增強現實技術引領行業新變革

文｜李端陽 耿振云

增強現實（AR）一般指的是將計算機產生的虛擬信息或物體疊加到真實場景中，從而產生出一個虛實結合的“混合世界”的技術。用戶通過頭戴式增強設備（HMD）、視覺眼鏡還有手持式監測設備等從“混合世界”中得到更多關于現實世界的信息。AR起源于虛擬現實（VR），它提供了一種半浸入式的環境并且強調真實場景和虛擬世界圖像和時間之間的準確對應關系。由于AR技術大大提升了人類的感官體驗，已經開始影響人們的日常生活，其應用也日漸成熟與多樣。

隨著建筑、工程建設以及設備管理行業逐漸朝著基于BIM的數字化信息管理的方向發展，需要有更為直觀的視覺化平臺來有效地使用這些信息。增強現實技術（AR），這種將相應的數字信息植入到虛擬現實世界界面的技術，將有力地填補這一可視化管理平臺的缺失。例如，工程管理人員試圖模擬特定的建造過程并獲得反饋，但是實際狀況是他們只能夠實現在虛擬環境中建造過程的可視化，卻無法從現實中得到有效的反饋。增強現實技術（AR）則可以將虛擬的3D模型疊加在實時的視頻錄像當中，提高界面視覺化的程度，增加用戶的理解，從而可以幫助工程管理者做出更快速、準確的反應。而且由于成本較為低廉，應用范圍更為廣泛，在未來十年，移動AR技術將會對建筑、工程、建設和運營產業（AECO）產生巨大影響。

圖1 模型建模

圖2 項目應用

隨著三維協同設計的穩步發展，在可見的不遠的將來將取代傳統的二維設計。AR技術在設計領域的應用，也為三維模型的應用提供了更好的展示手段，三維模型與二維的設計、施工圖紙也能更加緊密的結合。AR技術在勘察設計領域中可以有效地應用于實時方案比較、設計元素編輯、三維空間綜合信息整合、輔助決策和設計方案多方參與等方面。

增強現實技術的應用

復雜體型識別。在復雜體型的計算機視覺識別領域，國內外的相關研究者們也取得了長足的發展，比如奧地利某教堂，在二次世界大戰的戰火中受損，原有的尖頂損毀了，來自奧地利的Wikitude公司開發了wikitude SDK，通過BIM軟件對該教堂進行建模，使用AR技術可實現手持設備對真實建筑的識別，并查找到建筑的缺損部分，以虛擬世界中的三維模型填補缺損部位，真實地還原出教堂的原有風貌。

智能手持設備。在增強現實技術出現以來至今，智能手持設備一直占主導地位，以手機和平板電腦為典型代表。目前在教育領域和工程建設領域都取得了不俗的表現。在地產營銷領域，不同于傳統的二維戶型圖，通過虛擬現實技術，可以通過手持智能設備與二維戶型圖的結合，將三維戶型模型與二維戶型圖真實的結合在一起，更加真實的將房產信息、功能、內部情況展現給業主（如圖3）；在教育領域，通過智能手持設備與二維圖書的結合，可以將原二維的圖書與三維模型、三維動畫、影像、聲音相結合，讓孩子們的學習不再枯燥，能夠更快的接受知識（如圖4）。

智能眼鏡。在AR增強現實硬件設備方面，也在飛速發展，增強現實眼鏡從概念設計階段正逐漸走向實用。互聯網搜索引擎巨頭谷歌公司在2012年4月發布的GoogleGlass，具有和智能手機同樣的功能，鏡片上方配備了一個頭戴式微型顯示屏，它可以將數據投射到用戶右眼上方的小屏幕上，顯示效果如同2.4米外的25英寸高清屏幕，實際上就是“微型投影儀+攝像頭+傳感器+存儲傳輸+操控設備”的結合體。短短三年內，國內外與GoogleGlass類似的產品已經達上百款，相關應用更是不計其數，從工業裝配、物流、倉儲、醫療、教育等等不一而足，與使用手機、平板等實現增強現實的方式不同，增強現實眼鏡可以解放人類的雙手，不再需要捧著手機看圖紙、看操作說明。

圖3 地產營銷領域

圖4 教育領域

增強現實技術（AR）與BIM系列軟件的結合

BIM模型的局限性

可視化設計是設計師之間共享設計視角、進行協同設計的關鍵；一個更加直觀的可視化平臺對于如今需要有效地處理數字信息的建筑設計產業來說更是必不可少的。中水北方公司數字化標準化辦公室自2012年以來，基于BIM系列軟件，一直致力于公司的三維協同設計研究和推廣工作。在與實際項目結合中，認識到了傳統BIM軟件在視覺展示中存在較大的局限性，軟件都具有較強的專業性；雖然功能強大，但是僅針對設計人員，而設計單位的領導、專家、施工單位等很難深入學習、使用。雖然在過去的幾年中制造了大量的BIM數據，但是數據的應用卻僅僅局限在生成二維圖紙、三維PDF和三維渲染漫游動畫，很難全面體現出三維協同設計的優勢所在。

AR+BIM的優勢

通過AR增強現實技術，可以將二維圖紙與三維BIM模型無縫對接，充分發揮三維協同設計的優勢，為應用BIM模型數據提供了一條全新的捷徑，BIM模型中的大量建設信息也能夠得以更充分的進行展示。招投標環節中，使用AR+BIM技術與二維圖紙相結合進行交流和決策時，更加高效。施工現場通過AR技術加載虛擬的施工內容，使現場人員從平面化的數據提取這種需要較高專業素養的活動中解脫出來，可以在現場施工管理中減少由于施工組織和圖紙的誤解和信息傳遞的失真所造成的巨大損失，減少施工員反復讀圖識圖的時間。

圖5 Google Glass

圖6 倉儲

圖7 裝配

圖8 AR在水電廠房圖紙中的應用

圖9 AR在重力壩圖紙中的應用

增強現實圖紙系統的實現

根據實際工程，通過相關軟件（如AECOsim Building Designer）進行三維協同設計，構建三維模型，在程序實現時可調用這些模型，直接在真實場景中進行加載。

本文中所采用的模型均采用AECOsim Building Designer進行建模，所采用的模型材質也均為AECOsim Building Designer自帶材質，未做任何修改。

本文基于二維設計圖紙制作了兩個標志模板，在其上面分別疊加了水電廠房、重力壩。通過測試，系統可以準確的對二維圖紙進行識別，并將三維虛擬模型疊加在真實二維圖紙上，步驟如下：

1.在PC中搭建JAVA開發環境以及Android模擬器SDK。

2.安裝Unity3D軟件，設置模擬器路徑。

3.將建筑信息模型從AECOsim Building Designer中導出為一種通用格式，如Fbx。

4.將BIM模型對應的二維圖紙轉換為Unity3D軟件可以使用的UnityPackage。

5.在Unity3D軟件中，導入高通的Vuforia AR插件，將上面提到的Fbx文件和UnityPackage導入軟件中。

6.通過Unity軟件進行簡單的編輯后，即可生成相應的手機端安裝文件。

7.安裝至智能手機端，本文中所采用的手持設備型號為三星N7100。

8.打印cad二維圖紙，使用手機攝像頭進行識別，具體效果如圖8、9所示。

可見基于Vuforia的虛擬現實展示效果還是比較理想的，在攝像頭拍攝真實場景，如真實二維圖紙的時候這些虛擬物體也顯示了出來，可以實時的實現虛實疊加，且在移動模板或者攝像頭移動的時候，虛擬物體會隨著真實世界進行相應的變化，BIM模型與二維圖紙實現了無縫的結合。

水利水電勘察設計領域的設計方式正在經歷一場由傳統二維設計向三維協同設計轉變的革命。相比傳統的二維設計，AR與BIM的結合，提升了工程相關人員對設計的認知能力，使BIM模型中龐大的數據可通過AR技術準確提取和可視化，必將對BIM技術在水利水電勘察設計領域的發展起到極大的推進作用。

本文中筆者用Bentley系列三維設計軟件和高通Vuforia增強現實技術，完成了一個有多個人工標識的簡單的增強現實系統，實現了實時的虛實疊加。隨著計算機軟硬件的發展，增強現實系統的應用也將越來越廣泛地應用到各個行業，增強現實可以為城市規劃、地下管線的探測、勘察設計的施工等服務，但是增強現實需要研究的問題也還有很多，如復雜背景下人工標志的快速識別，基于自然特征的增強現實系統的實現等等。