[论文解读] Rapid 3D Reconstruction of Indoor Environments to Generate Virtual Reality Serious Games Scenarios

Zhenan Feng, Vicente A. González+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2018

3D Surveying and Cultural Heritage参考文献 11被引用 7

一句话总结

本文提出了一种利用BIM、激光扫描和360°全景图快速重建室内环境的3D重建流程，以生成精确、动态的虚拟现实严肃游戏（VR SGs），用于地震疏散训练。该方法可实现高效、‘现状即现’的建筑建模，仅需极少的人工干预，显著缩短开发时间，同时支持逼真的模拟场景，适用于沉浸式训练应用。

ABSTRACT

Virtual Reality (VR) for Serious Games (SGs) is attracting increasing attention for training applications due to its potential to provide significantly enhanced learning to users. Some examples of the application of VR for SGs are complex training evacuation problems such as indoor earthquake evacuation or fire evacuation. The indoor 3D geometry of existing buildings can largely influence evacuees' behaviour, being instrumental in the design of VR SGs storylines and simulation scenarios. The VR scenarios of existing buildings can be generated from drawings and models. However, these data may not reflect the 'as-is' state of the indoor environment and may not be suitable to reflect dynamic changes of the system (e.g. Earthquakes), resulting in excessive development efforts to design credible and meaningful user experience. This paper explores several workflows for the rapid and effective reconstruction of 3D indoor environments of existing buildings that are suitable for earthquake simulations. These workflows start from Building Information Modelling (BIM), laser scanning and 360-degree panoramas. We evaluated the feasibility and efficiency of different approaches by using an earthquake-based case study developed for VR SGs.

研究动机与目标

• 解决现有VR严肃游戏中缺乏准确、及时反映真实建筑状况的室内3D模型的问题。
• 减少创建可信、动态疏散模拟场景所需的时间和工作量。
• 评估多种数据采集工作流程在快速3D重建中的可行性与效率。
• 实现基于实际建筑几何结构而非理想化或过时模型的VR SG故事情节生成。
• 通过融入真实建筑布局与空间动态，支持VR训练中的逼真用户体验。

提出的方法

• 本研究评估了三种数据源：建筑信息模型（BIM）、地面激光扫描和360°全景图像，用于3D重建。
• 每种数据源均经过处理，生成适用于VR模拟的现有室内环境的3D几何模型。
• 重建后的3D模型被整合到VR环境中，以模拟地震疏散场景。
• 基于重建精度、时间效率和实现难易度对工作流程进行评估。
• 评估重点在于3D模型在反映真实建筑布局方面的保真度及其在动态模拟中的适用性。
• 本文比较了三种方法在数据采集成本、处理时间与模型质量之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将现有室内建筑数据快速转化为适用于VR严肃游戏的精确3D模型？
• RQ2 BIM、激光扫描和360°全景图在重建用于疏散模拟的室内环境方面，各自的优缺点是什么？
• RQ3 重建的3D模型能否支持真实且沉浸式的VR SG场景，以应对地震等动态事件？
• RQ4 数据源的选择如何影响生成功能性VR模拟所需的时间与工作量？
• RQ5 重建的模型在多大程度上反映了现有建筑的实际‘现状’状态？

主要发现

• 将360°全景图与自动化处理流程结合，可实现几何精度可接受的快速3D重建。
• 激光扫描在3D模型生成方面提供最高精度，但需要更多时间并依赖专业设备。
• 当现有BIM数据可用时，基于BIM的重建方法速度最快，但通常缺乏真实建筑的‘现状’保真度。
• 结合360°全景图与基于图像的建模技术，与手动建模相比，可显著减少开发时间。
• 三种工作流程在生成VR SG场景方面均被证实可行，其中360°全景图在速度、成本与精度之间提供了最佳平衡，适用于实际应用。
• 本研究证实，‘现状即现’的建筑模型可提升VR疏散训练模拟的逼真度与可信度。