Kinect技术对石油高校实验教学的作用

王钰文，邓 嵘，曾 鸣

(西南石油大学 机电工程学院,四川 成都 610500)

实验教学是高校人才培养环节的组成部分,是塑造大学生实践能力、创新能力、自主学习能力的主要途径。通过教学大纲设定的基础型、综合型和研究型实验,加强学生逻辑思维模式的训练,培养其专业技能和创新精神,将知识、能力与科研素养发展为多层次、渐进式且相互联系、相互补充的有机整体[1]。目前石油高校关于油气装备技术领域专业人才的培养面临着教学内容滞后于产业发展水平的局面,特色专业与学科资源的整合不充分,导致了本科生专业技术掌握不到位,现场的适应能力较差,工程创新与实践能力有所欠缺,严重制约了我国石油天然气工业和油气装备的可持续性发展。经过调研,其主要原因来自两方面:一是落后的教学方式,课堂授课形式以传统讲解为主,其中实践教学环节缺乏多元化和开放性,使得实验教学最后演变成认知学习；二是油气装备专业的特殊性,石油机械多为成套大型设备且设备操作复杂,在训练与实验过程中潜藏着重大安全隐患,所以实践训练难以开展。

针对上述问题,本文结合西南石油大学关于油气装备技术虚拟仿真的实验教学,以数字钻机司钻控制仿真实验项目为例,提出基于Kinect体感交互技术在实验教学中的应用。虚拟仿真实验不受场地和仪器设备的限制,具备开设各种实验类型的条件,尤其适合高危险性和不可复制的实验项目,能够最大化利用教学资源,弥补实体实验的固有缺陷[2-3],建立与实体实验教学相互补的虚拟仿真实验教学。

1 虚拟现实技术在实验教学中的研究现状

1.1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是将计算机应用、电子、软件工程深度融合后发展的一项革命性新技术,该技术使用户以自然方式与虚拟环境物体发生交互作用、相互影响[4],生成与真实环境在视、听、触感高度近似的数字环境。这种技术结束了人机交互应用领域存在的“单实无虚”和“虚中缺实”的局面,对人们认识、模拟和掌握事物有很大的推动作用。目前常见的虚拟现实软件有Quantum3D公司开发的OpenGVS 3D应用软件,Kitware公司提供的Vtk软件系统以及Act-3D公司开发的Quest3D等[5],此类软件能够实现角色在虚拟环境中的互动与交流。另一方面传感设备在质量和性能上的提升有力地推动了虚拟现实技术的进步,如Oculus公司推出的Oculus RIFT高性能头盔显示设备,Leap Motion公司推出的运动控制系统Leap 3D,以及Microsoft公司推出的Kinect体感交互技术等,其中Kinect传感器可以识别用户的运动、手势和声音信号,经过计算机对视觉和音频特征信息的分析处理,将用户的身体行为指令投射到虚拟环境,摆脱了用户对键盘鼠标的依赖,从根本上改变了虚拟互动方式。

1.2 虚拟现实技术在实验教学的优势

1)虚拟现实技术打破传统实验受空间的局限,无论校内还是校外,课堂还是课下,学生根据各自的学习计划和进度合理调节安排实验,并自行完成实验内容,扩大了实验教学的辐射范围。

2)虚拟现实技术有效地克服实验条件的诸多限制,特别是面对石油行业涉及的高温高压、易燃易爆等高危险、高成本、高消耗的实验项目,虚拟现实学习环境可以最大程度还原实验场景。

3)运用虚拟现实技术增强实验的趣味性和教学资源的利用率,学习者以角色化身虚拟场景中,使其更关注学习任务,有效地调动学生的积极性,贯彻“寓学于乐”的教育理念。

1.3 虚拟现实技术在高校的应用

虚拟现实技术的出现为高校在教育教学带来革新与突破,西方的发达国家瞄准了该技术的先进性和潜在优势,率先将虚拟现实技术用于教育教学中,其中有超过150所美国高校受益于林登实验室的Second Life项目,此外美国的东卡罗琳那大学、科罗拉多大学[6-7],英国开放大学等众多国外高校均利用虚拟现实技术创建了各自的实验平台[8]。

相比而言,虽然国内在虚拟现实的教育应用起步相对较晚,但是技术的推广势头却很迅猛,根据“国家中长期教育改革与发展规划纲要(2011—2020)”中指出:信息技术对教育发展具有革命性作用,必须予以高度重视。近年来,国内高校积极构建虚拟实验教学中心,通过虚拟仿真填补了实验内容的不足[9]。本文为了便于对比,对非石油类高校的调研对象分为985/211高校和普通高校两类[10-13],如表1和表2所示。调研方向主要围绕实验设备、实验内容、应用技术和特征等几个方面展开,从虚拟仿真在实验应用的不同方面出发,参考各高校的案例,结合技术发展的一般规律来看,虚拟现实技术有望成为高校实验教学的最有效形式之一。

表1 985/211高校虚拟现实技术应用

表2 普通高校虚拟现实技术应用

分别选取中国石油大学(北京)、中国石油大学(华东)、东北石油大学和西南石油大学在行业内具有代表性的石油高校作为调研对象,描述这四所大学在虚拟实验教学的具体使用情况。以中国石油大学(北京)为例,基于油气储运学科在国内的领先地位,开发了油田联合站仿真等实验项目；中国石油大学(华东)开发了石油钻采机械虚拟仿真实验项目[14]；东北石油大学应用沉浸式交互G-Magic系统完成石油钻采机械虚拟仿真实验教学[15]；西南石油大学油气装备技术虚拟仿真实验教学中心通过Kinect技术研发了数字钻机司钻控制平台虚拟仿真系统,上述石油高校利用虚拟技术在油气装备实验教学中展开了相关实验,如表3所示。

表3 石油高校虚拟现实技术应用

2 对象和方法

实验主要承担机械工程专业设下的石油矿产机械、海洋石油装备、井下作业及工具三个专业的教学任务。根据相关专业的教学需求,开设了钻井机械和采油机械实验课程,课程包含了三项综合型实验内容,两项验证型实验内容和一项设计型实验内容；此外,该实验项目还面对全校相关专业的工程认知教学任务,课程包含了三项实验内容,如图1所示。实验通过模拟钻机的操作工况,使学生掌握钻机设备的基本知识,清楚钻机的操作流程和注意事项。

实验系统由体感信息采集、处理部分和钻机司钻控制仿真部分组成,其中硬件包括计算机、Kinect体感摄影机和投影幕布。Kinect体感摄影机是系统的核心部件,它的工作原理是通过红外传感器和光深度感应器测量摄影机与对象的相对距离,Kinect的有效范围0.8～4.0 m内,测量角度为±28°,当测量超出有效范围以外,Kinect还具有一定的追焦功能。Kinect与一般摄像机最大的区别在于借助红外线跟踪对象的运动,所以无论在什么光照条件下,依然能够完成人体骨架关节信息的收集。如图2所示,本实验系统是将Kinect体感摄影机设计安装在被测对象的正前方,在被测对象的上前方安装投影幕布。当传感器生成的图像数据由USB传输到计算机,通过计算机算法对图像实现场景识别,既满足用户操作,又能准确掌握对象的运动情况。

图1 实验课程及项目

图2 操作示意图

3 实例研究与实验

3.1 实验说明

数字化钻机司钻控制平台采用Unity 3D软件对井场场景及钻机设备三维建模,如图3所示。图中虚拟环境涉及井场环境、钻井平台和钻机设备,考虑到学生平时难有机会接触井队现场,不了解井场的布局情况,所以为营造与真实环境相契合的虚拟环境,系统最大限度还原了井架场景,如此有助于学生尽快建立对现场的感性认识。

从图3可看出,钻井平台是一个结构复杂且庞大的机械装置,故虚拟仿真系统对其主要设备的工作参数和性能指标进行了详尽说明。此外操作模式的自主选择也体现了设计的人性化,如系统为用户提供了体感交互操作模式、网页操作模式和可执行文件选项,用户可以通过浏览服务器登陆或者在电脑上安装执行文件使用该系统,并且用户可以根据硬件配置,自主选择系统提供的分辨率和显示质量模式。

图3 虚拟钻机平台布局

3.2 仿真操作

实验系统非常重视虚拟环境的设计细节,在虚拟的司钻房中设置了司钻台、画面监视器和参数显示仪等。由于司钻房的空间比较狭小,仪器仪表操作复杂,所以如何稳定、精确地操控虚拟司钻台成为问题的关键。为此实验系统对用户动作的识别精度做出了严格要求,重点测试学生的站立、坐下、张手、抬臂等动作姿态及手指关节的弯曲程度,如图4和图5所示。从图中可以看出,学生处于真实的自然环境中,利用Kinect的光深度感应器和动态捕捉仪监测学生的骨骼关键点的运动轨迹,然后图形信息经计算机反映到虚拟环境中,学生通过手臂和手指的动作指挥着虚拟事物的移动和触发,宛如现场操控司钻台的机械手柄和功能按键。

图4 司钻控制仿真

图5 操作界面

3.3 应用效果

基于Kinect技术的数字钻机司钻控制平台基本满足石油高校关于钻井设备方面的实验教学要求。通过观察与走访后发现:实验的体感交互设计和网页交互设计双模式提升了学生实验兴趣,允许学生在任何有网络的条件下登陆实验平台,对实验项目进行学习与认知,促使学生主动探索和学习。体感互换的操作模式锻炼了学生对钻机起、下钻的操作,掌握起、下钻的动作指令,熟悉钻压、钻速、转盘扭矩、大钩速度和大钩高度等各重要参数指标的安全范围,有助于培养学生的现场操控能力。

4 结束语

虚拟仿真实验凭借方便、高效的操作优势,逐渐成为石油相关高校人才培养的发展趋势之一。本文通过数字钻机司钻控制平台虚拟仿真实验项目阐述了Kinect体感交互技术的特点,利用该技术可以解决大型装备实训安全性的问题,培养学生的创新意识和工程实践能力,提高学生对实验的沉浸感,弥补实验教学在石油钻机操作上“只能看,不能动”的空白,其协同配合的教学效果优于其他类型虚拟仿真实验,有助于推动学生学习和能力的双重发展,为相关石油院校在革新实验教学方法上提供了参考。