本发明属于ar在建筑工程领域的拓展应用技术，特别是一种基于bim+ar的工程隐蔽管线量测及空间位置自动匹配方法。
背景技术
增强现实（augmentedreality，简称ar），是一种实时地计算摄影机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。这种技术最早于1990年提出，随着移动电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。我国从近十年间开始重视虚拟现实技术的研究和应用，由于技术和成本的限制，主要应用对象为军用和高档商用，适用于普通消费者的产品近年来才随着芯片、显示、人机交互技术的发展，逐步进入市场。
建筑信息模型(bim)是一种理念，其以建筑建设过程中，包括设计、建造、运营管理阶段所产生的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型建立，同时在建筑全生命周期过程中不断迭代更新。bim兼具可视化、协调性、优化性、模拟性和信息综合性等特点。当前，bim正在引发建筑行业一次巨大变革，已成为建筑领域项目全过程管理重要的技术手段，但目前bim的应用，主要集中于设计阶段，在其他阶段还没有得到很好的应用，此外将bim技术与ar技术的结合使用目前尚未广泛应用，因此推动bim及ar技术在建设项目全生命周期的综合应用需要探索与借鉴。
当前，增强现实技术日渐成熟，将bim与ar技术充分融合，探索建筑运营维护的新方法，将是bim与ar技术应用的重要增长点。但增强现实内容稀缺、制作成本过高，数据量庞大，没有统一标准，构件间互联互通和实时网络传输等方面都有许多技术瓶颈，此外增强现实特别是室内增强现实的实现对定位精度有极高要求。当前常用的室外定位技术主要是gps，定位精度在10米左右，室内定位技术有谷歌、诺基亚等公司建立的室内定位系统，定位精度在1米左右，此类精度仅适合导航，在增强现实显示时精度不够，渲染图像与实体环境不能无缝叠加。同时，通过现有的定位技术仅能得到实体与摄像机的相对位置，不能获得二者的3个相对姿态角信息，导致无法获得模型渲染的参数信息，精确地注册虚拟物体。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于bim+ar的工程隐蔽管线量测及空间位置自动匹配方法，解决了工程中隐蔽管线精确定位以及将三维bim模型与实景影像叠加后空间距离量测的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于bim+ar的工程隐蔽管线量测及空间位置自动匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：构建bim模型及信息：
通过建模软件建立三维bim模型，并建立建筑模型实体数据库，其次明确建筑工程每个领域、每个环节所需要的信息，并按照国际建筑工程数据交换标准对信息进行分组、存储、组织、访问，实现bim信息的优化；最后对建筑在设计、施工阶段的信息数据进行继承，为建筑的维护管理提供数据支撑；
步骤2：确定bim模型中二维码模型位置：
首先确定基点，明确需要精准控制尺寸和空间位置的隐蔽构件，再确定与这些隐蔽构件关联的二维码在实际建筑中粘贴的精确位置以及bim模型中二维码的位置，同时将这些信息存储在数据库中；
步骤3：对bim模型中二维码模型进行统一编码并构建二维码模型：
首先在bim模型对应位置建立二维码bim模型并统一id编码，二维码编码同bim模型构件编码一样，均以id号为唯一识别码，同时将该处位置墙体内隐藏的构件id与该二维码进行关联以供调取隐藏构件模型之用，进而将每一个二维码模型加放到对应的bim模型相应位置处，形成具有控制点位的三维模型；
步骤4：在实际工程中安装二维码，实现bim模型中隐藏构件与实际构件的虚拟现实空间位置匹配：
步骤5：扫描拍摄实际建筑中的二维码和实景影像，并提取编码：
通过摄像头，识别二维码唯一id信息及二维码包含的相关属性信息；
步骤6：根据扫描得到的二维码唯一id及关联信息，从存储服务器中进行检索；
步骤7：计算摄像头位姿态，位姿态为摄像头与二维码的相对平移、俯仰、翻滚、偏移变换矩阵；
步骤8：增强现实显示：
调取该二维码关联的相关构件bim模型及属性信息，得到相对位置矩阵及构件模型属性信息后，即可对构件进行注册，此时需通过矩阵运算将三维bim模型精确渲染到实景影像中，注册之后，即可对构件进行增强现实式的检测查看，便于检查及维护保养；
步骤9：距离测量；
在移动终端系统中进行三维bim模型与摄像头扫描到的实景影像重叠后的空间距离量测，具体操作及实现方法如下：
以扫描二维识别码的方式显示ar模型，将二维码模型拖放至对应的三维bim墙模型物体上，拖放的位置必须与现实世界中墙上的识别码位置一致，并绑定父子关系；此时三维bim墙模型与二维码模型的相对位置关系和现实世界中墙与粘贴的二维码相对位置关系保持一致；移动终端运行程序后，出现扫图界面，扫描现实世界中的二维码，出现三维bim墙模型，此时三维bim墙模型与现实世界的墙重叠，点击暂停按钮，通过脚本捕获当前摄像头朝向的画面，获取到三维bim墙模型与二维码模型和现实世界墙与二维码的位置关系，可以发现，模型与现实物体发生了重叠，此时点击测量按钮，对模型进行测量即同时对现实世界进行测量。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
1）实现了从三维虚拟世界向三维增强现实世界的转变，感知性更强，使建筑信息能更加全面、智能、直观地展现出来；
2）虚拟模型与增强现实显示中实景之间的量测和空间位置匹配能够更加精确的确定隐蔽管线位置，充分利用bim赋予建筑全过程中信息的全面性、连续性、可追溯性，为其在维护管理阶段提供可能，大幅提高建筑工程日常管理、定期检修、故障检修、更新的效率；
3）成本低，精度高，使用gps、地磁、重力、惯性等感受器，虽条件成熟，但成本高，精度差。而二维码的硬件成本几乎为零，只需安装简易二维码并使用普通智能手机进行扫描即可。
附图说明
图1为本发明基于bim+ar的工程隐蔽管线量测及空间位置自动匹配方法的流程图。
图2为本发明信息处理流程图。
图3为本发明bim模型与现实场景融合结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明ar技术的应用实现了从三维虚拟世界向三维增强现实世界的转变，将隐藏在墙体内部的构件进行可视化展现感知性更强，使建筑信息能更加全面、智能、直观地展现出来，充分发挥建筑信息模型及ar技术的优势，能够显著提高工程现场隐蔽管线的空间定位精度及效率，智能化程度较高且成本低，实现工程隐蔽管线的施工的位置控制，同时为工程后期运营改造提供了决策指导依据。模型尺寸的测量、工程模型构件信息的二维码标定以及与工程现场扫描信息的检索与匹配等技术的运用，实现对工程现场隐藏管线的实际尺寸的精确测量与空间位置匹配。
结合图1和图2，一种基于bim+ar的工程隐蔽管线量测及空间位置自动匹配方法，包括如下步骤：
步骤1：构建bim模型及信息：
通过revit等建模软件建立三维bim模型，并建立建筑模型实体数据库，其次明确建筑工程每个领域、每个环节所需要的信息，并按照国际建筑工程数据交换标准对信息进行分组、存储、组织、访问，实现bim信息的优化；最后对建筑在设计、施工阶段的信息数据进行继承，为建筑的维护管理提供数据支撑。
步骤2：确定bim模型中二维码模型位置：
首先确定基点，明确需要精准控制尺寸和空间位置的隐蔽构件，再确定与这些隐蔽构件关联的二维码在实际建筑中粘贴的精确位置以及bim模型中二维码的位置，同时将这些信息存储在数据库中。
上述隐蔽构件指墙、柱内的隐蔽管线。
bim模型中的二维码模型位置粘贴在如：墙柱连接处、墙转角处、暗线及暗管处等，且距离室内地面固定高度。
步骤3：对bim模型中二维码模型进行统一编码并构建二维码模型：
首先在bim模型对应位置建立二维码bim模型并统一id编码，二维码编码同bim模型构件编码一样，均以id号为唯一识别码，同时将该处位置墙体内隐藏的构件id与该二维码进行关联以供调取隐藏构件模型之用，进而将每一个二维码模型加放到对应的bim模型相应位置处，形成具有控制点位的三维模型。
步骤4：在实际工程中安装二维码，实现bim模型中隐藏构件与实际构件的虚拟现实空间位置匹配：
制作并安装二维码，二维码的载体可以是塑料卡片或是纸张，在二维码安装过程中，需借助前期存储的bim模型信息（与bim模型中二维码模型位置一一对应），预置二维码安放位置，将构件实体与二维码相对位置矩阵记录在存储服务器中，最后将二维码安装至指定位置，安装时需注意二维码的高度和尺寸需在允许范围内。
步骤5：扫描拍摄实际建筑中的二维码和实景影像，并提取编码：
使用手机，识别二维码唯一id信息及二维码包含的相关属性信息。
步骤6：根据扫描得到的二维码唯一id及关联信息，从存储服务器中进行检索。
步骤7：计算摄像头位姿态，位姿态为摄像头与二维码的相对平移、俯仰、翻滚、偏移变换矩阵。
步骤8：增强现实显示：
调取该二维码关联的相关构件bim模型及属性信息，得到相对位置矩阵及构件模型属性信息后，即可对构件进行注册，此时需通过矩阵运算将三维bim模型精确渲染到实景影像中，注册之后，即可对构件进行增强现实式的检测查看，便于检查及维护保养。
步骤9：距离测量；
所述步骤9中移动终端系统中能够直接通过双击或点选的形式进行三维bim模型与摄像头扫描到的实景影像重叠后的空间距离（点到点、多点、点到面、面到面）量测，具体操作及实现方法如下：
以扫描二维识别码的方式显示ar模型，将二维码模型（虚拟识别码）拖放至对应的三维bim墙模型物体上，拖放的位置必须与现实世界中墙上的识别码位置一致，并绑定父子关系。此时三维bim墙模型与二维码模型的相对位置关系和现实世界中墙与粘贴的二维码相对位置关系保持一致。手机端运行程序后，出现扫图界面，扫描现实世界中的二维码，出现三维bim墙模型，此时三维bim墙模型与现实世界的墙重叠，点击暂停按钮，通过脚本捕获当前手机朝向的画面，获取到三维bim墙模型与二维码模型和现实世界墙与二维码的位置关系，可以发现，模型与现实物体发生了重叠，此时点击测量按钮，对模型进行测量即同时对现实世界进行测量。
结合图3，具体实施方式及用到的算法如下：
1）采用预先手动（raycasthit）和现场自动标定两种方式，确定模型匹配基准点的二维码位置并在bim模型中生成二维码（imagetargetinterfacereference），附加二维码位置及其关联的构件信息。
raycasthit
https://docs.unity3d.com/scriptreference/raycasthit.html
imagetargetinterfacereference
https://library.vuforia.com/content/vuforia-library/en/reference/unity/interfacevuforia_1_1imagetarget.html
2）现场摄像场景与后台模型匹配调用。通过移动终端摄像头识别实际工程中所在位置构件上的二维码，加载对应的bim模型（itrackableeventhandlerinterfacereference），同时可进行所属构件属性的关联查询。
itrackableeventhandlerinterfacereference
https://library.vuforia.com/content/vuforia-library/en/reference/unity/interfacevuforia_1_1itrackableeventhandler.html#ac9a914044396c22d3b9235a9ae165034
3）模块启动后在ar模式下，通过扫描二维码实现远端三维模型的正确读取，并与摄像头实时画面叠加显示（vuforiaarcontrollerclassreference），能够随动控制，并在vr和ar模式间切换，实现模型与相机视角的切换、放大、缩小、平移、旋转等浏览功能。
vuforiaarcontrollerclassreference（实景融合方法）
https://library.vuforia.com/content/vuforia-library/en/reference/unity/classvuforia_1_1vuforiaarcontroller.html
4）将图像采集画面进行定格（cameradeviceclassreference）、截图等当前视图内容分享和上传，并在三维视图中拾取坐标，实现空间距离等量测，误差不大于2厘米。
cameradeviceclassreference（实景融合暂停方法）
https://library.vuforia.com/content/vuforia-library/en/reference/unity/classvuforia_1_1cameradevice.html
本发明结合多个学科领域的专业知识，运用现有工程bim和ar技术应用经验和方法，将bim模型中二维码模型的标定方法为bim模型调取提供数据支持，工程现场对应二维码粘贴及信息提取技术为应用ar技术显示可视化模型提供条件，工程现场测量结果与模型测距结果对比方法及隐蔽管线空间位置匹配技术为隐蔽管线空间定位提供依据,同时为后续开发者进行ar技术的其他拓展应用提供基础。