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MR技术在BIM领域中的适用性研究

范文

周勋甜黄俊惠钱凯

摘要：为提高建筑工程部分环节的效率，特探究新兴技术MR技术在BIM领域中应用的可行性与适配性，通过Hololens空间映射技术实现空间锚点位置信息确认，应用混合现实工具包技术加速面向Windows混合现实的应用程序的开发，Vuforia扩增实境软件开发工具包可利用计算机视觉技术实时识别捕捉平面图像，并通过照相机取景器将虚拟物体展现在镜头前实体背景的位置上。使得技术研究在建筑工程中的适用具备一定精准度，录入信息更有参考价值。

关键词：MR技术;Hololens空间映射;计算机视觉;空间锚点;BIM领域

1 项目概述

目前的建筑信息化模型（BIM）已经有较为完备的体系模型，它可集成整个工程生命周期中不同阶段的工程信息资源于一体，以便于被工程的其他参与者调入使用。[1]从BIM的设计过程可以看出，它不仅是数字信息的集成，更是数字信息的应用，设计、建造、管理等方面的数字化方法都有应用。

在虚拟现实的基础上，混合现实有更为先进之处，因为它结合使用了若干不同类型的技术，以及组合了传感器的应用，甚至是当前先进的光学和下一代的计算能力。如果这些技术都集合在某一个单一的设备上实现，它将把增强全息数字内容呈现到用户的实时空间上去，所创造的现实效果匪夷所思。[2]

MR在BIM上的应用不但可以提高建筑工程部分环节的效率，而且将使得技术研究在建筑工程中的适用具备一定精准度，录入信息更有参考价值。[3]

2 研究路线

2.1 初步系统构架

初步系统构架如图1所示，本次研究以功能验证为主。

系统分三种模式：（1）帮助模式;（2）预览模式;（3）校准模式。

信息存储方式以画面捕捉为主要手段。功能验证成功后续可以加以网络拓展。

2.2 技术路线

2.2.1 硬件架构设计原则

以便携性原则、提高性设计的原则，本研究的MR技术硬件支撑采用当前市面上先进性数一数二的Microsoft Hololens开发者版本。该产品核心功能主要是依托于衍射型平显、DLP投影芯片、SLAM技术的立体混合成像。让使用者接收到虚拟场景与现实场景混合叠加的画面（MR）。

2.2.2 软件架构设计原则

就设计的精准性原则和设计正确原则，本研究设计的软件特性：易于操作、更高效、更精准、模板零误差。对此设计就校准功能之外额外设计了便于使用者认知操作与内容的帮助模式与预览模式。另外就设计角度，作为参考模板的虚拟场景要严格按照建筑施工图制作，软件内部逻辑实现也应当严格正确，将设计误差降到最低。

2.3 初步验证

2.3.1 设计理论基础

1）通过虚拟锚点与现实标志点的映射，确定空间。该映射允许多重多次自由组合，便于设计与修改。

2）空间锚点的位置信息赋予通过Hololens空间映射技术实现。

2.3.2 模式探究

模式一如下图2所示：

优点：这种方式对空间确定在锚点信息一一对应的情况下误差极小，锚点的定位操作也仅限于坐标信息，适用于单次高精度校准的作业。

缺点：每次校准需要操作四个点，繁琐;四次操作锚点，若使用者操作水平不高就会将误差指数放大。

模式二如图3所示：

优点：这种方式对空间确定在锚点信息一一对应的情况下误差较小，锚点的操作次数仅为一，适用于需要多次校准的作业。

缺点：空间的确定仅通过一个锚点信息，对使用者的操作水平要求较高，尤其是虚拟映射点的旋转信息容易产生较大误差。

旋转信息赋予操作优化研究：

操作者旋转方式设计有以下四种：

在空间映射时，令物体始终正朝向与使用者，通过使用者的头盔朝向来确定旋转信息。

优点：操作灵活度大。

缺点：精度把控难，对使用者操作要求较高。

在空间映射时，初步只赋予坐标信息，后续通过额外的2个映射点来确定朝向。

优点：理论旋转信息误差较小，操作灵活度大。

缺点：操作繁琐，每次校准需要使用者多次额外操作，数次操作可能会带来额外误差。

在空间映射时，使用者只赋予坐标信息，通过AR图像识别技术事先或者事后获取精准的旋转信息。

优点：理论误差最小，操作便捷。

缺点：在保证灵活度的前提下，原则上，需要构建大量的图像识别库，来应对各个物体特异性的旋转信息。AR识别对纹理特异性较差的三维物体难以识别，为保持识别率需要增设识别标志图，显得不怎么智能。

实际应用情况：

设计验证的领域多为建筑工程施工阶段与竣工检验阶段。

2.4 优化验证

要求：建筑工程的校检面积较大，走动频繁，需要整体的认知把握。

方案：提供预览模式，便于整体认知。

要求：在误差降低方向需要通过设计手段来弥补硬件缺陷，同时要保证便携度，避免操作繁碎。

方案：使用模式探究中旋转信息赋予操作优化研究的方案3。将HoloLens空间映射技术与Vuforia图像识别技术结合，简化操作方式。通过Vuforia图像识别进行预先的坐标系轴向构建，简化后续操作，同时单次高精度的高自由度的操作可以将设计降到最低。

3 功能结构

涉及到的模块绝大多数使用C#语言进行开发，开发工具使用Unity5.6.1以及Visual Studio Community 2015，基础开发包为MixedRealityToolkit-Unity5.6，开发环境为Windows10。每个模块实现与业务逻辑都按实际需求考虑以降低误差为第一要素设計，各模块协作组合。

4 系统功能

4.1 帮助模式

为用户提高了必要的提示指导，方便用户能在短时间快速理解软件操作与功能。

4.2 预览模式

通过操作用户随时得到可360°无死角预览的整体框架缩略模型，使用户可以快速对环境有个整体认知，提高校检效率。

4.3 校检模式

运行该模式进行真正的比对校检，通过简单的操作将虚拟锚点与现实标志对应结合内部逻辑就能实现虚拟标准模板在现实场景中的叠加，通过比对混合图像的异同来确定建筑工程的施工是否正确。同时也可以作为施工时的参照。

4.4 场景旋转信息校准

旋转标志物作为中间媒介，当旋转标志物旋转信息与现实場景一致时，虚拟场景的旋转信息就和现实场景严格一致了。

4.5 信息记录功能

为便于操作，图像捕获是最适合最有必要的信息记录手段。

4.6 设计尺寸预览

使用者在使用时可以开启设计尺寸预览辅助功能，得到场景下需求的虚拟构件的设计尺寸。

5 应用技术

5.1 Mixed Reality Toolkit

Mixed Reality Toolkit（混合现实工具包）是为了加速面向Windows混合现实的应用程序的开发而开发的脚本和组件的集合。

本项目采用了微软开源的行为准则。

5.2 Vuforia Augmented Reality SDK

Vuforia Augmented Reality SDK（Vuforia扩增实境软件开发工具包），它利用计算机视觉技术实时识别和捕捉平面图像或简单的三维物体（例如盒子），然后允许开发者通过照相机取景器放置虚拟物体并调整物体在镜头前实体背景上的位置。

5.3 多重坐标映射

为多次多重校准设计的空间坐标映射模式，运用图形学理论，将不同空间坐标系下的位置坐标信息按统一标准操作达到灵活的自定义坐标映射，方便设计与后期修改。

6 总结

初步验证确实MR技术在建筑工程领域确实有一定的使用价值，能起到较传统模式所不具备的直观校检功能。变相的降低了校检人员的经验要求，提高校检效率与相对精度。总体上讲，本次设计研究初步验证，在HoloLens硬件没有突破性革新的情况下有一定参考价值，在精度要求很高的建筑施工领域智能化水平还未达到期望值。需要操作人员在偏差值超过阈值之前进行人为手动校准，虽然通过设计手段将单次校准的操作和精度都提高到了设计最优。

参考文献：

[1]杨威.BIM技术在电力工程中的应用现状及展望[J].电力与能源，2014，35（04）：530-532.

[2]胡骁强.基于BIM和RFID技术的风电建设项目质量管理研究[D].北京：华北电力大学，2017.

[3]初毅，邵兆通，武涛.基于MR+BIM技术的信息化建筑工程应用探讨[J].土木建筑工程信息技术，2017，9（05）：94-97.

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