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基于增强现实的三维建筑物模型移动可视化系统
发布人:万博manbetx官网 来源:万博manbetx体育 日期:2019-08-16 18:11

  针对传统虚拟现实的三维数据可视化存在专业性强、交互复杂、不够直观等局限问题,以户外三维建筑物为研究对象,构建了测绘的定位定姿技术与计算机视觉的边缘技术相结合的增强现实混合技术,建立了基于增强现实的三维建筑物模型移动可视化系统。在大范围数据采集基础上的三维模型数据增量更新模式中,应用本系统开展外业核查,验证了技术的可行性。

  引文格式:叶哲璐,卢智,祝士杰. 基于增强现实的三维建筑物模型移动可视化系统[J].地理信息世界,2019,26(3):109-113.

  增强现实是一种将虚拟和现实结合的技术,使得数据信息更直观地展示在真实的物理中。增强现实的显示设备日渐丰富,除手机、平板等移动手持设备外,出现了Google Glass为代表的眼镜设备、微软HoloLens为代表的头戴设备等。新设备的出现提供了更为高级的功能,而移动手持设备则更为普及。移动手持设备的增强现实是采用视频透视式技术,即将现实场景首先通过相机录入移动设备,经过和虚拟对象的整合、压缩,再统一呈现在用户眼前。

  增强现实系统的关键是精确的三维注册,即实时、精确地确定用户的和视线方向,从而将虚拟信息准确地增强到真实中。注册方法主要分两类,一是基于计算机视觉的注册方法;二是基于传感器的注册方法。基于计算机视觉的注册方法使用场景局限于可控,难以应用于户外大范围地理场景中,而基于传感器的注册方法,可实现户外场景中的注册,但受制于精度与误差,效果一般,并且功能有限。采用混合技术可取长补短,提高系统的可靠性,但也增加了系统的复杂度和成本。

  增强现实技术对数据的可视化更简单、直观、真实感更强。在地理信息和商业地图领域,增强现实技术的应用以POI等点状数据作为增强信息。三维模型数据往往基于Skyline、ArcGIS或WebGL等专业GIS软件或组件以虚拟现实的方式进行可视化。

  本文将基于增强现实技术,在移动终端中对现有的户外三维建筑物模型数据进行可视化展示研究,并针对三维建筑物模型数据的变化巡查中进行应用和验证。

  系统运行于Windows操作系统,采用C/S架构,由数据层、支撑层和应用层等构成,系统架构如图1所示。数据层提供三维建筑物模型数据用于增强信息,支持本地数据和从服务端获取数据等多种形式。支撑层在Framework框架下以Unity3D为可视化平台,集成ARToolKit增强现实SDK,采用ViSP组件提供边缘能力,从数据层获取增强信息后利用多源传感器获得的信息实时计算每一帧的结果实现图像注册,以可视化组件接口的形式为应用层提供三维建筑物模型的增强现实能力。支撑层是可视化系统的核心,主要实现三维数据的模型渲染和实时的图像注册两大功能。应用层结合各类功能的使用需求提供用户交互界面,本文将在外业核查应用系统中进行应用验证。

  为解决大场景下密集建筑加载的效率问题,一是利用分区块加载数据的模式,并应用Unity3D的遮挡剔除技术和对远处模型采用简模的LOD技术,以减少渲染负载;二是将渲染算法运行于GPU模式下,采用CG编程技术实现三维模型轮廓描绘,通过硬件底层层次上的模型渲染方式提高渲染速度。

  线a所示,三维建筑物模型数据包括纹理和网格,分别如图2b、图2c所示。纹理与真实建筑物的叠加将对真实场景产生大面积的遮盖导致真实场景无法清楚显示,同时纹理的数据量大也会影响前后端交互的实时性。三维模型数据网格的叠加则会因建筑物内部线条过多造成对真实场景显示的干扰。因此不能将三维建筑物模型数据中的纹理和网格直接渲染应用于场景融合中。

  为获得清晰的场景融合效果,本文从三维建筑物的网格模型中抽取非共面相邻面片的交界边线得到其外轮廓线进行渲染。具体过程是,先计算相邻面片的法线,再根据这两个法线判断是否共面。为避免三维模型数据噪声和计算精度的影响,采用法线这一很小的阈值来代替是否为0的判断。建筑物外轮廓线的提取渲染实现了在尽可能地保留建筑物外观特征下减少网格线d所示。

  针对户外干扰多和建筑物外轮廓明显等特点,本文构建了混合技术,即将基于移动设备GNSS的定位信息和陀螺仪姿态信息作为增强现实的主要融合匹配项,利用计算机视觉技术对建筑物外轮廓边缘作为辅助修正项的图像注册方法。

  第三步,利用Unity3D中的图像渲染接口实现三维相机坐标下的场景在拍摄影像二维平面上的投影转换,达到初步的场景融合。因图像注册对传感器的精度要求苛刻,即使引入高精度的多模多频高精度动态定位模块以提高定位精度,注册完成后的场景中三维建筑物外轮廓线与真实地物之间仍有可见距离的偏差,效果如图4所示。

  第四步,因户外建筑物轮廓线分明,易于进行自动的图像识别,利用VISP边缘组件自动提取拍摄影像中的建筑物外轮廓特征点,将三维建筑物的外轮廓线与其进行注册参数的精度修正和对齐匹配,修正后的结果利用Unity3D进行最终图像的融合渲染,从而实现提升场景融合效果的目的,效果如图5所示。

  第四步中应用的边缘技术,其融合注册过程可细分为4步。第一步,获取视频帧,创建图像多分辨率;

  第三步,通过图像提取采样点附近的二维特征点,如图6所示;第四步,根据点之间的对应关系,计算出当前帧对应的投影矩阵,实现三维模型的注册,如图7所示。虽从视频中到的视觉显著轮廓线一般既包含很多不是三维模型的轮廓线,也缺少部分三维模型的轮廓线,但通过图像注册方法一般都能够自动弥补因多余和缺少轮廓线产生的干扰。

  是将移动终端设备GNSS定位信息经过校正后作为相机参数,将其大地坐标(经纬度)转换为地图投影坐标;

  Mperspective是一个投影矩阵,将三维点投影到二维平面上得到二维点坐标,与焦距、基线、光轴角度等相机内部参数有关。2 应用验证

  基于图像的自动化建模和基于互联网众源照片的三维建模已经出现,使得针对小范围目标建筑的三维建模成为可能。在已完成生产的城市级大范围三维模型数据基础上,利用移动设备开展外业巡查及时发现变化建筑物信息,基于采集的照片开展自动化三维建模,数据在户外现场确认,可克服数据周期性大范围更新生产带来的数据现势性不及时和更新费用高的不足,实现实时便捷地对小范围目标建筑物进行增量更新采集。今后,还可发展众包形式开展增量更新采集。

  验证的数据为2015年的德清地理信息产业园的三维建筑物模型。因原始三维模型数据为常见的.max格式,需转换为本系统可用的.assetbundl格式。具体转换步骤如下:①坐标系转换:.max数据格式采用的是右手坐标系,可视化系统采用的是左手坐标系。用3DMAX打开原始模型数据,在导出.fbx格式数据时,设置坐标系为左手坐标系。②导出.assetbundl格式:将导出的.FBX三维模型数据导入到Unity3D软件场景编辑界面,移动模型至坐标系的原点处,输入模型相关经纬度信息,最后导出.assetbundl格式文件。

  ②核查变化建筑物:平板终端实时向服务器更新自己的区域信息,采用安全加密的数据传输方式从服务器加载当前区域的三维模型数据,系统基于本文优化后的图像注册方法,将三维模型数据与终端摄像头实时获取的真实场景进行融合叠加,作业人员可通过屏幕最终呈现的融合图像进行比对核查及人机交互。用户点击建筑物,可查询获取并展示单个建筑物的完整三维模型及其属性信息,并可旋转进行单体环绕浏览查看。

  通过在移动设备中实现已有的三维建筑物模型数据在真实场景中的叠加,在虚拟的建筑物信息和真实的场景之间建立直接的关联,为外业核查人员在发现变化的生产作业过程中提供了一个易用的三维可视化平台,这可有效提升三维模型数据在实际生产中的应用,拓展已有三维模型数据的应用场景和范围,挖掘出已有三维模型数据的经济价值。

  本文利用测绘的定位定姿技术将三维建筑物模型在真实场景中注册后,通过计算机视觉的边缘技术提高场景融合的精准性,解决了单一注册方法对室外建筑物注册适用性不强、注册精准性不高的问题,为今后的应用推广打下了的技术基础。本文采用此混合技术,在移动终端上搭建了三维建筑物模型可视化系统,有别于传统只在虚拟现实中展示三维建筑物模型数据,通过以虚实结合的直观方式展示三维模型信息,更好地协助核查人员及时发现变化的三维建筑物模型,验证了技术的可行性。

  下一步,可对相似建筑物群、户外强光等复杂场景下图像注册方法作研究完善,提高注册效率和实时性。在对建筑物信息增强的应用基础上,拓展叠加的数据资源,利用移动终端设备进行户外核查变化发现和数据生产更新应用。

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