MR技術(shù)在BIM領(lǐng)域中的適用性研究

文/張永明 白樺

1 項目概述

目前的建筑信息化模型（BIM）已經(jīng)有較為完備的體系模型，它可集成整個工程生命周期中不同階段的工程信息資源于一體，以便于被工程的其他參與者調(diào)入使用。從BIM的設(shè)計過程可以看出，它不僅是數(shù)字信息的集成，更是數(shù)字信息的應(yīng)用，設(shè)計、建造、管理等方面的數(shù)字化方法都有應(yīng)用。

MR在BIM上的應(yīng)用不但可以提高電力工程部分環(huán)節(jié)的效率，而且將使得技術(shù)研究在電力工程中的適用具備一定精準(zhǔn)度，錄入信息更有參考價值。

2 研究路線

2.1 初步系統(tǒng)構(gòu)架

初步系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，本次研究以功能驗證為主。

系統(tǒng)分三種模式：

（1）幫助模式；

（2）預(yù)覽模式；

（3）校準(zhǔn)模式。

信息存儲方式以畫面捕捉為主要手段。功能驗證成功后續(xù)可以加以網(wǎng)絡(luò)拓展。

2.2 技術(shù)路線

2.2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計原則以便攜性原則、提高性設(shè)計的原則，本研究的MR技術(shù)硬件支撐采用當(dāng)前市面上先進(jìn)性數(shù)一數(shù)二的Microsoft Hololens開發(fā)者版本。該產(chǎn)品核心功能主要是依托于衍射型平顯、DLP投影芯片、SLAM技術(shù)的立體混合成像。讓使用者接收到虛擬場景與現(xiàn)實場景混合疊加的畫面（MR）。

2.2.2 軟件架構(gòu)設(shè)計原則

就設(shè)計的精準(zhǔn)性原則和設(shè)計正確原則，本研究設(shè)計的軟件特性：易于操作、更高效、更精準(zhǔn)、模板零誤差。對此設(shè)計就校準(zhǔn)功能之外額外設(shè)計了便于使用者認(rèn)知操作與內(nèi)容的幫助模式與預(yù)覽模式。

2.3 驗證

2.3.1 設(shè)計理論基礎(chǔ)

（1）通過虛擬錨點與現(xiàn)實標(biāo)志點的映射，確定空間。該映射允許多重多次自由組合，便于設(shè)計與修改。

（2）空間錨點的位置信息賦予通過Hololens空間映射技術(shù)實現(xiàn)。

2.3.2 模式探究

模式一如圖2所示。

優(yōu)點：這種方式對空間確定在錨點信息一一對應(yīng)的情況下誤差極小，錨點的定位操作也僅限于坐標(biāo)信息，適用于單次高精度校準(zhǔn)的作業(yè)。

缺點：每次校準(zhǔn)需要操作四個點，繁瑣；四次操作錨點，若使用者操作水平不高就會將誤差指數(shù)放大。

模式二如圖3所示。

優(yōu)點：這種方式對空間確定在錨點信息一一對應(yīng)的情況下誤差較小，錨點的操作次數(shù)僅為一，適用于需要多次校準(zhǔn)的作業(yè)。

缺點：空間的確定僅通過一個錨點信息，對使用者的操作水平要求較高，尤其是虛擬映射點的旋轉(zhuǎn)信息容易產(chǎn)生較大誤差。

3 功能結(jié)構(gòu)

涉及到的模塊絕大多數(shù)使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)工具使用Unity5.6.1以及Visual Studio Community 2015，基礎(chǔ)開發(fā)包為MixedRealityToolkit-Unity5.6，開發(fā)環(huán)境為Windows10。每個模塊實現(xiàn)與業(yè)務(wù)邏輯都按實際需求考慮以降低誤差為第一要素設(shè)計，各模塊協(xié)作組合。

4 系統(tǒng)功能

4.1 幫助模式

為用戶提高了必要的提示指導(dǎo)，方便用戶能在短時間快速理解軟件操作與功能。

4.2 預(yù)覽模式

通過操作用戶隨時得到可360°無死角預(yù)覽的整體框架縮略模型，使用戶可以快速對環(huán)境有個整體認(rèn)知，提高校檢效率。

4.3 校檢模式

圖1：初步系統(tǒng)架構(gòu)

圖2：模式一

圖3：模式二

運行該模式進(jìn)行真正的比對校檢，通過簡單的操作將虛擬錨點與現(xiàn)實標(biāo)志對應(yīng)結(jié)合內(nèi)部邏輯就能實現(xiàn)虛擬標(biāo)準(zhǔn)模板在現(xiàn)實場景中的疊加，通過比對混合圖像的異同來確定電力工程的施工是否正確。同時也可以作為施工時的參照。

5 總結(jié)

總體上講，本次設(shè)計研究初步驗證，在HoloLens硬件沒有突破性革新的情況下有一定參考價值，在精度要求很高的建筑施工領(lǐng)域智能化水平還未達(dá)到期望值。需要操作人員在偏差值超過閾值之前進(jìn)行人為手動校準(zhǔn)，雖然通過設(shè)計手段將單次校準(zhǔn)的操作和精度都提高到了設(shè)計最優(yōu)。