反窃电培训系统中虚拟现实关键技术的研究

摘要

电能是当今世界最重要的能源之一，然而由于利益驱动，窃电行为屡禁不止，给国家带来了巨大的经济损失，因此需要对用电监察员进行全方面的技能培训。因电力系统安全性的特点，无法利用实物开展用电侦查技能培训，所以通常是使用课本学习、视频讲授及平面系统模拟演练的形式。但这些培训方式均缺乏真实感，也没有交互性，培训效果十分有限，难以应对手段不断升级的窃电行为。 随着VR（Virtual Reality）技术的不断发展，越来越多的行业通过虚拟现实技术打开了新天地。因此本文将VR技术与反窃电培训系统研究相结合，解决现有培训方式中存在的问题，以虚拟现实技术在反窃电培训系统中的具体设计作为研究内容，开展了以下几项研究工作，希望为以后虚拟培训系统做进一步的研究提供借鉴和方向。 本文首先分析了反窃电与用电侦查现状，介绍了已有的电力行业培训平台以及虚拟现实的特性，从理论方面分析了虚拟培训系统的优势，为培训系统的设计与开发打下了理论基础和开发依据。其次，构建了系统开发三层架构，根据功能需求将系统分为四个模块，分别是理论培训模块、操作演示模块、模型观察模块和虚拟操作模块，并对每一个模块进行了详细的设计。 在已有理论和设计的基础上，使用多种建模方法创建了多个系统中设备和仪器的三维模型。并通过研究三角形化算法、网格简化算法和LOD细节层次技术，综合三种算法实现了对模型的优化处理。最后在Unity平台上，设计完成了人机交互功能，并利用碰撞器和物体分层技术，对结合了层次包围技术对轴向包围盒碰撞算法进行了研究和改进，满足了本系统对于碰撞检测和交互的基本需求。 通过本文的研究，可以运用虚拟现实技术突破传统电力培训的局限，使抽象变具体、平面变立体，并以此来提高反窃电培训效果，对电力企业用电监察员培训和反窃电工作都具有重要意义。

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Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 窃电与反窃电概述

1.2.1 窃电行为分析

1.2.2 窃电与防窃电技术发展

1.3 电力培训系统

1.3.1 电力行业培训系统发展

1.3.2 电力培训系统分类

1.4 虚拟现实技术概述

1.4.1 虚拟现实的概念

1.4.2 国内外研究发展及现状

1.4.3 虚拟现实技术的特征

1.4.4 虚拟现实系统的分类

1.4.5 虚拟现实关键技术

1.4.6 应用领域

1.5 本文主要工作

1.6 本章小结

第2章 反窃电虚拟培训系统研究与设计

2.1 虚拟培训系统介绍

2.1.1 虚拟培训系统概念

2.1.2 虚拟培训系统的特征

2.2 构建虚拟反窃电培训系统的意义

2.2.1 理论意义

2.2.2 实际意义

2.3 虚拟培训系统需求分析

2.3.1 基础理论知识培训的需求分析

2.3.2 设备模型说明的需求分析

2.3.3 窃电手法演示的需求分析

2.3.4 窃电检查虚拟操作的需求分析

2.3.5 虚拟培训系统开发原则

2.4 培训系统功能设计

2.4.1 系统总体功能和框架

2.4.2 系统功能模块设计

2.5 系统开发的分层架构

2.6 系统开发环境

2.7 本章小结

第3章 基于三角形网格简化算法的三维模型构建

3.1 虚拟现实中的三维建模简介

3.1.1 建模的基本内容

3.1.2 建模的基本原则

3.2 3DMax建模

3.2.1 3DMax简介

3.2.2 3DMax特点

3.2.3 数据文件

3.3 建模技术分类

3.3.1 基于模型的建模技术

3.3.2 基于图像的建模技术

3.3.3 基于模型和图像的混合建模技术

3.4 系统模型构建

3.4.1 数据采集

3.4.2 模型层次

3.4.3 搭建线性模型

3.4.4 表面建模

3.4.5 材质贴图实体建模

3.4.6 渲染和模型文件输出

3.5 综合多种算法的模型优化方式

3.5.1 多边形三角化算法

3.5.2 三角形网格简化算法

3.5.3 LOD细节层次技术

3.6 本章小结

第4章 基于分层技术的碰撞检测算法及系统场景生成

4.1 虚拟场景搭建

4.2 Unity3D简介

4.3 模型导入

4.4 光照效果和天空效果的实现

4.5 人机交互设计

4.6 虚拟系统中模型碰撞的设计

4.6.1 影响碰撞检测的要素

4.6.2 碰撞检测技术分类

4.6.3 不同包围盒技术分析

4.6.4 Unity3D中的碰撞检测技术

4.6.5 基于Tag分类的碰撞检测优化和实现

4.7 本章总结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢