宋力王 劉晨

摘 要：電力行業(yè)技術(shù)密集、安全風(fēng)險(xiǎn)高，電力培訓(xùn)是提高作業(yè)人員素質(zhì)，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段之一。提出一種集成AR和Kinect技術(shù)的電力培訓(xùn)系統(tǒng)，采用Kinect與裸眼3D顯示結(jié)合的交互方式。通過(guò)Kinect識(shí)別受訓(xùn)人員的操作手勢(shì)和聲音命令，形成良好的人際互動(dòng)AR環(huán)境，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)、操作培訓(xùn)和操作考核；充分利用裸眼3D實(shí)時(shí)渲染技術(shù)，突破了傳統(tǒng)裸眼3D只能播放視頻的局限性，實(shí)現(xiàn)電力培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)操體驗(yàn)、模擬危險(xiǎn)、事故分析等。

關(guān)鍵詞：裸眼AR；Kinect交互；實(shí)時(shí)渲染；電力培訓(xùn)

1 引言

由于電力行業(yè)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)密集、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，實(shí)操培訓(xùn)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)學(xué)員的專業(yè)技術(shù)技能要求高，可能造成難以挽回的損失。因此，一種安全高效的實(shí)操仿真培訓(xùn)方法是電力部門(mén)關(guān)注的重點(diǎn)。

魯強(qiáng)等[1]在電力仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）降低了硬件投資，增強(qiáng)了培訓(xùn)效果。朱紅青等[2]開(kāi)發(fā)了礦井火災(zāi)救援VR培訓(xùn)系統(tǒng)，提高救護(hù)隊(duì)的井下應(yīng)急救災(zāi)處理能力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）避免對(duì)現(xiàn)實(shí)世界大量重構(gòu)和渲染的復(fù)雜過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)世界互相嵌入，并進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)[3，4]。

然而，目前的AR培訓(xùn)系統(tǒng)中，大部分都不具備相應(yīng)的體感交互，未能實(shí)現(xiàn)完善和真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)[5，6]。因此本文提出一種基于AR技術(shù)的電力場(chǎng)景培訓(xùn)系統(tǒng)，借助AR技術(shù)和Kinect技術(shù)自動(dòng)識(shí)別操作者動(dòng)作，并智能監(jiān)督操作人員按規(guī)程、按步驟完成工作，提高電力技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平。

2 AR技術(shù)概述

AR技術(shù)由1990年左右提出，包括3個(gè)主要特征：虛實(shí)結(jié)合、即時(shí)互動(dòng)和三維匹配。AR技術(shù)為工業(yè)維修培訓(xùn)的可視化等諸多領(lǐng)域提供一種新的“沉浸”學(xué)習(xí)工具，具有很大的發(fā)展空間。

輸入圖像經(jīng)過(guò)處理建立實(shí)景模型，依照幾何一致性將生成的虛擬對(duì)象嵌入實(shí)景環(huán)境中，形成虛實(shí)融合的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境；顯示系統(tǒng)顯示實(shí)景環(huán)境，操作者通過(guò)交互設(shè)備與實(shí)景環(huán)境進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)。

2.1 場(chǎng)景建模

傳統(tǒng)AR培訓(xùn)系統(tǒng)需要佩戴專業(yè)的眼鏡才能夠使用，而長(zhǎng)時(shí)間佩戴容易讓人產(chǎn)生惡心、頭暈等癥狀，特別是對(duì)于戴有近視鏡的觀眾使用起來(lái)更不方便，本系統(tǒng)采用裸眼3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景建模顯示[7]。

真空斷路器是切合電路的主要設(shè)備。正常工作時(shí)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要，將一部分電氣設(shè)備或線路投入或退出運(yùn)行，當(dāng)電氣設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)保護(hù)裝置作用于斷路器，將故障部分從電網(wǎng)中切除，使電網(wǎng)無(wú)故障部分正常運(yùn)行。

2.2 Kinect體感交互

基于深度圖的體感交互，以視頻圖像和深度圖作為輸入數(shù)據(jù)，研究體感手勢(shì)特征、手勢(shì)跟蹤等。其中微軟公司推出了Kinect體感設(shè)備成果最為顯著。Kinect不需要使用任何控制器，它依靠相機(jī)捕捉三維空間中人體的運(yùn)動(dòng)。

骨骼是攝像頭采集到用戶肢體當(dāng)前動(dòng)作形態(tài)的計(jì)算機(jī)表達(dá)，人體骨骼由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)都包含了位置、旋轉(zhuǎn)及其它信息。在培訓(xùn)系統(tǒng)中的互動(dòng)設(shè)計(jì)中利用了Kinect設(shè)置的骨骼節(jié)點(diǎn)，對(duì)培訓(xùn)人員的動(dòng)作信息進(jìn)行描述。

該斷路器帶上PT電源，在桿上安裝簡(jiǎn)易控制器，控制器上有分合閘信號(hào)等，實(shí)現(xiàn)就地操作。Kinect體感設(shè)備通過(guò)骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)識(shí)別操作者的操作行為，并輸入到反饋系統(tǒng)中。

3 人機(jī)交互技術(shù)

體感技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是使人能與機(jī)器交互，人們可以很直接地使用肢體動(dòng)作，無(wú)需使用額外的操作設(shè)備，便可讓其與周?chē)h(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。

（1）激光定位技術(shù)。優(yōu)勢(shì)在于定位精度高，反應(yīng)速度極快，但穩(wěn)定性和耐用性較差。

（2）紅外光學(xué)定位技術(shù)。具有高定位精度，低延遲率，但成本較高，需要安裝足夠數(shù)量的攝像頭。

（3）基于慣性的定位技術(shù)。受環(huán)境影響較小，，但需要穿戴，可能會(huì)影響操作者正常工作。

（4）可見(jiàn)光定位技術(shù)。相比上述3種技術(shù)，可見(jiàn)光定位技術(shù)成本低，靈敏度高，穩(wěn)定性和耐用性強(qiáng)，是最容易普及的一種定位方案。

4 電力仿真培訓(xùn)典型案例

“沉浸式真空斷路器操作AR仿真實(shí)操培訓(xùn)系統(tǒng)”緊密結(jié)合電力部門(mén)培訓(xùn)需求，通過(guò)研究基于Unity3D的高壓設(shè)備場(chǎng)景仿真技術(shù)、Kinect體感交互技術(shù)和電力仿真技術(shù)等，從視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和交互方式等方面構(gòu)建高度逼真的沉浸式操作環(huán)節(jié)。

培訓(xùn)系統(tǒng)包括培訓(xùn)系統(tǒng)包括中央處理模塊、三維建模模塊、渲染模塊、操作工藝模塊、Kinect交互模塊，如圖1所示。中央處理模塊負(fù)責(zé)各模塊間的數(shù)據(jù)信息和指令傳遞；操作工藝模塊存儲(chǔ)操作工藝，可向電力技術(shù)人員展示相關(guān)元件工藝標(biāo)準(zhǔn)；考核模式按對(duì)考生的操作步驟進(jìn)行評(píng)分。三維建模模塊實(shí)現(xiàn)真空斷路器建模；渲染模塊對(duì)三維模型渲染和裸眼3D顯示；Kinect交互模塊采集并處理操作者的手臂和手指動(dòng)作。

5 反饋設(shè)計(jì)

AR+電力培訓(xùn)中還可以設(shè)置考核模式，可以將學(xué)員的操作按照標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)則進(jìn)行考核（圖2）。對(duì)于檢修人員，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)設(shè)置某一設(shè)備故障，讓操作者針對(duì)該故障進(jìn)行檢修操作，按標(biāo)準(zhǔn)化檢修流程對(duì)考生的操作步驟進(jìn)行評(píng)分。

6 結(jié)論

提出一種基于AR和Kinect技術(shù)的電力培訓(xùn)系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)真空斷路器設(shè)備的三維重建，形象地反應(yīng)設(shè)備的事故狀態(tài)及其動(dòng)作過(guò)程，還支持在虛擬場(chǎng)景中操作、巡視、事故訓(xùn)練等，增強(qiáng)了培訓(xùn)的趣味性和實(shí)效性，具備廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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