李瑞杰,郭向坤

1(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

2(中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所,沈陽(yáng) 110168)

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,該技術(shù)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中引入虛擬增強(qiáng)信息,實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境與虛擬增強(qiáng)信息的交互,創(chuàng)建一個(gè)虛實(shí)融合的全新環(huán)境,增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的真實(shí)感.基于混合現(xiàn)實(shí)的管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)就是混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在管網(wǎng)方面的全新應(yīng)用,改善了傳統(tǒng)管網(wǎng)的巡檢方式.

美國(guó)的北卡羅來(lái)納大學(xué)的學(xué)者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在了分子建模、建筑仿真、航空駕駛和外科手術(shù)仿真等領(lǐng)域.同時(shí),美國(guó)的科技公司成功將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用與石油管道的維修中,完成對(duì)維修工作的指導(dǎo).國(guó)內(nèi)很多學(xué)者和公司正在嘗試將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,北京超圖將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到GIS 系統(tǒng)中,增強(qiáng)GIS 系統(tǒng)的展現(xiàn)能力.目前混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)尚未深入應(yīng)用于管網(wǎng)巡檢.傳統(tǒng)的管網(wǎng)巡檢都是“移動(dòng)端/Web 服務(wù)器”模式,管網(wǎng)巡檢的研究多集中于對(duì)傳統(tǒng)管網(wǎng)巡檢模式的改進(jìn)[2,3],或者是對(duì)特定管線的巡檢的改進(jìn),例如電力管線[4,5]、海底管道[6,7],傳統(tǒng)管網(wǎng)巡檢模式中,巡檢人員手持移動(dòng)端,憑借經(jīng)驗(yàn)和移動(dòng)端屏幕顯示的內(nèi)容來(lái)對(duì)管道的位置以及管道間空間位置關(guān)系做出判斷,管網(wǎng)間空間位置易于出現(xiàn)誤判.借助混合現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備直接查看到地下管網(wǎng)空間結(jié)構(gòu),虛擬管道的位置、尺寸和角度等都是通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)根據(jù)管道的真實(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建而來(lái).巡檢人員通過(guò)混合現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備不僅可以觀察到真實(shí)環(huán)境信息,還能觀察到虛擬地下管道,具備“看穿路面”的能力,提高管網(wǎng)巡檢的效率,避免誤判的產(chǎn)生.本文主要針對(duì)管網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建的相關(guān)問(wèn)題展開(kāi)研究和實(shí)驗(yàn).針對(duì)管網(wǎng)模型定位問(wèn)題,設(shè)計(jì)出了一種空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法來(lái)完成虛擬管網(wǎng)與真實(shí)管網(wǎng)的空間映射.針對(duì)管網(wǎng)模型的構(gòu)建與優(yōu)化問(wèn)題,提出一種管網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建和優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)動(dòng)態(tài)加載和局部連接處的平滑處理.

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為3 層:數(shù)據(jù)服務(wù)層、移動(dòng)應(yīng)用層、混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用層.管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.本文中混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備采用微軟的第一代HoloLens,由于該設(shè)備不具備定位功能,需要使用輔助設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)定位,借助具有定位功能的移動(dòng)端完成定位功能.

1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層主要由管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)、管網(wǎng)屬性數(shù)據(jù)、巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)信息通過(guò)GIS 軟件以地圖服務(wù)形式提供數(shù)據(jù)服務(wù)功能.本研究中采用ESRI 的ArcGIS 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)地圖服務(wù)的發(fā)布,為整個(gè)系統(tǒng)提供地圖服務(wù).通過(guò)地圖服務(wù)提供管網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)信息和管徑、流量、管壓等管道屬性信息的讀取服務(wù).

圖1 管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1.2 移動(dòng)應(yīng)用層

移動(dòng)應(yīng)用層主要完成空間定位,管網(wǎng)數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)、管網(wǎng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載和管網(wǎng)數(shù)據(jù)的緩存.移動(dòng)用于端選用具有空間定位功能的安卓手機(jī)作為載體,主要負(fù)責(zé)以下幾個(gè)功能:(1)信息獲取:從地圖服務(wù)器中獲取管網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建的相關(guān)信息,這些信息包括管道空間數(shù)據(jù)信息和管道的屬性信息.(2)定位:利用GPS 功能為整個(gè)系統(tǒng)提供定位服務(wù),并以手機(jī)終端所在空間位置作為混合現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備生成的虛擬世界的原點(diǎn),完成管道的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到混合現(xiàn)實(shí)的坐標(biāo)系中.該功能將在第2.1 節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)的描述.(3)數(shù)據(jù)傳輸:將獲取到的管網(wǎng)信息進(jìn)行篩選整個(gè)后,以廣播的形式向外發(fā)送,這樣就可以使多臺(tái)混合現(xiàn)實(shí)頭顯設(shè)備接收到信息.

1.3 混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用層

混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用層主要完成虛擬信息和真實(shí)環(huán)境的虛實(shí)融合、管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)構(gòu)建、虛擬管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化、虛擬管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)交互等功能.混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備終端主要根據(jù)從移動(dòng)終端接收到的管道空間位置信息在混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端的坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)位置處動(dòng)態(tài)構(gòu)建及優(yōu)化管網(wǎng)模型以及制作可視化界面用來(lái)顯示管道的屬性信息和運(yùn)行信息.本文中主要討論管網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建及優(yōu)化和驗(yàn)證定位的準(zhǔn)確性,將在第2.2 節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)的描述.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)主要對(duì)管道空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化和管網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)構(gòu)建及優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹.混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)構(gòu)建必須要解決以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)在何處建模:即需要解決管網(wǎng)模型的定位問(wèn)題.(2)如何建模:即設(shè)計(jì)一種方法能夠在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)的構(gòu)建管網(wǎng)模型并能夠?qū)芫W(wǎng)模型進(jìn)行優(yōu)化使得模型變得真實(shí),不再生硬.

2.1 管網(wǎng)定位

管網(wǎng)的定位是為了解決“在何處建?！钡膯?wèn)題.從地圖服務(wù)器中獲取的是管網(wǎng)在真實(shí)地理信息系統(tǒng)下的三維空間坐標(biāo),該坐標(biāo)是采用WGS84 坐標(biāo)系[8,9]的投影坐標(biāo),需要將該坐標(biāo)系中的管道坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備中平面坐標(biāo)系下的坐標(biāo).

2.1.1 WGS84 坐標(biāo)系與混合現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系

WGS84 坐標(biāo)系:為了便于地形圖的測(cè)量作業(yè),在WGS84 坐標(biāo)系的高斯-克呂格投影帶內(nèi)布置了平面直角坐標(biāo)系統(tǒng),其中規(guī)定中央經(jīng)線為X 軸,赤道為Y 軸,中央經(jīng)線與赤道交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),x值在北半球?yàn)檎?南半球?yàn)樨?fù),y值在中央經(jīng)線以東為正,中央經(jīng)線以西為負(fù).GPS 衛(wèi)星測(cè)得的坐標(biāo)都是采用的WGS84 坐標(biāo)系.

混合現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系:該坐標(biāo)系以移動(dòng)終端所在的空間點(diǎn)為坐標(biāo)系的原點(diǎn),以混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端視野的正前方為坐標(biāo)系Z 軸,視野的右側(cè)為X 軸,正上方為Y 軸建立空間坐標(biāo)系.

2.1.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí),將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為混合現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系X 軸和Z 軸的信息,Y 軸信息即為管道的高程信息.將高斯-克呂格投影帶內(nèi)布置的平面直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到unity 坐標(biāo)系中,具體公式如式(1)所示:

xm和ym是手機(jī)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換的平面坐標(biāo),xp和yp是從地圖服務(wù)器中獲取的管道的點(diǎn)轉(zhuǎn)化成的平面坐標(biāo)的信息,其中xu和zu是真實(shí)地理環(huán)境中管道轉(zhuǎn)換到混合現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo).因?yàn)榈貓D服務(wù)器中的坐標(biāo)系和混合現(xiàn)實(shí)中的坐標(biāo)系的Y 軸和Z 軸是相反的,所以轉(zhuǎn)換后Y 軸對(duì)應(yīng)的信息正是混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備Z 軸對(duì)應(yīng)的信息.

2.1.3 方向角的校正與偏移

由于在校準(zhǔn)過(guò)程中手機(jī)的方向角與混合現(xiàn)實(shí)端的方向角很難達(dá)成一致,所以必須對(duì)手機(jī)方向角和混合現(xiàn)實(shí)方向角進(jìn)行校正.具體方法如式(2)所示:

其中,A為手機(jī)端測(cè)得的方位角,Rc為混合現(xiàn)實(shí)端的偏向角,如果R<0,則令R=R+360.

最后進(jìn)行偏移得到最終點(diǎn)的坐標(biāo).方法如式(3)所示:

其中,x,y,z是最終點(diǎn)的坐標(biāo),Xc,Zc分別是混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備在X 軸和Z 軸上的坐標(biāo),Yc是從ARCGIS 服務(wù)器中獲取的管道的點(diǎn)的高程信息.x',z'分別是方向角校正之后的坐標(biāo).

2.2 模型的構(gòu)建

根據(jù)坐標(biāo)信息如何對(duì)管網(wǎng)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)構(gòu)建,采用什么方法對(duì)構(gòu)建好的模型進(jìn)行優(yōu)化是增強(qiáng)用戶體驗(yàn)真實(shí)感的重點(diǎn).

2.2.1 構(gòu)建模型的方法

由于管網(wǎng)多是線性特征的形狀,在ArcGIS 中是以Polyline (折線)要素來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)的.折線是由串聯(lián)連接的段構(gòu)成,每個(gè)段限定一個(gè)起點(diǎn)一個(gè)終點(diǎn),起點(diǎn)和終點(diǎn)之間是一條連續(xù)的直線.將起點(diǎn)和終點(diǎn)分別作為模型兩端的中心點(diǎn),建立圓柱體三維模型用來(lái)仿真管道,圓柱底面直徑為管道真實(shí)管徑.這樣可以真實(shí)的反映管道間的空間位置關(guān)系,便于管網(wǎng)施工,避免檢修過(guò)程中產(chǎn)生挖斷,挖錯(cuò)管道的情況.

2.2.2 弊端及優(yōu)化

弊端:由于虛擬管網(wǎng)中的每條管道都是單獨(dú)進(jìn)行建模的,管道與管道之間不存在聯(lián)系,導(dǎo)致管道與管道之間的銜接處會(huì)出現(xiàn)如圖2所示的情況.

圖2 管網(wǎng)建模弊端圖

優(yōu)化:上述弊端是管道單獨(dú)建模,彼此之間互不影響造成的.而真實(shí)的管道是不可能獨(dú)立存在的,相鄰兩條管道的銜接處都會(huì)有彎頭將兩條管道連接在一起.正是由于各個(gè)管道相互交織組成了管道網(wǎng)絡(luò).對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化,本文采用觸發(fā)器動(dòng)態(tài)加載預(yù)制體的方式.當(dāng)兩條管道需要進(jìn)行銜接時(shí),模型中的一部分一定會(huì)重合就會(huì)觸發(fā)觸發(fā)器函數(shù).在該函數(shù)中依據(jù)兩條管道銜接方式的不同選擇不同的銜接預(yù)制體去進(jìn)行優(yōu)化,銜接方式根據(jù)形狀可以分為V 型、L 型、I 性、T 型、十字型、X 型和Y 型等等,銜接點(diǎn)即為模型的中心點(diǎn).利用預(yù)制體制作技術(shù)提前將需要的預(yù)制體進(jìn)行制作,并使用不同的材質(zhì)球進(jìn)行渲染,使銜接預(yù)制體和管道模型容易區(qū)分.銜接預(yù)制體的尺寸可以根據(jù)管道管徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,這樣可以使得建模更加的真實(shí).

(1)L 型特點(diǎn):兩條管道有一個(gè)公共頂點(diǎn)且另一個(gè)頂點(diǎn)不在另一條管道所在直線上,兩條管道互相垂直.L 型預(yù)制體由互相垂直的兩個(gè)部件組成,其模型如圖3所示.

圖3 L 型預(yù)制體

(2)I 型特點(diǎn):兩條管道在同一直線.這種情況如果不加以處理會(huì)讓操作者誤認(rèn)為是一條管道,從而造成漏查的情況.I 型預(yù)制體的模型如圖4所示.

圖4 I 型預(yù)制體

(3)T 型特點(diǎn):一條管道的一個(gè)端點(diǎn)在另一條管道上(兩端點(diǎn)除外),且兩條管道互相垂直.T 型預(yù)制體由相互垂直的兩個(gè)部件組成,其模型如圖5所示.

(4)十字型特點(diǎn):兩條管道垂直,4 個(gè)頂點(diǎn)皆不相同并且不在另一條管道上.十字型預(yù)制體是由互相垂直的兩個(gè)部件組成,其模型如圖6所示.

(5)V 型、X 型和Y 型特點(diǎn):這3 種情況分別為L(zhǎng) 型、十字型和T 型的特殊情況,因?yàn)閮蓷l管道不垂直且兩條管道的夾角是不確定的,可以分別使用L 型、十字型和T 型預(yù)制體,因?yàn)轭A(yù)制體的兩個(gè)部分可以自由旋轉(zhuǎn)可以適用于任何夾角.

圖5 T 型預(yù)制體

圖6 十字型預(yù)制體

銜接方式的具體判斷流程如圖7所示:通過(guò)流程圖可以看出,本文提出的判斷銜接預(yù)制體的方法主要是通過(guò)對(duì)相鄰管道端點(diǎn)所在空間直線的位置關(guān)系來(lái)判斷的.主要過(guò)程如下:

(1)根據(jù)兩條管道的兩個(gè)端點(diǎn)進(jìn)行判斷,如果兩條管道存在一個(gè)公共頂點(diǎn)則執(zhí)行(2).如果沒(méi)有,則執(zhí)行(4).

(2)判斷管道1 的另一個(gè)端點(diǎn)是否在管道2 所在直線上,如果是,則銜接類型為I 型.如果不是則執(zhí)行(3).

(3)判斷兩條管道所在直線是否垂直,如果是,則銜接類型為L(zhǎng) 型,若不是,則銜接類型為V 型.

(4)判斷兩條管道所在直線是否垂直,如果不是,則銜接類型為X 型或Y 型,如果是則執(zhí)行(5).

(5)判斷管道1 的某個(gè)端點(diǎn)是否在管道2 所在線段上,如果是,則銜接類型為T(mén) 型,如果不是,則銜接類型為十字型.

選擇好正確的預(yù)制體后,接下來(lái)就是對(duì)預(yù)制體進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)整.該調(diào)整主要包括旋轉(zhuǎn)、平移和縮放操作.其中旋轉(zhuǎn)調(diào)整使其能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行銜接.以下以L 型銜接為例,描述旋轉(zhuǎn)過(guò)程.L 型銜接可以抽象成如圖8所示的數(shù)學(xué)模型.

圖8中兩條管道分別為AB和A1B1,點(diǎn)B 和點(diǎn)A1為兩條管道的公共頂點(diǎn),也是L 型預(yù)制體的坐標(biāo)原點(diǎn).根據(jù)圖8的數(shù)學(xué)模型圖和圖3的L 型預(yù)制體所示,我們只需要將預(yù)制體的兩個(gè)部件分別做旋轉(zhuǎn)調(diào)整,即可達(dá)到想要的效果.以其中一個(gè)部件為例,計(jì)算出相對(duì)于以B點(diǎn)為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系水平旋轉(zhuǎn)(繞Y 軸旋轉(zhuǎn))了多少度.如圖9所示為繞Y 軸旋轉(zhuǎn)圖.

圖7 銜接方式判斷流程圖

圖8 L 型銜接的數(shù)學(xué)模型

圖9 繞Y 軸旋轉(zhuǎn)圖

在unity 坐標(biāo)系中,如圖9所示的情況,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向,具體分為以下幾種情況:

令x=x1?x2,z=z1?z2:

(1)x為正數(shù),z為負(fù)數(shù),旋轉(zhuǎn)角為y.

(2)x為0,z為負(fù)數(shù),旋轉(zhuǎn)角為90°.

(3)x為負(fù)數(shù),z為負(fù)數(shù),旋轉(zhuǎn)角為y+90°.

(4)x為負(fù)數(shù),z為0,旋轉(zhuǎn)角為180°.

(5)x為負(fù)數(shù),z為正數(shù),旋轉(zhuǎn)角為y+180°.

(6)x為0,z為正數(shù),旋轉(zhuǎn)角為270°.

(7)x為正數(shù),z為正數(shù),旋轉(zhuǎn)角為y+270°.

使用同樣的方法可以計(jì)算出部件1 需要繞X 軸、Z 軸旋轉(zhuǎn)的角度.再次計(jì)算出繞3 個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)角度,使L 型預(yù)制體的部件2 分別繞3 個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),便可以使L 型預(yù)制體與管道正確的銜接.其他類型的銜接預(yù)制體的旋轉(zhuǎn)都可以仿照L 型銜接預(yù)制體的旋轉(zhuǎn)方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn).

由于管道的銜接點(diǎn)就是預(yù)制體的生成位置,所以不需要進(jìn)行平移操作.針對(duì)縮放操作,只需要將預(yù)制體的每個(gè)部件的尺寸調(diào)整為管道直徑即可.至此,就完成了預(yù)制體自身姿態(tài)的調(diào)整.

3 測(cè)試結(jié)果與分析

本文采用微軟的Hololens 混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備作為混合現(xiàn)實(shí)終端,采用小米max2 作為移動(dòng)終端,采用ArcGIS Server 進(jìn)行地圖服務(wù)發(fā)布,以所在園區(qū)的局部自來(lái)水管網(wǎng)為例進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn).

3.1 管道定位驗(yàn)證

大區(qū)域范圍內(nèi)管網(wǎng)數(shù)據(jù)量龐大,移動(dòng)端無(wú)需全部一次性全部進(jìn)行下載,系統(tǒng)依據(jù)終端位置信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)局部下載和緩存.依據(jù)實(shí)驗(yàn)本文動(dòng)態(tài)獲取移動(dòng)終端周邊500 m 范圍內(nèi)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算和緩存.混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端只需顯示周邊100 m 范圍內(nèi)的管網(wǎng)數(shù)據(jù)便能滿足對(duì)管網(wǎng)巡檢的需要,當(dāng)混合現(xiàn)實(shí)終端移動(dòng)時(shí),動(dòng)態(tài)從移動(dòng)終端中讀出緩存管網(wǎng)信息,并進(jìn)行動(dòng)態(tài)繪制和融合顯示.同時(shí),通過(guò)閾值限制來(lái)觸發(fā)移動(dòng)端進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)獲取和處理.

根據(jù)上文第3 部分提到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式、方向角的校正與偏移公式,可以根據(jù)管道在真實(shí)地理信息系統(tǒng)下的坐標(biāo)計(jì)算出管道在混合現(xiàn)實(shí)端坐標(biāo)系中的坐標(biāo).其中部分?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換如表1(表中數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后4 位):其中手機(jī)的維度為北緯41.741 499 25 度,經(jīng)度為東經(jīng)123.540 342 04 度,GPS 方位角91.081 440 016 144 63轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)的平面坐標(biāo)為(544 877.372 493 4 395,4 623 114.573 027 286).

表1 以手機(jī)為原點(diǎn)管道在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置

轉(zhuǎn)換前Z 軸坐標(biāo)與轉(zhuǎn)換后Y 軸坐標(biāo)屬于高程信息,不需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,所以沒(méi)有在表中進(jìn)行陳列.

混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端依據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行初步建模,得到如圖10所示模型,移動(dòng)端獲取到管網(wǎng)信息后,在移動(dòng)終端繪制的地圖中顯示.如圖11所示.

圖10 混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端顯像圖

圖11 手機(jī)地圖中管網(wǎng)繪制圖

在圖10中,淺藍(lán)色光點(diǎn)處是實(shí)驗(yàn)時(shí)操作人員所在的位置,灰白色的模型為混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端根據(jù)從手機(jī)端獲取的管道數(shù)據(jù)生成的管網(wǎng)模型,圖11中藍(lán)色光點(diǎn)為操作人員現(xiàn)在所在的位置,紅色加號(hào)處為操作人員開(kāi)啟程序時(shí)所在位置,綠色光圈表示周圍100 米的范圍.可以看出,隨著操作人員的移動(dòng),程序可以動(dòng)態(tài)獲取周圍100 米范圍內(nèi)的管網(wǎng)數(shù)據(jù).紅色的線條為管網(wǎng)的實(shí)際位置及形狀.通過(guò)對(duì)比以上兩張圖可以清晰看到混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備生成的管網(wǎng)模型的位置是準(zhǔn)確的.

3.2 優(yōu)化測(cè)試

將銜接類型判斷、銜接預(yù)制體選擇和銜接預(yù)制體旋轉(zhuǎn)的相關(guān)邏輯編成單獨(dú)的腳本,在動(dòng)態(tài)生成管道模型時(shí)動(dòng)態(tài)加載到每一條管道模型.效果圖如圖12～圖16所示.

從圖12～圖16可以看出,利用文中提到的方法,通過(guò)對(duì)管道銜接處的特征進(jìn)行分析,可以正確地選擇出銜接預(yù)制體,而且銜接預(yù)制體相對(duì)于自身坐標(biāo)系已經(jīng)進(jìn)行了姿態(tài)的調(diào)整,銜接預(yù)制體與對(duì)管道模型銜接處的優(yōu)化也達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo).

圖12 L 型銜接處效果圖

圖13 I 型銜接處效果圖

圖14 T 型銜接處效果圖

圖15 十字型銜接處效果圖

4 結(jié)論

為了能夠在混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備端動(dòng)態(tài)的、準(zhǔn)確的生成管網(wǎng)模型,本文針對(duì)構(gòu)建管網(wǎng)模型的兩大問(wèn)題展開(kāi)討論.其中針對(duì)管網(wǎng)定位問(wèn)題,本文提出了將管道真實(shí)地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成混合現(xiàn)實(shí)坐標(biāo)系中坐標(biāo)的方法.針對(duì)管網(wǎng)模型的構(gòu)建與優(yōu)化問(wèn)題,本文提出了管網(wǎng)動(dòng)態(tài)構(gòu)建方法、利用預(yù)制體對(duì)管網(wǎng)模型銜接處進(jìn)行優(yōu)化的方法和預(yù)制體模型姿態(tài)調(diào)整方法.最后以所在園區(qū)的局部自來(lái)水管網(wǎng)為例進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)文中提出的方法可以將虛擬模型與真實(shí)管網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的空間融合,能夠?qū)μ摂M管道銜接處進(jìn)行平滑處理,清晰直觀展現(xiàn)管道的空間關(guān)聯(lián)關(guān)系.

本文提出的管道定位方法仍有改進(jìn)之處.管網(wǎng)模型優(yōu)化方面,除了對(duì)銜接處優(yōu)化之外,尚未考慮其他方面的優(yōu)化.為了提高用戶的體驗(yàn),虛擬管網(wǎng)操作交互方面還需要進(jìn)一步的完善.

圖16 V 型銜接處效果圖