趙 旭，陳永青，劉昊橙，李 蕊，陳開維，楊 勇，樊 蓉

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000)

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備復(fù)雜程度的不斷提高，運(yùn)行人員違章作業(yè)的電力安全事故發(fā)生率也直線上升，而培訓(xùn)力度不夠是主要原因，加大培訓(xùn)力度已經(jīng)刻不容緩。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)實(shí)地培訓(xùn)相比，具有占地空間小、成本低和輕便等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是操作工具只有手柄，真實(shí)性不夠[1-3]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和相關(guān)配件的重大更新，虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)更多的功能[4-6]，比傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式甚至是舊的虛擬培訓(xùn)方式，帶有動(dòng)作捕獲以及紅外定位技術(shù)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)更加貼近現(xiàn)實(shí)，作業(yè)人員在虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)中的沉浸感和體驗(yàn)也會(huì)更加好，進(jìn)而提高了作業(yè)人員的學(xué)習(xí)效率。

1 模擬系統(tǒng)框架

虛擬環(huán)境的動(dòng)作模擬主要分為手部動(dòng)作模擬以及全身動(dòng)作模擬兩部分，一般電力作業(yè)的細(xì)節(jié)部分都是由手部或者工具動(dòng)作完成，這就要求手部的動(dòng)作足夠精準(zhǔn)，而身體的部分主要是用于現(xiàn)實(shí)與虛擬之間位置和動(dòng)作變化的模擬。

2 手部動(dòng)作模擬

手部動(dòng)作模擬使用了諾亦騰的NOITOM HI5手套，每只手套中都配備了7顆9軸高性能慣性傳感器，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t低于5 ms ，精準(zhǔn)捕捉全手動(dòng)作，在 VR 中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自然的交互體驗(yàn)。手套更新了傳感器尺寸和重量，減輕了重量，無感佩戴的體驗(yàn)更增加了在 VR 中的沉浸感。在程序中為它添加了多個(gè)手部動(dòng)作，在做出對(duì)應(yīng)手勢時(shí)，就能觸發(fā)對(duì)應(yīng)的功能。

(1)握拳狀態(tài)，手部四指并攏時(shí)，程序中觸發(fā)抓取動(dòng)作。當(dāng)手中有可抓取物體時(shí)，可以抓住物體，例如抓取扳手、螺絲刀、搖把和門把手等物體，進(jìn)行相應(yīng)的操作，如圖1所示。

圖1 握拳狀態(tài)

(2)平展?fàn)顟B(tài)，對(duì)應(yīng)握拳狀態(tài)。程序中觸發(fā)取消動(dòng)作，比如先在握拳狀態(tài)拿住了扳手，通過手部張開，扳手掉落，如圖2所示。

圖2 平展?fàn)顟B(tài)

(3)點(diǎn)擊狀態(tài)，握拳狀態(tài)只伸出食指時(shí)，切換為點(diǎn)擊狀態(tài)。點(diǎn)擊狀態(tài)主要用于觸發(fā)小機(jī)關(guān)，如開關(guān)、接地鎖孔、門把手連鎖等，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)擊狀態(tài)

(4)推動(dòng)狀態(tài)，伸直手部即推動(dòng)狀態(tài)。推動(dòng)狀態(tài)主要用于對(duì)大質(zhì)量物體的操作，如推動(dòng)箱子、推動(dòng)手車等，如圖4所示。

圖4 推動(dòng)狀態(tài)

(5)自定義，為了適應(yīng)多樣性的需求，在程序中留出了自定義接口。自定義主要用來編輯存儲(chǔ)手部動(dòng)作狀態(tài)，比如可以存儲(chǔ)“OK”姿勢用于確認(rèn)工作完成，如圖5所示。

圖5 自定義狀態(tài)

3 全身動(dòng)作模擬

全身的動(dòng)作模擬使用動(dòng)作捕捉技術(shù)，目前最主流的動(dòng)作捕捉技術(shù)方向主要在光學(xué)動(dòng)作捕捉、慣性動(dòng)作捕捉這兩個(gè)方面。

(1)慣性動(dòng)作捕捉是基于慣性傳感器(Inertial Measurement Unit,簡稱IMU)的動(dòng)作捕捉，實(shí)際上就是將芯片集成封裝為小的模塊綁定在身體的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過芯片記錄人體環(huán)節(jié)的空間運(yùn)動(dòng)，后期通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行算法分析從而轉(zhuǎn)化為人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

(2)光學(xué)(紅外)動(dòng)捕是基于紅外光反射來進(jìn)行捕捉的技術(shù)。這種技術(shù)的基本原理就是在一定的空間內(nèi)使用若干紅外攝像機(jī)，對(duì)該空間進(jìn)行覆蓋拍攝，而被定位的物體上則使用反光材料制作的小球標(biāo)記重要節(jié)點(diǎn)，也就是動(dòng)作捕捉服。

慣性動(dòng)作捕捉與光學(xué)動(dòng)作捕捉相比，精度差，人物動(dòng)作模擬的效果不好，因此選擇了紅外動(dòng)作捕捉。

3.1 動(dòng)作捕捉組成

運(yùn)動(dòng)捕捉的實(shí)質(zhì)就是要測量、跟蹤、記錄物體在三維空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。典型的運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備一般由以下幾個(gè)部分組成。

(1)傳感器。傳感器是固定在運(yùn)動(dòng)物體特定部位的跟蹤裝置，它將向動(dòng)作捕捉系統(tǒng)提供運(yùn)動(dòng)物體的位置信息，一般會(huì)隨著捕捉的細(xì)致程度確定跟蹤器的數(shù)目。

(2)信號(hào)捕捉設(shè)備。這種設(shè)備會(huì)因動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的類型不同而有所區(qū)別，它們負(fù)責(zé)位置信號(hào)的捕捉。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)來說是一塊捕捉電信號(hào)的線路板，對(duì)于光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)則是高分辨率紅外攝像機(jī)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，特別是需要實(shí)時(shí)效果的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)需要將大量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)從信號(hào)捕捉設(shè)備快速準(zhǔn)確地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備就是用來完成此項(xiàng)工作的。

(4)數(shù)據(jù)處理設(shè)備。經(jīng)過動(dòng)作捕捉系統(tǒng)捕捉到的數(shù)據(jù)需要修正、處理后還要與三維模型相結(jié)合才能完成計(jì)算機(jī)動(dòng)畫制作，這就需要應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件或硬件來完成此項(xiàng)工作。軟件或硬件都是借助計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)高速的運(yùn)算能力來完成數(shù)據(jù)的處理，使三維模型真正、自然地運(yùn)動(dòng)起來。

3.2 紅外信號(hào)傳感

一般來說，依次動(dòng)作捕捉的流程分為四個(gè)步驟：待測目標(biāo)變化；光學(xué)接收器接受信號(hào)；信號(hào)處理；設(shè)備顯示。

動(dòng)作捕捉的難點(diǎn)在于傳感器接受信號(hào)和信號(hào)處理。接受信號(hào)可以通過紅外線反射原理，當(dāng)人體的手或身體的某一部分在紅外線區(qū)域內(nèi)，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人體手或身體摭擋反射到紅外線接收管，通過集成線路內(nèi)的微電腦處理后的信號(hào)發(fā)送給脈沖電磁閥，電磁閥接受信號(hào)后按指定的指令打開閥芯來控制頭出水；當(dāng)人體的手或身體離開紅外線感應(yīng)范圍，電磁閥沒有接受信號(hào)，電磁閥閥芯則通過內(nèi)部的彈簧進(jìn)行復(fù)位來控制關(guān)水。

信號(hào)處理則是每一個(gè)廠家的細(xì)節(jié)處理不同，但必要的步驟就是將探測的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

3.3 動(dòng)作模擬

人的動(dòng)作捕捉到了以后，需要將數(shù)據(jù)信號(hào)反應(yīng)到虛擬環(huán)境中，那么需要在虛擬場景中有一個(gè)可以反映人物動(dòng)作的模型，為了保證虛擬人物動(dòng)作的真實(shí)性，需要在模型制作軟件中綁定骨骼，如圖6所示。

圖6 骨骼分布

有了骨骼以后，虛擬中的人物動(dòng)作就不會(huì)大幅度變形。該模型與其他模塊相比，在模型高度方面也有其特點(diǎn)。由于每一個(gè)人的身高會(huì)不同，在虛擬環(huán)境中就需要不同高度的模型，而單純的拉伸會(huì)讓模型變形，因此需要做很多替代模型，工作量十分龐大。當(dāng)然有另一種方法，就是使用類人性的模型，可以隨意拉伸，沒有變形的感官，但缺點(diǎn)是不美觀。鑒于電力行業(yè)的專業(yè)性，放棄了美觀和娛樂性，而選擇了實(shí)用性和易操作性。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了保證動(dòng)作模擬系統(tǒng)在實(shí)際培訓(xùn)過程中的穩(wěn)定性及其延展性，對(duì)動(dòng)作模擬設(shè)備及軟件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下高強(qiáng)度連續(xù)工作。

手部模擬主要試驗(yàn)內(nèi)容包括手部動(dòng)作靈敏度、完成度和強(qiáng)度測試等，全身動(dòng)作模擬主要試驗(yàn)內(nèi)容包括動(dòng)作準(zhǔn)確性、動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間和持續(xù)性測試。

模型的制作偏向試驗(yàn)風(fēng)格，為了保證動(dòng)作的準(zhǔn)確性，基于3DMax與Maya軟件，建立了簡易的人物以及手部模型，如圖7所示經(jīng)過建模與程序編寫，實(shí)現(xiàn)了手部動(dòng)作模擬以及全身動(dòng)作模擬，手部的動(dòng)作包括且不限于抓、放、點(diǎn)、推等，可以實(shí)現(xiàn)自定義手勢以及各種邏輯。手部測試動(dòng)作結(jié)果如表1所示。

表1 手部測試動(dòng)作

圖7 人物與手部模型

5 結(jié)語

根據(jù)電力安全作業(yè)培訓(xùn)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于紅外定位與運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)相結(jié)合的電力安全仿真培訓(xùn)系統(tǒng)。整個(gè)動(dòng)作模擬系統(tǒng)采用紅外定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員在虛擬空間中位置的定位，利用陀螺儀制成的運(yùn)動(dòng)捕獲和電子手套對(duì)人員的動(dòng)作進(jìn)行模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的紅外定位與運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)相結(jié)合技術(shù)可以模擬作業(yè)人員真實(shí)動(dòng)作，使作業(yè)人員在虛擬環(huán)境中體驗(yàn)各種作業(yè)動(dòng)作，提高了整個(gè)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的體驗(yàn)和沉浸感。