CN106017436B - 基于全站仪及摄影测量技术的bim增强现实放样系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术，本发明公开了一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其包括增强现实设备、全站仪、定位装置和待测标识物；所述待测标识物或者增强现实设备与定位装置进行固定；所述全站仪上设置至少四个光学标识点；所述定位装置包括摄像机，所述摄像机用于获取全站仪上设置的光学标识点在摄像机中的成像，并计算出光学标识点与定位装置的相对姿态，根据光学标识点与定位装置的相对姿态计算出定位装置在工程测量坐标系中的姿态；所述全站仪用于获取定位装置的坐标；增强现实设备根据待测标识物或增强现实设备与定位装置的相对距离及姿态，计算出标识物或增强现实设备在工程测量坐标系中的坐标、标高及姿态，从而实现坐标的融合。

Description

基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统

技术领域

本发明涉及测量技术，特别涉及一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统。

背景技术

BIM是Building Information Modeling的缩写，通常将其翻译为建筑信息模型。BIM是一种建筑全生命周期信息化管理技术，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图五大特点。BIM是一种全新的建筑设计、施工、管理方法，以三维数字信息技术为基础，将规划、设计、建造、运营等各阶段的数据资料全部包含在3D模型之中，让建筑物整个生命周期中任何阶段的工作人员在使用该模型时，都能根据精确完整的数据做出有效、正确的决策。

目前BIM的三维模型只能在电脑及智能手机上调用，现场施工放样则仍然由图纸上的标注尺寸指导施工定位放线，造成设计师建完BIM模型后花费大量时间和精力把BIM模型里的三维定位信息标注为二维图纸上的尺寸，使得BIM的应用价值大幅缩水，阻碍了BIM在建筑业的应用。虽然天宝公司和拓普康公司研发出了专门的应用程序使其品牌的测绘机器人可以测设出BIM模型中的三维坐标点，但每次只能测设出一个点，放出来的点不直观，需要通过标记来标示各个点；而且每个点不连续，对于需要测设复杂曲线及曲面的情况，必须测设出大量的点才能放出平滑的曲线和曲面。

全站仪，即全站型电子测距仪(Electronic Total Station)，是集水平角、垂直角、距离(斜距、平距)、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。全站仪单次测量只能测量出单个点的三维坐标，而不能测量出测量物的姿态。

使用全站仪测出测量物的姿态，必须测量出在测量物上三个点的坐标，然后换算成测量物的姿态。计算出的姿态精度依赖于三维坐标的测量精度以及这三个点之间的相对距离，若全站仪的测距精度为2mm，要保证姿态角的误差小于10秒，在不利的姿态之下(三个点所决定的平面垂直于全站仪望远镜视准轴)，测量物上三个测量点任意两点之间距离必须大于41.253米。

增强现实(Augmented Reality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。增强现实系统为实现虚拟与真实场景的完美结合，计算机产生的虚拟添加信息需通过三维跟踪注册算法与真实场景保持精确的对准关系。高精度的增强现实系统基本采用计算机视觉的方法进行场景跟踪注册定位，分为基于标识的跟踪注册与无标识跟踪注册两大类。

基于标识的跟踪注册系统又分为内外(inside-looking-out,简写为IO)和外内(outside-looking-in，简写为OI)两种不同的系统结构。其中IO系统是指跟踪光学摄像机安装在被跟踪对象上，而标识物是固定不动的；OI系统是指跟踪光学摄像机固定不动，而标识物安装在被跟踪对象上。

无标识跟踪注册系统利用自然场景图像或重建场景模型(如SLAM技术)，根据摄像机每帧中得到的目标特征2D投影图像，计算求解目标或摄像机的位置和姿态。

为了使基于IO的有标识增强现实系统获得足够的工作范围及精度，需要在场景中设置多个标识物，这些标识物在场景坐标系中的姿态及姿态均需进行精确测量，以便计算出增强现实摄像机在场景坐标系中的坐标和姿态。每个标识物需测量多个数据的要求以及全站仪测量技术的特点使得多标识物的布置效率及精度低下，影响了基于IO的有标识增强现实技术的推广。

基于OI的有标识增强现实系统仅仅实现了增强现实设备相对于跟踪场景的相对位移和姿态角度变化的跟踪；无标识跟踪注册的增强现实系统能求解增强现实摄像机相对于自然场景的相对位移和姿态角度变化，但不能通过在自然场景图像中或重建场景模型中的特征点在工程测量坐标系的坐标注册定位出的摄像机位置姿态。实质上是每次定位注册就建立一个临时坐标系，均未能计算出增强现实设备在工程测量坐标系中的绝对坐标和姿态，使得BIM中模型的三维坐标与工程测量坐标系之间不能建立对应关系，直接影响增强现实技术在建筑、市政等行业中的实践及应用。

要实现BIM模型根据工程测量坐标系精确叠加，有一个前提：需要精确测量出标识物及增强现实设备在工程测量坐标系下的初始坐标和姿态，然而现有技术中并没有这样的方法，使得现场施工放样则仍然由二维图纸上的标注尺寸指导施工定位放线，这使得设计师建完BIM模型后花费大量时间和精力把BIM模型里的三维定位信息标注为二维图纸上的尺寸，使用极为不便。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术中没有一种能够精确测量出标识物及增强现实设备在工程测量坐标系下的初始坐标和姿态系统的技术问题，本发明公开了一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统。

本发明采用的技术方案是这样的：

本发明公开了一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其具体包括增强现实设备、全站仪、定位装置和待测标识物；所述待测标识物或者增强现实设备与定位装置进行固定；所述全站仪上设置至少四个光学标识点；所述定位装置包括摄像机，所述摄像机用于获取全站仪上设置的光学标识点在摄像机中的成像，并计算出光学标识点与定位装置的相对姿态，根据光学标识点与定位装置的相对姿态计算出定位装置在工程测量坐标系中的姿态；所述全站仪用于获取定位装置的坐标；增强现实设备根据待测标识物或增强现实设备与定位装置的相对距离及姿态，计算出标识物或增强现实设备的坐标、标高及姿态，从而实现增强现实设备与工程测量坐标系坐标的融合。进而得出增强现实中的BIM模型与工程测量坐标系的对应关系。

更进一步地，上述光学标识点为四个，四个光学标识点形成一个矩形。

更进一步地，上述定位装置还包括棱镜。

更进一步地，上述定位装置、全站仪和增强现实设备通过无线网络进行数据传输。

更进一步地，上述增强现实设备为光学透视型增强现实头盔、视频透视型增强现实头盔、平板电脑或者智能手机。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：实现了BIM模型根据工程测量坐标系在增强现实系统中的精确显示，从而可以利用虚拟模型的位置比对现实场景中的物体，起到测量检查的作用，可以对复杂建筑造型进行快速测量放样。带摄像机的定位装置对于姿态的计算精度高(即使在定位装置距离全站仪很远的情况下)，使增强现实设备在大的使用范围内也能保证一定的精度。通过全站仪和定位装置一次操作即可测量出标识物的三维坐标及姿态，从而可以高效精确地定位出大量标识物，使得基于标识的内外(IO)的增强现实设备获得足够的工作范围及精度。通用性高，可适应于各种增强现实设备。除了可应用增强现实头盔外，也可应用平板电脑以及智能手机实现增强现实。容易实现从设计、施工、监理到竣工验收以及运维管理、室内导航等全方位应用。可以使BIM中的模型空间数据全面、高效映射到现场，保证了施工的高效性及精确性，为设计的无纸化创造了条件。使测量工作省去了大量的人工操作环节，测量过程自动化程度及直观度高，避免了传统测量技术人工记录数据出现错误的可能性。

附图说明

图1为一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统的结构示意图。

图2为基于消失点的姿态测量示意图。

图3为带有跟踪摄像机的增强现实放样系统。

图4为基于“无标识的增强现实放样系统”的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，包括全站仪1、定位装置2、增强现实设备3及标识物4。全站仪上设置四个光学标识点5，此四点构成一个矩形。定位装置包括棱镜6和摄像机7。棱镜6的功能为反射全站仪测距设备发射出来的测距红外光或激光，当然有的全站仪是不需要棱镜6的。

在对标识物进行初始坐标和姿态定位时，定位装置和标识物紧密相连以保证两者的相对坐标及姿态不变。进而使得只要得到定位装置的姿态和坐标就能根据相对位置关系计算出标识物的姿态和坐标。

定位装置根据全站仪上四个光学标识点5通过摄像机7的成像计算出在定位装置工程测量坐标系中的姿态。

图2所示为基于消失点的姿态测量示意图。

摄像机7采用小孔成像模型，摄像机坐标系建立在光轴中心处，其Z轴与光轴中心方向平行，摄像机到景物方向为正方向，其X轴方向取图像坐标沿水平增加方向。在矩形的P4点为原点建立世界坐标系，其X轴和Y轴分别与矩形的两个边平行，Z轴垂直于矩形目标所在的平面。

图中，P4为世界坐标系的原点，P4到P3的的方向为世界坐标系的X轴，P4到P1的方向为世界坐标系的Y轴。P1-P4在成像平面上的成像点分别为Pi1-Pi4，平行线P1P2和P4P3的消失点记为Pv1，平行线P4P1和P3P2的消失点记为Pv2.由点P1-P4的图像坐标，可以计算出消失点Pv1和Pv2的图像坐标。由Pv1和Pv2的图像坐标，可以计算出其在摄像机的焦距归一化成像平面的成像点P1v1和P1v2的坐标。

消失点Pv1在焦距归一化成像平面的成像点的坐标，既是Pv1在摄像机坐标系的位置向量，又是世界坐标系的X轴的方向分量。同样，Y轴也是如此。在归一化后可以得到世界坐标系在摄像机坐标系中的X轴和Y轴的分量，进而计算出Z轴的分量。

上述三段为基于消失点的姿态测量原理，此原理为现有的基本物理原理，可以参见《机器人视觉测量与控制》，不属于本发明的技术改进，本发明仅是是该原理的应用。因此，对此不进一步展开进行描述。

全站仪1及定位装置2的测量数据可以通过无线网络(比如2.4G的无线网络)传输到增强现实设备3上。增强现实设备3根据全站仪1的摆站点和后视点在工程测量坐标系中的坐标和标高(这两个数据为事先已知)，全站仪1的水平角、垂直角、电磁测距仪的读数以及定位装置2的姿态推导出标识物4的坐标及姿态。而一般的全站仪只能得到坐标，但仅有坐标是不够的，有了定位装置的姿态数据才能进行坐标转换，从而得到标识物的在工程测量坐标系中的坐标及姿态。

增强现实设备3根据标识物4的坐标和姿态可以计算出自己在工程测量坐标系中的实时三维坐标和姿态，从而实现BIM模型在增强现实系统中的准确对应关系。增强现实设备上带有摄像头，增强现实技术可以根据标识物在增强现实设备的摄像头的成像计算出增强现实摄像头的坐标及姿态。

全站仪1和定位装置2可实现一次操作即可测量出标识物4的三维坐标及姿态，从而可以高效精确地定位出大量的标识物4，使得基于标识的内外(IO)的增强现实设备3获得足够的工作范围及精度。

实施例2

如图3所示，一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，包括全站仪1、定位装置2、增强现实设备3、跟踪摄像机8(前文叙述过外内OI跟踪系统，此即为此系统的具体形式，跟踪光学摄像机固定不动，标识物安装在被跟踪对象上)。全站仪上设置四个光学标识点5，此四点构成一个矩形。定位装置包括棱镜6和摄像机7。

在对增强现实设备进行初始坐标和姿态定位时定位装置2和增强现实设备3通过固定装置紧密相连以保证两者的相对坐标及姿态不变。

定位装置2根据全站仪1上四个光学标识点5在其摄像机7中的成像计算出定位装置在工程测量坐标系中的三维坐标及姿态，全站仪1及定位装置2的测量数据通过无线网络(如2.4G无线网络)传输到增强现实设备3上。增强现实设备3中安装的软件根据全站仪1的摆站点和后视点在工程测量坐标系中的坐标和标高，由全站仪1的水平角、垂直角、电磁测距仪的读数以及定位装置2的姿态推导出增强现实设备3的初始坐标及姿态。然后利用跟踪摄像机拍摄现实设备3的标识点，从而计算出增强现实设备3的坐标及姿态的增量变化数据，推导出增强现实设备3在工程测量坐标系中的实时绝对坐标和姿态。从而计算出BIM模型在增强现实系统中的实时对应关系。形成一个柔性的测量系统。

跟踪摄像机也可为激光跟踪仪或Lighthouse等跟踪设备，定位装置中的摄像机的功能也可利用虚拟现实头盔、平板电脑以及智能手机的摄像机来实现。(目前市场上有类似Lighthouse的跟踪设备，已经应用到HTC VIVE虚拟头盔的定位。摄像机定位是Facebook的虚拟头盔Oculus的定位技术。)

实施例3

如图3所示，一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统的另外一个实施结构，其包括全站仪1、定位装置2、增强现实设备3。全站仪上设置四个光学标识点5，此四点构成一个矩形。定位装置包括棱镜6和摄像机7。

增强现实设备3在工程测量坐标中的初始坐标及姿态的实现方法同实例2。增强现实设备3中无标识跟踪注册系统利用自然场景图像或重建场景模型(如SLAM技术)，根据摄像机每帧中得到的目标特征2D投影图像，计算出增强现实设备3的坐标及姿态的增量变化数据，从而推导出增强现实设备3在工程测量坐标系中的实时绝对坐标和姿态，得出BIM模型在增强现实系统中的实时对应关系。形成一个柔性的测量系统。

实例1为带标识的增强现实系统，实例2为不带标识的外内OI跟踪增强现实系统。上述2个实施例中的棱镜都可用全站仪反射片代替。

如果全站仪为免棱镜型，也可不用定位装置上的反射片，但测量距离和精度相应降低。

全站仪上四个光学标识点既可以是自发光的点状红外光源也可以是反射红外光的球状物，球状物由定位装置上的红外光源照明。

也可在全站仪上设置点五个光学标识点(只要其中任意四个标识点不能共线)，需要精确测量出这五个光学标识点在经纬仪坐标系中的坐标，方能计算出定位装置的姿态。

本发明的具体实现过程：

步骤一、在两个坐标点上分别架设全站仪及后视棱镜，全站仪照准后视棱镜，同时输入两个坐标点的坐标值、标高及棱镜高、全站仪高度；

步骤二、全站仪照准定位装置棱镜中心并测距，用全站仪计算出棱镜的坐标及标高；

步骤三、定位装置的摄像机对全站仪摄像，根据全站仪上的光学标识点的成像计算出定位装置的相对于全站仪的姿态，因全站仪的姿态已知，可推导出定位装置在工程坐标系中的姿态；

步骤四、根据标识物或增强现实设备与定位装置的相对距离及姿态，计算出标识物或增强现实设备的坐标、标高及姿态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其特征在于具体包括增强现实设备、全站仪、定位装置和待测标识物；所述待测标识物或者增强现实设备与定位装置进行固定相连以保证两者的相对坐标及姿态不变；所述全站仪上设置至少四个光学标识点；所述定位装置包括摄像机，所述摄像机用于获取全站仪上设置的光学标识点在摄像机中的成像，并计算出光学标识点与定位装置的相对姿态，根据光学标识点与定位装置的相对姿态计算出定位装置在工程测量坐标系中的姿态；所述全站仪用于获取定位装置的姿态坐标；增强现实设备根据待测标识物或增强现实设备与定位装置的相对距离及姿态，计算出标识物或增强现实设备在工程测量坐标系中的坐标、标高及姿态，从而实现增强现实设备与工程测量坐标系坐标的融合。

2.如权利要求1所述的基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其特征在于所述光学标识点为四个，四个光学标识点形成一个矩形。

3.如权利要求1所述的基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其特征在于所述定位装置还包括棱镜。

4.如权利要求1所述的基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其特征在于所述定位装置、全站仪和增强现实设备通过无线网络进行数据传输。

5.如权利要求1所述的基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统，其特征在于所述增强现实设备为光学透视型增强现实头盔、视频透视型增强现实头盔、平板电脑或者智能手机。