徐燕星 江潛成

（江西水利職業(yè)學(xué)院 水利工程系，江西 南昌330013）

隨著現(xiàn)代水利水電事業(yè)的不斷發(fā)展，堆石壩工程規(guī)模不斷擴大，其作為水利工程的重要組成部分，不僅在施工布置方面具有一定的復(fù)雜性，而且工程規(guī)模大，傳統(tǒng)圖紙難以有效把握工程現(xiàn)場，進行三維可視化場景構(gòu)建尤為重要[1]。作為一門綜合性技術(shù)，三維可視化技術(shù)集計算機圖像處理技術(shù)、圖像顯示以及人機交互為一體，能夠呈現(xiàn)出目標物的整體特性。隨著VR 技術(shù)的發(fā)展，其在水利工程三維可視化場景中的應(yīng)用成為現(xiàn)實，其能夠?qū)⑻摂M信息與真實場景進行疊加，呈現(xiàn)出虛實結(jié)合的效果，保障三維可視化場景與工程真實場景的一致性。

1 水利工程三維場景中AR 技術(shù)概述

堆石壩是水利工程重要項目，構(gòu)建堆石壩三維可視化不僅能夠幫助管理人員正確認識水利工程面貌、精確把握工程實際情況，而且能夠促進堆石壩工程進展。AR 技術(shù)下堆石壩工程三維可視化場景主要涉及到建筑物模型構(gòu)建、現(xiàn)場場景獲取以及虛擬相機等多個方面[2]。在具體應(yīng)用過程中，首先可以采用視頻監(jiān)控技術(shù)對施工現(xiàn)場圖像信息進行獲取，在RTK-GPS 技術(shù)與IMU 技術(shù)綜合作用下，獲得三維空間坐標，然后經(jīng)過虛擬相機完成三維注冊，實現(xiàn)虛擬與真實的結(jié)合，其三維場景構(gòu)建如圖1 所示。

2 AR 技術(shù)下堆石壩工程三維場景關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水利工程建筑物三維建模關(guān)鍵技術(shù)

水利工程三維可視化建設(shè)，在前期先完成CAD 設(shè)計，并利用3ds Max 軟件建設(shè)了堆石壩模型。首先按照圖紙中水工建筑物相關(guān)情況重新對圖紙進行整理，需要注意保留水工建筑物形體相關(guān)的點線面，對整體結(jié)構(gòu)進行分析，明確坐標信息[3]。其次利用3ds Max 軟件導(dǎo)入平面線條，對水工建筑物進行剖面設(shè)計時應(yīng)配合閉合曲線的設(shè)計，通過拉伸、放樣等形成實體。需要注意的是所有旋轉(zhuǎn)、平移等相關(guān)操作均應(yīng)依據(jù)水工建筑物的結(jié)構(gòu)進行，進而獲得三維實體模型。材質(zhì)貼圖環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)水工建筑物不同部位的需求選擇相應(yīng)的材質(zhì)，得到有材質(zhì)的水工建筑物三維實體模型。

圖1 AR 技術(shù)下堆石壩工程三維場景構(gòu)建

2.2 硬件相機注冊技術(shù)

水利工程項目中堆石壩規(guī)模大，擁有健全的基礎(chǔ)設(shè)施、視野開闊，再加上現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的支持以及視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，為堆石壩項目提供了更多可能性。此次研究在AR 技術(shù)具體應(yīng)用中引入硬件系統(tǒng)下相機注冊技術(shù)，其通過對相關(guān)參數(shù)的設(shè)置能夠達到與真實相機一致的效果。此次研究在獲得現(xiàn)場圖像環(huán)節(jié)主要采用的是定焦攝像頭，因此需要將相機設(shè)置為六自由度，如何獲得相機6 個參數(shù)是硬件相機注冊的關(guān)鍵問題。研究堆石壩工程引入RTK-GPS 系統(tǒng)，其能夠幫助準確、快速的獲得一個三維坐標，將IMU 原件作為三維轉(zhuǎn)角，并在攝像頭上妥善固定，需要保持攝像頭光軸與z 軸方向的一致[4]。在IMU 作用下，能夠了解攝像頭轉(zhuǎn)角參數(shù)，并將具體參數(shù)信息傳輸?shù)娇蛻舳耍ㄟ^解析后對虛擬相機賦予相應(yīng)的參數(shù)，并實現(xiàn)對相機的三維注冊，具體見圖2、圖3。

圖2 三維空間坐標注冊

2.3 真實場景的獲取及虛實融合

圖3 三維空間轉(zhuǎn)角注冊

工程現(xiàn)場安裝攝像頭后通過布設(shè)能夠獲得真實場景的實際情況。通常水利工程施工現(xiàn)場會安置大量的視頻監(jiān)控攝像頭，壩肩位置的攝像頭則能夠為工程整體面貌提供可靠的技術(shù)支持，不僅如此，通過高處攝像頭所獲得的工程施工場景圖像更為清晰。虛擬相機是獲得虛擬場景的重要支持設(shè)備，通過RTK-GPS 以及IMU 傳感器完成三維注冊后，可以對虛擬場景進行拍攝，但該虛擬場景會與真實相機拍到的圖像重疊[5]。若排除遮擋因素，那么可以將虛擬相機拍攝的圖像與真實相機疊加，其能夠?qū)烧叩恼鎸嵖臻g關(guān)系予以反映。通常，虛擬相機完成注冊后，其與真實相機能夠具備相同的參數(shù)，因此，可以將兩者建立在同一個坐標系中。如圖4 所示，其為一個虛實融合成像系統(tǒng)，假設(shè)該真實空間存在A、B、C 三點，成像平面用c 表示，a 與b 點重合表示的是A、B 兩點在成像平面中的成像問題，因此b點為優(yōu)先顯示，C 點則能夠?qū)臻g中B 點與C 點的關(guān)系予以反映[6]。

圖4 虛實融合成像

3 實例應(yīng)用

以江西省某水利樞紐工程為例，其是國家172 項節(jié)水供水重大水利工程之一，工程概算批復(fù)總投資31.1618 億元，于2013年7 月1 日正式開工建設(shè)，2019 年4 月正式下閘蓄水。大壩全長498.62 米，最大壩高48.8 米，正常蓄水位56 米（黃海高程），總庫容4.747 億立方米，防洪庫容2.96 億立方米，電站總裝機3.2 萬千瓦，多年年平均發(fā)電量8152 萬千瓦時，是鄱陽湖水系昌江干流中游一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。

3.1 水工建筑物三維模型構(gòu)建

前期堆石壩工程建設(shè)已經(jīng)針對水工建筑物形體、位置等進行設(shè)計，在設(shè)計三維模型時首先需要對建筑物基本信息進行獲取。經(jīng)過分析、提取獲得建筑物典型斷面相關(guān)信息，平面圖像幾何尺寸均與水工建筑模型一致[7]。然后將3dsMax 導(dǎo)入，在線對象生成面作用下，經(jīng)過面對象獲得實體對象。針對實體對象經(jīng)過旋轉(zhuǎn)、平移、組合以及布爾運算等一系列操作，獲得水工建筑物三維實體模型，其主要由設(shè)計資料生成，然后按照不同水工建筑物特征，選擇相應(yīng)材質(zhì)對模型進行貼圖處理，得到的三維實體模型如圖5 所示。

圖5 水工建筑物三維實體模型

3.2 真實場景獲取

在施工現(xiàn)場，為了解堆石壩工程的具體情況，需要在現(xiàn)場布設(shè)大量視頻監(jiān)控攝像頭，Wie 保障圖像的順利傳輸，需要匹配相應(yīng)的圖像傳輸系統(tǒng)，在高點位置設(shè)置視頻監(jiān)控攝像頭，能夠?qū)φ麄€施工區(qū)全貌予以全面的、清晰的觀察。

3.3 基于硬件的相機注冊

RT-GPS 以及IMU 均安裝在攝像頭上，將實時狀態(tài)下的攝像頭參數(shù)傳輸?shù)娇蛻舳撕?，能夠通過特定格式的解析，得到6 個與三維空間坐標及三維空間轉(zhuǎn)角相關(guān)的參數(shù)[8]。需要注意的是三維姿態(tài)原始數(shù)據(jù)由傳感器傳出，經(jīng)過處理后，相應(yīng)參數(shù)在虛擬相機中設(shè)置，相機注冊完成。

3.4 基于AR 技術(shù)下水利堆石壩工程可視化

通常，對虛擬相機進行注冊后，能夠利用虛擬相機得到水工建筑物影像，此時虛擬水工建筑物模型與真實施工圖像在同一個空間中，排除虛擬物體與真實物體的遮擋影響后，可以使得虛擬水工建筑圖像與真實場景重疊在一個圖像，其不僅能夠?qū)μ搶嵨矬w在空間上的關(guān)系予以反映，而且能夠提升現(xiàn)實效果。另外可以同時對兩張圖像每個像素進行遍歷，以便虛擬物體成像能夠在真實的場景中進行疊加。當發(fā)現(xiàn)在某一像素上有虛擬物體模型成像點與真實場景成像點，那么可以將其作為虛擬水工建筑物的成像點。

結(jié)束語

針對當前水利工程三維可視化場景構(gòu)建問題，可以先結(jié)合工程實際建立環(huán)境模型，引入AR 技術(shù)，在現(xiàn)場視頻監(jiān)控技術(shù)作用下獲得真實場景，保障水利工程堆石壩可視化展示與真實場景的一致性，提高直觀性及可視化效率，擁有廣闊的發(fā)展前景。