APPLICATION OF AUGMENTED REALITY TECHNOLOGY IN ALUMINUM PRODUCTION

Петров П.А.¹, Пайор В.А.², Панишева М.Д.³

¹ORCID: 0000-0002-2883-9823, Кандидат технических наук, ²Студент, ³Студент, Санкт-Петербургский горный университет

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОПОЛНЕННОЙ РЕАЛЬНОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЯ

Аннотация

Рассматриваются особенности технологии дополненной реальности. Обосновывается актуальность и возможность применения технологии в процессе производства алюминия. Описана методика и механизм работы дополненной реальности. Представлена разработка программной реализации дополненной реальности на примере лабораторного стенда, моделирующего многофункциональную систему автоматизированного питания глиноземом алюминиевого электролизера. Отмечены преимущества и недостатки рассматриваемой технологии применительно к алюминиевому производству.

Ключевые слова: дополненная реальность, программное обеспечение, маркер, производство алюминия, система питания.

Petrov P.A.¹, Payor V.A.², Panisheva M.D.³

¹ORCID: 0000-0002-2883-9823, PhD in Engineering, ²Student, ³Student, Saint-Petersburg Mining University

APPLICATION OF AUGMENTED REALITY TECHNOLOGY IN ALUMINUM PRODUCTION

Abstract

Main features of augmented reality technology are considered in the article. The relevance and possibility of using this technology in aluminum production process are investigated. The technique and mechanism of augmented reality operation are described. Implementation of augmented reality is presented on the example of a laboratory stand which simulates a multifunctional automated feeding system for alumina of an aluminum electrolyzer. The advantages and disadvantages of the technology in question are noted with regard to aluminum production.

Key words: augmented reality, software, marker, aluminum production, power system.

Современным направлением в модернизации металлургических технологических производств, таких как высокотемпературные процессы получения алюминия электролизом криолитоглиноземных расплавов, является широкое внедрение новых методов и алгоритмов управления, развитых технических средств автоматизации, информационных технологий.

Одним из способов совершенствования производственного процесса является развитие его информатизации. Инновационные технологии позволяют дополнить традиционные методы управления производством, ускорить доступ к информационным источникам, повысить культуру труда и производительность технологического оборудования.

Задача совершенствования управления производственным процессом при помощи информационных технологий, среди которых все более важное значение занимают технологии дополненной реальности, является актуальной за счет улучшения качества продукции и повышения экономической и экологической эффективности производства.

Дополненная реальность (augmented reality) – совокупность технологий, позволяющих обеспечивать определенный уровень взаимодействия с реальным миром. Она позволяет совмещать объекты, которые человек воспринимает привычным способом восприятия, зрительным каналом, и виртуальные объекты виртуальной реальности.

Само понятие дополненной реальности возникло в военной сфере в США, когда были разработаны первые системы, представляющие собой специализированные шлемы для военных летчиков; на них проецировалась информация о показаниях приборов в удобном виде, позволявшая пилоту не отвлекаться на приборную панель.

Ускоренное развитие технологии дополненной реальности связано с развитием мобильных решений. Чем более высокопроизводительными стали процессоры, более качественными камеры, появились более компактные устройства, стало возможность решения задачи по использованию данной технологии на мобильных платформах. На сегодняшний день это три платформы – iOS, Android и Microsoft Windows.

Исследователь Рональд Азума в 1997 году определил дополненную реальность как систему, которая [1]:

– совмещает виртуальное и реальное;

– взаимодействует в реальном времени;

– обеспечивает трёхмерное представление объектов.

В чем разница между дополненной и виртуальной реальностью? О виртуальной реальности в настоящее время известно достаточно много, эта технология широко освещается в средствах массовой информации. Дополненная реальность построена на привязке к элементам реального мира. При наличии камеры мобильного устройства средствами технического зрения распознается, как правило, заранее заданный объект, в виде какого-либо графического маркера. Это может быть, по усмотрению разработчика, QR-код, штрих-код, либо динамические объекты. Виртуальная реальность не имеет никакой привязки к реальному миру и реальным объектам, она основана на погружении пользователя в виртуальную модель. Дополненная реальность создает контекстную информацию в режиме реального времени.

Механизм работы дополненной реальности состоит из трех основных этапов ее реализации [2]. Первый этап – распознавание реального объекта и последующая привязка к нему виртуального контента. В основе большинства средств дополненной реальности лежит компьютерное зрение, но в некоторых случаях возможна привязка к геопозиции – GPS, Glonass, а также с помощью bluetooth-маяков и показаний гироскопов устройств. Второй этап – рендеринг – процесс отображения виртуального содержимого на основе информации, полученной в результате распознавания объекта. При этом виртуальные объекты размещаются поверх изображения реальных объектов. На полученный слой, например, поверх видеозаписи воспроизводится виртуальный трехмерный объект. В плане производительности устройств – это наиболее требовательный этап, если распознавание возможно на достаточно слабых устройствах, то на рендеринг, как более сложный процесс, требуется гораздо больше времени для вычислений. Наконец, третий этап – взаимодействие. Модель должна быть интерактивной – в этом и заключается суть технологии. С помощью нее вносится дополнительная интерактивность к объектам реальной действительности. Главная задача дополненной реальности – быстрая привязка к объекту и дополнение контекстной информации к объекту.

Распознавание, отслеживание какого-либо объекта происходит в реальном времени, к данному объекту привязывается виртуальная модель и пользователь воспринимает визуально информацию и в виде условных команд, если это, например, сенсорное устройство, взаимодействует с этой моделью.

В настоящее время на кафедре автоматизации технологических процессов и производств Горного университета проводится работа по разработке программного обеспечения дополненной реальности. В частности, разработка реализована на мобильном устройстве и представляет собой систему интерактивной визуализации проектируемого стенда для изучения процессов питания сырьевыми материалами в производстве алюминия. Стенд предназначен для имитации работы пробойника алюминиевого электролизера для проламывания криолит-глиноземной корки, последующей загрузки глинозема в расплав электролита и проведения измерений параметров расплава через изолированный пробойник.

Каким образом работает технология дополненной реальности применительно к данному стенду? Дополненная реальность реализована программно на базе операционной системы Android на 2-х основных платформах: в среде разработки двух- и трехмерных приложений на языке C# с интегрированным 3D-редактором (Unity Engine) и библиотеке компьютерного зрения Vuforia. Данная платформа позволяет приложению, установленному на мобильное устройство с камерой, обнаруживать и распознавать различные объекты, изображения, тексты и маркеры, расположенные на них.

Исследователь, инженер запускает приложение на смартфоне или планшете с установленным программным обеспечением, наводит камеру устройства на специальный маркер. Маркером обычно служит поверхность со специальным изображением. Тип рисунка может варьироваться и зависит от алгоритмов распознания изображении. Программа в режиме реального времени обнаруживает маркер в видеопотоке, происходит обработка признаков маркера и положения его в пространстве и проецирует на него трехмерную виртуальную модель (рисунок 1). Маркер отслеживается благодаря библиотеки компьютерного зрения. Модель интерактивна, т.е. можно вращать, перемещать модель, прочитать информацию о стенде, его устройстве, измеряемых параметрах. При дальнейшем после сборки установки планируется доработать программное обеспечение, добавив возможность подключения к контроллеру системы управления процессом питания и получать с него информацию, контролировать и управлять объектом.

Рис.1 – Лабораторный стенд в дополненной реальности

 

Преимущества дополненной реальности:

– обеспечение нового уровня взаимодействия пользователя с исследуемым объектом;

– наглядное представление информации;

– функционирование в реальном времени;

– поддержка 3D графики и анимации.

Недостатки

– высокие требования к аппаратной части;

– в частных случаях оптическое распознавание затруднено или невозможно, что решается совершенствованием алгоритмов.

Применение технологии дополненной реальности в производственном процессе, как показано в многочисленных исследованиях [3], дает возможность обогатить визуально и контекстуально оперативное ведение технологического процесса. Внедрение технологии дополненной реальности позволит повысить мотивацию производственных специалистов, заинтересовать руководство предприятия новыми способами представления и считывания информации, вести производственный процесс с меньшими рисками для персонала и оборудования, быстрее определять и устранять технологические нарушения.

Список литературы / References

1. Carmichael G. Understanding the Power of Augmented Reality for Learning / G. Carmichael, R. Biddle, D. Mould // Proceedings of World Conference on E-Learning in Corporate, Government, Healthcare, and Higher Education. – 2012. – P. 1761–1771.
2. Солдатов С.К. Интерфейс будущего – системы дополненной реальности / С.К. Солдатов, Н.В. Кузьмина // Современные технологии автоматизации. – 2016. – № 1. – С. 96–103.
3. Митра А. У дополненной реальности проблемы с отображением [Электронный ресурс] / А. Митра. – URL: http://holographica.space/articles/blippar-1774 (дата обращения: 05.03.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Carmichael G. Understanding the Power of Augmented Reality for Learning / G. Carmichael, R. Biddle, D. Mould // Proceedings of World Conference on E-Learning in Corporate, Government, Healthcare, and Higher Education. – 2012. – P. 1761–1771.
2. Soldatov S.K. Interfejs budushhego – sistemy dopolnennoj real'nosti [The interface of the future – augmented reality system]/ S.K. Soldatov, N.V. Kuz'mina // Sovremennye tehnologii avtomatizacii [Modern automation technology]. – 2016. – № 1. – P. 96–103. [in Russian]
3. Mitra A. U dopolnennoj real'nosti problemy s otobrazheniem [Augmented reality display problems] [Electronic resource] / A. Mitra. – URL: http://holographica.space/articles/blippar-1774 (accessed: 05.03.2017). [in Russian]