CN105353999B - 用于投影虚拟数据的方法和使能这种投影的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于投影由数字设计模型产生的信息的方法，包括以下步骤：‑校准步骤，包括：获取源自感兴趣的表面的特性数据，比较所述特性数据与由数字设计模型产生的虚拟数据，以及确定投影设备的空间位置，所述投影设备包括视频投影仪和至少两个分离的图像捕获设备；以及‑根据所述空间位置借助所述视频投影仪将由数字设计模型产生的信息投影到所述感兴趣的表面上的步骤。

Description

用于投影虚拟数据的方法和使能这种投影的设备
技术领域
本发明涉及用于将源自由工程设计部门制作的数字设计模型的虚拟数据投影在感兴趣的表面上的方法。
它可适用于多个领域，尤其是航空、建筑、造船、或者甚至航空航天领域。
本发明更特别适用于在其建筑、组装或者甚至维护的阶段期间的大型对象，例如飞机、直升机、或者甚至卫星。
背景技术
在制造期间或者甚至在操作期间了解实际对象的状态常常是局部的。制造者通常要处理文件(例如电子表格、照片或测量值文件)的文件夹中或数据库中的测量值的集合。于是，尤其是对于大型对象来说不仅难以定位由与特定区域相关联的实际测量产生的数据以及确定所述测量实际在哪里实施，而且最重要的是难以弄懂它们如何彼此相关和对应或者如何与三维数字设计模型相关和对应。由此，在制造或操作期间确定状态不是容易的。
在安装、组装和维护操作期间，需要操作者来实施许多任务，例如执行程序、进行测量、实施诊断、对所实施的工作进行报告等。
操作者通常使用纸计划(paper plans)或蓝图来确定并定位待实施的各种任务。他还将使用常规测量手段，例如测量带。这种工作方式可以证明是耗时的，并且可能出现错误(定位错误、破坏、不正确的引用等)。
更快速且有效地实施这些任务的一种方式是将信息直接投影到感兴趣的表面上。所述感兴趣的表面对应于操作者必须与之交互的表面。
例如，可以使用激光打标***，例如美国专利申请US2009/0195753A1中所描述的激光打标***。该申请公开了一种用于将激光打标投影到车辆的外部上的设备，包括多个激光投影仪、由所述激光投影仪以同步形式投影的车辆的外部的图像、连接到激光投影仪的计算机以及工作站，所述工作站借助所述计算机连接到激光投影仪并允许协调由激光投影仪投影的图像。然而，该信息投影设备实施起来是复杂的，并且由于激光投影的固有局限性(Hicker，亮度损失)而仅允许显示少量信息。
更类似的设备在欧洲专利申请No.EP1719580A2中被描述。具体地，该专利申请公开了一种用于借助激光投影仪将信息投影到感兴趣的表面上的设备。该设备使用计量发射器，借助位于感兴趣的表面上和激光投影仪上的计量接收器允许确定后者的位置和取向。然而，该设备与先前的***拥有相同的局限性并且因此在能够显示的信息类型方面受限制。另外，校准***由于需要定位多种计量发射器和接收器而是耗时的。
另一种已知类型的投影装置采用视频投影仪和单摄像机。由于该***需要打标机事先定位在感兴趣的表面上的精确位置处，因此该***实施起来是困难且耗时的。
目前，每个已知的信息投影解决方案不幸地或者是复杂、不可改变且难以移动，或者是校准起来耗时。因此，这些方法证明在大多数组装操作中是无效和不能用的。此外，它们通常被设计成实施单个非常具体的任务，例如位置标示或仅跟踪目标。
因此，目前存在对能够更简单且有效地以高精确度实施可移动和灵活的信息投影的明确需要。
发明内容
本发明针对的是通过提供一种允许用于投影信息的方法的设备来减少现有技术的全部或其中一些缺点，所述信息被精确裁剪以适应待实施的环境。
为此目的，根据第一方面，本发明涉及一种用于投影由数字设计模型产生的信息的方法，包括以下步骤：
-校准步骤，包括：获取源自感兴趣的表面的特性数据，比较所述特性数据与由数字设计模型产生的虚拟数据，以及确定投影设备的空间位置，所述投影设备包括视频投影仪和至少两个分离的图像捕获设备；以及
-根据所述空间位置借助所述视频投影仪将由数字设计模型产生的信息投影到所述感兴趣的表面上的步骤。
特性数据代表通过使由每个所述图像捕获设备获取的数据相关联获得的感兴趣的表面的三维结构的虚拟重构。
凭借这些措施，本发明允许分析感兴趣的表面的三维结构并且使引导负责实施装配操作或负责所述感兴趣的表面的质量控制的操作者成为可能。在装配操作的情况下，本发明将例如使得将待安装的一件装备的轮廓投影到一部分上成为可能。在质量控制操作的情况下，本发明将例如允许数字设计模型的三维结构投影到感兴趣的表面的三维结构上，由此允许操作者观察两个结构之间的任何差别。而且，更容易确定在所述数字设计模型中的感兴趣的表面的特性点的空间位置，因为本发明使得在精确定位的目的的情况下去掉将打标机定位在感兴趣的表面上的精确位置处的在先步骤成为可能，在数字设计模型中，所述信息的空间位置与使用所述打标机的空间位置的感兴趣的表面相关。这种定位打标机的步骤常常是关于定位的精度的误差源。
在一些实施例中，校准步骤包括以下子步骤：将校准图案投影在所述感兴趣的表面上；分析所述校准图案并在图像捕获设备和视频投影仪之间创建一组对应关系；以及根据对应关系最大值确定图像捕获设备和视频投影仪的空间位置。这些实施例允许视频投影仪相对于图像捕获设备的空间位置被精确确定并且然后确定投影设备相对于感兴趣的表面的空间位置。
在一些实施例中，校准步骤以下面的方式连续实施：通过除了数字设计模型之外还投影并且连续地投影所述校准图案并且裁剪所述校准以适应感兴趣的表面；以及通过利用图像捕获设备分析图案并连续确定所述图像捕获设备和视频投影仪的空间位置。特别地，这些实施例允许视频投影仪相对于图像捕获设备的空间位置以及投影设备相对于感兴趣的表面的空间位置被连续确定，并且更确切地说，每次提取新的图像。这例如使得可以减少当使能投影的设备能够移动时并且当寄生移动出现在图像捕获设备和视频投影仪之间时的校准精度带来的问题。
根据一些实施例，该方法包括检测并突出所述数字设计模型和现实之间的差别的步骤。
根据一些实施例，该方法包括用于确定图像捕获设备的视野中的已知的可移动对象的空间位置并跟踪所述可移动对象的步骤。这使得操作者更容易与感兴趣的表面交互。
根据一些实施例，该方法包括允许补偿振动的步骤和允许在不可能实施该补偿的情况下发出警报的步骤。这使得可以防止由于投影仪和图像捕获设备的寄生移动、尤其是通过对所述图像捕获设备的设置的改变产生的误差。
根据一些实施例，该方法包括使得可以防止在感兴趣的表面上的阴影的步骤。
根据一些实施例，该方法包括允许在三维中实施投影的步骤。这使得配备有主动式眼镜的操作者更容易看到所述信息。
根据另一个方面，本发明涉及一种用于投影由数字设计模型产生的信息的设备，所述设备包括视频投影仪、计算机和至少两个图像捕获设备，并且还包括用于下述的装置：
-获取源自感兴趣的表面的特性数据；
-比较所述特性数据与由数字设计模型产生的虚拟数据；
-确定所述图像捕获设备、所述视频投影仪和所述投影设备的空间位置；以及
-根据所述空间位置借助所述视频投影仪将由数字设计模型产生的信息投影到所述感兴趣的表面上。
计算机允许在图像捕获设备、数字设计模型和视频投影仪之间管理数据。
在一些实施例中，图像捕获设备是全局快门摄像机。这具有防止与设备的移动相关的图像变形的优点。
在一些实施例中，用于投影虚拟数据的设备包括至少两个红外光源。这使得图像捕获设备可以跟踪任何协同对象，其包括在图像捕获设备的视野中移动的红外目标。这使得操作者更容易与感兴趣的表面交互。
在一些实施例中，用于投影虚拟数据的设备包括能够根据振动调整图像捕获设备的设置以及能够在振动太大时发射警报信号的装置。这允许通过使投影设置适应与振动相关的约束来改善被投影的图像的质量。
在一些实施例中，能够根据振动调整图像捕获设备的设置以及能够在振动太大时发射警报信号的装置包括快速固定于视频投影仪的惯性传感器。该惯性传感器允许检测振动。
在一些实施例中，视频投影仪安装在包括位置传感器的仪表机械***上并且可选地被机动化。这使得可以重新定位视频投影仪以便放大或缩小被投影覆盖的区域。另外，由位置传感器产生的位置允许更新数字设计模型中的投影设备的空间位置。
在一些实施例中，用于投影虚拟数据的设备包括自主电源***。这些措施具有使该设备更便携的优点。
在一些实施例中，用于投影由数字设计模型产生的信息的设备的所有元件被分组到两个外罩中，第一个包含视频投影仪和图像捕获设备，以及第二个包含计算机和电源。这给本发明提供了关于设备的运输和移动性的优点，其将允许操作者容易操纵它。
在一些实施例中，投影设备的所有元件被分组到其中的两个外罩可以一个堆叠在另一个之上。
附图说明
由本发明的一个实施例的下面给出的并且仅作为说明的描述将更好地理解本发明，该描述参考各图，在图中：
·图1是示出根据本发明的一个实施例的方法的流程图；以及
·图2示出根据本发明的一些实施例的虚拟数据的投影。
具体实施方式
图1是示出根据本发明的一个实施例的方法10的流程图。在第一步骤11中，实施校准。该步骤11包括使用视频投影仪19将校准图案投影到感兴趣的表面20上的子步骤11a，所述感兴趣的表面20可以在图2中看到。在随后的子步骤11b中，至少两个图像捕获设备将通过分析投影到感兴趣的表面20上的校准图案来获取特性数据。具体地，图像捕获设备18捕获在感兴趣的表面20上的图案的渲染并且然后所述渲染被计算机21分析以便表示为形成三维结构的一组特性数据。在随后的子步骤11c中，特性数据与由数字设计模型产生的数据比较，由此借助视觉算法允许在图像捕获设备18和视频投影仪19之间创建一组对应关系。最后，在子步骤11d中，根据在图像捕获设备18和视频投影仪19之间建立的最大对应关系通过所述算法确定视频投影仪19相对于图像捕获设备18的空间位置。然后确定包括视频投影仪19和图像捕获设备18的投影设备22相对于感兴趣的表面的空间位置。在最后的步骤12中，根据所确定的投影设备22的空间位置，与由数字设计模型产生的虚拟数据相关联的信息被投影到感兴趣的表面20上。这种虚拟数据的投影是精确的，因为它源自数字设计模型。这种在被投影的虚拟数据方面的精度使操作者组装或诊断操作更易于实施。于是操作者能够精确地检测到所述数字设计模型和现实之间的任何差别，因为它们被该投影突出。
可以通过使用视频投影仪19除了数字设计模型之外还投影并且连续地投影校准图案到感兴趣的表面20上来连续优化校准。然后这些图案被图像捕获设备18捕获并且在所述图像捕获设备18和视频投影仪19之间的转换然后被连续优化，即每次提取新的图像。
允许实施根据本发明的一个实施例的方法10的步骤的设备22在图2中示出。该设备22包括视频投影仪19和至少两个图像捕获设备18。连接到计算机21的两个图像捕获设备18的存在使得可以获得感兴趣的表面20的三维重构，其被图像捕获设备感测到。计算机21包括处理器和存储器，并且使得可以将在感兴趣的表面20上识别的特性点与数字设计模型匹配。视频投影仪19用于将虚拟数据直接投影到感兴趣的表面20上的精确位置处，在此必须实施操作。
当利用单个光源投影图像时，常常遇到的问题是由于感兴趣的表面20的起伏(relief)导致的在感兴趣的表面20上的阴影区域(图像投影在其上)。可以使用2到n个设备22减少在感兴趣的表面20上的阴影带来的问题。

Claims (15)

1.用于投影由数字设计模型产生的信息的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
-校准步骤，包括：获取源自感兴趣的表面的特性数据，比较所述特性数据与由数字设计模型产生的虚拟数据，以及确定投影设备的空间位置，所述投影设备包括视频投影仪和至少两个分离的图像捕获设备，其包括以下子步骤：
ο将校准图案投影在所述感兴趣的表面上；
ο分析所述校准图案；
ο在图像捕获设备和视频投影仪之间创建一组对应关系；以及
ο根据对应关系最大值确定图像捕获设备和视频投影仪的空间位置；以及
-根据所述空间位置借助所述视频投影仪将由数字设计模型产生的信息投影到所述感兴趣的表面上的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准步骤以下面的方式连续实施：通过除了数字设计模型之外还投影并且连续地投影所述校准图案并且裁剪所述校准以适应感兴趣的表面；以及通过利用图像捕获设备分析图案并连续确定所述图像捕获设备和视频投影仪的空间位置。
3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，包括检测并突出所述数字设计模型和现实之间的差别的步骤。
4.根据前述权利要求1和2中的一項所述的方法，包括用于确定图像捕获设备的视野中的已知的可移动对象的空间位置并跟踪所述可移动对象的步骤。
5.根据前述权利要求1和2中的一項所述的方法，包括允许补偿振动的步骤和允许在不可能实施该补偿的情况下发出警报的步骤。
6.根据前述权利要求1和2中的一項所述的方法，包括使得能够防止在感兴趣的表面上的阴影的步骤。
7.根据前述权利要求1和2中的一項所述的方法，包括允许在三维中实施投影的步骤。
8.用于投影由数字设计模型产生的信息的设备，其特征在于所述设备包括视频投影仪、计算机和至少两个图像捕获设备，并且还包括用于下述的装置：
-获取源自感兴趣的表面的特性数据；
-比较所述特性数据与由数字设计模型产生的虚拟数据；
-确定所述图像捕获设备、所述视频投影仪和所述投影设备的空间位置；以及
-根据所述空间位置借助所述视频投影仪将由数字设计模型产生的信息投影到所述感兴趣的表面上。
9.根据权利要求8所述的设备，其中图像捕获设备是全局快门摄像机。
10.根据权利要求8和9中的一项所述的设备，包括至少两个红外光源。
11.根据权利要求8和9中的一项所述的设备，包括能够根据振动调整图像捕获设备的设置以及能够在振动太大时发射警报信号的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中能够根据振动调整图像捕获设备的设置以及能够在振动太大时发射警报信号的装置包括快速固定于视频投影仪的惯性传感器。
13.根据权利要求8和9中的一项所述的设备，其中视频投影仪安装在包括位置传感器的仪表机械***上并且可选地被机动化。
14.根据权利要求8和9中的一项所述的设备，包括自主电源***。
15.根据权利要求8和9中的一项所述的设备，其中所述设备的所有元件被分组到两个外罩中，第一个包含视频投影仪和图像捕获设备，以及第二个包含计算机和电源。
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