淺談AR 技術(shù)在海綿城市虛擬樣板中的應(yīng)用

鄧興釗，杜垚

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

增 強 現(xiàn) 實AR（Augmented Reality）技術(shù)是一種將現(xiàn)實世界信息和虛擬世界信息無縫集成的新技術(shù)。它原本將現(xiàn)實世界中難以體驗的實體信息（視覺信息、聲音、味覺、觸覺等）通過計算機的模擬，再與現(xiàn)實世界的信息疊加通過人類的感知，讓人類的感官感受到虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的信息，從而體驗到超越現(xiàn)實的感官體驗。

增強現(xiàn)實是一門充分發(fā)揮創(chuàng)造力、為人類智力拓展提供有力手段的科學技術(shù)。AR 作為一種新型的人機界面和仿真工具，越來越受到人們的重視，它對生產(chǎn)方式和社會生活產(chǎn)生了巨大的影響。它在生活和工作中發(fā)揮了重要作用，顯示出巨大的潛力。

隨著科技的不斷發(fā)展，其內(nèi)容必然會增加，進出口設(shè)備價格不斷下降，視頻顯示質(zhì)量提高，功能強大。然而，隨著易用軟件的實際應(yīng)用，AR 的應(yīng)用將日益增多。AR 技術(shù)將包括人工智能、CAD、圖形仿真、虛擬通信、遠程檢測、娛樂和模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域帶來了革命性的變化。

總體而言，增強現(xiàn)實技術(shù)在我國尚處于起步階段，許多虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域的企業(yè)開始關(guān)注“增強現(xiàn)實”的研發(fā)和應(yīng)用[1]。例如，中國現(xiàn)有數(shù)字技術(shù)開發(fā)的VRP12.0 集成了增強現(xiàn)實功能。

2 AR 技術(shù)簡介

2.1 AR 技術(shù)

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)是一種實時計算攝像機圖像的位置和角度的技術(shù)，它的目標是通過圖像、圖像和三維模型，將虛擬世界連接到屏幕上并進行交互。

增強現(xiàn)實技術(shù)顯示了虛擬信息和現(xiàn)實世界信息。在視覺增強現(xiàn)實中，用戶可以使用頭盔顯示器來合成真實世界和計算機圖像，可以看到周圍的真實世界。

增強現(xiàn)實技術(shù)包括多媒體、三維建模、實時圖像顯示與控制、多傳感器融合、實時跟蹤、配準、場景融合等新技術(shù)新手段。增強現(xiàn)實提供了人類在正常情況下可以感知的不同信息[2]。

2.2 主要特點

AR 系統(tǒng)有三個明顯的特點：

①現(xiàn)實世界與想象的信息整合；

②它具有實時交互；

③虛擬對象將添加到三維比例空間。

AR 技術(shù)在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要用于海綿城市的虛擬模型的建立。

2.3 AR 技術(shù)組成形式

一個完整的增強現(xiàn)實系統(tǒng)是由緊密相連、實時運行的硬件組件和相關(guān)軟件系統(tǒng)組成的。主要采用以下三種形式：

1）增強現(xiàn)實監(jiān)視器系統(tǒng)

在基于計算機顯示的AR 實現(xiàn)方案中，攝像機捕捉到的真實世界圖像輸入到計算機中，與計算機圖像系統(tǒng)中生成的虛擬圖像相結(jié)合，輸出到顯示器上。用戶可以在屏幕上看到最終增強的場景照片，雖然非常簡單，但它給用戶很多參與感。系統(tǒng)如圖1 所示。

2）光學透視式

頭戴式顯示器（HMD，簡稱HMD）廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，以提高用戶的視覺沉浸感。增強現(xiàn)實技術(shù)的研究者們也采用了類似的顯示屏技術(shù)，根據(jù)原理在增強現(xiàn)實中得到了廣泛的應(yīng)用，它可以分為光學透明頭盔顯示器和基于圖像合成技術(shù)的視頻透視頭盔顯示器兩種。光學透視式增強現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)方案如圖2（a)所示。

3）視頻透視式

圖像透視增強現(xiàn)實系統(tǒng)采用基于圖像合成技術(shù)的視頻透視顯示。實現(xiàn)方案如圖2(b)所示。

3 AR 在海綿城市虛擬樣板的應(yīng)用

3.1 海綿城市理念

海綿城市的概念，海綿城市具有城市適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害的“韌性”。下雨時，它吸收、儲存、滲透和凈化水，必要時釋放和利用積聚的水。

在海綿城市建設(shè)過程中，采用低影響開發(fā)模式，優(yōu)先采取各種生態(tài)措施，吸收雨水，擴大蓄積和稀釋作用，使城市開發(fā)建設(shè)的水文特性接近開發(fā)前，有效緩解城市洪澇災(zāi)害，降低城市道路的污染負荷，節(jié)約水資源，實現(xiàn)雨水的自然滲透和可持續(xù)循環(huán)。北京理工大學建筑工程學院教授李景文認為，“海綿城市應(yīng)該反映和改變‘灰色設(shè)施’?！爆F(xiàn)在我們提倡“綠色”和“灰色”相結(jié)合?！熬G色”的原始自然條件是人為的工程措施。

圖1 增強現(xiàn)實監(jiān)視器系統(tǒng)

圖2 光學透視式和視頻透視式增強現(xiàn)實系統(tǒng)

城市的基面主要由道路、建筑物、廣場組成，其中道路面積占比最大。通過城市道路收集和利用雨水量較大，可以有效緩解城市難通車對城市地下水資源的負面影響。

“海綿城市”用“海綿”二字，體現(xiàn)了建設(shè)要求。此外，作為一個水罐，將傳統(tǒng)的“點排水”改為“表面排水”，大大提高了排水速度，滿足了“滲透和停滯”兩個最關(guān)鍵的要求。同時，鋪滿拋石磚的道路不僅能有效吸收雨水，還能初步過濾污染和水的作用。

3.2 海綿城市虛擬樣板的建立

采用AR 技術(shù)在虛擬模型之間創(chuàng)建場景，并根據(jù)實際模型比例進行設(shè)計。他的核心是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。在手機上安裝和操作軟件平臺，就像進入“真實模式”，可以全方位地看到模板的結(jié)構(gòu)、功能和各種場景的變化。在海綿城市投影儀正式建設(shè)前，建立了該區(qū)域的虛擬模型，效果顯著?？梢蕴崆翱吹?。

根據(jù)海綿城市項目的AR 效應(yīng)，將每一個典型的蓋子設(shè)施展示為AR 模型，在下雨或干燥的時候可以直觀地看到每種類型的蓋子設(shè)施的工作原理，生動地反映了海綿城市“淋溶、體、積、凈、用、配置”的核心形象。如圖3 所示。

3.3 海綿城市虛擬樣板的作用

1）海綿城市理念

與實際模型相比，AR 虛擬模型可以模擬雨季和降雨。通過AR 可以誘導(dǎo)、收集和凈化不同蓋子設(shè)施降雨期間的雨水，形成蓋設(shè)施的相關(guān)結(jié)構(gòu)層，如綠化層、耕作土壤、石層等向日葵石層等，更直接地表現(xiàn)降雨過程中的滲透。

2）施工指導(dǎo)

圖3 AR 虛擬樣板

海綿城市是一種新提出的城市建設(shè)模式。海綿系統(tǒng)的排水理念與傳統(tǒng)城市有很大不同。除地表和管道排水外，不影響開發(fā)設(shè)施的建設(shè)。排水是城市建設(shè)的中心，是城市建設(shè)的重要內(nèi)容。該部分施工涉及的新技術(shù)、新材料較多，如混凝土、磚、蓋設(shè)施等，具有一定的創(chuàng)新性，因此在施工過程中，如何指導(dǎo)現(xiàn)場人員的施工，確保工程質(zhì)量是重點。AR 虛擬模型的構(gòu)建將直接顯示改造后的內(nèi)容，并且可以逐步展示每個蓋子設(shè)施的內(nèi)容，車間員工可以在施工過程中參考AR 虛擬模型的構(gòu)建來指導(dǎo)現(xiàn)場施工[3]。

3）圖像顯示

AR 場景模擬直觀并直觀地向觀眾展示了該項目在景觀建設(shè)中所起的關(guān)鍵作用，從而直觀地展示了該項目的景觀效果。

4 結(jié)語

利用AR 技術(shù)制作海綿城市的虛擬模型，可以通過前端區(qū)域直觀地看到海綿模型的結(jié)構(gòu)和原理，并且海綿節(jié)點工程的三維可視化有利于海綿城市的形象展示，起到宣傳作用。