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摘要：由于电气设备的设计、生产、维护等环节对操作人员的要求非常高，而传统的电气设备培训主要是通过课堂教学和实验室训练等方式进行，这些方法存在着许多不足，如培训成本高、时间长、环境受限、危险性大等问题。为此，将AR技术引入低压电气设备原理教学、检修实训系统中。采用3D Max构建项目设备模型，以C#为编译语言，利用Unity3D为技术开发平台，将AR技术与图像识别技术相结合，搭建多平台发布的电力设备仿真实训系统，实现可多人协同的常用低压电气设备的工作原理教学、模拟操作与仿真实训。探讨了系统的总体架构、交互模式等方案。实践证明，此系统的运行流畅、结构清晰、AR定位效果精确、培训效果佳，验证了将AR技术引用于电气设备多人协同仿真实训系统的正确性和可行性。
关键词：增强现实；Unity3D;电力设备；仿真实训
0引言
当今时代，随着新一轮科技革命和产业变革的蓬勃发展，大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链、5G等新一代信息技术的迅猛推进，数字经济正不断地改变着人类的生产和生活方式。在这个数字化浪潮中，增强现实技术成为引领潮流的热门产业。
增强现实技术可以在现实中的电力设备之上叠加现实设备原理认知、相关知识讲解等内容，加强用户交互，有效提高培训系统的效率、提高虚实结合程度，提高培训效果。AR技术是使用跟踪注册技术与融合显示技术结合发展，在虚拟现实的基础上增加了真实环境，将虚拟内容和真实存在的内容进行实时融合，形成虚拟、现实之间互动。通过虚实信息的互补，增加了真实场景的信息量，有助于提升人类的认知理解能力，此技术可广泛用于军事、医疗、教育、工程、娱乐等领域。黄鹏[1]通过Unity3D实现了分布式协同虚拟装配仿真研究，张思珍[2]将AR技术运用在中学生物学科中的教学资源开发。李鹏[3]将VR技术运用到带电作业仿真培训系统的开发。张济麟等[4]将VR及AR技术运用到虚拟仿真实验。除此之外，AR技术还在建筑工程、设备拆装、电气检修等相关领域发挥着越来越大的作用[5-8]。
电气设备的设计、生产、维护等环节对操作人员的要求非常高，而且涉及到多种技能和知识，因此需要对其进行培训。传统的电气设备培训方法主要是通过课堂教学和实验室训练等方式进行，但这些方法存在着许多不足，如培训成本高、时间长、环境受限、危险性大等问题[9-16]。本文将AR技术引入低压电器设备原理教学、检修实训系统中，以C#为编译语言，利用Unity3D为技术开发平台，将AR技术与图像识别技术相结合，搭建多平台发布的电力设备仿真实训系统，实现可多人协同的常用低压电气设备的工作原理教学、模拟操作与仿真实训[17-22]。此系统的主要特点：(1)图像识别，通过对图像训练识别，实现了对应设备的定位与识别交互，并且在此知识添加设备实训教学内容；(2)设计并实现了多人协同仿真实训以及系统交互方法，可支持多平台、多用户在同一场景对复杂设备进行协同训练。
1系统设计
1.1系统硬件
系统硬件包括多个智能终端设备、服务器、数据传输设备以及显示设备等。这些硬件设施通过Unity3D为平台，在构建的服务器之下利用局域网形成一个多人协同的仿真实训平台。该系统的硬件系统结构如图1所示。
参与者需要配备一台智能终端设备来运行增强现实的应用程序。通常搭载有高质量的摄像头、计算能力强的处理器以及拥有大量存储空间的内存，能够支持该增强现实应用程序的运行。智能终端设备的多样性意味着参与者可以灵活地选择使用他们自己的设备，便于实验室或企业的设备布署。
为了使多个参与者能够实时地协同工作，需要建立一个服务器来协调和处理各参与者的数据传输和通信。数据传输设备可以是任何高速网络和路由器，能够实现高效的数据传输。
1.2系统软件
系统软件设计拥有3个层级，包括基础逻辑层、项目功能层、系统应用层，系统架构如图2所示。其中基础逻辑层包括了实训系统需要进行仿真所必要的运行原理以及关键技术的实现原理等。项目功能层则通过Vuforia提供基于增强现实的跟踪注册技术来对三维物体进行AR识别以及位置上的配准注册，Unity3D平台提供人机交互、实训教学、多人协同控制技术等操作，实现仿真实训任务。而用户可以通过系统应用层实现系统交互界面、单人、多人模式操作、设备信息展示、教学模拟演练等功能。其中，系统应用层可以调用项目功能层与设备模型层来实现仿真教学、系统培训的功能。
1.3交互流程
电力设备多人协同仿真实训系统是一种基于AR技术的虚拟现实技术，可以为学生提供安全、高效、真实的电力设备实训环境，同时还能够实现多人协同学习。在设计交互流程时，应考虑到用户的需求和系统的功能，以实现最佳用户体验。本系统可以在单人培训模式与多人协同模式之间自由切换。学员在进入电力设备多人协同仿真实训系统后，在启动界面上，学生可以选择与其他用户进行多人协同学习，或者进行自主学习。在单人培训模式下，学员可以通过实训项目中的功能模块进行系统培训，学生可以选择不同的任务来完成，如电力设备的检查、设备系统检修等。系统还应该为学生选择适和当前培训模式的设备进行模拟培训。在实训界面上，学生可以使用AR技术观测设备，通过手部操作控制器来实现设备的操作和控制。系统应该为学生提供实时的反馈和评估，以帮助他们了解自己的进展和提高水平。
在完成实训后，学生可以对自己的成绩和学习情况进行评估和总结。系统还应该为学生提供相关的学习资料和参考文献，以加强学习成果的巩固和提高。多人协同交互流程如图3所示。
2关键技术
2.1定位跟踪注册技术
使用Unity3D实现增强现实的时候采用Vuforia SDK来进行增强现实模块的开发，Vuforia是PTC公司的增强现实开发平台，它提供图像识别和跟踪、虚拟场景和增强现实元素创建、调试和分析、多平台支持以及高性能和可扩展性等功能，使得开发者可以创建高质量的增强现实应用程序。
由于增强现实技术是一种将虚拟场景叠加到现实场景中的技术，因此需要使用定位跟踪注册技术来对现实场景中想要交互的物体进行定位与识别。增强现实技术主要由直接对现实中三维物体进行识别以及通过训练二维图片模型来识别现实物体的方法，前者的训练量大，而且处理复杂，为此，在本仿真系统中采用训练图片识别的方式来实现物体的定位与识别。
要通过Vuforia训练物体识别时，首先在使用终端设备的摄像头扫描物体图像，Vuforia从图像中提取特征信息，将提取到的关键特征与预定义数据集中的目标匹配，确定物体或图像的位置和方位。一旦检测到目标，Vuforia将根据目标的位置和方位将虚拟内容呈现在屏幕上。用户可以与虚拟内容进行互动，实现AR互动效果。具体的识别过程如图4所示。
2.2多人协同技术
在Unity中实现多人协同技术，核心是实现实时联网同步。具体来说，可以将网络同步分为客户端到服务端同步和客户端到客户端同步两种。
(1)客户端到服务端同步
在客户端向服务端发送请求后，服务端接收到请求，根据请求的类型进行处理，然后把结果返回给客户端。首先，需要在客户端代码中定义和发送网络消息。例如，在客户端向服务器发送网络消息。服务器将接收到这些消息并将它们广播给所有客户端。然后，在客户端代码中定义RPC,以便在客户端上调用服务器上的方法。例如，可以使用Cmd方法设置玩家的位置。在服务器上编写处理网络消息和RPC的代码。这些脚本将在客户端之间传递消息或在服务器上执行客户端请求的方法。这些脚本还需要处理客户端之间的同步，以确保每个客户端都看到相同的游戏状态。服务器将接收到这些RPC并执行相应的方法。最后，需要确保在客户端和服务器之间同步状态的逻辑正确实现。例如，如果需要在多个客户端之间同步一个游戏对象的位置和旋转，使用服务器上的脚本控制该组件的同步性质。
在这个过程中，客户端和服务端都需要进行数据的序列化和反序列化操作，以确保数据的完整性和正确性。
(2)客户端到客户端同步
客户端到客户端同步一般通过分布式体系结构实现，这种体系结构具有去中心化、对等优点。首先，需要在服务器端定义相应的网络消息类型，并编写处理这些消息的脚本。这些脚本在客户端之间传递消息，以便它们可以同步彼此的状态。然后，在客户端代码中，需要编写、发送和接收网络消息的逻辑。接下来，需要确保在客户端之间同步状态的逻辑正确实现。例如，需要在多个客户端之间同步一个游戏对象的位置和旋转。最后，需要确保客户端之间的同步性能良好。为了实现这一点，可以使用Mirror提供的一些特殊功能，例如在客户端上使用网络预测以提高响应速度。确保当一个客户端移动它时，其他客户端也可以看到它移动。在这种体系结构中，每个客户端都是一个节点，每个节点都可以充当服务端和客户端。在客户端节点之间，数据可以实时传输和同步。这种方法可以减少单一服务端压力，提高整个系统的可靠性和可扩展性。
在Unity中实现多人协同交互时，为了保证数据的同步性和性能，一般使用客户端到客户端的同步方法。这种方法不仅减轻了服务端压力，提高了可扩展性，同时也减少了数据传输的延迟，提高了实时性和用户体验。
3实际效果评估
3.1 AR识别测试
在使用图像对项目进行AR识别时，物体的识别准确率以及速率会受摄像头、识别标记等影响，为保证在系统运行时AR识别在正常范围内满足最稳定的需求，对系统在不同大小的AR标记、光线效果、不同分辨率的摄像头、不同版本的设备操作系统之中对系统的定位识别稳定性结果进行了100次的实验测试。经过实验的测试结果显示，在AR定位识别时，为提高识别速率和稳定性，在同等条件下选用较小的AR识别标记、在光线较暗时附加灯光、使用低分辨率的摄像头、使用更新的设备能够显著的提升测试的速率及稳定性，在上述条件下进行AR识别准确率高达96%以上，AR识别速率在20~30帧/s,说明本文方法完全符合项目要求。
3.2系统评价
系统测试效果如图5所示。系统进用户测试后，对系统的定位稳定性、运行流畅度、项目体验等方面进行了评价，评价效果如表1所示。通过用户的反馈可以知道，在系统的运行稳定性、流畅度、项目体验上均有很高的评价，说明本系统具有很强的实用性。
4结束语
本文通过Unity实现了基于增强现实的电力设备仿真实训系统，并且通过设备的摄像头可以识别对应的现实实物与虚拟模型进行交互，达到虚实结合的效果。系统中的设计将增强现实技术与多人协同相结合，通过实济实用价值。
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人参与 2024-12-26 10:16:44 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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