AR 技術在水利工程三維可視化場景構建中的應用研究

徐燕星 江潛成

（江西水利職業學院 水利工程系，江西 南昌330013）

隨著現代水利水電事業的不斷發展，堆石壩工程規模不斷擴大，其作為水利工程的重要組成部分，不僅在施工布置方面具有一定的復雜性，而且工程規模大，傳統圖紙難以有效把握工程現場，進行三維可視化場景構建尤為重要[1]。作為一門綜合性技術，三維可視化技術集計算機圖像處理技術、圖像顯示以及人機交互為一體，能夠呈現出目標物的整體特性。隨著VR 技術的發展，其在水利工程三維可視化場景中的應用成為現實，其能夠將虛擬信息與真實場景進行疊加，呈現出虛實結合的效果，保障三維可視化場景與工程真實場景的一致性。

1 水利工程三維場景中AR 技術概述

堆石壩是水利工程重要項目，構建堆石壩三維可視化不僅能夠幫助管理人員正確認識水利工程面貌、精確把握工程實際情況，而且能夠促進堆石壩工程進展。AR 技術下堆石壩工程三維可視化場景主要涉及到建筑物模型構建、現場場景獲取以及虛擬相機等多個方面[2]。在具體應用過程中，首先可以采用視頻監控技術對施工現場圖像信息進行獲取，在RTK-GPS 技術與IMU 技術綜合作用下，獲得三維空間坐標，然后經過虛擬相機完成三維注冊，實現虛擬與真實的結合，其三維場景構建如圖1 所示。

2 AR 技術下堆石壩工程三維場景關鍵技術

2.1 水利工程建筑物三維建模關鍵技術

水利工程三維可視化建設，在前期先完成CAD 設計，并利用3ds Max 軟件建設了堆石壩模型。首先按照圖紙中水工建筑物相關情況重新對圖紙進行整理，需要注意保留水工建筑物形體相關的點線面，對整體結構進行分析，明確坐標信息[3]。其次利用3ds Max 軟件導入平面線條，對水工建筑物進行剖面設計時應配合閉合曲線的設計，通過拉伸、放樣等形成實體。需要注意的是所有旋轉、平移等相關操作均應依據水工建筑物的結構進行，進而獲得三維實體模型。材質貼圖環節，應根據水工建筑物不同部位的需求選擇相應的材質，得到有材質的水工建筑物三維實體模型。

圖1 AR 技術下堆石壩工程三維場景構建

2.2 硬件相機注冊技術

水利工程項目中堆石壩規模大，擁有健全的基礎設施、視野開闊，再加上現代網絡信息技術的支持以及視頻監控技術的應用，為堆石壩項目提供了更多可能性。此次研究在AR 技術具體應用中引入硬件系統下相機注冊技術，其通過對相關參數的設置能夠達到與真實相機一致的效果。此次研究在獲得現場圖像環節主要采用的是定焦攝像頭，因此需要將相機設置為六自由度，如何獲得相機6 個參數是硬件相機注冊的關鍵問題。研究堆石壩工程引入RTK-GPS 系統，其能夠幫助準確、快速的獲得一個三維坐標，將IMU 原件作為三維轉角，并在攝像頭上妥善固定，需要保持攝像頭光軸與z 軸方向的一致[4]。在IMU 作用下，能夠了解攝像頭轉角參數，并將具體參數信息傳輸到客戶端，通過解析后對虛擬相機賦予相應的參數，并實現對相機的三維注冊，具體見圖2、圖3。

圖2 三維空間坐標注冊

2.3 真實場景的獲取及虛實融合

圖3 三維空間轉角注冊

工程現場安裝攝像頭后通過布設能夠獲得真實場景的實際情況。通常水利工程施工現場會安置大量的視頻監控攝像頭，壩肩位置的攝像頭則能夠為工程整體面貌提供可靠的技術支持，不僅如此，通過高處攝像頭所獲得的工程施工場景圖像更為清晰。虛擬相機是獲得虛擬場景的重要支持設備，通過RTK-GPS 以及IMU 傳感器完成三維注冊后，可以對虛擬場景進行拍攝，但該虛擬場景會與真實相機拍到的圖像重疊[5]。若排除遮擋因素，那么可以將虛擬相機拍攝的圖像與真實相機疊加，其能夠對兩者的真實空間關系予以反映。通常，虛擬相機完成注冊后，其與真實相機能夠具備相同的參數，因此，可以將兩者建立在同一個坐標系中。如圖4 所示，其為一個虛實融合成像系統，假設該真實空間存在A、B、C 三點，成像平面用c 表示，a 與b 點重合表示的是A、B 兩點在成像平面中的成像問題，因此b點為優先顯示，C 點則能夠對空間中B 點與C 點的關系予以反映[6]。

圖4 虛實融合成像

3 實例應用

以江西省某水利樞紐工程為例，其是國家172 項節水供水重大水利工程之一，工程概算批復總投資31.1618 億元，于2013年7 月1 日正式開工建設，2019 年4 月正式下閘蓄水。大壩全長498.62 米，最大壩高48.8 米，正常蓄水位56 米（黃海高程），總庫容4.747 億立方米，防洪庫容2.96 億立方米，電站總裝機3.2 萬千瓦，多年年平均發電量8152 萬千瓦時，是鄱陽湖水系昌江干流中游一座以防洪為主，兼有供水、發電綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。

3.1 水工建筑物三維模型構建

前期堆石壩工程建設已經針對水工建筑物形體、位置等進行設計，在設計三維模型時首先需要對建筑物基本信息進行獲取。經過分析、提取獲得建筑物典型斷面相關信息，平面圖像幾何尺寸均與水工建筑模型一致[7]。然后將3dsMax 導入，在線對象生成面作用下，經過面對象獲得實體對象。針對實體對象經過旋轉、平移、組合以及布爾運算等一系列操作，獲得水工建筑物三維實體模型，其主要由設計資料生成，然后按照不同水工建筑物特征，選擇相應材質對模型進行貼圖處理，得到的三維實體模型如圖5 所示。

圖5 水工建筑物三維實體模型

3.2 真實場景獲取

在施工現場，為了解堆石壩工程的具體情況，需要在現場布設大量視頻監控攝像頭，Wie 保障圖像的順利傳輸，需要匹配相應的圖像傳輸系統，在高點位置設置視頻監控攝像頭，能夠對整個施工區全貌予以全面的、清晰的觀察。

3.3 基于硬件的相機注冊

RT-GPS 以及IMU 均安裝在攝像頭上，將實時狀態下的攝像頭參數傳輸到客戶端后，能夠通過特定格式的解析，得到6 個與三維空間坐標及三維空間轉角相關的參數[8]。需要注意的是三維姿態原始數據由傳感器傳出，經過處理后，相應參數在虛擬相機中設置，相機注冊完成。

3.4 基于AR 技術下水利堆石壩工程可視化

通常，對虛擬相機進行注冊后，能夠利用虛擬相機得到水工建筑物影像，此時虛擬水工建筑物模型與真實施工圖像在同一個空間中，排除虛擬物體與真實物體的遮擋影響后，可以使得虛擬水工建筑圖像與真實場景重疊在一個圖像，其不僅能夠對虛實物體在空間上的關系予以反映，而且能夠提升現實效果。另外可以同時對兩張圖像每個像素進行遍歷，以便虛擬物體成像能夠在真實的場景中進行疊加。當發現在某一像素上有虛擬物體模型成像點與真實場景成像點，那么可以將其作為虛擬水工建筑物的成像點。

結束語

針對當前水利工程三維可視化場景構建問題，可以先結合工程實際建立環境模型，引入AR 技術，在現場視頻監控技術作用下獲得真實場景，保障水利工程堆石壩可視化展示與真實場景的一致性，提高直觀性及可視化效率，擁有廣闊的發展前景。