一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法技术

本发明专利技术公开一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法，先建立物理实验模型，安装于实验台上；在物理实验模型上布置传感器及标志点；建立虚拟实验模型，并导入混合现实显示设备；配准定位虚拟实验模型与物理实验模型；对物理实验模型施加荷载进行实验，通过传感器实时采集实验过程中物理实验模型的应变数据；将实验过程中采集到的应变数据实时传输到混合现实显示设备中，通过混合现实显示设备将传感器采集到的应变数据以云图方式实时展示并与物理实验模型相叠加；最后，应变实时可视化。本发明专利技术基于混合现实技术将应变数据以虚拟信息云图的形式叠加在模型实验结构表面，实现对混凝土结构应变分布情况的实时直观可视化。

A real-time visualization method of structural strain based on mixed reality model experiment

The invention discloses a real-time visualization method of strain model test structure based on mixed reality, to establish the physical experimental model, installed on the test bench; arrangement of sensors and mark points in the physical experimental model; virtual experiment model, and import the mixed reality display equipment; registration of virtual experiment model and physical experiment model is applied; the load on the physical experimental model is the strain data of physical experiment sensor to collect experimental process model; the strain data in the experiment to collect the real-time transmission of the mixed reality display device, through mixed reality display devices will strain data collected by the sensor to image real-time display and physical experiment model superposition finally, the real-time visualization of the strain. Based on the hybrid reality technology, the strain data is superimposed on the surface of the model experiment structure in the form of virtual information cloud chart, so as to realize the real-time and visual visualization of the strain distribution of the concrete structure.

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法
本专利技术属于混合现实可视化
，涉及在进行物理模型力学实验过程中结合混合现实技术实现模型结构应变的实时可视化，尤其涉及一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法。
技术介绍
混合现实(MR)通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。混合现实中的物体符合现实世界中的透视法则，如走近看会变大，而离远之后会变小等。混合现实技术目前还处于起步阶段，研究较少，目前多侧重于增强现实(AR)。增强现实是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉,听觉,味觉,触觉等),通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的物体或信息叠加到真实世界。Liao等采用AR技术将核磁共振成像叠加在患者身上，为外科医生能在手术过程中提供指导[1]。Heuveline等采用计算流体动力学(CFD)模拟城市的空气流场，并在智能手机上运用AR技术实现城市空气流场的可视化[2]。Anodio提出应用增强现实(AR)技术来展示金属复合结合部位的疲劳裂纹[3]。Huang等运用增强现实技术来增强结构的有限元分析(FEA)结果的可视化[4]。王学占建立了基于增强现实的腹腔微创手术的图像导航系统，在微创外科手术中使用增强现实技术,使医生透过组织器官表面看到其内部病变的位置和形态,实时调整手术动作,提高手术效果[5]。在混合现实领域，罗宾等基于混合现实技术研制了具有虚实融合座舱视景的轻量级飞行模拟器系统，该系统将多个摄像机摄取的座舱端交互区域的真实图像添加到虚拟座舱环境中，提高了人-座舱的自然交互能力[6]。Zhong等搭建了投影机阵列和圆柱形定向散射屏的三维显示系统，该系统可以实现高度1m以上的三维场景,为实现真人远程会议的混合现实体验提供了显示基础[7]。增强现实技术将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间中，但是增强现实技术只能将处理好的虚拟的信息叠加到真实物体或环境中，并不能实现真正的实时互动，同时虚拟信息与现实环境也不能实现很好的融合。而混合现实技术可以弥补这些不足，实现虚拟与现实的实时互动。在混凝土结构的力学试验中，应变作为一项重要的力学参数，不仅在结构内力计算、稳定分析中具有重要作用，而且还能间接反映结构的破坏过程，因此采用混合现实技术来实现混凝土结构应变的实时可视化。结构的安全性和可靠性评估是个非常重要的问题，而模型实验是对结构安全研究的重要方法，是一种能够真实模拟结构承受荷载作用的实验手段。结构的应变作为一项力学参数，在结构内力计算、稳定分析中具有重要作用。传统获取模型实验结构应变的方法多为传感器测量并以表格形式输出，并不能直观反映实验结构具体的应变分布状况。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的不足，提出一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法，包括如下步骤：(1)、建立物理实验模型，安装于实验台上；(2)、在物理实验模型上布置传感器及标志点；(3)、建立虚拟实验模型，并导入混合现实显示设备；(4)、配准定位虚拟实验模型与物理实验模型；(5)、对物理实验模型施加荷载进行实验，并通过传感器实时采集应变数据；(6)、将采集到的应变数据实时传输到混合现实显示设备中，通过混合现实显示设备将应变数据以云图方式实时展示并与物理实验模型相叠加；(7)、应变实时可视化。所述传感器由应变片、分布式光纤应变传感器或光纤光栅应变传感器三种中的任意组合进行实时采集。所述物理实验模型包括混凝土结构、钢结构、钢筋混凝土结构、岩石结构。适用于空气或水中实验对象的应变信息采集和可视化。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术借助传感器采集的应变数据，基于混合现实技术将应变数据以虚拟信息云图的形式叠加在模型实验结构表面，实现对混凝土结构应变分布情况的实时直观可视化。相比于传统获取模型实验结构应变的方法，即通过传感器测量并以表格形式输出应变数据，本专利技术实现了对施加荷载过程中实验结构内部具体应变分布状况的实时透视显示，应变显示效果更加直观、形象且易于理解，同时可以在一定程度上表现结构的破坏过程，有利于结构过程分析。附图说明图1为本专利技术的方法流程图；图2为本专利技术的物理实验模型以及传感器和标志点；图3为本专利技术的一种混合现实显示设备；图4为本专利技术实现结构应变实时可视化效果示意图。附图标记：1-物理实验模型；2-标志点；3-传感器；4-混合现实显示设备。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术技术方案作进一步的描述，所描述的具体实施例仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。如图1所示，本专利技术的方法步骤是先建立物理实验模型，安装于实验台上，物理实验模型包括混凝土结构、钢结构、钢筋混凝土结构、岩石结构；然后，在物理实验模型上布置传感器及标志点，传感器由应变片、分布式光纤应变传感器或光纤光栅应变传感器三种中的任意组合进行实时采集；其次，建立虚拟实验模型，并导入混合现实显示设备；再次，配准定位虚拟实验模型与物理实验模型；对物理实验模型施加荷载进行实验，并通过传感器实时采集实验过程中物理实验模型的应变数据；将实验过程中采集到的应变数据实时传输到混合现实显示设备中，通过混合现实显示设备将传感器采集到的应变数据以云图方式实时展示并与物理实验模型相叠加；最后，应变实时可视化，本专利技术适用于空气或水中实验对象的应变信息采集和可视化。实施例1：如图1和图2所示，在空气环境中建立物理实验模型1，本实施例物理实验模型1为混凝土结构，将传感器3贴于物理实验模型1的表面，并在物理实验模型1的表面粘贴标志点2，完成模型的制作后将物理实验模型1放置于实验台面；本专利技术的传感器3由应变片、分布式光纤应变传感器和光纤光栅应变传感器三种组合进行实时采集，其中应变片测量点应变，分布式光纤应变传感器测量线应变，光纤光栅应变传感器测量表面应变；建立虚拟实验模型并导入到混合现实显示设备4之中，本专利技术采用的混合现实显示设备4为基于混合现实技术的头戴式眼镜设备如图3所示，并利用光学跟踪定位系统，通过在结构表面布置相应的标志点2，结合高精确度光学跟踪定位系统，实现虚拟模型与现实模型的配准定位；进行实验，施加荷载，通过混合现实显示设备4将把传感器3实时采集的应变数据以云图的方式与物理实验模型1相叠加，得到覆盖到模型上的应变云图如图4所示，实现采集数据的实时可视化。实施例2：在水环境下建立物理实验模型1，本实施例物理实验模型1为岩石结构，将传感器3贴于物理实验模型1的表面，并在物理实验模型1的表面粘贴标志点2，完成模型的制作后将物理实验模型1放置于实验台面；本专利技术的传感器3由分布式光纤应变传感器和光纤光栅应变传感器组合进行实时采集；建立虚拟实验模型并导入到混合现实显示设备4之中，本专利技术采用的混合现实显示设备4为基于混合现实技术的头戴式眼镜设备如图3所示，并利用光学跟踪定位系统，通过在结构表面布置相应的标志点2，结合高精确度光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、建立物理实验模型，安装于实验台上；(2)、在物理实验模型上布置传感器及标志点；(3)、建立虚拟实验模型，并导入混合现实显示设备；(4)、配准定位虚拟实验模型与物理实验模型；(5)、对物理实验模型施加荷载进行实验，并通过传感器实时采集应变数据；(6)、将采集到的应变数据实时传输到混合现实显示设备中，通过混合现实显示设备将应变数据以云图方式实时展示并与物理实验模型相叠加；(7)、应变实时可视化。

【技术特征摘要】
1.一种基于混合现实的模型实验结构应变实时可视化方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、建立物理实验模型，安装于实验台上；(2)、在物理实验模型上布置传感器及标志点；(3)、建立虚拟实验模型，并导入混合现实显示设备；(4)、配准定位虚拟实验模型与物理实验模型；(5)、对物理实验模型施加荷载进行实验，并通过传感器实时采集应变数据；(6)、将采集到的应变数据实时传输到混合现实显示设备中，通过混合现实显示设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟登华，吕明明，王栋，任炳昱，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12