AR在变电站可视化教学上的应用

王大虎， 孙存远， 张孟军

(河南理工大学 电气工程及其自动化学院，河南 焦作 454000)

变电站对电流和电压进行变换，起到升/降压分配电能的作用，变电站的正常运行与人民日常生活密切相关。若变电站出现问题，可能会对周围地区造成人身伤害和经济损失[1]。

高校早已加强学生对变电站课程的学习，但传统教学存在一些不足，导致学生学习积极性不高[2],主要有以下内部和外部原因。

① 内部原因：变电站规模庞大，设备种类繁多，只通过课本上的二维符号和现场图片难以了解变电站；变电站重要设备体积庞大，比如变压器、隔离开关、断路器和开关柜等，教师无法携带它们进行讲解；设备种类繁多且价格昂贵，实验室无法大量购买。

② 外部原因：因安全隐患难以让学生参观变电站；参观人数多，教师讲解无法照顾到每一个人；无法多次参观，难以满足学习需求。

以上原因导致学生学习效率低下，毕业时无法真正顶岗[3]。

AR被称为跨时代技术，是VR的延伸。AR可以将虚拟世界与真实世界相交融，通过智能设备仿真，从而被人感知。这项技术早在上世纪90年代被提出，但是并不被重视，随着人工智能、大数据、CPU能力的发展，这项技术才重新映入眼帘[4]。

将AR与变电站相结合有以下优点：① 持有智能手机的学生多，省去学校对设备的投资;② 学生可以随时随地学习，不受教学场所限制;③ 技术较新，容易激发学习积极性;④ 变电站一般不会被改建，系统不会被频繁修改;⑤ 教学方式直观，容易理解[5]。

1 系统总体设计

1.1 功能需求分析

变电站AR仿真教学系统辅助于电气工程专业课程讲解，使学生在毕业前融入电气专业角色，改善学生毕业后不能真正顶岗的问题。利用AR的优势，解决课堂教学存在的问题，降低学习的难度，减轻教学的压力，达到课程教学目标。变电站的组成如图1所示[6]，据此进行模型制作。

图1 建模对象

1.2 总体流程

教学系统使用高通AR组件Vuforia SDK作为开发工具包，首先注册Vuforia开发账号获取License Key，然后添加识别数据库并上传目标图像以获取Unitypackage包。按照变电站现场照片使用3DS Max建立模型，之后要对模型进行优化，减少面数，避免卡顿。利用PS软件对模型的贴图和纹理进行处理，利用污点修复工具对模糊的贴图进行修复，利用标尺工具拉正图片，赋予模型材质[7]，导入到Unity3D制作手机安装包，流程图如图2所示。

图2 总体流程

1.3 功能设计

教学系统由参考信息、交互、课后巩固3个部分组成，如图3所示。

图3 系统总体设计图

安装Unity3D发布的安装包，打开该APP时会自动打开摄像机，相机会识别镜头中的信息，当目标图片的特征与数据库信息一致时会立即显示模型。虚实融合部分，摄像机会实时跟踪现实中的目标图片，将真实世界与虚拟世界进行叠加显示。在学习初期可以不断查看设备简介，了解设备的具体功能和部件的作用，同时会推荐对应的参考书。在教学中，学生可以与显示出的模型进行互动，包括缩放、旋转和操作设备的面板[8]。课后，学生可以通过观看课件、设备互动和答题的方式来巩固知识。为了减少操作步骤、增加学习兴趣，所有功能都只放在屏幕左列，功能一目了然，功能框大小适中，并进行了透明化处理，不遮挡物体。

2 仿真技术研究

2.1 模型制作

现场拍摄变电站图片，确定各种设备的位置、尺寸与材质。变电站分为室内和室外两部分，室内建模主要为各种测控柜和公用柜，室外建模主要分为变压器、隔离开关、断路器和PT与CT端子箱。各种设备主要由标准基本体下的多种几何体制作，使用可编辑多边形建模、切角、挤出、切割和连接命令。因变电站设备种类繁多、结构复杂，建模时把设备分为若干个部分分别建模，然后将这些对象进行打组，构建出完整的模型。分开建模的好处是当把模型导入Unity3D时，这些部分仍然是独立的，编程后能够表现更多的教学内容。如在制作隔离开关时，由于该设备结构对称，制作一半后使用镜像即可。制作支架使用长方体和圆柱体建模，通过挤出、切角、切割、连接等命令来完成。制作支架上电线可以先用样条线勾勒出大致走向，选中线的顶点使用圆角将其处理圆滑，在径向中增加数值并使用渲染和视口。再如，制作无功补偿装置时，该设备比较复杂，采用分部建模法，多次使用圆柱体和长方体，通过使用等比例缩放、挤出和切角构建电容器[9]。因其中连接电缆和套管较多，需多次使用长方体和圆柱体来构建，重复的部件多且排列规则，使用列阵变换能够加快建模速度。接着用3DS Max把模型导出为FBX格式，部分模型如图4所示。

图4 变电站部分设备

2.2 关键技术

AR系统由图像输入、特征标记、注册跟踪和虚实融合4个部分组成。

图像输入：安装Unity3D发布的安装包后，打开该APP时会自动打开摄像机，物体反射光线进入镜头，通过图像传感器后，因内光电效应形成电信号，经过A/D转换器转换成数字信号后进入放大器，最后进入微处理器，从而在屏幕上成像。

特征标记：Vuforia识别图像的原理是检测存入云端图片上的特征点，通过输入图像特征点和云端图片上的特征点相匹配实现的。在云端上传图片后，Target Manager会将特征点保存到数据库中并返回给Unity，Rating等级越多，特征点识别度越好。

Vuforia特征点算法是由SIFT算法发展的。计算机视觉中SIFT (Scale-Invariant Feature Transform)是用来描述图片的局部特征，通过在不同尺度空间寻找特征点并计算特征点的方向，有4个重要步骤：尺度空间极值检测、特征点定位、寻找主方向和特征点描述。

① 尺度空间极值检测。从灰度图像获取图片的高斯金字塔，金字塔中每张图片由L(x,y,σ)表示，计算公式为

L(x,y,σ)=G(x,y,σ)⊗I(x,y,σ)

(1)

(2)

式中,G(x,y,σ)为高斯函数；I(x,y,σ)为图像；σ为模糊系数。高斯金字塔由6层尺寸相同、模糊系数不同的采样图像组成。为寻找特征点，需要给高斯模糊后的图片进行差分，计算出极值点的差分值并与周围26个像素点相比较，以确保在尺度空间和二维图像空间都检测到极值点，若为最大值或者最小值，那么这个点可能为极值点。极值点一般在边缘或灰度突变的地方，描述特征就是描述这个特征和它周围的关系。

② 特征点定位。因为图片的坐标是离散的，使用离散空间点插值得到连续空间极值点，通过曲面拟合来找到真极值点。

③ 寻找主方向。使用直方图统计圆周内极值点周围像素的梯度和方向，累加像素各个方向幅值，幅值累加到最大的方向是该特征点的主方向，为了增强鲁棒性，超过幅度最大值的80%的方向为辅助方向。

④ 特征点描述。每一个特征点都有位置、方向和尺度的信息。以特征点为中心建立坐标系，然后同一方向的特征描述称为旋转不变性。为特征加上尺度因子，将比较的点都变换到同一个标准上，就叫尺度不变性。在这两个标准下即可匹配特征[10]。

注册跟踪：当目标物体位置改变时，其特征点也在随着改变，SDK使用一种可自定义变更算法，跟踪位置改变的目标，并把对象用state object方式存储。由于移动端计算能力有限，当视角和光照明显变化时，便会丢失目标。

虚实结合：使用仿射变换将虚拟物体的所有顶点从物体坐标系变换到摄像机坐标系，模型与真实场景叠加后一起显示到屏幕上，模型以真实世界为背景显示在屏幕中[11]。依据以上原理，当目标图片的特征与储存的信息一致时会立即显示模型，不符合则不会显示模型。虚实融合是针对传统教学存在两类原因的不足，使用一种更加直观易理解的方式进行教学。

2.3 AR显示功能实现

将模型导入到Unity3D中，在Vuforia官网登陆账号，创建云端数据库并且上传目标图片，上传图片的星级不能太少，否则会产生无法识别的情况。保存云端的License Key和Unitypackage安装包，将安装包导入Unity3D并粘贴License Key。使用C#编辑脚本语言，调整设备模型的大小和灯光，如图5所示。

图5 制作过程

2.4 系统发布

系统分别发布至Android和iOS平台，以满足各类学生的需求，手机运行界面如图6所示。功能依次为设备介绍、部件详解、参考书推荐、浏览课件和答题测试。

图6 运行界面

3 教学效果测试

该系统服务于教学，为了测试AR系统的实际教学效果，邀请了电气学院70名学生参与测试。在课程结束后采用整体评估可用性问卷(Post-Study System Usability Questionnaire，PSSUQ)问卷对学生进行了调查[12]，该问卷可以评价对软件使用的满意度，共使用16个问题以及7项评价标准，具有较强的可信度。调查表如图7所示。

图7 问卷调查表

在提交的70份问卷中，非常满意占据数据的很大部分，没有出现非常不满意的情况。问卷调查表明，大部分学生对AR技术融于教学很满意，并表示能够促进学习、改善了传统教学的不足。在听取学生建议后，将为系统设计事故仿真功能。

4 结束语

AR技术正在慢慢走进教育领域，将AR融入到课堂，提高了学生的积极性，改善了传统教学的不足，使学习变得轻松和有趣。论证了AR在变电站教学方面的应用：以Unity3D为核心，使用3DS Max建模工具，Visual Studio和Adobe Photoshop CC软件，使用三维建模、AR等技术开发了变电站AR仿真教学系统。通过PSSUQ问卷反馈测试系统的有效性，结果表明本系统弥补了传统教学的不足，能够激发学生学习的积极性，内容生动丰富，操作简便且扩展性强。