AR 技術(shù)在水利工程三維可視化場景構(gòu)建中的應(yīng)用研究

徐燕星 江潛成

（江西水利職業(yè)學(xué)院 水利工程系，江西 南昌330013）

隨著現(xiàn)代水利水電事業(yè)的不斷發(fā)展，堆石壩工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，其作為水利工程的重要組成部分，不僅在施工布置方面具有一定的復(fù)雜性，而且工程規(guī)模大，傳統(tǒng)圖紙難以有效把握工程現(xiàn)場，進(jìn)行三維可視化場景構(gòu)建尤為重要[1]。作為一門綜合性技術(shù)，三維可視化技術(shù)集計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)、圖像顯示以及人機(jī)交互為一體，能夠呈現(xiàn)出目標(biāo)物的整體特性。隨著VR 技術(shù)的發(fā)展，其在水利工程三維可視化場景中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，其能夠?qū)⑻摂M信息與真實(shí)場景進(jìn)行疊加，呈現(xiàn)出虛實(shí)結(jié)合的效果，保障三維可視化場景與工程真實(shí)場景的一致性。

1 水利工程三維場景中AR 技術(shù)概述

堆石壩是水利工程重要項(xiàng)目，構(gòu)建堆石壩三維可視化不僅能夠幫助管理人員正確認(rèn)識(shí)水利工程面貌、精確把握工程實(shí)際情況，而且能夠促進(jìn)堆石壩工程進(jìn)展。AR 技術(shù)下堆石壩工程三維可視化場景主要涉及到建筑物模型構(gòu)建、現(xiàn)場場景獲取以及虛擬相機(jī)等多個(gè)方面[2]。在具體應(yīng)用過程中，首先可以采用視頻監(jiān)控技術(shù)對(duì)施工現(xiàn)場圖像信息進(jìn)行獲取，在RTK-GPS 技術(shù)與IMU 技術(shù)綜合作用下，獲得三維空間坐標(biāo)，然后經(jīng)過虛擬相機(jī)完成三維注冊(cè)，實(shí)現(xiàn)虛擬與真實(shí)的結(jié)合，其三維場景構(gòu)建如圖1 所示。

2 AR 技術(shù)下堆石壩工程三維場景關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水利工程建筑物三維建模關(guān)鍵技術(shù)

水利工程三維可視化建設(shè)，在前期先完成CAD 設(shè)計(jì)，并利用3ds Max 軟件建設(shè)了堆石壩模型。首先按照?qǐng)D紙中水工建筑物相關(guān)情況重新對(duì)圖紙進(jìn)行整理，需要注意保留水工建筑物形體相關(guān)的點(diǎn)線面，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，明確坐標(biāo)信息[3]。其次利用3ds Max 軟件導(dǎo)入平面線條，對(duì)水工建筑物進(jìn)行剖面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)配合閉合曲線的設(shè)計(jì)，通過拉伸、放樣等形成實(shí)體。需要注意的是所有旋轉(zhuǎn)、平移等相關(guān)操作均應(yīng)依據(jù)水工建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行，進(jìn)而獲得三維實(shí)體模型。材質(zhì)貼圖環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)水工建筑物不同部位的需求選擇相應(yīng)的材質(zhì)，得到有材質(zhì)的水工建筑物三維實(shí)體模型。

圖1 AR 技術(shù)下堆石壩工程三維場景構(gòu)建

2.2 硬件相機(jī)注冊(cè)技術(shù)

水利工程項(xiàng)目中堆石壩規(guī)模大，擁有健全的基礎(chǔ)設(shè)施、視野開闊，再加上現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的支持以及視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，為堆石壩項(xiàng)目提供了更多可能性。此次研究在AR 技術(shù)具體應(yīng)用中引入硬件系統(tǒng)下相機(jī)注冊(cè)技術(shù)，其通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置能夠達(dá)到與真實(shí)相機(jī)一致的效果。此次研究在獲得現(xiàn)場圖像環(huán)節(jié)主要采用的是定焦攝像頭，因此需要將相機(jī)設(shè)置為六自由度，如何獲得相機(jī)6 個(gè)參數(shù)是硬件相機(jī)注冊(cè)的關(guān)鍵問題。研究堆石壩工程引入RTK-GPS 系統(tǒng)，其能夠幫助準(zhǔn)確、快速的獲得一個(gè)三維坐標(biāo)，將IMU 原件作為三維轉(zhuǎn)角，并在攝像頭上妥善固定，需要保持?jǐn)z像頭光軸與z 軸方向的一致[4]。在IMU 作用下，能夠了解攝像頭轉(zhuǎn)角參數(shù)，并將具體參數(shù)信息傳輸?shù)娇蛻舳耍ㄟ^解析后對(duì)虛擬相機(jī)賦予相應(yīng)的參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的三維注冊(cè)，具體見圖2、圖3。

圖2 三維空間坐標(biāo)注冊(cè)

2.3 真實(shí)場景的獲取及虛實(shí)融合

圖3 三維空間轉(zhuǎn)角注冊(cè)

工程現(xiàn)場安裝攝像頭后通過布設(shè)能夠獲得真實(shí)場景的實(shí)際情況。通常水利工程施工現(xiàn)場會(huì)安置大量的視頻監(jiān)控?cái)z像頭，壩肩位置的攝像頭則能夠?yàn)楣こ陶w面貌提供可靠的技術(shù)支持，不僅如此，通過高處攝像頭所獲得的工程施工場景圖像更為清晰。虛擬相機(jī)是獲得虛擬場景的重要支持設(shè)備，通過RTK-GPS 以及IMU 傳感器完成三維注冊(cè)后，可以對(duì)虛擬場景進(jìn)行拍攝，但該虛擬場景會(huì)與真實(shí)相機(jī)拍到的圖像重疊[5]。若排除遮擋因素，那么可以將虛擬相機(jī)拍攝的圖像與真實(shí)相機(jī)疊加，其能夠?qū)烧叩恼鎸?shí)空間關(guān)系予以反映。通常，虛擬相機(jī)完成注冊(cè)后，其與真實(shí)相機(jī)能夠具備相同的參數(shù)，因此，可以將兩者建立在同一個(gè)坐標(biāo)系中。如圖4 所示，其為一個(gè)虛實(shí)融合成像系統(tǒng)，假設(shè)該真實(shí)空間存在A、B、C 三點(diǎn)，成像平面用c 表示，a 與b 點(diǎn)重合表示的是A、B 兩點(diǎn)在成像平面中的成像問題，因此b點(diǎn)為優(yōu)先顯示，C 點(diǎn)則能夠?qū)臻g中B 點(diǎn)與C 點(diǎn)的關(guān)系予以反映[6]。

圖4 虛實(shí)融合成像

3 實(shí)例應(yīng)用

以江西省某水利樞紐工程為例，其是國家172 項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，工程概算批復(fù)總投資31.1618 億元，于2013年7 月1 日正式開工建設(shè)，2019 年4 月正式下閘蓄水。大壩全長498.62 米，最大壩高48.8 米，正常蓄水位56 米（黃海高程），總庫容4.747 億立方米，防洪庫容2.96 億立方米，電站總裝機(jī)3.2 萬千瓦，多年年平均發(fā)電量8152 萬千瓦時(shí)，是鄱陽湖水系昌江干流中游一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。

3.1 水工建筑物三維模型構(gòu)建

前期堆石壩工程建設(shè)已經(jīng)針對(duì)水工建筑物形體、位置等進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)三維模型時(shí)首先需要對(duì)建筑物基本信息進(jìn)行獲取。經(jīng)過分析、提取獲得建筑物典型斷面相關(guān)信息，平面圖像幾何尺寸均與水工建筑模型一致[7]。然后將3dsMax 導(dǎo)入，在線對(duì)象生成面作用下，經(jīng)過面對(duì)象獲得實(shí)體對(duì)象。針對(duì)實(shí)體對(duì)象經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、平移、組合以及布爾運(yùn)算等一系列操作，獲得水工建筑物三維實(shí)體模型，其主要由設(shè)計(jì)資料生成，然后按照不同水工建筑物特征，選擇相應(yīng)材質(zhì)對(duì)模型進(jìn)行貼圖處理，得到的三維實(shí)體模型如圖5 所示。

圖5 水工建筑物三維實(shí)體模型

3.2 真實(shí)場景獲取

在施工現(xiàn)場，為了解堆石壩工程的具體情況，需要在現(xiàn)場布設(shè)大量視頻監(jiān)控?cái)z像頭，Wie 保障圖像的順利傳輸，需要匹配相應(yīng)的圖像傳輸系統(tǒng)，在高點(diǎn)位置設(shè)置視頻監(jiān)控?cái)z像頭，能夠?qū)φ麄€(gè)施工區(qū)全貌予以全面的、清晰的觀察。

3.3 基于硬件的相機(jī)注冊(cè)

RT-GPS 以及IMU 均安裝在攝像頭上，將實(shí)時(shí)狀態(tài)下的攝像頭參數(shù)傳輸?shù)娇蛻舳撕?，能夠通過特定格式的解析，得到6 個(gè)與三維空間坐標(biāo)及三維空間轉(zhuǎn)角相關(guān)的參數(shù)[8]。需要注意的是三維姿態(tài)原始數(shù)據(jù)由傳感器傳出，經(jīng)過處理后，相應(yīng)參數(shù)在虛擬相機(jī)中設(shè)置，相機(jī)注冊(cè)完成。

3.4 基于AR 技術(shù)下水利堆石壩工程可視化

通常，對(duì)虛擬相機(jī)進(jìn)行注冊(cè)后，能夠利用虛擬相機(jī)得到水工建筑物影像，此時(shí)虛擬水工建筑物模型與真實(shí)施工圖像在同一個(gè)空間中，排除虛擬物體與真實(shí)物體的遮擋影響后，可以使得虛擬水工建筑圖像與真實(shí)場景重疊在一個(gè)圖像，其不僅能夠?qū)μ搶?shí)物體在空間上的關(guān)系予以反映，而且能夠提升現(xiàn)實(shí)效果。另外可以同時(shí)對(duì)兩張圖像每個(gè)像素進(jìn)行遍歷，以便虛擬物體成像能夠在真實(shí)的場景中進(jìn)行疊加。當(dāng)發(fā)現(xiàn)在某一像素上有虛擬物體模型成像點(diǎn)與真實(shí)場景成像點(diǎn)，那么可以將其作為虛擬水工建筑物的成像點(diǎn)。

結(jié)束語

針對(duì)當(dāng)前水利工程三維可視化場景構(gòu)建問題，可以先結(jié)合工程實(shí)際建立環(huán)境模型，引入AR 技術(shù)，在現(xiàn)場視頻監(jiān)控技術(shù)作用下獲得真實(shí)場景，保障水利工程堆石壩可視化展示與真實(shí)場景的一致性，提高直觀性及可視化效率，擁有廣闊的發(fā)展前景。