AR 技术在水利工程三维可视化场景构建中的应用研究

徐燕星 江潜成

（江西水利职业学院 水利工程系，江西 南昌330013）

随着现代水利水电事业的不断发展，堆石坝工程规模不断扩大，其作为水利工程的重要组成部分，不仅在施工布置方面具有一定的复杂性，而且工程规模大，传统图纸难以有效把握工程现场，进行三维可视化场景构建尤为重要[1]。作为一门综合性技术，三维可视化技术集计算机图像处理技术、图像显示以及人机交互为一体，能够呈现出目标物的整体特性。随着VR 技术的发展，其在水利工程三维可视化场景中的应用成为现实，其能够将虚拟信息与真实场景进行叠加，呈现出虚实结合的效果，保障三维可视化场景与工程真实场景的一致性。

1 水利工程三维场景中AR 技术概述

堆石坝是水利工程重要项目，构建堆石坝三维可视化不仅能够帮助管理人员正确认识水利工程面貌、精确把握工程实际情况，而且能够促进堆石坝工程进展。AR 技术下堆石坝工程三维可视化场景主要涉及到建筑物模型构建、现场场景获取以及虚拟相机等多个方面[2]。在具体应用过程中，首先可以采用视频监控技术对施工现场图像信息进行获取，在RTK-GPS 技术与IMU 技术综合作用下，获得三维空间坐标，然后经过虚拟相机完成三维注册，实现虚拟与真实的结合，其三维场景构建如图1 所示。

2 AR 技术下堆石坝工程三维场景关键技术

2.1 水利工程建筑物三维建模关键技术

水利工程三维可视化建设，在前期先完成CAD 设计，并利用3ds Max 软件建设了堆石坝模型。首先按照图纸中水工建筑物相关情况重新对图纸进行整理，需要注意保留水工建筑物形体相关的点线面，对整体结构进行分析，明确坐标信息[3]。其次利用3ds Max 软件导入平面线条，对水工建筑物进行剖面设计时应配合闭合曲线的设计，通过拉伸、放样等形成实体。需要注意的是所有旋转、平移等相关操作均应依据水工建筑物的结构进行，进而获得三维实体模型。材质贴图环节，应根据水工建筑物不同部位的需求选择相应的材质，得到有材质的水工建筑物三维实体模型。

图1 AR 技术下堆石坝工程三维场景构建

2.2 硬件相机注册技术

水利工程项目中堆石坝规模大，拥有健全的基础设施、视野开阔，再加上现代网络信息技术的支持以及视频监控技术的应用，为堆石坝项目提供了更多可能性。此次研究在AR 技术具体应用中引入硬件系统下相机注册技术，其通过对相关参数的设置能够达到与真实相机一致的效果。此次研究在获得现场图像环节主要采用的是定焦摄像头，因此需要将相机设置为六自由度，如何获得相机6 个参数是硬件相机注册的关键问题。研究堆石坝工程引入RTK-GPS 系统，其能够帮助准确、快速的获得一个三维坐标，将IMU 原件作为三维转角，并在摄像头上妥善固定，需要保持摄像头光轴与z 轴方向的一致[4]。在IMU 作用下，能够了解摄像头转角参数，并将具体参数信息传输到客户端，通过解析后对虚拟相机赋予相应的参数，并实现对相机的三维注册，具体见图2、图3。

图2 三维空间坐标注册

2.3 真实场景的获取及虚实融合

图3 三维空间转角注册

工程现场安装摄像头后通过布设能够获得真实场景的实际情况。通常水利工程施工现场会安置大量的视频监控摄像头，坝肩位置的摄像头则能够为工程整体面貌提供可靠的技术支持，不仅如此，通过高处摄像头所获得的工程施工场景图像更为清晰。虚拟相机是获得虚拟场景的重要支持设备，通过RTK-GPS 以及IMU 传感器完成三维注册后，可以对虚拟场景进行拍摄，但该虚拟场景会与真实相机拍到的图像重叠[5]。若排除遮挡因素，那么可以将虚拟相机拍摄的图像与真实相机叠加，其能够对两者的真实空间关系予以反映。通常，虚拟相机完成注册后，其与真实相机能够具备相同的参数，因此，可以将两者建立在同一个坐标系中。如图4 所示，其为一个虚实融合成像系统，假设该真实空间存在A、B、C 三点，成像平面用c 表示，a 与b 点重合表示的是A、B 两点在成像平面中的成像问题，因此b点为优先显示，C 点则能够对空间中B 点与C 点的关系予以反映[6]。

图4 虚实融合成像

3 实例应用

以江西省某水利枢纽工程为例，其是国家172 项节水供水重大水利工程之一，工程概算批复总投资31.1618 亿元，于2013年7 月1 日正式开工建设，2019 年4 月正式下闸蓄水。大坝全长498.62 米，最大坝高48.8 米，正常蓄水位56 米（黄海高程），总库容4.747 亿立方米，防洪库容2.96 亿立方米，电站总装机3.2 万千瓦，多年年平均发电量8152 万千瓦时，是鄱阳湖水系昌江干流中游一座以防洪为主，兼有供水、发电综合效益的大（2）型水利枢纽工程。

3.1 水工建筑物三维模型构建

前期堆石坝工程建设已经针对水工建筑物形体、位置等进行设计，在设计三维模型时首先需要对建筑物基本信息进行获取。经过分析、提取获得建筑物典型断面相关信息，平面图像几何尺寸均与水工建筑模型一致[7]。然后将3dsMax 导入，在线对象生成面作用下，经过面对象获得实体对象。针对实体对象经过旋转、平移、组合以及布尔运算等一系列操作，获得水工建筑物三维实体模型，其主要由设计资料生成，然后按照不同水工建筑物特征，选择相应材质对模型进行贴图处理，得到的三维实体模型如图5 所示。

图5 水工建筑物三维实体模型

3.2 真实场景获取

在施工现场，为了解堆石坝工程的具体情况，需要在现场布设大量视频监控摄像头，Wie 保障图像的顺利传输，需要匹配相应的图像传输系统，在高点位置设置视频监控摄像头，能够对整个施工区全貌予以全面的、清晰的观察。

3.3 基于硬件的相机注册

RT-GPS 以及IMU 均安装在摄像头上，将实时状态下的摄像头参数传输到客户端后，能够通过特定格式的解析，得到6 个与三维空间坐标及三维空间转角相关的参数[8]。需要注意的是三维姿态原始数据由传感器传出，经过处理后，相应参数在虚拟相机中设置，相机注册完成。

3.4 基于AR 技术下水利堆石坝工程可视化

通常，对虚拟相机进行注册后，能够利用虚拟相机得到水工建筑物影像，此时虚拟水工建筑物模型与真实施工图像在同一个空间中，排除虚拟物体与真实物体的遮挡影响后，可以使得虚拟水工建筑图像与真实场景重叠在一个图像，其不仅能够对虚实物体在空间上的关系予以反映，而且能够提升现实效果。另外可以同时对两张图像每个像素进行遍历，以便虚拟物体成像能够在真实的场景中进行叠加。当发现在某一像素上有虚拟物体模型成像点与真实场景成像点，那么可以将其作为虚拟水工建筑物的成像点。

结束语

针对当前水利工程三维可视化场景构建问题，可以先结合工程实际建立环境模型，引入AR 技术，在现场视频监控技术作用下获得真实场景，保障水利工程堆石坝可视化展示与真实场景的一致性，提高直观性及可视化效率，拥有广阔的发展前景。