AR 基于裝配式的應(yīng)用研究

劉家珣，何日福，楊可亮

（廣州粵建三和軟件股份有限公司，廣東 廣州 510640）

0 引言

在建筑工業(yè)化、智能建造發(fā)展趨勢(shì)的背景下，建筑行業(yè)裝配式建造迎來(lái)了快速的發(fā)展。施工安裝過程是裝配式建筑生產(chǎn)過程中的重要一階段，工序嚴(yán)密、工藝要求高，而此階段更多地依靠人工來(lái)進(jìn)行指揮、操作，所以對(duì)施工團(tuán)隊(duì)整體素質(zhì)提出了更為苛刻的要求。高質(zhì)量工藝的要求、快速發(fā)展的需求與能力相對(duì)低下的施工工人隊(duì)伍之間的矛盾，亟待解決。數(shù)字化新技術(shù)快速發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)的出現(xiàn)與 BIM 技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，為我們解決此問題提供了方向［1］。但 AR 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與建筑裝配式施工的相結(jié)合，面臨一系列亟待解決的技術(shù)問題。本文針對(duì) AR 基于裝配式的應(yīng)用研究主要包含 AR 遠(yuǎn)程協(xié)作和 AR 三維圖像識(shí)別兩個(gè)內(nèi)容。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

為了解決 AR 在裝配式安裝上的技術(shù)問題，Mohr 等研發(fā)出了一種 AR 編輯系統(tǒng)，可以將傳統(tǒng)的技術(shù)文檔轉(zhuǎn)換成 AR 技術(shù)文檔，這個(gè)編輯系統(tǒng)有效地提高了傳統(tǒng)技術(shù)文檔的 AR 編輯效率，但是針對(duì)裝配式建筑施工過程中的工序穿插多、工藝要求高、零部件繁多等施工信息，此系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)編輯。Katharina 等對(duì)視頻這一表達(dá)方式，研究分析了 AR 編輯的軟件工具，雖然視頻這一可視化表達(dá)方式在操作上較為簡(jiǎn)單，但也無(wú)法完整、準(zhǔn)確地表達(dá)出裝配式建筑施工過程。Zauner 等開發(fā)的 AMIRE 編輯向?qū)?，很有效地配合建筑模型運(yùn)用動(dòng)畫以及二維信息（文字、圖片等）指導(dǎo)演示裝配過程，但其所編輯的需為具備大平面的對(duì)象；李旺等［1］應(yīng)用 IDEHX 方法搭建裝配式建筑施工工藝信息的數(shù)據(jù)模型，然后應(yīng)用 AR 技術(shù)，對(duì)裝配式建筑施工工藝信息的數(shù)據(jù)模型做增強(qiáng)可視化編輯，最后再對(duì)其編輯數(shù)據(jù)的管理作進(jìn)一步研究。在框架結(jié)構(gòu)這一整體裝配式類型的裝配式建筑上，干學(xué)宏等［2］針對(duì)其施工重難點(diǎn)部位做了 3D 模型搭建和施工過程重現(xiàn)，形成了一系列的三維素材和學(xué)習(xí)資源。

針對(duì) AR 在裝配式安裝上的問題，本文提出了通過 AR 遠(yuǎn)程協(xié)作與場(chǎng)外專家進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的場(chǎng)景互動(dòng)，和通過圖像識(shí)別和手勢(shì)識(shí)別進(jìn)行實(shí)時(shí)全方位裝配式模擬動(dòng)畫兩種解決方案，并通過了相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證該方案可行性。

2 基于裝配式施工的 AR 技術(shù)

2.1 AR 遠(yuǎn)程協(xié)作技術(shù)

AR 遠(yuǎn)程協(xié)作是指通過語(yǔ)音視頻通訊、AR 實(shí)時(shí)標(biāo)注進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)作，提高企業(yè)生產(chǎn)、維修、培訓(xùn)等價(jià)值鏈效率的技術(shù)。AR 遠(yuǎn)程協(xié)作可以支持雙人協(xié)作的 AR 體驗(yàn)，使兩方之間能夠?qū)崟r(shí)共享 AR 效果。

遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)系統(tǒng)于醫(yī)療、安防、電力等系統(tǒng)早已經(jīng)擁有成熟的應(yīng)用。隨著裝配式施工帶來(lái)的技術(shù)新挑戰(zhàn)，AR 遠(yuǎn)程協(xié)作技術(shù)在工程方面的應(yīng)用也提上了日程。AR 遠(yuǎn)程協(xié)作技術(shù)是種連接工具，在裝配式施工中施工人員通過視頻把第一視角分享給專家，以視頻為出口，在專家和工人之間實(shí)現(xiàn)通暢的交互，有效傳輸視頻類的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等。專家通過在遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行操作和指導(dǎo)，利用自動(dòng)識(shí)別與實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，把虛擬的指導(dǎo)畫面與真實(shí)的場(chǎng)景進(jìn)行疊加，并實(shí)現(xiàn)高精度且高時(shí)效的信息流傳遞，以輔助施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工人進(jìn)行專業(yè)性的施工作業(yè)。

2.2 AR 三維圖像識(shí)別

AR 三維圖像識(shí)別技術(shù)是基于對(duì)二維平面圖像的擴(kuò)展。三維圖像的識(shí)別前提是需要目標(biāo)用此項(xiàng)技術(shù)來(lái)檢測(cè)裝配式部品構(gòu)件，并拍攝視頻，識(shí)別裝配式部品構(gòu)件的自然特征，然后將當(dāng)前拍攝的視頻圖像與對(duì)應(yīng)建筑部品構(gòu)件模型的圖像進(jìn)行匹配，最后根據(jù)匹配的結(jié)果，判斷當(dāng)前的場(chǎng)景圖像與模型的圖像是否具有一致性［3］。如果不具有一致性，則繼續(xù)識(shí)別這一過程；如果具有一致性，則進(jìn)入檢測(cè)階段。在檢測(cè)階段，根據(jù)圖像與模型之間的映射，首先得到當(dāng)前圖像所對(duì)應(yīng)物體模型的三維空間點(diǎn)坐標(biāo)，其次得到二維平面坐標(biāo)到三維空間坐標(biāo)的投影矩陣，然后根據(jù)投影矩陣和已有的內(nèi)參矩陣計(jì)算復(fù)原出當(dāng)前圖像幀的位姿矩陣，最后進(jìn)行幾何校驗(yàn)和反投影誤差的分析，判斷得出的位姿矩陣是否有效。如果有效，那么就可以進(jìn)行下一步—指定虛擬物的三維坐標(biāo)，再自動(dòng)疊加三維模型、渲染顯示效果。下面就可以進(jìn)入跟蹤階段，連續(xù)跟蹤新的圖像、計(jì)算新的位姿矩陣、渲染新的模型［4］，如果跟蹤的點(diǎn)位數(shù)量影響到了位姿矩陣的計(jì)算準(zhǔn)確度時(shí)，則重新對(duì)視頻圖像做識(shí)別和檢測(cè)。

3 裝配式部品構(gòu)件工藝信息模型

裝配式建筑施工工藝技術(shù)一般以文字描述、圖片示意為主，信息傳遞的難度較大；而AR與裝配式結(jié)合能以多種形式表達(dá)施工工序、工藝等過程信息，更利于施工人員準(zhǔn)確理解［5］。本文基于當(dāng)前工業(yè)化建筑與裝配式建筑行業(yè)發(fā)展的需要，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的部品構(gòu)件進(jìn)行分類與模型搭建，并根據(jù)當(dāng)前成熟的裝配式建筑施工工藝，提取主要以人的操作語(yǔ)言為中心、便于現(xiàn)場(chǎng)裝配人員的理解、使其能迅速獲取裝配操作的實(shí)施動(dòng)作指示，進(jìn)行基本裝配工藝信息建模，作為增強(qiáng)裝配式建筑展示傳統(tǒng)施工工藝的標(biāo)準(zhǔn)信息模塊［6］。

3.1 裝配式構(gòu)件分類

當(dāng)前工程上裝配式構(gòu)配件的種類繁多、產(chǎn)品規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)以及施工工藝不一，另外基于建筑工業(yè)化與裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展，并參考裝配式部品構(gòu)件分類研究成果——裝配式部品構(gòu)件分為結(jié)構(gòu)構(gòu)件、外圍護(hù)部品、內(nèi)裝部品和設(shè)備管線部品四大類，本文選取相對(duì)更易于標(biāo)準(zhǔn)化、信息化的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)備管線兩類作為信息模型的編輯。結(jié)構(gòu)構(gòu)件、設(shè)備管線分類如表 1、2 所示。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件分類

3.2 裝配式構(gòu)件信息模型

裝配式建筑施工工藝的基本構(gòu)成要素分為三項(xiàng)：工藝對(duì)象、工藝方法和工藝資源。每種施工工藝都是在此 3 項(xiàng)基本要素上組合而成。由于不同施工工序的工藝對(duì)象、工藝方法和工藝資源都各不相同，因此需要建立起統(tǒng)一的信息模型搭建、命名、編碼、屬性標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)將不同施工工序的的裝配式施工工藝信息通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

表2 設(shè)備管線分類

我們通過運(yùn)用 revit 對(duì)所選取的兩大類裝配式部品構(gòu)件進(jìn)行模型搭建工作，并且對(duì)每個(gè)裝配式部品構(gòu)件新建工藝對(duì)象、工藝方法和工藝資源三個(gè)共享參數(shù)。在工藝對(duì)象中存放部品構(gòu)件的本體，以及相關(guān)零件的工藝代號(hào)、工序號(hào)和工序名稱屬性等參數(shù)；在工藝方法中存放部品構(gòu)件以及相關(guān)零件的移動(dòng)路徑信息，主要包含部品構(gòu)件的起始目標(biāo)位置以及顯示狀態(tài)等數(shù)據(jù)；在工藝資源中放置施工所需的輔助用具，包括機(jī)械、設(shè)備、工具實(shí)體，以及此類輔助用具的必要屬性信息。

4 裝配式施工技術(shù)的 AR 應(yīng)用

4.1 裝配式構(gòu)件信息提取

在裝配式構(gòu)件分類并建模后，我們將基于 revit 平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，建立模型提取插件，獲取模型的幾何信息和屬性參數(shù)，生成相應(yīng)的 obj 格式文件。生成的 obj 格式文件中的數(shù)據(jù)主要分為標(biāo)準(zhǔn)裝配式部品構(gòu)件施工工藝參數(shù)、進(jìn)行三維展示、部品構(gòu)件三維信息以及施工作業(yè)工序標(biāo)識(shí)牌等指示牌四類。其中，標(biāo)準(zhǔn)裝配式部品構(gòu)件施工工藝參數(shù)是 AR 結(jié)合裝配式建筑施工工藝信息的基礎(chǔ)，主要有標(biāo)準(zhǔn)裝配式部品構(gòu)件施工工藝的類型屬性；三維可視化信息，展示標(biāo)準(zhǔn)裝配式部品構(gòu)件施工工藝，包含有展示虛擬物所需的屬性以及配套的影音資料；部品構(gòu)件信息模型作為標(biāo)準(zhǔn)裝配式部品構(gòu)件施工工藝和三維表達(dá)的載體。

4.2 裝配式構(gòu)件施工動(dòng)畫模型生成

模型動(dòng)畫的編輯生成是指在 AR 中模擬部品構(gòu)件的施工工序動(dòng)作，所需要的制作 AR 應(yīng)用的過程工具有 EasyAR、unity3D。首先是模型導(dǎo)入，將生成的 obj 格式文件應(yīng)用自帶插件導(dǎo)入 unity3D，由獲取的模型幾何信息和屬性參數(shù)反生成所需的三維模型，然后制作腳本展示框，展示標(biāo)準(zhǔn)裝配式部品構(gòu)件施工工藝參數(shù)、部品構(gòu)件三維信息等。其次，在開源的 EasyAR 中制作 AR 配置。最后，將部品構(gòu)件的施工工序拆解為一步步的動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作涉及工藝、對(duì)象、資源三要素的組合，生成模擬動(dòng)畫。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于對(duì)當(dāng)前建筑工業(yè)化、裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展需求，針對(duì)更易于標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備管線部品進(jìn)行分析，研究應(yīng)用 AR 三維圖像識(shí)別技術(shù)、AR 遠(yuǎn)程協(xié)作技術(shù)、視頻動(dòng)畫技術(shù)等，對(duì)裝配式建筑施工工藝標(biāo)準(zhǔn)化、指導(dǎo)施工安裝過程等發(fā)揮著重大作用。未來(lái)，可以基于 AR 的可視化技術(shù)與 BIM 信息化技術(shù)相結(jié)合，研究建筑施工進(jìn)度的自動(dòng)化跟蹤反饋，推進(jìn)建筑施工行業(yè)的智能化建造。Q