CN115935011A - 一种基于bim模型的镜现平台数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本申请明公开了一种基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，包括在现场完成全景拍摄器与移动设备的同步连接，以拍摄起点为基准建立参考坐标系，选取标志物，记录标志物坐标和全景拍摄器的基准方向，移动拍摄过程中储存路径点坐标、坐标生成时间，结束移动拍摄后输出路径点坐标和全景视频帧，通过坐标变换使路径点获得BIM模型内对应空间点的坐标位置，根据在BIM模型内任一路径点处相机视角相对于基准方向的变换角度，输出与BIM模型相机视角方向相同的照片。

Description

一种基于BIM模型的镜现平台数据处理方法

技术领域

本申请涉及施工监管领域，尤其涉及一种基于BIM模型的镜现平台数据处理方法。

背景技术

传统建筑行业在施工过程中，管理人员通常需要亲自到现场才能够确定施工进度并解决出现的问题，大大增加了管理的时间成本，随着技术的而不断进步，出现了BIM技术，通过将现场采集到的相关信息传递给远端的管理人员后再将信息与BIM模型进行比对，即可明确当前施工进度及存在的问题，管理人员也可以马上针对问题提出解决方案，极大的节省了时间成本。在此基础上，出现了采集施工现场照片并在BIM模型中匹配展示的镜现平台，能够在BIM模型中指定位置的施工现场的照片进行展示。

在现有技术中对现场照片的采集主要有两种方法：移动采集法和静态采集法，其中移动采集法是在移动过程中拍摄视频并记录路径点，后续截取视频帧作为路径点处的照片进行展示，静态采集法则是将拍摄设备固定在建筑中制定的点位进行拍摄。通过移动采集法获取的照片和路径点需要解决与BIM模型中空间点一一绑定的问题，而静态采集法则需要解决存在拍摄盲区导致拍摄不够全面。

发明内容

本申请针对现有技术中通过移动采集法获取的照片和路径点无法与BIM模型的空间点一一绑定的问题提出了一种基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，保证了所采集到的视频帧和路径点不仅能够与BIM模型内的空间点绑定，同时能够根据BIM模型中相机观察方向输出与相机观察方向相同的照片。

本申请是通过以下技术方案予以实现的：

一种基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，包括以下步骤：

S1、在现场初始化全景拍摄器和移动设备，完成全景拍摄器与移动设备的同步连接，以拍摄起点为基准建立参考坐标系；

S2、在开始移动采集前，选取一个标志物，记录标志物在参考坐标系下的坐标，同时记录标志物在全景拍摄器中的方向并规定为全景拍摄器的基准方向；

S3、所述全景拍摄器在移动设备带动下开始进行移动采集，移动采集过程中储存移动设备在参考坐标系下的生成的路径点的坐标、坐标生成时间，移动过程中全景拍摄器同步拍摄全景视频；

S4、结束移动拍摄，输出参考坐标系下路径点的坐标和坐标生成时间下的全景视频帧；

S5、根据标志物在参考坐标系内的坐标和其在BIM模型内的坐标，换算参考坐标系与BIM模型的坐标系的相对关系，通过坐标变换使路径点获得BIM模型内对应空间点的坐标位置；

S6、根据在BIM模型内任一路径点处BIM模型相机视角相对于基准方向的变换角度，对该路径点对应的全景视频帧进行调整，输出与BIM模型相机视角方向相同的照片。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、通过http协议控制全景拍摄器；

S12、基于AR框架建立以拍摄起点为原点的AR坐标系作为参考坐标系。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、定义标志物所在位置在参考坐标系下的坐标为[X ref_0,Y ref_0,Z  ref_0]，标志物所在位置在BIM模型坐标系下的坐标为[X bim_0,Y bim_0,Z  bim_0]，任意路径点在参考系下的坐标为[X ref_n,Y ref_n,Z ref_n];

S52、建立以标志物所在位置为原点的第一坐标系，第一坐标系的X、Y、Z坐标轴与参考坐标系的X、Y、Z坐标轴平行且方向相同，根据坐标平移公式计算出任意路径点在参考系下的坐标 [X ref_n,Y ref_n,Z ref_n]经平移后在第一坐标系下的坐标为[X no1_n,Y no1_ n,Z no1_n]；

S53、建立以标志物所在位置为原点的第二坐标系，第二坐标系的X、Y、Z坐标轴与BIM模型坐标系的X、Y、Z坐标轴平行且方向相同，根据坐标系旋转公式计算出任意路径点在第一坐标系下的坐标[X no1_n,Y no1_n,Z no1_n]经旋转后在第二坐标系内的坐标[X no2_n,Y no2_n,Z no2_n]；

S54、再次根据坐标平移公式计算出任意路径点在第二坐标系内的坐标[X no2_n,Y no2_n,Z no2_n]经过平移后在BIM模型内的坐标[X bim_n,Y bim_n,Z bim_n]。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S6具体包括以下步骤：

S61、将BIM模型相机视角定位在任一路径点对应的空间点，提取与路径点相对应的全景视频帧，将全景视频帧导入天空球模型中生成带有全景照片贴图的天空球；

S62、根据BIM模型相机视角相对于基准方向的角度变换和观察范围，输出天空球中相对应的部分全景照片贴图作为BIM模型相机视角下的现场照片。

作为本发明的进一步改进，所述移动设备还包括IMU单元和/或RTK模块和/或激光雷达。

作为本发明的进一步改进，还包括辅助拍摄器，所述辅助拍摄器包括一个或多个拍摄相机。

作为本发明的进一步改进，所述移动设备上安装有激光雷达，在移动采集过程中激光雷达向周围激光打点，并在参考坐标系中形成临时点云。

作为本发明的进一步改进，所述全景拍摄器包含多个照相机，所述多个照相机的镜头分别朝向不同角度构成全景拍摄范围。

实施本发明，具有如下有益效果：在移动采集过程中实现了路径坐标和视频在时间和空间上的同步记录，将移动采集过程中的路径点以及全景视频帧与BIM模型中的空间点一一绑定，并且根据BIM模型中相机观察角度的不同，能够在镜现平台上输出与相机观察方向和范围相同的现场照片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的流程图；

图2是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的坐标变换顺序和方法；

图3是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的实施例中BIM模型示意图；

图4是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的实施例中各路径点上输出的全景视频帧在BIM空间点上的对应关系；

图5是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的实施例中在通过天空球模型观察全景照片的示意图；

图6是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的实施例中在镜现平台查看的现场照片和BIM模型图；

图7是本发明基于BIM模型的镜现平台数据处理方法的实施例中在镜现平台查看的现场照片和BIM模型图。

具体实施方式

下面将对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本实施例中，全景拍摄器采用360°全景相机，移动设备采用可编程控制的移动机器人，全景相机被固定在移动机器人顶端，移动机器人能够建立起以移动采集起点为原点的AR参考坐标系并记录移动过程中的路径坐标，对全景相机和移动机器人初始化后将全景相机和移动机器人的数据采集功能同步，通过http协议控制全景相机在移动机器人开始移动的同时开启拍摄功能，在移动机器人停止移动时控制全景相机停止拍摄，保证移动机器人的移动时间和全景相机的拍摄时间保持一致。

开始移动拍摄前，在现场的墙壁上指定一个标志物，记录标志物在全景相机镜头内的初始方位、标志物在AR参考坐标系下的坐标[X ref_0，Y ref_0，Z ref_0]，将标志物表面朝外的方向记为标志物朝向，其欧拉角记为AR欧拉角（RX ref，RY ref，RZ ref），在本实施例中标志物初始位于全景相机的正N方向，因此将正N方向规定为全景相机的基准方向，在BIM模型坐标系中规定朝向正N方向的欧拉角为（0,0,0），在BIM模型中将标志物朝向记为标志物的BIM欧拉角（RX bim，RY bim，RZ bim）。

启动移动机器人和全景相机开始移动采集，在移动采集过程中储存移动机器人在AR参考坐标系下的生成的路径点的坐标、坐标生成时间，移动过程中全景拍摄器同步拍摄全景视频，其中任意路径点在AR参考坐标系中的坐标为[X ref_n,Y ref_n,Z ref_n]。

结束移动拍摄后，输出AR参考坐标系下路径点的坐标，将拍摄的全景视频根据坐标生成时间输出与之向对应的全景视频帧，由于移动采集过程中的移动时间和拍摄时间相同，因此任意坐标生成时间时移动经过的路径点和在此时间输出的全景视频帧是一一对应的。

以标志物为原点建立与AR参考坐标系坐标轴方向相同的第一坐标系，根据坐标平移公式，则任意路径点在第一坐标系内的坐标为[X no1_n,Y no1_n,Z no1_n]，其中坐标平移矩阵T1为：

任意路径点在第一坐标系和AR参考坐标系内的坐标的矩阵计算关系如下：

以标志物位置为原点建立与BIM模型坐标系坐标轴方向相同的第二坐标系，第一坐标系和第二坐标系均以标志物位置为原点，并且标志物在第一坐标系中有着与AR欧拉角相同的欧拉角，在第二坐标系中有着与BIM欧拉角相同的欧拉角，因此第一坐标系通过在原点进行旋转后可以转换为第二坐标系，为了得到相应的坐标旋转矩阵将标志物的AR欧拉角和BIM欧拉角通过下式的方法转换为矩阵形式

→

经过上式变换后将AR欧拉角变换后的矩阵记为Rref，将BIM欧拉角变换后的矩阵记为Rbim，由于AR参考坐标系和BIM模型坐标系均以指向正N方向欧拉角为（0,0,0），因此通过变换矩阵Rchange可以得到下式：

Rbim=Rchange*Rref

在已知Rref和Rbim的前提下，通过矩阵的计算可以得到矩阵Rchange，那么任意路径点在第二坐标系和第一坐标系内的坐标的矩阵计算关系如下：

在BIM模型中找到标志物所处空间点的坐标[X bim_0,Y bim_0,Z bim_0]，再次根据坐标平移公式，就可以计算出任意路径点在BIM模型中对应的空间点的坐标[X bim_n,Y bim_ n,Z bim_n]。这样就完成了路径坐标点由AR参考坐标系向BIM模型内空间点的绑定，其中坐标平移矩阵T2为：

任意路径点在BIM模型坐标系和第二坐标系内的坐标的矩阵计算关系如下：

路径点在AR参考坐标系的坐标在经过平移→旋转→平移后就完成了与BIM模型内空间点的绑定。

在BIM模型内将模型的相机定位在任一路径点对应的空间点处，提取与路径点对应的全景视频帧，将全景视频帧导入天空球模型中生成带有全景照片贴图的天空球，天空球的观察视角由球心出发并可以调整观察角度，根据角度的不同观察到的全景照片的贴图也有所不同，在天空球模型中观察全景照片如图5所示，并且在本实施例中天空球仍然以正N方向作为基准方向。

调整BIM模型中的相机视角并计算相机视角相对于基准方向的角度变换和观察范围，输出天空球中观察到的相对应的部分全景照片贴图作为与BIM模型相机视角相对应的现场照片，如图6、7所示，并且随着BIM模型相机视角的变换，输出的现场照片也会相应的发生改变。

在另外一些实施例中，移动设备可以采用无人机来实现更加立体的移动采集过程。

在另外一些实施例中，移动机器人上安装有RTK模块，能够更加精准的产生路径点坐标。

在另外一些实施例中，移动机器人上安装有激光雷达，用于在移动采集过程中向周围发射激光进行打点，从而在AR参考坐标系中产生临时点云，进一步精确路径点坐标。

在另外一些实施例中，移动采集时还配有辅助拍摄器，辅助拍摄器为额外的全景相机，用于在输出照片时进一步精确照片朝向实现类似人眼的双目识别。

在另外一些实施例中，全景拍摄器采用多部高分辨率照相机，照相机按照一定的角度组合起来使拍摄镜头实现全景拍摄取景。

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。

Claims (8)

1.一种基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在现场初始化全景拍摄器和移动设备，完成全景拍摄器与移动设备的同步连接，以拍摄起点为基准建立参考坐标系；

S2、在开始移动采集前，选取一个标志物，记录标志物在参考坐标系下的坐标，同时记录标志物在全景拍摄器中的方向并规定为全景拍摄器的基准方向；

S3、所述全景拍摄器在移动设备带动下开始进行移动采集，移动采集过程中储存移动设备在参考坐标系下的生成的路径点的坐标、坐标生成时间，移动过程中全景拍摄器同步拍摄全景视频；

S4、结束移动拍摄，输出参考坐标系下路径点的坐标和坐标生成时间下的全景视频的全景视频帧；

S5、根据标志物在参考坐标系内的坐标和其在BIM模型内对应空间点的坐标，换算参考坐标系与BIM模型的坐标系的相对关系，通过坐标变换使路径点获得BIM模型内对应空间点的坐标位置；

S6、根据在BIM模型内任一路径点处BIM模型相机视角相对于基准方向的变换角度，对该路径点对应的全景视频帧进行调整，输出与BIM模型相机视角方向相同的照片。

2.根据权利要求1所述的基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、通过http协议控制全景拍摄器；

S12、基于AR框架建立以拍摄起点为原点的AR坐标系作为参考坐标系。

3.根据权利要求1或2所述的基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、定义标志物所在位置在参考坐标系下的坐标为[Xref_0,Yref_0,Z ref_0]，标志物所在位置在BIM模型坐标系下的坐标为[Xbim_0,Ybim_0,Z bim_0]，任意路径点在参考系下的坐标为[Xref_n,Y ref_n,Z ref_n];

S52、建立以标志物所在位置为原点的第一坐标系，第一坐标系的X、Y、Z坐标轴与参考坐标系的X、Y、Z坐标轴方向相同，根据坐标平移公式计算出任意路径点在参考坐标系下的坐标 [Xref_n,Yref_n,Zref_n]经平移后在第一坐标系下的坐标为[Xno1_n,Yno1_n,Zno1_ n]；

S53、建立以标志物所在位置为原点的第二坐标系，第二坐标系的X、Y、Z坐标轴与BIM模型坐标系的X、Y、Z坐标轴方向相同，根据坐标旋转公式计算出任意路径点在第一坐标系下的坐标[Xno1_n,Yno1_n,Zno1_n]经旋转后在第二坐标系内的坐标[Xno2_n,Yno2_n,Zno2_ n]；

S54、再次根据坐标平移公式计算出任意路径点在第二坐标系内的坐标[Xno2_n,Yno2_ n,Zno2_n]经过平移后在BIM模型内的坐标[Xbim_n,Ybim_n,Zbim_n]。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括以下步骤：

S61、将BIM模型相机视角定位在任一路径点对应的空间点，提取与路径点相对应的全景视频帧，将全景视频帧导入天空球模型中生成带有全景照片贴图的天空球；

S62、根据BIM模型相机视角相对于基准方向的角度变换和观察范围，输出天空球中相对应的部分全景照片贴图作为BIM模型相机视角下的现场照片。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于：所述移动设备还包括IMU单元和/或RTK模块。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于：还包括辅助拍摄器，所述辅助拍摄器包括一个或多个所述全景拍摄器。

7.根据权利要求1中所述的任意一项基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于：所述移动设备上安装有激光雷达，在移动采集过程中激光雷达向周围激光打点，并在参考坐标系中形成临时点云。

8.根据权利要求1所述的基于BIM模型的镜现平台数据处理方法，其特征在于所述全景拍摄器包含多个照相机，所述多个照相机的镜头分别朝向不同角度构成全景拍摄范围。

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