侯學(xué)良，薛靖國(guó)，王 毅，曾 穎

基于投影的施工圖像與BIM模型配準(zhǔn)疊加方法

侯學(xué)良1，薛靖國(guó)1，王 毅1，曾 穎2

(1. 華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206； 2. 國(guó)網(wǎng)綿陽(yáng)供電公司，四川 綿陽(yáng) 621000)

為了將計(jì)劃式建筑信息模型(BIM)中的施工過(guò)程模擬與施工現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)相結(jié)合，以直觀比較建筑結(jié)構(gòu)施工階段實(shí)際施工進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度之間的偏差，提出了基于投影模型的施工圖像與BIM模型配準(zhǔn)疊加方法。首先，在對(duì)相機(jī)投影模型和相機(jī)標(biāo)定方法分析的基礎(chǔ)上，建立了施工現(xiàn)場(chǎng)圖像與相機(jī)成像平面的坐標(biāo)映射關(guān)系；其次，利用Navisworks應(yīng)用程序接口開(kāi)發(fā)了建筑施工圖像疊加管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施工圖像與BIM模型平面野的疊加；然后，基于疊加圖像組之間的變形特點(diǎn)，提出了評(píng)判配準(zhǔn)效果的評(píng)價(jià)模型；最后，以某商住樓施工現(xiàn)場(chǎng)為例進(jìn)行了實(shí)證分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，疊加效果最好的方式為在著色模式下，高亮顯示待觀察BIM模型構(gòu)件，并將上層圖像透明度設(shè)置為35%~65%之間；當(dāng)拍攝姿態(tài)為平視時(shí)，配準(zhǔn)效果明顯優(yōu)于仰視時(shí)的配準(zhǔn)效果；所有相機(jī)的疊加效果偏差都在可接受誤差內(nèi)，該方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)施工圖像與BIM模型的配準(zhǔn)，直觀地反映建筑結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)劃模型與實(shí)際施工狀態(tài)之間的偏差。

建筑信息模型；施工過(guò)程模擬；施工圖像；相機(jī)標(biāo)定；圖像配準(zhǔn)疊加

大型工程項(xiàng)目具有投資數(shù)額大、建設(shè)周期長(zhǎng)、涉及主體多等特點(diǎn)。傳統(tǒng)人工管理方式耗時(shí)耗力且容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，已無(wú)法應(yīng)對(duì)當(dāng)前大型工程項(xiàng)目的現(xiàn)代化管理需求[1]。尤其是在施工階段，現(xiàn)場(chǎng)施工具有流動(dòng)性強(qiáng)、協(xié)作性高、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，管理者很容易受到各種因素的影響。所以，如何提高信息反饋速度，及時(shí)了解施工現(xiàn)場(chǎng)狀況，是現(xiàn)代建筑工業(yè)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，BIM技術(shù)的迅猛發(fā)展豐富和拓展了工程領(lǐng)域的信息管理方式，為解決工程項(xiàng)目中存在的諸多問(wèn)題提供了新的解決方案[2]。BIM技術(shù)打通了不同軟件之間的連接障礙，能夠?qū)⒎抡婺Ｐ团c施工進(jìn)度管理軟件連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的模擬[3]。與傳統(tǒng)模型相比，基于BIM的施工過(guò)程模擬能夠?qū)⑹┕がF(xiàn)場(chǎng)與時(shí)間維度統(tǒng)一起來(lái)，將施工條件與進(jìn)度直觀地展示在管理者面前[3]。這種直觀的模擬過(guò)程不僅有利于對(duì)復(fù)雜環(huán)節(jié)的形象描述，更有利于問(wèn)題的提前識(shí)別。然而，現(xiàn)有的基于BIM的施工過(guò)程模擬是一種計(jì)劃式的模擬。計(jì)劃式的模擬只預(yù)測(cè)計(jì)劃中可能存在的漏洞，而不能反映實(shí)際施工過(guò)程中存在的問(wèn)題。這不僅不利于工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)的高效管理，也阻礙了工程現(xiàn)代化管理水平的提高。

因此，為了直觀展示建筑結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)劃模型與實(shí)際施工狀態(tài)之間的偏差，實(shí)現(xiàn)BIM模型和施工圖像的融合，本文提出基于投影模型的施工圖像與BIM模型配準(zhǔn)疊加方法。該方法基于三維世界與成像平面之間的映射關(guān)系，構(gòu)建了BIM模型與施工圖像之間的映射關(guān)系模型，并基于Navisworks應(yīng)用程序接口(application programming interface，API)實(shí)現(xiàn)了BIM平面野與施工圖像的疊加；根據(jù)疊加圖像組之間的變形特點(diǎn)，提出評(píng)判配準(zhǔn)效果的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)，以驗(yàn)證配準(zhǔn)方法的有效性。

1 施工過(guò)程模擬研究現(xiàn)狀

BIM技術(shù)出現(xiàn)前，施工管理主要依賴于管理人員的綜合素質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)，管理工具以橫道圖、CAD、辦公軟件等簡(jiǎn)單的工具為主。這種傳統(tǒng)的管理方式存在諸多問(wèn)題，包括：①施工管理的科學(xué)性不高，管理隨機(jī)性較強(qiáng)；②各建設(shè)方之間、各專業(yè)之間信息協(xié)同不足，信息溝通不及時(shí)、不順暢，易形成“信息孤島”；③二維圖紙可視化程度低，信息化、集成化不足；④施工過(guò)程模擬仿真程度差，復(fù)雜工序的施工技術(shù)交底困難。這些問(wèn)題不僅制約著建筑工程項(xiàng)目的精細(xì)化管理，而且嚴(yán)重影響了我國(guó)建筑行業(yè)管理水平的提高。

隨著B(niǎo)IM技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量學(xué)者針對(duì)BIM技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用做了大量研究。在施工過(guò)程展示方面，先后進(jìn)行了基于BIM的4D/5D虛擬施工、方案論證、技術(shù)交底等研究[3]。章偉等[4]應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真施工，模擬施工工序，達(dá)到方案評(píng)估、應(yīng)力檢測(cè)、質(zhì)量控制等目的。張劍濤和姚愛(ài)軍[5]應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)地鐵站工程進(jìn)行了3D可視化建模、搭建施工協(xié)調(diào)平臺(tái)，并對(duì)PBA工法進(jìn)行了施工虛擬仿真。周桂香等[6]將BIM應(yīng)用于某醫(yī)院綜合樓的施工階段，進(jìn)行了施工場(chǎng)地規(guī)劃模擬、地下工程施工方法模擬、樁基施工方案模擬、智能化停車庫(kù)的施工模擬和鋼結(jié)構(gòu)連廊的施工模擬等。唐紅等[7]將BIM技術(shù)應(yīng)用于大型深基坑工程中，進(jìn)行了工程可視化設(shè)計(jì)、二維出圖、碰撞檢查、施工進(jìn)度4D仿真模擬、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)及核對(duì)、基坑監(jiān)測(cè)等一系列內(nèi)容。諸多學(xué)者的研究表明，基于BIM技術(shù)的施工模擬，能夠?qū)⑹┕l件與進(jìn)度直觀地展示在管理者面前，允許不同專業(yè)在同一模型中就具體問(wèn)題展開(kāi)溝通與交流，通過(guò)虛擬施工盡早發(fā)現(xiàn)施工中的問(wèn)題，并對(duì)反應(yīng)出的問(wèn)題及時(shí)調(diào)整，有利于資源的優(yōu)化配置，降低施工成本，減少現(xiàn)場(chǎng)返工。

上述研究成果都是在計(jì)劃階段或施工前進(jìn)行的模擬，且取得了很好的效果，但施工現(xiàn)場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜多變的環(huán)境，很多因素影響著施工的過(guò)程，造成實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)與計(jì)劃模型不一致的情形。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工程項(xiàng)目真實(shí)有效的管理，需要施工管理者更關(guān)注計(jì)劃與實(shí)際施工狀態(tài)之間的差別。為了監(jiān)督實(shí)際施工過(guò)程，許多項(xiàng)目中采用相機(jī)來(lái)記錄施工過(guò)程與狀態(tài)，但也只停留在了對(duì)施工過(guò)程的記錄，并未將其用于發(fā)掘信息。如何將相機(jī)記錄的實(shí)際施工狀態(tài)與BIM模型融為一體，進(jìn)而反映實(shí)際施工狀態(tài)和計(jì)劃狀態(tài)之間的差別，這便是本文旨在解決的問(wèn)題。

針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了形式多樣的嘗試。針對(duì)室內(nèi)施工，DENG等[8]將BIM和計(jì)算機(jī)視覺(jué)相結(jié)合用來(lái)檢測(cè)室內(nèi)瓷磚施工進(jìn)度；LI等[9]通過(guò)分割深度相機(jī)產(chǎn)生的點(diǎn)云來(lái)推斷室內(nèi)環(huán)境。針對(duì)室外施工，GOLPARVAR-FARD等[10]將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與BIM模型相結(jié)合用于監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。本文為直觀比較建筑結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)劃模型與實(shí)際施工狀態(tài)之間的偏差，提出基于Navisworks的解決方案，開(kāi)發(fā)可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控施工進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度偏差的圖像疊加系統(tǒng)。

2 模型構(gòu)建

基于投影模型的施工圖像與BIM模型配準(zhǔn)方法框架如圖1所示。在計(jì)劃模型中，通過(guò)投影模型將三維的BIM模型映射到平面上；在已完工程模型中，使用相機(jī)記錄施工現(xiàn)場(chǎng)已完成工作的實(shí)際狀態(tài)，以圖像形式輸出。BIM模型為三維模型，為描述BIM模型在相機(jī)視野中對(duì)應(yīng)的映射圖像，引入平面野的概念，以下簡(jiǎn)稱BIM平面野。在投影模型的作用下，施工現(xiàn)場(chǎng)圖像與BIM平面野成像視角相同，因此通過(guò)疊加施工現(xiàn)場(chǎng)圖像與BIM平面野，并調(diào)整不同圖像的透明度，可以進(jìn)行施工現(xiàn)場(chǎng)與BIM模型的對(duì)比展示、施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及計(jì)劃與實(shí)際狀態(tài)偏差的識(shí)別。

圖1 方法框架

理想狀態(tài)下，施工現(xiàn)場(chǎng)圖像與BIM平面野完全疊加，但用于確定相機(jī)位置及視角參數(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)的二維坐標(biāo)通過(guò)人工估計(jì)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)精度無(wú)法精確控制，所以疊加后的圖像之間具有偏差。為了評(píng)估這些偏差并降低偏差對(duì)配準(zhǔn)帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)了疊加效果偏差模型。疊加效果評(píng)價(jià)模型通過(guò)計(jì)算位移、旋轉(zhuǎn)和縮放偏差來(lái)綜合判斷配準(zhǔn)效果，并通過(guò)這些偏差修正投影模型，進(jìn)而使BIM平面野和施工現(xiàn)場(chǎng)圖像盡可能完全疊加。

2.1 投影模型

相機(jī)標(biāo)定的目的是確定相機(jī)投影模型，相機(jī)投影模型是指三維空間中點(diǎn)與相片上像素點(diǎn)之間的映射關(guān)系。在相機(jī)投影模型中，共有4個(gè)坐標(biāo)系：世界坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、成像平面坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系。世界坐標(biāo)系也稱為測(cè)量坐標(biāo)系，是一個(gè)三維直角坐標(biāo)系，以其為基準(zhǔn)可以描述相機(jī)和待測(cè)物體的空間位置。世界坐標(biāo)系由人為設(shè)定，物體世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X,Y,Z)。相機(jī)坐標(biāo)系也是一個(gè)三維直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)位于鏡頭光心處，，軸分別與相面的兩邊平行，軸為鏡頭光軸，與像平面垂直，物體在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X,Y,Z)。像素坐標(biāo)系是一個(gè)二維直角坐標(biāo)系，反映了相機(jī)芯片中像素的排列情況。原點(diǎn)位于圖像的左上角，軸和軸分別于像面的兩邊平行。像素坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸的單位是像素(整數(shù))。像素坐標(biāo)系不利于坐標(biāo)變換，因此需要建立成像平面坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的單位通常為毫米(mm)，原點(diǎn)是相機(jī)光軸與相面的交點(diǎn)(稱為主點(diǎn))，即圖像的中心點(diǎn)，軸和軸分別與軸和軸平行。故2個(gè)坐標(biāo)系實(shí)際是平移關(guān)系，即通過(guò)平移就可得到。4個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系如圖2所示。

圖2 相機(jī)投影模型中4個(gè)坐標(biāo)系的關(guān)系

根據(jù)4個(gè)坐標(biāo)系之間的空間位置關(guān)系，并綜合考慮相機(jī)在投影過(guò)程中產(chǎn)生的畸變等因素，推導(dǎo)得出相機(jī)投影模型為

2.2 相機(jī)標(biāo)定

相機(jī)標(biāo)定可以確定相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，并可據(jù)此計(jì)算出拍攝對(duì)象三維點(diǎn)與圖像二維點(diǎn)之間的映射關(guān)系，是三維重建的必要環(huán)節(jié)。相機(jī)標(biāo)定在三維計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，差的相機(jī)標(biāo)定過(guò)程可能會(huì)導(dǎo)致圖像中的缺陷(如失真)，進(jìn)而影響信息的可靠性和準(zhǔn)確性。因此，相機(jī)標(biāo)定通常是計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用中最為關(guān)鍵的過(guò)程[11]。

2.2.1 內(nèi)參標(biāo)定

張氏標(biāo)定法[12]介于傳統(tǒng)標(biāo)定法和自標(biāo)定法之間，標(biāo)定物可簡(jiǎn)單表示為棋盤格，克服了傳統(tǒng)標(biāo)定法需要的高精度標(biāo)定物的缺點(diǎn)。同時(shí)，相對(duì)于自標(biāo)定而言，該方法提高了精度，便于操作。張氏標(biāo)定法被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面取得了良好的效果，因此本文將基于張氏標(biāo)定法并使用Matlab中的相機(jī)標(biāo)定工具(camera calibrator)對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。

采用張氏標(biāo)定法可確定相機(jī)投影模型中內(nèi)參矩陣。首先制作標(biāo)定板，共6×8個(gè)黑白相間的方格，每個(gè)正方形小格的邊長(zhǎng)為34 mm。然后使用相機(jī)從不同角度拍攝標(biāo)定板，并使用Matlab中的相機(jī)標(biāo)定工具對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，如圖3所示。

通過(guò)Camera Calibrator工具求得內(nèi)部參數(shù)矩陣后，像素點(diǎn)位置和世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)之間的投影關(guān)系為

2.2.2 外參標(biāo)定

在借助標(biāo)定板測(cè)得相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)后，固定相機(jī)位置和視角以獲得相機(jī)的外部參數(shù)。相機(jī)外部參數(shù)的獲取有2個(gè)途徑：①人為估計(jì)相機(jī)位置和視角方向，計(jì)算相機(jī)外部參數(shù)，并通過(guò)疊加效果評(píng)價(jià)模型來(lái)調(diào)整相機(jī)外部參數(shù)矩陣，這種方式適用于相機(jī)視野范圍內(nèi)已知點(diǎn)不易確定的情形；②在圖像中選取已知坐標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)，通過(guò)這些關(guān)鍵點(diǎn)的三維坐標(biāo)及其在圖像中的像素坐標(biāo)求解相機(jī)外部參數(shù)，這屬于Perspective-n-Point問(wèn)題，可通過(guò)透視三點(diǎn)問(wèn)題(perspective-three-point, P3P)，高效n點(diǎn)滲透(efficient perspective-n-point，EPNP)等方法計(jì)算得到。其中，EPNP算法具有時(shí)間復(fù)雜度低、精度高、魯棒性好等特點(diǎn)，是目前最高效的攝像機(jī)位姿估計(jì)算法之一。本文采用EPNP算法，通過(guò)在Visual Studio上編寫C++代碼，用于計(jì)算相機(jī)外部參數(shù)矩陣。

為獲得相機(jī)外部參數(shù)，首先在相機(jī)位置和視角固定后，拍攝一張現(xiàn)場(chǎng)圖像；然后在現(xiàn)場(chǎng)圖像中人工設(shè)定若干已知三維坐標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)(關(guān)鍵點(diǎn)在二維平面中應(yīng)分布均勻且在三維空間中不能位于同一平面)，并估計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的二維坐標(biāo)；最后通過(guò)編寫的程序計(jì)算相機(jī)外部參數(shù)矩陣。為得到更為精確的配準(zhǔn)效果，相機(jī)的拍攝角度應(yīng)盡可能展示建筑物的立體形象，即避免垂直拍攝建筑物的一個(gè)立面；關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量不應(yīng)少于4個(gè)，且20~30個(gè)為宜，過(guò)多的關(guān)鍵點(diǎn)增加工作量且對(duì)配準(zhǔn)效果提升不明顯；關(guān)鍵點(diǎn)的選取應(yīng)盡可能在二維圖像上分布均勻且在三維空間中不過(guò)多集中于同一個(gè)平面。

至此，投影模型中的所有未知參數(shù)全部獲得，世界坐標(biāo)系中的三維目標(biāo)與圖像中的像素點(diǎn)之間的映射模型成功建立。

2.3 圖像疊加

為獲得與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像視角相同的BIM平面野，首先將=0/2，=0/2，Z=-代入相機(jī)投影模型中，求得相機(jī)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即相機(jī)位置；指定建筑立面的一個(gè)坐標(biāo)，求得一個(gè)觀察點(diǎn)位置；通過(guò)Navisworks API設(shè)定相機(jī)位置和觀察點(diǎn)位置，并調(diào)整視野大小，得到與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像近視視角，即BIM平面野。

圖3 相機(jī)標(biāo)定

為了實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)圖像與BIM平面野的疊加，本文利用Navisworks API基于.NET Framework 4.6.1框架開(kāi)發(fā)建筑施工圖像疊加管理系統(tǒng)，通過(guò)控制2種圖像顯示模式來(lái)調(diào)節(jié)疊加效果，系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 疊加

系統(tǒng)界面左側(cè)可選擇要顯示的相機(jī)，右側(cè)分為4部分：兩側(cè)分別為不同時(shí)間點(diǎn)的BIM模型和施工圖像，中間為2種圖像的疊加結(jié)果，下方可設(shè)置2種圖像的顯示參數(shù)。BIM模型的顯示參數(shù)包括：渲染模式、渲染顏色、旋轉(zhuǎn)、透明度、亮度和對(duì)比度；施工圖像顯示參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)、透明度、亮度和對(duì)比度。

2.4 疊加效果評(píng)價(jià)模型

疊加效果評(píng)價(jià)模型用來(lái)評(píng)價(jià)BIM平面野與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像配準(zhǔn)情況，為批量校準(zhǔn)投影模型提供校準(zhǔn)依據(jù)。本文通過(guò)綜合度量BIM平面野與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像之間的位移偏差、旋轉(zhuǎn)偏差和縮放偏差來(lái)判斷疊加效果，疊加效果評(píng)價(jià)模型如圖5所示。

圖5疊加效果評(píng)價(jià)模型

為對(duì)比施工圖像和BIM平面野之間的偏差，設(shè)計(jì)5點(diǎn)法計(jì)算和修正位移偏差、旋轉(zhuǎn)偏差和縮放偏差。首先在BIM平面野中設(shè)置5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并將中心點(diǎn)與其余4點(diǎn)連接成4條線段，如圖6所示。在施工現(xiàn)場(chǎng)圖像中尋找5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，以同樣的方式連接4條線段，如圖7所示。5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的選取規(guī)則為：優(yōu)先選取外參標(biāo)定過(guò)程中設(shè)置的關(guān)鍵點(diǎn)；中間點(diǎn)從圖像中心附近選取，其余4點(diǎn)從圖像4個(gè)角附件選取；應(yīng)選取施工現(xiàn)場(chǎng)圖像中邊界較為清晰關(guān)鍵點(diǎn)。

圖6 BIM平面野關(guān)鍵點(diǎn)

圖7 施工現(xiàn)場(chǎng)圖像關(guān)鍵點(diǎn)

位移偏差包括軸和軸2個(gè)方向的偏差，在每組疊加圖像中測(cè)量BIM平面野中心點(diǎn)及其在施工現(xiàn)場(chǎng)圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的水平位移(x)和垂直位移(y)。計(jì)算位移偏差后移動(dòng)圖像消除位移偏差，通過(guò)計(jì)算4組線段之間的夾角可度量旋轉(zhuǎn)偏差()。計(jì)算旋轉(zhuǎn)偏差后旋轉(zhuǎn)圖像消除旋轉(zhuǎn)偏差，通過(guò)4組線段長(zhǎng)度差值度量縮放偏差(S)，即

其中，l為第組圖像第條關(guān)鍵線段在施工現(xiàn)場(chǎng)圖像中的長(zhǎng)度；Dl為第組圖像第條關(guān)鍵線段在BIM平面野和施工現(xiàn)場(chǎng)圖像中長(zhǎng)度的偏差。

2.5 偏差修正

由于Navisworks中相機(jī)參數(shù)需要人工判斷和調(diào)整，得到的BIM平面野與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像并不能完全疊加，因此需要通過(guò)偏差修正來(lái)改善疊加效果。

偏差修正的數(shù)值取5點(diǎn)法計(jì)算得到的3種偏差數(shù)值的平均值。3種偏差的修正方法分別為：①位移偏差可通過(guò)Navisworks API修改觀察點(diǎn)位置實(shí)現(xiàn)；②由于Navisworks中旋轉(zhuǎn)角度為整數(shù)，所以旋轉(zhuǎn)偏差整數(shù)部分通過(guò)Navisworks API修改相機(jī)滾動(dòng)角度實(shí)現(xiàn)，而小數(shù)部分通過(guò)調(diào)整疊加系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)；③縮放偏差通過(guò)Navisworks API修改相機(jī)視野范圍實(shí)現(xiàn)。

偏差修正是一個(gè)迭代的過(guò)程，每次迭代包括關(guān)鍵點(diǎn)選擇、位移偏差計(jì)算、位移偏差修正、旋轉(zhuǎn)偏差計(jì)算、旋轉(zhuǎn)偏差修正、縮放偏差計(jì)算和縮放偏差計(jì)算7步，按順序進(jìn)行，直到綜合偏差指數(shù)達(dá)到滿意的結(jié)果。

3 案例分析

在完成配準(zhǔn)模型的構(gòu)建后，本研究以某商住樓為例進(jìn)行實(shí)證分析，建筑共計(jì)14層，建筑面積9 808.73 m2，占地面積722.05 m2，結(jié)構(gòu)形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。首先根據(jù)施工圖紙?jiān)赗evit軟件中繪制商住樓的三維模型，并將其導(dǎo)入Navisworks中以便調(diào)整試圖和模擬施工。通過(guò)張氏標(biāo)定法測(cè)得6臺(tái)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)后，將相機(jī)分別固定于建筑物四周不同角度，用于拍攝局部和全局圖像，記錄施工過(guò)程。根據(jù)固定相機(jī)采集的圖像，選取圖像中的20~30個(gè)已知點(diǎn)，并利用EPNP算法求解相機(jī)外部參數(shù)，建立投影模型，計(jì)算相機(jī)的相對(duì)位置和拍攝視角。在建筑施工圖像疊加管理系統(tǒng)中，進(jìn)行三維模型與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像的疊加，并基于疊加效果評(píng)價(jià)模型，計(jì)算和分析配準(zhǔn)效果。最后，利用分析結(jié)果修正投影模型，使BIM模型在平面中的投影與施工圖像中的建筑物完全重疊。

3.1 疊加效果分析

為直觀呈現(xiàn)疊加狀態(tài)，突出顯示BIM模型構(gòu)件并保留施工圖像細(xì)節(jié)，本節(jié)將分析影響疊加效果的幾個(gè)因素，探索BIM平面野和施工現(xiàn)場(chǎng)圖像的最佳疊加狀態(tài)。

在Navisworks中通過(guò)調(diào)節(jié)光源和渲染模式可以改變BIM模型的顯示狀態(tài)，如圖8所示，分別為完全渲染模式、全光源完全渲染模式、著色模式、線框模式和隱藏線模式。

將不同渲染模式下BIM平面野與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像疊加，并調(diào)節(jié)BIM模型的透明度，以觀察不同渲染模式下的疊加效果，如圖9所示。可以看出完全渲染模式下施工現(xiàn)場(chǎng)與BIM平面野未形成明顯對(duì)比；在全光源完全渲染模式下和著色模式下，2個(gè)圖像對(duì)比效果明顯，而且通過(guò)設(shè)定BIM模型為亮綠色時(shí)，BIM模型辨識(shí)度高，可同時(shí)分辨施工現(xiàn)場(chǎng)和BIM模型；在線框模式下和隱藏線模式下，對(duì)比不夠強(qiáng)烈，辨識(shí)困難。

BIM模型構(gòu)件的選擇性顯示對(duì)疊加效果的影響因素明顯。如圖10所示，當(dāng)BIM模型構(gòu)件全部高亮顯示時(shí)，雖然能分辨BIM模型和實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，但無(wú)法區(qū)分單個(gè)構(gòu)件，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)比效果；當(dāng)BIM模型待觀察構(gòu)件高亮顯示時(shí)，構(gòu)件對(duì)比明顯；當(dāng)BIM模型待觀察構(gòu)件高亮顯示且隱藏其他構(gòu)件時(shí)，構(gòu)件對(duì)比明顯且不影響其他區(qū)域的施工現(xiàn)場(chǎng)的顯示。因此，在疊加前要調(diào)整BIM模型在Navisworks中的顯示狀態(tài)，否則無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。

圖像的透明度是影響疊加效果的重要因素，且不同疊加方式下疊加效果不同。如圖11所示，上方一組疊加結(jié)果中，BIM平面野置于底層，施工現(xiàn)場(chǎng)圖像置于頂層且透明度由低到高；下方一組疊加結(jié)果中，施工現(xiàn)場(chǎng)圖像置于底層，BIM平面野置于頂層且透明度由低到高。透明度分別為20%，35%，50%，65%和80%。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)圖像疊加于BIM平面野上方時(shí)，施工圖像的透明度越低，其細(xì)節(jié)展示越明顯，但BIM模型不突出；當(dāng)BIM平面野疊加于施工現(xiàn)場(chǎng)圖像上方時(shí)，BIM模型平面透明度越低，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)圖像的遮擋越嚴(yán)重；當(dāng)透明度適宜時(shí)，2種方式均能展示施工現(xiàn)場(chǎng)的細(xì)節(jié)，并突出顯示待觀察的BIM模型構(gòu)件。

圖8 渲染模式((a)完全渲染模式；(b)全光源完全渲染模式；(c)著色模式；(d)線框模式；(e)隱藏線模式)

圖9 不同渲染模式下疊加效果((a)完全渲染模式；(b)全光源完全渲染模式；(c)著色模式；(d)線框模式；(e)隱藏線模式)

圖10 不同選擇性顯示下疊加效果((a)全都高亮顯示；(b)僅高亮顯示待觀察構(gòu)件；(c)高亮顯示待觀察構(gòu)件并隱藏其他構(gòu)件)

圖11 不同疊加方式和透明度下疊加效果((a) 20% 現(xiàn)場(chǎng)圖像；(b) 35%現(xiàn)場(chǎng)圖像；(c) 50%現(xiàn)場(chǎng)圖像；(d) 65%現(xiàn)場(chǎng)圖像；(e) 80%現(xiàn)場(chǎng)圖像；(f) 20% BIM平面野；(g) 35% BIM平面野；(h) 50% BIM平面野；(i) 65% BIM平面野；(j) 80% BIM平面野)

綜上，適宜的疊加方式應(yīng)在著色模式下，高亮顯示待觀察BIM模型構(gòu)件。當(dāng)BIM平面野置于底層時(shí)，將施工現(xiàn)場(chǎng)圖像透明度調(diào)節(jié)至35%~50%之間；當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)圖像置于底層時(shí)，將BIM平面野透明度調(diào)節(jié)至50%~65%之間。本文默認(rèn)設(shè)定BIM平面野置于上方且透明度為65%。

3.2 配準(zhǔn)偏差分析

選定渲染模式后，設(shè)置Navisworks視點(diǎn)參數(shù)，見(jiàn)表1。將BIM平面野與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像疊加，并通過(guò)疊加效果評(píng)價(jià)模型計(jì)算偏差，見(jiàn)表2。根據(jù)偏差計(jì)算結(jié)果修正Navisworks視點(diǎn)參數(shù)，并重新疊加，修正后疊加結(jié)果如圖12所示。

表1 Naviworks相機(jī)視點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：*為專家綜合判斷得出，可接受的修正后綜合偏差為0.374

圖12 修正后疊加效果((a) C1相機(jī)；(b) C2相機(jī)；(c) C3相機(jī)；(d) C4相機(jī)；(e) C5相機(jī)；(f) C6相機(jī))

由表2可以看出，當(dāng)拍攝姿態(tài)為平視時(shí)，配準(zhǔn)效果明顯優(yōu)于仰視時(shí)的配準(zhǔn)效果，綜合偏差在0.290~0.400之間，修正后的綜合偏差降至0.200以下；相對(duì)于全局拍攝的圖像，局部圖像配準(zhǔn)效果略好。為度量綜合偏差大小，經(jīng)過(guò)多次疊加對(duì)比，并由專家綜合判斷得出，可接受的修正后綜合偏差為0.374。本研究中所有相機(jī)的疊加結(jié)果滿足可接受誤差，符合預(yù)期效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探索了建筑結(jié)構(gòu)施工階段施工圖像與BIM模型配準(zhǔn)疊加方法，其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在：①通過(guò)對(duì)投影模型和相機(jī)標(biāo)定方法的分析，構(gòu)建了施工圖像與BIM模型之間的映射關(guān)系；②通過(guò)對(duì)Navisworks的二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了BIM平面野與施工現(xiàn)場(chǎng)圖像的疊加；③通過(guò)疊加效果評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配準(zhǔn)偏差的分析和對(duì)映射模型的糾正。

本文以某商住樓施工現(xiàn)場(chǎng)為例，進(jìn)行了實(shí)證分析，分析結(jié)果表明：①疊加效果最好的方式為在著色模式下，高亮顯示待觀察BIM模型構(gòu)件，并將上層圖像透明度設(shè)置為35%~65%之間；②當(dāng)拍攝姿態(tài)為平視時(shí)，配準(zhǔn)效果明顯優(yōu)于仰視時(shí)的配準(zhǔn)效果，修正后的綜合偏差可降至0.200以下；③所有相機(jī)的疊加效果偏差都在可接受誤差內(nèi)。因此，本文提出的配準(zhǔn)疊加方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)施工圖像與BIM模型的配準(zhǔn)，直觀地反映建筑結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)劃模型與實(shí)際施工狀態(tài)之間的偏差，提高工程管理的效率與水平。

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Projection-based registration overlay method of construction image and BIM model

HOU Xue-liang1, XUE Jing-guo1, WANG Yi1, ZENG Ying2

(1. School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Mianyang Power Supply Company, Mianyang Sichuan 621000, China)

In order to visually compare the deviation between the actual construction progress and the planned progress during the construction of the building structure by combining the planned building information modeling (BIM) construction process simulation with the progress at the construction site, a projection model-based registration overlay method of construction images and the BIM model was proposed. Firstly, based on the analysis of the camera projection model and the camera calibration method, the coordinate mapping relationship between the construction site image and the camera imaging plane was established. Secondly, the Navisworks application programming Interface was employed to develop the construction image overlay management system, which realized the superposition of the construction image and the BIM model plane field. Then, an evaluation model for judging the registration effect was proposed based on the deformation characteristics between the superimposed image groups. Finally, an empirical analysis was carried out by taking the construction site of a commercial and residential building as an example. The experimental results show that the best way of superimposing is to highlight the to-be-observed BIM components in shading mode, and to set the transparency of the upper image between 35% and 65%; in the case of eyelevel shot, the registration effect is significantly better than that of low-angle shot; the deviation of the superimposed effect of all cameras is within the acceptable error. The proposed method can effectively achieve the registration of the construction image and the BIM model, and visually reflect the deviation between the planned model and the actual construction progress during the construction of the building structure.

building information modeling; construction process simulation; construction images; camera calibration; image registration overlay

TU 17；T 391.9

10.11996/JG.j.2095-302X.2021010141

A

2095-302X(2021)01-0141-09

2020-06-03；

3 June，2020；

2020-09-11

11 September，2020

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(71171081)；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(9162014)

：National Natural Science Foundation of China (71171081); Natural Science Foundation of Beijing Municipality (9162014)

侯學(xué)良(1966-)，男，山西太原人，教授，博士。主要研究方向?yàn)楣こ绦畔⒐芾?。E-mail：houxueliang@ncepu.edu.cn

HOU Xue-liang (1966-), male, professor, Ph.D. His main research interest covers construction information management. E-mail：houxueliang@ncepu.edu.com