王大虎， 孫存遠(yuǎn)， 張孟軍

(河南理工大學(xué) 電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

變電站對(duì)電流和電壓進(jìn)行變換，起到升/降壓分配電能的作用，變電站的正常運(yùn)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(huì)對(duì)周圍地區(qū)造成人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失[1]。

高校早已加強(qiáng)學(xué)生對(duì)變電站課程的學(xué)習(xí)，但傳統(tǒng)教學(xué)存在一些不足，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)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(shè)備種類繁多，只通過課本上的二維符號(hào)和現(xiàn)場(chǎng)圖片難以了解變電站；變電站重要設(shè)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(jìn)行講解；設(shè)備種類繁多且價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)室無法大量購買。

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

以上原因?qū)е聦W(xué)生學(xué)習(xí)效率低下，畢業(yè)時(shí)無法真正頂崗[3]。

AR被稱為跨時(shí)代技術(shù)，是VR的延伸。AR可以將虛擬世界與真實(shí)世界相交融，通過智能設(shè)備仿真，從而被人感知。這項(xiàng)技術(shù)早在上世紀(jì)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(xiàng)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(diǎn)：① 持有智能手機(jī)的學(xué)生多，省去學(xué)校對(duì)設(shè)備的投資;② 學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，不受教學(xué)場(chǎng)所限制;③ 技術(shù)較新，容易激發(fā)學(xué)習(xí)積極性;④ 變電站一般不會(huì)被改建，系統(tǒng)不會(huì)被頻繁修改;⑤ 教學(xué)方式直觀，容易理解[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

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

圖1 建模對(duì)象

1.2 總體流程

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

圖2 總體流程

1.3 功能設(shè)計(jì)

教學(xué)系統(tǒng)由參考信息、交互、課后鞏固3個(gè)部分組成，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

安裝Unity3D發(fā)布的安裝包，打開該APP時(shí)會(huì)自動(dòng)打開攝像機(jī)，相機(jī)會(huì)識(shí)別鏡頭中的信息，當(dāng)目標(biāo)圖片的特征與數(shù)據(jù)庫信息一致時(shí)會(huì)立即顯示模型。虛實(shí)融合部分，攝像機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)跟蹤現(xiàn)實(shí)中的目標(biāo)圖片，將真實(shí)世界與虛擬世界進(jìn)行疊加顯示。在學(xué)習(xí)初期可以不斷查看設(shè)備簡介，了解設(shè)備的具體功能和部件的作用，同時(shí)會(huì)推薦對(duì)應(yīng)的參考書。在教學(xué)中，學(xué)生可以與顯示出的模型進(jìn)行互動(dòng)，包括縮放、旋轉(zhuǎn)和操作設(shè)備的面板[8]。課后，學(xué)生可以通過觀看課件、設(shè)備互動(dòng)和答題的方式來鞏固知識(shí)。為了減少操作步驟、增加學(xué)習(xí)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(jìn)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(chǎng)拍攝變電站圖片，確定各種設(shè)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(cè)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(shè)備主要由標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)把設(shè)備分為若干個(gè)部分分別建模，然后將這些對(duì)象進(jìn)行打組，構(gòu)建出完整的模型。分開建模的好處是當(dāng)把模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D時(shí)，這些部分仍然是獨(dú)立的，編程后能夠表現(xiàn)更多的教學(xué)內(nèi)容。如在制作隔離開關(guān)時(shí)，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)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(diǎn)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(bǔ)償裝置時(shí)，該設(shè)備比較復(fù)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(fù)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(dǎo)出為FBX格式，部分模型如圖4所示。

圖4 變電站部分設(shè)備

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

AR系統(tǒng)由圖像輸入、特征標(biāo)記、注冊(cè)跟蹤和虛實(shí)融合4個(gè)部分組成。

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

特征標(biāo)記：Vuforia識(shí)別圖像的原理是檢測(cè)存入云端圖片上的特征點(diǎn)，通過輸入圖像特征點(diǎn)和云端圖片上的特征點(diǎn)相匹配實(shí)現(xiàn)的。在云端上傳圖片后，Target Manager會(huì)將特征點(diǎn)保存到數(shù)據(jù)庫中并返回給Unity，Rating等級(jí)越多，特征點(diǎn)識(shí)別度越好。

Vuforia特征點(diǎn)算法是由SIFT算法發(fā)展的。計(jì)算機(jī)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(diǎn)并計(jì)算特征點(diǎn)的方向，有4個(gè)重要步驟：尺度空間極值檢測(cè)、特征點(diǎn)定位、尋找主方向和特征點(diǎn)描述。

① 尺度空間極值檢測(cè)。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(jì)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(diǎn)，需要給高斯模糊后的圖片進(jìn)行差分，計(jì)算出極值點(diǎn)的差分值并與周圍26個(gè)像素點(diǎn)相比較，以確保在尺度空間和二維圖像空間都檢測(cè)到極值點(diǎn)，若為最大值或者最小值，那么這個(gè)點(diǎn)可能為極值點(diǎn)。極值點(diǎn)一般在邊緣或灰度突變的地方，描述特征就是描述這個(gè)特征和它周圍的關(guān)系。

② 特征點(diǎn)定位。因?yàn)閳D片的坐標(biāo)是離散的，使用離散空間點(diǎn)插值得到連續(xù)空間極值點(diǎn)，通過曲面擬合來找到真極值點(diǎn)。

③ 尋找主方向。使用直方圖統(tǒng)計(jì)圓周內(nèi)極值點(diǎn)周圍像素的梯度和方向，累加像素各個(gè)方向幅值，幅值累加到最大的方向是該特征點(diǎn)的主方向，為了增強(qiáng)魯棒性，超過幅度最大值的80%的方向?yàn)檩o助方向。

④ 特征點(diǎn)描述。每一個(gè)特征點(diǎn)都有位置、方向和尺度的信息。以特征點(diǎn)為中心建立坐標(biāo)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(diǎn)都變換到同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上，就叫尺度不變性。在這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下即可匹配特征[10]。

注冊(cè)跟蹤：當(dāng)目標(biāo)物體位置改變時(shí)，其特征點(diǎn)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(biāo)，并把對(duì)象用state object方式存儲(chǔ)。由于移動(dòng)端計(jì)算能力有限，當(dāng)視角和光照明顯變化時(shí)，便會(huì)丟失目標(biāo)。

虛實(shí)結(jié)合：使用仿射變換將虛擬物體的所有頂點(diǎn)從物體坐標(biāo)系變換到攝像機(jī)坐標(biāo)系，模型與真實(shí)場(chǎng)景疊加后一起顯示到屏幕上，模型以真實(shí)世界為背景顯示在屏幕中[11]。依據(jù)以上原理，當(dāng)目標(biāo)圖片的特征與儲(chǔ)存的信息一致時(shí)會(huì)立即顯示模型，不符合則不會(huì)顯示模型。虛實(shí)融合是針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)存在兩類原因的不足，使用一種更加直觀易理解的方式進(jìn)行教學(xué)。

2.3 AR顯示功能實(shí)現(xiàn)

將模型導(dǎo)入到Unity3D中，在Vuforia官網(wǎng)登陸賬號(hào)，創(chuàng)建云端數(shù)據(jù)庫并且上傳目標(biāo)圖片，上傳圖片的星級(jí)不能太少，否則會(huì)產(chǎn)生無法識(shí)別的情況。保存云端的License Key和Unitypackage安裝包，將安裝包導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D并粘貼License Key。使用C#編輯腳本語言，調(diào)整設(shè)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(tái)，以滿足各類學(xué)生的需求，手機(jī)運(yùn)行界面如圖6所示。功能依次為設(shè)備介紹、部件詳解、參考書推薦、瀏覽課件和答題測(cè)試。

圖6 運(yùn)行界面

3 教學(xué)效果測(cè)試

該系統(tǒng)服務(wù)于教學(xué)，為了測(cè)試AR系統(tǒng)的實(shí)際教學(xué)效果，邀請(qǐng)了電氣學(xué)院70名學(xué)生參與測(cè)試。在課程結(jié)束后采用整體評(píng)估可用性問卷(Post-Study System Usability Questionnaire，PSSUQ)問卷對(duì)學(xué)生進(jìn)行了調(diào)查[12]，該問卷可以評(píng)價(jià)對(duì)軟件使用的滿意度，共使用16個(gè)問題以及7項(xiàng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具有較強(qiáng)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(xué)生對(duì)AR技術(shù)融于教學(xué)很滿意，并表示能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)、改善了傳統(tǒng)教學(xué)的不足。在聽取學(xué)生建議后，將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)事故仿真功能。

4 結(jié)束語

AR技術(shù)正在慢慢走進(jìn)教育領(lǐng)域，將AR融入到課堂，提高了學(xué)生的積極性，改善了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，使學(xué)習(xí)變得輕松和有趣。論證了AR在變電站教學(xué)方面的應(yīng)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(xué)系統(tǒng)。通過PSSUQ問卷反饋測(cè)試系統(tǒng)的有效性，結(jié)果表明本系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，內(nèi)容生動(dòng)豐富，操作簡便且擴(kuò)展性強(qiáng)。