彭勃
摘要:隨著智慧城市、建筑遺產(chǎn)保護(hù)、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)等的需求越來越多,如何快速有效地獲得三維空間精細(xì)化模型成為了研究重點(diǎn)。近年來,計算機(jī)視覺和人工智能是計算機(jī)領(lǐng)域的兩大熱門話題,計算機(jī)視覺下的視覺SLAM技術(shù)已經(jīng)在掃地機(jī)器人、汽車無人駕駛領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?;谝曈XSLAM技術(shù)實(shí)時建圖和定位、成本低的特點(diǎn),視覺SLAM技術(shù)將對建筑學(xué)各個領(lǐng)域,如建筑測繪、建筑遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計方法及表現(xiàn)、建筑施工及檢測等方面帶來巨大變革。
關(guān)鍵詞:視覺SLAM;建筑學(xué);VR;三維重建;計算機(jī)視覺
隨著地面激光掃描技術(shù)、傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展,使建筑測繪過程趨向自動化和便捷化。激光掃描從光學(xué)測量的角度采用主動光學(xué)傳感器,通過發(fā)射和接受激光信號獲得物體三維距離信息,生成基于測距的三維重建;攝影測量采用被動光學(xué)傳感器間接獲得空間三維數(shù)據(jù),生成基于圖形的三維重建。21世紀(jì)初,基于圖形的三維重建領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從大量圖形中重建三維場景的突破。2011年,來自美國華盛頓大學(xué)、微軟等機(jī)構(gòu)的研究者們使用來自互聯(lián)網(wǎng)的海量圖片短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了的羅馬城主要景點(diǎn)的三維模型重建,但其精度超出1%(100米誤差1米),無法滿足精確測量的需求。
一、視覺SLAM技術(shù)
視覺SLAM(Simultancous Localization andMapping)中文指“同時定位于地圖構(gòu)建”,它是指在周邊空間環(huán)境信息未知情況下,通過搭載特定的傳感器的主體,于運(yùn)動過程估計自己的運(yùn)動狀態(tài),同時建立環(huán)境的模型。就如同我們?nèi)祟愖陨碜哌M(jìn)陌生的環(huán)境時進(jìn)行空間認(rèn)知一樣。整個視覺SLAM流程包括以下步驟:1.傳感器信息讀取;2.視覺里程計;3.后端優(yōu)化;4.回環(huán)檢測;5.建圖。視覺SLAM自1986年提出以來,一直是機(jī)器人領(lǐng)域和基于圖形的三維重建領(lǐng)域的熱點(diǎn)。較激光掃描器和無人機(jī)等昂貴的設(shè)備,視覺SLAM的傳感器主體一單目相機(jī)、深度相機(jī)或雙目相機(jī)價格更為便宜。通過視覺SLAM框架后端優(yōu)化和回環(huán)檢測系統(tǒng),測量誤差可控制在接受范圍內(nèi)。
二、視覺SLAM技術(shù)與建筑學(xué)
視覺SLAM技術(shù)當(dāng)今應(yīng)用于掃地機(jī)器人、汽車無人駕駛等領(lǐng)域。較無人機(jī)傾斜攝影側(cè)重單一物體重構(gòu)和大場景重構(gòu)不同,視覺SLAM在室內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境測量上更勝一籌。視覺SLAM技術(shù)除了在建筑測繪有不俗表現(xiàn)外,在建筑遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計及表現(xiàn)、建筑施工及檢測也將有深遠(yuǎn)的影響。
基地三維信息是建筑設(shè)計的依據(jù),借助視覺SLAM技術(shù)能在地形圖未測情況下短時間低成本的獲得場地三維信息。測量者無需復(fù)雜的操作,僅手持相機(jī)或使用背包SLAM系統(tǒng),無固定路線行走于場地之中,測得圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機(jī)演算生成場地數(shù)據(jù)和模型?;谝曈XSLAM作為激光掃描的代替,平均誤差不到3cm,在精度和成果形式上滿足了建筑測繪需求。視覺SLAM將圖像作為生成模型的材質(zhì),重構(gòu)模型較激光掃描的單一材質(zhì)云點(diǎn)模型更具視覺直觀性。如東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室在武漢大學(xué)學(xué)生俱樂部的測繪中,使用了全站儀、無人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)在5天內(nèi)完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集,最終生成了建筑室內(nèi)外信息模型,該模型包含了建筑的實(shí)際狀態(tài)和以歷史圖紙建立的理想狀態(tài)模型,后續(xù)可以逐步加入材料、結(jié)構(gòu)、歷史變化等多維信息,用于建筑歷史信息記載、變形分析、結(jié)構(gòu)模擬等。
基于視覺SLAM下的建筑方案設(shè)計手段及展示借助于VR或AR技術(shù),建筑師的工作場所將不局限于固定的室內(nèi),而可以在現(xiàn)場或任意場所進(jìn)行虛擬重構(gòu),使設(shè)計過程及效果呈現(xiàn)更具互動性和實(shí)時性。如室內(nèi)設(shè)計經(jīng)過視覺SLAM讀取房間基本三維數(shù)據(jù)后進(jìn)行三維重構(gòu),設(shè)計師在現(xiàn)場經(jīng)過虛擬現(xiàn)實(shí)或現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)設(shè)備進(jìn)行家具布置和材質(zhì)調(diào)整,更為直觀;而參觀者可以自由地選擇參觀路線,如身臨其境般體驗。
在建筑施工和檢測過程中也可通過SLAM技術(shù)檢測施工質(zhì)量。如傳統(tǒng)的墻體傾斜檢測是從墻體上選擇若干觀測點(diǎn),通過觀測點(diǎn)的分布規(guī)律分析墻體傾斜程度,這一方法的缺點(diǎn)在于:取樣點(diǎn)的數(shù)量、分布和代表性嚴(yán)重影響其準(zhǔn)確性。而通過單反相機(jī)SLAM技術(shù)檢測墻體,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足,高效地建立墻體的三維模型,并將其準(zhǔn)確定位,將測得墻體于理想墻體平面進(jìn)行比較,通過計算兩者最近點(diǎn)的差距就可以得到墻體的整體傾斜分布,具有很高的準(zhǔn)確性和直觀性。
三、結(jié)束語
盡管視覺SLAM技術(shù)具有很多激光掃描技術(shù)不具備的優(yōu)勢,但是它并不能取代后者。在很多大規(guī)模、復(fù)雜的建筑群體與單體測繪中,這兩種技術(shù)需要綜合使用。在一些特殊情況下,比如預(yù)算有限、無地形圖,SLAM技術(shù)可以作為激光掃描技術(shù)的有效替代?;趫D形的視覺SLAM技術(shù)的三維重建可以通過手機(jī)、單反相機(jī),以及免費(fèi)的軟件以接近零成本的方式實(shí)現(xiàn),可以為建筑學(xué)的數(shù)字化應(yīng)用提供更多可能??傊曈XSLAM技術(shù)可以在建筑測繪、遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計及表現(xiàn)、建筑檢測及施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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