基于地面三維激光掃描及VR技術(shù)的BIM工程應(yīng)用研究

王 帥，王 彤

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司數(shù)字工程中心，天津 300222）

地面三維激光掃描技術(shù)是一種以激光測(cè)距方式快速獲取大量測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的測(cè)量技術(shù)，又稱Li-DAR，能快速、連續(xù)、自動(dòng)的獲取目標(biāo)物體表面三維數(shù)據(jù)，通過(guò)相應(yīng)算法可以依據(jù)這些數(shù)據(jù)重建高精度的三維模型［1］。該技術(shù)具有快速性、實(shí)時(shí)性、非接觸性、高密度性、高精度性、自動(dòng)化等技術(shù)特點(diǎn)，使得其可以有效解決采集數(shù)字化信息的難題，該技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市、地形測(cè)量、工業(yè)測(cè)量、土木工程、防震減災(zāi)、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［2-4］。

虛擬現(xiàn)實(shí)簡(jiǎn)稱VR，即利用計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)造出三維空間的虛擬世界，為用戶提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬，當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，電腦通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算，將精確的3D影像傳送給用戶，把人的意識(shí)帶入一個(gè)虛擬的世界，給用戶身臨其境的感受。VR技術(shù)最早發(fā)源于美國(guó)軍事領(lǐng)域，后傳到國(guó)內(nèi)，借助計(jì)算機(jī)和手機(jī)性能突飛猛進(jìn)、實(shí)時(shí)三維引擎發(fā)展的東風(fēng)，成為了目前行業(yè)異常火爆概念之一，其具有沉浸感、交互性、想象性等特點(diǎn)，在水利工程規(guī)劃、流域地理景觀虛擬再現(xiàn)、河道洪水演進(jìn)等領(lǐng)域均有應(yīng)用［5］，能夠?qū)?shí)景建筑展現(xiàn)在行業(yè)人員眼前，實(shí)現(xiàn)BIM模型的信息化、智能化、可視化和集成化，未來(lái)其技術(shù)潛力巨大，應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。

BIM是以建筑工程項(xiàng)目相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立起三維的建筑模型［6］，通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一致性、可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性等八大特點(diǎn)［8］。作為一種創(chuàng)新的工具與生產(chǎn)方式，已在多個(gè)國(guó)家和地區(qū)引發(fā)了巨大變革，并被無(wú)數(shù)成功案例證明了其價(jià)值優(yōu)勢(shì)［7-10］。我國(guó)從國(guó)家層面發(fā)布《2016～2020建筑信息化發(fā)展綱要》大力推進(jìn)BIM技術(shù)的不斷發(fā)展。

隨著三維激光掃描、虛擬現(xiàn)實(shí)及BIM技術(shù)的不斷普及與完善，計(jì)算機(jī)硬件水平的突飛猛進(jìn)，行業(yè)人員對(duì)于三維可視化技術(shù)的強(qiáng)烈需求，這三種技術(shù)完美融合成為了行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。本研究旨在采用三維激光掃描儀獲取某能源站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，基于AutodeskReCap平臺(tái)和Bentley Context Capture Center平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和整合，并利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立能源站虛擬環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)該能源站的虛擬漫游功能。

1 建立建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

某大型能源站，工程要求實(shí)現(xiàn)全站智能管理，因缺乏圖紙且內(nèi)部管路、設(shè)備眾多，傳統(tǒng)繪圖手段無(wú)法有效建立BIM模型，因此，本項(xiàng)目引入了地面三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)獲取內(nèi)部復(fù)雜設(shè)備點(diǎn)云模型，幫助BIM工程人員方便的建立模型信息。

1.1 I-Site激光掃描儀工作原理

地面三維激光掃描儀通過(guò)發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號(hào)后，經(jīng)過(guò)物體表面的漫反射，信號(hào)沿著相似路徑傳回到接收器［11］，如圖1所示。通過(guò)式（1）可計(jì)算目標(biāo)P點(diǎn)與掃描儀距離S，也可同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值β。X軸、Y軸在橫向掃描面內(nèi)，且相互垂直，Z軸垂直于掃描面，三軸符合右手定則，坐標(biāo)示意圖剪圖如2所示。

圖1 激光三角法測(cè)量原理

圖2 激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)示意圖

目標(biāo)點(diǎn)P（X，Y，Z）坐標(biāo)計(jì)算公式：

1.2 能源站點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集是為建立高精度、精細(xì)化的小區(qū)域三維場(chǎng)景，需要對(duì)場(chǎng)景內(nèi)的所有物體進(jìn)行高精度掃描，同時(shí)要求點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠清晰表達(dá)物體細(xì)節(jié)和表面紋理影響。

外業(yè)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是整個(gè)三維場(chǎng)景構(gòu)建與可視化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中最為重要的階段，對(duì)構(gòu)建模型的質(zhì)量有著不可忽視的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，全面細(xì)致地了解現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，確定能源站具體位置及周邊環(huán)境情況。為防止能源站各建筑相互遮擋，需進(jìn)行多站聯(lián)合作業(yè)。掃描站點(diǎn)布設(shè)不宜太多，但應(yīng)保證各掃描站點(diǎn)間有足夠的重疊區(qū)域。標(biāo)靶主要是計(jì)算各掃描站點(diǎn)間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)的依據(jù)，因此，標(biāo)靶應(yīng)該是位置不變且易識(shí)別，具有高度差的一系列特征點(diǎn)。

獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，即將不同掃描站點(diǎn)獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)靶標(biāo)進(jìn)行重新定位，生成統(tǒng)一坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行點(diǎn)云過(guò)濾處理，刪除由于空氣中的浮塵、噪聲等引起的孤點(diǎn)，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)性。具體實(shí)施流程詳如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云掃描操作流程

2 基于點(diǎn)云的模型生成

2.1 點(diǎn)云格式轉(zhuǎn)換

AutodeskReCap是一款獨(dú)立的應(yīng)用程序，它可以通過(guò)引用多個(gè)索引掃描文件（RCS）創(chuàng)建點(diǎn)云投影文件（RCP），使該點(diǎn)云文件可視化，并將掃描文件轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云格式，使其能在其他產(chǎn)品中編輯。通過(guò)AutodeskReCap軟件將RCP點(diǎn)云文件轉(zhuǎn)換為Context Capture Center支持的E57點(diǎn)云格式。

2.2 生成模型

目前作為市面上應(yīng)用廣泛的傾斜攝影三維建模軟件之一，Context Capture Center是一款品質(zhì)穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、高性能、可擴(kuò)展、兼容性、可移植的全自動(dòng)建模軟件，其支持多種數(shù)據(jù)源格式，兼容攝像機(jī)系統(tǒng)、雷達(dá)點(diǎn)云系統(tǒng)等，可以導(dǎo)入各種主流GIS平臺(tái)及三維編輯軟件，支持多機(jī)器協(xié)同操作。其支持ASTM E57文件格式（.e57）和Cyclone點(diǎn)云格式（.ptx），支持具有已知掃描位置的點(diǎn)云。

Context Capture Center對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)體量沒(méi)有限制，由于本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)量較大，采用 Context Capture單機(jī)版已無(wú)法滿足使用需求，因此本次計(jì)算采用了聯(lián)機(jī)渲染方式，通過(guò)設(shè)置遠(yuǎn)程訪問(wèn)輸入、工程及輸出文件的UNC（通用命名規(guī)則）路徑，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集群工作。具體設(shè)置如圖5所示。

圖4 能源站內(nèi)部點(diǎn)云圖

圖5 計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)渲染設(shè)置

將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)point clouds導(dǎo)入Context Capture Center中，在tile中根據(jù)機(jī)器性能，將點(diǎn)云分塊處理，按照需要選擇生成的模型格式，然后生成模型。生成的能源站內(nèi)部三維網(wǎng)格圖如圖6所示。

圖6 能源站內(nèi)部三維圖

3 能源站BIM模型

無(wú)論是點(diǎn)云建模還是傾斜攝影建模，其創(chuàng)建的模型均在同一屬性層，與BIM應(yīng)用中要求模型掛接相關(guān)屬性信息的要求有較大出入，因此點(diǎn)云生成三維模型無(wú)法直接應(yīng)用于BIM模型中。本文采用常規(guī)的手段，通過(guò)AutodeskReCap將設(shè)備點(diǎn)云獨(dú)立出來(lái)，以此單獨(dú)建模，并最終實(shí)現(xiàn)屬性的掛接。設(shè)備點(diǎn)云如圖7所示，設(shè)備BIM模型如圖8所示。

圖7 能源站設(shè)備點(diǎn)云

圖8 能源站設(shè)備BIM模型

4 基于VR技術(shù)的能源站場(chǎng)景仿真

沉浸式體驗(yàn)是VR的核心也是技術(shù)難點(diǎn)，它涉及到多個(gè)領(lǐng)域，包括渲染優(yōu)化、性能優(yōu)化、人眼構(gòu)造及肢體運(yùn)動(dòng)與感知等。其特點(diǎn)是：利用頭盔顯示器把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)封閉起來(lái)，產(chǎn)生虛擬視覺(jué)，利用其它設(shè)備將用戶的手感通道封閉起來(lái)，產(chǎn)生虛擬觸動(dòng)感。本文主要針對(duì)虛擬視覺(jué)進(jìn)行。

4.1 設(shè)備及原理

虛擬現(xiàn)實(shí)的精髓是把雙眼“放”到虛擬世界中，“感知”這個(gè)世界的光影，從而使用戶身臨其境。本次開(kāi)發(fā)基于C#語(yǔ)言，依托Unity3D平臺(tái)，最后通過(guò)暴風(fēng)魔鏡及安卓手機(jī)實(shí)現(xiàn)VR效果。

Unity3D作為一款主流游戲引擎，能夠?yàn)殚_(kāi)發(fā)者提供如三維視頻、建筑可視化及實(shí)時(shí)交互動(dòng)畫(huà)等虛擬場(chǎng)景解決方案，支持Windows、Wii、iPhone、Android、WebGL等平臺(tái)，是一款主流的VR產(chǎn)品開(kāi)發(fā)游戲引擎。

暴風(fēng)魔鏡是暴風(fēng)影音發(fā)布的一款硬件產(chǎn)品，是一款VR頭顯，使用時(shí)通過(guò)配合暴風(fēng)影音開(kāi)發(fā)的專屬魔鏡應(yīng)用，在手機(jī)上即可實(shí)現(xiàn)3D效果。

本次開(kāi)發(fā)基于Google開(kāi)源技術(shù)平臺(tái)CardBoard，其虛擬現(xiàn)實(shí)效果是由VR眼鏡與一部安卓手機(jī)結(jié)合而成，眼鏡鏡體通過(guò)透鏡加屏幕的原理，將虛像呈現(xiàn)在人的明視距離處實(shí)現(xiàn)了沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)感，其原理圖如圖9所示。

圖9 CardBoard原理

通過(guò)凸透鏡來(lái)放大眼中的即時(shí)圖像，暴風(fēng)魔鏡給出了98°的視場(chǎng)角度，視野開(kāi)闊，沉浸感較強(qiáng)。通過(guò)調(diào)用手機(jī)內(nèi)部陀螺儀等傳感器進(jìn)行視角轉(zhuǎn)變，當(dāng)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陀螺儀能夠及時(shí)通知引擎更新圖像，從而使人產(chǎn)生360°的三維空間感。通過(guò)兩個(gè)攝像頭模擬左右眼效果，從而給人眼創(chuàng)造出強(qiáng)烈的立體縱深感。

4.2 搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境

Unity3D能夠?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)提供一個(gè)處理光照、特效、物理效果等的平臺(tái)，其VR環(huán)境搭建主要包括以下步驟：

（1）安裝Unity3D軟件，軟件版本必須在5.1及以上；

（2）搭建安卓環(huán)境，需要下載并安裝Java Development Kit（JDK）及 Android Develop Tool（ADT），其中ADT包括Software Development Kit（SDK）和 eclipse；

（3）將Unity3D與JDK、SDK等關(guān)聯(lián)。

4.3 在Unity3D中開(kāi)發(fā)

VR系統(tǒng)虛擬視覺(jué)在Unity3D開(kāi)發(fā)中主要用到以下幾大關(guān)鍵技術(shù)：

（1）實(shí)時(shí)三維計(jì)算機(jī)圖形

VR開(kāi)發(fā)前需要用到三維計(jì)算機(jī)圖形——已經(jīng)建成的BIM模型，通過(guò)在3DMAX中設(shè)置精確的光影效果，將最終模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中，模型列表圖及程序列表如圖10、11所示。

圖10 Unity3D模型列表圖

圖11 Unity3D

（2）頭部追蹤

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)中，視場(chǎng)的改變多是通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，用戶的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)是分離的，利用頭部追蹤來(lái)改變圖像的視場(chǎng)，用戶就可以將視覺(jué)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，視覺(jué)感知更為避震。

VR中追蹤頭部動(dòng)作主要是通過(guò)Cardboard-Head.cs來(lái)實(shí)現(xiàn)，將此腳本附加到任何與用戶頭部運(yùn)動(dòng)相匹配的對(duì)象上，通過(guò)追蹤頭部動(dòng)作，可以不斷地更新頭部視圖中的Cardboard對(duì)象，也可以通過(guò)該腳本實(shí)現(xiàn)偏移相機(jī)的動(dòng)作。

（3）虛擬場(chǎng)景顯示

在3D電影中，通過(guò)兩臺(tái)并列放置的攝像機(jī)替代雙眼，3D眼鏡接受與之相匹配的偏振光，將兩部攝像機(jī)獲得的畫(huà)面分別投射到用戶的左右視網(wǎng)膜上并被大腦感知，這就形成了3D虛擬視覺(jué)。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)的核心思想就是通過(guò)兩臺(tái)平行的攝像機(jī)在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

在Unity3D中通過(guò)設(shè)置兩個(gè)攝像機(jī)，Main Camera Left和Main Camera Right分別對(duì)應(yīng)左、右眼，然后通過(guò)將獲得的兩個(gè)圖像精準(zhǔn)投放到手機(jī)屏幕的輸出端口，具體通過(guò)CardboardEye.cs來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)由于VR透鏡的使用，導(dǎo)致生成的圖像發(fā)生畸變，消除畸變可采用“放扭曲”方式，如Cardboard中產(chǎn)生的枕形畸變可采用桶形畸變方式修正，Unity3D中主要通過(guò)程序RadialUndistortionEffect.cs來(lái)實(shí)現(xiàn)，用于校正圖像效果在虛擬現(xiàn)實(shí)模式下的顯示情況，而StereoController.cs則主要用于控制VR模式的開(kāi)關(guān)。

程序HeadTransform.cs通過(guò)獲取頭部X向、Y向、Z向三軸方向，控制角色移動(dòng)的方向，Movie.cs則通過(guò)手柄控制角色前、后、左、右移動(dòng)。

最終實(shí)現(xiàn)效果如圖12所示。

圖12 能源站內(nèi)部VR視景

5 結(jié)語(yǔ)

采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成三維模型，其操作流程與采用傾斜攝影照片生成模型過(guò)程基本一致，只是缺少生成空三流程。就使用情況而言，雷達(dá)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)和傾斜攝影均能夠?qū)Υ蠓秶匦位蚪ㄖ耗Ｐ瓦M(jìn)行建模，但針對(duì)單體建筑物的內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，雷達(dá)掃描點(diǎn)云技術(shù)更為適合。

VR技術(shù)因其獨(dú)特的交互性和沉浸式體驗(yàn)?zāi)軌蚩焖傥脩舻淖⒁饬Γo用戶留下深刻的印象。隨著技術(shù)的不斷成熟，硬件設(shè)備成本不斷降低，VR技術(shù)的普及只是時(shí)間問(wèn)題，將其應(yīng)用于BIM工程中，能夠讓不同的用戶通過(guò)第一人稱視角看到不同的世界，從而給BIM工程建設(shè)者提供更加廣闊的創(chuàng)作空間。但現(xiàn)階段，VR技術(shù)也存在不足，目前的計(jì)算機(jī)處理速度還無(wú)法完全滿足虛擬世界中巨大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)處理的需要，硬件價(jià)格也比較昂貴，在聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、語(yǔ)音交互方面效果還不能令人滿意。

伴隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)空間三維信息的需求越來(lái)越廣泛，越來(lái)越多的工程要求使用BIM技術(shù)，但是對(duì)于一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的老舊工程或者相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙不全面的工程，BIM建模難度較大，本文通過(guò)激光點(diǎn)云技術(shù)配合二維圖紙建模的方式為類似BIM工程提供了一種解決方案，并將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到BIM工程中。

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