AR技術(shù)在建筑施工領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用

黃濤娟

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)是一種新興計算機應(yīng)用和人機交互技術(shù)，通常所說的增強現(xiàn)實，指的是用虛擬內(nèi)容來做視覺上的增強，通過屏幕或投影設(shè)備來顯示。它的本質(zhì)是通過計算機技術(shù)將生成的虛擬物體、場景、視頻、音頻、動畫及提示信息等疊加到真實世界，通過混合技術(shù)給用戶呈現(xiàn)一個信息增強的現(xiàn)實世界與虛擬世界的混合體，可以增強用戶對真實世界的感知能力[1-4]。根據(jù)AR在其他領(lǐng)域的指導(dǎo)應(yīng)用，AR技術(shù)也可以應(yīng)用于建筑施工中，早在1996年，Webster就將AR技術(shù)應(yīng)用于建筑施工、檢查和維修中，展示了其教學(xué)指導(dǎo)作用，后來也有研究應(yīng)用AR技術(shù)實現(xiàn)圖紙的三維可視化、施工模擬可視化等。本文通過增強現(xiàn)實技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用及發(fā)展研究，將建筑施工領(lǐng)域的分析和技術(shù)相結(jié)合進行探討，汲取國外先進的AR建筑應(yīng)用技術(shù)，開發(fā)移動端應(yīng)用程序并在實景中疊加可以互動的3D圖像，便于施工過程中信息的交流理解，減少誤讀、信息傳遞失真等情況。

1 軟件設(shè)計流程及關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 軟件設(shè)計流程

移動增強現(xiàn)實系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成。硬件部分主要包括可以把計算機所生成的虛擬物體和用戶當(dāng)前所處的真實環(huán)境及提示文字等同時進行顯示的載體，本課題利用帶有攝像功能的用戶手持終端（如智能手機、平板電腦等）作為虛擬顯示器。軟件系統(tǒng)則是基于Vuforia SDK插件和Unity3D開發(fā)的可以進行增強現(xiàn)實對象的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放、動作觸發(fā)、視頻播放等交互功能的APP。

總體上看，AR技術(shù)的關(guān)鍵在于設(shè)備對周圍環(huán)境的感知理解：最基本的，是確定設(shè)備自身的空間位置；再高級一點的，是對環(huán)境進行實時重建；更高級的，就涉及到識別、認知和交互了。其中，定位是最基礎(chǔ)的，只有設(shè)備自身的位置和朝向精確地被確定，虛擬出來的內(nèi)容才能和現(xiàn)實很好地結(jié)合，以達到足夠的真實感，并且該過程需要實時地進行。目前應(yīng)用于移動設(shè)備上的AR主要有2類：基于圖片標(biāo)記的AR和基于IMU的AR。本文研究的是基于圖片標(biāo)記的AR，在移動終端拍攝特定的圖像，在預(yù)覽畫面中疊加3D動畫效果，移動或者旋轉(zhuǎn)手機，3D動畫始終與拍攝的圖片保持固定的位置關(guān)系，從而達到增強現(xiàn)實的體驗。

增強現(xiàn)實技術(shù)的程序基本流程（圖1）為：獲取攝像頭的圖像、識別標(biāo)識、檢測標(biāo)識的位置和方向、虛實結(jié)合，合成CG動畫顯示。

圖1 增強現(xiàn)實技術(shù)的程序基本流程

1.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.2.1 真實高效的3D渲染

目標(biāo)物體的識別完成時，展現(xiàn)在移動端顯示器中的三維輔助圖形需要根據(jù)實際施工現(xiàn)場施工工藝進行3D模型的精確建模（圖2、圖3）。三維精確建模主要是利用現(xiàn)有成熟BIM軟件實現(xiàn)從二維CAD建筑結(jié)構(gòu)圖紙到三維建筑結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)變。其中需要整理模型物理參數(shù)和高效材質(zhì)等內(nèi)容，實現(xiàn)真實、高效的模型建模渲染和設(shè)置。

圖2 主樓及裙房三維模型

圖3 裙房近景

1.2.2 目標(biāo)的精確識別

此應(yīng)用程序采用高通的Vuforia SDK插件來實現(xiàn)目標(biāo)物體的識別功能。Vuforia是一個能讓應(yīng)用擁有視覺的軟件平臺，開發(fā)人員可以輕松地為任何應(yīng)用程序添加先進的計算機視覺功能，使其能夠識別圖像和對象，并與現(xiàn)實世界中的空間進行交互。Vuforia提供Unity 3D開發(fā)，通過上傳圖片數(shù)據(jù)到云數(shù)據(jù)庫進行圖片識別（圖4），識別完成后在對應(yīng)的現(xiàn)實場景中增加虛擬現(xiàn)實的內(nèi)容。Vuforia SDK同時允許5個目標(biāo)在攝像頭范圍內(nèi)并且同時可以允許50個圖像目標(biāo)在資源數(shù)據(jù)庫中。運行時允許交換數(shù)據(jù)集，這使得應(yīng)用程序可以容納更多的目標(biāo)。它的圖片識別機制如下：

1）服務(wù)器對上傳圖片進行灰度處理，使其變?yōu)楹诎讏D。

2）提取黑白圖像特征點。

3）將特征點數(shù)據(jù)打包。

4）程序運行時對比特征點數(shù)據(jù)包。

1.2.3 界面和可視化

用3DMAX等專業(yè)建模軟件構(gòu)建的三維模型沒有地理坐標(biāo)，在構(gòu)建大范圍場景時有一定困難，為實現(xiàn)把三維模型準(zhǔn)確地繪制到當(dāng)前的場景中（圖5），就需引入AR技術(shù)，將識別代碼植入三維模型對應(yīng)的二維CAD圖紙上。

圖4 二維識別圖紙

圖5 Unity中二維圖紙上繪制三維模型

本課題開發(fā)工具選用Unity，它是一款專業(yè)的游戲引擎，能夠提供方便、簡潔的多平臺游戲開發(fā)，擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道，比較適用于虛擬現(xiàn)實世界的生成。Unity 3D技術(shù)實現(xiàn)全系統(tǒng)資源整合和集成，物體坐標(biāo)采用笛卡爾坐標(biāo)系描述，Transform組件用來描述在空間中物體的狀態(tài)，它包括位置、旋轉(zhuǎn)和縮放。在Unity中導(dǎo)入Vuforia SDK插件包和資源包后，就可以給模型添加腳本，實現(xiàn)3D模型的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、文字顯示等，也可以設(shè)計用戶界面，通過按鈕控制視頻和音頻的播放、暫停、終止，以及為模型添加文字、圖片等輔助信息。在Unity中，利用Vuforia實現(xiàn)虛實結(jié)合的操作如下：

1）新建Unity 3D工程，導(dǎo)入Vuforia-Unity 3D數(shù)據(jù)包和從云數(shù)據(jù)庫下載的包含識別圖的目標(biāo)包。

2）添加AR Camera和Image Target到場景中，模型添加到Image Target下。

3）設(shè)置AR Camera參數(shù)。

4）設(shè)置Image Target參數(shù)。

5）編寫腳本為模型添加事件。

交互操作時，程序會根據(jù)用戶的手勢信息判斷接觸點的位置、數(shù)量以及手勢方向調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)，從而實現(xiàn)對模型的交互控制。觸摸點的數(shù)量由Input.touchCount函數(shù)獲得。當(dāng)Input.touchCount＜＝0時，代表觸摸點為零，即沒有觸摸，否則當(dāng)Input.touchCount=1時為單點觸摸，控制模型水平上下旋轉(zhuǎn)。當(dāng)Input.touchCount=2時為多點觸摸，控制模型放大縮小。Offset記錄老的2個觸摸點距離和新的2個觸摸點距離差，Offset值為正表示放大手勢，為負表示縮小手勢，然后調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)（圖6）。

圖6 手勢識別和模型控制流程

本文研究了基于Android和IOS平臺發(fā)布apk格式的應(yīng)用程序。圖7為安卓手機上安裝APP后測試示例效果，運行APP后，手機攝像頭對準(zhǔn)并識別圖紙，屏幕上疊加顯示建筑的3D模型，點擊屏幕或虛擬按鈕實現(xiàn)交互操作。

2 應(yīng)用案例

本文的研究成果可廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中的數(shù)字化輔助建造。

圖7 測試示例效果

2.1 機械維護和修理

AR 應(yīng)用可以用于復(fù)雜的機械裝配、維護和修理，允許施工人員在需要的地方查看設(shè)計、施工或運維信息，通過真實環(huán)境疊加的3D畫面，查看具體的施工操作流程。

2.2 標(biāo)書、報告、書籍等的擴展內(nèi)容展現(xiàn)（3D書籍）

AR技術(shù)可以用于書籍的模型化展示，讓圖片上靜態(tài)的建筑變成3D立體建筑模型，可以讓用戶直觀地看到建筑物的構(gòu)造細節(jié)，點擊屏幕可以與3D建筑模型進行交互，將視覺的畫面擴展到視聽多方位的體驗。

2.3 各類展會的輔助多媒體解說（虛擬解說員）

代替?zhèn)鹘y(tǒng)的宣傳展示形式，展會中將3D建模的卡通人物疊加到展覽圖片中，通過實時視頻顯示或音頻講解進行現(xiàn)場解說，并將內(nèi)容以多媒體的方式呈現(xiàn)給參觀者，展示更多的咨詢內(nèi)容，提升參觀者的觀賞體驗。

3 結(jié)語

本文是基于圖紙的AR研究，在此基礎(chǔ)上的下一個目標(biāo)是將AR技術(shù)引入施工現(xiàn)場，將虛擬模型與真實環(huán)境等比例結(jié)合，以產(chǎn)生更好的視覺沖擊，輔助施工作業(yè)，保證工期、施工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。另外，有人把AR看作新的計算平臺，完全不為過，試想一下，最早期的尋呼機、功能機只是提供一維的通知、電話或短信服務(wù)，到了智能機時代，大屏的出現(xiàn)，二維的圖像、音視頻成了主流，那下一個時代呢，也許3D技術(shù)、AR會是計算設(shè)備的核心能力之一。

在全面建設(shè)智慧城市的形式下，智能建筑的發(fā)展需要新技術(shù)的支撐，AR技術(shù)代表的先進科技應(yīng)該得到重視，要加快對先進科技的研究和應(yīng)用，推進建筑行業(yè)的改革。