MR技術(shù)在BIM領(lǐng)域中的適用性研究

周勛甜 黃俊惠 錢凱

摘 要：為提高建筑工程部分環(huán)節(jié)的效率，特探究新興技術(shù)MR技術(shù)在BIM領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性與適配性，通過Hololens空間映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間錨點(diǎn)位置信息確認(rèn)，應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)工具包技術(shù)加速面向Windows混合現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用程序的開發(fā)，Vuforia擴(kuò)增實(shí)境軟件開發(fā)工具包可利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)時(shí)識別捕捉平面圖像，并通過照相機(jī)取景器將虛擬物體展現(xiàn)在鏡頭前實(shí)體背景的位置上。使得技術(shù)研究在建筑工程中的適用具備一定精準(zhǔn)度，錄入信息更有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MR技術(shù);Hololens空間映射;計(jì)算機(jī)視覺;空間錨點(diǎn);BIM領(lǐng)域

1 項(xiàng)目概述

目前的建筑信息化模型（BIM）已經(jīng)有較為完備的體系模型，它可集成整個(gè)工程生命周期中不同階段的工程信息資源于一體，以便于被工程的其他參與者調(diào)入使用。[1]從BIM的設(shè)計(jì)過程可以看出，它不僅是數(shù)字信息的集成，更是數(shù)字信息的應(yīng)用，設(shè)計(jì)、建造、管理等方面的數(shù)字化方法都有應(yīng)用。

在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，混合現(xiàn)實(shí)有更為先進(jìn)之處，因?yàn)樗Y(jié)合使用了若干不同類型的技術(shù)，以及組合了傳感器的應(yīng)用，甚至是當(dāng)前先進(jìn)的光學(xué)和下一代的計(jì)算能力。如果這些技術(shù)都集合在某一個(gè)單一的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，它將把增強(qiáng)全息數(shù)字內(nèi)容呈現(xiàn)到用戶的實(shí)時(shí)空間上去，所創(chuàng)造的現(xiàn)實(shí)效果匪夷所思。[2]

MR在BIM上的應(yīng)用不但可以提高建筑工程部分環(huán)節(jié)的效率，而且將使得技術(shù)研究在建筑工程中的適用具備一定精準(zhǔn)度，錄入信息更有參考價(jià)值。[3]

2 研究路線

2.1 初步系統(tǒng)構(gòu)架

初步系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，本次研究以功能驗(yàn)證為主。

系統(tǒng)分三種模式：（1）幫助模式;（2）預(yù)覽模式;（3）校準(zhǔn)模式。

信息存儲方式以畫面捕捉為主要手段。功能驗(yàn)證成功后續(xù)可以加以網(wǎng)絡(luò)拓展。

2.2 技術(shù)路線

2.2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

以便攜性原則、提高性設(shè)計(jì)的原則，本研究的MR技術(shù)硬件支撐采用當(dāng)前市面上先進(jìn)性數(shù)一數(shù)二的Microsoft Hololens開發(fā)者版本。該產(chǎn)品核心功能主要是依托于衍射型平顯、DLP投影芯片、SLAM技術(shù)的立體混合成像。讓使用者接收到虛擬場景與現(xiàn)實(shí)場景混合疊加的畫面（MR）。

2.2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

就設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性原則和設(shè)計(jì)正確原則，本研究設(shè)計(jì)的軟件特性：易于操作、更高效、更精準(zhǔn)、模板零誤差。對此設(shè)計(jì)就校準(zhǔn)功能之外額外設(shè)計(jì)了便于使用者認(rèn)知操作與內(nèi)容的幫助模式與預(yù)覽模式。另外就設(shè)計(jì)角度，作為參考模板的虛擬場景要嚴(yán)格按照建筑施工圖制作，軟件內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格正確，將設(shè)計(jì)誤差降到最低。

2.3 初步驗(yàn)證

2.3.1 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

1）通過虛擬錨點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)標(biāo)志點(diǎn)的映射，確定空間。該映射允許多重多次自由組合，便于設(shè)計(jì)與修改。

2）空間錨點(diǎn)的位置信息賦予通過Hololens空間映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 模式探究

模式一如下圖2所示：

優(yōu)點(diǎn)：這種方式對空間確定在錨點(diǎn)信息一一對應(yīng)的情況下誤差極小，錨點(diǎn)的定位操作也僅限于坐標(biāo)信息，適用于單次高精度校準(zhǔn)的作業(yè)。

缺點(diǎn)：每次校準(zhǔn)需要操作四個(gè)點(diǎn)，繁瑣;四次操作錨點(diǎn)，若使用者操作水平不高就會將誤差指數(shù)放大。

模式二如圖3所示：

優(yōu)點(diǎn)：這種方式對空間確定在錨點(diǎn)信息一一對應(yīng)的情況下誤差較小，錨點(diǎn)的操作次數(shù)僅為一，適用于需要多次校準(zhǔn)的作業(yè)。

缺點(diǎn)：空間的確定僅通過一個(gè)錨點(diǎn)信息，對使用者的操作水平要求較高，尤其是虛擬映射點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)信息容易產(chǎn)生較大誤差。

旋轉(zhuǎn)信息賦予操作優(yōu)化研究：

操作者旋轉(zhuǎn)方式設(shè)計(jì)有以下四種：

在空間映射時(shí)，令物體始終正朝向與使用者，通過使用者的頭盔朝向來確定旋轉(zhuǎn)信息。

優(yōu)點(diǎn)：操作靈活度大。

缺點(diǎn)：精度把控難，對使用者操作要求較高。

在空間映射時(shí)，初步只賦予坐標(biāo)信息，后續(xù)通過額外的2個(gè)映射點(diǎn)來確定朝向。

優(yōu)點(diǎn)：理論旋轉(zhuǎn)信息誤差較小，操作靈活度大。

缺點(diǎn)：操作繁瑣，每次校準(zhǔn)需要使用者多次額外操作，數(shù)次操作可能會帶來額外誤差。

在空間映射時(shí)，使用者只賦予坐標(biāo)信息，通過AR圖像識別技術(shù)事先或者事后獲取精準(zhǔn)的旋轉(zhuǎn)信息。

優(yōu)點(diǎn)：理論誤差最小，操作便捷。

缺點(diǎn)：在保證靈活度的前提下，原則上，需要構(gòu)建大量的圖像識別庫，來應(yīng)對各個(gè)物體特異性的旋轉(zhuǎn)信息。AR識別對紋理特異性較差的三維物體難以識別，為保持識別率需要增設(shè)識別標(biāo)志圖，顯得不怎么智能。

實(shí)際應(yīng)用情況：

設(shè)計(jì)驗(yàn)證的領(lǐng)域多為建筑工程施工階段與竣工檢驗(yàn)階段。

2.4 優(yōu)化驗(yàn)證

要求：建筑工程的校檢面積較大，走動頻繁，需要整體的認(rèn)知把握。

方案：提供預(yù)覽模式，便于整體認(rèn)知。

要求：在誤差降低方向需要通過設(shè)計(jì)手段來彌補(bǔ)硬件缺陷，同時(shí)要保證便攜度，避免操作繁碎。

方案：使用模式探究中旋轉(zhuǎn)信息賦予操作優(yōu)化研究的方案3。將HoloLens空間映射技術(shù)與Vuforia圖像識別技術(shù)結(jié)合，簡化操作方式。通過Vuforia圖像識別進(jìn)行預(yù)先的坐標(biāo)系軸向構(gòu)建，簡化后續(xù)操作，同時(shí)單次高精度的高自由度的操作可以將設(shè)計(jì)降到最低。

3 功能結(jié)構(gòu)

涉及到的模塊絕大多數(shù)使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)工具使用Unity5.6.1以及Visual Studio Community 2015，基礎(chǔ)開發(fā)包為MixedRealityToolkit-Unity5.6，開發(fā)環(huán)境為Windows10。每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)邏輯都按實(shí)際需求考慮以降低誤差為第一要素設(shè)計(jì)，各模塊協(xié)作組合。

4 系統(tǒng)功能

4.1 幫助模式

為用戶提高了必要的提示指導(dǎo)，方便用戶能在短時(shí)間快速理解軟件操作與功能。

4.2 預(yù)覽模式

通過操作用戶隨時(shí)得到可360°無死角預(yù)覽的整體框架縮略模型，使用戶可以快速對環(huán)境有個(gè)整體認(rèn)知，提高校檢效率。

4.3 校檢模式

運(yùn)行該模式進(jìn)行真正的比對校檢，通過簡單的操作將虛擬錨點(diǎn)與現(xiàn)實(shí)標(biāo)志對應(yīng)結(jié)合內(nèi)部邏輯就能實(shí)現(xiàn)虛擬標(biāo)準(zhǔn)模板在現(xiàn)實(shí)場景中的疊加，通過比對混合圖像的異同來確定建筑工程的施工是否正確。同時(shí)也可以作為施工時(shí)的參照。

4.4 場景旋轉(zhuǎn)信息校準(zhǔn)

旋轉(zhuǎn)標(biāo)志物作為中間媒介，當(dāng)旋轉(zhuǎn)標(biāo)志物旋轉(zhuǎn)信息與現(xiàn)實(shí)場景一致時(shí)，虛擬場景的旋轉(zhuǎn)信息就和現(xiàn)實(shí)場景嚴(yán)格一致了。

4.5 信息記錄功能

為便于操作，圖像捕獲是最適合最有必要的信息記錄手段。

4.6 設(shè)計(jì)尺寸預(yù)覽

使用者在使用時(shí)可以開啟設(shè)計(jì)尺寸預(yù)覽輔助功能，得到場景下需求的虛擬構(gòu)件的設(shè)計(jì)尺寸。

5 應(yīng)用技術(shù)

5.1 Mixed Reality Toolkit

Mixed Reality Toolkit（混合現(xiàn)實(shí)工具包）是為了加速面向Windows混合現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用程序的開發(fā)而開發(fā)的腳本和組件的集合。

本項(xiàng)目采用了微軟開源的行為準(zhǔn)則。

5.2 Vuforia Augmented Reality SDK

Vuforia Augmented Reality SDK（Vuforia擴(kuò)增實(shí)境軟件開發(fā)工具包），它利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)時(shí)識別和捕捉平面圖像或簡單的三維物體（例如盒子），然后允許開發(fā)者通過照相機(jī)取景器放置虛擬物體并調(diào)整物體在鏡頭前實(shí)體背景上的位置。

5.3 多重坐標(biāo)映射

為多次多重校準(zhǔn)設(shè)計(jì)的空間坐標(biāo)映射模式，運(yùn)用圖形學(xué)理論，將不同空間坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)信息按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)操作達(dá)到靈活的自定義坐標(biāo)映射，方便設(shè)計(jì)與后期修改。

6 總結(jié)

初步驗(yàn)證確實(shí)MR技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域確實(shí)有一定的使用價(jià)值，能起到較傳統(tǒng)模式所不具備的直觀校檢功能。變相的降低了校檢人員的經(jīng)驗(yàn)要求，提高校檢效率與相對精度?？傮w上講，本次設(shè)計(jì)研究初步驗(yàn)證，在HoloLens硬件沒有突破性革新的情況下有一定參考價(jià)值，在精度要求很高的建筑施工領(lǐng)域智能化水平還未達(dá)到期望值。需要操作人員在偏差值超過閾值之前進(jìn)行人為手動校準(zhǔn)，雖然通過設(shè)計(jì)手段將單次校準(zhǔn)的操作和精度都提高到了設(shè)計(jì)最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊威.BIM技術(shù)在電力工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].電力與能源，2014，35（04）：530-532.

[2]胡驍強(qiáng).基于BIM和RFID技術(shù)的風(fēng)電建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量管理研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2017.

[3]初毅，邵兆通，武濤.基于MR+BIM技術(shù)的信息化建筑工程應(yīng)用探討[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2017，9（05）：94-97.