增强现实技术在水利水电三维协同设计领域的应用-软服之家

一、引言
增强现实（AR）一般指的是将计算机产生的虚拟信息或物体叠加到真实场景中，从而产生出一个虚实结合的“混合世界”的技术。用户通过头戴式增强设备（HMD）、视觉眼镜还有手持式监测设备等从“混合世界”中得到更多关于现实世界的信息。AR起源于虚拟现实（VR），它提供了一种半浸入式的环境并且强调真实场景和虚拟世界图像和时间之间的准确对应关系。由于AR技术大大提升了人类的感官体验，已经开始影响人们的日常生活，其应用也日渐成熟与多样。

随着建筑、工程建设以及设备管理行业逐渐朝着基于BIM的数字化信息管理的方向发展，需要有更为直观的视觉化平台来有效地使用这些信息。增强现实技术（AR），这种将相应的数字信息植入到虚拟现实世界界面的技术，将有力地填补这一可视化管理平台的缺失。

例如，工程管理人员试图模拟特定的建造过程并获得反馈，但是实际状况是他们只能够实现在虚拟环境中建造过程的可视化，却无法从现实中得到有效的反馈。而增强现实技术（AR）可以将虚拟的3D模型叠加在实时的视频录像当中，提高界面视觉化的程度，增加用户的理解，从而可以帮助工程管理者做出更快速、准确的反应。而且由于成本较为低廉和应用范围广泛，在未来十年，移动AR技术将会对建筑、工程、建设和运营产业（AECO）产生巨大影响。

在水利水电勘察设计领域，三维协同设计稳步发展，在可见的不远的将来将取代传统的二维设计，AR技术在设计领域的应用，为水利水电三维模型的应用提供了更好的展示手段，三维模型与二维的设计、施工图纸也能更加紧密的结合。AR技术在勘察设计领域中可以有效地应用于实时方案比较、设计元素编辑、三维空间综合信息整合、辅助决策和设计方案多方参与等方面。

二、增强现实技术的应用
2.1 复杂体型识别
在复杂体型的计算机视觉识别领域，国内外的相关研究者们也取得了长足的发展，比如奥地利某教堂，在二次世界大战的战火中受损，原有的尖顶损毁了，来自奥地利的Wikitude公司所开发了wikitude SDK，通过BIM软件对该教堂进行建模，使用AR技术可实现手持设备对真实建筑的识别，并查找到建筑的缺损部分，以虚拟世界中的三维模型填补缺损部位，真实地还原出教堂的原有风貌。

图1模型建模

2.2 增强现实硬件的趋势
2.2.1 智能手持设备
在增强现实技术出现以来至今，智能手持设备一直占主导地位，以手机和平板电脑为典型代表。目前在教育领域和工程领域都取得了不俗的表现。在地产营销领域，不同于传统的二维户型图，通过虚拟现实技术，可以通过手持智能设备与二维户型图的结合，将三维户型模型与二维户型图真实的结合在一起，更加真实的将房产信息、功能、内部情况展现给业主（如图3）；在教育领域，通过智能手持设备与二维图书的结合，可以将原二维的图书与三维模型、三维动画、影像、声音相结合，让孩子们的学习不再枯燥，能够更快的接受知识（如图4）。

2.2.2 智能眼镜
在AR增强现实硬件设备方面，也以一种不可思议的速度飞速发展，增强现实眼镜从概念设计阶段正逐渐走向实用。互联网搜索引擎巨头谷歌公司在2012年4月发布的GoogleGlass，具有和智能手机同样的功能，镜片上方配备了一个头戴式微型显示屏，它可以将数据投射到用户右眼上方的小屏幕上，显示效果如同2.4米外的25英寸高清屏幕，实际上就是“微型投影仪+摄像头+传感器+存储传输+操控设备”的结合体。短短的三年内，国内外与GoogleGlass类似的产品已经达上百款，相关应用更是不计其数，从工业装配、物流、仓储、医疗、教育等等不一而足，与使用手机、平板等实现增强现实的方式不同，增强现实眼镜可以解放人类的双手，不再需要捧着手机看图纸、看操作说明。

三、增强现实技术（AR）与Bentley系列软件的结合
3.1 BIM模型的局限性
可视化的设计是设计师之间共享设计视角、进行协同设计的关键；一个更加直观的可视化平台对于如今需要有效地处理数字信息的建筑设计产业来说更是必不可少的。中水北方公司数字化标准化办公室自2012年以来，基于Bentley公司的BIM系列软件，一直致力于本公司的三维协同设计研究和推广工作，在与实际项目结合中，认识到了传统BIM软件在视觉展示中存在较大的局限性，无论是我们正在使用的Bentley系列软件还是市场上流行的Revit软件，都具有较强的专业性，虽然功能强大，但是仅针对设计人员，而设计单位的领导、专家、施工单位等很难深入学习、使用，因此在过去的几年中制造了大量的BIM数据，但是数据的应用却仅仅有生成二维图纸、三维PDF和三维渲染漫游动画，很难全面体现出三维协同设计的优势所在。

3.2 AR+BIM的优势
通过AR增强现实技术，可以将二维图纸与三维BIM模型无缝对接，充分发挥三维协同设计的优势，为应用BIM模型数据提供了一条全新的捷径，BIM模型中的大量建设信息得以更充分的进行展示。招投标环节中，使用AR+BIM技术与二维图纸相结合进行交流和决策时，更加高效；施工现场通过AR技术加载虚拟的施工内容，使现场人员从平面化的数据提取这种需要较高专业素养的活动中解脱出来，就可以在现场施工管理中减少由于施工组织和图纸的误解和信息传递的失真所造成的巨大损失，减少施工员反复读图识图的时间。

四、增强现实图纸系统的实现
根据实际工程，通过Bentley系列软件（如AECOsim Building Designer）进行三维协同设计，构建三维模型，在程序实现时可调用这些模型，直接在真实场景中进行加载。

本文中所采用的模型均采用AECOsim Building Designer进行建模，所采用的模型材质也均为AECOsim Building Designer自带材质，未做任何修改。

本文基于二维设计图纸制作了两个标志模板，在其上面分别叠加了水电厂房、重力坝，通过测试，系统可以准确的对二维图纸进行识别，并将三维虚拟模型叠加在真实二维图纸上，步骤如下：
1. 在PC中搭建JAVA开发环境以及Android模拟器SDK。
2. 安装Unity3D软件，设置模拟器路径。
3. 将建筑信息模型从AECOsim Building Designer中导出为一种通用格式，如Fbx。
4. 将BIM模型对应的二维图纸转换为Unity3D软件可以使用的UnityPackage。
5. 在Unity3D软件中，导入高通的Vuforia AR插件，将上面提到的Fbx文件和UnityPackage导入软件中。
6. 通过Unity软件进行简单的编辑后，即可生成相应的手机端安装文件。
7. 安装至智能手机端，本文中所采用的手持设备型号为三星N7100。
8. 打印cad二维图纸，使用手机摄像头进行识别，具体效果如图1、2所示。

可见基于Vuforia的虚拟现实展示效果还是比较理想的，在摄像头拍摄真实场景，如真实二维图纸的时候这些虚拟物体也显示了出来，可以实时的实现虚实叠加，且在移动模板或者摄像头移动的时候，虚拟物体会随着真实世界进行相应的变化，BIM模型与二维图纸实现了无缝的结合。

五、结语
水利水电勘察设计领域的设计方式正在经历一场由传统二维设计向三维协同设计转变的革命，相比传统的二维设计，AR与BIM的结合，提升了工程相关人员对设计的认知能力，使BIM模型中庞大的数据可通过AR技术准确提取和可视化，必将对BIM技术在水利水电勘察设计领域的发展起到极大的推进作用。

本文中笔者用Bentley系列三维设计软件和高通Vuforia增强现实技术，完成了一个有多个人工标识的简单的增强现实系统，实现了实时的虚实叠加。随着计算机软硬件的发展，增强现实系统的应用也将越来越广泛地应用到各个行业，增强现实可以为城市规划、地下管线的探测、勘察设计的施工等服务，但是增强现实需要研究的问题还有很多，如复杂背景下人工标志的快速识别，基于自然特征的增强现实系统的实现等等。今后笔者将在这些方面作进一步的研究，力求更好的实现虚拟与现实的结合。