增強現實技術在建筑設計仿真中的應用

曲銘哲 梁晶

摘? ? 要：增強現實技術作為一個新興的領域，由于其巨大的優勢和應用潛力，正越來越多的引起人們的關注。為了擴大增強現實的應用范圍，人們開始關注戶外增強現實應用的開發。同時為了將增強現實技術應用在設計領域，人們更渴望在增強現實的交互技術上有所突破。

關鍵詞：增強現實技術;建筑設計應用

1? 前言

在城市設計過程中，求解建筑規劃等方面的設計和評價問題時，往往把對象設想于背景環境中，然后從幾個視點角度對浮現于腦海中的形象信息進行求解，因此，通過應用增強現實AR技術，將設計對象信息和真實世界所感知到的圖像信息相融合并反饋給設計人員，設計者根據設計對象在真實空間中的綜合效果對設計方案進行調整比較，通過人的形象思維能力進行求解。這無疑對景城市建筑設計具有十分重要的現實意義。

2? 建筑的空間增強現實技術

建筑的空間增強現實技術是即時三維交互體驗的技術基礎，在真實環境下支持設計進程的發展前提。也就是說可以在現實環境中做1：1的設計模擬，讓整個設計過程在一個真實的尺度下進行。

2.1? 增強現實技術的基本組成結構

傳統的放映技術需要一個理想的投射屏幕，這是一個很大的弊端，如果想把圖像投射在一個沒有屏幕的不規則面上會比較困難。因為投射的圖像經常會被扭曲，與背景的顏色相混合，有些部分難以對焦。

這包括幾個技術要點：①真實場景的獲取;②虛擬對象注冊信息的獲取;③虛擬對象數據庫;④3D圖像的變換與渲染;⑤圖像的虛實融合;⑥顯示設備等。

系統首先要獲得真實的場景圖像，然后獲得虛擬對象的注冊信息，虛擬物體加入到真實場景中所需要的位置和姿態數據，計算機根據獲得的注冊信息對虛擬對象進行坐標變換和渲染，再把它們與真實的場景圖像疊加，實現虛實融合，通過顯示設備將圖像信息提供給用戶。

2.2? 增強現實系統的關鍵技術

構造一個AR系統需要解決很多的關鍵技術問題，這主要有顯示設備、攝像機標定、虛實配準和交互技術。

2.2.1? 顯示設備

增強現實系統設計最基本的問題就是實現虛擬信息和真實世界的融合。顯示設備是增強現實系統的基本技術之一。一般而言，可以把增強現實的顯示設備分為：頭盔顯示器顯示、投影式顯示、手持式顯示器顯示和普通顯示器顯示。

（1）頭盔顯示器顯示（Head一mounted Display，簡稱HMD）：現有的虛擬現實技術的人機界面中大多采用頭盔顯示器。主要原因是頭盔顯示器較其他幾種顯示技術而言沉浸感最強。因為用于增強顯示系統的頭盔顯示器能夠看到周圍的真實環境，所以叫做透視式（see一through）頭盔顯示器。透視式頭盔顯示器一般分為視頻透視式（Vidcosee-through）和光學透視式（Optiealsee一through）。

（2）投影式顯示（ProjectionDisPlay）：投影式顯示是將虛擬的信息直接投影到要增強的物體上從而實現增強，這樣無需戴特殊的眼鏡。另一種是頭戴投影儀，按照觀察者視線的方向，把圖像投影到真實世界中的對象上。目標對象上涂有向后反射的物質，沿著入射角度把光線反射回來這樣，通過使用各自的HMD系統，多個用戶能夠同時在同一投影目標上看到不同的圖像。但是這種投影顯示器比較重。

（3）手持式顯示器顯示（HandHeldDisplay，簡稱HHD）：手持顯示器是一種平面LCD顯示器，用來充當一個窗口或放大鏡，顯示用AR覆蓋的真實對象。

（4）普通顯示器顯示（Monitor一basedDisPlay）：增強現實系統也可以采用普通顯示器顯示。在這種系統中攝像機獲取的真實世界圖像輸入到計算機與計算機圖形系統產生的虛擬景象合成并輸出到屏幕顯示器，用戶從屏幕上看到最終的增強場景圖片。它雖然不能帶給用戶多少沉浸感，但卻是一套最簡單使用的AR實現方案。由于這套方案的硬件要求很低，因此被實驗室中的AR系統研究者們大量采用。

2.2.2? 攝像機標定

攝像機標定的目的是建立有效的成像模型，并確定攝像機的內外部屬性參數，以便正確建立空間坐標系中物點與它在所在的圖像平面上像點之間的對應關系。這一階段的主要任務是測定真實和虛擬物體的姿態信息（位置和方向角）以及攝像機的參數，以確定真實坐標系、攝像機坐標系、圖像坐標系之間的變換關系，從而使計算機產生的虛擬物體與真實世界的配準和融合成為可能。

2.2.3? 虛實配準

虛實配準也被稱為虛實注冊/三維注冊，是增強現實系統最為關鍵的技術之一。三維環境的虛實配準所要完成的任務是實時檢測出攝像機的位置和視線方向，計算機根據這些信息確定所要添加的虛擬信息在投影平面中的映射位置，并將這些信息實時顯示在顯示屏的正確位置，實際上就是將計算機繪制的虛擬物體與使用者的真實環境全方位對準（尺寸、位置）。其目的是使虛擬環境與真實環境合成起來，使它們看起來像一個整體。

2.3? 交互技術

AR交互手段有兩個趨勢：第一，使用不同的設備，取各家之長;第二，通過切實可行的界面，使虛擬對象與自然界成為一個整體。

3? 增強現實技術在建筑設計仿真系統中的應用

該技術將其與建筑設計領域相結合，讓建筑師在設計過程中體驗設計效果。基于此原理，先做出建筑設計的虛擬模型，然后將其與實時拍攝到的建筑的周邊環境視頻流融合在一起，實時組成有虛有實的場景再以視頻流的形式輸出。這樣做的好處是，無需對既有建筑和其周邊環境進行建模，只要將改建部分或擴一建部分進行建模，通過增強現實技術的真實對象跟蹤注冊技術，將虛擬建筑模型與真實環境以及既有建筑幾何位置精準匹配，再實時對建筑設計虛擬模型進行定位和投影變換，并與真實的既有建筑與周圍環境圖像進行融合，即可得到最終融合的仿真效果。

增強現實的建筑設計系統的關鍵是實現真實對象位置姿態的跟蹤，這是實現虛擬對象在真實場景中定位注冊的基礎，也是影響虛實融合效果的關鍵。

4? 結束語

基于增強現實的建筑設計仿真系統中需要大量的計算完成真實對象位置跟蹤，這使得對所運行的計算機有一定的要求。如何降低該技術對計算機的要求，是走向成熟應用的重要因素之一。其次，目前基于真實對象位置跟蹤技術。必須將標記卡固定在被跟蹤對象上才可以實現位置姿態的跟蹤，這在一定程度上限制了仿真技術的應用。如何實現高效的非標記卡真實對象位置姿態的跟蹤是今后的研究方向之一。

參考文獻：

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