AR技術在水利工程構建中應用

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摘要：進入二十一世紀，中國水利工程行業(yè)取得了蓬勃的發(fā)展，水利工程設施及規(guī)模不斷擴大，成為國民經濟增長的重要動力?；诂F(xiàn)代水利工程結構復雜性，其對后期運維也提出了較高的要求。隨著現(xiàn)代互聯(lián)網信息技術的不斷發(fā)展，增強現(xiàn)實技術（ar）在水利工程三維可視化場景構建中得以應用。研究以某水利堆石壩工程可視化三維場景構建為例，提出了AR技術在三維可視化場景構建中的關鍵技術，并通過工程實例分析了其應用價值。

關鍵詞：AR技術；水利工程；三維可視化場景；堆石壩；應用價值

隨著現(xiàn)代水利水電事業(yè)的不斷發(fā)展，堆石壩工程規(guī)模不斷擴大，其作為水利工程的重要組成部分，不僅在施工布置方面具有一定的復雜性，而且工程規(guī)模大，傳統(tǒng)圖紙難以有效把握工程現(xiàn)場，進行三維可視化場景構建尤為重要[1]。作為一門綜合性技術，三維可視化技術集計算機圖像處理技術、圖像顯示以及人機交互為一體，能夠呈現(xiàn)出目標物的整體特性。隨著VR技術的發(fā)展，其在水利工程三維可視化場景中的應用成為現(xiàn)實，其能夠將虛擬信息與真實場景進行疊加，呈現(xiàn)出虛實結合的效果，保障三維可視化場景與工程真實場景的一致性。

1水利工程三維場景中AR技術概述

堆石壩是水利工程重要項目，構建堆石壩三維可視化不僅能夠幫助管理人員正確認識水利工程面貌、精確把握工程實際情況，而且能夠促進堆石壩工程進展。AR技術下堆石壩工程三維可視化場景主要涉及到建筑物模型構建、現(xiàn)場場景獲取以及虛擬相機等多個方面[2]。在具體應用過程中，首先可以采用視頻監(jiān)控技術對施工現(xiàn)場圖像信息進行獲取，在RTK-GPS技術與IMU技術綜合作用下，獲得三維空間坐標，然后經過虛擬相機完成三維注冊，實現(xiàn)虛擬與真實的結合，其三維場景構建如圖1所示。

2AR技術下堆石壩工程三維場景關鍵技術

2.1水利工程建筑物三維建模關鍵技術。水利工程三維可視化建設，在前期先完成CAD設計，并利用3dsMax軟件建設了堆石壩模型。首先按照圖紙中水工建筑物相關情況重新對圖紙進行整理，需要注意保留水工建筑物形體相關的點線面，對整體結構進行分析，明確坐標信息[3]。其次利用3dsMax軟件導入平面線條，對水工建筑物進行剖面設計時應配合閉合曲線的設計，通過拉伸、放樣等形成實體。需要注意的是所有旋轉、平移等相關操作均應依據(jù)水工建筑物的結構進行，進而獲得三維實體模型。材質貼圖環(huán)節(jié)，應根據(jù)水工建筑物不同部位的需求選擇相應的材質，得到有材質的水工建筑物三維實體模型。

2.2硬件相機注冊技術。水利工程項目中堆石壩規(guī)模大，擁有健全的基礎設施、視野開闊，再加上現(xiàn)代網絡信息技術的支持以及視頻監(jiān)控技術的應用，為堆石壩項目提供了更多可能性。此次研究在AR技術具體應用中引入硬件系統(tǒng)下相機注冊技術，其通過對相關參數(shù)的設置能夠達到與真實相機一致的效果。此次研究在獲得現(xiàn)場圖像環(huán)節(jié)主要采用的是定焦攝像頭，因此需要將相機設置為六自由度，如何獲得相機6個參數(shù)是硬件相機注冊的關鍵問題。研究堆石壩工程引入RTK-GPS系統(tǒng)，其能夠幫助準確、快速的獲得一個三維坐標，將IMU原件作為三維轉角，并在攝像頭上妥善固定，需要保持攝像頭光軸與z軸方向的一致[4]。在IMU作用下，能夠了解攝像頭轉角參數(shù)，并將具體參數(shù)信息傳輸?shù)娇蛻舳耍ㄟ^解析后對虛擬相機賦予相應的參數(shù)，并實現(xiàn)對相機的三維注冊，具體見圖2、圖3。

2.3真實場景的獲取及虛實融合。工程現(xiàn)場安裝攝像頭后通過布設能夠獲得真實場景的實際情況。通常水利工程施工現(xiàn)場會安置大量的視頻監(jiān)控攝像頭，壩肩位置的攝像頭則能夠為工程整體面貌提供可靠的技術支持，不僅如此，通過高處攝像頭所獲得的工程施工場景圖像更為清晰。虛擬相機是獲得虛擬場景的重要支持設備，通過RTK-GPS以及IMU傳感器完成三維注冊后，可以對虛擬場景進行拍攝，但該虛擬場景會與真實相機拍到的圖像重疊[5]。若排除遮擋因素，那么可以將虛擬相機拍攝的圖像與真實相機疊加，其能夠對兩者的真實空間關系予以反映。通常，虛擬相機完成注冊后，其與真實相機能夠具備相同的參數(shù)，因此，可以將兩者建立在同一個坐標系中。如圖4所示，其為一個虛實融合成像系統(tǒng)，假設該真實空間存在A、B、C三點，成像平面用c表示，a與b點重合表示的是A、B兩點在成像平面中的成像問題，因此b點為優(yōu)先顯示，C點則能夠對空間中B點與C點的關系予以反映[6]。

3實例應用

以江西省某水利樞紐工程為例，其是國家172項節(jié)水供水重大水利工程之一，工程概算批復總投資31.1618億元，于2013年7月1日正式開工建設，2019年4月正式下閘蓄水。大壩全長498.62米，最大壩高48.8米，正常蓄水位56米（黃海高程），總庫容4.747億立方米，防洪庫容2.96億立方米，電站總裝機3.2萬千瓦，多年年平均發(fā)電量8152萬千瓦時，是鄱陽湖水系昌江干流中游一座以防洪為主，兼有供水、發(fā)電綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。

3.1水工建筑物三維模型構建前期。堆石壩工程建設已經針對水工建筑物形體、位置等進行設計，在設計三維模型時首先需要對建筑物基本信息進行獲取。經過分析、提取獲得建筑物典型斷面相關信息，平面圖像幾何尺寸均與水工建筑模型一致[7]。然后將3dsMax導入，在線對象生成面作用下，經過面對象獲得實體對象。針對實體對象經過旋轉、平移、組合以及布爾運算等一系列操作，獲得水工建筑物三維實體模型，其主要由設計資料生成，然后按照不同水工建筑物特征，選擇相應材質對模型進行貼圖處理，得到的三維實體模型如圖5所示。

3.2真實場景獲取。在施工現(xiàn)場，為了解堆石壩工程的具體情況，需要在現(xiàn)場布設大量視頻監(jiān)控攝像頭，Wie保障圖像的順利傳輸，需要匹配相應的圖像傳輸系統(tǒng)，在高點位置設置視頻監(jiān)控攝像頭，能夠對整個施工區(qū)全貌予以全面的、清晰的觀察。

3.3基于硬件的相機注冊。RT-GPS以及IMU均安裝在攝像頭上，將實時狀態(tài)下的攝像頭參數(shù)傳輸?shù)娇蛻舳撕?，能夠通過特定格式的解析，得到6個與三維空間坐標及三維空間轉角相關的參數(shù)[8]。需要注意的是三維姿態(tài)原始數(shù)據(jù)由傳感器傳出，經過處理后，相應參數(shù)在虛擬相機中設置，相機注冊完成。

3.4基于AR技術下水利堆石壩工程可視化。通常，對虛擬相機進行注冊后，能夠利用虛擬相機得到水工建筑物影像，此時虛擬水工建筑物模型與真實施工圖像在同一個空間中，排除虛擬物體與真實物體的遮擋影響后，可以使得虛擬水工建筑圖像與真實場景重疊在一個圖像，其不僅能夠對虛實物體在空間上的關系予以反映，而且能夠提升現(xiàn)實效果。另外可以同時對兩張圖像每個像素進行遍歷，以便虛擬物體成像能夠在真實的場景中進行疊加。當發(fā)現(xiàn)在某一像素上有虛擬物體模型成像點與真實場景成像點，那么可以將其作為虛擬水工建筑物的成像點。

4結束語

針對當前水利工程三維可視化場景構建問題，可以先結合工程實際建立環(huán)境模型，引入AR技術，在現(xiàn)場視頻監(jiān)控技術作用下獲得真實場景，保障水利工程堆石壩可視化展示與真實場景的一致性，提高直觀性及可視化效率，擁有廣闊的發(fā)展前景。

作者:徐燕星 江潛成 單位:江西水利職業(yè)學院