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AR基于装配式的应用研究


发布于2022-01-27

  作者:刘家珣,何日福,杨可亮

0 引言

  在建筑工业化、智能建造发展趋势的背景下,建筑行业装配式建造迎来了快速的发展。施工安装过程是装配式建筑生产过程中的重要一阶段,工序严密、工艺要求高,而此阶段更多的依靠人工来进行指挥、操作,所以对施工团队整体素质提出了更为苛刻的要求。高质量工艺的要求、快速发展的需求与能力相对低下的施工工人队伍之间的矛盾,亟待解决。数字化新技术快速发展,增强现实(AugmentedReality,AR)技术的出现与BIM技术进行结合,为我们解决此问题提供了方向[1]。但AR技术的优势与建筑装配式施工的相结合,面临一系列亟待解决的技术问题。本文针对AR基于装配式的应用研究主要包含AR远程协作和AR三维图像识别两个内容。

1 国内外相关研究

  为了解决AR在装配式安装上的技术问题,Mohr等研发出了一种AR编辑系统,可以将传统的技术文档转换成AR技术文档,这个编辑系统有效地提高了传统技术文档的AR编辑效率,但是针对装配式建筑施工过程中的工序穿插多、工艺要求高、零部件繁多等施工信息,此系统难以实现编辑。Katharina等对视频这一表达方式,研究分析了AR编辑的软件工具,虽然视频这一可视化表达方式在操作上较为简单,但也无法完整、准确地表达出装配式建筑施工过程。Zauner等开发的AMIRE编辑向导,很有效地配合建筑模型运用动画以及二维信息(文字、图片等)指导演示装配过程,但其所编辑的需为具备大平面的对象[1];李旺等支出应用IDEHX方法搭建装配式建筑施工工艺信息的数据模型;然后应用AR技术,对装配式建筑施工工艺信息的数据模型做增强可视化编辑;最后再对其编辑数据的管理作进一步研究4。在框架结构这一整体装配式类型的装配式建筑上,干学宏针对其施工重难点部位做了3D模型搭建和施工过程重现,形成了一系列的三维素材和学习资源[2]。

  针对AR在装配式安装上的问题,本文提出了通过AR远程协作与场外专家进行虚实结合的场景互动,和通过图像识别和手势识别进行实时全方位装配式模拟动画两种解决方案,并通过了相关测试验证该方案可行性。

2 基于装配式施工的AR技术

  2.1 AR远程协作技术

  AR远程协作是指通过语音视频通讯、AR实时标注进行远程协作,提高企业生产、维修、培训等价值链效率的技术。AR远程协作可以支持双人协作的AR体验,使两方之间能够实时共享AR效果。

  远程专家指导系统于医疗、安防、电力早已经拥有的成熟应用。随着装配式施工带来的技术新挑战,AR远程协作技术在工程方面的应用也提上了日程。首先AR远程协作技术是种连接工具,在装配式施工中施工人员通过视频把第一视角分享给专家,以视频为出口,在专家和工人之间实现通畅的交互,有效传输视频类的非结构数据等。专家通过在远程控制端进行操作和指导,利用自动识别与实时跟踪技术,把虚拟的指导画面与真实的场景进行叠加,并实现高精度且高时效的信息流传递,以辅助施工现场作业工人进行专业性的施工作业。

  2.2 AR三维图像识别

  AR三维图像识别技术是基于对二维平面图像的扩展。三维图像的识别前提是需要目标 用此项技术来检测装配式部品构件,并拍摄视频,识别装配式部品构件的自然特征,然后将当前拍摄的视频图像与对应建筑部品构件模型的图像进行匹配,最后根据匹配的结果,判断当前的场景图像与模型的图像是否具有一致性[3]。如果不具有一致性,则继续识别这一过程;如果具有一致性,则进入检测阶段。在检测阶段,根据图像与模型之间的映射,首先得到当前图像所对应物体模型的三维空间点坐标,其次得到二维平面坐标到三维空间坐标的投影矩阵,然后根据投影矩阵和已有的内参矩阵计算复原出当前图像帧的位姿矩阵,最后进行几何校验和反投影误差的分析,判断得出的位姿矩阵是否有效。如果有效,那么就可以进行下一步——指定虚拟物的三维坐标,再自动叠加三维模型、渲染显示效果。下面就可以进入跟踪阶段,连续跟踪新的图像、计算新的位姿矩阵、渲染新的模型[4],如果跟踪的点位数量影响到了位姿矩阵的计算准确度时,则重新对视频图像做识别和检测。

3 装配式部品构件工艺信息模型

  装配式建筑施工工艺技术的,一般以文字描述、图片示意为主,信息传递的难度较大;而AR与装配式结合能以多种形式表达施工工序、工艺等过程信息,更利于施工人员准确理解[6]。本文基于当前工业化建筑与装配式建筑行业发展的需要,对标准化的部品构件进行分类与部品构件标准模型搭建,并根据当前成熟的装配式建筑施工工艺,提取主要以人的操作语言为中心、便于现场装配人员的理解、使其能迅速获取装配操作的实施动作指示,进行基本装配工艺进行信息建模,作为增强装配式建筑展示传统施工工艺的标准信息模块[5]。

  3.1 装配式构件分类

  当前工程上装配式构配件的种类繁多、产品规格标准以及施工工艺不一,另外基于建筑工业化与装配式建筑标准化的发展,并参考装配式部品构件分类研究成果——装配式部品构件分为结构构件、外围护部品、内装部品和设备管线部品分为四大类,本文选取相对更易于标准化、信息化的结构构件、设备管线两类作为信息模型的编辑。结构构件、设备管线分类如图1、图2所示。

  图1 结构构件分类

  图2 设备管线分类

  3.2 装配式构件信息模型

  装配式建筑施工工艺的基本构成要素分为三项:工艺对象、工艺方法和工艺资源。每种施工工艺都是在此3项基本要素上组合而成。由于不同施工工序的工艺对象、工艺方法和工艺资源都各不相同,因此需要建立起统一的信息模型搭建、命名、编码、属性标准,从而实现将不同施工工序的的装配式施工工艺信息通过计算机进行存储和管理[1]。

  我们通过运用revit对所选取的两大类装配式部品构件进行模型搭建工作,并且对每个装配式部品构件新建工艺对象、工艺方法和工艺资源三个共享参数。在工艺对象中存放部品构件的本体,以及相关零件的工艺代号、工序号和工序名称属性等参数;在工艺方法中存放部品构件以及相关零件的移动路径信息,主要包含部品构件的起始、目标位置以及显示状态等数据;在工艺资源中放置施工所需的辅助用具,包括机械、设备、工具实体,以及此类辅助用具的必要属性信息。

4 装配式施工技术的AR应用

  4.1 装配式构件信息提取

  在装配式构件分类并建模后,我们将基于revit平台进行二次开发,建立模型提取插件,获取到模型的几何信息和属性参数,生成相应的obj格式文件。生成的obj格式文件中的数据主要分为标准装配式部品构件施工工艺参数、进行三维展示、部品构件三维信息以及施工作业工序标识牌等指示牌四类。其中,标准装配式部品构件施工工艺参数是AR结合装配式建筑施工工艺信息的基础,主要有标准装配式部品构件施工工艺的类型属性;三维可视化信息,展示标准装配式部品构件施工工艺,包含有展示虚拟物所需的属性以及配套的影音资料;部品构件信息模型作为标准装配式部品构件施工工艺和三维表达的载体[1]。

  4.2 装配式构件施工动画模型生成

  模型动画的编辑生成是指在AR中模拟部品构件的施工工序动作,所需要的制作AR应用的过程工具有EasyAR、unity3D。首先是模型导入,将生成的obj格式文件应用自带插件导入unity3D,由获取到模型的几何信息和属性参数反生成所需的三维模型,然后制作脚本展示框,展示准装配式部品构件施工工艺参数、进行三维展示、部品构件三维信息。其次,在开源的EasyAR中制作AR配置。最后,将部品构件的施工工序拆解为一步步的动作,每个动作涉及工艺、对象、资源三要素的组合,生成模拟动画。

5 结语

  本文基于对当前建筑工业化、装配式建筑标准化的发展需求,针对更易于标准化实施的结构构件和设备管线部品进行分析,研究应用AR三维图像识别技术、AR远程协作技术、视频动画技术等,对装配式建筑施工工艺标准化、指导施工安装过程等发挥着重大作用。未来,可以基于AR的可视化技术与BIM信息化技术相结合,研究建筑施工进度的自动化跟踪反馈,推进建筑施工行业的智能化建造。

参考文献

  [1] 干学宏 王伟 江晨晖.AR技术在装配整体式结构施工教学中的应用研究[J].电力系统保护与控制,2020,48(15):170-176.

  [2] 李旺,王峻峰,蓝珊,李世其,焦思晨,王猛.增强现实装配工艺信息内容编辑技术[J].计算机集成制造系统,2019,25(07):1676-1684.

  [3] 张建渊.基于图像识别模板匹配技术的工业检测系统设计[J].仪器仪表用户,2020,7(03):14-16.

  [4] 金剑华 陈一民.增强现实中基于视觉与磁力跟踪器的三维注册方法[J].计算机应用,2006,(06):P1485—P1489.

  [5] 蓝珊.人工装配过程增强现实辅助技术研究[D].武汉:华中科技大学.2018.

  [6] 任钰琦.基于头戴式眼镜的装配工艺增强可视化技术研究[D].武汉:华中科技大学.2019.

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