CN110379014A - 基于bim+vr技术的交互式道路仿真方法及平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法及平台，首先进行三维模型的重构，将CAD道路图纸导入UE4引擎，并将CAD道路图纸中不同格式的三维多边形网格模型通过uv坐标系进行三维模型的重构；然后将重构后的三维模型与卫星地图进行贴合；根据道路场景中的用途和目的进行场景渲染，形成不同的场景模型，并利用全局光照实时运算场景光源并进行光源调节；最后通过VR设备以交互的形式对场景进行体验，并进行改善调节。利用实时全局光照实时运算场景光源互动调节，提升场景真实感。并在VR设备的帮助下，结合拟真的环境，通过全景沉浸式交互体验，使参与者有一种身临其境的驾驶感，从而对道路场景方法进行沉浸式审视，真正地从道路使用者角度感受设计成果。

Description

基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法及平台

技术领域

本发明涉及道路仿真平台技术领域，具体涉及基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法及平台。

背景技术

道路属于线性工程，二维的设计图纸只能用平面、横断面、纵断面三类图纸进行表示，难以呈现出完整的设计效果，图文公司制作的效果图虽然美观，但却无法展现全路段的设计要点。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)技术由Autodesk公司在2002年率先提出，目前已经在全球范围内得到了广泛的认可。BIM的核心是利用数字化技术建立虚拟的建筑工程三维模型，这个模型具有完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库，包含描述建筑物构件的几何信息、专业属性及状态信息，以及非构件对象(如空间、运动行为)的状态信息。BIM技术具有模拟仿真性、直观可视性和协调一致性等先进性，在道路工程设计的数字地面模型建立、道路建模、纵断面设计和平、纵组合视觉分析等方面的应用中优势突出，逐渐成为工程设计领域的主流发展趋势。

虚拟现实(Virtuil Reality，VR)是一种多源信息融合、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真技术，通过电子设备和人的视觉、听觉、触觉等通道，实现虚拟环境，是一种高级的人机交互模式，具有强烈的沉浸感、交互性和思想性。利用虚拟现实技术进行城市、交通规划可以实现传统二维设计难以达到的形象直观的视觉感受。目前，VR在建筑工程的方案设计、项目展示、安全培训等方面得到了广泛的应用。

白雪海对近年BIM的教学实践进行总结，认为VR结合BIM能够让设计实现“从界面到空间”、提升BIM的应用效果并加速其推广，其介绍了一款BIM+VR的教学应用平台Fuzor，该平台首次将游戏引擎技术引入建筑工程行业，利用VR技术充分优化BIM工作方式和交付成果，具备同类软件无法比拟的功能体验。钟炜等结合BIM+VR技术构建了道路交互式设计协同平台，通过实际案例分析，论证了BIM+VR协同平台相对于传统二维设计具有显著的高效性和科学性。

另外，专利CN201710154009.1公开了一种基于BIM的高速公路模型VR展示方法，在计算机内安装Unity3D平台，将SteamVR Plugin插件导入到Unity3D平台，然后在Unity3D平台中设置高速公路BIM模型；将安装有位移传感器的显示头盔、左手柄模拟器、右手柄模拟器通过无线收发模块与计算机建立无线通信连接；在左手柄模拟器和右手柄模拟器中分别设置选择键、扳机键，并通过二次开发脚本实现所述选择键和扳机键与所述高速公路BIM模型进行人机交互。该发明优点在于观察者不需要熟悉软件即可身临其境的观看高速公路BIM模型属性信息，形成人与虚拟现实的互动。

专利CN201710948171.0公开了一种实现BIM信息与交通仿真信息集成系统及其集成方法，将建筑信息平台上的BIM模型导入微观交通仿真器，在BIM模型的基础上进一步构建交通仿真模型，然后将微观交通仿真器的交通仿真信息导出至BIM平台，实现BIM信息与交通仿真信息的集成。该发明能够集成BIM信息与交通信息，实现不同软件之间的模型快速转换，充分发挥软件间的协同工作，实现优势互补，提高设计效率。

上述现有技术在场景画面的渲染、场景光照效果的可视化技术、以及与参与者的交互技术上还有待提高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法及平台，通过UE4游戏引擎渲染质量，利用实时全局光照实时运算场景光源互动，从而提高场景的真实感。

本发明提供的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，包括以下步骤：

S1、重构三维模型：将CAD道路图纸导入UE4引擎，然后将CAD道路图纸中不同格式的三维多边形网格模型通过uv坐标系进行三维模型的重构；

S2、将重构后的三维模型与卫星地图进行贴合；

S3、根据道路场景中的用途和目的进行场景渲染，形成不同的场景模型，并利用全局光照实时运算场景光源并进行光源调节；

S4、通过VR设备以交互的形式对场景进行体验，并进行改善调节。

进一步的，在S1中，uv坐标系生成的方式为根据计算三维多边形网格模型的坐标点，确定一个在这些坐标点最近的点为原点，然后按照每个面遍历定点；最后按照右手坐标系逆时针次序，重新计算三维多边形网格模型中各个点的顺序，并将各个点连接起来直接生成面，以进行三维模型的重构。

进一步的，采用多线程并行优化UE4引擎，将大尺寸的三维多边形网格模型的坐标点在坐标系中统一偏移一个固定的矩阵T并进行叠加。

进一步的，在S3中利用UE4引擎对光照进行三维矩阵计算，并将计算结果和场景内的数据动态反馈给页面，使页面控制并调节光源数据。

进一步的，在S4中，通过VR设备进行体验时，参与者可选择在不同的天气情况下以行人，或者空中飞行模式，或者驾驶员视角进行体验。

基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台，包括页面逻辑模块和服务器内部逻辑模块，页面逻辑模块用于与PC端的用户进行交互操作；服务器内部逻辑模块用于对仿真平台进行数据处理，服务器后台逻辑模块进行数据处理的内容包括模型编辑、材质系统、场景系统、渲染系统和VR展示区；模型编辑包括模型导入、模型库设计和模型信息处理，将模型导入后进行TIN模型的三角面处理、正反面处理、UV贴图坐标展开、地形模型边缘平滑处理及场景优化等预处理；模型库由美术事先预制的AI车流模块和动态配件库模块组成，最后模型信息系统会将模型的细节信息反馈给页面。

进一步的，材质系统包括材质编辑、赋予和库设计，通过对预制的材质参数进行自定义编辑，并对场景中特定物体进行材质赋予，包括分类预制、构件自动分类标识和自适应贴图等方式，在材质库中可以对所有材质进行集中浏览及处理。

进一步的，场景系统包括场景初始化、更新、编辑和构件操作，模型导入场景后会进行初始化设置，通过场景模块对场景灯光、材质和特效进行编辑和更新，以及对场景构件的选择、移动、旋转和缩放操作。

进一步的，渲染系统利用UE4引擎对光照进行三维矩阵计算、材质着色器进行复合运算，并将复合运算的结果及场景内的数据动态反馈给页面，使页面能控制特定的数据，同时可以对光照、材质、场景和后处理等进行集成构建，反馈给视窗后进行预览和存储。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果：

一种基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法及平台，首先进行三维模型的重构，将CAD道路图纸导入UE4引擎，并将CAD道路图纸中不同格式的三维多边形网格模型通过uv坐标系进行三维模型的重构；然后将重构后的三维模型与卫星地图进行贴合；根据道路场景中的用途和目的进行场景渲染，形成不同的场景模型，并利用全局光照实时运算场景光源并进行光源调节；最后通过VR设备以交互的形式对场景进行体验，并进行改善调节。利用实时全局光照实时运算场景光源互动，提高场景全局光的采样率和光照计算质量，通过灯光快速提升场景的质感，达到场景真实感。并在VR设备的帮助下，结合拟真的环境，通过全景沉浸式交互体验，使参与者有一种身临其境的驾驶感。参与者可在场景中自由行走，任意观看，从而对道路场景方法进行沉浸式审视，真正地从道路使用者角度感受设计成果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法的流程示意图。

图2为本发明基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，本实施例提供的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，包括以下步骤：

第一步、重构三维模型：将CAD道路图纸导入UE4引擎，然后将CAD道路图纸中不同格式的三维多边形网格模型通过uv坐标系进行三维模型的重构；

CAD道路图纸为根据地形数据、构筑物信息和附属设施信息建立的CAD三维图纸，包含平、纵、横路线信息，路面、桥、隧道、涵、挡墙等构筑物。

uv坐标系生成的方式为根据计算三维多边形网格模型的坐标点，确定一个在这些坐标点最近的点为原点，然后按照每个面遍历顶点；最后按照右手坐标系逆时针次序，重新计算三维多边形网格模型中各个点的顺序，并将各个点连接起来直接生成面，以进行三维模型的重构。利用快速自动构网、UV优化坐标系生成技术、图像及模型的层级优化技术对已有BIM道路设计软件的模型数据进行重构并转化为三维实体。

S2、将重构后的三维模型与卫星地图进行贴合；

利用卫星地图软件(GIS软件)将重构后的三维模型

S3、根据道路场景中的用途和目的进行场景渲染，形成不同的场景模型，并利用全局光照实时运算场景光源并进行光源调节；

利用UE4引擎对光照进行三维矩阵计算，并将计算结果和场景内的数据动态反馈给页面，使页面控制并调节光源数据。依托实时渲染技术及光影追踪系统，可根据道路场景中不同的用途和目的形成不同的场景模型，同时利用全局光照实时运算场景光源，提高光源的采样率和渲染计算质量，快速提升场景的真实感。

本实施例中采用多线程并行优化UE4引擎，将大尺寸的三维多边形网格模型的坐标点在坐标系中统一偏移一个固定的矩阵T并进行叠加。

S4、通过VR设备以交互的形式对场景进行体验，并进行改善调节。在UE4引擎中生成三维道路数字模型后，会根据模型BIM属性信息智能化赋予道路行车线、车流和绿化植被，也可以根据需要进行手动调整，通过应用PBR物理级材质，用户可以根据需要对场景地貌或者道路的材质进行替换，查看不同材质带来的仿真效果。考虑到特殊天气对道路安全情况和驾驶体验的影响，通过大气粒子模拟系统模拟了各种气象条件，用户可以体验不同天气带来的视距影响，从而对道路设计及安全情况作出评价。

通过VR设备进行体验时，参与者可选择在不同的天气情况下以行人或者空中飞行模式或者驾驶员视角进行体验，从而对道路设计即安全情况做出评价。行人模式中，参与者可在场景中自由行走，以第一人称视角任意观看，从而对道路方案进行沉浸式审查，真正地从行人角度感受设计成果，对建筑体量有更直观认识；驾驶模式中，利用驾驶模拟设备，在三维设计场景中进行虚拟驾驶，在VR设备(如HTC VIVEPRO)的帮助下，用户在虚拟车内自由操作，全方位任意观看，对道路方案进行不同时速下的沉浸式体验，直观的感受视距、弯道、盲区和天气情况的影响；VR飞行模式中，通过在场景模型的指定位置创设相机视角，支持交互操作对其进行自由移动，实现全场景的VR漫游，让用户从全局上把握方案的整体设计。

另外，仿真平台内置的截屏及录屏功能可进行实时场景照片、视频的采集和存储，能记录供后续评价分析，并可以实现移动端三维交互式查看。

如图2所示，基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台，包括PC端、服务器端和移动端，PC端系统采用B/S+C/S结构，这样既能适用庞大用户群，又能减轻服务器压力；移动端采用C/S架构，加强对信息安全的控制能力。

PC端包括页面逻辑模块和服务器内部逻辑模块，页面逻辑模块包括用户登陆模块、操作模块和S&L模块，操作模块用于进行文件菜单选择、场景操作和VR漫游操作；页面逻辑模块用于与PC端的用户进行交互操作。移动端兼容微信扫码功能，支持Android或者IOS操作系统，通过移动端即时扫二维码便可显示三维模型全景图，且具备基本交互功能，更便于方案审查与展示。

服务器内部逻辑模块用于对仿真平台进行数据处理，服务器后台逻辑模块进行数据处理的内容包括模型编辑、材质系统、场景系统、渲染系统和VR展示区；模型编辑包括模型导入、模型库设计和模型信息处理，将模型导入后进行TIN模型的三角面处理、正反面处理、UV贴图坐标展开、地形模型边缘平滑处理及场景优化等预处理；模型库由美术事先预制的AI车流模块和动态配件库模块组成，最后模型信息系统会将模型的细节信息反馈给页面。

材质系统包括材质编辑、赋予和库设计，通过对预制的材质参数进行自定义编辑，并对场景中特定物体进行材质赋予，包括分类预制、构件自动分类标识和自适应贴图等方式，在材质库中可以对所有材质进行集中浏览及处理。

场景系统包括场景初始化、更新、编辑和构件操作，模型导入场景后会进行初始化设置，参与者可以对场景灯光、材质和特效等细节进行编辑，同时支持场景更新以及对场景构件的选择、移动、旋转和缩放操作。

渲染系统包括图像引擎、光照系统、静态图像生产模块、视频影像生成模块、接入光照信息、接入材质信息、接入场景信息和集成构成系统八个部分，主要通过图像引擎完成模型的实时渲染，仿真平台采用“所见即所得”的大型游戏引擎虚幻4(Unreal Engine 4，UE4)，利用该引擎对光照进行三维矩阵计算、材质Shader进行复合运算，并将其结果及场景内的数据动态反馈给页面，使其能控制特定的数据，同时可以对光照、材质、场景和后处理等进行集成构建，反馈给视窗后进行预览和存储。光照系统提供默认光照套件，也可根据参与者需求加入少量辅助光照(视硬件配置而定)，支持光照参数的基础及进阶编辑，当光照与特点镂空图片相结合后可达到投影效果。平台支持静态图像和视频影像生成，可以对场景特定位置的全景图像信息进行实时捕获并输出全景图片，根据参与者自定义相机路径及角度录制视频并输出。

VR展示区支持飞行模式下360°自由移动视角进行场景漫游，也可借助VR设备与虚拟现实场景中的物体进行交互，可交互的物体都按照真实世界对应的物体的所有功能进行了真实性还原。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、重构三维模型：将CAD道路图纸导入UE4引擎，然后将CAD道路图纸中不同格式的三维多边形网格模型通过uv坐标系进行三维模型的重构；

S2、将重构后的三维模型与卫星地图进行贴合；

S3、根据道路场景中的用途和目的进行场景渲染，形成不同的场景模型，并利用全局光照实时运算场景光源并进行光源调节；

S4、通过VR设备以交互的形式对场景进行体验，并进行改善调节。

2.根据权利要求1所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，其特征在于：在S1中，uv坐标系生成的方式为根据计算三维多边形网格模型的坐标点，确定一个在这些坐标点最近的点为原点，然后按照每个面遍历定点；最后按照右手坐标系逆时针次序，重新计算三维多边形网格模型中各个点的顺序，并将各个点连接起来直接生成面，以进行三维模型的重构。

3.根据权利要求2所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，其特征在于：采用多线程并行优化UE4引擎，将大尺寸的三维多边形网格模型的坐标点在坐标系中统一偏移一个固定的矩阵T并进行叠加。

4.根据权利要求1所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，其特征在于：在S3中利用UE4引擎对光照进行三维矩阵计算，并将计算结果和场景内的数据动态反馈给页面，使页面控制并调节光源数据。

5.根据权利要求1所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真方法，其特征在于：在S4中，通过VR设备进行体验时，参与者可选择在不同的天气情况下以行人，或者空中飞行模式，或者驾驶员视角进行体验。

6.基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台，其特征在于：包括页面逻辑模块和服务器内部逻辑模块，所述页面逻辑模块用于与PC端的用户进行交互操作；所述服务器内部逻辑模块用于对仿真平台进行数据处理，所述服务器后台逻辑模块进行数据处理的内容包括模型编辑、材质系统、场景系统、渲染系统和VR展示区；

所述模型编辑包括模型导入、模型库设计和模型信息处理，将模型导入后进行TIN模型的三角面处理、正反面处理、UV贴图坐标展开、地形模型边缘平滑处理及场景优化等预处理；模型库由美术事先预制的AI车流模块和动态配件库模块组成，最后模型信息系统会将模型的细节信息反馈给页面。

7.根据权利要求6所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台，其特征在于：所述材质系统包括材质编辑、赋予和库设计，通过对预制的材质参数进行自定义编辑，并对场景中特定物体进行材质赋予，包括分类预制、构件自动分类标识和自适应贴图等方式，在材质库中可以对所有材质进行集中浏览及处理。

8.根据权利要求6所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台，其特征在于：所述场景系统包括场景初始化、更新、编辑和构件操作，模型导入场景后会进行初始化设置，通过场景模块对场景灯光、材质和特效进行编辑和更新，以及对场景构件的选择、移动、旋转和缩放操作。

9.根据权利要求6所述的基于BIM+VR技术的交互式道路仿真平台，其特征在于：所述渲染系统利用UE4引擎对光照进行三维矩阵计算、材质着色器进行复合运算，并将复合运算的结果及场景内的数据动态反馈给页面，使页面能控制特定的数据，同时可以对光照、材质、场景和后处理等进行集成构建，反馈给视窗后进行预览和存储。