增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

江蘇電力信息技術(shù)有限公司 楊 銘 郭曉川 孔陳祥

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

江蘇電力信息技術(shù)有限公司 楊 銘 郭曉川 孔陳祥

在大電網(wǎng)快速發(fā)展情況下，電網(wǎng)設(shè)備規(guī)模不斷發(fā)展。面對電網(wǎng)設(shè)備規(guī)模快速增長，外部環(huán)境更加復(fù)雜的發(fā)展趨勢，在運(yùn)維人員數(shù)量無法同步增長的情況下，積極探索智能運(yùn)檢技術(shù)，是運(yùn)檢專業(yè)發(fā)展的必由之路。而“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)借助光電顯示技術(shù)、交互技術(shù)、多種傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形與多媒體技術(shù)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境與周圍的顯示環(huán)境融為一體，使用戶非常自然的與虛擬及真實(shí)事物進(jìn)行交互。借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以非常便捷的、高效的獲取身邊物品的信息，從而提高工作效率。目前此技術(shù)發(fā)展比較迅速，將此技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)檢現(xiàn)場工作中，將有效提升現(xiàn)場作業(yè)效率，符合國家電網(wǎng)公司智能運(yùn)檢化的發(fā)展方向。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)；智能運(yùn)檢化；教學(xué)指導(dǎo)

1.國內(nèi)外研究水平綜述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)起源于20世紀(jì)60年代，90年代發(fā)展迅速。國外有名的研究機(jī)構(gòu)主要集中在美國麻省理工大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、日本、德國和新加坡等發(fā)達(dá)國家的實(shí)驗(yàn)室，其研究重心多在人家交互、軟硬件基礎(chǔ)平臺的研發(fā)等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研究逐步從實(shí)驗(yàn)室理論轉(zhuǎn)入行業(yè)應(yīng)用階段。隨著微軟、谷歌、Facebook、蘋果等科技巨頭紛紛大舉進(jìn)入AR產(chǎn)業(yè)，一些公司已經(jīng)能夠提供成熟的基于移動設(shè)備、頭戴設(shè)備的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決方案。目前代表產(chǎn)品有微軟HoloLens及Meta公司的Meta設(shè)備。

國內(nèi)對AR的研究起步較晚，研究機(jī)構(gòu)最初以高校為主，北京理工大學(xué)、國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)等在AR系統(tǒng)的技術(shù)及工程應(yīng)用等方面取得了一些科研成果。從ARinChina的數(shù)據(jù)可以了解到，目前國內(nèi)有超過2000個與AR相關(guān)的創(chuàng)業(yè)公司和團(tuán)隊(duì)，開發(fā)者數(shù)據(jù)不斷攀升。騰訊、阿里巴巴、BAT及聯(lián)想等公司也開始涉足該領(lǐng)域。創(chuàng)業(yè)公視辰信息科技、亮風(fēng)臺等在移動設(shè)備方面的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)都可以提供較好的解決方案。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)簡介

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的附加信息對使用者所看到的真實(shí)世界景象進(jìn)行增強(qiáng)或擴(kuò)張的技術(shù)。

圖1 AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個典型的AR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由虛擬場景生成單元、透射式頭盔顯示器、頭部跟蹤設(shè)備和交互設(shè)備構(gòu)成。其中虛擬場景生成單元負(fù)責(zé)虛擬場景的建模、管理、繪制和其它外設(shè)的管理；透射式頭盔顯示器負(fù)責(zé)顯示虛擬和現(xiàn)實(shí)融合后的信號；頭部跟蹤設(shè)備跟蹤用戶視線變化；交互設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)感官信號及環(huán)境控制操作信號的輸入輸出。

首先透射式頭盔顯示器采集真實(shí)場景的視頻或者圖像，傳入后臺的處理單元對其進(jìn)行分析和重構(gòu)，并結(jié)合頭部跟蹤設(shè)備的數(shù)據(jù)來分析虛擬場景和真實(shí)場景的相對位置，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的對齊并進(jìn)行虛擬場景的融合計(jì)算；交互設(shè)備采集外部控制信號，實(shí)現(xiàn)對虛實(shí)結(jié)合場景的交互操作。系統(tǒng)融合后的信息會實(shí)時地顯示在頭盔顯示器中，展現(xiàn)在人的視野中。

3.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在多領(lǐng)域應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用，例如工業(yè)、建筑、教育、傳媒、旅游、醫(yī)學(xué)、娛樂、商業(yè)及軍事領(lǐng)域，典型應(yīng)用場景如下：

3.1 遠(yuǎn)程指導(dǎo)

通過頭戴AR設(shè)備，現(xiàn)場工作人員將眼前狀況實(shí)時傳送到遠(yuǎn)方的專家眼前，專家可以給予遠(yuǎn)程指導(dǎo)。日本航空與野村研究院合作，開發(fā)了 App 來遠(yuǎn)程檢查飛機(jī)狀況。檢查時，飛機(jī)維護(hù)工人頭戴AR 設(shè)備記錄巡視，他們眼前的畫面實(shí)時傳送到日本航空總部的員工那里，總部提出問題并發(fā)出指示，而檢查清單等指示也可以通過AR 投影出來。

圖2 遠(yuǎn)程指導(dǎo)

3.2 建筑模擬

建筑師們在工地上時眼睛不停地在圖紙和建筑之間切換，不僅消耗精力，可能結(jié)果還不夠準(zhǔn)確，AR可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖稿在已完成部分建筑基礎(chǔ)上模擬顯示效果。

Bentley Systems能夠?qū)?D效果投影到已有建筑物上，幫助建筑師決定增加哪些設(shè)計(jì)，如何增加以及做出何種改動。另外，AR 還可以顯示建筑中隱藏起來的基礎(chǔ)設(shè)施，比如地下線纜、管道等等，避免施工人員因?yàn)槭д`破壞已有設(shè)施。

圖3 建筑模擬

3.3 教學(xué)指導(dǎo)

AR也將提升教育效果。以消防等災(zāi)難教育為例，最早是以紙質(zhì)媒介告訴大家遇到何種情況應(yīng)如何應(yīng)對，再往后是以動畫、視頻的形式模擬災(zāi)難，而AR可以將火情、煙霧投影到大家面前，提供了更加身臨其境的交互方式，達(dá)到更好的教育效果。

圖4 AR教學(xué)

3.4 廣告/本地信息

用戶在到達(dá)某個位置時，不必手動輸入位置，AR可以根據(jù)GPS定位，自動將促銷廣告、本地生活所需信息投影到用戶所到的位置。

Layar Reality Browser是一款應(yīng)用，兼容iOS和Android系統(tǒng)，根據(jù)用戶所處位置，將數(shù)字信息、本地活動、廣告促銷投影到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。

圖5 AR廣告

3.5 旅行游覽

AR 讓我們旅行時不止看到眼前的景色、建筑，還能看到相關(guān)信息，甚至重塑了某座建筑曾經(jīng)的樣子。如果借助 AR 眼鏡能重返20 世紀(jì)初的唐頓莊園，應(yīng)該是很棒的體驗(yàn)。

GeoTravel 擁有海量的旅行資料庫，提供 20 種語言、360 篇文章，相當(dāng)于 2 萬本旅行圖書。GeoTravel 會識別用戶位置，為游客介紹相關(guān)背景和當(dāng)?shù)鼐包c(diǎn)。

圖6 AR旅行游覽

3.6 醫(yī)療健康

醫(yī)療行業(yè)往往有海量的參考資料，即使是最優(yōu)秀的醫(yī)生也沒辦法把所有資料完全記在大腦中，AR 則可以實(shí)時提供各種參考信息。

ARnatomy 是一款 App，可以根據(jù)攝像頭拍攝的骨頭識別出是哪個部位的骨頭，并提供骨頭之外的信息，比如骨頭哪個位置有肌肉。

圖7 AR醫(yī)療健康

3.7 零售業(yè)

在線商店給傳統(tǒng)零售業(yè)帶來了很大沖擊，AR 可能能夠挽救掙扎中的實(shí)體零售業(yè)，優(yōu)化客戶體驗(yàn)，讓客戶獲得更加直觀的商品效果預(yù)覽。

圖8 宜家AR

3.8 娛樂游戲

游戲應(yīng)該也是將 AR 推廣到大眾中間最有趣也是最高效的工具。 此前的游戲是二維的世界，在一方屏幕里面，AR 以其三維立體的特點(diǎn)，為游戲開啟了更多的可能。以前玩家完全依靠雙手完成游戲，在 AR 游戲世界里，他們可以利用身體的位置移動、轉(zhuǎn)換等等通過游戲關(guān)卡（見圖9）。

圖9 AR游戲

圖10 軍事領(lǐng)域

3.9 軍事領(lǐng)域

AR 對軍事領(lǐng)域的影響很大，軍事對精確度要求極高，而數(shù)字技術(shù)驅(qū)動的 AR 具有很高的可靠性，將成為軍事領(lǐng)域重要的工具（見圖10）。

4.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用

目前美國電力研究院與波多黎各的電力公司杜克能源（Duke Energy）合作，測試互動式 3D 眼鏡技術(shù)公司 Atheer 的眼鏡式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備 AiR Glasses，在提升產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場作業(yè)效率方面的能力。美國電力研究院希望通過與電力公司的合作，了解穿戴式設(shè)備在電力產(chǎn)業(yè)可能的應(yīng)用，研究結(jié)果將提供給所有電業(yè)參考，加速電業(yè)引進(jìn)新技術(shù)提升效率的速度。

國內(nèi)電力公司某些單位也在嘗將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，例如重慶、廈門等單位，但目前還處于實(shí)驗(yàn)測試階段，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用還未推廣。

5.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展趨勢

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)國內(nèi)外沒有統(tǒng)一的規(guī)范，沒有明確的主流平臺。在未來的幾年里，科技公司將重點(diǎn)關(guān)注AR硬件，沒有優(yōu)秀的硬件就無法擁有良好的體驗(yàn)。另外創(chuàng)建一個AR應(yīng)用的生態(tài)系統(tǒng)將是關(guān)鍵，微軟HoloLens是一個功能全面的Windows 10設(shè)備，天然具有生態(tài)系統(tǒng)，占據(jù)一定優(yōu)勢。現(xiàn)在各大知名廠商已經(jīng)開始布局自己的生態(tài)系統(tǒng)，未來隨著AR設(shè)備的爆發(fā)，AR應(yīng)用也會非常豐富，如同當(dāng)下的智能手機(jī)、平板電腦一樣。

6.結(jié)語

綜上所述將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在電力設(shè)備運(yùn)維工作中，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有提升運(yùn)檢人員現(xiàn)場工作效，可以自動識別電力設(shè)備，高效快捷的獲取設(shè)備信息，將獲取的設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)、設(shè)備實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)及作業(yè)指導(dǎo)規(guī)范，在真實(shí)環(huán)境中疊加顯示，減少運(yùn)檢人員攜帶的電腦筆記本、平板電腦及紙質(zhì)參考資料等，輕裝作業(yè)。減少巡檢、檢修工作的遺漏。檢修人員在巡檢時，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)根據(jù)識別的設(shè)備生成作業(yè)檢查項(xiàng)列表，檢修人員在作業(yè)時按照作業(yè)檢查項(xiàng)列表逐項(xiàng)完成，減少工作遺漏。提升現(xiàn)場工作的安全性。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)依據(jù)識別的設(shè)備信息，自動分析安全風(fēng)險，并告知現(xiàn)場人員危險點(diǎn)及防范措施等。遠(yuǎn)程指導(dǎo)，現(xiàn)場人員通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備可將其視角內(nèi)的畫面或涂鴉后增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)畫面實(shí)時傳給遠(yuǎn)程專家，專家依據(jù)實(shí)時視頻、語音等可了解現(xiàn)場狀況；專家亦可通過語音、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)涂鴉等給予指導(dǎo)。將此技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)檢現(xiàn)場工作中，將有效提升現(xiàn)場作業(yè)效率，符合國家電網(wǎng)公司智能運(yùn)檢化的發(fā)展方向。