基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程三維可視化場景構(gòu)建研究

王志寧，崔 博，任炳昱，吳斌平，關(guān) 濤

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072)

目前我國水利水電事業(yè)發(fā)展迅速，堆石壩工程規(guī)模越來越大，這些工程規(guī)模浩大、施工布置復(fù)雜，通過傳統(tǒng)的圖紙很難對工程現(xiàn)場有準確、全面的認識，為此學(xué)者們對工程三維可視化做出了大量研究：國外針對工程可視化的研究多集中于土木工程領(lǐng)域，如Al-Hussein M[1]、Mawlana M[2]、Brito D M[3]、Jaehyun Park[4]等。國內(nèi)對水利水電工程可視化的研究較多，相對比全面，鐘登華[5]課題組對水利水電工程可視化的研究較早，其實現(xiàn)可視化的方式主要基于GIS平臺；胡程順等[6]對土石壩施工中的土石方調(diào)配進行了研究，在基于GIS平臺的三維環(huán)境中將土石方調(diào)配結(jié)果展示出來；鐘登華、張琴婭等[7]利用CATIA的參數(shù)化建模實現(xiàn)了模型的動態(tài)修改以及基于CATIA的堆石壩動態(tài)三維可視化仿真；鐘登華、宋洋等[8]對大型水利水電工程可視化建模技術(shù)進行了研究，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和結(jié)構(gòu)化方法對工程中的不同建筑物進行建模并在三維仿真環(huán)境中進行展示；劉寧等[9]研究了高心墻堆石壩施工過程中的交通進行了仿真研究并以三維交互式可視化的仿真對仿真結(jié)果進行了展示；鐘登華等[10]利用GIS平臺對大壩施工的全過程進行了三維動態(tài)可視化輸出；吳康新等[11]針對碾壓混凝土壩的特點，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和VC++開發(fā)平臺，實現(xiàn)了碾壓混凝土壩施工過程動態(tài)仿真并開發(fā)了基于GIS的三維可視化系統(tǒng)；鐘登華、石志超等[12]考慮到基于GIS和3d Max建立的三維模型不易修改，提出了基于CATIA的心墻堆石壩三維建模方法，并在CATIA平臺上開發(fā)了交互式三維可視化系統(tǒng)。

以上研究多是虛擬三維場景，為展示整個施工場景都需要建立大量的環(huán)境模型(地形、地物等)，消耗資源較大，并且環(huán)境模型多是根據(jù)前期勘測結(jié)果建立，與施工現(xiàn)場存在一定偏差，直觀性受到影響，針對以上不足，本文提出基于增強現(xiàn)實AR(Augmented Reality)[13]的堆石壩三維可視化場景構(gòu)建方法，并實現(xiàn)基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程場景三維可視化，該方法不僅可以保證三維可視化場景與工程真實場景的一致性，還省去了復(fù)雜的環(huán)境模型的建模過程。

1 基于AR的堆石壩工程三維場景的實現(xiàn)

堆石壩工程三維可視化對相關(guān)管理人直觀的認識工程面貌、總體把握工程情況以及工程當(dāng)前工程進展具有非常重要的輔助作用。基于AR的堆石壩工程三維場景的可視化主要包括水工建筑物模型的建立、現(xiàn)場場景獲取以及虛擬相機的三維注冊和虛實融合，如圖1所示。首先，根據(jù)各水工建筑物模型設(shè)計資料建立三維實體模型；然后,利用視頻監(jiān)控技術(shù)以及布設(shè)與施工現(xiàn)場的視頻監(jiān)控網(wǎng)獲取施工現(xiàn)場的圖像信息；最后，利用固定于攝像頭上的動態(tài)實時差分全球定位系統(tǒng)(Real-Time Kinematic difference-Global Positioning System，RTK-GPS)與慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)獲取真實攝像頭的三維空間坐標及姿態(tài)，并進行虛擬相機的三維注冊以及虛擬圖像和真實圖像的融合。

圖1 基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程三維場景構(gòu)建

2 基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程三維場景構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水工建筑物三維建模關(guān)鍵技術(shù)

利用前期CAD設(shè)計資料以及3ds Max軟件對堆石壩工程進行水工建筑物的三維建模已非常成熟[8]。首先,根據(jù)設(shè)計圖紙中水工建筑物的相關(guān)信息對圖紙進行重新整理，保留與水工建筑物形體面貌有關(guān)的點、線、面，然后對水工建筑物進行結(jié)構(gòu)分析，并確定控制點坐標；其次,將平面線條導(dǎo)入3ds Max，以閉合曲線生成水工建筑物剖面，進而以面的拉伸、放樣等操作形成實體；然后，根據(jù)水工建筑物的結(jié)構(gòu)進行旋轉(zhuǎn)、平移、布爾運算等操作獲得水工建筑物三維實體模型；最后，根據(jù)水工建筑物各個部位不同的材質(zhì)進行材質(zhì)貼圖，最終獲取帶材質(zhì)的水工建筑物三維實體模型。

2.2 基于增強現(xiàn)實的可視化關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 基于硬件的相機注冊技術(shù)

考慮到堆石壩工程規(guī)模大、視野開闊以及現(xiàn)場基礎(chǔ)設(shè)施比較健全(RTK-GPS、視頻監(jiān)控網(wǎng)及數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)等)等特點，本文采用基于硬件的相機注冊技術(shù)來實現(xiàn)增強現(xiàn)實。相機注冊即將虛擬相機的參數(shù)設(shè)置為與真實相機一致的過程。由于本文采用獲取現(xiàn)場圖像的攝像頭為定焦攝像頭，故將相機模型抽象為六自由度(三維空間坐標、三維空間轉(zhuǎn)角)的相機模型。所以，如何獲取相機的6個參數(shù)成為相機注冊的關(guān)鍵所在。考慮到工程現(xiàn)場具有覆蓋廣的RTK-GPS系統(tǒng)，可快速準確地獲取一個點的三維坐標，故采用RTK-GPS來獲取攝像頭的空間坐標。三維轉(zhuǎn)角采用IMU原件，將IMU原件固定于攝像頭上，其z軸方向與攝像頭光軸方向保持一致，通過IMU原件可以直接獲取攝像頭轉(zhuǎn)角參數(shù)。相機的6個參數(shù)傳回客戶端，由客戶端解析并將6個參數(shù)賦予虛擬相機，即完成相機三維注冊，如圖2所示。

圖2 虛擬相機注冊

2.2.2 真實場景的獲取及虛實融合

真實通過布設(shè)在工程現(xiàn)場的攝像頭獲得。施工現(xiàn)場布設(shè)大量的視頻監(jiān)控攝像頭，其中，布設(shè)在壩肩等高處的攝像頭為觀察工程整體面貌提供了便捷條件，利用高處攝像頭可獲得清晰的工程施工場景。

虛擬場景的獲取靠虛擬相機完成，由2.2.1節(jié)可知，利用固定于攝像頭上的位置(RTK-GPS)和姿態(tài)(IMU)傳感器傳回的6個參數(shù)可進行虛擬相機的三維注冊，此時虛擬相機拍攝到的虛擬場景和真實相機拍攝到的真實場景是重疊的，由于不考慮遮擋，直接將虛擬相機拍攝的圖像簡單疊加到真實相機拍攝的圖像中，即可反應(yīng)他們真實的空間關(guān)系，如圖3所示，在完成虛擬相機注冊以后，虛擬相機和真實相機具有相同的參數(shù)，故用一個坐標系表示，假設(shè)真實空間中存在點A(X1，Y1，Z1)和點C(X3，Y3，Z3)，虛擬空間中有一點B(X2，Y2，Z2)，三點的關(guān)系如圖所示，c為相機成像平面，A點和B點在成像平面中成像為同一點(a點和b點重合)，則優(yōu)先顯示虛擬相機成像的點(b點)，C點成像點c和b點的關(guān)系則可以反映空間中B點和C點的關(guān)系。

圖3 虛實融合成像

3 工程實例

以我國西南某大型心墻堆石壩工程為例進行基于增強現(xiàn)實的三維場景可視化研究。大壩主要分為15個分區(qū)，總填筑方量4 160萬m3，工程計劃分14期進行，2016年6月大壩開始填筑。

3.1 水工建筑物三維模型建立

根據(jù)前期設(shè)計資料獲取水工建筑物形體、位置等信息，通過分析、提取得到各水工建筑物模型的典型斷面、幾何尺寸等完整的平面圖形，導(dǎo)入3dsMax，然后利用線對象生成面對象，再由面對象生成實體對象，通過對各個實體對象的旋轉(zhuǎn)、平移、組合以及布爾運算，獲得由設(shè)計資料生成的水工建筑物三維實體模型，最后根據(jù)水工建筑物的特征對各個模型進行材質(zhì)貼圖，得到最終的水工建筑物三維實體模型，如圖4所示。

圖4 水工建筑物三維實體模型

3.2 真實場景獲取

施工現(xiàn)場布設(shè)有大量視頻監(jiān)控攝像頭，并有完善的圖像傳輸系統(tǒng)，設(shè)置在高處的視頻監(jiān)控攝像頭則可以清楚地觀察到整個施工區(qū)的面貌，本文利用右岸壩肩的攝像頭獲取施工區(qū)的圖像，如圖5所示。

圖5 右岸壩肩攝像頭獲得的現(xiàn)場圖像

3.3 基于硬件的相機注冊

固定于攝像頭上的位置傳感器(RTK-GPS)和姿態(tài)傳感器(IMU)將攝像頭當(dāng)前時刻的攝像頭參數(shù)傳回客戶端，客戶端通過指定格式的解析，獲得三維空間坐標和三維空間轉(zhuǎn)角這6個參數(shù)；三維姿態(tài)原始數(shù)據(jù)是經(jīng)傳感器直接傳出的數(shù)據(jù)，將處理完的6個參數(shù)賦予虛擬相機，完成相機注冊，如圖6所示。

圖6 虛擬相機注冊

3.4 基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程可視化

在如3.4節(jié)中進行虛擬相機注冊以后，可通過虛擬相機獲得水工建筑物圖像，此時獲取的虛擬水工建筑物模型的圖像與在3.2節(jié)中獲取的真實施工圖像處于同一空間，由于不考慮虛擬物體與真實物體的遮擋關(guān)系，直接將虛擬水工建筑物的圖像疊加在真實場景的圖像上，即可反應(yīng)虛實物體的空間關(guān)系，獲得增強現(xiàn)實效果。為將虛擬物體成像疊加在真實場景中，需同時遍歷兩張圖像的每個像素，若一像素上同時存在虛擬物體模型的成像點和真實場景的成像點，則顯示虛擬水工建筑物的成像點。

基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程可視化效果如圖7所示(模型半透明顯示)。

圖7 基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程可視化

4 結(jié) 論

針對目前堆石壩工程三維可視化場景構(gòu)建中需建立大量環(huán)境模型造成的可視化直觀性下降、建模耗費大量資源的問題，本文開展了基于增強現(xiàn)實的堆石壩工程可視化研究，得到如下結(jié)論：

(1)將增強現(xiàn)實引入堆石壩工程可視化中，利用工程現(xiàn)場的視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲取現(xiàn)場真實場景，使堆石壩工程可視化展示的場景與真實的工程場景高度一致，增加了工程可視化的直觀性，使相關(guān)管理

人員更容易理解。

(2)使用現(xiàn)場真實圖像作為堆石壩工程三維可視化的背景環(huán)境，省去了大量復(fù)雜的環(huán)境模型的建模過程，使可視化效率更高。

(3)利用現(xiàn)場視頻監(jiān)控攝像頭，基于增強現(xiàn)實構(gòu)建了堆石壩三維可視化場景。