資料課件講義解決方案

1、Kinect 在虛擬 3D 平臺下控制變電站解決方案NewThreadCPP0目錄1.目標(biāo)與解決思路21.1 項目背景21.1.1 整體背景21.2 思路做法21.2.1 總體思路21.2.2.具體做法2業(yè)務(wù)解決方案32.1 業(yè)務(wù)背景32.2 具體功能52.2.1 虛擬 3D 下組件模型檢查52.2.2 變電站模型組裝培訓(xùn)6技術(shù)解決方案63.1 技術(shù)方案設(shè)計原則63.1.1 安全性63.1.2 可拓展性73.1.3 可修改性73.2 架構(gòu)與所用技術(shù)73.2.1 OpenNI 模塊73.2.2 系統(tǒng)模塊8成本分析和可行性分析84.1 成本分析94.1.1 成本構(gòu)成分析94.1.2 具體費(fèi)用94.

2、2 可行性分析104.2.1 人文及商業(yè)考慮104.2.2 技術(shù)可行性分析104.2.3 社會因素可行性分析14項目實施方案145.1 調(diào)研部分145.2 技術(shù)路線分析145.3 可行性分析145.4 售后服務(wù)部分155.5 管理、質(zhì)量保證部分152.3.4.5.11. 目標(biāo)與解決思路 1.1 項目背景 1.1.1 整體背景 電力，使信息制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，使我們的城市舊貌換新顏，使我們的工作更加快捷，生活更加豐富多彩，它作為重要能源已經(jīng)滲透到人類生活和工作的每一個環(huán)節(jié)，地位不可或缺。所以這就需要大量的電力工作人員，因此各個變電站部門就得培訓(xùn)新來的員工，但是由于變電站存在電離輻射，以及變電站本身

3、具有高壓電的危險，所以導(dǎo)致培訓(xùn)時不方便，員工培訓(xùn)多偏于理論，以及實際操作機(jī)會少導(dǎo)致培訓(xùn)時間長，費(fèi)用多，另外員工平時維修和修改設(shè)配時也不方便所以我們想利用 3DSmax、Virtools 和 Unity3D 等 3D 建模和渲染工具，搭建一個虛擬 3D 變電站操作平臺，使 3D 變電站達(dá)到真實變電站的操作環(huán)境，利用微軟 Kinect 體感外設(shè)操作虛擬變電站，從而達(dá)到人機(jī)交互的目的。這樣將大大提高培訓(xùn)的高效性，以及平時管理變電站的方便，當(dāng)然特別適用于高危行業(yè)的技能培訓(xùn)。 該項目受下屬南瑞公司委托，由我校和武漢大學(xué) CAD&CG 實驗室共同研究開發(fā)，完成一套利用 Kinect 在 3D 平臺虛擬環(huán)境

4、下的變電站仿真軟件。 1.2 思路做法 1.2.1 總體思路本著實現(xiàn)基本功能及項目價值的指導(dǎo)金森醫(yī)療康復(fù)軟件的解決方案。，我們分四個階段尋求基于 kinect 的帕1）需求分析階段：我們通過對項目說明的詳細(xì)分析和醫(yī)療康復(fù)軟件背景的學(xué)習(xí)明確了解該軟件的基本目標(biāo)。2）3）4）5）可行性分析階段：分析項目可行性。系統(tǒng)設(shè)計階段：根據(jù)分析成果，設(shè)計出可行的技術(shù)路線與系統(tǒng)構(gòu)架。實施階段：根據(jù)設(shè)計階段的成果，進(jìn)行編碼工作和測試工作。文檔編寫階段：根據(jù)成果進(jìn)行文檔的編寫。1.2.2.具體做法 Kinect 在虛擬 3D 平臺下控制變電站軟件的構(gòu)架緊緊圍繞著其項目功能和項目價值進(jìn)行設(shè)計，突出“模擬教學(xué)”，“智能

5、化”，“人性化”的特點(diǎn)。在實現(xiàn)用戶期望的基本功能基礎(chǔ)上，加上我們想到的一些亮點(diǎn)功能，來幫助用戶實現(xiàn)利用 Kinect 體感設(shè)備檢測人體骨架并通過獲得的骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行手勢識別，并控制在 Unity3D 游戲引擎中的 3D 虛擬變電站，最終實現(xiàn)對從事這個工作的新手提供一個良好的熟悉工作的平臺，以最快的速度投入到工作中。 2Kinect 在虛擬 3D 平臺下控制變電站是 Kinect 與 Unity3D 游戲引擎相結(jié)合的一款教學(xué)軟件。利用 Kinect 獲取用戶的身體骨架信息結(jié)合手勢識別控制 Unity3D 中的虛擬變電站從而達(dá)到教學(xué)的目的。 2. 業(yè)務(wù)解決方案 2.1 業(yè)務(wù)背景 變電站(Substa

6、tion）是把一些設(shè)備組裝起來，用以切斷或接通、改變或者調(diào)整 電壓，在電力系統(tǒng)中，變電站是輸電和配電的集結(jié)點(diǎn)，變電站主要分為：升壓變 電站，主網(wǎng)變電站，二次變電站，配電站。 智能電網(wǎng)作為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向， 滲透到發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度、通信信息各個環(huán)節(jié)。在上述這些 環(huán)節(jié)中，智能變電站無疑是最核心的一環(huán)。為了將從發(fā)電廠發(fā)出來的電能輸送到 千家萬戶，必須將電壓升高，變?yōu)楦邏弘姡娔艿竭_(dá)用電客戶附近再按照需要將 電壓降低，以供客戶使用，這種升降電壓的工作就需要由變電站來完成。隨著“發(fā)、輸、變、配、用”各個環(huán)節(jié)智能化水平的逐漸提升，變電站建設(shè)正逐漸向智能化、 集成化邁進(jìn)。未來的變電站發(fā)展

7、規(guī)模如圖：圖表 12009-2020 年中國新建智能變電站以及在運(yùn)變電站智能化改造數(shù)量(單位：座) 圖表 2 3真實箱式變電站內(nèi)部構(gòu)造圖 Kinect 是微軟 2010 年發(fā)布的針對游戲主機(jī)Xbox360 推出的一款體感設(shè)備,雖然最初是針對游戲開發(fā)領(lǐng)域，但是隨著Kinect for windows 的出現(xiàn)，Kinect 體感外設(shè)開始被應(yīng)用到諸多領(lǐng)域。機(jī)器人視覺控制，教育，醫(yī)療，計算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域都已經(jīng)廣泛應(yīng)用 Kinect 實現(xiàn)人機(jī)交互操作。 圖表 3 日本 NSK 公司研發(fā)的 Kinect 導(dǎo)盲犬麻省理工學(xué)院利用 Kinect 獲取人體骨骼深度數(shù)據(jù)，通過人體動作識別來操控機(jī)器人，讓機(jī)器人模仿人

8、做一些動作。另外， 日本的 NSK 公司還利用 Kinect 研發(fā)了一個機(jī)器導(dǎo)盲犬的原型機(jī)，使得導(dǎo)盲犬可以識別路況并順利通過障礙物。在教學(xué)會議輔助方面，設(shè)計者利用 Kinect 實現(xiàn)了教學(xué)、會議輔助工具，將 Kinect 結(jié)合到會議室或者教室投影儀上，使演講者能夠通過肢體動作和語音控制投影內(nèi)容的呈現(xiàn)。在醫(yī)療方面，在手術(shù)過程中可以利用 Kinect 進(jìn)行一些虛擬的操作，比如查看病人的影像資料。利用 Kinect 還可以實現(xiàn)人體教學(xué)軟件等應(yīng)用?？傊S著微軟 Kinect 虛擬外設(shè)的出現(xiàn)，越來越多的人機(jī)交互軟件得以實現(xiàn)，Kinect 控制變電站就是通過虛擬操作達(dá)到使用者安全操作，控制變電站的目的。

9、 42.2 具體功能 2.2.1 虛擬 3D 下組件模型檢查 本功能是在用戶界面，用戶擺出“psi”手勢，檢測識別成功后，當(dāng)手移動到某個物體模型上面，就可以操作該物體運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)，這將用于變電站的某些設(shè)備組裝。 圖表 13D 虛擬仿真圖變電站導(dǎo)航我們將給人物模型第一視角，通過人物的移動來觀察變電站以及檢修變電站，將極大的減小與變電站的近距離接觸帶來的傷害。圖表 2 模擬變電站 3D 場景導(dǎo)航52.2.2 變電站模型組裝培訓(xùn)員工在虛擬平臺下通過 kenect 控制變電站 3D 模型，訓(xùn)練如何組裝變電站，將這些器件模型進(jìn)行拼接。這將極大的提高培訓(xùn)效率。圖表 3 水電站組裝培訓(xùn) 3. 技術(shù)解決方案 3

10、.1 技術(shù)方案設(shè)計原則 3.1.1 安全性 通過 Kinect 與 3D 虛擬平臺的結(jié)合，可以利用 Kinect 操作具體相關(guān)虛擬場景， 達(dá)到 Kinect 與現(xiàn)實生活，工作領(lǐng)域的真實結(jié)合，從而培養(yǎng)創(chuàng)新能力，利用創(chuàng)新點(diǎn)來改善社會生活的方方面面，由于變電站具有高壓電另外還有電離輻射，通過這款軟件可以讓員工盡量避免與變電站接觸，減少不必要的。用高科技產(chǎn)品來給人們帶來更多的健康幸福，既體現(xiàn)了科技發(fā)展的價值，也體現(xiàn)了發(fā)展科技的理念。 63.1.2 可拓展性 本項目將有良好的可拓展性。不同的磁貼代替不同的功能模塊，我們在設(shè)計時將遵循設(shè)計模式的基本原則，提高項目的可擴(kuò)展性。 3.1.3 可修改性 系統(tǒng)將有

11、良好的可修改性。系統(tǒng)的應(yīng)用邏輯，功能規(guī)則可以方便的進(jìn)行修改，從而使得系統(tǒng)可以快速的適應(yīng)功能的轉(zhuǎn)變，并快速將改變的需求映射到實際的系統(tǒng)中去，縮短了滿足新功能的響應(yīng)時間，間接提高了組織效率，降低了企業(yè)的成本。 3.2 架構(gòu)與所用技術(shù) 3.2.1 OpenNI 模塊 該 OpenNI 框架是一個抽象層，為物理設(shè)備和中間件組件雙方提供的接口。該 API 允許多個組件將在 OpenNI 框架注冊。這些組件被稱為模塊，并用于生產(chǎn)和加工的感官數(shù)據(jù)。選擇所需的硬件設(shè)備組件或中間件組件是很簡單靈活。 認(rèn)為目前支持的模塊有：傳感器模塊 3D sensor 三維傳感器 RGB camera RGB 攝像頭 IR c

12、amera 紅外攝像機(jī) Audio device (a microphone or an array ofmicrophones) 音頻設(shè)備（麥克風(fēng)或麥克風(fēng)陣列） 中間件組件全析中間件: 一個軟件組件，處理傳感器數(shù)據(jù)和生成身體相關(guān)的信息（通常是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其描述關(guān)節(jié)，定位， 質(zhì)心等）。手部節(jié)點(diǎn)分析中間件: 一個軟件組件，處理傳感器數(shù)據(jù)和生成手部節(jié)點(diǎn)的位置手勢檢測中間件: 一個軟件組件，預(yù)定義的手勢識別（例如，一擺手），并提醒應(yīng)用程序。場景分析中間件: 一個軟件組件，分析場景的圖像，以產(chǎn)生如下信息：場景的前景（即，圖形）和背景之間的分離地板平面的坐標(biāo)場的個體識別。 現(xiàn)7 圖 6-1 注：圖片來于網(wǎng)

13、絡(luò) 3.2.2 系統(tǒng)模塊 圖 6-2 注：圖片來于網(wǎng)絡(luò) Top: 代表軟件，在 OpenNI 頂部，實現(xiàn)了自然交互的應(yīng)用程序。Middle: 代表OpenNI，提供通口，同時連接傳感器和中間件組件，后者分析來自傳感器的數(shù)據(jù)。Bottom:硬件設(shè)備，捕捉現(xiàn)場的視頻和音頻內(nèi)容。 4. 成本分析和可行性分析 84.1 成本分析 4.1.1 成本構(gòu)成分析 當(dāng)今，越來越多的企業(yè)認(rèn)識到，軟件項目和大多數(shù)其他工程項目一樣，同樣需要進(jìn)行細(xì)致的計劃和成本估算，以此為項目作出進(jìn)度和質(zhì)量的保證，為對項目的人力、財力、物力進(jìn)行有效的控制和管理提供一定幫助。因此，我們根據(jù)整個項目的工作量和資源需求來估算此次項目的開發(fā)成

14、本。本項目成本主要包括硬件成本，軟件設(shè)計及開發(fā)成本，人員成本，調(diào)研成本，其中硬件成本包括 kinect 體感設(shè)備、測試用機(jī)；軟件設(shè)計及開發(fā)成本包括設(shè)計場地、設(shè)計咨詢、軟件開發(fā)、軟件調(diào)試；人員成本包括設(shè)計人員、開發(fā)人員、測試人員、推廣人員；調(diào)研成本包括康復(fù)操調(diào)研，社會群體調(diào)研。各部分所占比例如下表：表 7-1項目成本組成情況4.1.2 具體費(fèi)用 表 7-2各項費(fèi)用統(tǒng)計9開支范圍具體費(fèi)用開支 (元)場所使用費(fèi)用實驗室場地使用費(fèi)500辦公費(fèi)辦公消耗品、水電費(fèi)1000專用設(shè)備購買費(fèi)4 個 kinect 設(shè)備4000印刷費(fèi)資料印刷、發(fā)放問卷500專家咨詢體操動作、系統(tǒng)設(shè)計1000成本成本比例硬件成本10

15、%軟件設(shè)計及開發(fā)成本60%人員成本10%調(diào)研成本20% 4.2 可行性分析 4.2.1 人文及商業(yè)考慮 項目致力于為帕金森患者提供更便利、更有效、更輕松的醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練，眾所周知，帕金森患者行動不便，對于他們而言，往返于醫(yī)院和家中進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練是十分不便的，同時，在帕金森病的治療過程中，后期的康復(fù)鍛煉也是藥物和外科治療所無法代替的。如果能為他們提供一個在家中便可進(jìn)行簡單、輕松的康復(fù)訓(xùn)練方法想必會給他們帶來很大的便利和快樂。抱著這樣的目標(biāo)，我們結(jié)合微軟的kinect 體感設(shè)備設(shè)計了此套帕金森康復(fù)軟件，希望給帕金森患者提供幫助。對于商業(yè)方面，這是一個亮點(diǎn)，該項目可以廣泛推廣到醫(yī)院，個人用戶，養(yǎng)老院等等

16、，讓更多的人享受科技發(fā)展帶來的好處，且該項目投資風(fēng)險小，而主要風(fēng)險來自硬件產(chǎn)品的更新。醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)必將趨于信息化，智能化，所以該項目有較廣的市場，不僅能帶來更多商機(jī)，而且更多的體現(xiàn)了人文關(guān)懷。 4.2.2 技術(shù)可行性分析 kinect 在虛擬 3D 平臺下控制變電站軟件的構(gòu)架緊緊圍繞著其項目功能和項目價值進(jìn)行設(shè)計，突出”康復(fù)訓(xùn)練與休閑娛樂相結(jié)合”，“智能化”，“人性化”的特點(diǎn)。在實現(xiàn)用戶期望的基本功能基礎(chǔ)上，加上我們想到的一些亮點(diǎn)功能，來幫助用戶實現(xiàn)“利用 Kinec 體感設(shè)備檢測人體骨架運(yùn)動，通過仿 win8 界面，將游戲，音樂，康復(fù)操視屏三者完美結(jié)合起來年，讓用戶在訓(xùn)練之余，也可通過游戲和音

17、樂進(jìn)行休閑娛樂“，并且我們創(chuàng)新的功能將是我們呈獻(xiàn)給用戶的意外驚喜。本項目借用 OPenNI 與 OPenCV，在輸入方面，調(diào)用 OPenNI 借口，得到 24 個骨架點(diǎn)，我們借用這些點(diǎn)來標(biāo)記動作，實現(xiàn)人機(jī)交互，在圖像幀顯示方面借用 OPenCV 接口，實現(xiàn)各幀的顯示。關(guān)于姿勢標(biāo)準(zhǔn)動作，我們通過調(diào)研方式，采集各方數(shù)據(jù)， 得到一些標(biāo)準(zhǔn)動作的集合。目前 kinect 技術(shù)在進(jìn)一步發(fā)展中，我們可以利用不10其他費(fèi)用通信費(fèi)、差旅費(fèi)3000合計(元)10000斷升級的開源包實現(xiàn)軟件的升級。 8-1 注：圖片來自于庫 庫得到的 kinect 研究熱度趨勢圖可知，自 2010 年 kinect 發(fā)布以來，ki

18、nect 的研究熱度成曲線上升趨勢，由圖可知，Kinect 研究方向必將是未來科技領(lǐng)域熱門的研究科目之一，而 Kinect 所引導(dǎo)的新一代人機(jī)交互方式將會掀起一場新的革命。同時，在 kinec 的研究上，我們已獲得兩項軟件著作權(quán)，這也能為該項目順利進(jìn)行奠定一定的的技術(shù)條件，軟件著作權(quán)如下所示：1112 134.2.3 社會因素可行性分析 讓越來越多的人感受高科技帶來的好處，正是我們這個項目的出發(fā)點(diǎn)。本項目屬于本項目組自主開發(fā)，符合法律的各項要求。依法享有人民計算機(jī)軟件保護(hù)條例規(guī)定的軟件著作權(quán)人的各項權(quán)利?，F(xiàn)在提倡城市智能化，本項目與這一倡議不謀而合，而且根據(jù)人民消費(fèi)者權(quán)益保，本項目由本項目組自

19、主開發(fā)設(shè)計，不會構(gòu)成侵權(quán)，在法律上是可行的。在使用方面，只需安裝本項目指定的一些包，即可運(yùn)行，對于用戶來說，只需簡單的用動作來控制，一目了然，即可實現(xiàn)動作糾正，使用極為方便，不僅能給他們帶來身體上的好處，而且還能讓他們了解到科技日新月異的快速發(fā)展。在社會效益方面，高科技和社會大眾需求先結(jié)合，就這一點(diǎn)，一定可以帶來大的社會效益，而且可以想象，kinect 技術(shù)必將用到各個方面，不但能得到大的經(jīng)濟(jì)效益，而且掀起 IT界的一場新風(fēng)暴。 5. 項目實施方案 5.1 調(diào)研部分 以便契合用戶需求。5.2 技術(shù)路線分析 確定總體方案后劃分系統(tǒng)功能模塊，明確各個模塊的功能。由于康復(fù)醫(yī)療軟件中的各個模塊聯(lián)系緊密

20、，應(yīng)該充分利用這一點(diǎn)使系統(tǒng)架構(gòu)盡量精簡，這也便于售后系統(tǒng)的維護(hù)。另外，要從技術(shù)的實現(xiàn)難度、穩(wěn)定性和功能等方面分析利弊，找出最佳解決方案。技術(shù)組在設(shè)計技術(shù)路線的時候會從開發(fā)成本模型和企業(yè)文化、商業(yè)推廣的角度考慮功能設(shè)計和界面設(shè)計，及時與項目經(jīng)理、用戶溝通以保證需求和設(shè)計的一致性。5.3 可行性分析 產(chǎn)品組將會根據(jù)技術(shù)路線計算系統(tǒng)建設(shè)方面的成本，分為系統(tǒng)硬件成本和軟件開發(fā)成本，14硬件成本包括需要的硬件價格、硬件需要的系統(tǒng)軟件和功能軟件價格；軟件成本包括軟件開發(fā)需要的人力成本和單獨(dú)購置軟件需要的成本。然后通過合適的成本模型計算出軟件開發(fā)使用后的投資效益比。產(chǎn)品組將從商業(yè)、風(fēng)險評估、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可行性、人員可行性以及社會因素可