CN107945283A - 基于移动增强现实技术和bim的工程展示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法，包括环境和平台准备，三维模型格式转换，三维模型比例自动匹配、组装和基点设置，三维模型信息提取与应用，现实场景三维空间检测与标示，三维模型交互操控，三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置，尺寸量测。本发明优点在于将移动增强现实技术应用于大中型土木工程，通过在现实场景中放置设计的三维模型，并以人的视角身临其境的观看模型，可方便的对模型进行各种交互操作与信息查询，极大地促进了参与土木工程各方对工程的理解，为随时随地对土木工程技术方案进行讨论和会商提供了支撑平台，对推动土木工程的发展具有重要意义。

Description

基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法

技术领域

本发明涉及移动增强现实技术在土木工程上的应用，尤其是涉及基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法。

背景技术

增强现实(英文：Augmented Reality，简称AR)，是一种在现实场景中叠加虚拟文字、图像、三维模型的可视化技术。BIM（英文Building Information Modeling)的缩写，即建筑信息模型，或称之为工程三维信息模型（其后简称为三维模型），既是一种工程三维设计成果的表现形式，也是一种设计理念、流程和规范。随着智能手机、Ipad等移动终端设备性能的提升，以及相关空间感知技术的完善，增强现实技术逐步从PC终端走向上述移动终端设备；从叠加简单图片、文字的二维增强现实，走向感知现实三维空间，并在现实空间上准确放置三维模型的三维增强现实。目前移动增强现实技术只应用在游戏和一些公共辅助服务上，且多是二维增强现实，在工程上尤其是土木工程方面尚无应用。

发明内容

本发明综合采用MicroStation三维协同设计软件、3ds Max三维动画制作软件、SceneKit三维引擎等软件工具，基于IOS 11.0系统支持的ARKit接口，目的在于提供一种基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法，包括环境和平台准备，三维模型格式转换，三维模型比例自动匹配、组装和基点设置，三维模型信息提取与应用，现实场景三维空间检测与标示，三维模型交互操控，三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置，尺寸量测；

所述环境和平台准备为：以移动终端设备作为硬件，将采用三维设计软件构建的工程三维设计模型，转换格式后导入到三维引擎中，用于室内外场景展示；

所述三维模型格式转换步骤如下：

S11、在所述三维设计软件中设置三维模型不同的图层、颜色和材质，以区分单体设计模型；

S12、以FBX等通用三维格式从所述三维设计软件中导出三维模型；

S13、再将S12步骤中导出的所述三维模型导入到第三方动画制作软件中，然后进行分组，并设置各组基点；

S14、以OpenCOLLADA第三方插件将S13步骤中分组后的三维模型导出为DAE格式三维模型；

S15、将S14步骤中导出的所述DAE格式三维模型导入到Scenekit三维引擎，并转换为SCN格式三维模型；

所述三维模型比例自动匹配、组装和基点设置步骤为：

S21、基于所述三维模型真实尺寸和现实空间尺寸对比后，对三维模型进行自动缩放；

S22、采取在所述三维设计软件中事先设置不同的图层、颜色和材质以区分三维模型，然后导入第三方动画制作软件后再采用分组和设置组基点；

所述三维模型信息提取与应用为：通过对所述三维模型和信息进行唯一的ID标识并建立关联关系，然后在增强现实展示中通过三维模型ID，从信息文本中检索对应的信息ID以提取三维模型信息；

所述现实场景三维空间检测与标示为：利用ARKit增强现实开发接口的现实世界平面检测能力检测现实世界平面，并在检测到的现实世界平面中心上方实时构建三维模型进行可视化标示，通过三维模型材质增强标识效果；

所述三维模型交互操控为：采用基于所述移动终端设备屏幕触点射线模型检测，和移动终端设备屏幕手势交互相结合的模型操控方法，步骤为：

S31、获取所述移动终端设备屏幕触点在现实三维坐标中的位置；

S32、以该位置为原点，以垂直于移动终端设备屏幕的方向发射射线进行三维模型的检测；

S33、以所有碰到该射线的三维模型为检测到的三维模型，选取第一个碰到的三维模型为需要交互操控的三维模型；

S34、采用手指在移动终端设备屏幕上位置的变换，相应对放置在现实中的三维模型进行变换，所述变换包括平移、旋转、缩放、升降、隐藏、显示、变透明；

所述三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置为：利用所述移动终端设备上的光线传感器获取现实世界光线的强弱，并以此为依据相应改变三维模型组的主、次光源的强度；

所述尺寸量测为：采用现实尺寸量侧和三维模型尺寸量测两种量测方法之一，现实尺寸量侧是基于移动终端设备屏幕触点位置，或移动终端设备屏幕触点射线与现实平面交点位置；三维模型量测结果为现实量测结果乘三维模型比例。

本发明优点在于将移动增强现实技术应用于大中型土木工程，通过在现实场景中放置设计的三维模型，并以人的视角身临其境的观看模型，可方便的对模型进行各种交互操作与信息查询，极大地促进了参与土木工程各方对工程的理解，为随时随地对土木工程技术方案进行讨论和会商提供了支撑平台，对推动土木工程的发展具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

图2是本发明所述在三维模型交互操控中基于移动终端设备屏幕触点射线模型检测的原理图。

图3是本发明所述基于移动终端设备屏幕触点坐标的方式测量现实世界尺寸原理图。

图4是本发明所述基于移动终端设备屏幕触点射线与现实世界交点坐标的方式测量现实世界尺寸原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法，包括环境和平台准备，三维模型格式转换，三维模型比例自动匹配、组装和基点设置，三维模型信息提取与应用，现实场景三维空间检测与标示，三维模型交互操控，三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置，尺寸量测个步骤。

步骤1、环境和平台的准备：包括安装Windows7.0及以上操作系统的电脑；工程三维设计软件和设计完成的土木工程三维模型，如Microstation、Revit等；三维动画制作软件如3ds max；DAE格式导出插件如OpenCOLLADA；安装Mac操作系统的苹果一体机；Xcode9.0以上开发工具；更新至IOS 11.0以上，A9处理器以上的移动终端设备，智能手机和平板电脑均可。

步骤2、三维模型格式的转换、组装与基点设置：如图1所示，首先，由于在三维设计软件中，工程三维信息模型(三维模型)一般是按项目、专业、位置组装好的一个整体，但以FBX等通用三维格式导出到3ds max中以后则模型的名称、图层和组装信息丢失，且图层、颜色和材质相同的多个模型合并成了一个模型，因此，采取的解决方法是在三维设计软件中对需要分开的模型设置不同的图层、颜色和材质(选其一即可)；

其次，从工程三维设计软件如MicroStation中，根据需要导出通用三维模型格式FBX，不需要导出的模型可隐藏，并同步批量导出模型的工程属性信息成为文本格式，模型导出注意需要反转X、Z坐标；

接着，在3ds max中导入该FBX模型，为了方便后期模型的管理和操控，按原组装方案把多个单模型组装在一起成为小组，多个小组组装成大组；同时组装在一起的模型在3ds max中设置一个共同基点，针对模型组整体的交互操作如旋转、平移、缩放等则会均基于该基点执行；

再接着，从3ds max中通过OpenCOLLADA插件将组装好的模型组导出为DAE格式，注意在导出的位置会同步生成一个名为image的文件夹，为模型材质贴图所在；

最后，切换到mac系统下的Xcode里，在Xcode 9.0版本以上集成有Scenekit编辑器，通过在Scenekit编辑器中同时导入该DAE模型文件和image文件夹，然后使用编辑器的转换功能转换成SCN格式，完成三维模型的最终转换。

步骤3、三维模型比例的自动匹配设置：为解决三维模型在现实场景中的比例适配问题，如将一个真实长度20m、宽5m的水工建筑三维模型放置在一个长2m宽1m的现实桌面上，提出基于模型真实尺寸和现实空间尺寸对比后，对三维模型进行自动缩放的方法；具体为：ARKit增强现实接口提供有现实世界平面检测功能，可返回检测到的现实平面的大小，如桌面的大小等，在将三维模型放置在现实世界时，对比模型真实尺寸和现实平面尺寸，以模型长边除以现实短边作为比例尺，自动调整模型比例后放置。

步骤4、三维模型信息的提取与应用：在增强现实工程展示中通过点击模型获取模型工程信息，具体方法为：对每一个需要单独展示信息的模型进行唯一ID标识，同时对导出的模型信息也进行ID标识，尽可能在三维设计软件中让模型ID和信息ID同步导出，然后在增强现实展示中通过模型ID从信息文本中检索对应信息ID以提取模型信息。

步骤5、现实场景三维空间检测与标示：IOS 11.0系统中的ARKit接口提供了一套基于移动终端设备运动传感器和相机图像特征点识别用以检测现实三维空间的方法，该接口同时能检测到真实世界平面，如地面、桌面等；为满足将三维模型准确放置在真实三维平面上的要求，需要对检测到的平面进行可视化标示，具体方法是：在移动终端设备检测到现实世界平面时，采用Scenekit三维引擎实时构建最为简单的三维模型，如平面或高度很小的立方体，并将该三维模型放置在检测到的平面中心点上，该三维模型最大尺寸设置为小于检测到的平面短边长度，为使得标示更加形象，三维模型采用类似飞机着落点一样的“十”字、圆圈等纹理作为材质，并设置材质发光以增强标识效果。

步骤6、三维模型的交互操控设计与实现：如图2所示，将模型放置在现实世界平面上后，为方便的对模型进行平移、旋转、缩放、升降、隐藏、显示、变透明等交互操作，提出了基于移动终端设备屏幕触点射线模型检测、和屏幕手势交互的模型操控方法，具体为：将三维模型放置在现实世界平面6中后，后台建立数组记录放置的三维模型信息，当进行三维模型操控时，手指接触移动终端设备1屏幕时即实时获取手指所在屏幕位置（该功能由IOS11.0系统的UI接口提供，为一个基于屏幕分辨率的X、Y坐标），同时获取触点2在现实三维坐标中的位置(该功能由IOS 11.0系统的ARKit接口提供)，并以该触点2位置为原点，以垂直于移动终端设备1屏幕的方向发射射线3进行三维模型的检测，所有碰到该射线3的三维模型4、5即为检测到的模型，选取第一个碰到的三维模型4为需要交互操控的三维模型；三维模型的平移、旋转、缩放、升降、隐藏、显示、变透明等交互操作均针对该三维模型4，且均通过在移动终端设备1屏幕上的滑动、长按、点击等手势完成，如模型平移操作，即通过计算手指在移动终端设备1屏幕上的单指滑动X、Y坐标变化值相应改变三维模型4在现实三维坐标中的X、Y坐标位置；如三维模型缩放操作，则是通过双指在移动终端设备1屏幕上的触点2距离变化相应改变三维模型的比例。

步骤7、三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置：为使得放置在现实世界上的三维模型更加真实，需要对模型进行特殊的灯光、材质和碰撞设置，其方法为：在灯光方面，给需要放置在现实世界上的模型组均设置单独的主、次光源，其中主光源产生阴影，将模型放置在现实世界中后，通过移动终端设备上的光线传感器获取现实世界光线的强弱，并以此为依据相应改变模型组主、次光源的强度；在材质方面，按模型放大至真实尺寸近看仍能看清材质纹理的标准选择贴图；在碰撞设置方面，由于工程中需要用到模型间碰撞检测的地方较少，故一般不设置模型碰撞，以减少移动终端设备荷载。

步骤8、现实和三维模型尺寸量测的设计与实现：由于在工程增强现实展示中，既需要测量现实场景真实的尺寸，又需要测量模型的尺寸，而由于现实世界空间的限制，模型一般是经过缩小后再放置在现实世界中的，为此提出采取现实尺寸量侧和三维模型尺寸量测自动切换的方法，即现实中有三维模型即按三维模型比例显示测量结果，否则按现实尺寸显示测量结果；每种测量方法均可实现以设备触点和设备触点射线交点两种测量方式，以满足不同的测量需求。具体为：

a、当以移动终端设备屏幕触点方式测量现实世界尺寸时，如图3所示，实时获取移动终端设备1.1屏幕测量的起点屏幕触点2.1位置坐标（x1、y1、z1）信息和止点屏幕触点2.2位置坐标（x2、y2、z2）信息（方法和原理同步骤4），然后通过距离公式得到测量结果，距离公式为：L =；

b、当以射线交点方式测量现实世界尺寸时，如图4所示，实时获取移动终端设备1.2屏幕测量起点屏幕触点2.3位置和止点屏幕触点2.4位置，并分别以屏幕触点2.3、2.4位置垂直于屏幕发射射线3.1、3.2，射线3.1、3.2与移动终端设备1.2检测到的现实世界平面6.1相交，该两个交点J1、J2的即为量测的现实世界起、止点，交点J1的位置坐标为（x3、y3、z3），交点J2的位置坐标为（x4、y4、z4），然后同样通过上述距离公式计算得到测量结果；当以移动终端设备1.2屏幕触点方式和移动终端设备1.2屏幕触点射线交点方式测量三维模型尺寸时，测量方法与测量现实世界相同，只是测量结果需要乘以三维模型的比例尺。

Claims (1)

1.一种基于移动增强现实技术和BIM的工程展示方法，其特征在于：包括环境和平台准备，三维模型格式转换，三维模型比例自动匹配、组装和基点设置，三维模型信息提取与应用，现实场景三维空间检测与标示，三维模型交互操控，三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置，尺寸量测；

所述环境和平台准备为：以移动终端设备作为硬件，将采用三维设计软件构建的工程三维设计模型，转换格式后导入到三维引擎中，用于室内外场景展示；

所述三维模型格式转换步骤如下：

S11、在所述三维设计软件中设置三维模型不同的图层、颜色和材质，以区分单体设计模型；

S12、以通用三维格式从所述三维设计软件中导出三维模型；

S13、再将S12步骤中导出的所述三维模型导入到第三方动画制作软件中，然后进行分组，并设置各组基点；

S14、以OpenCOLLADA第三方插件将S13步骤中分组后的三维模型导出为DAE格式三维模型；

S15、将S14步骤中导出的所述DAE格式三维模型导入到Scenekit三维引擎，并转换为SCN格式三维模型；

所述三维模型比例自动匹配、组装和基点设置步骤为：

S21、基于所述三维模型真实尺寸和现实空间尺寸对比后，对三维模型进行自动缩放；

S22、采取在所述三维设计软件中事先设置不同的图层、颜色和材质以区分三维模型，然后导入第三方动画制作软件后再采用分组和设置组基点；

所述三维模型信息提取与应用为：通过对所述三维模型和信息进行唯一的ID标识并建立关联关系，然后在增强现实展示中通过三维模型ID，从信息文本中检索对应的信息ID以提取三维模型信息；

所述现实场景三维空间检测与标示为：利用ARKit增强现实开发接口的现实世界平面检测能力检测现实世界平面，并在检测到的现实世界平面中心上方实时构建三维模型进行可视化标示，通过三维模型材质增强标识效果；

所述三维模型交互操控为：采用基于所述移动终端设备屏幕触点射线模型检测，和移动终端设备屏幕手势交互相结合的模型操控方法，步骤为：

S31、获取所述移动终端设备屏幕触点在现实三维坐标中的位置；

S32、以该位置为原点，以垂直于移动终端设备屏幕的方向发射射线进行三维模型的检测；

S33、以所有碰到该射线的三维模型为检测到的三维模型，选取第一个碰到的三维模型为需要交互操控的三维模型；

S34、采用手指在移动终端设备屏幕上位置的变换，相应对放置在现实中的三维模型进行变换，所述变换包括平移、旋转、缩放、升降、隐藏、显示、变透明；

所述三维模型在现实场景中的灯光材质碰撞设置为：利用所述移动终端设备上的光线传感器获取现实世界光线的强弱，并以此为依据相应改变三维模型组的主、次光源的强度；

所述尺寸量测为：采用现实尺寸量侧和三维模型尺寸量测两种量测方法之一，现实尺寸量侧是基于移动终端设备屏幕触点位置，或移动终端设备屏幕触点射线与现实平面交点位置；三维模型量测结果为现实量测结果乘三维模型比例。