BIM与VR

8.3VR与AR技术在现阶段，BIM能真正解决复杂工程的大数据创建、管理和共享应用等问题，特别是在项目管理方面，能提供数据、技术和协同三大价值支撑。BIM已渗透到公路设计、公路施工以及公路养护等各个方面。在设计过程中，实现更加精密的三维协同设计，提高工作效率，实现信息共享；在设计成果方面，实现了高质量和集成化的交付，使模型在施工和长期养护中发挥重要作用；在性能表现方面，空间性能、材料性能、环境性能等都经过充分的优化、完善，以满足绿色、健康、可持续的发展战略。虽然BIM的集成化在很大程度上对传统的设计流程进行了改变，但不可避免其自身目前也存在着许多问题。其中，最突出的问题就是“协同设计”的问题。如何使如此庞大的设计团队在同一个高度集中的平台上有条不紊的共同工作，是BIM如今必须面对和解决的问题。而VR（VirtualReality，虚拟现实）以及AR（AugmentedReality,增强现实）的诞生给人们带来了不一样的感知交互体验。VR与AR在本质上相通的，其理解为通过计算机技术构建三维场景并借助特定的设备让用户感知的一种体验，从上述的定义中，我们可以二者的两点共同支出，即“3D”与“交互”。这两点恰好可以满足BIM集成化过程中“协同设计”、“可视化操作”等问题。因此二者结合势必会增强相互领域间的技术层次，让公路交通设计更加形象化、立体化。8.3.1VR技术VR（VirtualReality，虚拟现实）是一种模拟体验虚拟世界的交互式仿真系统，利用计算机融合多源信息，通过三维动态视景去感知实体行为下的虚拟世界。借助于虚拟现实技术，可以最大效果地了解展示内容。随着计算机图形技术的发展和软件开发的不断深入，实现交互式三维立体功能是未来软件设计的发展方向，同时也是设计人员和业主沟通最有效的技术手段。1、VR技术原理人们都生活在客观的三维世界当中，当我们看周围的事物时，由于我们两只眼睛的位置不同而得到的图像略有不同。也正是由于这种差别使得我们感知到物体的深度，让事物看起来立体。而VR设备也正是利用这一视觉差别，为我们的视野提供了不同的画面，从而让我们感觉到画面的立体。无论是在为我们视野构建立体画面还是为使用者提供交互式体验，VR设备的使用都包含了许多其他领域的新技术。（1）基础设备当前VR设备可以大致分成两个类别，一是需要借助外部硬件协助运算的，比如OculusRift和HTCVive，他们需要链接一台高性能的电脑才能正常工作。而由于高性能的电脑处理图形的能力较强，其对图形的渲染效率以及质量都较好，因此在使用过程中，这种设备的体验效果往往是最好的。另一种则是依赖涉笔内置硬件完成运算的，比如PicoNeoVR一体机等，这些VR设备无需其他设备辅助，可独立工作。使用上较为便捷，但体验效果较差。（2）VR设备中使用的新兴技术①头部追踪技术与被动地观看3D电影不同，我们在使用VR设备时更加强调交互式体验，比如在伴随着我们在现实世界中移动，在虚拟实际中我们也要同样的移动，或者当我们向左看时，头部追踪技术能识别这一动作，设备的硬件会及时渲染出左侧的场景以供使用者观看。②眼球追踪技术眼球追踪技术是通过追踪我们的瞳孔实现的，算法能够根据我们注视的景物来变换景深，从而带来更出色的沉浸体验。比如：当我们视线的焦点在近处时，远处的事物就会变得模糊；相反，若视线的焦点在远处，近处的事物就会变得模糊。这正是景深不同带来的变化。而眼球追踪技术就是帮助VR设备只熬到我们在看哪里，从而模拟景深的变化，让虚拟的世纪更加逼真。2、VR技术的发展历程从VR技术的发展史来看，大体可以分为四个阶段：①初创期：有声动态的模拟，虚拟现实概念的产生和理论初步形成VR技术最早起源于20世纪60年代，世界上第一套可应用于虚拟现实的设备Sensorama的出现标志着VR技术的诞生。Sensorama通过三面现实屏来形成空间感，从而使用户实现虚拟现实的体验。但因为受限于当时计算机运算能力以及现代化图形处理技术，早期的虚拟现实技术的使用范围十分有限。图一Sensorama②萌芽期：计算机技术和图形处理技术为VR技术的实现提供了可能在VR技术这一概念提出后，直至20世纪80年代，随着一系列计算机技术的进步使得虚拟现实的体验出现大幅提升。立体显示使得近距离下视场的广度得到保证，从而使AR眼镜成为可能；显卡处理图形能力的进步，为复杂图像的呈现打下基础；带有关节动作传感器的手套出现使在VR信息输入维度中增加了手势这一动作，从而使虚拟环境下交互性成为可能。正是由于计算机硬件技术的不断进步，使得各种VR设备出现在人们视野当中。1980年美国游戏公司雅达利（ATARI）组建了虚拟现实实验室用以开发相关硬件；1987年全球首款商用化的VR头盔产品诞生，成为这一阶段的标志，随后任天堂、索尼等公司均推出了VR游戏机，形成一轮VR商业化热潮，但因计算机处理能力仍显不足，此次商业化热潮并未能够一直持续。③快速发展期：虚拟现实理论进一步完善和应用进入21世纪以来，计算机行业的蓬勃发展带动了相关技术的更新换代。处理器的运算能力、显卡的渲染效果、显示器的分辨率以及3D实时建模的能力的快速提升使得VR设备的轻量化、便捷化和精细化，从而大幅度提升了VR设备的体验。2012年沉浸式虚拟现实技术公司OculusRift募集到160万美元，之后以2014年Facebook收购OculusVR为代表，诸如三星、谷歌、索尼、HTC等国际消费电子巨头均宣布自己的VR计划。自此，虚拟现实技术开始快速发展起来，VR产业火爆，并逐渐渗透到各领域。近年来，我国国内VR成型产品加速落地，其中与建筑行业相关的产品包括展示设备、拍摄设备、设计软件等。图二HTC推出的产品—Vive3、VR技术的特点①沉浸性是指利用计算机技术产生三维立体图像，让人置身于一种虚拟的环境中，就像在真实的客观世界中一样，能给人一种身临其境的感觉。②交互性在计算机生成的这种虚拟环境中，人们可以利用一些传感设备进行交互，感觉就像是在真实的客观世界一样，比如：当用户用手去抓取虚拟环境中的物体时，手就有握东西的感觉，而且可以感觉到物体的重量。③构想性虚拟环境可使用户沉浸其中并获取新的知识，提高感性和理性认识，从而使用户深化概念和萌发新的联想，因而可以说，虚拟现实可以启发人的创造性思维。8.3.2AR技术AR(AugmentedReality,增强现实)，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示的信息叠加到真实场景中，从而实现对现实的增强。通俗点来说，就是利用摄像头、传感器、实时计算和匹配技术，将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到同一画面或空间而同时存在。AR技术最早于19901年提出，随着电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。利用AR技术，用户可以感受到在真实世界中无法亲身体会的经历。1、AR工作原理一个完整的AR系统需要由显示技术、跟踪和定位技术、界面和可视化技术、标定技术构成。跟踪和定位技术与标准定位技术共同完成对位置与方位检测，并将数据报告给AR系统，实现被跟踪对象在真实世界里的坐标与虚拟世界中的坐标统一，达到让虚拟物体与用户环境无缝结合的目标。为了生成准确定位，AR系统需要进行大量的标定，测量值包括摄像机参数、视域范围、传感器的偏移、对象定位以及变形等。现阶段，AR产品广泛应用于智能移动设备，AR就是根据当前位置（GPS）、视野朝向（指南针）及收集朝向（方向传感器/陀螺仪），在实景中（摄像头）投射出相关心思并在现实设备上展示。移动增强现实系统应实时跟踪手机在真实场景中的位置和姿态，并根据这些信息计算出虚拟物体在摄像机中的坐标，实现虚拟物体画面与真实场景画面的精确匹配，所以。①显示技术——头戴式显示器头戴式显示器能比普通显示器多产生一个广视角画面，通常视角都会超过90度。因为对应左右眼的显示屏通常是完全独立的两个显示屏，所以头戴式显示器一般都支持立体影像的播放。头戴式显示器通常可以接受交换帧、左右并排、上下并排、双通道DVI的信号，最新的头戴式显示器可以接受HDMI1.4的3D封装格式。索尼医用头戴显示器②跟踪定位系统——GPS与差分GPS对于AR设备而言，与VR相同需要时刻知道用户相对于其周围环境所处的位置，而且需要检测到用户头部的转动以及眼睛视野的焦点位置。在现阶段，AR技术的跟踪系统主要采用国际上比较成熟的GPS技术，以满足其在大范围开放区域的使用。但由于，GPS接收器精确度大概在10到30米，显然对于增强现实系统而言可以说是毫无实际价值。所以为了提高增强系统的精准定位及跟踪，我们常采用差分GPS。它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源。差分GPS可以达到分米级别的精确度。从而大大提高了增强系统的精确度。差分GPS③界面和可视化技术、标定技术构成——移动计算能力对于早期的AR设备，由于受当时计算机技术的限制，VR移动设备没有能力独立构建三维立体图形，只能依赖于电脑。而随着移动通信、互联网、数据库以及分布式计算等技术的发展，移动计算能力随之兴起。移动计算技术将使计算机或者其他信息智能终端设备在无线环境下实现数据传输及资源共享。如：2003年英特尔公司开发的“迅驰”（Centrino）移动计算技术是一种包括了Pentium—M处理器、Intel855芯片组和IntelPRO无线网络连接模块的移动计算技术平台，标志着移动计算时代的来临。目前，移动计算技术广泛应用于通信系统、网络接入系统等。2、AR技术的发展历程①初创期：增强现实之父萨瑟兰与达摩克利斯之剑若要谈及AR技术的发展，有一位举足轻重之人不可不提，那就是被称为计算机图形学之父和增强现实之父的萨瑟兰。他与19661年开发出第一套虚拟现实系统，同时也被公认为第一套增强现实系统——达摩克利斯之剑（SwordofDamocles）。这一套系统使用一个光学透视式头戴式式显示器，同时配有两个6度追踪仪，一个是机械式，另一个是超声波式，头戴式显示器由其中之一进行追踪，受制于当时的计算机图形处理能力，这套系统将先收拾设备放在用户头顶的天花板，并通过连接杆和头戴设备相连，能够将简单线框转换为3D效果的图像。第一套增强现实系统——达摩克利斯之剑②萌芽期：AR的正式命名与初期尝试1992年TomCaudell和DavaidMizell在论文《Augmentedreality:anpplicationofheads-updisplaytechnologytomanualmanufacturingprocesses》中首次使用了增强现实（AugmentedReality）这个词，用来描述将计算机呈现的元素覆盖在真实世界上这一技术。1994年AR技术在艺术上得到首次的应用，艺术家JulieMartin设计了一出叫赛博空间之舞（DancinginCyberspace）的表演。舞者作为现实存在，舞者会与投影到舞台上的虚拟内容进行交互，在虚拟的环境和物体之间婆娑，这是AR概念非常到位的诠释。这是世界上第一个增强现实戏剧作品。1997年AR的定义得到明确的定义，RonaldAzuma发布了第一个关于增强现实的报告。在其报告中，他提出了一个已被广泛接受的增强现实定义，这个定义包含三个特征：将虚拟和现实结合；实时互动；基于三维的配准(又称注册、匹配或对准)。近二十年过去了，AR已经有了长足的发展，系统实现的重心和难点也随之变化，但是这三个要素基本上还是AR系统中不可或缺的。1999年第一个增强现实SDK面世，奈良先端科学技术学院的加藤弘一教授和MarkBillinghurst共同开发了第一个AR开源框架：ARToolKit。在2005年，ARToolKit与软件开发工具包（SDK）相结合，可以为早期的塞班智能手机提供服务。③快速发展期：AR技术广泛应用、AR设备层出不穷2000年，第一款AR游戏诞生，BruceThomas等人发布AR-Quake，是流行电脑游戏Quake（雷神之锤）的扩展