淺談視覺SLAM技術(shù)在建筑學(xué)中的應(yīng)用

彭勃

摘要：隨著智慧城市、建筑遺產(chǎn)保護(hù)、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)等的需求越來越多，如何快速有效地獲得三維空間精細(xì)化模型成為了研究重點(diǎn)。近年來，計(jì)算機(jī)視覺和人工智能是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的兩大熱門話題，計(jì)算機(jī)視覺下的視覺SLAM技術(shù)已經(jīng)在掃地機(jī)器人、汽車無人駕駛領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。基于視覺SLAM技術(shù)實(shí)時(shí)建圖和定位、成本低的特點(diǎn)，視覺SLAM技術(shù)將對建筑學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，如建筑測繪、建筑遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)方法及表現(xiàn)、建筑施工及檢測等方面帶來巨大變革。

關(guān)鍵詞：視覺SLAM;建筑學(xué);VR;三維重建;計(jì)算機(jī)視覺

隨著地面激光掃描技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，使建筑測繪過程趨向自動化和便捷化。激光掃描從光學(xué)測量的角度采用主動光學(xué)傳感器，通過發(fā)射和接受激光信號獲得物體三維距離信息，生成基于測距的三維重建;攝影測量采用被動光學(xué)傳感器間接獲得空間三維數(shù)據(jù)，生成基于圖形的三維重建。21世紀(jì)初，基于圖形的三維重建領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從大量圖形中重建三維場景的突破。2011年，來自美國華盛頓大學(xué)、微軟等機(jī)構(gòu)的研究者們使用來自互聯(lián)網(wǎng)的海量圖片短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了的羅馬城主要景點(diǎn)的三維模型重建，但其精度超出1%（100米誤差1米），無法滿足精確測量的需求。

一、視覺SLAM技術(shù)

視覺SLAM（Simultancous Localization andMapping）中文指“同時(shí)定位于地圖構(gòu)建”，它是指在周邊空間環(huán)境信息未知情況下，通過搭載特定的傳感器的主體，于運(yùn)動過程估計(jì)自己的運(yùn)動狀態(tài)，同時(shí)建立環(huán)境的模型。就如同我們?nèi)祟愖陨碜哌M(jìn)陌生的環(huán)境時(shí)進(jìn)行空間認(rèn)知一樣。整個(gè)視覺SLAM流程包括以下步驟：1.傳感器信息讀取;2.視覺里程計(jì);3.后端優(yōu)化;4.回環(huán)檢測;5.建圖。視覺SLAM自1986年提出以來，一直是機(jī)器人領(lǐng)域和基于圖形的三維重建領(lǐng)域的熱點(diǎn)。較激光掃描器和無人機(jī)等昂貴的設(shè)備，視覺SLAM的傳感器主體一單目相機(jī)、深度相機(jī)或雙目相機(jī)價(jià)格更為便宜。通過視覺SLAM框架后端優(yōu)化和回環(huán)檢測系統(tǒng)，測量誤差可控制在接受范圍內(nèi)。

二、視覺SLAM技術(shù)與建筑學(xué)

視覺SLAM技術(shù)當(dāng)今應(yīng)用于掃地機(jī)器人、汽車無人駕駛等領(lǐng)域。較無人機(jī)傾斜攝影側(cè)重單一物體重構(gòu)和大場景重構(gòu)不同，視覺SLAM在室內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境測量上更勝一籌。視覺SLAM技術(shù)除了在建筑測繪有不俗表現(xiàn)外，在建筑遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)及表現(xiàn)、建筑施工及檢測也將有深遠(yuǎn)的影響。

基地三維信息是建筑設(shè)計(jì)的依據(jù)，借助視覺SLAM技術(shù)能在地形圖未測情況下短時(shí)間低成本的獲得場地三維信息。測量者無需復(fù)雜的操作，僅手持相機(jī)或使用背包SLAM系統(tǒng)，無固定路線行走于場地之中，測得圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)演算生成場地?cái)?shù)據(jù)和模型。基于視覺SLAM作為激光掃描的代替，平均誤差不到3cm，在精度和成果形式上滿足了建筑測繪需求。視覺SLAM將圖像作為生成模型的材質(zhì)，重構(gòu)模型較激光掃描的單一材質(zhì)云點(diǎn)模型更具視覺直觀性。如東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在武漢大學(xué)學(xué)生俱樂部的測繪中，使用了全站儀、無人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)在5天內(nèi)完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，最終生成了建筑室內(nèi)外信息模型，該模型包含了建筑的實(shí)際狀態(tài)和以歷史圖紙建立的理想狀態(tài)模型，后續(xù)可以逐步加入材料、結(jié)構(gòu)、歷史變化等多維信息，用于建筑歷史信息記載、變形分析、結(jié)構(gòu)模擬等。

基于視覺SLAM下的建筑方案設(shè)計(jì)手段及展示借助于VR或AR技術(shù)，建筑師的工作場所將不局限于固定的室內(nèi)，而可以在現(xiàn)場或任意場所進(jìn)行虛擬重構(gòu)，使設(shè)計(jì)過程及效果呈現(xiàn)更具互動性和實(shí)時(shí)性。如室內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)過視覺SLAM讀取房間基本三維數(shù)據(jù)后進(jìn)行三維重構(gòu)，設(shè)計(jì)師在現(xiàn)場經(jīng)過虛擬現(xiàn)實(shí)或現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)設(shè)備進(jìn)行家具布置和材質(zhì)調(diào)整，更為直觀;而參觀者可以自由地選擇參觀路線，如身臨其境般體驗(yàn)。

在建筑施工和檢測過程中也可通過SLAM技術(shù)檢測施工質(zhì)量。如傳統(tǒng)的墻體傾斜檢測是從墻體上選擇若干觀測點(diǎn)，通過觀測點(diǎn)的分布規(guī)律分析墻體傾斜程度，這一方法的缺點(diǎn)在于：取樣點(diǎn)的數(shù)量、分布和代表性嚴(yán)重影響其準(zhǔn)確性。而通過單反相機(jī)SLAM技術(shù)檢測墻體，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，高效地建立墻體的三維模型，并將其準(zhǔn)確定位，將測得墻體于理想墻體平面進(jìn)行比較，通過計(jì)算兩者最近點(diǎn)的差距就可以得到墻體的整體傾斜分布，具有很高的準(zhǔn)確性和直觀性。

三、結(jié)束語

盡管視覺SLAM技術(shù)具有很多激光掃描技術(shù)不具備的優(yōu)勢，但是它并不能取代后者。在很多大規(guī)模、復(fù)雜的建筑群體與單體測繪中，這兩種技術(shù)需要綜合使用。在一些特殊情況下，比如預(yù)算有限、無地形圖，SLAM技術(shù)可以作為激光掃描技術(shù)的有效替代。基于圖形的視覺SLAM技術(shù)的三維重建可以通過手機(jī)、單反相機(jī)，以及免費(fèi)的軟件以接近零成本的方式實(shí)現(xiàn)，可以為建筑學(xué)的數(shù)字化應(yīng)用提供更多可能。總之視覺SLAM技術(shù)可以在建筑測繪、遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)及表現(xiàn)、建筑檢測及施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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