BIM+VR、AR應(yīng)用研究

(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

1 研究背景

1.1 什么是BIM、VR和AR

BIM“Building Information Modeling”即建筑信息模型，以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，是全生命周期工程項(xiàng)目或其組成部分物理特征、功能特性及管理要素的共享數(shù)字化表達(dá)。一套完善的信息模型，是對(duì)工程對(duì)象的完整描述：能夠緊密連接建筑項(xiàng)目全生命期各階段各專業(yè)的數(shù)據(jù)信息、進(jìn)度跟蹤和變更操作，可被建設(shè)項(xiàng)目各參與方使用[1]。

VR“Virtual Reality”即虛擬現(xiàn)實(shí)，利用計(jì)算機(jī)生成一個(gè)三維的虛擬空間，為使用者提供由視覺、觸覺和聽覺三維度感官交互生成地模擬空間環(huán)境，給人以身臨其境的感覺。VR技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、顯示技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能等多種關(guān)鍵技術(shù)[2]。

AR“Augmented Reality”即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，是一種被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[3]，通過實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D 模型，將虛擬的信息應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界的技術(shù)。AR技術(shù)具有融合虛擬和現(xiàn)實(shí)、實(shí)時(shí)交互、三維跟蹤和定位等特征。

1.2 BIM、VR和AR之間的關(guān)系

BIM集成建筑的全部數(shù)據(jù)信息，VR和AR技術(shù)可以將這些數(shù)據(jù)信息以全新的方式呈現(xiàn)，從而使各方溝通提供更方便、更高效、更真實(shí)。VR和AR均是三維可視化的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，區(qū)別在于，VR創(chuàng)造了一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界無關(guān)的虛擬空間，通過模擬真實(shí)環(huán)境令用戶沉浸其中； AR創(chuàng)造了一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)的虛擬空間，通過虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的合成，形成與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)又不完全相同的超現(xiàn)實(shí)空間。

1.3 BIM、VR和AR的應(yīng)用

隨著科技的進(jìn)步，建筑的體量日漸龐大,造型也是復(fù)雜多變，常規(guī)的二維圖紙無法形象地表達(dá)三維模型及內(nèi)部管線的空間關(guān)系； 施工現(xiàn)場(chǎng)不能滿足攜帶沉重的計(jì)算機(jī)指導(dǎo)施工的條件。

而通過VR與AR技術(shù)對(duì)BIM的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行可視化表達(dá)，從而可以讓設(shè)計(jì)師與業(yè)主清晰地理解彼此的設(shè)計(jì)愿景和需求； 通過對(duì)特殊節(jié)點(diǎn)的施工工藝模擬，可以使施工方更準(zhǔn)確地把握施工方式； 通過較為完整的建筑信息模型，可以使維護(hù)人員更方便查看建筑竣工后的隱藏管線； 通過對(duì)建筑的可視化和輕量化處理，可以使用戶在線便捷、直觀地了解產(chǎn)品的實(shí)際效果。

2 關(guān)鍵性實(shí)施步驟

2.1 應(yīng)用構(gòu)架組織

工程項(xiàng)目的VR、AR應(yīng)用可以由多個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)平臺(tái)完成，比如：Unity、UE4等。

工程項(xiàng)目的VR、AR應(yīng)用的構(gòu)架組織應(yīng)包含：

(1)總平面：BIM模型的整體游瀏覽；

(2)圖模一致：核查圖紙與模型的一致性；

(3)分專業(yè)對(duì)模：?jiǎn)螌I(yè)模型顯示；

(4)數(shù)據(jù)查詢：獲取構(gòu)件、設(shè)備相關(guān)信息；

(5)瀏覽視點(diǎn)：觸發(fā)視點(diǎn)接口由AR場(chǎng)景進(jìn)入相應(yīng)的VR場(chǎng)景；

(6)瀏覽界面：在建筑物里漫游瀏覽；

(7)手控瀏覽：手動(dòng)控制場(chǎng)景人物漫游瀏覽；

(8)步行瀏覽：以實(shí)際的行走控制場(chǎng)景人物的漫游瀏覽；

(9)工藝工法：模擬關(guān)鍵、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的施工工藝與工法；

(10)施工順序：關(guān)鍵的技術(shù)要點(diǎn)和具體的操作步驟；

(11)技術(shù)交底：直觀、高效地闡述項(xiàng)目工程特點(diǎn)、技術(shù)質(zhì)量要求、施工方法與措施和安全等信息。

BIM+VR、AR應(yīng)用構(gòu)架組織如圖1所示：

2.2 BIM模型處理

2.2.1 輕量化處理 基于Revit-3DMax-Unity

目前虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件Unity支持.FBX，.dae(Collada)，.3DS，.dxf and.obj等格式的文件，大部分建模軟件都支持.FBX格式。對(duì)于動(dòng)輒就幾百M(fèi)或者上G的大文件模型，其模型面數(shù)高達(dá)數(shù)百萬、數(shù)千萬，這嚴(yán)重影響設(shè)備的性能尤其是手持設(shè)備。3DMax可以針對(duì)模型面數(shù)進(jìn)行批量?jī)?yōu)化處理，結(jié)合設(shè)備的性能選擇合理的優(yōu)化等級(jí)，以下是不同等級(jí)優(yōu)化的效果：

優(yōu)化80%面數(shù)頂點(diǎn)數(shù)破面600362523239536無FPS43.1優(yōu)化90%面數(shù)頂點(diǎn)數(shù)破面56791073057581有FPS45.3

FPS“Frames Per Second”即游戲運(yùn)行時(shí)每秒所運(yùn)行的幀數(shù)。FPS值越大，在屏幕上的視頻就越來越平滑，設(shè)備運(yùn)行越流暢。一般FPS在40左右。

模型的面數(shù)和頂點(diǎn)數(shù)是影響設(shè)備渲染性能的主要因素，需綜合考慮設(shè)備的性能和渲染的質(zhì)量要求。不同工程項(xiàng)目的模型的面數(shù)和頂點(diǎn)數(shù)不盡相同，經(jīng)處理優(yōu)化等級(jí)為80%，既保證設(shè)備流程運(yùn)行，同時(shí)兼顧渲染質(zhì)量。在滿足質(zhì)量要求的前提下盡可能提高設(shè)備運(yùn)行的流暢性，合理地平衡兩者的關(guān)系。

2.2.2 材質(zhì)處理 基于Revit-3DMax-Unity

.FBX是Autodesk公司出品的一款用于跨平臺(tái)交換的文件格式，.FBX支持所有主要的三維數(shù)據(jù)元素以及二維、音頻和視頻媒體元素。

Unity目前只支持.FBX文件格式的標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)和多維子材質(zhì)，不支持“Autodes Generic”材質(zhì)。由Revit導(dǎo)入U(xiǎn)nity的BIM模型只有一種“no name”材質(zhì)，這極大影響模型的渲染效果和專業(yè)系統(tǒng)的顏色區(qū)分，如圖2所示。

圖2 Unity界面中無材質(zhì)模型

3DMax可以很好地讀取“Autodes Generic”材質(zhì)，在3DMax環(huán)境下把“Autodes Generic”材質(zhì)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)或者多維子材質(zhì)，再以.FBX文件格式導(dǎo)入到Unity中，Unity會(huì)正確地讀取.FBX文件的材質(zhì)與貼圖，如圖3所示。

圖3 Unity界面中有材質(zhì)模型

2.2.3 信息參數(shù)處理 基于Revit-插件-Unity

以.FBX文件格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity除構(gòu)件元素名稱外并不包含其他任何信息參數(shù)，這對(duì)信息參數(shù)的展示和人機(jī)交互產(chǎn)生很大制約。目前市場(chǎng)上有“一鍵導(dǎo)出”的插件，比如上海殊未信息科技有限公司的“BVP3D插件”(收費(fèi))。這類插件可以把BIM模型信息參數(shù)導(dǎo)入U(xiǎn)nity，并支持二次開發(fā)。

2.3 BIM+VR、AR應(yīng)用制作

2.3.1 BIM模型預(yù)處理

(1)BIM模型整合導(dǎo)出

如圖4所示，把全專業(yè)模型整合在同一項(xiàng)目文件里并以.FBX文件格式導(dǎo)出。

圖4 Revit界面中整合模型

圖5 3DMax界面中材質(zhì)賦予

(2)BIM模型賦予材質(zhì)

在3DMax環(huán)境下重新為BIM模型賦予標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)或者多維子材質(zhì)，合理地調(diào)整紋理UV，使貼圖符合實(shí)際情況。材質(zhì)賦予如圖5所示。

(3)BIM模型輕量化處理

在3DMax環(huán)境下優(yōu)化BIM模型的面數(shù)和頂點(diǎn)數(shù)，在保證不損壞模型的情況盡可能提高FPS值,如圖6所示。

(4)單位調(diào)整和材質(zhì)導(dǎo)出

由于BIM模型文件多采用mm為單位，虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件Unity以m為單位，因此從3DMax導(dǎo)入U(xiǎn)nity的BIM模型需要把單位設(shè)置為m。在默認(rèn)情況下3DMax不會(huì)把貼圖導(dǎo)出，需在3DMax導(dǎo)入設(shè)置中要把嵌入的媒體選中。如圖7所示。

圖6 3DMax界面中輕量化處理

圖7 導(dǎo)出設(shè)置

2.3.2 VR、AR開發(fā)

(1)與Unity軟件對(duì)接

把.FBX格式文件和.Fbm材質(zhì)貼圖文件夾一同載入U(xiǎn)nity的Assets目錄下，把.FBX格式文件配置到Scene場(chǎng)景窗口。根據(jù)情況合理調(diào)燈光和整鏡頭角度，如圖8所示。

圖8 Hierarchy視口配置

(2)導(dǎo)入VR、AR的SDK軟件開發(fā)工具包

在Unity軟件中導(dǎo)入“OculusUnity Integration”和“vuforia-unity -6-2-10”插件[4]，把“OVRCamera”和“ARCamera”預(yù)制對(duì)象拖入場(chǎng)景中。使用VR第一人稱視角在虛擬場(chǎng)景里漫游，使用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)鏡頭把BIM模型與現(xiàn)實(shí)的圖紙混合呈現(xiàn)。如圖9所示。

圖9 VR、AR插件導(dǎo)入

(3)VR、AR場(chǎng)景設(shè)置

由于BIM模型面數(shù)與頂點(diǎn)數(shù)龐大，對(duì)設(shè)備的性能要求很高，需把模型拆分多個(gè)專業(yè)子模型，配置各專業(yè)過濾器。根據(jù)項(xiàng)目要求和開發(fā)的實(shí)際情況編寫合理的交互腳本并與模型綁定，定義VR和AR場(chǎng)景切換的視點(diǎn)接口，對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)的施工工藝制作獨(dú)立的工法工藝虛擬場(chǎng)景。

(4)VR、AR應(yīng)用部署

BIM+VR、AR應(yīng)用是基于操作系統(tǒng)或者手持設(shè)備系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行的可執(zhí)行程序，其不依賴于任何軟件環(huán)境，降低對(duì)電腦的要求同時(shí)提高便攜性。部署設(shè)置如圖10所示。

圖10 應(yīng)用程序部署設(shè)置

3 效果展示

圖11 展示效果

圖12 AR整體展示效果

圖13 分專業(yè)展示效果

圖14 手控漫游效果

圖15 步行控制漫游展示效果

圖16 工藝工法模擬展示效果

4 結(jié)論與展望

本文力求通過BIM+VR、AR應(yīng)用的研究，找到大體量BIM模型在保證不破面、滿足渲染質(zhì)量要求的前提下，盡可能提高設(shè)備運(yùn)行流暢性的通用方法。解決模型不便于攜帶以及需要在三維軟件環(huán)境下才能漫游模型的問題。便于工程項(xiàng)目各參與方隨時(shí)基于三維模型協(xié)調(diào)溝通，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量、提高施工效率、縮短項(xiàng)目周期，提升產(chǎn)品形象的終極目標(biāo)。