智能化混合現(xiàn)實技術(shù)MR建筑施工頭盔的研發(fā)與應(yīng)用

戴文滔 郭秀娟 佟勝偉 張利來 彭相澍

【摘要】科技與經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，人們對生活品質(zhì)的要求越來越高，各種各樣的智能化設(shè)備層出不窮，尤其是建筑施工領(lǐng)域，為了保證施工的高效性和準確性，可以利用混合現(xiàn)實技術(shù)，基于HoloLens混合現(xiàn)實設(shè)備，開發(fā)智能化混合現(xiàn)實技術(shù)MR建筑施工頭盔。頭盔在保障人身安全的前提下，通過混合現(xiàn)實技術(shù)進行改造效果模擬體驗、實現(xiàn)最佳的改造方案，保證施工安全、質(zhì)量、控制施工成本。

【關(guān)鍵詞】混合現(xiàn)實技術(shù) MR建筑施工頭盔 HoloLens

一、引言

科技的進步使得整個智能設(shè)備領(lǐng)域進入了全新的時代，智能化技術(shù)開始滲透到各個行業(yè)中去，建筑行業(yè)作為國民經(jīng)濟中重要的組成部分，如果繼續(xù)采用老舊的施工技術(shù)，必然會加長工作時間，減緩工程進度，采用智能化技術(shù)可有效地提升工作效率，提高施工精準度。

混合現(xiàn)實技術(shù)提供了一種極具潛力的建筑施工手段，通過佩戴MR頭盔增強現(xiàn)實設(shè)備，進行施工效果模擬體驗，可以透過頭盔中的顯示器看到包含技術(shù)輔助信息的全息影像，在移動過程中解放雙手，并與全息影像實現(xiàn)語音、手勢等形式的交互，可以通過這些輔助信息的指導(dǎo)完成施工任務(wù)。

二、系統(tǒng)研究的意義

1.混合現(xiàn)實技術(shù)的興起

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術(shù)是一種將真實世界和虛擬世界混合在一起的技術(shù)，通過這種方式產(chǎn)生新的可視化環(huán)境，環(huán)境中包含了真實世界與虛擬信息?；旌犀F(xiàn)實與增強現(xiàn)實（Augmented Reality）和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）聯(lián)系緊密，增強現(xiàn)實是將虛擬現(xiàn)實加在真實環(huán)境中，虛擬現(xiàn)實則脫離現(xiàn)實環(huán)境，通過下圖可以清晰地看到三者之間的聯(lián)系與區(qū)別：

區(qū)間向左至無窮表示“真實環(huán)境”，向右至無窮表示“虛擬環(huán)境”，混合現(xiàn)實包含增強現(xiàn)實和增強虛擬。

2.HoloLens的應(yīng)用

HoloLens作為混合現(xiàn)實科技的尖端應(yīng)用，將計算機生成的虛擬效果疊加與現(xiàn)實世界上，用戶佩戴HoloLens的視線不受阻隔，仍然可以在室內(nèi)空間行走自如。HoloLens可以跟蹤用戶的移動和視線變化，以光線投射的方式將虛擬的全息影像投射到用戶眼中，HoloLens同時支持用戶與虛擬對象完成手勢、語音等多種形式的實時交互。

使用者通過移動一個標準的HoloLens設(shè)備，可以快速地對一個室內(nèi)場景進行細致的三維重建，使用從HoloLens中提取的深度數(shù)據(jù)，可以追蹤傳感器的三維姿態(tài)并重建，同時保證幾何上的精度和物理場景三維模型的實時性。

三、產(chǎn)品的設(shè)計與實現(xiàn)

1.空間掃描技術(shù)

HoloLens支持建筑空間內(nèi)的深度掃描，HoloLens的幾何重建功能是通過SLAM（simultaneous localization and mappinp，即時定位與構(gòu)圖）獲取建筑環(huán)境中詳細的三維模型。SLAM技術(shù)的核心過程是認知環(huán)境，攝像機在運動過程中根據(jù)位置和地圖進行定位，并在定位的基礎(chǔ)上建造地圖。HoloLens基于表面重建的方法超過了之前基于點的表現(xiàn)，更加精確地表現(xiàn)了真實世界的幾何關(guān)系。

施工人員佩戴HoloLens在施工場所可以完成對場景的三維建模，系統(tǒng)連續(xù)跟蹤HoloLens攝像機，并將攝像機中的數(shù)據(jù)融入合成的三維模型，施工人員在施工場所觀察時，新的物理圖像被顯示，這些新的圖像被融合在HoloLens構(gòu)建的模型中，伴隨新的測量值被不斷獲取，建筑細節(jié)會被不斷完善，模型會更加精確。

2.混合現(xiàn)實的實現(xiàn)

實現(xiàn)混合現(xiàn)實的方式主要有手勢、凝視和語音，手勢控制大體分為點按和拖拽，通過識別手指的運動軌跡實現(xiàn)一系列操作;凝視的作用是選擇，通過眼神放置的位置來判斷;語音可以通過識別施工人員的語音來下達指令。

在建筑施工場所中，施工人員佩戴頭盔，通過凝視確定建筑環(huán)境中需要檢查的地方，并通過手勢確認指令固定放置在環(huán)境中的任意位置，施工人員還可以通過語音指令固定不同建筑構(gòu)件所在的位置。施工人員也可以將虛擬的三維模型在地面上通過凝視指令移動并通過手勢或語音控制放置到任意位置。置身于建筑環(huán)境并佩戴HoloLens的用戶，不僅可以透過HoloLens的屏幕看到室內(nèi)的真實場景。也可以看到BIM三維設(shè)計圖像，并采用手勢、凝視和語音控制虛擬信息，實現(xiàn)混合現(xiàn)實的效果。

3.解決的現(xiàn)實問題

基于國內(nèi)建筑行業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，本項目結(jié)合混合現(xiàn)實技術(shù)的可視化和交互性特點，研發(fā)建筑施工頭盔，為建筑施工工程建設(shè)實施階段提供良好的技術(shù)支持，推動國民經(jīng)濟的發(fā)展，解決以下主要問題：（1）建筑施工工程項目生產(chǎn)效率較為低下，進度較慢及施工精確度低等問題;（2）建筑施工工程項目的施工人數(shù)過多，造成人力資源浪費的情況出現(xiàn)，還存在人員分配不合理的問題;（3）建筑施工工程項目的材料不符合實際施工要求，設(shè)備過于老舊，缺乏科技支撐;（4）建筑施工工程項目的信息技術(shù)缺乏，信息交互不全面性及交流不及時性。

四、結(jié)語

目前利用混合現(xiàn)實技術(shù)，并且結(jié)合BIM、Unity和JAVA等軟件，構(gòu)建MR建筑施工頭盔已成為可能，這種頭盔既能保障施工人員的人身安全，提高建筑的施工效率，又能規(guī)避建筑施工所遇到的錯誤，提高建筑工作效率，提升建筑施工的精準度，MR建筑施工頭盔填補之前的技術(shù)空白，使建筑智能化走入人們的生活，MR建筑施工頭盔的高度智能化和便捷性直接決定其商業(yè)價值，未來在智能建筑領(lǐng)域一定有非常廣闊的市場，進而帶動國民經(jīng)濟實現(xiàn)新的飛躍。

參考文獻：

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基金項目：吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，項目編號：2018S1105。