CN106200983B - 一种结合虚拟现实与bim实现虚拟现实场景建筑设计的系统 - Google Patents

一种结合虚拟现实与bim实现虚拟现实场景建筑设计的系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，该系统包括动作捕捉装置、动作捕捉交互模块、VR处理模块、核心数据处理模块、BIM数据处理模块、Unity/UE4引擎和外部VR设备，动作捕捉装置用于捕捉用户的动作并将捕捉到的动作转换为动作数据传输给动作捕捉交互模块；动作捕捉交互模块用于将接收到的动作数据传输至VR处理模块和核心数据处理模块；核心数据处理模块用于将动作数据处理成外部VR设备可读取的数据并传输至VR处理模块；VR处理模块用于将可读取的数据与画面进行合成；Unity3D/UE4引擎用于处理画面的问题；VR处理模块进一步用于将合成后的画面传输给外部VR设备，使用户能够在外部VR设备上直接看到所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作。

Description

一种结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统
技术领域
本发明涉及建筑设计技术领域，具体涉及一种结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统。
背景技术
建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，贯穿建筑物的全生命周期。因此，在建造的不同阶段有不同的软件应用，如在设计阶段应用较多的则是Revit。Revit是我国建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一。
BIM的所有构图都储存了许多的数字信息与参数数据，除了3D外观以外，还包含了几何信息、建筑或工程用信息，因此BIM的构图可以在设计、建设、管理等各个层面上达到自动化的效果。
早期碍于技术问题，建筑师在绘制设计图时通常都是以手绘为主，不管是在实际纸面或是利用CAD(Computer Aided Design)软件，最大的问题就是所有的图面还有数据无法连贯，若要修改则必须大刀阔斧把相关的数据一并更动。比起以往的CAD构图，BIM的优势在于可以利用面向对象的方式记录模型，达到视图、计算表等连动的效果，大幅降低了重复修图的情形，除了可以针对个别营运阶段进行调整与编辑，更方便对各个生命周期进行整合。
近年来许多公司开展虚拟现实技术与建筑设计相结合，但多数技术是将BIM相关软件中所生成出的模型进行加工改进从而制造虚拟现实场景，从而达到通过虚拟现实而展示建筑的实际效果。正如筑云BIM公司成功开发出一款软件使Revit与VR(VirtualReality，即虚拟现实)相结合，作为revit的插件其成功对接revit所完成的建筑设计模型，可将其生成第三人称PC版3D漫游与第一人称的虚拟现实VR，现广泛运用在建筑设计完成后的效果展示。Revit建筑设计软件可将其实现的建筑模型、材质及其他建筑信息导出成不同的格式文件，Fuzor软件使用模块将信息归纳采集后生成虚拟现实场景模型，并通过其系统调节光阴及材质反应后实现完整的虚拟现实。
但是现有技术中的这种虚拟现实技术与建筑设计的结合只是用于实现建筑设计完成后的效果展示，无法在虚拟现实中实现建筑设计，不能在设计过程中使设计者直观地看到自己的作品，从而体验其空间感；也无法让建筑施工人员进行模拟施工作业。
现有技术中VR结合BIM的系统以及开发计划而言，能很好地解决设计后的效果展示，且导出快捷方便，但仍存在以下不足以及尚未解决的问题：
1、目前的技术虽然可以解决效果展示的问题，但却无法真正参与到建筑设计的环节中，无法在建筑设计开始便给予设计师帮助；
2、目前的技术仍然不能做到VR与BIM相关软件的实时连接，数据互通；
3、目前尚无法做到在虚拟现实中对建筑设计进行编辑修改；
4、目前通过revit所制作出的模型质量较差，做成VR后展示效果不理想，当人们在此虚拟现实中时间稍长容易导致头晕等不适；
5、目前的技术无法解决部分BIM软件如revit的构图制作模型复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结合虚拟现实(VR)与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，通过VR的临场感和空间感辅助建筑设计师进行建筑设计，使其更精准更直观地感受建筑的整体结构及效果；同时便于未来精准化施工，从而制定出建筑过程中一系列的解决方案。
为实现上述目的，本发明所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统包括动作捕捉装置、动作捕捉交互模块、VR处理模块、核心数据处理模块、BIM数据处理模块、Unity/UE4引擎和外部VR设备，所述的动作捕捉装置用于捕捉用户的动作并将捕捉到的动作转换为动作数据传输给动作捕捉交互模块；所述的动作捕捉交互模块用于接收所述的动作捕捉装置传送回的动作数据并将接收到的动作数据传输至VR处理模块和核心数据处理模块；所述的核心数据处理模块用于将动作数据处理成外部VR设备可读取的数据并传输至VR处理模块；所述的VR处理模块用于对外部VR设备可读取的数据进行处理，生成可视的效果画面；所述的Unity3D/UE4引擎用于对VR处理模块生成的效果画面进行处理；所述的VR处理模块进一步用于将合成后的画面传输给外部VR设备，使用户能够在外部VR设备上直接看到所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作；所述的核心数据处理模块还用于将动作数据发送至BIM数据处理模块；所述的BIM数据处理模块用于连接外部的BIM软件进行验证及反馈，如有设计错误的地方，直接从BIM软件得到问题及设计错误信息，然后将问题及设计错误信息反馈至核心数据处理模块，再由核心数据处理模块传输给VR处理模块，由VR处理模块合成后使用户直接在外部VR设备中看到错误资讯。
优选地，所述的设计错误的地方包括尺寸问题或强度问题。
优选地，所述的动作捕捉装置包括外部手势识别设备。
优选地，所述的外部VR设备包括VR显示器，用于显示所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作以及BIM软件反馈的错误资讯。
优选地，所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统最终在VR显示器的图像中告知使用者操作是否正确可行。
优选地，所述的BIM软件为revit系列软件。
优选地，所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统在完成VR操作设计后自动生成建筑施工图纸。
本发明具有如下优点：本发明所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统通过VR+BIM解决了目前建筑设计行业中的许多痛点，加速推进建筑行业转型，这将是建筑设计行业的一次革命。目前建筑设计行业最大的痛点在于“所见非所得”和“工程控制难”，难点在于统筹规划，整合资源，具象化联系和平台构建。本发明所述的系统在BIM的三维模型基础上加强可视性和具象性，通过模拟施工增强对工程的控制力。
附图说明
图1是本发明所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统包括动作捕捉装置、动作捕捉交互模块、VR处理模块、核心数据处理模块、BIM数据处理模块、Unity/UE4引擎和外部VR设备，所述的动作捕捉装置用于捕捉用户的动作并将捕捉到的动作转换为动作数据传输给动作捕捉交互模块；所述的动作捕捉交互模块用于接收所述的动作捕捉装置传送回的动作数据并将接收到的动作数据传输至VR处理模块和核心数据处理模块；所述的核心数据处理模块用于将动作数据处理成外部VR设备可读取的数据并传输至VR处理模块；所述的VR处理模块用于对外部VR设备可读取的数据进行处理，生成可视的效果画面。例如，使用者通过手势希望在虚拟现实中做一根水泥柱子，那么首先动作捕捉装置将抓取手势并传输至动作捕捉交互模块进行运算，动作捕捉交互模块将识别使用者的意图并把数据传输至核心数据处理模块，核心数据处理模块将其数字化传输到VR处理模块，VR处理模块便将识别作出反馈并将这根柱子模拟出来并在外部VR设备上显示。
所述的Unity3D/UE4引擎用于对VR处理模块生成的效果画面进行处理。Unity3D或UE4是一种贴图引擎，是一种使画面质量提高的工具，主要负责画面的渲染、感光以及材质，比如做一根罗马柱，通过Unity3D或UE4可使其拥有大理石的材质并且有一定的光泽度，在光照的情况下也会出现阴影，从而使虚拟现实的使用者感官更加真实化。
所述的VR处理模块进一步用于将合成后的画面传输给外部VR设备，使用户能够在外部VR设备上直接看到所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作；所述的核心数据处理模块还用于将动作数据发送至BIM数据处理模块；所述的BIM数据处理模块用于连接外部的BIM软件进行验证及反馈，如有设计错误的地方，直接从BIM软件得到问题及设计错误信息，然后将问题及设计错误信息反馈至核心数据处理模块，再由核心数据处理模块传输给VR处理模块，由VR处理模块合成后使用户直接在外部VR设备中看到错误资讯。
所述的设计错误的地方包括尺寸问题或强度问题。
所述的动作捕捉装置包括外部手势识别设备。所述的动作捕捉装置不限于捕捉手部动作，也可以是全身的动作捕捉。
所述的外部VR设备包括VR显示器，用于显示所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作以及BIM软件反馈的错误资讯。
所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统最终在VR显示器的图像中告知使用者操作是否正确可行。
本发明所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统可以在电脑主机上运行，在VR设备上进行显示，同时兼容手势以方便设计师进行操作，使其更加简单易懂，更人性化从而缩短系统上手的学习周期。本发明的系统结合BIM使其更加专业，并且在完成VR操作设计后可自动生成建筑施工图纸(包含CAD及BIM图)，使设计人员提高工作效率。
本发明所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统涉及到三方面硬件，分别为电脑主机，VR显示器(如HTC VIVE和Oculus RIFT)和动作捕捉装置(如手势识别装置Leapmotion)，动作捕捉装置不限于捕捉手部动作，也可以是全身的动作捕捉，以下说明以手势识别装置Leapmotiom为例。通过数个模块集成的系统需要兼顾所有硬件设备。除硬件外还要通过核心数据处理模块与外部的BIM软件进行通讯。
在示例性的实施例中，所述的外部手势识别设备采用leapMotion设备。leapMotion设备可识别每只手上有29根骨头，29个关节，123根韧带，48根神经，30根动脉，通过双手已经能够非常逼真的进行模拟以及支撑所有手势功能的开发。
Leap Motion设备通过感知双手的移动，让人以一种新的方式与电脑进行交互，目前它能够以1毫米的100分之1的精度追踪使用者的10根手指，这大大超过现有的运动控制技术的敏感度，数据表明在1英寸的立方体空间内进行微型精细操作是完全可行的。通过采用新版本Leap Motion Orion，可以适配更多的VR设备。
采用Leap Motion SDK，可以满足VR建筑设计系统在VR手势表现中的开发需求，Leapmotion已支持的开发语言和引擎包括：Unity、C++、C#、Objective-C、Python、Javascript、Java以及UnrealEngine等。
由于BIM的所有构图都储存了许多的数字信息与参数数据，除了3D外观以外，还包含了几何信息、建筑或工程用信息，因此BIM的构图可以在设计、建设、管理等各个层面上达到自动化的效果，利用这些数据自行编写API(Application programming Interface)，就可以利用程序运算出想要的结果。
早些年由于BIM的引入较晚，软件、开发环境的整合、语言以及软件本身的版本更新较快，导致BIM相关软件编写API的入门门坎较高，通常需要花费较多的时间学习。而现如今随着应用及软件技术成熟化，BIM已近逐步改善了这一大问题，在BIM世界的所有组件都被数据化并且赋予许多属性和参数，这些组件可以利用各自的属性来记录讯息，图面的呈现全部基于同一份数据，较容易支持相应的外部软件衔接，只需统一格式和调整系列参数即可。
因此从软件技术角度分析，BIM的这种对象参数化概念有助于各种不同面向的开发，有利于API程序编写，因为每个建筑对象有各自独立的属性，程序设计师可以很容易的抓取需要的资料，以利用各种运算和分析。而空间数据库的特色在于空间信息的储存，除了有数据库查询快速的优点之外，对于特殊的数据结构，几何数据，更是有着不错的计算能力。
此外BIM与空间数据库两者都可以做空间的几何运算，差别在于使用这些空间数据的自由度，BIM就好比微软的word档案，只要用户学会开发的功能，编写API就能任意的操作、改变和使用所有的建筑和空间数据，编辑的自由度非常高；而空间数据库就像一份pdf档，方便阅读、查询，但就是不容易更改BIM内的信息，在数据库内的几何信息顶多只能做到交叉查询的地步，若想要编辑BIM内的建筑组件，最终还是得回到API的平台才有办法达成。
综上所述，使用动作捕捉装置捕捉动作，通过VR设备直观地观看进行建筑模型设计，将数据进行初步运算处理后提供给BIM组件进行验证分析和出图，这就是本发明所开发实现的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统。
目前的现有技术都是将BIM模型导出从而通过各种方式处理形成虚拟现实，简单说就是把建筑设计信息以VR方式呈现，而建筑设计信息都还是采用现有的建筑设计软件进行设计，而本发明与目前的现有技术正好相反，本发明把BIM相关软件作为后台，向BIM相关软件传输模型及数据，从而利用BIM相关软件作为信息验证。意即，本发明是利用VR进行建筑设计，将所得到的建筑设计信息写入BIM，简单来说，BIM相关软件(如revit)将不再是笔而变成纸，本发明的系统才是操控设计的笔。
本发明实现了在虚拟现实中完成建筑设计、模拟施工和各项标准检测的核心任务，使本发明的系统成为建筑设计师在建筑设计工作中所使用的核心必备设计系统，从而帮助建筑设计师搭建所需要的建筑模型，感受建筑设计中的空间感，并从立体三维高真实度模型的直观角度中减少建筑设计中如管线综合、暖通与给排水等平面设计图中容易出现的交合错误，提高建筑设计方案的可执行可管控程度。
为了使虚拟现实(VR)建筑设计系统更加专业，本发明首次将VR技术与建筑设计中的专业BIM(Building Information Modeling)相关软件如Autodesk公司研发的revit软件相结合，进行数据采集，数据互通和数据检验，从而避免或减小虚拟现实系统本身所带来的误差，同时在虚拟现实中完成建筑设计后可将设计及施工图纸进行预览及打印，从而方便设计师，满足其基本需求。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述系统包括动作捕捉装置、动作捕捉交互模块、VR处理模块、核心数据处理模块、BIM数据处理模块、Unity3D/UE引擎和外部VR设备；
所述的动作捕捉装置用于捕捉用户的动作并将捕捉到的动作转换为动作数据传输给动作捕捉交互模块；
所述的动作捕捉交互模块用于接收所述的动作捕捉装置传送回的动作数据并将接收到的动作数据传输至VR处理模块和核心数据处理模块；
所述的核心数据处理模块用于将动作数据处理成外部VR设备可读取的数据并传输至VR处理模块；
所述的VR处理模块用于对外部VR设备可读取的数据进行处理，生成可视的效果画面；
所述的Unity3D/UE4引擎用于对VR处理模块生成的效果画面进行处理；
所述的VR处理模块进一步用于将通过Unity3D/UE4引擎处理后的画面传输给外部VR设备，使用户能够在外部VR设备上直接看到所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作；
所述的核心数据处理模块还用于将动作数据发送至BIM数据处理模块
所述的BIM数据处理模块连接外部的BIM软件进行验证及反馈，如有设计错误的地方，直接从BIM软件得到问题及设计错误信息，然后将问题及设计错误信息反馈至核心数据处理模块，再由核心数据处理模块传输给VR处理模块，由VR处理模块合成后使用户直接在外部VR设备中看到错误资讯。
2.如权利要求1所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述的外部VR设备包括VR显示器，用于显示所述的动作捕捉装置捕捉到的用户的动作以及BIM软件反馈的错误资讯。
3.如权利要求1所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述的设计错误的地方包括尺寸问题或强度问题。
4.如权利要求1所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述的动作捕捉装置包括外部手势识别设备。
5.如权利要求2所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统最终在VR显示器的图像中告知使用者操作是否正确可行。
6.如权利要求1所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述的BIM软件为revit系列软件。
7.如权利要求1-6任一项所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统，其特征在于，所述的结合虚拟现实与BIM实现虚拟现实场景建筑设计的系统在完成VR操作设计后自动生成建筑施工图纸。
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