本發(fā)明涉及建筑規(guī)劃審批應用領域，特別涉及一種BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示方法及系統(tǒng)。

背景技術：

現(xiàn)有傳統(tǒng)建筑規(guī)劃一般采用大量紙質(zhì)媒介進行設計，存放占空間，制作，打印，存儲，保養(yǎng)，調(diào)取速度慢；無論前期制作，審批還是后期存儲，保養(yǎng)，存儲多少都帶來額外資源消耗，如在常規(guī)規(guī)劃審批流程通常采用紙質(zhì)圖冊，對方案比對，綠地，朝向，容積比，日照，節(jié)能，消防等方面進行評審，無法進行數(shù)據(jù)可視化，且傳統(tǒng)圖冊同時審閱人數(shù)少，資源應用率低，不能多人同時并行審閱，只能采用異步的方式，數(shù)據(jù)查詢效率低，響應速度多以小時或者以天為計量單位，同時紙質(zhì)文本數(shù)據(jù)生硬、不便于快速理解，極大的降低了工作效率。

公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示方法及系統(tǒng)，從而克服傳統(tǒng)的建筑規(guī)劃采用大量紙質(zhì)媒介設計，導致制作、維護及審閱效率低的缺點。

為實現(xiàn)上述目的，一方面，本發(fā)明提供了一種BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示方法，具體包括：

在高程數(shù)字模型中建立多個具有不同編號的地形三維模型，并在BIM上建立多個具有不同編號的沙盤建筑規(guī)劃模型存儲至數(shù)據(jù)庫服務器中；

攝像設備采集媒介上的特征范圍，由AR客戶端根據(jù)所述特征范圍調(diào)取對應編號的所述地形三維模型和所述沙盤建筑三維模型生成沙盤三維模型，并將該沙盤三維模型輸出至顯示設備位于媒介中對應的所述特征范圍上進行疊加顯示；

體感設備采集操作者對應的手勢動作，由AR客戶端根據(jù)所述手勢動作調(diào)取對應編號的所述地形三維模型或沙盤建筑三維模型輸出至顯示設備位于媒介中對應的所述特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

上述技術方案中，所述特征范圍為由多個特征點圍成的圖形。

上述技術方案中，還需建立與不同所述手勢動作對應編號的地形三維模型或沙盤建筑三維模型存儲至服務數(shù)據(jù)庫中。

上述技術方案中，還需建立與所述特征范圍或者不同所述手勢動作對應編號的技術參數(shù)存儲至服務數(shù)據(jù)庫中；當獲取所述特征范圍或者多個所述手勢動作對應某個編號的技術參數(shù)時，由AR客戶端調(diào)取對應編號的技術參數(shù)輸出至顯示設備中位于媒介中對應的所述特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

上述技術方案中，所述媒介為圖紙或者操作臺。

上述技術方案中，所述手勢動作包括：舉起、揮動、前推、移動。

上述技術方案中，體感設備采集對應的所述手勢動作的步驟具體為：首先，采集操作者的手勢動作圖像；然后對所述手勢動作圖像去背景及二值化處理；之后獲取所述手勢動作圖像的近似多邊形，最后獲取多邊形的輪廓凸包。

為實現(xiàn)上述目的，另一方面，提供了一種BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示系統(tǒng)，包括：

數(shù)據(jù)庫服務器，用于存儲在高程數(shù)字模型中建立的多個具有不同編號的地形三維模型，并存儲在BIM上建立多個具有不同編號的沙盤建筑三維模型；

攝像設備，用于采集媒介上的特征范圍；

體感設備，用于采集操作者對應的手勢動作；

AR客戶端，用于根據(jù)所述特征范圍調(diào)取對應編號的所述地形三維模型和沙盤建筑三維模型生成沙盤三維模型，并將該沙盤三維模型輸出至顯示設備位于媒介中對應的所述特征范圍上進行疊加顯示；

并用于根據(jù)所述手勢動作調(diào)取對應編號的所述地形三維模型或沙盤建筑三維模型，輸出至顯示設備位于媒介中將所述地形三維模型和沙盤建筑三維模型在對應的所述特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

上述技術方案中，數(shù)據(jù)庫服務器還用于存儲與多個所述手勢動作對應的不同編號的地形三維模型或沙盤建筑三維模型。

上述技術方案中，數(shù)據(jù)庫服務器還用于存儲與所述特征范圍或者多個所述手勢動作對應的不同編號的技術參數(shù)；其中，當獲取所述特征范圍或者多個所述手勢動作對應某個編號的技術參數(shù)時，由AR客戶端調(diào)取對應編號的技術參數(shù)輸出至顯示設備中位于媒介中對應的所述特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明將AR沙盤，BIM，AR及體感集于一體進行城市規(guī)劃建設，擺脫了傳統(tǒng)以圖紙進行涉及設計或者鍵盤鼠標的方式操作AR沙盤，BIM數(shù)據(jù)的方式，實現(xiàn)了AR技術將普通紙質(zhì)圖紙的自動識別和查詢，顯示以毫秒級時間單位響應速度，在審批時可多部門間數(shù)據(jù)流傳遞以提高審閱速度，從而極大的提高了工作效率及質(zhì)量，免去了傳統(tǒng)輸入環(huán)節(jié)，省去人際間交互溝通消耗的時間，體感手勢進行相關操作也省去了鍵盤，鼠標的傳統(tǒng)輸入方式，高速的實現(xiàn)圖紙和操作者手勢驅(qū)動整套系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，對建筑項目的后期管理，運營起到直觀的作用。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構來實現(xiàn)和獲得。

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示系統(tǒng)的結(jié)構圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示方法流程圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的體感演示第一示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的體感演示第二示意圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的體感演示第三示意圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的體感演示第四示意圖。

圖7-1是根據(jù)本發(fā)明的體感手勢提取步驟的圖像采集。

圖7-2是根據(jù)本發(fā)明的體感手勢提取步驟的圖像去背景、二值化。

圖7-3是根據(jù)本發(fā)明的體感手勢提取步驟的獲取近似多邊形。

圖7-4是根據(jù)本發(fā)明的體感手勢提取步驟的獲取輪廓凸包。

圖7-5是根據(jù)本發(fā)明的體感手勢提取步驟的獲取凸包缺陷。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的沙盤三維模型的互動演示的效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發(fā)明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。

在對該實施例闡述前，首先對該實施例中的部分專業(yè)術語和系統(tǒng)架構進行介紹：

沙盤：根據(jù)地形圖、航空像片或?qū)嵉氐匦?，按一定的比例關系，用泥沙、兵棋和其它材料堆制的模型。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)：建筑信息模型可以用來展示整個建筑生命周期，包括了興建過程及營運過程。提取建筑內(nèi)材料的信息十分方便。建筑內(nèi)各個部分、各個系統(tǒng)都可以呈現(xiàn)出來；建筑信息模型用數(shù)位化的建筑元件表示真實世界中用來建造建筑物的構件。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model)，簡稱DEM。它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型，DTM是描述包括高程在內(nèi)的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化率等因子在內(nèi)的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零階單純的單項數(shù)字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上建立。

增強現(xiàn)實技術(Augmented Reality，簡稱AR)：是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息(視覺信息,聲音,味道,觸覺等),通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗。真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。

體感技術：人們可以很直接地使用肢體動作，與周邊的裝置或環(huán)境互動，而無需使用任何復雜的控制設備。

該實施例將以上技術采用線性上下層結(jié)構實現(xiàn)，沙盤，BIM作為底層數(shù)據(jù)源，為AR顯示提供需要的三維模型，體感設備識別操作者肢體指令，調(diào)出指定三維模型。

該實施例采用C/S構架：

C/S架構是一種典型的兩層架構，其全程是Client/Server，即客戶端服務器端架構，其客戶端包含一個或多個在用戶的電腦上運行的程序，而服務器端有兩種，一種是數(shù)據(jù)庫服務器端，客戶端通過數(shù)據(jù)庫連接訪問服務器端的數(shù)據(jù)；另一種是Socket服務器端，服務器端的程序通過Socket與客戶端的程序通信。

C/S架構也可以看做是胖客戶端架構。因為客戶端需要實現(xiàn)絕大多數(shù)的業(yè)務邏輯和界面展示。這種架構中，作為客戶端的部分需要承受很大的壓力，因為顯示邏輯和事務處理都包含在其中，通過與數(shù)據(jù)庫的交互(通常是SQL或存儲過程的實現(xiàn))來達到持久化數(shù)據(jù)，以此滿足實際項目的需要。

如圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明具體實施方式的BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示系統(tǒng)。

在C/S架構中：

1.S服務器端：AR沙盤,BIM作為數(shù)據(jù)源，映射入服務器端中的數(shù)據(jù)庫，提供查詢，檢索；

2.C客戶端：由圖形識別，跟蹤，呈現(xiàn)疊加三維模型部分組成。

客戶端軟件組成部分：

1.AR客戶端功能：unity3d中調(diào)用Opencv插件實現(xiàn)識別與三維模型疊加，由untiy3d集成的openGL 2.0ES模塊實現(xiàn)三維模型呈現(xiàn)；

2.攝像設備采集功能：采集紙質(zhì)媒介的相關特征范圍回傳給AR客戶端；

3.體感設備(Kinect SDK)采集功能：由Kinect SDK C++API實現(xiàn)被檢測人體態(tài)，手勢識別；

4.SQL數(shù)據(jù)庫接口功能：實現(xiàn)與服務器端數(shù)據(jù)庫查找對應三維模型，并回傳給AR客戶端動態(tài)疊加顯示。

如圖2所示，為根據(jù)本發(fā)明具體實施方式的BIM增強現(xiàn)實在建筑沙盤中的互動演示方法，具體包括：

步驟S100：在高程數(shù)字模型上建立出多個具有不同編號的地形三維模型，并在BIM上建立多個具有不同編號的沙盤建筑三維模型，將地形三維模型和沙盤建筑三維模型存儲至數(shù)據(jù)庫服務器中，等待SQL查詢；地形三維模型為地表、日照、河流等模型，沙盤建筑三維模型為構建建筑的模塊構件、道路、建筑建設過程等模型。

另外，首先在媒介上建立可識別的特征范圍，特征范圍優(yōu)選為由多個特征點圍成的圖形，其中，媒介優(yōu)選為圖紙或者操作臺；同時，還需建立與不同手勢動作對應編號的地形三維模型或沙盤建筑三維模型存儲至數(shù)據(jù)庫中待對比調(diào)用，其中，手勢動作包括：舉起、揮動、前推及移動等，如舉起為建筑物的建設過程三維模型，左托為日照三維模型等，具體見圖3、圖4、圖5、圖6，當然，在該實施例中，手勢動作可由設計者進行設計，不限于此；進一步的，為了使觀看者更加清楚的觀看所演示的三維模型的技術參數(shù)，還需建立與特征范圍或者不同手勢動作對應編號的技術參數(shù)，存儲至服務數(shù)據(jù)庫中。

其中，在C/S架構中服務器端實現(xiàn)步驟為：

步驟1：AR客戶端將系統(tǒng)數(shù)字高程模型DEM(Digital Elevation Model)傳入BIM；

步驟2：BIM將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入對象-關系型數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫選用MySQL 64位5版本；

步驟3：等待SQL查詢。

步驟S101：攝像設備采集媒介上的特征范圍，由AR客戶端根據(jù)特征范圍調(diào)取數(shù)據(jù)庫服務器中對應編號的地形三維模型和沙盤建筑三維模型生成沙盤三維模型，并將該沙盤三維模型輸出至顯示設備位于媒介中對應的特征范圍上進行疊加顯示；

其中，AR客戶端在調(diào)用高清攝像設備實時動態(tài)捕捉被檢測對象(紙張/物品)特征范圍上的特征點做SIFT算法(尺度不變特征變換匹配算法Scale Invariant Feature Transform：SIFT)優(yōu)化，提升捕捉效率，不至于操作者操作過程(畫面的旋轉(zhuǎn)，小幅抖動，小幅傾斜角度，尺寸大小的變化)出現(xiàn)丟失捕捉對象的現(xiàn)象，對特征范圍識別完成后，AR客戶端獲取對應編號的地形三維模型和沙盤建筑三維模型生成沙盤三維模型，輸出至顯示設備位于媒介中的特征范圍上進行疊加顯示，進一步的，為了使觀看者更加清楚所展示三維模型的屬性，因此，在該實施例中，AR客戶端同時還在數(shù)據(jù)庫服務器中調(diào)取特征范圍對應的技術參數(shù)，輸出至顯示設備位于媒介中將技術參數(shù)在對應的特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

其中，在C/S架構中AR客戶端實現(xiàn)步驟為：

步驟1：攝像設備通過通信設備同步連接主機AR客戶端，攝像設備采集被檢測圖紙的特征點；

步驟2：將采集數(shù)據(jù)同步傳輸AR客戶端主機；

步驟3：主機中AR客戶端對采集到的數(shù)據(jù)進行識別，數(shù)據(jù)經(jīng)過算法對比得到與被檢查圖紙對應的三維模型編號同步傳輸客戶端主機；

步驟4：經(jīng)過算法對比得到與被檢查圖紙對應的三維模型和技術參數(shù)的編號；

步驟5：三維模型和技術參數(shù)的編號通過SQL查詢服務器中數(shù)據(jù)庫；

步驟6：AR客戶端在BIM數(shù)據(jù)庫中遍歷找到對應編號的三維模型和技術參數(shù)；

步驟7：三維模型和技術參數(shù)回傳到客戶端主機，同時三維模型和技術參數(shù)回調(diào)AR程序進行疊加顯示，具體效果見圖8，具有日照，風環(huán)境分析，可動態(tài)動畫表達，高效演示，接受度高，易于理解。

步驟S102：體感設備采集操作者對應的手勢動作，由AR客戶端根據(jù)手勢動作調(diào)取數(shù)據(jù)庫服務器中對應編號的地形三維模型或沙盤建筑三維模型，輸出至顯示設備位于媒介中將地形三維模型和沙盤建筑三維模型在對應的特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

進一步的，為了使觀看者更加清楚通過手勢動作所調(diào)取展示三維模型的屬性，因此在該實施例中，AR客戶端同時還在數(shù)據(jù)庫服務器中調(diào)取手勢動作對應的技術參數(shù)，輸出至顯示設備位于媒介中將技術參數(shù)在對應的特征范圍內(nèi)進行疊加顯示。

AR客戶端調(diào)用體感設備(微軟Kinect Motion Capture)對人體關鍵骨骼追蹤(IK)特別是人體手部動作進行捕捉識別，體感部分需對有效識別距離內(nèi)的手勢進行凸包和缺陷算法(convexHulll)識別率在90％以上，并需對各種指令手勢做特征機器學習訓練庫，得到凸包特征庫后映射入數(shù)據(jù)庫服務器中待用。

其中，如圖7-1到圖7-5所示，體感部分需對有效識別距離內(nèi)的手勢進行凸包識別步驟包括：首先，采集動作圖像；然后對動作圖像去背景及二值化處理(包括膨脹像素點，避免手指短截；選取最大輪廓，將最大輪廓重新畫出來，過濾背景噪聲)；之后獲取動作圖像的近似多邊形，之后獲取多邊形的輪廓凸包(使用OpenCV輪廓凸包檢測)，最后獲取凸包缺陷(白點下方的黑點即是凸包缺陷)。

進一步的，體感設備(Kinect SDK)采集程序?qū)崿F(xiàn)步驟為:

步驟1：主機程序開啟Kinect SDK程序；

步驟2：Kinect設備對準操作者距離1.5外開外6米以內(nèi)，開啟設備；

步驟3：Kinect SDK BodyFrameReader對整體操作者身體姿態(tài)進行判斷；

步驟4：使用OpenNI對RaiseHand，Wave，Click和MovingHand，手勢的“舉起”，“揮動”，“前推”和“移動”四種動作進行判斷；

步驟5：把判斷后的手勢指令轉(zhuǎn)為調(diào)用操作三維模型和技術參數(shù)的執(zhí)行編號，通過SQL傳到服務器端數(shù)據(jù)庫中等待回調(diào)數(shù)據(jù)。

步驟6：AR客戶端在BIM數(shù)據(jù)庫中遍歷找到該三維模型和技術參數(shù)；

步驟7：三維模型和技術參數(shù)回傳到客戶端主機，三維模型和技術參數(shù)回調(diào)AR程序進行疊加顯示，具體如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

綜上所述，該實施例融合了沙盤，BIM，AR，體感于一體的應用系統(tǒng)平臺，使人機數(shù)據(jù)交換效率更高，通過紙質(zhì)圖紙即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫檢索，體感手勢即可操作系統(tǒng)指令執(zhí)行，讓AR，體感成為數(shù)據(jù)世界的接口，以更自然的方式，擺脫鍵盤鼠標的方式操作AR沙盤，BIM數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)鏈條連接各職能部門后，除了初期規(guī)劃階段提供參考意見外，更可對建筑項目的后期管理，運營起到直觀作用。

AR的優(yōu)點可實現(xiàn)電子沙盤可見即可得的模式，不同于傳統(tǒng)的沙盤，通過系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)直觀的展示項目，全方位的面介紹，讓參觀者一目了然，傳統(tǒng)沙盤占用空間大，移動困難，制作和修改耗時高，費用高；而本項目中的AR部分因數(shù)據(jù)源基于沙盤，BIM系統(tǒng)當設計階段進行修改即可同步修改三維模型，即刻修改完畢，效率高，即時性好，為城市規(guī)劃決策提供了良好的參考作用。

本發(fā)明能有多種不同形式的具體實施方式，上面以圖1-圖8為例結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作舉例說明，這并不意味著本發(fā)明所應用的具體實例只能局限在特定的流程或?qū)嵤├Y(jié)構中，本領域的普通技術人員應當了解，上文所提供的具體實施方案只是多種優(yōu)選用法中的一些示例，任何體現(xiàn)本發(fā)明權利要求的實施方式均應在本發(fā)明技術方案所要求保護的范圍之內(nèi)。

本領域普通技術人員可以理解：實現(xiàn)上述裝置實施例的全部或部分步驟可以通過程序指令相關的硬件來完成，前述的程序可以存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，該程序在執(zhí)行時，執(zhí)行包括上述方法實施例的步驟；而前述的存儲介質(zhì)包括：ROM、RAM、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。

最后應說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。