戴文滔 郭秀娟 佟勝偉 張利來 彭相澍

【摘要】科技與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，人們對(duì)生活品質(zhì)的要求越來越高，各種各樣的智能化設(shè)備層出不窮，尤其是建筑施工領(lǐng)域，為了保證施工的高效性和準(zhǔn)確性，可以利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于HoloLens混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，開發(fā)智能化混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)MR建筑施工頭盔。頭盔在保障人身安全的前提下，通過混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行改造效果模擬體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)最佳的改造方案，保證施工安全、質(zhì)量、控制施工成本。

【關(guān)鍵詞】混合現(xiàn)實(shí)技術(shù) MR建筑施工頭盔 HoloLens

一、引言

科技的進(jìn)步使得整個(gè)智能設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)入了全新的時(shí)代，智能化技術(shù)開始滲透到各個(gè)行業(yè)中去，建筑行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的組成部分，如果繼續(xù)采用老舊的施工技術(shù)，必然會(huì)加長(zhǎng)工作時(shí)間，減緩工程進(jìn)度，采用智能化技術(shù)可有效地提升工作效率，提高施工精準(zhǔn)度。

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供了一種極具潛力的建筑施工手段，通過佩戴MR頭盔增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，進(jìn)行施工效果模擬體驗(yàn)，可以透過頭盔中的顯示器看到包含技術(shù)輔助信息的全息影像，在移動(dòng)過程中解放雙手，并與全息影像實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、手勢(shì)等形式的交互，可以通過這些輔助信息的指導(dǎo)完成施工任務(wù)。

二、系統(tǒng)研究的意義

1.混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的興起

混合現(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，MR）技術(shù)是一種將真實(shí)世界和虛擬世界混合在一起的技術(shù)，通過這種方式產(chǎn)生新的可視化環(huán)境，環(huán)境中包含了真實(shí)世界與虛擬信息?；旌犀F(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）聯(lián)系緊密，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將虛擬現(xiàn)實(shí)加在真實(shí)環(huán)境中，虛擬現(xiàn)實(shí)則脫離現(xiàn)實(shí)環(huán)境，通過下圖可以清晰地看到三者之間的聯(lián)系與區(qū)別：

區(qū)間向左至無(wú)窮表示“真實(shí)環(huán)境”，向右至無(wú)窮表示“虛擬環(huán)境”，混合現(xiàn)實(shí)包含增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)虛擬。

2.HoloLens的應(yīng)用

HoloLens作為混合現(xiàn)實(shí)科技的尖端應(yīng)用，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬效果疊加與現(xiàn)實(shí)世界上，用戶佩戴HoloLens的視線不受阻隔，仍然可以在室內(nèi)空間行走自如。HoloLens可以跟蹤用戶的移動(dòng)和視線變化，以光線投射的方式將虛擬的全息影像投射到用戶眼中，HoloLens同時(shí)支持用戶與虛擬對(duì)象完成手勢(shì)、語(yǔ)音等多種形式的實(shí)時(shí)交互。

使用者通過移動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的HoloLens設(shè)備，可以快速地對(duì)一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)致的三維重建，使用從HoloLens中提取的深度數(shù)據(jù)，可以追蹤傳感器的三維姿態(tài)并重建，同時(shí)保證幾何上的精度和物理場(chǎng)景三維模型的實(shí)時(shí)性。

三、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.空間掃描技術(shù)

HoloLens支持建筑空間內(nèi)的深度掃描，HoloLens的幾何重建功能是通過SLAM（simultaneous localization and mappinp，即時(shí)定位與構(gòu)圖）獲取建筑環(huán)境中詳細(xì)的三維模型。SLAM技術(shù)的核心過程是認(rèn)知環(huán)境，攝像機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)位置和地圖進(jìn)行定位，并在定位的基礎(chǔ)上建造地圖。HoloLens基于表面重建的方法超過了之前基于點(diǎn)的表現(xiàn)，更加精確地表現(xiàn)了真實(shí)世界的幾何關(guān)系。

施工人員佩戴HoloLens在施工場(chǎng)所可以完成對(duì)場(chǎng)景的三維建模，系統(tǒng)連續(xù)跟蹤HoloLens攝像機(jī)，并將攝像機(jī)中的數(shù)據(jù)融入合成的三維模型，施工人員在施工場(chǎng)所觀察時(shí)，新的物理圖像被顯示，這些新的圖像被融合在HoloLens構(gòu)建的模型中，伴隨新的測(cè)量值被不斷獲取，建筑細(xì)節(jié)會(huì)被不斷完善，模型會(huì)更加精確。

2.混合現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)的方式主要有手勢(shì)、凝視和語(yǔ)音，手勢(shì)控制大體分為點(diǎn)按和拖拽，通過識(shí)別手指的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)一系列操作;凝視的作用是選擇，通過眼神放置的位置來判斷;語(yǔ)音可以通過識(shí)別施工人員的語(yǔ)音來下達(dá)指令。

在建筑施工場(chǎng)所中，施工人員佩戴頭盔，通過凝視確定建筑環(huán)境中需要檢查的地方，并通過手勢(shì)確認(rèn)指令固定放置在環(huán)境中的任意位置，施工人員還可以通過語(yǔ)音指令固定不同建筑構(gòu)件所在的位置。施工人員也可以將虛擬的三維模型在地面上通過凝視指令移動(dòng)并通過手勢(shì)或語(yǔ)音控制放置到任意位置。置身于建筑環(huán)境并佩戴HoloLens的用戶，不僅可以透過HoloLens的屏幕看到室內(nèi)的真實(shí)場(chǎng)景。也可以看到BIM三維設(shè)計(jì)圖像，并采用手勢(shì)、凝視和語(yǔ)音控制虛擬信息，實(shí)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)的效果。

3.解決的現(xiàn)實(shí)問題

基于國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，本項(xiàng)目結(jié)合混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化和交互性特點(diǎn)，研發(fā)建筑施工頭盔，為建筑施工工程建設(shè)實(shí)施階段提供良好的技術(shù)支持，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，解決以下主要問題：（1）建筑施工工程項(xiàng)目生產(chǎn)效率較為低下，進(jìn)度較慢及施工精確度低等問題;（2）建筑施工工程項(xiàng)目的施工人數(shù)過多，造成人力資源浪費(fèi)的情況出現(xiàn)，還存在人員分配不合理的問題;（3）建筑施工工程項(xiàng)目的材料不符合實(shí)際施工要求，設(shè)備過于老舊，缺乏科技支撐;（4）建筑施工工程項(xiàng)目的信息技術(shù)缺乏，信息交互不全面性及交流不及時(shí)性。

四、結(jié)語(yǔ)

目前利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并且結(jié)合BIM、Unity和JAVA等軟件，構(gòu)建MR建筑施工頭盔已成為可能，這種頭盔既能保障施工人員的人身安全，提高建筑的施工效率，又能規(guī)避建筑施工所遇到的錯(cuò)誤，提高建筑工作效率，提升建筑施工的精準(zhǔn)度，MR建筑施工頭盔填補(bǔ)之前的技術(shù)空白，使建筑智能化走入人們的生活，MR建筑施工頭盔的高度智能化和便捷性直接決定其商業(yè)價(jià)值，未來在智能建筑領(lǐng)域一定有非常廣闊的市場(chǎng)，進(jìn)而帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)新的飛躍。

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基金項(xiàng)目：吉林建筑大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2018S1105。