AR基于裝配式的應用研究


發布于2022-01-27

  作者:劉家珣,何日福,楊可亮

0 引言

  在建筑工業化、智能建造發展趨勢的背景下,建筑行業裝配式建造迎來了快速的發展。施工安裝過程是裝配式建筑生產過程中的重要一階段,工序嚴密、工藝要求高,而此階段更多的依靠人工來進行指揮、操作,所以對施工團隊整體素質提出了更為苛刻的要求。高質量工藝的要求、快速發展的需求與能力相對低下的施工工人隊伍之間的矛盾,亟待解決。數字化新技術快速發展,增強現實(AugmentedReality,AR)技術的出現與BIM技術進行結合,為我們解決此問題提供了方向[1]。但AR技術的優勢與建筑裝配式施工的相結合,面臨一系列亟待解決的技術問題。本文針對AR基于裝配式的應用研究主要包含AR遠程協作和AR三維圖像識別兩個內容。

1 國內外相關研究

  為了解決AR在裝配式安裝上的技術問題,Mohr等研發出了一種AR編輯系統,可以將傳統的技術文檔轉換成AR技術文檔,這個編輯系統有效地提高了傳統技術文檔的AR編輯效率,但是針對裝配式建筑施工過程中的工序穿插多、工藝要求高、零部件繁多等施工信息,此系統難以實現編輯。Katharina等對視頻這一表達方式,研究分析了AR編輯的軟件工具,雖然視頻這一可視化表達方式在操作上較為簡單,但也無法完整、準確地表達出裝配式建筑施工過程。Zauner等開發的AMIRE編輯向導,很有效地配合建筑模型運用動畫以及二維信息(文字、圖片等)指導演示裝配過程,但其所編輯的需為具備大平面的對象[1];李旺等支出應用IDEHX方法搭建裝配式建筑施工工藝信息的數據模型;然后應用AR技術,對裝配式建筑施工工藝信息的數據模型做增強可視化編輯;最后再對其編輯數據的管理作進一步研究4。在框架結構這一整體裝配式類型的裝配式建筑上,干學宏針對其施工重難點部位做了3D模型搭建和施工過程重現,形成了一系列的三維素材和學習資源[2]。

  針對AR在裝配式安裝上的問題,本文提出了通過AR遠程協作與場外專家進行虛實結合的場景互動,和通過圖像識別和手勢識別進行實時全方位裝配式模擬動畫兩種解決方案,并通過了相關測試驗證該方案可行性。

2 基于裝配式施工的AR技術

  2.1 AR遠程協作技術

  AR遠程協作是指通過語音視頻通訊、AR實時標注進行遠程協作,提高企業生產、維修、培訓等價值鏈效率的技術。AR遠程協作可以支持雙人協作的AR體驗,使兩方之間能夠實時共享AR效果。

  遠程專家指導系統于醫療、安防、電力早已經擁有的成熟應用。隨著裝配式施工帶來的技術新挑戰,AR遠程協作技術在工程方面的應用也提上了日程。首先AR遠程協作技術是種連接工具,在裝配式施工中施工人員通過視頻把第一視角分享給專家,以視頻為出口,在專家和工人之間實現通暢的交互,有效傳輸視頻類的非結構數據等。專家通過在遠程控制端進行操作和指導,利用自動識別與實時跟蹤技術,把虛擬的指導畫面與真實的場景進行疊加,并實現高精度且高時效的信息流傳遞,以輔助施工現場作業工人進行專業性的施工作業。

  2.2 AR三維圖像識別

  AR三維圖像識別技術是基于對二維平面圖像的擴展。三維圖像的識別前提是需要目標 用此項技術來檢測裝配式部品構件,并拍攝視頻,識別裝配式部品構件的自然特征,然后將當前拍攝的視頻圖像與對應建筑部品構件模型的圖像進行匹配,最后根據匹配的結果,判斷當前的場景圖像與模型的圖像是否具有一致性[3]。如果不具有一致性,則繼續識別這一過程;如果具有一致性,則進入檢測階段。在檢測階段,根據圖像與模型之間的映射,首先得到當前圖像所對應物體模型的三維空間點坐標,其次得到二維平面坐標到三維空間坐標的投影矩陣,然后根據投影矩陣和已有的內參矩陣計算復原出當前圖像幀的位姿矩陣,最后進行幾何校驗和反投影誤差的分析,判斷得出的位姿矩陣是否有效。如果有效,那么就可以進行下一步——指定虛擬物的三維坐標,再自動疊加三維模型、渲染顯示效果。下面就可以進入跟蹤階段,連續跟蹤新的圖像、計算新的位姿矩陣、渲染新的模型[4],如果跟蹤的點位數量影響到了位姿矩陣的計算準確度時,則重新對視頻圖像做識別和檢測。

3 裝配式部品構件工藝信息模型

  裝配式建筑施工工藝技術的,一般以文字描述、圖片示意為主,信息傳遞的難度較大;而AR與裝配式結合能以多種形式表達施工工序、工藝等過程信息,更利于施工人員準確理解[6]。本文基于當前工業化建筑與裝配式建筑行業發展的需要,對標準化的部品構件進行分類與部品構件標準模型搭建,并根據當前成熟的裝配式建筑施工工藝,提取主要以人的操作語言為中心、便于現場裝配人員的理解、使其能迅速獲取裝配操作的實施動作指示,進行基本裝配工藝進行信息建模,作為增強裝配式建筑展示傳統施工工藝的標準信息模塊[5]。

  3.1 裝配式構件分類

  當前工程上裝配式構配件的種類繁多、產品規格標準以及施工工藝不一,另外基于建筑工業化與裝配式建筑標準化的發展,并參考裝配式部品構件分類研究成果——裝配式部品構件分為結構構件、外圍護部品、內裝部品和設備管線部品分為四大類,本文選取相對更易于標準化、信息化的結構構件、設備管線兩類作為信息模型的編輯。結構構件、設備管線分類如圖1、圖2所示。

  圖1 結構構件分類

  圖2 設備管線分類

  3.2 裝配式構件信息模型

  裝配式建筑施工工藝的基本構成要素分為三項:工藝對象、工藝方法和工藝資源。每種施工工藝都是在此3項基本要素上組合而成。由于不同施工工序的工藝對象、工藝方法和工藝資源都各不相同,因此需要建立起統一的信息模型搭建、命名、編碼、屬性標準,從而實現將不同施工工序的的裝配式施工工藝信息通過計算機進行存儲和管理[1]。

  我們通過運用revit對所選取的兩大類裝配式部品構件進行模型搭建工作,并且對每個裝配式部品構件新建工藝對象、工藝方法和工藝資源三個共享參數。在工藝對象中存放部品構件的本體,以及相關零件的工藝代號、工序號和工序名稱屬性等參數;在工藝方法中存放部品構件以及相關零件的移動路徑信息,主要包含部品構件的起始、目標位置以及顯示狀態等數據;在工藝資源中放置施工所需的輔助用具,包括機械、設備、工具實體,以及此類輔助用具的必要屬性信息。

4 裝配式施工技術的AR應用

  4.1 裝配式構件信息提取

  在裝配式構件分類并建模后,我們將基于revit平臺進行二次開發,建立模型提取插件,獲取到模型的幾何信息和屬性參數,生成相應的obj格式文件。生成的obj格式文件中的數據主要分為標準裝配式部品構件施工工藝參數、進行三維展示、部品構件三維信息以及施工作業工序標識牌等指示牌四類。其中,標準裝配式部品構件施工工藝參數是AR結合裝配式建筑施工工藝信息的基礎,主要有標準裝配式部品構件施工工藝的類型屬性;三維可視化信息,展示標準裝配式部品構件施工工藝,包含有展示虛擬物所需的屬性以及配套的影音資料;部品構件信息模型作為標準裝配式部品構件施工工藝和三維表達的載體[1]。

  4.2 裝配式構件施工動畫模型生成

  模型動畫的編輯生成是指在AR中模擬部品構件的施工工序動作,所需要的制作AR應用的過程工具有EasyAR、unity3D。首先是模型導入,將生成的obj格式文件應用自帶插件導入unity3D,由獲取到模型的幾何信息和屬性參數反生成所需的三維模型,然后制作腳本展示框,展示準裝配式部品構件施工工藝參數、進行三維展示、部品構件三維信息。其次,在開源的EasyAR中制作AR配置。最后,將部品構件的施工工序拆解為一步步的動作,每個動作涉及工藝、對象、資源三要素的組合,生成模擬動畫。

5 結語

  本文基于對當前建筑工業化、裝配式建筑標準化的發展需求,針對更易于標準化實施的結構構件和設備管線部品進行分析,研究應用AR三維圖像識別技術、AR遠程協作技術、視頻動畫技術等,對裝配式建筑施工工藝標準化、指導施工安裝過程等發揮著重大作用。未來,可以基于AR的可視化技術與BIM信息化技術相結合,研究建筑施工進度的自動化跟蹤反饋,推進建筑施工行業的智能化建造。

參考文獻

  [1] 干學宏 王偉 江晨暉.AR技術在裝配整體式結構施工教學中的應用研究[J].電力系統保護與控制,2020,48(15):170-176.

  [2] 李旺,王峻峰,藍珊,李世其,焦思晨,王猛.增強現實裝配工藝信息內容編輯技術[J].計算機集成制造系統,2019,25(07):1676-1684.

  [3] 張建淵.基于圖像識別模板匹配技術的工業檢測系統設計[J].儀器儀表用戶,2020,7(03):14-16.

  [4] 金劍華 陳一民.增強現實中基于視覺與磁力跟蹤器的三維注冊方法[J].計算機應用,2006,(06):P1485—P1489.

  [5] 藍珊.人工裝配過程增強現實輔助技術研究[D].武漢:華中科技大學.2018.

  [6] 任鈺琦.基于頭戴式眼鏡的裝配工藝增強可視化技術研究[D].武漢:華中科技大學.2019.

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