淺談視覺(jué)SLAM技術(shù)在建筑學(xué)中的應(yīng)用

彭勃

摘要：隨著智慧城市、建筑遺產(chǎn)保護(hù)、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)、室內(nèi)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)等的需求越來(lái)越多，如何快速有效地獲得三維空間精細(xì)化模型成為了研究重點(diǎn)。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和人工智能是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的兩大熱門(mén)話題，計(jì)算機(jī)視覺(jué)下的視覺(jué)SLAM技術(shù)已經(jīng)在掃地機(jī)器人、汽車(chē)無(wú)人駕駛領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?；谝曈X(jué)SLAM技術(shù)實(shí)時(shí)建圖和定位、成本低的特點(diǎn)，視覺(jué)SLAM技術(shù)將對(duì)建筑學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，如建筑測(cè)繪、建筑遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)方法及表現(xiàn)、建筑施工及檢測(cè)等方面帶來(lái)巨大變革。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)SLAM;建筑學(xué);VR;三維重建;計(jì)算機(jī)視覺(jué)

隨著地面激光掃描技術(shù)、傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使建筑測(cè)繪過(guò)程趨向自動(dòng)化和便捷化。激光掃描從光學(xué)測(cè)量的角度采用主動(dòng)光學(xué)傳感器，通過(guò)發(fā)射和接受激光信號(hào)獲得物體三維距離信息，生成基于測(cè)距的三維重建;攝影測(cè)量采用被動(dòng)光學(xué)傳感器間接獲得空間三維數(shù)據(jù)，生成基于圖形的三維重建。21世紀(jì)初，基于圖形的三維重建領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從大量圖形中重建三維場(chǎng)景的突破。2011年，來(lái)自美國(guó)華盛頓大學(xué)、微軟等機(jī)構(gòu)的研究者們使用來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的海量圖片短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了的羅馬城主要景點(diǎn)的三維模型重建，但其精度超出1%（100米誤差1米），無(wú)法滿(mǎn)足精確測(cè)量的需求。

一、視覺(jué)SLAM技術(shù)

視覺(jué)SLAM（Simultancous Localization andMapping）中文指“同時(shí)定位于地圖構(gòu)建”，它是指在周邊空間環(huán)境信息未知情況下，通過(guò)搭載特定的傳感器的主體，于運(yùn)動(dòng)過(guò)程估計(jì)自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)建立環(huán)境的模型。就如同我們?nèi)祟?lèi)自身走進(jìn)陌生的環(huán)境時(shí)進(jìn)行空間認(rèn)知一樣。整個(gè)視覺(jué)SLAM流程包括以下步驟：1.傳感器信息讀取;2.視覺(jué)里程計(jì);3.后端優(yōu)化;4.回環(huán)檢測(cè);5.建圖。視覺(jué)SLAM自1986年提出以來(lái)，一直是機(jī)器人領(lǐng)域和基于圖形的三維重建領(lǐng)域的熱點(diǎn)。較激光掃描器和無(wú)人機(jī)等昂貴的設(shè)備，視覺(jué)SLAM的傳感器主體一單目相機(jī)、深度相機(jī)或雙目相機(jī)價(jià)格更為便宜。通過(guò)視覺(jué)SLAM框架后端優(yōu)化和回環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量誤差可控制在接受范圍內(nèi)。

二、視覺(jué)SLAM技術(shù)與建筑學(xué)

視覺(jué)SLAM技術(shù)當(dāng)今應(yīng)用于掃地機(jī)器人、汽車(chē)無(wú)人駕駛等領(lǐng)域。較無(wú)人機(jī)傾斜攝影側(cè)重單一物體重構(gòu)和大場(chǎng)景重構(gòu)不同，視覺(jué)SLAM在室內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境測(cè)量上更勝一籌。視覺(jué)SLAM技術(shù)除了在建筑測(cè)繪有不俗表現(xiàn)外，在建筑遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)及表現(xiàn)、建筑施工及檢測(cè)也將有深遠(yuǎn)的影響。

基地三維信息是建筑設(shè)計(jì)的依據(jù)，借助視覺(jué)SLAM技術(shù)能在地形圖未測(cè)情況下短時(shí)間低成本的獲得場(chǎng)地三維信息。測(cè)量者無(wú)需復(fù)雜的操作，僅手持相機(jī)或使用背包SLAM系統(tǒng)，無(wú)固定路線行走于場(chǎng)地之中，測(cè)得圖形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)演算生成場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)和模型?；谝曈X(jué)SLAM作為激光掃描的代替，平均誤差不到3cm，在精度和成果形式上滿(mǎn)足了建筑測(cè)繪需求。視覺(jué)SLAM將圖像作為生成模型的材質(zhì)，重構(gòu)模型較激光掃描的單一材質(zhì)云點(diǎn)模型更具視覺(jué)直觀性。如東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在武漢大學(xué)學(xué)生俱樂(lè)部的測(cè)繪中，使用了全站儀、無(wú)人機(jī)、數(shù)碼相機(jī)在5天內(nèi)完成了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，最終生成了建筑室內(nèi)外信息模型，該模型包含了建筑的實(shí)際狀態(tài)和以歷史圖紙建立的理想狀態(tài)模型，后續(xù)可以逐步加入材料、結(jié)構(gòu)、歷史變化等多維信息，用于建筑歷史信息記載、變形分析、結(jié)構(gòu)模擬等。

基于視覺(jué)SLAM下的建筑方案設(shè)計(jì)手段及展示借助于VR或AR技術(shù)，建筑師的工作場(chǎng)所將不局限于固定的室內(nèi)，而可以在現(xiàn)場(chǎng)或任意場(chǎng)所進(jìn)行虛擬重構(gòu)，使設(shè)計(jì)過(guò)程及效果呈現(xiàn)更具互動(dòng)性和實(shí)時(shí)性。如室內(nèi)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)視覺(jué)SLAM讀取房間基本三維數(shù)據(jù)后進(jìn)行三維重構(gòu)，設(shè)計(jì)師在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)或現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)設(shè)備進(jìn)行家具布置和材質(zhì)調(diào)整，更為直觀;而參觀者可以自由地選擇參觀路線，如身臨其境般體驗(yàn)。

在建筑施工和檢測(cè)過(guò)程中也可通過(guò)SLAM技術(shù)檢測(cè)施工質(zhì)量。如傳統(tǒng)的墻體傾斜檢測(cè)是從墻體上選擇若干觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的分布規(guī)律分析墻體傾斜程度，這一方法的缺點(diǎn)在于：取樣點(diǎn)的數(shù)量、分布和代表性嚴(yán)重影響其準(zhǔn)確性。而通過(guò)單反相機(jī)SLAM技術(shù)檢測(cè)墻體，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，高效地建立墻體的三維模型，并將其準(zhǔn)確定位，將測(cè)得墻體于理想墻體平面進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算兩者最近點(diǎn)的差距就可以得到墻體的整體傾斜分布，具有很高的準(zhǔn)確性和直觀性。

三、結(jié)束語(yǔ)

盡管視覺(jué)SLAM技術(shù)具有很多激光掃描技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)，但是它并不能取代后者。在很多大規(guī)模、復(fù)雜的建筑群體與單體測(cè)繪中，這兩種技術(shù)需要綜合使用。在一些特殊情況下，比如預(yù)算有限、無(wú)地形圖，SLAM技術(shù)可以作為激光掃描技術(shù)的有效替代?；趫D形的視覺(jué)SLAM技術(shù)的三維重建可以通過(guò)手機(jī)、單反相機(jī)，以及免費(fèi)的軟件以接近零成本的方式實(shí)現(xiàn)，可以為建筑學(xué)的數(shù)字化應(yīng)用提供更多可能?？傊曈X(jué)SLAM技術(shù)可以在建筑測(cè)繪、遺產(chǎn)保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)及表現(xiàn)、建筑檢測(cè)及施工中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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