智能化混合現實技術MR建筑施工頭盔的研發與應用

戴文滔 郭秀娟 佟勝偉 張利來 彭相澍

【摘要】科技與經濟高速發展的今天，人們對生活品質的要求越來越高，各種各樣的智能化設備層出不窮，尤其是建筑施工領域，為了保證施工的高效性和準確性，可以利用混合現實技術，基于HoloLens混合現實設備，開發智能化混合現實技術MR建筑施工頭盔。頭盔在保障人身安全的前提下，通過混合現實技術進行改造效果模擬體驗、實現最佳的改造方案，保證施工安全、質量、控制施工成本。

【關鍵詞】混合現實技術 MR建筑施工頭盔 HoloLens

一、引言

科技的進步使得整個智能設備領域進入了全新的時代，智能化技術開始滲透到各個行業中去，建筑行業作為國民經濟中重要的組成部分，如果繼續采用老舊的施工技術，必然會加長工作時間，減緩工程進度，采用智能化技術可有效地提升工作效率，提高施工精準度。

混合現實技術提供了一種極具潛力的建筑施工手段，通過佩戴MR頭盔增強現實設備，進行施工效果模擬體驗，可以透過頭盔中的顯示器看到包含技術輔助信息的全息影像，在移動過程中解放雙手，并與全息影像實現語音、手勢等形式的交互，可以通過這些輔助信息的指導完成施工任務。

二、系統研究的意義

1.混合現實技術的興起

混合現實（Mixed Reality，MR）技術是一種將真實世界和虛擬世界混合在一起的技術，通過這種方式產生新的可視化環境，環境中包含了真實世界與虛擬信息。混合現實與增強現實（Augmented Reality）和虛擬現實（Virtual Reality）聯系緊密，增強現實是將虛擬現實加在真實環境中，虛擬現實則脫離現實環境，通過下圖可以清晰地看到三者之間的聯系與區別：

區間向左至無窮表示“真實環境”，向右至無窮表示“虛擬環境”，混合現實包含增強現實和增強虛擬。

2.HoloLens的應用

HoloLens作為混合現實科技的尖端應用，將計算機生成的虛擬效果疊加與現實世界上，用戶佩戴HoloLens的視線不受阻隔，仍然可以在室內空間行走自如。HoloLens可以跟蹤用戶的移動和視線變化，以光線投射的方式將虛擬的全息影像投射到用戶眼中，HoloLens同時支持用戶與虛擬對象完成手勢、語音等多種形式的實時交互。

使用者通過移動一個標準的HoloLens設備，可以快速地對一個室內場景進行細致的三維重建，使用從HoloLens中提取的深度數據，可以追蹤傳感器的三維姿態并重建，同時保證幾何上的精度和物理場景三維模型的實時性。

三、產品的設計與實現

1.空間掃描技術

HoloLens支持建筑空間內的深度掃描，HoloLens的幾何重建功能是通過SLAM（simultaneous localization and mappinp，即時定位與構圖）獲取建筑環境中詳細的三維模型。SLAM技術的核心過程是認知環境，攝像機在運動過程中根據位置和地圖進行定位，并在定位的基礎上建造地圖。HoloLens基于表面重建的方法超過了之前基于點的表現，更加精確地表現了真實世界的幾何關系。

施工人員佩戴HoloLens在施工場所可以完成對場景的三維建模，系統連續跟蹤HoloLens攝像機，并將攝像機中的數據融入合成的三維模型，施工人員在施工場所觀察時，新的物理圖像被顯示，這些新的圖像被融合在HoloLens構建的模型中，伴隨新的測量值被不斷獲取，建筑細節會被不斷完善，模型會更加精確。

2.混合現實的實現

實現混合現實的方式主要有手勢、凝視和語音，手勢控制大體分為點按和拖拽，通過識別手指的運動軌跡實現一系列操作;凝視的作用是選擇，通過眼神放置的位置來判斷;語音可以通過識別施工人員的語音來下達指令。

在建筑施工場所中，施工人員佩戴頭盔，通過凝視確定建筑環境中需要檢查的地方，并通過手勢確認指令固定放置在環境中的任意位置，施工人員還可以通過語音指令固定不同建筑構件所在的位置。施工人員也可以將虛擬的三維模型在地面上通過凝視指令移動并通過手勢或語音控制放置到任意位置。置身于建筑環境并佩戴HoloLens的用戶，不僅可以透過HoloLens的屏幕看到室內的真實場景。也可以看到BIM三維設計圖像，并采用手勢、凝視和語音控制虛擬信息，實現混合現實的效果。

3.解決的現實問題

基于國內建筑行業領域的蓬勃發展，本項目結合混合現實技術的可視化和交互性特點，研發建筑施工頭盔，為建筑施工工程建設實施階段提供良好的技術支持，推動國民經濟的發展，解決以下主要問題：（1）建筑施工工程項目生產效率較為低下，進度較慢及施工精確度低等問題;（2）建筑施工工程項目的施工人數過多，造成人力資源浪費的情況出現，還存在人員分配不合理的問題;（3）建筑施工工程項目的材料不符合實際施工要求，設備過于老舊，缺乏科技支撐;（4）建筑施工工程項目的信息技術缺乏，信息交互不全面性及交流不及時性。

四、結語

目前利用混合現實技術，并且結合BIM、Unity和JAVA等軟件，構建MR建筑施工頭盔已成為可能，這種頭盔既能保障施工人員的人身安全，提高建筑的施工效率，又能規避建筑施工所遇到的錯誤，提高建筑工作效率，提升建筑施工的精準度，MR建筑施工頭盔填補之前的技術空白，使建筑智能化走入人們的生活，MR建筑施工頭盔的高度智能化和便捷性直接決定其商業價值，未來在智能建筑領域一定有非常廣闊的市場，進而帶動國民經濟實現新的飛躍。

參考文獻：

[1]趙明航.基于混合現實技術的未來廚電設計研究[D].沈陽航空航天大學，2018.

[2]高韻.虛擬現實技術發展與啟示——以微軟HOLOLENS為例[J].互聯網經濟，2017（12）：50-55.

基金項目：吉林建筑大學大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：2018S1105。