智能化混合现实技术MR建筑施工头盔的研发与应用

戴文滔 郭秀娟 佟胜伟 张利来 彭相澍

【摘要】科技与经济高速发展的今天，人们对生活品质的要求越来越高，各种各样的智能化设备层出不穷，尤其是建筑施工领域，为了保证施工的高效性和准确性，可以利用混合现实技术，基于HoloLens混合现实设备，开发智能化混合现实技术MR建筑施工头盔。头盔在保障人身安全的前提下，通过混合现实技术进行改造效果模拟体验、实现最佳的改造方案，保证施工安全、质量、控制施工成本。

【关键词】混合现实技术 MR建筑施工头盔 HoloLens

一、引言

科技的进步使得整个智能设备领域进入了全新的时代，智能化技术开始渗透到各个行业中去，建筑行业作为国民经济中重要的组成部分，如果继续采用老旧的施工技术，必然会加长工作时间，减缓工程进度，采用智能化技术可有效地提升工作效率，提高施工精准度。

混合现实技术提供了一种极具潜力的建筑施工手段，通过佩戴MR头盔增强现实设备，进行施工效果模拟体验，可以透过头盔中的显示器看到包含技术辅助信息的全息影像，在移动过程中解放双手，并与全息影像实现语音、手势等形式的交互，可以通过这些辅助信息的指导完成施工任务。

二、系统研究的意义

1.混合現实技术的兴起

混合现实（Mixed Reality，MR）技术是一种将真实世界和虚拟世界混合在一起的技术，通过这种方式产生新的可视化环境，环境中包含了真实世界与虚拟信息。混合现实与增强现实（Augmented Reality）和虚拟现实（Virtual Reality）联系紧密，增强现实是将虚拟现实加在真实环境中，虚拟现实则脱离现实环境，通过下图可以清晰地看到三者之间的联系与区别：

区间向左至无穷表示“真实环境”，向右至无穷表示“虚拟环境”，混合现实包含增强现实和增强虚拟。

2.HoloLens的应用

HoloLens作为混合现实科技的尖端应用，将计算机生成的虚拟效果叠加与现实世界上，用户佩戴HoloLens的视线不受阻隔，仍然可以在室内空间行走自如。HoloLens可以跟踪用户的移动和视线变化，以光线投射的方式将虚拟的全息影像投射到用户眼中，HoloLens同时支持用户与虚拟对象完成手势、语音等多种形式的实时交互。

使用者通过移动一个标准的HoloLens设备，可以快速地对一个室内场景进行细致的三维重建，使用从HoloLens中提取的深度数据，可以追踪传感器的三维姿态并重建，同时保证几何上的精度和物理场景三维模型的实时性。

三、产品的设计与实现

1.空间扫描技术

HoloLens支持建筑空间内的深度扫描，HoloLens的几何重建功能是通过SLAM（simultaneous localization and mappinp，即时定位与构图）获取建筑环境中详细的三维模型。SLAM技术的核心过程是认知环境，摄像机在运动过程中根据位置和地图进行定位，并在定位的基础上建造地图。HoloLens基于表面重建的方法超过了之前基于点的表现，更加精确地表现了真实世界的几何关系。

施工人员佩戴HoloLens在施工场所可以完成对场景的三维建模，系统连续跟踪HoloLens摄像机，并将摄像机中的数据融入合成的三维模型，施工人员在施工场所观察时，新的物理图像被显示，这些新的图像被融合在HoloLens构建的模型中，伴随新的测量值被不断获取，建筑细节会被不断完善，模型会更加精确。

2.混合现实的实现

实现混合现实的方式主要有手势、凝视和语音，手势控制大体分为点按和拖拽，通过识别手指的运动轨迹实现一系列操作;凝视的作用是选择，通过眼神放置的位置来判断;语音可以通过识别施工人员的语音来下达指令。

在建筑施工场所中，施工人员佩戴头盔，通过凝视确定建筑环境中需要检查的地方，并通过手势确认指令固定放置在环境中的任意位置，施工人员还可以通过语音指令固定不同建筑构件所在的位置。施工人员也可以将虚拟的三维模型在地面上通过凝视指令移动并通过手势或语音控制放置到任意位置。置身于建筑环境并佩戴HoloLens的用户，不仅可以透过HoloLens的屏幕看到室内的真实场景。也可以看到BIM三维设计图像，并采用手势、凝视和语音控制虚拟信息，实现混合现实的效果。

3.解决的现实问题

基于国内建筑行业领域的蓬勃发展，本项目结合混合现实技术的可视化和交互性特点，研发建筑施工头盔，为建筑施工工程建设实施阶段提供良好的技术支持，推动国民经济的发展，解决以下主要问题：（1）建筑施工工程项目生产效率较为低下，进度较慢及施工精确度低等问题;（2）建筑施工工程项目的施工人数过多，造成人力资源浪费的情况出现，还存在人员分配不合理的问题;（3）建筑施工工程项目的材料不符合实际施工要求，设备过于老旧，缺乏科技支撑;（4）建筑施工工程项目的信息技术缺乏，信息交互不全面性及交流不及时性。

四、结语

目前利用混合现实技术，并且结合BIM、Unity和JAVA等软件，构建MR建筑施工头盔已成为可能，这种头盔既能保障施工人员的人身安全，提高建筑的施工效率，又能规避建筑施工所遇到的错误，提高建筑工作效率，提升建筑施工的精准度，MR建筑施工头盔填补之前的技术空白，使建筑智能化走入人们的生活，MR建筑施工头盔的高度智能化和便捷性直接决定其商业价值，未来在智能建筑领域一定有非常广阔的市场，进而带动国民经济实现新的飞跃。

参考文献：

[1]赵明航.基于混合现实技术的未来厨电设计研究[D].沈阳航空航天大学，2018.

[2]高韵.虚拟现实技术发展与启示——以微软HOLOLENS为例[J].互联网经济，2017（12）：50-55.

基金项目：吉林建筑大学大学生创新创业训练计划项目，项目编号：2018S1105。