基于虛擬現(xiàn)實的隧道工程可視化系統(tǒng)研究

馬軍旗，程一桐，李 程，張志增，周 永

（1.中電建路橋集團有限公司，北京 100160；2.中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007；3.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083）

伴隨著我國經(jīng)濟實力的增強與城市化進程的加快，隧道工程建設正處于高速發(fā)展時期，然而隧道工程較其他工程領域而言有著更強的隱蔽性以及更大的危險性[1]，對信息化、智能化要求也更高。《中國建筑施工行業(yè)信息化發(fā)展報告》[2]通過對建筑行業(yè)的深刻剖析，指出傳統(tǒng)的信息表達方式逐漸被摒棄，建筑施工行業(yè)正在邁入新時代。

虛擬現(xiàn)實技術起源于上世紀60年代，發(fā)展于上世紀80年代，利用人機交互、環(huán)境建模、立體顯示等手段創(chuàng)造出具有強烈真實感的虛擬場景。如今，虛擬現(xiàn)實技術被廣泛應用于教育、建筑、軍事及航天等多個領域。隨著計算機的不斷發(fā)展以及5G、人工智能等新技術的加持，虛擬現(xiàn)實技術正處于高速攀升期[3]。

在地下工程方面，華俊杰等[4]利用BIM與Unity技術研究出一款隧道掘進進度管理系統(tǒng)并提出了地質預測與施工預警的算法；周永等[5]立足于智慧地下工程的背景下，將全景監(jiān)控技術應用到遠程視頻會議中，互補其優(yōu)勢，解決了普通遠程會議的諸多問題；陳一飛等[6]在虛擬現(xiàn)實技術的基礎上構建出VR隧道災害演練平臺，對于地下突發(fā)性災難的預防以及安全教育的宣傳具有一定意義；黃地龍等[7]結合了計算機信息處理、數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實等技術研發(fā)出一套隧道仿真開挖軟件，能夠對隧道圍巖變化與地質災害的發(fā)生進行預測；張志增等[8]將全景視頻技術、無線信號傳輸技術、無線傳感器網(wǎng)絡技術、無線遙控技術相結合，開發(fā)遙控式移動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并應用到隧道工程中，實現(xiàn)了在無網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域信息的采集與傳輸;陳軍程等[9]將全景漫游技術應用到隧道施工領域，對隧道全景圖片的拍攝要求、隧道全景漫游系統(tǒng)的整合等方面進行了研究，提供了一套隧道全景圖片漫游方案，對于提高施工管理質量以及降低工程開支具有一定的作用。

綜上所述，以上的研究主要把虛擬現(xiàn)實技術應用在隧道施工管理和仿真模擬方面，對于信息展示方式本身來說，研究并不充分?；诖耍疚奶岢鲆环N將虛擬現(xiàn)實技術與工程相關信息相融合的方法，實現(xiàn)了數(shù)值模擬結果、勘察監(jiān)測數(shù)據(jù)的三維可視化展示，解決了傳統(tǒng)隧道信息讀取不直觀、可視性差等問題，將地下工程的信息化水平提升了一個新的層次。

1 系統(tǒng)方案

基于虛擬現(xiàn)實的隧道工程可視化系統(tǒng)框架如圖1所示，包括位移云圖顯示功能、應力云圖顯示功能、拱頂沉降顯示功能、地質素描顯示功能、工程現(xiàn)場顯示功能及VR設備控制交互功能。

圖1 系統(tǒng)功能框架

系統(tǒng)主體由三維全景圖像和三維數(shù)值模擬云圖組成。使用全景相機拍攝出長寬比為2的二維全景圖片，再拼接到合適的三維全景模型中便得到了三維全景圖像。利用數(shù)值模擬軟件根據(jù)工程信息及相關物理學參數(shù)建立模型，將得到的位移應力云圖輸出到后處理軟件中進行開發(fā)，最終實現(xiàn)二維云圖的三維化。在Unity3d中搭建不同場景和界面并編寫所需的腳本程序，再將各個模型存放在對應的場景內，編寫相關程序，完成各場景的開發(fā)后再對系統(tǒng)進行測試?；谔摂M現(xiàn)實的隧道數(shù)值模擬可視化系統(tǒng)的開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程

2 功能開發(fā)

根據(jù)系統(tǒng)功能設計搭建起主要框架，然后通過腳本語言設置各場景內相應的功能，最終將對應的模型導入相應場景完成系統(tǒng)的初步開發(fā)。

2.1 場景切換

為達到系統(tǒng)全面的展示效果，系統(tǒng)共建立了10個場景。為了滿足不同人群的使用要求，在隧道數(shù)值模擬位移云圖、應力云圖及相關工程信息的展示過程中均包含普通三維交互和VR沉浸式交互2種功能，場景切換邏輯如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)場景切換邏輯

根據(jù)場景切換邏輯圖，對相互關聯(lián)的場景之間添加多向切換功能。例如，Level 1場景可以分別切換到Start場景、Level 3場景、Level 4場景、Level 5場景及Level 6場景，則應在Level 1場景內添加5個Button按鈕。編寫切換場景的腳本程序，以Start場景切換到Level 1場景的腳本代碼為例，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)場景切換代碼

2.2 位移與應力云圖顯示

位移與應力云圖是系統(tǒng)中最基礎的功能界面，也是隧道工程可視化系統(tǒng)的核心。根據(jù)數(shù)值模擬的結果信息，通過虛擬現(xiàn)實編程實現(xiàn)數(shù)值模擬結果和工程信息融合一體。用戶可以借助VR設備控制行動視角，實現(xiàn)對隧道各部位應力與變形的無死角觀察。將數(shù)值模擬云圖結果文件經(jīng)過一系列轉換，使其變成能被Unity3d直接讀取的FBX格式，再將文件導入Unity3d并加載到Level 1場景中。具體顯示情況如圖5、圖6所示。

圖5 位移云圖顯示

圖6 應力云圖顯示

2.3 隧道地質素描顯示

開挖隧道會破壞原始應力場，即使使用支護結構來保證安全，拱頂和圍巖仍會出現(xiàn)一定的變形，如果變形超過閾值可能會導致落石、塌方等事故的發(fā)生[10]。為了更好地顯示出隧道重要部位的變形信息，將采集到的數(shù)據(jù)按照對應位置導入隧道模型中，真正實現(xiàn)了“數(shù)與形”的結合。

根據(jù)隧道施工平面圖，利用3d max軟件建立隧道三維模型并對該模型進行巖石分類貼圖，標注工程地質信息后輸出為FBX格式并導入Unity3d中，隧道模型搭建如圖7所示，最終在場景中顯示情況如圖8所示。

圖7 三維隧道模型建立

圖8 隧道地質素描顯示

2.4 工程現(xiàn)場顯示

將隧道施工現(xiàn)場的全景圖片以三維交互的方式進行展示，工程巡查人員不需親臨現(xiàn)場，在辦公室內就可以通過VR設備對施工現(xiàn)場加以把握。全景圖片可以先利用普通相機拍攝再進行合成，也可以直接使用全景相機拍攝，目前全景相機已經(jīng)十分普遍，不管是外接式還是獨立式都可以滿足拍攝需求。

三維全景模型是一種立體呈現(xiàn)模式，通過一定的算法將圖片或視頻創(chuàng)造出立體空間，常用的形式有球面、柱體以及立方體[11]。

立方體全景圖的實現(xiàn)方式是將拍攝好的全景圖片在立方體的平面展開圖上找到各連接點的對應關系并進行拼接，再按照對應的表面重新投影到立方體上，立方體各平面的夾角都是90°，而全景圖片在拍攝中并不容易做到垂直對應，這就在拍攝時造成了一定的難度。

柱狀全景圖是最簡單的形式，圖像真實細膩，質量較高，單張全景圖片的獲取方式較球狀模型與立方體狀模型也更為簡單。缺點是視角受限制較大，水平方向可以進行360°旋轉，但是豎直方向的轉動角度小于180°，視覺效果不是太好。

球面全景圖最常見的是應用在地圖上的投影，模型制作原理類似于剝橘子皮。球面模型成像質量較高，真實感強，作為附著模型時更能還原全景圖片的原始場景[12]。

綜合對比各種全景圖的優(yōu)缺點，本文使用球體作為基本模型。在場景中建立球體模型，根據(jù)實際場景大小合理設置球體半徑，將攝像機置于球體中心。在Unity3d的項目中添加材質命名為Material，添加一個Unity Shader命名為Double Side，然后打開Shader并添加代碼“Cull off”最后將修改后的Shader拖到Material上，并把隧道施工全景圖片拖到Material的texture處，然后將制作好的材質賦予場景中的球體模型，工程現(xiàn)場全景模型制作情況如圖9所示。

圖9 工程現(xiàn)場全景模型

上述各功能模型的空間坐標設置均為“x=0，y=0，z=0”，此時模型將位于場景的中央，場景中自帶的攝像機將作為用戶的視點在場景中進行瀏覽，用戶打開系統(tǒng)后能直接觀察到模型的全貌。

2.5 控制交互功能

系統(tǒng)通過PC端運行時，場景中現(xiàn)有的攝像機為靜態(tài)視角，沒有移動或旋轉的功能，為了實現(xiàn)畫面的自由移動和人機交互，須賦予鍵鼠控制權力。本系統(tǒng)通過“W”“S”“A”“D”按鍵來控制視角前后左右移動，通過鼠標控制視角水平旋轉，視角的高度使用空格鍵進行調節(jié)。

將腳本程序分別懸掛到各個場景模塊的攝像機上，打開系統(tǒng)便能通過鼠標和鍵盤控制在三維場景中視角方向和運行軌跡。

2.6 VR設備控制交互功能

虛擬現(xiàn)實場景較普通三維場景真實感更高，體驗感更強烈。用戶通過外接VR設備可以獲取強烈的感官刺激。Steam VR資源包與VR設備的控制平臺相匹配，VRTK資源包可以將普通的三維場景改變?yōu)樘摂M現(xiàn)實場景，在系統(tǒng)中導入Steam VR資源包和VRTK資源包后，只需將VR設備控制交互模式中各個場景內的全景攝像機逐一替換為VR資源包內的VR攝像機，即可完成虛擬現(xiàn)實場景的開發(fā)。

3 系統(tǒng)運行展示

基于虛擬現(xiàn)實的隧道工程可視化系統(tǒng)可以在PC端實現(xiàn)三維全景式觀看，通過鍵盤鼠標控制視角范圍和行動，在會議中投放至熒幕可滿足數(shù)據(jù)分析及施工監(jiān)察。也可以借助外接VR設備獲得沉浸式的人機交互體驗。下面就系統(tǒng)運行的部分界面進行展示，如圖10-圖14所示。

圖10 系統(tǒng)運行主界面

圖11 系統(tǒng)功能選擇界面

圖12 隧道工程現(xiàn)場VR顯示

圖13 地質素描VR顯示

圖14 拱頂沉降監(jiān)測VR顯示

4 結束語

實際工程中，隧道監(jiān)測信息紛紜雜沓，數(shù)值模擬結果展示缺乏直觀感，很難滿足信息化時代的要求。為了克服上述問題，提出了一種將虛擬現(xiàn)實技術與工程相關信息相融合的方法。以工程信息展示為研究對象，借助Unity、虛擬現(xiàn)實與數(shù)據(jù)庫等技術，實現(xiàn)隧道工程可視化系統(tǒng)設計。測試結果表明，基于虛擬現(xiàn)實的隧道工程可視化系統(tǒng)與傳統(tǒng)信息展示方式相比，用戶的使用體驗更好，獲取信息的方式更加直觀。系統(tǒng)運行流暢穩(wěn)定，具有較高的使用價值及長遠的發(fā)展前景。