增强现实技术在建筑设计仿真中的应用

曲铭哲 梁晶

摘    要：增强现实技术作为一个新兴的领域，由于其巨大的优势和应用潜力，正越来越多的引起人们的关注。为了扩大增强现实的应用范围，人们开始关注户外增强现实应用的开发。同时为了将增强现实技术应用在设计领域，人们更渴望在增强现实的交互技术上有所突破。

关键词：增强现实技术;建筑设计应用

1  前言

在城市设计过程中，求解建筑规划等方面的设计和评价问题时，往往把对象设想于背景环境中，然后从几个视点角度对浮现于脑海中的形象信息进行求解，因此，通过应用增强现实AR技术，将设计对象信息和真实世界所感知到的图像信息相融合并反馈给设计人员，设计者根据设计对象在真实空间中的综合效果对设计方案进行调整比较，通过人的形象思维能力进行求解。这无疑对景城市建筑设计具有十分重要的现实意义。

2  建筑的空间增强现实技术

建筑的空间增强现实技术是即时三维交互体验的技术基础，在真实环境下支持设计进程的发展前提。也就是说可以在现实环境中做1：1的设计模拟，让整个设计过程在一个真实的尺度下进行。

2.1  增强现实技术的基本组成结构

传统的放映技术需要一个理想的投射屏幕，这是一个很大的弊端，如果想把图像投射在一个没有屏幕的不规则面上会比较困难。因为投射的图像经常会被扭曲，与背景的颜色相混合，有些部分难以对焦。

这包括几个技术要点：①真实场景的获取;②虚拟对象注册信息的获取;③虚拟对象数据库;④3D图像的变换与渲染;⑤图像的虚实融合;⑥显示设备等。

系统首先要获得真实的场景图像，然后获得虚拟对象的注册信息，虚拟物体加入到真实场景中所需要的位置和姿态数据，计算机根据获得的注册信息对虚拟对象进行坐标变换和渲染，再把它们与真实的场景图像叠加，实现虚实融合，通过显示设备将图像信息提供给用户。

2.2  增强现实系统的关键技术

构造一个AR系统需要解决很多的关键技术问题，这主要有显示设备、摄像机标定、虚实配准和交互技术。

2.2.1  显示设备

增强现实系统设计最基本的问题就是实现虚拟信息和真实世界的融合。显示设备是增强现实系统的基本技术之一。一般而言，可以把增强现实的显示设备分为：头盔显示器显示、投影式显示、手持式显示器显示和普通显示器显示。

（1）头盔显示器显示（Head一mounted Display，简称HMD）：现有的虚拟现实技术的人机界面中大多采用头盔显示器。主要原因是头盔显示器较其他几种显示技术而言沉浸感最强。因为用于增强显示系统的头盔显示器能够看到周围的真实环境，所以叫做透视式（see一through）头盔显示器。透视式头盔显示器一般分为视频透视式（Vidcosee-through）和光学透视式（Optiealsee一through）。

（2）投影式显示（ProjectionDisPlay）：投影式显示是将虚拟的信息直接投影到要增强的物体上从而实现增强，这样无需戴特殊的眼镜。另一种是头戴投影仪，按照观察者视线的方向，把图像投影到真实世界中的对象上。目标对象上涂有向后反射的物质，沿着入射角度把光线反射回来这样，通过使用各自的HMD系统，多个用户能够同时在同一投影目标上看到不同的图像。但是这种投影显示器比较重。

（3）手持式显示器显示（HandHeldDisplay，简称HHD）：手持显示器是一种平面LCD显示器，用来充当一个窗口或放大镜，显示用AR覆盖的真实对象。

（4）普通显示器显示（Monitor一basedDisPlay）：增强现实系统也可以采用普通显示器显示。在这种系统中摄像机获取的真实世界图像输入到计算机与计算机图形系统产生的虚拟景象合成并输出到屏幕显示器，用户从屏幕上看到最终的增强场景图片。它虽然不能带给用户多少沉浸感，但却是一套最简单使用的AR实现方案。由于这套方案的硬件要求很低，因此被实验室中的AR系统研究者们大量采用。

2.2.2  摄像机标定

摄像机标定的目的是建立有效的成像模型，并确定摄像机的内外部属性参数，以便正确建立空间坐标系中物点与它在所在的图像平面上像点之间的对应关系。这一阶段的主要任务是测定真实和虚拟物体的姿态信息（位置和方向角）以及摄像机的参数，以确定真实坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系之间的变换关系，从而使计算机产生的虚拟物体与真实世界的配准和融合成为可能。

2.2.3  虚实配准

虚实配准也被称为虚实注册/三维注册，是增强现实系统最为关键的技术之一。三维环境的虚实配准所要完成的任务是实时检测出摄像机的位置和视线方向，计算机根据这些信息确定所要添加的虚拟信息在投影平面中的映射位置，并将这些信息实时显示在显示屏的正确位置，实际上就是将计算机绘制的虚拟物体与使用者的真实环境全方位对准（尺寸、位置）。其目的是使虚拟环境与真实环境合成起来，使它们看起来像一个整体。

2.3  交互技术

AR交互手段有两个趋势：第一，使用不同的设备，取各家之长;第二，通过切实可行的界面，使虚拟对象与自然界成为一个整体。

3  增强现实技术在建筑设计仿真系统中的应用

该技术将其与建筑设计领域相结合，让建筑师在设计过程中体验设计效果。基于此原理，先做出建筑设计的虚拟模型，然后将其与实时拍摄到的建筑的周边环境视频流融合在一起，实时组成有虚有实的场景再以视频流的形式输出。这样做的好处是，无需对既有建筑和其周边环境进行建模，只要将改建部分或扩一建部分进行建模，通过增强现实技术的真实对象跟踪注册技术，将虚拟建筑模型与真实环境以及既有建筑几何位置精准匹配，再实时对建筑设计虚拟模型进行定位和投影变换，并与真实的既有建筑与周围环境图像进行融合，即可得到最终融合的仿真效果。

增强现实的建筑设计系统的关键是实现真实对象位置姿态的跟踪，这是实现虚拟对象在真实场景中定位注册的基础，也是影响虚实融合效果的关键。

4  结束语

基于增强现实的建筑设计仿真系统中需要大量的计算完成真实对象位置跟踪，这使得对所运行的计算机有一定的要求。如何降低该技术对计算机的要求，是走向成熟應用的重要因素之一。其次，目前基于真实对象位置跟踪技术。必须将标记卡固定在被跟踪对象上才可以实现位置姿态的跟踪，这在一定程度上限制了仿真技术的应用。如何实现高效的非标记卡真实对象位置姿态的跟踪是今后的研究方向之一。

参考文献：

[1] 刘铮，李莉萍，赵惠敏.技术整合与建筑创新设计[J].四川建筑科学研究，2008（2）.

[2] 李苏旻.虚拟现实技术在建筑与城市规划中的应用研究[D].长沙理工大学，2008.

[3] 凌财进，曾婷.增强现实技术在虚拟实训系统中应用实践[J].广东技术师范学院学报，2016（5）.