基于全站仪及摄影测量技术的BIM增强现实放样系统技术方案

本发明专利技术涉及测量技术，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及测量技术，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：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，本专利技术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。本专利技术采用的技术方案是这样的：本专利技术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，本专利技术的有益效果是：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，对本专利技术作详细的说明。为了使本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；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，从而实现增强现实设备与工程测量坐标系坐标的融合。

【技术特征摘要】
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；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，从而实现增强现实...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖卫东，
申请(专利权)人：廖卫东，
类型：发明
国别省市：四川;51