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低成本虚拟现实环境工程与施工
摘要
背景：提出重要的建筑或工程三维模型是规划的重要组成部分，建设和维修阶段是为了合作和理解。特别是在复杂的或大型的模型里，浸泡是能够直观地感知到所有方面的场景的主要因素之一。一个完全沉浸式的系统需要给用户一个大的视角，减少延迟逼真印象。如虚拟现实墙和快门眼镜这样的技术可以提供很高的刷新率，但未能给出一个大视图字段。用于虚拟现实的头装器将会填补这一空白。头部跟踪机构将用户的头部运动转换为虚拟摄像机运动，提供了一种自然的模型检查方法。不同于投影机的立体表示，视图跟踪可以单独为每个用户实现。在过去，这样的系统的硬件成本非常高，但已经由于虚拟现实系统现在在主流游戏社区获得牵引力而降低。
方法：在本文中，我们为工程与施工应用展现出了一种建立低成本且高度身临其境的虚拟现实环境的方法。此外，我们提出了一种简化和部分自动化数字建筑模型的再利用过程的方法，这种方法已运用于建筑中用于创建虚拟场景而不是必须为可视化做并行内容建设。使用Oculus Rift头戴式显示器和 Leap Motion手跟踪装置，我们展示了于不同用例下在虚拟空间内实现自然相互作用的可能性。基于流行的游戏引擎的软件 虚幻引擎4，将被用来作为进一步研究和开发的基础
结果：建筑信息模型的数据可以通过我们提供的插件导入到UE4。几何作图材料自动化数据库的运用简化了引进建筑信息实体的过程。该系统的刷新率保持在可接受的利润率内，这正是使用头戴设备的实际应用所需的。
结论：头装器件为建筑，工程和施工行业提供了巨大的潜力，正如一个人可以体验现实的第一人称情景，而不必担心受伤。对创作内容的简化利用了现有模型，同时可视编程语言的使用让即使是非程序员的人也能根据自己的需要编写方案成为可能。
关键词：虚拟现实，可视化，建筑，工程，头装设备，建筑信息，建模
背景：用于虚拟现实（VR）的头戴式设备（HMD）目前正经历着一场复兴。在过去，这些系统只可使用专门的系统高成本地用于大型公司（开始在几千欧元）。即使这样，用户体验仍然低于标准。设备缺乏流畅转化虚拟世界中的头部运动所需的刷新率配备着不充足的分辨率以及较低的现实印象视角。足够的刷新率的显示和虚拟世界中的更新是使用VR时考虑的关键因素。否则用户长在时间曝光下可能会容易晕动。
不同于传统的以表面为基础的立体方法，如3D快门玻璃显示器或投影仪，HMD实现了用户视角的个性化渲染。头部和/或身体的运动被转化为虚拟化身的运动。相机的位置及旋转将被修改为匹配位置。这些技术类似于增强现实（AR）的领域，忽略与真实世界的混合。AR在未来将变得更加重要，但因没有现实vrhas的界限缺乏足够自由的设计环境。
当设计师或工程师学会了在设计阶段利用他的想象来预见最终的产品，这对门外汉而言是非常难办到的。因此能够向大范围的受众展示3D模型和场景有益于工程和建筑。我们选择用游戏引擎作为我们研究的基础，因为它们在一个高层次的细节被修剪为最高性能。同样，不同于使用纯图形引擎，声音回放，物理和网络能力已经存在。有游戏开发商规划用以插件开发的引擎也是一种增益，作为正在进行的功能扩展和错误修复将可用。
构建三维建筑模型时，额外的资源必须被分配到一个真实的视觉表现的转换中或建筑物必须重新从头开始为不同的3D 格式的可视化，这是最有可能彼此不相容的。如果其他迭代模型被工程师开发出来，耗时和花费高昂的精力将被去适应最新的vr场景变化。此外，在视觉表现形式在三维空间中的实体必须在每次引进后被定义出来，让现实的材料可以用在可视化。在VR演示中最小化复杂性和自动化这个迁移过程将会是一个巨大的建筑行业的利益。
在本文中，我们提出了一个解决构建虚拟现实环境的方案，该方案由不同的硬件和软件组成，实现了对用户深层次的浸入 ，同时最大限度地减少了从建筑模型的虚拟现实创造三维场景的努力。我们通过三个不同的常见的案例展示了应用程序。此外，所有的组件都是便宜的购买，使即使非专业人士也能接触得到这种仿制品。每一部分都可以独立使用，但一起使用最大限度的发挥了沉浸体验和互动。
相关研究
在桑帕约和马丁斯（2014）中的应用用不同的桥梁形象化桥梁的施工描述了施工方法。这个这个实践的目标是为了让学生对桥是如何建成的有一个更深的理解，因为他们以为安全原因对一个真实的施工现场没有同一层次的洞察力。他们的目标主要是在传统教学实践中创造和发展三维模型（口头描述/图片/图表）得出的结论是，互动是运用VR一个主要的好处.然而，他们没有详细说明与系统进行自然交互与浸入式HMD将高水平的合适的输入方法。然而，他们没有详细说明与系统进行自然交互的方法但高水平的HMD浸入将被给出。
格拉鲍夫斯基和扬科夫斯基（2015）正在为旷工使用不同的HMD硬件设施设置与操纵杆的配合以及VR手套输入方法进行VR 测试。他们发现测试对象倾向于拟真更好的VR，但FOV是微不足道的。其原因可能是，用于 110°FOV的硬件设施是容易重影（先前呈现的帧的产物仍然部分可见，引起晕动），这可以减少拥有FOV的积极影响。尽管如此，研究表明，使用基于视觉的系统来检测自然手部动作比无线3D游戏杆更好，这就是训练的结果“[hellip;]是长期保持的。”（格拉鲍夫斯基和 扬科夫斯基医师，2015，p. 321）。
Ruuml;ppel 和Schatz（2011）描述为疏散仿真创建一个严肃的游戏环境是为防止火灾。他们利用建筑信息模型（BIM）的数据作为他们建筑建模的概念一个基础并且描述拥有材料数据的好处包括对结构损伤的模拟。虚拟现实实验室的概念描述了理想的大多数人的感官（视觉，触觉，听觉，嗅觉）并实现了与现场的互动。然而，他们的建议因为环境原因通过VR实验室设施引进了昂贵的组件。使用本文所描述的低成本设备可能会有利于创建一个更容易部署更容易承担得起的计划，并只带有轻微的缺点（减少触觉或嗅觉），但有更多的身临其境的视觉表现。环绕耳机和/或双耳录音可以取代音频设备，在他们的论文如此描述。
Merchant et al. (2014)探索基于虚拟现实的不同出版物对教育成果的研究。在评估过程中，他们发现有很多的VR有益的学习和“基于虚拟现实的教学是提高学习效果的有效手段的例子”(Merchant et al., 2014, p. 37)。无上所述，在教育中没有普及VR的一个原因是财务可行性。再者，基于桌面三维计算机的虚拟现实环境没有提供完全沉浸式体验，但提高了学习者的参与度(Merchant et al., 2014, p. 30)。我们的结论是有一个低成本的虚拟现实环境供使用，该环境在正常桌面水平工作，可能有利于建筑，工程与建筑（AEC)行业，以及在这一领域之外的教育行业。可能有一些应用，在该运用中在电脑显示器上的常规严肃游戏可能会更好地使用，因为基本上每个人都可以使用鼠标或键盘来操作传统的用户界面(e.g., 输入数字值)。然而，操作，如推动按钮或杠杆，可以更自然地体现在学生的记忆，如果现实世界的运动是可用的，并被跟踪到虚拟现实。
Roupeacute; et al. (2014) 支持上述声明，“身体运动可以提高导航性能和体验”(Roupeacute; et al., 2014, p.43)，但有能力跟踪身体的部分通常需要昂贵的设备。作者描述了一个系统使用一个Xbox的Kinect传感器导航计划的城市环境。通过身体的姿势（靠来回，转肩）参与者能够浏览一个城市的VR模型。当他们使用身体动作时他们能够更好的感知到环境中的距离和尺度。VR导航翻译立场是第一步，最佳的解决方案将是地图行走动作直接与专用硬件相连，如果可能的话。
Edwards et al. (2015)展示了使用游戏引擎来囊括BIM设计过程中的最终用户的可行性。他们使用Autodesk Revit插件与Unity游戏引擎通信，实现网络连接合作。他们还通过始于Revit的本地服务器提取BIM信息，但这只是一个短暂的实例并且只要一个对话框关闭就被禁用了。中央服务器的管理项目和修订，将有利于整合现有的设计过程。此外，它的实施缺少我们力求实现的VR集成。
所有的研究表明，在许多领域有对虚拟现实的需求。实际部署的测试可能因为这个系统的财务问题还没有被考虑到。提供一个低成本的灵活的能够提供安全测试和自然相互作用的环境是非常令人满意的事。特别是在对危险的限制试验和错误测试领域，虚拟现实可以获得一个立足点。
概念：我们的方法的目标是为施工工程统一一个不同用例的环境。对工业基础类(IFC)的支持是有益的。IFC实现了广泛的软件应用和设计工具之间的数据交换。IFC模型由有附加元数据的可选几何信息组成，例如使用的材料和产品结构。通过在虚拟世界中保存这些元数据信息(VE), 与元素的相互作用实现了更深刻的体验。如果用户要检查某一墙是由哪些材料组成的，不打破浸泡，这是毫无可能可能的。
一个VE由一个虚拟输出元素和一个或多个输入元素组成，以此实现与系统的相互作用。在构建这样一个系统时创建自然的输入法是一个障碍。他们是以相机为基础的使用视觉检测算法的多摄像头钻机中的任意一个，手持设备或专用深度传感器。跟踪虚拟的身体位置的手，似乎是最有前途的方式来操纵虚拟世界中的对象，由于新用户的学习曲线是温和的并且跟踪的可靠性由于不利的相机位置是不受隐藏的身体部位限制的。理想情况下，现成的设备应该是可用与整个系统的，因为这将降低总成本和增加部署选项。
硬件设置
几种不同的显示技术是可以将用户沉浸在虚拟世界中的。不同于投影仪支持的解决方案，即CAVE（洞穴自动虚拟境）或类似的快门/偏振三维墙，HMDS允许全第一人浸泡。因此，我们将进一步阐述这些种类的显示装置。对于我们的应用，目前最普遍的，低成本的单设备，虚拟现实眼镜 ，将投入使用。
虚拟现实眼镜
在显示技术方面的创新使我们现在能够通过使用用于移动电话的显示面板来获得成本低廉的HMD 。最突出的设备是Oculus Rift，俗称为“虚拟现实眼镜”（Oculus，2015）。它使用一个单一的手机显示屏，来自三星Galaxy Note 3（1920x1080像素，超频在75赫兹的刷新率）。而旧式HMD包含独立显示，在屏幕上显示的画面分为2个不同的部分，然后用镜头分开给每个眼睛，为每只眼睛提供有100°标称视场的960x1080像素有效分辨率。一个内部陀螺仪，加速度计和一个磁力计在1000赫兹时全方位三维空间检测头部动作旋转。通过常规的HDMI接口和USB端口实现与主机系统的链接。
Rift的现状是开发工具包2 （图1）首先介绍了运用红外线发光二极管的位置跟踪。一个附加的摄像机，安装在用户面前，录制这些闪烁的发射器可以检测的头部和身体在60赫兹时的位置变化。另外，重影的效果由于一种名叫“低持久性'的技术被降低了，在渲染帧之间将屏幕设置为黑色（像素）。
Oculus宣布他们2016第一季度第一消费耳机发布。显示刷新率将提高到90 Hz，显示刷新率将提高到90 Hz，两只眼睛的总分辨率目标是2160x1200像素。Oculus正在将其已探明的摄像机跟踪系统（星座跟踪）用于附加输入设备，该设备可双手持握。他们将实现用按钮手势来进行精确操作。
HTC Re Vive
另一个重要的硬件制造商最近进入了头戴式显示器的领域。HTC，主要因智能手机市场被大家所熟知，正在与一家大型游戏发行公司合作，发展其副耳机（简称“HTC Vive”）。Vive使用不同的技术对用户在房间的位置进行跟踪。在Oculus的消费者版本1（CV1）将使用配备有发光二极管的视觉跟踪系统（外跟踪），HTC的方法是内跟踪。用户已在房间的每一个角落确定两个激光发射器，这些发射器将在一个扫描模式中移动一个激光的弧。耳机可以通过多个、空间分布的、以每个二极管接收到的信号的时间为依据的光敏接受管跟踪房间的确切位置。这使得用户可以自由地在房间里移动，并在所有的时间内被VE跟踪，而不是只能 坐着体验。然而，因为目前没有可用的无线显示技术有像用户展示VR的带宽或延迟，其中之一仍受到耳机缆线的限制。专业的可穿戴式电脑已经存在来应对这一问题，但在这里不考虑，因为他们是专业建设和/或建立和维护起来非常昂贵。
Vive还支持工具跟踪，运作与耳机跟踪相同的技术，使用户能够精确地抓取和操作环境中的对象。操纵杆也可以在VE的视觉里呈现，因此，用户当正在使用系统时他能够看到他们的方向和位置。房间尺度跟踪和精密的传感器创造了一个高度互动和身临其境的环境，但运动问题本身仍然存在。如果用户想在他当前的房间里移动而不需要打破浸泡，这也只能在他的脑海中想想而已。在黑屏时模拟出他/她眼睛的眨动和迁移。
跳跃运动
跳跃运动控制器（Leap Motion，2015）是一个手动输入装置，使用双摄像头和红外线发光二极管来捕捉用户的手的立体图像。拥有标准化的相机位置和专有的软件算法，它是能够计算的手指，手和 手腕的位置的。具有校准相机位置和专有软— 它可以通过单独出售的VR安装到VR上（图1 b）
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跟踪性能是依赖于照明和环境。假阳性检测的手是可能的，当距离是可比附近其他对象，如显示器或键盘。最优跟踪条件可以流畅地转换接头位置检测模型在虚拟空间。在最优跟踪条件下可以流畅地将检测接头位置转换为虚拟空间中的模型。
自然跟踪装置，如跳跃运动控制器，是最直观的与虚拟环境环境互动的方法，但往往缺乏精确的动作所需的精度。Oculus和HTC正在发布他们配备有专用工具跟踪方案的新耳机，自然的互动似乎越来越过时
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