文|李端陽 耿振云
增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)一般指的是將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的虛擬信息或物體疊加到真實(shí)場景中,從而產(chǎn)生出一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的“混合世界”的技術(shù)。用戶通過頭戴式增強(qiáng)設(shè)備(HMD)、視覺眼鏡還有手持式監(jiān)測設(shè)備等從“混合世界”中得到更多關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界的信息。AR起源于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR),它提供了一種半浸入式的環(huán)境并且強(qiáng)調(diào)真實(shí)場景和虛擬世界圖像和時(shí)間之間的準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系。由于AR技術(shù)大大提升了人類的感官體驗(yàn),已經(jīng)開始影響人們的日常生活,其應(yīng)用也日漸成熟與多樣。
隨著建筑、工程建設(shè)以及設(shè)備管理行業(yè)逐漸朝著基于BIM的數(shù)字化信息管理的方向發(fā)展,需要有更為直觀的視覺化平臺(tái)來有效地使用這些信息。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR),這種將相應(yīng)的數(shù)字信息植入到虛擬現(xiàn)實(shí)世界界面的技術(shù),將有力地填補(bǔ)這一可視化管理平臺(tái)的缺失。例如,工程管理人員試圖模擬特定的建造過程并獲得反饋,但是實(shí)際狀況是他們只能夠?qū)崿F(xiàn)在虛擬環(huán)境中建造過程的可視化,卻無法從現(xiàn)實(shí)中得到有效的反饋。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)則可以將虛擬的3D模型疊加在實(shí)時(shí)的視頻錄像當(dāng)中,提高界面視覺化的程度,增加用戶的理解,從而可以幫助工程管理者做出更快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)。而且由于成本較為低廉,應(yīng)用范圍更為廣泛,在未來十年,移動(dòng)AR技術(shù)將會(huì)對建筑、工程、建設(shè)和運(yùn)營產(chǎn)業(yè)(AECO)產(chǎn)生巨大影響。
圖1 模型建模
圖2 項(xiàng)目應(yīng)用
隨著三維協(xié)同設(shè)計(jì)的穩(wěn)步發(fā)展,在可見的不遠(yuǎn)的將來將取代傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)。AR技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用,也為三維模型的應(yīng)用提供了更好的展示手段,三維模型與二維的設(shè)計(jì)、施工圖紙也能更加緊密的結(jié)合。AR技術(shù)在勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域中可以有效地應(yīng)用于實(shí)時(shí)方案比較、設(shè)計(jì)元素編輯、三維空間綜合信息整合、輔助決策和設(shè)計(jì)方案多方參與等方面。
復(fù)雜體型識(shí)別。在復(fù)雜體型的計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別領(lǐng)域,國內(nèi)外的相關(guān)研究者們也取得了長足的發(fā)展,比如奧地利某教堂,在二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)火中受損,原有的尖頂損毀了,來自奧地利的Wikitude公司開發(fā)了wikitude SDK,通過BIM軟件對該教堂進(jìn)行建模,使用AR技術(shù)可實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備對真實(shí)建筑的識(shí)別,并查找到建筑的缺損部分,以虛擬世界中的三維模型填補(bǔ)缺損部位,真實(shí)地還原出教堂的原有風(fēng)貌。
智能手持設(shè)備。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)以來至今,智能手持設(shè)備一直占主導(dǎo)地位,以手機(jī)和平板電腦為典型代表。目前在教育領(lǐng)域和工程建設(shè)領(lǐng)域都取得了不俗的表現(xiàn)。在地產(chǎn)營銷領(lǐng)域,不同于傳統(tǒng)的二維戶型圖,通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以通過手持智能設(shè)備與二維戶型圖的結(jié)合,將三維戶型模型與二維戶型圖真實(shí)的結(jié)合在一起,更加真實(shí)的將房產(chǎn)信息、功能、內(nèi)部情況展現(xiàn)給業(yè)主(如圖3);在教育領(lǐng)域,通過智能手持設(shè)備與二維圖書的結(jié)合,可以將原二維的圖書與三維模型、三維動(dòng)畫、影像、聲音相結(jié)合,讓孩子們的學(xué)習(xí)不再枯燥,能夠更快的接受知識(shí)(如圖4)。
智能眼鏡。在AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備方面,也在飛速發(fā)展,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡從概念設(shè)計(jì)階段正逐漸走向?qū)嵱谩;ヂ?lián)網(wǎng)搜索引擎巨頭谷歌公司在2012年4月發(fā)布的GoogleGlass,具有和智能手機(jī)同樣的功能,鏡片上方配備了一個(gè)頭戴式微型顯示屏,它可以將數(shù)據(jù)投射到用戶右眼上方的小屏幕上,顯示效果如同2.4米外的25英寸高清屏幕,實(shí)際上就是“微型投影儀+攝像頭+傳感器+存儲(chǔ)傳輸+操控設(shè)備”的結(jié)合體。短短三年內(nèi),國內(nèi)外與GoogleGlass類似的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)上百款,相關(guān)應(yīng)用更是不計(jì)其數(shù),從工業(yè)裝配、物流、倉儲(chǔ)、醫(yī)療、教育等等不一而足,與使用手機(jī)、平板等實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式不同,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡可以解放人類的雙手,不再需要捧著手機(jī)看圖紙、看操作說明。
圖3 地產(chǎn)營銷領(lǐng)域
圖4 教育領(lǐng)域
可視化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)師之間共享設(shè)計(jì)視角、進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵;一個(gè)更加直觀的可視化平臺(tái)對于如今需要有效地處理數(shù)字信息的建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)來說更是必不可少的。中水北方公司數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化辦公室自2012年以來,基于BIM系列軟件,一直致力于公司的三維協(xié)同設(shè)計(jì)研究和推廣工作。在與實(shí)際項(xiàng)目結(jié)合中,認(rèn)識(shí)到了傳統(tǒng)BIM軟件在視覺展示中存在較大的局限性,軟件都具有較強(qiáng)的專業(yè)性;雖然功能強(qiáng)大,但是僅針對設(shè)計(jì)人員,而設(shè)計(jì)單位的領(lǐng)導(dǎo)、專家、施工單位等很難深入學(xué)習(xí)、使用。雖然在過去的幾年中制造了大量的BIM數(shù)據(jù),但是數(shù)據(jù)的應(yīng)用卻僅僅局限在生成二維圖紙、三維PDF和三維渲染漫游動(dòng)畫,很難全面體現(xiàn)出三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢所在。
通過AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),可以將二維圖紙與三維BIM模型無縫對接,充分發(fā)揮三維協(xié)同設(shè)計(jì)的優(yōu)勢,為應(yīng)用BIM模型數(shù)據(jù)提供了一條全新的捷徑,BIM模型中的大量建設(shè)信息也能夠得以更充分的進(jìn)行展示。招投標(biāo)環(huán)節(jié)中,使用AR+BIM技術(shù)與二維圖紙相結(jié)合進(jìn)行交流和決策時(shí),更加高效。施工現(xiàn)場通過AR技術(shù)加載虛擬的施工內(nèi)容,使現(xiàn)場人員從平面化的數(shù)據(jù)提取這種需要較高專業(yè)素養(yǎng)的活動(dòng)中解脫出來,可以在現(xiàn)場施工管理中減少由于施工組織和圖紙的誤解和信息傳遞的失真所造成的巨大損失,減少施工員反復(fù)讀圖識(shí)圖的時(shí)間。
圖5 Google Glass
圖6 倉儲(chǔ)
圖7 裝配
圖8 AR在水電廠房圖紙中的應(yīng)用
圖9 AR在重力壩圖紙中的應(yīng)用
根據(jù)實(shí)際工程,通過相關(guān)軟件(如AECOsim Building Designer)進(jìn)行三維協(xié)同設(shè)計(jì),構(gòu)建三維模型,在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)可調(diào)用這些模型,直接在真實(shí)場景中進(jìn)行加載。
本文中所采用的模型均采用AECOsim Building Designer進(jìn)行建模,所采用的模型材質(zhì)也均為AECOsim Building Designer自帶材質(zhì),未做任何修改。
本文基于二維設(shè)計(jì)圖紙制作了兩個(gè)標(biāo)志模板,在其上面分別疊加了水電廠房、重力壩。通過測試,系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的對二維圖紙進(jìn)行識(shí)別,并將三維虛擬模型疊加在真實(shí)二維圖紙上,步驟如下:
1.在PC中搭建JAVA開發(fā)環(huán)境以及Android模擬器SDK。
2.安裝Unity3D軟件,設(shè)置模擬器路徑。
3.將建筑信息模型從AECOsim Building Designer中導(dǎo)出為一種通用格式,如Fbx。
4.將BIM模型對應(yīng)的二維圖紙轉(zhuǎn)換為Unity3D軟件可以使用的UnityPackage。
5.在Unity3D軟件中,導(dǎo)入高通的Vuforia AR插件,將上面提到的Fbx文件和UnityPackage導(dǎo)入軟件中。
6.通過Unity軟件進(jìn)行簡單的編輯后,即可生成相應(yīng)的手機(jī)端安裝文件。
7.安裝至智能手機(jī)端,本文中所采用的手持設(shè)備型號(hào)為三星N7100。
8.打印cad二維圖紙,使用手機(jī)攝像頭進(jìn)行識(shí)別,具體效果如圖8、9所示。
可見基于Vuforia的虛擬現(xiàn)實(shí)展示效果還是比較理想的,在攝像頭拍攝真實(shí)場景,如真實(shí)二維圖紙的時(shí)候這些虛擬物體也顯示了出來,可以實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)虛實(shí)疊加,且在移動(dòng)模板或者攝像頭移動(dòng)的時(shí)候,虛擬物體會(huì)隨著真實(shí)世界進(jìn)行相應(yīng)的變化,BIM模型與二維圖紙實(shí)現(xiàn)了無縫的結(jié)合。
水利水電勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方式正在經(jīng)歷一場由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維協(xié)同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變的革命。相比傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì),AR與BIM的結(jié)合,提升了工程相關(guān)人員對設(shè)計(jì)的認(rèn)知能力,使BIM模型中龐大的數(shù)據(jù)可通過AR技術(shù)準(zhǔn)確提取和可視化,必將對BIM技術(shù)在水利水電勘察設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展起到極大的推進(jìn)作用。
本文中筆者用Bentley系列三維設(shè)計(jì)軟件和高通Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),完成了一個(gè)有多個(gè)人工標(biāo)識(shí)的簡單的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的虛實(shí)疊加。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用也將越來越廣泛地應(yīng)用到各個(gè)行業(yè),增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以為城市規(guī)劃、地下管線的探測、勘察設(shè)計(jì)的施工等服務(wù),但是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)需要研究的問題也還有很多,如復(fù)雜背景下人工標(biāo)志的快速識(shí)別,基于自然特征的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)等等。