浅谈AR 技术在海绵城市虚拟样板中的应用

2020-10-29邓兴钊杜垚

智能建筑与智慧城市 2020年10期

邓兴钊，杜垚

（中国建筑第二工程局有限公司）

1 引言

增强现实AR（Augmented Reality）技术是一种将现实世界信息和虚拟世界信息无缝集成的新技术。它原本将现实世界中难以体验的实体信息（视觉信息、声音、味觉、触觉等）通过计算机的模拟，再与现实世界的信息叠加通过人类的感知，让人类的感官感受到虚拟与现实相结合的信息，从而体验到超越现实的感官体验。

增强现实是一门充分发挥创造力、为人类智力拓展提供有力手段的科学技术。AR 作为一种新型的人机界面和仿真工具，越来越受到人们的重视，它对生产方式和社会生活产生了巨大的影响。它在生活和工作中发挥了重要作用，显示出巨大的潜力。

随着科技的不断发展，其内容必然会增加，进出口设备价格不断下降，视频显示质量提高，功能强大。然而，随着易用软件的实际应用，AR 的应用将日益增多。AR 技术将包括人工智能、CAD、图形仿真、虚拟通信、远程检测、娱乐和模拟训练等领域带来了革命性的变化。

总体而言，增强现实技术在我国尚处于起步阶段，许多虚拟现实领域的企业开始关注“增强现实”的研发和应用[1]。例如，中国现有数字技术开发的VRP12.0 集成了增强现实功能。

2 AR 技术简介

2.1 AR 技术

增强现实（AR）技术是一种实时计算摄像机图像的位置和角度的技术，它的目标是通过图像、图像和三维模型，将虚拟世界连接到屏幕上并进行交互。

增强现实技术显示了虚拟信息和现实世界信息。在视觉增强现实中，用户可以使用头盔显示器来合成真实世界和计算机图像，可以看到周围的真实世界。

增强现实技术包括多媒体、三维建模、实时图像显示与控制、多传感器融合、实时跟踪、配准、场景融合等新技术新手段。增强现实提供了人类在正常情况下可以感知的不同信息[2]。

2.2 主要特点

AR 系统有三个明显的特点：

①现实世界与想象的信息整合；

②它具有实时交互；

③虚拟对象将添加到三维比例空间。

AR 技术在许多领域有着广泛的应用，主要用于海绵城市的虚拟模型的建立。

2.3 AR 技术组成形式

一个完整的增强现实系统是由紧密相连、实时运行的硬件组件和相关软件系统组成的。主要采用以下三种形式：

1）增强现实监视器系统

在基于计算机显示的AR 实现方案中，摄像机捕捉到的真实世界图像输入到计算机中，与计算机图像系统中生成的虚拟图像相结合，输出到显示器上。用户可以在屏幕上看到最终增强的场景照片，虽然非常简单，但它给用户很多参与感。系统如图1 所示。

2）光学透视式

头戴式显示器（HMD，简称HMD）广泛应用于虚拟现实系统中，以提高用户的视觉沉浸感。增强现实技术的研究者们也采用了类似的显示屏技术，根据原理在增强现实中得到了广泛的应用，它可以分为光学透明头盔显示器和基于图像合成技术的视频透视头盔显示器两种。光学透视式增强现实系统实现方案如图2（a)所示。

3）视频透视式

图像透视增强现实系统采用基于图像合成技术的视频透视显示。实现方案如图2(b)所示。

3 AR 在海绵城市虚拟样板的应用

3.1 海绵城市理念

海绵城市的概念，海绵城市具有城市适应环境变化和应对自然灾害的“韧性”。下雨时，它吸收、储存、渗透和净化水，必要时释放和利用积聚的水。

在海绵城市建设过程中，采用低影响开发模式，优先采取各种生态措施，吸收雨水，扩大蓄积和稀释作用，使城市开发建设的水文特性接近开发前，有效缓解城市洪涝灾害，降低城市道路的污染负荷，节约水资源，实现雨水的自然渗透和可持续循环。北京理工大学建筑工程学院教授李景文认为，“海绵城市应该反映和改变‘灰色设施’。”现在我们提倡“绿色”和“灰色”相结合。“绿色”的原始自然条件是人为的工程措施。

图1 增强现实监视器系统

图2 光学透视式和视频透视式增强现实系统

城市的基面主要由道路、建筑物、广场组成，其中道路面积占比最大。通过城市道路收集和利用雨水量较大，可以有效缓解城市难通车对城市地下水资源的负面影响。

“海绵城市”用“海绵”二字，体现了建设要求。此外，作为一个水罐，将传统的“点排水”改为“表面排水”，大大提高了排水速度，满足了“渗透和停滞”两个最关键的要求。同时，铺满抛石砖的道路不仅能有效吸收雨水，还能初步过滤污染和水的作用。

3.2 海绵城市虚拟样板的建立

采用AR 技术在虚拟模型之间创建场景，并根据实际模型比例进行设计。他的核心是虚拟现实技术。在手机上安装和操作软件平台，就像进入“真实模式”，可以全方位地看到模板的结构、功能和各种场景的变化。在海绵城市投影仪正式建设前，建立了该区域的虚拟模型，效果显著。可以提前看到。

根据海绵城市项目的AR 效应，将每一个典型的盖子设施展示为AR 模型，在下雨或干燥的时候可以直观地看到每种类型的盖子设施的工作原理，生动地反映了海绵城市“淋溶、体、积、净、用、配置”的核心形象。如图3 所示。

3.3 海绵城市虚拟样板的作用

1）海绵城市理念

与实际模型相比，AR 虚拟模型可以模拟雨季和降雨。通过AR 可以诱导、收集和净化不同盖子设施降雨期间的雨水，形成盖设施的相关结构层，如绿化层、耕作土壤、石层等向日葵石层等，更直接地表现降雨过程中的渗透。

2）施工指导

图3 AR 虚拟样板

海绵城市是一种新提出的城市建设模式。海绵系统的排水理念与传统城市有很大不同。除地表和管道排水外，不影响开发设施的建设。排水是城市建设的中心，是城市建设的重要内容。该部分施工涉及的新技术、新材料较多，如混凝土、砖、盖设施等，具有一定的创新性，因此在施工过程中，如何指导现场人员的施工，确保工程质量是重点。AR 虚拟模型的构建将直接显示改造后的内容，并且可以逐步展示每个盖子设施的内容，车间员工可以在施工过程中参考AR 虚拟模型的构建来指导现场施工[3]。

3）图像显示

AR 场景模拟直观并直观地向观众展示了该项目在景观建设中所起的关键作用，从而直观地展示了该项目的景观效果。