场发生体。其所含特 征标记则记录了该介质的材料、形状、电磁属性等在理论上影响该介质电磁特性的所有参 数，具体的特征标记可通过二维码、二维图等常见于增强现实技术中的方式进行记录。更进 一步，其所含特征标记包含所述电磁场源介质相对于世界坐标系的位姿信息，该特征标记 与空间三维运动装置固定基准部件上的特征标记配合使用。
[0012] 进一步，如上所述的基于增强现实的三维电磁场教学与实验系统，其中，所述的含 有特征标记的空间三维运动装置包含有固定基准部件，载物台部件以及空间三自由度运动 部件。固定基准部件是该装置的机械基准，所述装置中所有其它机械装配及运动关系均以 该部件为几何基准，从而能够更好地描述机械装置中的相对运动及精度关联。固定基准部 件包含有特征标记，通过图像识别可获取基准部件相对于图像采集位置的空间位置与姿态 信息，该信息将进而被用于获取被测电磁场源介质相对于空间三维运动装置固定基准部件 的位姿信息，以用于准确的影像生成。载物台部件与固定基准部件相对位置固定或者可调， 用于放置含有特征标记的电磁场源介质。空间三自由度运动部件包含多组能够实现空间某 一维度运动的子部件(如X方向运动子部件)，用于带动运动部件末端实现测试空间中的多 自由度受控运动，其运动子部件通常表现为基本的运动伺服系统，并进一步包括基本的动 力单元，机械传动单元以及运动反馈单元，其中运动反馈单元并非必须。
[0013] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的电磁场 信号采集模块，包括将空间一点电场强度或磁场强度转换为电信号的传感器，传感器连接 结构，以及物理信号采集通常所包含的前置信号放大单元、模数转换单元、信号传输单元等 部分，其中传感器通过传感器连接结构与空间三维运动装置中的空间三自由度运动部件进 行固定连接。更进一步，由于电磁场在空间任一点的强度为矢量形式，即存在3个独立的分 量值，因此电磁场待测区域中一点的电磁场强度，可以通过集成式结构设计的多维度传感 器进行3维量同步测量。更进一步，所述的空间任一点电磁场3维量测量，还可以将单方向 维度的传感器单元，安装于具有空间旋转能力的附加运动机构上，从而实现场强矢量的多 向分量异步测量。
[0014] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的电磁场 信号数据库模块，用于存储电磁场信号采集模块采集得到的电磁场的分布数据，并且这些 电磁场分布数据可以被电磁场计算模块用来计算生成新的电磁场场线数据和等值线数据， 计算完成同样储存于电磁场信号数据库模块中。进一步的，这些存储于电磁场信号数据库 模块的电磁场场线数据和等值线数据还可以被测量轨迹生成模块所使用，用来生成场线跟 踪式轨迹和等值跟踪式轨迹。更进一步的，这些存储于电磁场信号数据库模块的电磁场场 线数据和等值线数据可以被电磁场绘制模块所使用，用来绘制电磁场的线、面，达到图形化 地显示空间电磁场的强度、方向、分布密度等各类空间分布信息的目的。
[0015] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的互动实 验模块，包括具有交互输入功能的硬件，如鼠标、键盘、触摸屏等，以及具有虚拟电磁场源、 虚拟电磁场屏蔽边界等虚拟电磁场相关物件增删与修改功能的人机交互软件。更进一步， 用户借助交互输入硬件以及显示设备输出的图像信息，在实验场景中增加虚拟的电磁场相 关物件，从而形成真实电磁场与虚拟电磁场共同作用的实验场景。更进一步，虚拟的相关物 件所包括的位置、姿态、物理电磁属性等从属参数信息在实验过程中可以随时修改。
[0016] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的测量轨 迹生成模块，可生成多种类型的测量轨迹，包括整体扫描式轨迹，场线跟踪式轨迹，等值跟 踪式轨迹。针对不同的测试需求，通过调整轨迹时间轴与采样频率，所有类型的轨迹均可以 在慢速精确测量轨迹至快速粗略测量轨迹的区间内调整，以获得不同的扫描速度与精度。
[0017] 更进一步，上述整体扫描式轨迹为最基本的轨迹类型，即按照预先设定的规则完 整地扫描整个测试空间，这种测量轨迹与具体的电磁场分布无关，只依赖于测试空间的形 状。
[0018] 更进一步，上述场线跟踪式轨迹表现为生成的测量轨迹与电磁场线的空间分布相 一致，即生成的运动轨迹为空间中的电磁场线形态。这种轨迹生成方法依赖于对电磁场分 布的理论计算或者整体扫描式预测量得到的存储于电磁场信号数据库模块中的电磁场场 线数据，其中理论计算可通过电磁场计算模块来实现。在通过理论计算或者快速粗略整体 预测量的方式获得电磁场的空间分布数据后，继而进行场强数值的空间梯度计算即可获得 场线轨迹。类似于磁场线的常见图示，这种轨迹为测试空间中多段离散轨迹所构成，每段轨 迹均为由起点位置到终点位置并与真实场线形状相一致，且这些离散的轨迹段集合不能完 整覆盖整个测试空间。每段离散轨迹空间切向位置的起点和终点由场强参数阈值确定，轨 迹段的数量以及轨迹起始点的法向位置可由起始点分布密度参数确定。
[0019] 更进一步，上述等值跟踪式轨迹表现为生成的测量轨迹与电磁场等值线的空间分 布相一致，即生成的运动轨迹为空间中的电磁场等值线形态。这种方式与上述场线跟踪式 轨迹的主要区别在于，基于整体扫描式预测量得到的存储于电磁场信号数据库模块中的等 值线数据数据，等值线在形状上与场线相切，且为封闭形状。
[0020] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的电磁场 计算模块，用于计算真实电磁场与若干虚拟电磁场共同作用下的电磁场理论参数，经过电 磁场计算模块产生的电磁场场线数据和等值线数据，存储于电磁场信号数据库模块，以便 被测量轨迹生成模块和电磁场绘制模块使用。进一步，用于计算的真实电磁场的数据来自 于实际测量，用于计算的虚拟电磁场的场源数据来自于互动实验模块。更进一步，上述的理 论计算既可针对单一的电磁场源，也可以针对若干个分布式的电磁场源。更进一步，具体计 算采用一种快速计算电磁场分布的公开的理论方法[2]。更进一步，该模块可以通过数值拟 合算法，将测得的真实电磁场分布数据，拟合计算得到相应的场源数据，即实现由场源数据 计算电磁场分布数据的逆过程。
[0021] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的电磁场 绘制模块，借助图形图像绘制软件开发工具，例如OpenGL软件包，将存储于电磁场信号数 据库模块中的表征电磁场分布的电磁场场线、等值面/线等数值信息，以不同形状、颜色、 亮度的图形进行显示。更进一步，通过预先设定的处理规则，上述形状、颜色、亮度等图像信 息元素与空间电磁场的强度、方向、分布密度等物理信息具有直接关联，并依据这种处理规 则进行图像生成设置，以实现电磁场图像本身的直观化显示效果。更进一步，通过互动实验 模块输入的虚拟场源、虚拟屏蔽边界信息，也将以图形化的方式进行绘制，并融合显示于该 模块所输出的电磁场图像。
[0022] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的影像采 集模块，通常为具有视频采集功能的摄像装置，并具有与计算机相连接的机械电气接口。
[0023] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的影像处 理模块，包括图像场景中标记图像的识别与信息提取，标记图像在场景中的空间位置与位 姿计算的软件算法。此外，为实现上述算法功能，一般性图像处理方法中所必备的图像特征 增强、图像轮廓特征提取等算法也包含于该模块。上述影像处理功能可通过大量已公开技 术进行实现。更进一步，所述影像处理模块通过所获取的不同类型部件所含有的标记的位 姿信息，来计算该部件在空间中的位置与姿态，例如包括空间三维运动装置中固定基准部 件的位姿，电磁场源介质的位姿等。
[0024] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的影像生 成模块，按照影像处理模块所获取的空间三维运动装置中固定基准部件的位姿和被测电磁 场源介质相对于空间三维运动装置固定基准部件的位姿，将电磁场绘制模块生成的虚拟电 磁场等图像信息进行坐标变换，以使虚拟图像具有与所拍摄场景距离与角度相一致的显示 效果，并进一步与影像采集模块所获取的真实场景影像融合显示，输出新的影像。更进一 步，影像生成模块还可以将所输出的影像记录为常用格式的视频文件，以供保存和重复播 放。
[0025] 进一步，如上所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其中，所述的显示设 备，其类型既包括教学环境中的公共显示设备，如教室中的投影仪、显示器等；也包括教师 和学生个人使用的包含显示功能的设备，如笔记本电脑、平板电脑、手机等；以及可安装于 空间三维运动装置范围内部，用于显示该设备自身所处空间平面中电磁场信息的显示设 备，如平板电脑。
[0026] 上述基于增强现实的电磁场教学与实验系统的应用方法： 将含有特征标记的电磁场源介质放置在含有特征标记的空间三维运动装置的载物台 部件中，在真实空间中产生相应的待测电磁场； 用户通过互动实验模块向测量轨迹生成模块输入电磁场源形状边界、测量精度、测量 轨迹类型等信息。其中，测量轨迹类型包括整体扫描式轨迹、场线跟踪式轨迹、等值跟踪式 轨迹三种方式，测量轨迹生成模块根据这些需求与指令生成具体的测量轨迹； 生成的测量轨迹传输给空间三维运动装置，并驱动该装置中的空间三自由度运动部件 执行真实的运动动作，并进而带动电磁场信号采集模块对真实电磁场信息进行同步测量， 测量获得的信息传送给电磁场信号数据库模块； 在整个测试过程中，影像采集模块均持续地获取测试现场的影像，并将影像数据同步 传输给影像处理模块和影像生成模块； 影像处理模块进行标记图像(包括空间三维运动装置固定基准部件的特征标记、被测 电磁场源介质的特征标记）的识别与计算，所识别得到的标记图像存储信息以及标记物自 身的位置和空间姿态信息，被用来进一步计算空间三维运动装置中固定基准部件的位姿、 电磁场源介质的位姿，并进而得到被测电磁场源介质相对于空间三维运动装置固定基准部 件的位姿。所获得的相关位姿信息传输至影像生成模块，以用来进行虚拟图像的空间平移 和旋转运算； 在实验过程中，用户通过互动实验模块动态地修改实验场景中的虚拟物信息，例如实 验场景中的虚拟电磁场源与虚拟电磁场屏蔽边界等虚拟电磁场物件相关信息，修改后的信 息被发送至电磁场计算模块； 电磁场计算模块读取电磁场信号数据库模块的电磁场分布数据，计算真实电磁场与若 干虚拟电磁场共同作用下的电磁场分布形态及相关物理参数，并将计算获得的数据返回给 电磁场信号数据库模块，并通过电磁场绘制模块读取后对电磁场信息进行形象直观的图像 化处理与表示； 电磁场绘制模块输出的图像信息传输至影像生成模块，结合影像处理模块输出的固定 基准部件的位姿和被测电磁场源介质相对于空间三维运动装置固定基准部件的位姿信息， 经过空间平移和旋转运算后，与影像采集模块获得的真实的场景图像进行融合处理，融合 后的新图像被传输至显示设备，并由后者将这种增强现实的图像信息传递给用户。
[0027] 更进一步，上述各功能模块所构成的软件，可同时运行于多个不同的终端设备，例 如讲台上的电脑以及学生手中的平板电脑等。在由任一个终端设备驱动完成真实的电磁场 数据测量过程后，电磁场信号采集模块获取的数据信息可以传输至不同的终端设备，供这 些终端设备的使用者借助各自的互动实验模块互不干扰地进行电磁场图像观测以及进一 步的虚拟实验。
[0028] 本发明自身的技术创新性如下：在增强现实技术本身，不同于大多数增强现实系 统所采用的在真实场景图像中增加虚拟图像的方式，本发明表现为在真实场景图像中增加 现实中真实存在却不可见的图像，即将现实予以增强化显示。在电磁场理论的课堂教学与 实验环节，借助本发明所提供的系统与方法，将自然环境中不可见的电磁场强度、方向、分 布密度等各类空间分布信息，通过例如电场线、等值线等以增强现实的图像化的方式进行 显示。不同于纯粹的计算机理论计算与仿真显示，本发明中所使用的电磁场数据信息来源 于实际的物理测试，所测数据可信，适合于专业教学与实验。真实电磁场的测量轨迹及过程 包括了三种模式，分别面向不同的测试与展示需求，包括针对获取空间整体电磁场精确分 布的整体扫描式轨迹，针对机械式展示空间电磁场线形状的场线跟踪式轨迹，针对机械式 展示空间电磁场等值线/面形状的等值跟踪式轨迹。在测得的真实电磁场分布数据基础 上，用户可以通过本发明所提供的互动实验模块，主动地修改实验场景中的电磁虚拟物以 调整虚拟的电磁场分布数据，并进而观测这种真实电磁场数据与虚拟电磁场数据共同作用 的电磁场空间分布信息，从而实现交互式的虚拟实验。在进行上述虚拟实验的环节，不再重 复进行真实的数据测量过程，从而节省了演示与实验的时间以适合于课堂教学。
[0029] 在教学实践当中，本发明的体现出了如下显著的优点： (1)图像化感官的极大提升。其一，增强现实技术的采用将过去不可见的电磁场可见 化；其二，电磁场图像的显示区域不仅限于测试装置的真实测量区域，还能够通过仿真计算 技术显示至空间中所有区域，从而体现出电磁场在空间无限传播的物理特征；其三，可视化 的电磁场不仅能够显示真实的电磁场源空间分布信息，亦能允许用户人为添加任意虚拟的 电磁场源并显示它们相互作用后的电磁场空间分布信息；其四，真实测试过程中特定类型 的测量轨迹与动作，亦能够直观地显示出电磁场线或者等值线等电磁场的空间分布信息。 上述图像化的电磁场显示方式，极大提升了学生对于电磁场的感官认识，促进学生的相关 理论学习。
[0030] (2)直观可信的真实数据测量。系统的数据来源于实际测量，真实可信，相对于传 统使用的并不精确的展示方式(例如预先制作的flash动画)，这种真实化的测量更有助于 专业学习。
[0031] (3)互动化、并行化的虚拟实验。其一，本发明中的虚拟实验技术，能够让学生在 已获取的真实测量数据的基础上，方便地进行快速虚拟实验和观测，增强了实验的互动性， 并促进了学生对于电磁场交互作用这一重要特征的理解；其二，本发明中的虚拟实验可以 在不同的交互式终端(例如学生手中的平板电脑）中同时进行，非常有益于实验的组织和开 展。
[0032] (4)经济性。本发明整体方案充分考虑现代课堂所具有的基本设备，且不含面向专 业科研测试的昂贵器件，方案经济，适于在物理教学中推广应用。

【专利附图】

【附图说明】
[0033] 图1为本发明中所述基于增强现实的电磁场教学实验与系统的结构框图。
[0034] 图2为本发明中所述基于增强现实的电磁场教学实验与系统的一种实施方式示 意图。
[0035] 图3为本发明中所述的含有特征标记的电磁场源介质的典型实例图。
[0036] 图4为本发明中所述的含有特征标记的另一电磁场源介质的典型实例图。
[0037] 图5为本发明示出的实施例的电磁场测试机械装置图。
[0038] 图6为本发明中所述的电磁场信号采集模块的一种结构组成示意图。
[0039] 图7为本发明中所述的电磁场信号采集模块的另一种结构组成示意图。
[0040] 图8为本发明中所述的互动实验模块的示意图。
[0041] 图9为本发明中所述的测量轨迹生成模块流程图。
[0042] 图10为本发明中所述的电磁场计算与绘制模块示意图。
[0043] 图11为本发明中所述的电磁场绘制模块的图形化生成方法示意图。
[0044] 图12为本发明中所述的系统的增强现实效果示意图。
[0045] 图13为本发明所给出的系统的运行方法流程图。
[0046] 图14为本发明【具体实施方式】的一种教学场景示意图。
[0047] 图15为本发明【具体实施方式】的另一种教学场景示意图。

【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
[0049] 实施例一： 参见图1，一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统，包括： 电磁场源介质发生器（11)、空间三维运动装置（21)、电磁场信号采集模块（22)、电磁 场测试处理硬件模块（30)、影像采集模块（41)和显示设备（51)，其特征在于：所述影像采 集模块（41)电连接电磁场测试处理硬件模块（30)，电磁场测试处理硬件模块（30)电连接 空间三维运动装置（21 )，空间三维运动装置（21)上安装电磁场信号采集模块（22)和电磁 场源介质发生器（11 )，电磁场信号采集模块（22)处在电磁场源介质发生器（11)产生的电 磁场源介质中并电连接电磁场测试处理硬件模块（30)，电磁场测试处理硬件模块（30)连 接显示设备（51);电磁场源介质发生器（11)持续产生真实空间中的电场或磁场，电磁场测 试处理硬件模块（30)通过指令控制空间三维运动装置（21)，电磁场信号采集模块（22)固 定连接在空间三维运动装置（21)的运动部件上，通过空间三维运动装置（21)的带动，持 续采集电磁场源介质发生器（11)产生的电场或磁场信号，并传回给电磁场测试处理硬件 模块（30)，同时，影像采集模块（41)持续采集影像信号并传入给电磁场测试处理硬件模块 (30)，通过电磁场测试处理硬件模块（30)的图像计算、融合处理送入显示设备（51)进行显 /_J、1 〇
[0050] 实施例二： 参见图2~图6,所述的电磁场源介质发生器（11)，包含有支架（111)、特征标记支架 (112)、特征标记（113)和电磁场源（114)，所述支架（111)固定连接在空间三维运动装置 (21)中的一个载物台部件（213)上，特征标记支架（112)固定连接在支架（111)上，特征 标记（113)印制在特征标记支架（112)上，电磁场源（114)固定连接在特征标记支架（112) 上；电磁场源（114)为永磁体或螺线管的电磁场发生体，所述特征标记（113)与背景颜色之 间应该存在高对比度，以便于影像的处理，特征标记（113)记录该介质的材料、形状和电磁 属性在理论上影响该介质电磁特性的主要物理参数；电磁场源（114)为可根据需要任意更 换。所述的空间三维运动装置（21)包含有固定基准部件（212 )、载物台部件（213 )以及空间 三自由度运动部件（214)，所述固定基准部件（212)固定放置在桌面上，是该装置的机械基 准，固定基准部件（212 )上固定有供图像识别所用的特征标记（215 )，传感器（221)/(222 ) 固定于空间三自由度运动部件（214)末端，同时，载物台部件（213)固定放置电磁场源介 质发生器（11)，空间三自由度运动部件（214)相对于载物台部件（213)可发生三自由度运 动；所以传感器（221) / (222)相对于载物台部件（213)上的电磁场源介质发生器（11)可 发生三自由度运动，特征标记（215)用于检测所述空间三维运动装置（21)中固定基准部件 (212)相对于观测坐标系的位姿信息，并能与被测电磁场源介质发生器（11)上的特征相配 合，通过电磁场测试处理硬件模块（30)中的影像处理模块（35)软件提取和分析算得被测 电磁场源介质（11)相对于空间三维运动装置（21)固定基准部件（212)的位姿信息，为后 续影像生成模块（36)软件提供位姿参数。所述的电磁场信号采集模块（22)包括将空间一 点电场强度或磁场强度转换为电信号的传感器（221)/ (222)、传感器连接结构（224)、以及 物理信号采集通常所包含的前置信号放大单元（225)、模数转换单元（226)、信号传输单元 (227)，所述传感器（221)/(222)通过传感器连接结构（224)与空间三维运动装置（21)中 的空间三自由度运动部件（214)进行固定连接，前置信号放大单元（225)连接模数转换单 元（226)，模数转换单元（226)连接信号传输单元（227)，将检测到真实电磁场的空间分布 信息（228)输入到电磁场测试处理硬件模块（30)中的电磁场信号数据库（31)软件，并由电 磁场计算（34)软件输出真实电磁场的空间分布信息（228)，为后续的计算和融合电磁场工 作做准备。所述的电磁场信号采集模块（22 )中的传感器，是利用集成式结构设计的多维度 传感器（221)进行3维量同步测量，一次测量完成空间任一点的3维度电磁场信号采集任 务。所述的电磁场信号采集模块（22)中的传感器，是利用单方向维度的传感器（222)，安装 在电磁场信号米集模块（22)中的一个具有空间旋转能力的附加运动机构（223)上，每一次 附加运动机构（223)的切换改变都伴随着单方向维度的传感器（222)的一次测量，通过三 次附加运动机构（223)和单方向维度的传感器（222)的改变和采样，同样能够达到空间电 磁场待测区域（211)任意一点3维度电磁场信号采集任务。所述的影像采集模块（41)，为 具有视频采集功能的网络摄像头，并具有与计算机相连接的机械电气接口。所述的显示设 备（51)，为教学环境中的公共显示设备：教室中的投影仪或显示器；或者为教师和学生个 人使用的包含显示功能的设备：笔记本电脑或平板电脑或手机；或者为可安装于空间三维 运动装置范围内部，用于显示该设备自身所处空间平面中电磁场信息的显示设备：平板电 脑。
[0051] 实施例三： 基于增强现实技术的三维电磁场教学与实验系统，由具有较高运动精度和速度的三自 由度运动平台带动电磁场测量探头，智能、高效地扫描待测电磁场空间获得真实电磁场数 据，并进而借助增强现实技术，在真实实验场景影像中增加虚拟的电磁场图像。通过在实验 过程中实时修改虚拟场源信息，实现互动化的电磁场教学实验模式。
[0052] 如图1所示，基于增强现实技术的三维电磁场教学与实验系统，包括： 含有特征标记的被测电磁场源介质11，用于持续产生真实空间中的电场或磁场，且所 含电磁场源介质的特征标记113的影像能够被有效地采集和识别； 含有特征标记的空间三维运动装置21，用于实现在电磁场待测区域211范围内的机械 三维运动，并带动电磁场传感器221、222实现测量，且所含特征标记215的影像能够被有效 地采集和识别； 电磁场信号采集模块22,用于检测电磁场待测区域211某一点的场强矢量，并在空间 三维运动装置21的带动下实现某一空间区域内的测量，测量得到的数据输出至电磁场信 号数据库模块31 ; 电磁场测试处理硬件模块30,负责运行有电磁场处理软件的硬件模块，其中电磁场测 试处理软件包括电磁场信号数据库模块31、互动实验模块32、测量轨迹生成模块33、电磁 场计算模块34、电磁场绘制模块35、影像处理模块36和电磁场绘制模块37 ; 电磁场信号数据库模块31，用于存储电磁场的分布数据，具体包括电磁场分布数据，电 磁场场线数据和电磁场等值线数据； 互动实验模块32,利用鼠标、键盘、触摸屏321等交互输入硬件向人机交互软件322输 入实验前设置测量轨迹类型323、扫描参数324与实验场景中添加虚拟场源或虚拟屏蔽边 界 325 ; 测量轨迹生成模块33,用于实时生成空间三维运动装置21的运动轨迹，从而控制该装 置实现测试所需的运动； 电磁场计算模块34,用于计算真实电磁场与虚拟电磁场的复合作用，并生成新的电磁 场分布数据；在获得电磁场分布数据的基础上，进而计算得到电磁场线形态（电磁场分布数 据的梯度)，以及电磁场等值面/线形态(等值分布数据）； 电磁场绘制模块35，用于将电磁场计算模块34计算得出的电/磁场的物理数据绘制为 成电/磁场线、等值面/线，从而图形化地显示空间电磁场的强度、方向、分布密度等各类空 间分布信息； 影像采集模块41，用于采集实验装置所在的环境场景影像，并将采集到的影像传输给 计算机； 影像处理模块36,用于接收影像采集模块41所发送的影像，并同步提取和分析影像中 所包含的各类预先设定的空间三维运动装置21的特征标记215与电磁场源介质11的特征 标记113 ; 影像生成模块37,用于将虚拟场源及虚拟屏蔽边界图像、电磁场图像等虚拟图像置于 影像中的电磁场源介质11的特征标记113的位置，并与真实场景影像相融合，形成新的影 像； 显示设备51，用于显示影像生成模块37所提供的图像及文字信息。
[0053] 在本实施例中，上述实验系统按软硬件划分，在物理组成上包含于若干个子系统。 如图2所示，本发明所述的基于增强现实技术的三维电磁场教学与实验系统，包含电磁场 源子系统1、测试装置子系统2、电磁场测试子系统3、影像采集子系统4、显示子系统5。其 中，电磁场源子系统1为生成电磁场所须的真实物理材料，包含含有特征标记的被测电磁 场源介质11 ;测试装置子系统2为用于检测电磁场分布数据所须的硬件装置，包括含有特 征标记的空间三维运动装置21，电磁场信号采集模块22 ;电磁场测试子系统3为运行于测 试计算机上的软件，以及一些用于交互输入的鼠标、按键、触摸屏等简单硬件，用来实现电 磁场信号的采集、仿真计算和显示，该子系统包括互动实验模块31、测量轨迹生成模块32、 电磁场计算模块33、电磁场绘制模块34、影像处理模块35、影像生成模块36、电磁场信号数 据库模块37 ;影像采集子系统4为采集实验场景影像的硬件装置，包括影像采集模块41 ; 显示子系统5为硬件装置，包括显示设备51。
[0054] 在本实施方式中，如图3、图4和图5所示，所述的含有特征标记的电磁场源介质 11中，包含有固定在空间三维运动装置21中载物台部件213上的支架111，特征标记支架 112,印制在特征标记支架112上的特征标记113以及电磁场源114。电磁场源114类型包 括永磁体、螺线管等典型的电磁场发生体。所述特征标记与背景颜色之间应该存在高对比 度，以便于影像的处理。优选方案为黑白图码标记(如标记为黑色，背景为白色)，黑白图码 标记位于标识区域内。
[0055] 本实施方式中的特征标记113则记录了该介质的材料、形状、电磁属性等在理论 上影响该介质电磁特性的主要物理参数。
[0056] 其中的特征标记113的样式设计实施例如图3、图4所示，具体是以3个同样的二 维遐，以120度对称分布的形式布置在特征标记支架112上，这样可以保证电磁场源介质的 特征标记113不会因为影像采集角度问题导致的特征标记113被仪器遮挡，保证特征标记 113能够被影像处理模块35有效地采集和识别。
[0057] 其中的电磁场源114为待测电磁场源，包括永磁体、螺线管等典型的电磁场发生 体，可以根据需要任意更换，例如图3的长条形电磁场源介质或者图4的圆形电磁场源介 质。
[0058] 在本实施方式中，如图5所示，所述的含有特征标记的空间三维运动装置21包含 有固定基准部件212,载物台部件213以及空间三自由度运动部件214。固定基准部件212 是该装置的机械基准，所述装置中所有其它机械装配及运动关系均以该部件为几何基准， 从而能够更好地描述机械装置中的相对运动及精度关联。此外，固定基准部件212还包含 有供图像识别所用的特征标记215。载物台部件213与固定基准部件212相对位置固定或 者可调，用于放置含有特征标记的电磁场源介质11。空间三自由度运动部件214包含多组 能够实现空间某一维度运动的子部件(如X、Y、Z方向运动子部件)，用于带动运动部件末端 实现电磁场待测区域211中的多自由度受控运动，其运动子部件通常表现为基本的运动伺 服系统，并进一步包括基本的动力单元，机械传动单元以及运动反馈单元，其中运动反馈单 元并非必须。
[0059] 特征标记215用于检测所述空间三维运动装置21中固定基准部件212相对于观 测坐标系的位姿信息，并能与被测电磁场源介质11上的特征相配合，通过影像处理模块35 提取和分析算得被测电磁场源介质11相对于空间三维运动装置21固定基准部件212的位 姿信息，为后续影像生成模块36提供位姿参数。
[0060] 在本实施方式中，如图6、图7、图10所示，所述的电磁场信号采集模块22,包括将 空间一点电场强度或磁场强度转换为电信号的传感器221/222,传感器连接结构224,以及 物理信号采集通常所包含的前置信号放大单元225、模数转换单元226、信号传输单元227 等部分，传感器221/222通过传感器连接结构224与空间三维运动装置21中的空间三自由 度运动部件214进行固定连接。检测到真实电磁场的数据信息228输入到电磁场信号数据 库模块31，并由电磁场计算模块34读取该信息，进行后续的计算和融合电磁场工作。
[0061] 由于空间三维运动装置21中的空间三自由度运动部件214需要根据设定好的轨 迹驱动电磁场信号采集模块22中的传感器221/222采集空间电磁场待测区域211中所有 指定点的电磁场信号，并且由于三维空间电磁场在空间任一点的强度为矢量形式，即存在3 个独立的分量值，所以该磁场信号为空间3维度的电磁场信号。
[0062] 传感器221/222的一种设计方式如图6所示，利用集成式结构设计的多维度传感 器221进行3维量同步测量，一次测量完成空间任一点的3维度电磁场信号采集任务。
[0063] 传感器221/222的另一种设计方式如图7所示，利用单方向维度的传感器222,安 装在具有空间旋转能力的附加运动机构223上，如图a)所示，其中附加运动机构223可以 空间旋转，并在b)、c)、d)状态中顺序切换，每一次附加运动机构223的切换改变都伴随着 单方向维度的传感器222的一次测量，通过三次附加运动机构223和单方向维度的传感器 222的改变和采样，同样能够达到空间电磁场待测区域211任意一点3维度电磁场信号采集 任务。
[0064] 在本实施方式中，如图8所示，所述的互动实验模块32,包括具有交互输入功能的 硬件，如鼠标、键盘、触摸屏321等，以及具有虚拟电磁场源、虚拟电磁场屏蔽边界等虚拟电 磁场相关物件增删与修改功能的人机交互软件322。互动实验模块32主要帮助用户实现两 个功能： 功能一，首先用户借助鼠标、键盘、触摸屏321等交互输入硬件选择测量轨迹类型323， 在此之后向测量轨迹生成模块33输入测量轨迹类型信息等。其中，测量轨迹类型323包 括多种类型的测量轨迹，包括整体扫描式轨迹，场线跟踪式轨迹，等值跟踪式轨迹；在轨迹 选择的基础上，用户可以进一步设置具体的扫描参数324,扫描参数将影像扫描效率与精度 等。
[0065] 功能二，用户借助鼠标、键盘、触摸屏321等交互输入硬件以及显示设备51输出的 图像信息，向实验场景中增加虚拟的电磁场相关物件，包括虚拟电磁场源或虚拟屏蔽边界 325,从而形成真实电磁场与虚拟电磁场共同作用的实验场景，在此之后向电磁场计算模块 34输入虚拟场源或虚拟屏蔽边界信息326,其中虚拟电磁场相关物件所包括的位置、姿态、 物理电磁属性等从属参数信息在实验过程中也可以通过互动实验模块32即时修改。
[0066] 在本实施方式中，所述的测量轨迹生成模块33,首先根据互动实验模块32传来的 测量轨迹类型信息，可生成多种类型的测量轨迹，包括整体扫描式轨迹，场线跟踪式轨迹， 等值跟踪式轨迹。其次根据互动实验模块32传来的扫描参数信息，针对不同的测试需求， 通过调整轨迹时间轴与采样频率，所有类型的轨迹均可以在慢速精确测量轨迹至快速粗略 测量轨迹的区间内调整，这些调整决定了扫描轨迹的效率与精度。
[0067] 在本实施方式中，测量轨迹包括整体扫描式轨迹(轨迹1)，场线跟踪式轨迹(轨迹 2)，等值跟踪式轨迹(轨迹3): 1)整体扫描式轨迹(轨迹1)为最基本的轨迹类型，即按照预先设定的规则完整地扫描 整个测试空间，这种测量轨迹与具体的电磁场分布无关，只依赖于测试空间的形状和尺寸。
[0068] 2)场线跟踪式轨迹(轨迹2)表现为生成的测量轨迹与电磁场线的空间分布相一 致，即生成的运动轨迹为空间中的电磁场线形态。这种轨迹生成方法依赖于对电磁场分布 的理论计算或者整体扫描式预测量得到的存储于电磁场信号数据库模块31中的电磁场场 线数据，其中理论计算可通过电磁场计算模块来实现。在通过理论计算或者快速粗略整体 预测量的方式获得电磁场的空间分布数据后，继而进行场强数值的空间梯度计算即可获得 场线轨迹。类似于磁场线的常见图示，这种轨迹为测试空间中多段离散轨迹所构成，每段轨 迹均为由起点位置到终点位置并与真实场线形状相一致，且这些离散的轨迹段集合不能完 整覆盖整个测试空间。每段离散轨迹空间切向位置的起点和终点由场强参数阈值确定，轨 迹段的数量以及轨迹起始点的法向位置可由起始点分布密度参数确定。
[0069] 3)等值跟踪式轨迹(轨迹3)表现为生成的测量轨迹与电磁场等值线的空间分布相 一致，即生成的运动轨迹为空间中的电磁场等值线形态。这种方式与上述场线跟踪式轨迹 的主要区别在于，基于整体扫描式预测量得到的存储于电磁场信号数据库模块31中的等 值线数据，等值线在形状上与场线相切，且为封闭形状。
[0070] 如图9所示，在进行轨迹2和轨迹3测量之前必须先进行整体扫描式轨迹(轨迹 1)测量，提前预知电磁场的空间分布信息，才能根据上述理论进行场线跟踪式轨迹(轨迹2) 和等值跟踪式轨迹(轨迹3)测量，S卩如果在选择测量轨迹前没有经过整体扫描式轨迹(轨迹 1)测量，那么轨迹只能选择轨迹1方式测量，只有经过整体扫描式轨迹(轨迹1)测量后，才 能进行场线跟踪式轨迹(轨迹2)和等值跟踪式轨迹(轨迹3)测量，同时返回测量轨迹类型。
[0071] 在本实施方式中，如图10所示，所述的电磁场计算模块34,用于计算真实电磁场 与若干虚拟电磁场共同作用下的电磁场分布数据，经过电磁场计算模块产生的电磁场场线 数据和等值线数据，存储于电磁场信号数据库模块，以便被测量轨迹生成模块33和电磁场 绘制模块35使用。一方面，检测到真实电磁场的数据信息228来自于电磁场信号采集模块 22的实际测量；另一方面，虚拟场源或虚拟屏蔽边界信息326来自于互动实验模块32,电磁 场计算模块34接收虚拟场源或虚拟屏蔽边界信息326后，计算得到虚拟电磁场空间数据信 息。检测到真实电磁场的数据信息228与电磁场计算模块34产生的虚拟电磁场空间数据 信息之间共同作用的理论计算既可针对单一的电磁场源，也可以针对若干个分布式的电磁 场源，在本实施例中采用采用文献[2]公开的一种快速计算电磁场分布数据的方法，计算 后的真实/虚拟复合电磁场的数据信息341输入到电磁场信号数据库模块31，并由后者传 输至电磁场绘制模块35进行直观图像生成。
[0072] 该模块可以通过数值拟合算法，将测得的真实电磁场分布数据，拟合计算得到相 应的场源数据，即实现由场源数据计算电磁场分布数据的逆过程。进而，可由拟合得到的场 源数据对远距离空间无法进行真实测量的电磁场分布数据进行仿真计算。
[0073] 在本实施方式中，如图11，电磁场绘制模块34中图形化生成的具体方法可选用文 献[3]所提供的方法。电磁场的可视化可以主要包括磁场线的可视化和电磁场力分布的可 视化，以场线的绘制为例，电磁场线绘制所需的图形节点信息可由公式（1)和公式（2)递推 得到：

【权利要求】
1. 一种基于增强现实的电磁场教学与实验系统，包括： 电磁场源介质发生器（11)、空间三维运动装置（21)、电磁场信号采集模块（22)、电磁 场测试处理硬件模块（30)、影像采集模块（41)和显示设备（51)，其特征在于：所述影像采 集模块（41)电连接电磁场测试处理硬件模块（30)，电磁场测试处理硬件模块（30)电连接 空间三维运动装置（21 )，空间三维运动装置（21)上安装电磁场信号采集模块（22)和电磁 场源介质发生器（11 )，电磁场信号采集模块（22)处在电磁场源介质发生器（11)产生的电 磁场源介质中并电连接电磁场测试处理硬件模块（30)，电磁场测试处理硬件模块（30)连 接显示设备（51);电磁场源介质发生器（11)持续产生真实空间中的电场或磁场，电磁场测 试处理硬件模块（30)通过指令控制空间三维运动装置（21)，电磁场信号采集模块（22)固 定连接在空间三维运动装置（21)的运动部件上，通过空间三维运动装置（21)的带动，持 续采集电磁场源介质发生器（11)产生的电场或磁场信号，并传回给电磁场测试处理硬件 模块（30)，同时，影像采集模块（41)持续采集影像信号并传入给电磁场测试处理硬件模块 (30)，通过电磁场测试处理硬件模块（30)的图像计算、融合处理送入显示设备（51)进行显 /_J、1 〇
2. 根据权利要求1所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的电磁场源介质发生器（11)，包含有支架（111)、特征标记支架（112)、特征标记（113)和 电磁场源（114)，所述支架（111)固定连接在空间三维运动装置（21)中的一个载物台部件 (213)上，特征标记支架（112)固定连接在支架（111)上，特征标记（113)印制在特征标记 支架（112)上，电磁场源（114)固定连接在特征标记支架（112)上；电磁场源（114)为永磁 体或螺线管的电磁场发生体，所述特征标记（113)与背景颜色之间应该存在高对比度，以便 于影像的处理，特征标记（113)记录该介质的材料、形状和电磁属性在理论上影响该介质电 磁特性的主要物理参数；电磁场源（114)为可根据需要任意更换。
3. 根据权利要求1所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的空间三维运动装置（21)包含有固定基准部件（212)、载物台部件（213)以及空间三自由 度运动部件（214)，所述固定基准部件（212)固定放置在桌面上，是该装置的机械基准，固 定基准部件（212)上固定有供图像识别所用的特征标记（215)，传感器（221) / (222)固定 于空间三自由度运动部件（214)末端，同时，载物台部件（213)固定放置电磁场源介质发生 器（11)，空间三自由度运动部件（214)相对于载物台部件（213)可发生三自由度运动；所以 传感器（221)/ (222)相对于载物台部件（213)上的电磁场源介质发生器（11)可发生三自 由度运动，特征标记（215)用于检测所述空间三维运动装置（21)中固定基准部件（212)相 对于观测坐标系的位姿信息，并能与被测电磁场源介质发生器（11)上的特征相配合，通过 电磁场测试处理硬件模块（30)中的影像处理模块（35)软件提取和分析算得被测电磁场源 介质（11)相对于空间三维运动装置（21)固定基准部件（212)的位姿信息，为后续影像生成 模块（36)软件提供位姿参数。
4. 根据权利要求1所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的电磁场信号采集模块（22)包括将空间一点电场强度或磁场强度转换为电信号的传感器 (221)/ (222)、传感器连接结构（224)、以及物理信号采集通常所包含的前置信号放大单元 (225)、模数转换单元（226)、信号传输单元（227)，所述传感器（221)/ (222)通过传感器连 接结构（224)与空间三维运动装置（21)中的空间三自由度运动部件（214)进行固定连接， 前置信号放大单元（225 )连接模数转换单元（226 )，模数转换单元（226 )连接信号传输单元 (227)，将检测到真实电磁场的空间分布信息（228)输入到电磁场测试处理硬件模块（30) 中的电磁场信号数据库（31)软件，并由电磁场计算（34)软件输出真实电磁场的空间分布 信息（228)，为后续的计算和融合电磁场工作做准备。
5. 根据权利要求4所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的电磁场信号采集模块（22)中的传感器，是利用集成式结构设计的多维度传感器（221)进 行3维量同步测量，一次测量完成空间任一点的3维度电磁场信号采集任务。
6. 根据权利要求5所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的电磁场信号采集模块（22)中的传感器，是利用单方向维度的传感器（222)，安装在电磁 场信号采集模块（22)中的一个具有空间旋转能力的附加运动机构（223)上，每一次附加运 动机构（223)的切换改变都伴随着单方向维度的传感器（222)的一次测量，通过三次附加 运动机构（223)和单方向维度的传感器（222)的改变和采样，同样能够达到空间电磁场待 测区域（211)任意一点3维度电磁场信号采集任务。
7. 根据权利要求1所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的影像采集模块（41)，为具有视频采集功能的网络摄像头，并具有与计算机相连接的机械 电气接口。
8. 根据权利要求1所述的基于增强现实的电磁场教学与实验系统，其特征在于：所述 的显示设备（51)，为教学环境中的公共显示设备：教室中的投影仪或显示器；或者为教师 和学生个人使用的包含显示功能的设备：笔记本电脑或平板电脑或手机；或者为可安装于 空间三维运动装置范围内部，用于显示该设备自身所处空间平面中电磁场信息的显示设 备：平板电脑。
【文档编号】G09B23/18GK104299493SQ201410591472
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】贾文川, 张泉, 蒲华燕, 李龙, 辛子华 申请人:上海大学