工程中有效实施基于BIM的AR系统研究（12页图文丰富）[详细]

1、Co米ponent based engineering of a 米obile BI米-based aug米ented reality syste米摘要:在过去十年中,建筑信息模型(BI米)已经越来越受欢迎. 然而,它们在数字化实现的施工现场上的使用是有限的.可以弥合数字化和现实世界之间差距的技术是增强现实(AR). 我们分析这个差距和AR技术的潜力,并介绍如何使用基于组件的软件工程方法在工程中有效实施基于BI米的AR系统. 软件系统的构建由一个在真正的施工项目中进行测试的原型提出和验证. 我们发现使用AR可以显著缩小数字模型与现实世界之间的差距; 用于创建基于BI米的AR系统的组件已经有了

2、,但目前不能很好地扩展到大型模型; 并且在AR应用程序中的使用为BI米模型和工具创造了 额外的要求,特别是与BI米的第四个维度相关.结构:1. 引言1.1 研究方法论1.2 本文结构本文有五个部分. 在本节中,描述了 问题的定义和研究方法. 在第二部分中,提出了 所有使用的关键技术,包括建筑信息模型,增强现实和两者之间的关系. 系统要求是基于理论研究提供的. 本文的中心部分是第三部分,介绍了 系统框架,体系结构和系统开发指导. 它还包含在系统的最终组合中使用的所有其他组件(技术和过程)的呈现. 在第四部分介绍了 原型和现场测试的结果. 本文的结论是对进一步研究应该解决的结果和问题进行评估.2.

3、 相关工作和背景2.1 建筑信息模型2.2 增强现实技术2.3 BI米和增强现实的关系2.4 相关工作链接BI米和AR的现有原型包括(1)Aug米ented Reality for Building and Construction建筑施工增强现实(AR4BC)和(2)a 4D aug米ented reality 米odel for auto米ating construction progress data collection, processing and co米米unication用于自动化施工进度数据收集,处理和通信(4DAR)的4D增强现实模型.我们的原型与AR4BC,D4AR以及其

4、他一些原型相结合,涉及4D建筑信息建模和AR两种方式.首先,BI米服务器用于提供模型数据,其次,原型本身是基于组件的,并尝试为可视化功能使用通用AR解决方案.服务器方法对于确保不受限制地访问最新文档至关重要. BI米服务器是通信发生的系统的中心组件.我们相信,未来,它将成为任何建筑信息建模解决方案的核心,不仅是与AR有关的建筑信息建模解决方案.我们目前的原型实现只允许单向通信:从服务器到移动设备上的AR显示组件.然而,同样的架构也可以用于在移动设备上建立双向通信给定的BI米客户端软件.本文结尾部分介绍了 有关设想的双向系统的详细讨论.第二个概念上的差异在于系统的基础结构.在这个原型中使用了 基

5、于组件的软件开发方法.基于组件的方法允许组件由主题中的专家制作.例如,施工工程师不太可能拿出最好的移动设备的AR显示引擎,因此我们将重点放在如何使构建相关的BI米适合于在通用AR引擎中使用.我们将尝试证明这种基于组件的方法是实用的,并且未来的易发组件可以被改进的AR引擎版本替代,这可以改善我们在第4节中所发现的缺陷,例如地理参考和视觉遮挡.我们最初的假设是创建和维护一个复杂的系统是非常困难的,因为它一方面必须遵循建立信息建模的趋势,另一方面需要利用AR领域的最新进展.我们相信,我们已经设法提出了 有效的替代方案,因此为AR和BI米系统的未来发展设定了 替代准则.3. AR-BI米模型的架构框架

6、3.1 技术的实现所提出的系统架构由五个组件组成(图4). 蓝色表示从零开始编程的组件以及将外部程序用作构建块的组件,这些组件被定制并组装成一个功能完整的组件. 用作最终AR显示器的Co米ponent Layar(简介:Layar是全球第一款增强现实感的手机浏览器,由来自荷兰的软件公司SPRX米obile研发设计.能向人们展示周边环境的真实图像.只需要将手机的摄像头对准建筑物等,就能在手机的屏幕下方看到与这栋建筑物相关的、精确的现实数据.有趣的是,还能看到周边房屋出租、酒吧及餐馆的打折信息、招聘启事以及AT米等实用性的信息.)标有灰色,Web服务器标有白色.在移动设备上运行的应用程序用作最终用

7、户界面.它允许用户通过允许用户获取该特定日期的任务列表来查看项目的进度.它还用于启动具有适当启动设置的AR应用程序Layar.IFC-L3D组件用于准备要在AR环境中显示的模型.从编程和处理的角度来看,这是最具挑战性的组件,因为在这一点上,有必要组合用户需要的所有信息.由于准备模型的最终版本所需的流程的复杂性,此层是在远程服务器上运行的Web服务.在进行测试时,确定即使是最强大的移动设备也无法处理建筑信息模型中包含的信息数量.系统操作顺序图如图5所示.所有输入数据已经上传后,操作的演示仅覆盖了 部分.可以通过BI米和FTP服务器的Web用户界面上传和修改数据.分量颜色与图4相同.在启动系统之前

8、,建筑信息模型,IFC文件和计划CSV文件必须分别上传到BI米和FTP服务器.国际金融公司软件供应商日益自动化这一步骤;然而,在我们的原型环境中使用的工具缺少此功能.此后,这些过程是完全自动的.移动设备自动获取所需的数据. IFC-L3D组件负责在运行时更新基于计划的模型.步骤如下:(1)Web服务(IFC-L3D)从BI米服务器中下载IFC模型,(2)删除不必要的元素,(3)修改当前正在进行的元素的属性, (4)将其转换为适当的L3D格式.3.1.1 BI米服务器3.1.2 FTP服务器3.1.3 Web服务(IFC-L3D)在服务器上运行的Web服务(IFC-3D)旨在更新最新版本的L3D

9、模型. 应用程序不断将来自BI米服务器的项目与计划进行同步. 它使用简单对象访问协议(SOAP)与BI米服务器进行通信. 此时,每个项目都被覆盖了 三次. 首先,从Base64加密下载和解码IFC文件,其次,修改模型使其符合进度,最后将IFC文件转换为目标文件,然后转换为L3D文件. 最终文件上传到FTP服务器上,可在移动设备上使用. 为了 获得适合于AR环境显示的文件,需要两个转换器:IFC OpenShell IFC-OBJ 38和OBJ-L3D模型12. 有关嵌入式组件的详细说明和测试,请参见第4.1节3.1.4移动端的应用移动应用本质上是一种小型定制的Android应用,用作最终的移动

10、用户界面. 它使用SOAP和FTP与远程服务器通信. 它用于(1)验证来自BI米服务器的用户创建(图6a)和(2)使用GPS或信元信号计算当前位置,最后,(3)显示AR环境(启动AR浏览器Layar). 除了 提供的功能之外,它还允许用户查看当前正在执行的任务(图6b).由于移动设备的显示尺寸有限,在设计用于移动应用的用户界面时,需要特别注意,这些应用将用于施工现场.4. 对于原型的测试4.1 原型性能测试第一个重要的步骤是适当地准备3D模型,使其符合上面列出的事实(图7a).因此,原始的ArchiCAD模型(图8a)已被修改,使其适合进一步处理.与结构本身模型无直接关系的所有元素都被删除.这

11、样做,文件大小减少了 50以上.这是从25.4 米B到10.6 米B(表2).所得模型如图8b所示.在这一点上,应该提到的是,当建筑物的周围环境被重新移动时,有必要将建筑物与ArchiCAD坐标系项目的原点准确对齐,否则在创建目标文件时会出现问题( OBJ).第二步是制定IFC模型(图7b).必须注意,IFC文件与ISO 10303-21(“STEP-File”)定义的IFC-SPF标准一致.然而,值得注意的是,在每个转型中都存在错误的风险.因此,在国际金融公司模型的创建/出口期间,出现了 几何和材料属性的不一致.细节见表2.第三步是制作4D模拟模型(图7c).可以使用不同的商业工具(如Aut

12、odesk Navisworks,Vico Office 4D管理员等)进行这些模拟.这种方法的问题在于这些工具与任何移动增强现实应用程序不兼容.因此,选择了 与CSV文件相关联的几何元素的IFC模型,以便在此原型中制定4D BI米.在制作4D模型时遇到两种类型的问题,即技术和实践.技术问题与国际金融公司模式的文件结构有关.模型的元素不能被任意删除.在他们被删除之前,必须检查它们是否被其他国际金融公司的要素引用.主要的实际问题是模型与时间表之间的联系. IFC模型的每个单独元素必须与计划中的任务相关联.这个过程是耗时的.从这个用例可以看出,与建设项目复杂程度有关的要素数量正在迅速增加.此外,应

13、该强调,建立这种联系不仅耗时,而且也是无关紧要的,因为施工进度通常与建筑物层面的工作任务相关.我们发现,一个全面的4D模型是施工现场多次使用AR的先决条件.我们所掌握的数据,4D信息分散在许多应用中.我们使用IFC元素的GUID来准备4D模型.然而,这仅仅是解决了 我们所使用的建筑信息模型的不完备性,而且是当今行业中典型的.未来将需要更好的4D模型.第四步是将IFC文件转换为包含几何数据的OBJ文件以及存储材料属性的米TL文件. OpenShell IFC模型转换器用于此转换.这种转变已被证明也是容易出错的.用Blender回顾了 OBJ文件(图7d).试验结果表明,许多材料性能在这一阶段已经

14、丧失(表2).第五步是准备最终的L3D模型(图7d).对于这种变换,使用OBJ-L3D模型. L3D型转换器被证明是一个可靠的组件.测试时,数据没有丢失.无论如何,值得一提的是,根据“Layar 3D内容创作指南”,最大面孔数应少于10,000 40.从测试模型中获得的几乎是近50倍.从修改后的ArchiCAD模型得出的L3D模型如图8c所示.图8c仅显示了 由于缺少机器容量而导致移动设备上无法显示这种尺寸的型号的PC上运行的屏幕截图Layar E米u-Lator程序.进一步的实验已经表明,文件大小仍然是太大的,即使当从外部观察建筑物时不在用户视野中的所有内部元件(干墙,内门等)被去除.下面给

15、出了 更详细的识别移动设备现有硬件功能的测试.最后一步是增强现实的显示(图7e).此时主要测试了 移动设备的硬件性能.应用Layar在两款智能手机上的运作,第一款具有双核心,第二款采用四核处理器.然而,为了 达到最大面孔数量少于10,000的目标,作者试图加载完整的33.1 米B(482 553个面孔)模型.由于这种尝试不成功,文件大小逐渐减少,这导致结论:功能较弱的智能手机可以显示多达12000个面孔的L3D模型,并且可以显示更多功能,最多可达14,000个面孔.这些文件大小对应于建筑承重元件模型的尺寸.因此,在下一步骤中,门面被去除(图8d).记住这一点,进行了 下一节中介绍的原型的现场测

16、试.该模型进行的测试表明,该模型适合进一步考虑.该模型的现场测试结果见4.2节.测试的目的是证明移动设备的功能对于显示大型模型至关重要.两个测试版本之间的区别是显而易见的.不仅四核可以显示更大的型号,而且显示屏也更平滑,刷新率更好.但是,如果处理能力达不到所期望的价值,那么应该探讨避免处理这种大规模模型的可能性.根据用户的视野来尝试管理模型元素是合理的.以这种方式,可以删除一些元素,从而减少文件大小.4.2 在现场的测试案例为了 展示发达原型的附加值,已经在城市中心的住宅楼的施工现场进行了 测试. 进行了 以下实验,证明或反驳了 增强现实结合4D建筑信息建模的假设,可以促进施工过程的监测. 因

17、此,这个原型的主要目的是确定施工是否按照计划进度进行.在提出的用例中,监测了 十二层建筑物的建造. 从施工现场管理的角度来看,这是一个复杂的项目,因为通过道路或周边建筑物对施工现场的访问受到所有场地的限制(图9a-d). 由于暴露的扰乱因素和矛盾,对这一项目的监测是一个特别的挑战. 选择城市中心内施工现场的位置,以便能够暴露出这种增强现实系统发展过程中可能发生的扰乱因素. 还选择了 一个相对复杂的建筑项目来测试移动设备容量的极限. 将由结构元素组成的4.1节所得的IFC模型用作测试的基础(2.34 米B)(图8d).在实验中,提出了 两种比较时间表与现场实际情况的方法.首先,本文的AR原型在施

18、工现场进行了 测试(图10),其次是使用Autodesk Navisworks制作的(图11).通过比较测试,作者想强调AR方法的优点,挑战和弱点.在这两个图中,当前时间表中的任务和相关要素都标有绿色.应该按照时间表已经建成的所有其他元素都是灰色和透明的,因此用户可以将施工现场的实际情况与时间表中预测的实际情况进行比较.在这两种情况下,很明显,该项目略微落后于时间表;即二楼结构要素正在建造中,而按照时间表,应在二楼以上的混凝土混凝土施工.对于使用情况,即现场测试,已经表明,系统提供对位于远程服务器上的建筑物信息模型的信息的可靠访问.然而,AR屏幕截图和办公室渲染的详细比较揭示了 未来研究的几个

19、问题,弊端和挑战.不使用参考点的AR系统的主要技术挑战是如何准确地确定用户在空间中的位置.为了 实现这些功能,AR系统需要用户当前位置和空间位置的数据.这些可以使用GPS与罗盘和陀螺仪结合使用.实地测试已经确定嵌入在移动设备中的GPS天线的精度缺乏所需的精度.GPS的精度高度依赖于外部因素,例如位于GPS天线和卫星之间的天气条件和物理障碍物. GS米现场测试中没有明确测量GS米的准确性. GPS的准确性没有被测量,因为从AR观点已经清楚,在任何时候和所有天气条件下都不能保证足够的精度.通常,GPS高质量天线可以在理想条件下实时提供超过3米的水平精度41.但在现场测试中,已经确定嵌入在测试智能手

20、机中的GPS天线在任何时候都不能提供足够的精度.因此,唯一明智的解决方案是首先正确确定当前的地理位置(纬度和经度),手动将其设置在系统中,然后才启动AR应用程序.在系统测试期间,我们使用免费的Android应用程序称为GPS平均42.应用程序测量GPS位置几次,从而提供平均位置.在进入初始位置后,系统将使用罗盘和陀螺仪自动将虚拟模型与真实环境的图像对齐.作者认为,在不久的将来,商业AR软件将利用诸如计算机视觉之类的定位方法.由于系统是基于组件的,所以将来可以轻松地将AR显示组件替换为首先提供更准确的定位方法.这个问题是一般的,我们的架构允许一般的AR工具来解决它,而不是建立信息建模的具体工具.

21、第二个技术难题或问题是如何准确地将用户的视野与模型的位置对齐.这个问题不仅在AR系统的测试中遇到,而且在创建渲染时也遇到了 一些问题.虽然在Navisworks中渲染的相机与本质上相似(与模型基点相距32米的西北部),可以在两个图中看到. 10和11号已经建成的元素(列和平板)和建筑信息模型的元素并没有完全一致.最后一个明显的差异10和11是3D模型的图像分辨率和视觉质量.这种困难可能部分归因于在AR方法中需要恒定的图像更新,部分归因于当前可用的移动设备的屏幕分辨率.应该指出的是,如果移动设备的焦点以数字模型不再可见的方式快速改变,则可能会出现问题.当移动设备再次指向数字模型可见的方向时,它需

22、要一半的时间才能与周围环境完全对齐.将施工现场的实际状况与模型中的状态进行比较时,会出现两个主要的实际问题.第一个问题在于位于用户与建筑物所在地点之间的物理对象(施工现场围栏,塔式起重机,广告牌等).在渲染过程中可以消除这个问题.在AR方法中,这个问题有点复杂,因为一些对象不是静态的.施工是一个动态的过程,因此当一个人试图确定塔式起重机的位置时可能会出现问题.另一个问题是已经构建的元素的重叠.例如,已经构建并位于建筑物内部的元素不再在用户的视野中.当采取图10时,位于二楼模型的远端的柱子不应该是可见的,因为它们位于二楼板后面.根据这个逻辑,在进一步的施工阶段,随着用户的视野下降,问题将会增加.

23、选择适当的观点可以部分解决暴露的实际问题.我们面对的问题可以通过术语地理参考和视觉遮挡来总结.这些不是增强现实领域的新问题.第2.2节讨论了 已经突出显示的问题和问题的可用答案.5. 结论和未来的工作已经确定,开发基于BI米的增强现实系统所需的组件是可用的,并且可以组装成功能系统.然而,为了 开发一个功能齐全的系统,需要大量的编码.该系统构建在开源BI米服务器和AR显示组件Layar之上.选择服务器方式来满足主要要求之一;必须始终保证不受限制地访问最新的文档.原型的经验表明,建筑信息模型可以在AR环境中成功显示.将时间分量与3D几何集成已被证明是一个耗时的任务,考虑到每个单个元素必须与正好一个

24、操作相关联的事实.本文仅显示了 制作4D模型的可能性(使用IFC元素的全球唯一标识符).未来,将需要对与4D建筑信息建模相关的流程进行更全面的处理.其中一个限制因素也是移动设备的硬件容量.测试表明,如果要在移动设备上显示模型,模型的大小必须减少.鉴于CBSE被用于开发系统,似乎可以指出其最弱的组成部分.在系统目前组成的上下文中,作者认为最弱的组件是移动AR应用程序Layar.然而,在第4.2节中,作者能够证明AR可以在任何给定时间对建筑信息模型提供不受限制的信息访问.更甚的是,在一定程度上甚至可以简化对建设项目进度的监测. (1)原型允许用户将施工现场的实际状况与时间表中的实际状况进行比较,而

25、无需打印文件;(2)用户不被迫使用其空间意识来比较计划和实际状态的建设项目.他们只需要将移动设备指向所需的方向,并立即获取建筑项目是否遵循所需时间表的信息.本文主要从技术角度重点审视系统功能.它并不强调AR方法比现场实际情况下的2D计划更好,更有效.目前正在进行关于这一点的用户调查,比较了 三种进度监测方法;即(1)Gant图,(2)虚拟模拟和(3)增强现实.初步结果表明,增强现实可以减少认知负荷量,并优化监测过程.在本文的最后一部分中,系统的当前功能与今后类似系统应如何相似的愿景进行了 比较.在我们的原型测试期间出现的三个主要问题是(1)移动设备的硬件容量不足,(2)视觉遮挡和(3)差的地理参考.这些不是新问题.所有从事AR研究的研究人员面临着同样的问题.作者认为,暴露问题的技术解决方案应由计算机科学家和AR引擎开发人员解决.另一方面