AR在變電站可視化教學上的應用

王大虎， 孫存遠， 張孟軍

(河南理工大學 電氣工程及其自動化學院，河南 焦作 454000)

變電站對電流和電壓進行變換，起到升/降壓分配電能的作用，變電站的正常運行與人民日常生活密切相關(guān)。若變電站出現(xiàn)問題，可能會對周圍地區(qū)造成人身傷害和經(jīng)濟損失[1]。

高校早已加強學生對變電站課程的學習，但傳統(tǒng)教學存在一些不足，導致學生學習積極性不高[2],主要有以下內(nèi)部和外部原因。

① 內(nèi)部原因：變電站規(guī)模龐大，設備種類繁多，只通過課本上的二維符號和現(xiàn)場圖片難以了解變電站；變電站重要設備體積龐大，比如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器和開關(guān)柜等，教師無法攜帶它們進行講解；設備種類繁多且價格昂貴，實驗室無法大量購買。

② 外部原因：因安全隱患難以讓學生參觀變電站；參觀人數(shù)多，教師講解無法照顧到每一個人；無法多次參觀，難以滿足學習需求。

以上原因?qū)е聦W生學習效率低下，畢業(yè)時無法真正頂崗[3]。

AR被稱為跨時代技術(shù)，是VR的延伸。AR可以將虛擬世界與真實世界相交融，通過智能設備仿真，從而被人感知。這項技術(shù)早在上世紀90年代被提出，但是并不被重視，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、CPU能力的發(fā)展，這項技術(shù)才重新映入眼簾[4]。

將AR與變電站相結(jié)合有以下優(yōu)點：① 持有智能手機的學生多，省去學校對設備的投資;② 學生可以隨時隨地學習，不受教學場所限制;③ 技術(shù)較新，容易激發(fā)學習積極性;④ 變電站一般不會被改建，系統(tǒng)不會被頻繁修改;⑤ 教學方式直觀，容易理解[5]。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 功能需求分析

變電站AR仿真教學系統(tǒng)輔助于電氣工程專業(yè)課程講解，使學生在畢業(yè)前融入電氣專業(yè)角色，改善學生畢業(yè)后不能真正頂崗的問題。利用AR的優(yōu)勢，解決課堂教學存在的問題，降低學習的難度，減輕教學的壓力，達到課程教學目標。變電站的組成如圖1所示[6]，據(jù)此進行模型制作。

圖1 建模對象

1.2 總體流程

教學系統(tǒng)使用高通AR組件Vuforia SDK作為開發(fā)工具包，首先注冊Vuforia開發(fā)賬號獲取License Key，然后添加識別數(shù)據(jù)庫并上傳目標圖像以獲取Unitypackage包。按照變電站現(xiàn)場照片使用3DS Max建立模型，之后要對模型進行優(yōu)化，減少面數(shù)，避免卡頓。利用PS軟件對模型的貼圖和紋理進行處理，利用污點修復工具對模糊的貼圖進行修復，利用標尺工具拉正圖片，賦予模型材質(zhì)[7]，導入到Unity3D制作手機安裝包，流程圖如圖2所示。

圖2 總體流程

1.3 功能設計

教學系統(tǒng)由參考信息、交互、課后鞏固3個部分組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設計圖

安裝Unity3D發(fā)布的安裝包，打開該APP時會自動打開攝像機，相機會識別鏡頭中的信息，當目標圖片的特征與數(shù)據(jù)庫信息一致時會立即顯示模型。虛實融合部分，攝像機會實時跟蹤現(xiàn)實中的目標圖片，將真實世界與虛擬世界進行疊加顯示。在學習初期可以不斷查看設備簡介，了解設備的具體功能和部件的作用，同時會推薦對應的參考書。在教學中，學生可以與顯示出的模型進行互動，包括縮放、旋轉(zhuǎn)和操作設備的面板[8]。課后，學生可以通過觀看課件、設備互動和答題的方式來鞏固知識。為了減少操作步驟、增加學習興趣，所有功能都只放在屏幕左列，功能一目了然，功能框大小適中，并進行了透明化處理，不遮擋物體。

2 仿真技術(shù)研究

2.1 模型制作

現(xiàn)場拍攝變電站圖片，確定各種設備的位置、尺寸與材質(zhì)。變電站分為室內(nèi)和室外兩部分，室內(nèi)建模主要為各種測控柜和公用柜，室外建模主要分為變壓器、隔離開關(guān)、斷路器和PT與CT端子箱。各種設備主要由標準基本體下的多種幾何體制作，使用可編輯多邊形建模、切角、擠出、切割和連接命令。因變電站設備種類繁多、結(jié)構(gòu)復雜，建模時把設備分為若干個部分分別建模，然后將這些對象進行打組，構(gòu)建出完整的模型。分開建模的好處是當把模型導入Unity3D時，這些部分仍然是獨立的，編程后能夠表現(xiàn)更多的教學內(nèi)容。如在制作隔離開關(guān)時，由于該設備結(jié)構(gòu)對稱，制作一半后使用鏡像即可。制作支架使用長方體和圓柱體建模，通過擠出、切角、切割、連接等命令來完成。制作支架上電線可以先用樣條線勾勒出大致走向，選中線的頂點使用圓角將其處理圓滑，在徑向中增加數(shù)值并使用渲染和視口。再如，制作無功補償裝置時，該設備比較復雜，采用分部建模法，多次使用圓柱體和長方體，通過使用等比例縮放、擠出和切角構(gòu)建電容器[9]。因其中連接電纜和套管較多，需多次使用長方體和圓柱體來構(gòu)建，重復的部件多且排列規(guī)則，使用列陣變換能夠加快建模速度。接著用3DS Max把模型導出為FBX格式，部分模型如圖4所示。

圖4 變電站部分設備

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

AR系統(tǒng)由圖像輸入、特征標記、注冊跟蹤和虛實融合4個部分組成。

圖像輸入：安裝Unity3D發(fā)布的安裝包后，打開該APP時會自動打開攝像機，物體反射光線進入鏡頭，通過圖像傳感器后，因內(nèi)光電效應形成電信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進入放大器，最后進入微處理器，從而在屏幕上成像。

特征標記：Vuforia識別圖像的原理是檢測存入云端圖片上的特征點，通過輸入圖像特征點和云端圖片上的特征點相匹配實現(xiàn)的。在云端上傳圖片后，Target Manager會將特征點保存到數(shù)據(jù)庫中并返回給Unity，Rating等級越多，特征點識別度越好。

Vuforia特征點算法是由SIFT算法發(fā)展的。計算機視覺中SIFT (Scale-Invariant Feature Transform)是用來描述圖片的局部特征，通過在不同尺度空間尋找特征點并計算特征點的方向，有4個重要步驟：尺度空間極值檢測、特征點定位、尋找主方向和特征點描述。

① 尺度空間極值檢測。從灰度圖像獲取圖片的高斯金字塔，金字塔中每張圖片由L(x,y,σ)表示，計算公式為

L(x,y,σ)=G(x,y,σ)?I(x,y,σ)

(1)

(2)

式中,G(x,y,σ)為高斯函數(shù)；I(x,y,σ)為圖像；σ為模糊系數(shù)。高斯金字塔由6層尺寸相同、模糊系數(shù)不同的采樣圖像組成。為尋找特征點，需要給高斯模糊后的圖片進行差分，計算出極值點的差分值并與周圍26個像素點相比較，以確保在尺度空間和二維圖像空間都檢測到極值點，若為最大值或者最小值，那么這個點可能為極值點。極值點一般在邊緣或灰度突變的地方，描述特征就是描述這個特征和它周圍的關(guān)系。

② 特征點定位。因為圖片的坐標是離散的，使用離散空間點插值得到連續(xù)空間極值點，通過曲面擬合來找到真極值點。

③ 尋找主方向。使用直方圖統(tǒng)計圓周內(nèi)極值點周圍像素的梯度和方向，累加像素各個方向幅值，幅值累加到最大的方向是該特征點的主方向，為了增強魯棒性，超過幅度最大值的80%的方向為輔助方向。

④ 特征點描述。每一個特征點都有位置、方向和尺度的信息。以特征點為中心建立坐標系，然后同一方向的特征描述稱為旋轉(zhuǎn)不變性。為特征加上尺度因子，將比較的點都變換到同一個標準上，就叫尺度不變性。在這兩個標準下即可匹配特征[10]。

注冊跟蹤：當目標物體位置改變時，其特征點也在隨著改變，SDK使用一種可自定義變更算法，跟蹤位置改變的目標，并把對象用state object方式存儲。由于移動端計算能力有限，當視角和光照明顯變化時，便會丟失目標。

虛實結(jié)合：使用仿射變換將虛擬物體的所有頂點從物體坐標系變換到攝像機坐標系，模型與真實場景疊加后一起顯示到屏幕上，模型以真實世界為背景顯示在屏幕中[11]。依據(jù)以上原理，當目標圖片的特征與儲存的信息一致時會立即顯示模型，不符合則不會顯示模型。虛實融合是針對傳統(tǒng)教學存在兩類原因的不足，使用一種更加直觀易理解的方式進行教學。

2.3 AR顯示功能實現(xiàn)

將模型導入到Unity3D中，在Vuforia官網(wǎng)登陸賬號，創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫并且上傳目標圖片，上傳圖片的星級不能太少，否則會產(chǎn)生無法識別的情況。保存云端的License Key和Unitypackage安裝包，將安裝包導入Unity3D并粘貼License Key。使用C#編輯腳本語言，調(diào)整設備模型的大小和燈光，如圖5所示。

圖5 制作過程

2.4 系統(tǒng)發(fā)布

系統(tǒng)分別發(fā)布至Android和iOS平臺，以滿足各類學生的需求，手機運行界面如圖6所示。功能依次為設備介紹、部件詳解、參考書推薦、瀏覽課件和答題測試。

圖6 運行界面

3 教學效果測試

該系統(tǒng)服務于教學，為了測試AR系統(tǒng)的實際教學效果，邀請了電氣學院70名學生參與測試。在課程結(jié)束后采用整體評估可用性問卷(Post-Study System Usability Questionnaire，PSSUQ)問卷對學生進行了調(diào)查[12]，該問卷可以評價對軟件使用的滿意度，共使用16個問題以及7項評價標準，具有較強的可信度。調(diào)查表如圖7所示。

圖7 問卷調(diào)查表

在提交的70份問卷中，非常滿意占據(jù)數(shù)據(jù)的很大部分，沒有出現(xiàn)非常不滿意的情況。問卷調(diào)查表明，大部分學生對AR技術(shù)融于教學很滿意，并表示能夠促進學習、改善了傳統(tǒng)教學的不足。在聽取學生建議后，將為系統(tǒng)設計事故仿真功能。

4 結(jié)束語

AR技術(shù)正在慢慢走進教育領(lǐng)域，將AR融入到課堂，提高了學生的積極性，改善了傳統(tǒng)教學的不足，使學習變得輕松和有趣。論證了AR在變電站教學方面的應用：以Unity3D為核心，使用3DS Max建模工具，Visual Studio和Adobe Photoshop CC軟件，使用三維建模、AR等技術(shù)開發(fā)了變電站AR仿真教學系統(tǒng)。通過PSSUQ問卷反饋測試系統(tǒng)的有效性，結(jié)果表明本系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)教學的不足，能夠激發(fā)學生學習的積極性，內(nèi)容生動豐富，操作簡便且擴展性強。