CN109556580A - 测绘仪器、ar系统和相对于参照系定位ar装置的方法 - Google Patents

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Abstract

测绘仪器、AR系统和相对于参照系定位AR装置的方法。本发明涉及一种用于提供参照标记的测绘仪器，该参照标记被设计成使得增强现实(AR)装置能够相对于参照系来定位它们的位姿。本发明还涉及一种包括所述测绘仪器和AR装置的AR系统。本发明还涉及一种用于借助于所述测绘仪器，相对于参照系来定位AR装置的方法。

Description

测绘仪器、AR系统和相对于参照系定位AR装置的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的通用术语所述的测绘仪器、根据权利要求6所述的增强现实(AR)系统、以及根据权利要求11所述的方法。
背景技术
本发明的技术领域是度量学、大地测量学、建筑学以及土木工程中的至少一个领域。
在这些领域，重要的关键因素是计划、进度观察、文件编制以及分配指令和协助。在许多方面，这些方面正变得越来越复杂和动态，尤其是由于涉及到许多方和数据、波动的人力和/或客观资源、中期或最终结果的复杂性和数量增加、更严格的时间表、增加的人力资源成本等。以前由一位管理员计划和观察的工作现在对于一个人来说过于复杂，并且由于接口管理不当，将工作分割并分配给多个人经常会失败。因此，在这个技术领域已经尝试发展自动化和计算机化。在建筑施工领域，EP 2629210给出了所谓的建筑信息建模(BIM)-系统的示例。
这种施工现场系统的基础通常是施工现场的三维模型，其可以富含本地分配的信息。通常，此BIM模型在服务器上集中管理，并可通过网络检索，使得检索装置始终可以访问该模型的最新版本。例如，现场管理员可以持续实现建筑物结构的任何改变或计划变更。
如今常见的是，借助于基于计算机的系统来管理施工现场，其中，在服务器上收集各种数据并且可在整个装置网络中共享。具体来说，所述系统通过网络向工人和工匠协调和传播支持性可视化、工作包、检查指令以及测量指令，工人和工匠用他们的装置无线接收来自服务器的信息。
作为一种趋势技术，增强现实(AR)是向用户提供此类信息的高级方式，并因此，测绘系统已经是上述技术领域中的流行辅助设备，以利用AR数据(诸如测量数据(例如，点云)、描述性文本、描述性数字、指令、检查计划、测绘计划、二维或三维对象、导航指示、导航地图、图像，和/或视频剪辑)的参照可视化来支持用户。
在所述领域中，增强现实(AR)系统通常用于通过参照可视化来支持现场用户。包括诸如AR眼镜或AR头盔(简称：AR装置)的可佩戴装置的增强现实(AR)系统正变得越来越可用并且性能越来越高。这种AR系统通常包括至少一个标记，该标记相对于一坐标系按预规定的位姿精确设置，AR装置可以借助于该标记定位自身。一旦锁定在坐标系中，AR装置就能够利用与该坐标系(即，到自然环境)相关联的精确空间来显示虚拟对象。例如，通过扫描该标记并一次又一次地分析其外观来持续保持锁定状态。
为了将AR数据覆盖在AR装置的显示器内(诸如AR头盔的头戴式显示器(HMD)内或平板电脑的屏幕内)的正确位置，以使得观察者(AR装置的用户)将AR数据视为与其周围环境在空间上相关联(参照)，持续地检测AR装置相对于参照系的位姿。这些覆盖图利用人工可视化来增强现实。已知的定位过程是基于图像确定AR装置相对于参照系的位姿，该参照系本身具有已知位姿。例如，这种位姿检测可以通过计算机视觉(尤其是图像后方交会(resection))来实现。用于相对于参照系定位AR装置的常见手段是标记，尤其是QR标记或根据图像特征而独特的特有物理特征。
已知的AR装置依靠成像传感器或惯性传感器来跟踪它们在场景内的位置。AR对象可以“锁定”在真实场景中的精确位置的准确度是有限的，尤其是在昏暗环境或者仅可以从视频流中提取几个特征用作参照的环境中。
发明内容
因此，本发明提供了一种改进的AR系统，并且尤其旨在提高AR装置的显示器上所显示的AR数据的定位准确度。本发明的另一特定目的是提供AR装置的坐标系与BIM模型的坐标系的更鲁棒且更精确的重合。
针对用户和针对根据本发明的AR系统的使用的改进涉及以下各项中的至少一个：增加人体工程学、在低光和明亮日光情况下的更高鲁棒性、节省时间以及较高的精度。
至少一个所述改进的实现可以通过测绘仪器的参与来提供，该测绘仪器包括用于提供红外范围参照标记的投影仪。这种测绘仪器通常存在于上面概述的工作环境中，并且具有针对环境来定位其自身的内部坐标系的能力(例如通过将点云与BIM模型匹配，或者通过精确地测绘诸如地标、用于参照的特殊标志或后向反射器的参照点)。
为了测量场景中的一目标点，或尤其是多个点，许多大地测绘仪器在现有技术中是公知的。作为标准空间数据，记录从测量设备到要测量的目标点的距离和方向或立体角，并且，尤其是，借助于可能现有的参照点来获取测量设备的绝对位置。这种大地测绘仪器的广泛已知的示例是激光扫描仪、激光跟踪仪、视距仪或全站仪，其中，后者还被称为电子视距仪或计算机视距仪。现有技术的大地测绘仪器例如在公报文献EP 1686350中进行了描述。这种设备具有电子传感器角度和距离测量功能，其使得能够确定针对选定目标点的方向和距离。在这种情况下，该角度和距离量按该设备的内部参照系来确定，并且针对绝对位置确定，还可以与外部参照系相关联。
现代测绘仪器具有包括用于数字后处理并存储所获取的测量数据的微处理器的计算机。该仪器通常按紧凑和集成设计生产，通常利用同轴距离和角度测量元件，并且计算、控制以及存储单元被集成在该仪器中。
此外，从现有技术已知的测绘仪器通常具有用于设立针对外部外围组件(例如，针对数据获取装置)的无线链路的无线电链路接口(或者基于诸如WiFi或bluetooth的其它无线技术)，所述外围组件尤其可以被形成为手持式数据记录器、遥控单元、阵列处理器、笔记本、AR装置(平板PC、智能电话、眼镜和/或头盔)。这些外围组件能够以图形方式显示与测量有关的信息。
为了生成点云，利用大地测量装置(诸如地面激光扫描仪或全站仪)，可以扫描物体、内部场景(诸如建筑物中的房间)，或外部场景(如建筑物的外墙)。通常使用飞行时间(TOF)测量方法，利用3D激光扫描仪对这些景物(背景)进行测量，以便在一坐标系内对3D点云进行采样。另外，照相机可以与激光扫描仪相关联并且可以被配置成捕获与正被扫描的背景(setting)相关联的图像，以提供“仪器中心”视图。此外，这种仪器还可以配备有显示该仪器中心视图的显示器。
AR装置通常通过检测和标识诸如QR标记的设立人工目标来建立相对于环境的定位状态。设立标记是一项具有挑战性和耗时的任务，因为其需要规划这些目标的布置和安装，以便满足可视性约束(至少三个标记应当从每个设立点可见，或者该标记应当大到足够从图像特征中提取其取向)。用于相对于其环境来定位AR装置的第二种方式是，对环境结构的基于图像的扫描并且将该结构与已知的三维BIM模型相匹配。然而，对于该第二种方法来说，必须始终给出所捕获场景的实质且充分结构化的覆盖图，以提供稳定的参照。尤其是在近场应用中，诸如靠近墙壁的钻孔作业，通常很难看出所捕获场景的结构。根据本发明的AR装置克服了这些困难。
一般来说，根据本发明的AR系统通过提供视觉信息(AR数据)来支持用户，该视觉信息例如用于标识钻孔的位置、切割路径、零部件布置，或者用于通过具有地理参照指令的工作包(动画或静态)来进行指导。所述AR装置具有被配置为捕获红外(IR)范围图像的至少一个视觉传感器和至少一个惯性传感器，诸如陀螺仪、IMU或用于运动跟踪的加速度计。该惯性传感器尤其用于计算AR装置的位置和取向，并借此进行粗略定位。视觉传感器可以是广角照相机、立体照相机或深度照相机。
用于处理转换和参照AR数据的计算机可以由AR装置构成，该AR装置可以包括处理器、图形处理单元(GPU)以及全息处理单元(HPU)中的至少一个。然而，该计算机也可以设置在云中，即，AR装置连接至网络中的服务器并且接收AR数据和/或显示AR数据的位置。
该AR系统的组件，即，AR装置和测绘仪器各自可以包括数据通信单元，该数据通信单元使得它们能够彼此之间相互通信和传递数据。该通信单元可以基于Bluetooth、无线电链路以及WiFi中的至少一个的技术。在本发明的特定实施方式中，投影参照的形状由伪随机码、QR码、ArUco码、Aztec码等来确定。投影仪可以被实现为具有IR范围的激光微型投影仪(单色或多色)。在本发明的特定实施方式中，所投影的参照标记可相对于位置、大小、形状和/或强度进行调节。
本发明涉及一种测绘仪器、AR系统以及用于相对于参照系定位增强现实(AR)装置的方法。
根据本发明的测绘仪器(其尤其是全站仪、激光跟踪仪或激光扫描仪)可以用于相对于测绘仪器的内部坐标系来获取三维测量点，并且可以具有测量单元，该测量单元规定所述内部坐标系，并且包括：支架，该支架安装在底座上并且可相对于所述底座绕方位轴旋转；用于提供发送射束的发射单元；用于检测接收射束的接收单元；引导单元，该引导单元安装在所述支架中、可相对于所述支架绕俯仰轴旋转，并且被配置为将来自发射单元的发送射束朝向场景引导，将来自场景的接收射束引导至射束接收单元；投影仪，该投影仪被配置为将光图案投影到场景中的表面上，其中，所述光图案的位姿(尤其是和尺寸)可相对于内部坐标系来规定；以及仪器计算机，该仪器计算机被配置为控制测量单元和投影仪，基于利用测量单元获得的测量数据，相对于参照系来定位内部坐标系，尤其是其中，测量参照点，并且/或者测量整个场景并与所述场景的模型进行比较，尤其是其中，仪器计算机被配置为执行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储场景的模型，以及场景的模型相对于参照系的尺寸和位姿。其中，投影仪被配置为提供参照标记作为光图案，其中，该参照标记被设计成使得AR装置能够相对于所述参照系来定位它们的位姿。
投影仪和仪器计算机中的至少一个可以被配置为基于AR数据(尤其基于所述AR数据的位姿)来调节参照标记的位姿(尤其是和尺寸)，其中，仪器计算机可以被配置为进行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储AR数据，以及参照标记相对于参照系的尺寸和位姿。
测绘仪器可以包括仪器通信单元，该仪器通信单元被配置为发送和接收信息，尤其用于发送AR数据和/或场景的模型和/或场景中的参照点，并且其中，投影仪和仪器计算机中的至少一个可以被配置为基于由仪器通信单元接收到的信息来调节所述参照标记的位姿(尤其是和尺寸)，尤其是其中，所述信息包括AR装置的位置信息，尤其是其中，所述信息包括AR装置的位姿信息。
投影仪和仪器计算机中的至少一个可以被配置为基于距投影的参照标记的距离(尤其基于所述距离的当前值)来调节参照标记的位姿(尤其是和尺寸)，其中，测量单元被配置为获得所述距离。
投影仪可以被配置为按人眼不可见的波长发射参照标记的光，尤其是其中，参照标记的光具有红外或近红外光范围内的波长。
根据本发明的AR系统包括根据本文描述的测绘仪器和具有传感器单元的AR装置(尤其是AR眼镜或AR头盔)，该传感器单元包括：视觉传感器，尤其是照相机，尤其是一个以上的照相机，其中，视觉传感器被配置为捕获场景；显示器，该显示器被配置为提供所述场景的真实视图，和根据AR数据覆盖到所述真实视图上的覆盖图，其中，AR数据具有相对于参照系的规定位姿；装置计算机，该装置计算机被配置为控制传感器单元，以进行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储AR数据，以及参照标记相对于参照系的尺寸和位姿，并且基于由视觉传感器捕获的投影参照标记确定AR装置相对于参照系的位姿，基于AR装置相对于参照系的位姿生成覆盖图。
传感器单元还可以包括惯性传感器(尤其是陀螺仪、加速度计或惯性测量单元(IMU))，并且装置计算机可以被配置为进行以下各项中的至少一项：确定AR装置相对于参照系的位姿，以及还基于惯性传感器的输出生成覆盖图。
AR装置可以包括装置通信单元，该装置通信单元被配置为发送和接收信息，尤其用于接收AR数据，尤其用于将位姿数据(关于AR装置的位姿)发送给测绘仪器。
视觉传感器可以包括滤光器，该滤光器被配置为仅允许或主要允许人眼不可见的波长下的光通过，尤其是其中，该滤光器将照相机升级为视觉传感器。
传感器单元可以包括红外(IR)照相机或近红外(NIR)照相机。
根据本发明的方法适于相对于参照系来定位增强现实(AR)装置，并且所述方法包括以下步骤：利用根据本文所描述的AR系统的测绘仪器，将参照标记投影到场景中的表面上，其中，参照标记的位姿(尤其是和尺寸)相对于所述参照系来规定；利用本文所描述的AR系统的AR装置，基于由视觉传感器捕获的投影参照标记，确定AR装置相对于参照系的位姿；基于AR装置相对于参照系的位姿生成覆盖图；以及根据AR数据提供覆盖到真实视图上的覆盖图。
所述方法还可以包括：利用测绘仪器，基于利用测量单元获得的测量数据，相对于参照系来定位内部坐标系。
所述方法还可以包括：利用测绘仪器，基于以下各项中的至少一个来调节参照标记的位姿：AR数据；由仪器通信单元接收到的信息；距投影的参照标记的距离，其中，所述距离利用测量单元获得。
所述方法还可以包括：利用测绘仪器和AR装置各自进行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储AR数据，以及参照标记相对于参照系的尺寸和位姿。
所述方法还可以包括：利用测绘仪器，按人眼不可见的波长发射参照标记的光，以及利用AR装置，按人眼不可见的所述波长捕获所述参照标记。
附图说明
下面通过参照伴随附图的示例性实施方式对本发明进行详细描述，在附图中：
图1a、图1b示出了根据本发明的AR系统的示例性增强现实(AR)装置；
图2至图4示出了根据本发明的AR系统的示例性使用情况，即，根据本发明的方法的实施方式；
图5a、图5b示出了根据本发明的AR系统的示例性测绘仪器；
图6示出了由被测绘仪器跟踪的“转运(forwarding)”探测器执行的AR投影。
具体实施方式
图1a和图1b示出了根据本发明的增强现实(AR)装置的两个实施方式10/11，即，AR眼镜10和AR头盔11。根据本发明的AR装置包括视觉传感器100/101，该视觉传感器被配置为捕获红外和/或近红外范围内的图像。视觉传感器100/101尤其包括以下各项中的至少一个：红外照相机、近红外照相机、全景照相机、深度照相机。AR装置还包括用于显示AR数据的显示器120/121，以及用于控制视觉传感器100/101和显示器120/121的计算机110/111。图1a和图1b的两个示例中所示的显示器可以包括用于将AR数据投影到显示器120/121上的投影仪(未示出)。根据本发明的AR装置的其它实施方式是诸如智能电话或平板计算机的手持装置。这种手持装置通常还包括视觉传感器(照相机)、计算机(处理器)以及显示器(屏幕)，并且被配置成显示参照的AR数据。
根据本发明，计算机被配置为接收或存储AR数据和分配给参照系的参照标记。对于接收功能，AR装置可以包括用于以下各项中的至少一项的无线通信单元(例如使用WiFi、蓝牙、无线电链路等)：连接至服务器、与服务器通信、以及从/向服务器传递数据。这种服务器例如可以是作为设备由用户持有的控制器或者云计算机。对于存储功能，AR装置可以包括数据存储单元，诸如硬盘或可插拔存储卡。
视觉传感器被配置成在视觉上捕获红外范围内的环境。当视觉传感器捕获了参照标记时，该计算机被配置为识别被分配所捕获的参照标记的对应参照系。该计算机还被配置为确定AR装置相对于所识别出的参照系的位姿，从而建立定位状态。确定AR装置相对于所识别出的参照系的位姿通过本领域已知的方法来执行，即，例如图像后方交会，其中，对所捕获标记的已知结构进行分析。
AR装置还可以包括位置和取向传感器(位姿传感器)(未示出)，其被配置成提供用于支持位姿确定的位置和取向数据(位姿数据)。这样的位姿传感器例如可以包括以下各项中的至少一项：惯性测量单元(IMU)、陀螺仪、磁强计、加速度计、全球导航卫星系统(GNSS)传感器等。
显示器120和121可以是透明的，并且AR数据通过投影到透明显示器上而被可视化。然而，该显示器也可以被实现为屏幕，以使得如本文所述的AR系统可以被理解为虚拟现实(VR)系统。
图2示出了根据本发明的AR系统的示例性实施方式。在所示情况下，一位工匠计划钻孔并将通道切入建筑物内的墙壁中。为此，AR系统被配置成将支持性AR数据(即位置标记1200、1201)提供到工匠所佩戴的AR装置10上。测绘仪器2包括红外投影仪20，用于提供参照标记200，该参照标记使得AR装置10能够相对于参照系定位其自身(即其位姿)。测绘仪器2还包括计算机21和测量单元22。所投影的参照标记也可以具有紫外线范围或任何其它实际范围内的波长，其中，视觉传感器被配置成检测相应范围内的辐射。
为了感测红外或近红外参照标记200，AR装置10具有红外或近红外视觉传感器100，该视觉传感器具有视场140。通过选择用于投影和捕获的红外或近红外范围，参照标记对于旁观者或AR装置的用户来说不可见。在这方面，测绘仪器2和AR装置10以人眼不可察觉的方式协作。
此外，在红外或近红外范围内操作的一个优点是，当场景暴露于强日光时，参照标记200的改进的可检测性。在这种情况下，AR装置的视觉传感器(其被实现为在人眼可见的光范围内操作的照相机)将难以检测由在人眼可见的光范围内操作的投影仪提供的参照标记。根据本发明的AR系统在日光环境下可靠且稳定地工作。
为了将参照标记200投影在正确的位置(即，建筑结构内分配给它的位置)，测绘仪器2自身相对于该参照系进行定位。这意味着测绘仪器的内部坐标系在空间上与该参照系相关。例如，如果测绘仪器被实现为激光扫描仪，则可以从激光扫描仪的未指定位置执行场景扫描。通过将场景的扫描三维点云与建筑物的建筑信息建模(BIM)模型相匹配，可以确定激光扫描仪相对于参照系的位置和取向。如果测绘仪器被实现为全站仪或激光跟踪仪，则通过单点测量可以测量至少三个地标(例如窗户角、房间角落、设立参照反射器或其它参照点)，以便确定全站仪相对于参照系的位置和取向。可选地，还可以基于图像数据执行测绘仪器相对于场景的定位，尤其是其中，使用测绘仪器的视觉传感器，或者尤其是其中，测绘仪器包括在人眼可见的波长范围内操作的另一视觉传感器。BIM模型可以是该参照系或者可以包括该参照系或者可以与该参照系空间上相关联。
尤其是，参照标记200的位置和取向在BIM系统内是预定的。BIM系统的设计者/工程师例如可以将参照标记置于策略上有用的位置，例如以使得用户的AR装置的视觉传感器总是或大部分时间捕获其视场内的参照标记，其中，可以考虑关注点(POI)，如用户计划执行某些工作的地方(如图2所示)。因此，一旦被AR装置检测到并识别出，AR装置就立即获知参照标记200的位置和取向。AR装置可以存储参照标记200的外观和位姿，或者被配置成将所捕获的参照标记与存储在服务器上的参照标记的数据库进行匹配。图2中在用户上方和测绘仪器上方示出的圆形信令符号演示了与外部服务器的这种可选互连性和/或连接性(在每种情况下)。然而，AR系统的“离线”实施方式也是可能的。如上所述，针对该目的，AR装置10和测绘仪器2将具有用于存储至少一个参照标记的外观及其在参照系内的位置的装置，并且测绘仪器2将另外存储BIM模型，以便能够相对于场景定位自身。
因此，AR眼镜可以存储，或接收来自服务器的AR数据，即，显示用于辅助用户的增强信息。这些AR数据与参照系在空间上相关，尤其是与BIM模型在空间上相关。BIM模型还可以可选地存储在AR装置上或者从服务器检索。
另选地，如果AR装置10和测绘仪器2被实现为“离线”装置，则它们可以通过第三装置(例如控制器、智能电话或平板PC)与上述数据同步，该第三装置可以访问存储在服务器上，或存储在第三装置本身上的最新数据(AR数据、BIM模型、参照标记；所有上述数据都相对于参照系)。例如，AR装置10和测绘仪器2可以各自包括近场通信(NFC)接口，其中，具有其自身NFC接口的第三装置可以仅保持针对AR装置和测绘仪器的NFC接口，以便同步数据。
另选地，测绘仪器2可以是最新的装置，因为其包括允许从服务器检索最新数据的通信单元。在这种情况下，AR装置可以针对要更新的测绘仪器的NFC接口保持其NFC接口。如本领域技术人员显而易见的，这些在线-离线星座(constellation)可以任意改变。
无论选择什么数据分发选项，一旦AR装置10被提供有对AR数据1200、1201的选择并且提供有对至少一个参照标记200的选择，在参照标记200位于视觉传感器100的视场内的情况下，AR数据就可以覆盖到用户佩戴AR装置时其所具有的场景的真实视图上。
作为借助于参照标记来相对于参照系定位AR装置的行为的另选方案，该过程还可以以这样的方式来理解，即，AR装置不会真正“锁定”到参照系中，而是仅仅确定参照标记与分配给参照标记的AR数据之间的空间关系。该过程可以基于图像处理，尤其是与位姿传感器的支持性数据相结合。
除了被显示为用于钻孔和切割通道的位置指示的AR数据1200、1201之外，还可以将另外的AR数据覆盖到AR装置的显示器上，诸如关于使用哪种工具或如何使用该工具的文本指令。而且，AR数据可以包括位于墙壁内并且在用工具处理墙壁时要避免的电力线或水管。
可选地，AR装置10可以被配置成执行视觉即时定位与建图(VSLAM)处理，以便捕获场景的粗略表示(三维点云)。如果提供针对BIM模型的访问(存储在AR装置的计算机上，或者可通过AR装置的计算机从该AR装置所无线连接至的服务器检索)，则粗略位姿确定也可以发生在AR装置的一方。如果与BIM模型匹配，则获知待显示AR数据的粗略位置，并且还获知与AR装置一起看的方向，以便实现对参照标记光图案的锁定。
尤其是，AR装置可以包括惯性传感器(诸如IMU、加速度计、陀螺仪等)，以支持该定位目的。利用AR装置的所述内部定位过程可以在振动校正和全局响应性方面具有优势。
AR装置可以被配置成，一旦AR装置10检测到并识别出参照标记200，就请求用户输入(例如)关于显示什么AR数据，应当有多个如图2所示的示例中所示的AR数据(钻孔/通道)。用户输入可以利用语音控制、手势控制或通过第三装置(如控制器)输入来实现。通常，AR装置可以请求用户确认是否应当完全显示AR数据。
尤其是，测绘仪器2设置AR数据的位置(其中，AR数据被关联到参照系或BIM模型内)，并使投影仪20将标记相应地投影在与AR数据所关联的位置相邻的表面上，尤其是其中，AR数据和参照标记的投影在参照系或BIM模型内具有相同的位置。
图3示出了本发明另一实施方式。用户佩戴着他的AR装置10接近墙壁，因为他将要钻出通过AR数据1200在AR装置10的显示器上标记的孔。如在图3中看出的，与图2中的情况相比，参照标记200缩小到更小的尺寸。由于AR装置10的视觉传感器140的视场现在捕获墙壁的较小部分，因此已经进行了调节。如果参照标记200仍然如图2所示那么大，那么AR装置10就无法整体捕获该标记。因此，测绘仪器2可以以投影仪20调节参照标记200的尺寸的这种方式进行配置。
类似地，在用户改变其观看方向的情况下，测绘仪器2可以使投影仪20将参照标记200投影在不同的位置，致使视觉传感器100的视场可能不再捕获该标记。
类似地，在用户对标记的观察与该标记所投影到的墙壁具有太尖锐的角度的情况下，测绘仪器2可以使投影仪20以一定的失真投影参照标记200。尤其是，投影仪20可以被配置成，调节参照标记200的形状，使得AR装置10的视觉传感器100“感知”标记而没有失真。
可以以许多不同方式来实现这些调节。例如，AR装置10和测绘仪器2可以包括数据通信单元，并且这些通信单元被用于将信息从AR装置发送到测绘仪器。
这样的信息可以是如通过视觉传感器100捕获的参照标记的大小(按像素)。在这种情况下，可以例如调节投影，以使所述大小保持相同或基本相同，而不管用户与投影平面(墙壁)之间的距离如何。
然而，这样的信息也可以是AR装置相对于参照系的当前位姿，或者相应地：相对于测绘仪器的当前位姿。利用该信息，可以确定哪个表面被视觉传感器100的视场暂时捕获。在这种情况下，可以例如调节投影，以使参照标记200总是保持在所述表面内。利用AR装置的当前位姿，还可以确定暂时捕获该表面的角度。在这种情况下，例如可以调节投影，使得参照标记200从视觉传感器100的视角保持始终不失真。
在参照标记200的大小、形状、方向等改变的情况下，可以将该改变从测绘仪器2传送至AR装置，因为AR装置可以使用标记的外观来相对于场景(参照系或BIM模型)定位自身。
图4示出了本发明的另一实施方式。所示情况中出现的一个问题是参照标记200没有完全投影在假定要投影的墙壁的表面上。在用户完成钻出利用AR数据1200指示在墙壁上的两个孔中的左侧孔之后，他继续进行右侧孔，从而交叉参照标记200的投影线。因此，针对如上所述基于用户的视角调节投影位置的另选方案，可以基于阴影检测更简单地调节投影位置。例如，测绘仪器2的测量单元22(其以飞行时间(TOF)原理工作)可以连续监测距投影平面的距离值。在诸如距离值减小的干扰的情况下，投影方向可以避至200'所示的位置。另选地，AR装置被配置成生成用于投影仪的调节命令，以调节参照标记到照相机100当前可见的表面的对准。
在视觉传感器100没有捕获到该参照标记的情况下，AR系统可以被配置成将用户引导至可以再次观看该标记的视角，例如，通过AR装置上显示的指向该标记的箭头。
类似地，如果因参照标记200(或200')对于视觉传感器100(在视场140内)完全可见而定位AR装置10，那么指示箭头可以显示在AR装置10的显示器120上，指向暂时处于视场130之外的AR数据的方向。
图5a和图5b分别示出了根据本发明的示例性测绘仪器。图5a抽象地示出了全站仪、测速仪，或经纬仪，它们都具有与所示类似的结构。图5b示出了具有快速旋转镜的激光扫描仪。
所有测绘仪器的共同之处在于它们包括：支架202/203，其被配置成相对于底座204/205绕垂直轴V旋转；射束引导单元206/207，其被配置成相对于支架202/203绕水平轴H旋转；发射单元和接收单元，它们被设置在引导单元206中或支架203中。发射单元被配置成发射发送射束T，并且接收单元被配置成接收接收射束R(该接收射束是反射的发送射束)。测绘仪器包括计算机(未示出)，该计算机被配置成基于射束T和R执行飞行时间(TOF)测量。该测绘仪器还包括用于旋转轴V和H的马达和角度编码器，以使TOF测量的距离可以被分配给立体角(即，以仪器为中心的内部坐标系内的仰角和方位角)。该测绘仪器可以设置在三脚架208/209上。
根据本发明，测绘仪器包括投影仪20/201，该投影仪被配置成按规定的对准投影如本文所述的IR或NIR投影。为此，投影仪具有相对于测绘仪器的内部坐标系的空间已知位置和取向。如图5a和图5b所示，投影仪20/201可以附接到测绘仪器。然而，投影仪也可以集成到仪器壳体(例如支架)中，或者可以附接到测绘仪器的与所示不同的组件上。
测量单元的发射器还可以充当投影仪，用于将参照标记投影为光图案。在该示例中，作为附加单元的投影仪被舍弃。引导单元可以绕水平轴和垂直轴旋转，以便在环境中的规定位置处显示参照标记。发射器的激光器例如可以利用静止引导单元发射多射束图案。尤其是当测绘仪器是具有高速旋转引导单元(镜子)的激光扫描仪时，该激光器可以在引导单元的规定旋转位置发射单个光束，由此，在墙壁上以根据镜子的旋转速度的显示刷新率提供所规定的图案。尤其是，由电子测距(EDM)单元投影的四个点可以被用作AR装置的基点。测绘仪器也可以是经纬仪/全站仪，其中，内部扫描单元(例如MEMS)或EDM被用于投影。
然而，测绘仪器可以配备有投影仪作为单独的单元或者不配备投影仪，如果测绘仪器具有不可能进行所需投影的位置(例如，在拐角周围)，或者距投影平面的距离太远，或者投影光会以一个过于倾斜的角度到达投影平面，可以将“转运(forwarding)”探测器(rover)用于投影。
这种探测器可以被实现为支架、支座，或托架。例如，探测器可以包括杆和三脚架，如图6所示。测绘仪器2'通过由探测器构成的反射器31跟踪探测器3。探测器3还包括投影仪30，其被机动化以在两个垂直轴上旋转。正如图2中，参照标记200被投影到墙壁上。由于测绘仪器2'不能到达墙壁的投影表面，因而，其通过测量探测器在房间中的位置来跟踪该探测器。测绘仪器2'具有用于向探测器发送关于投影仪30需要如何对准以实现参照标记的希望投影的数据的装置。因为探测器距离墙壁更近，并且更适合对准墙壁，所以与需要从更远距离掌握投影的投影仪相比，其投影仪30可以配置有更低的精度和/或光强度。
尽管上面部分参照一些优选实施方式例示了本发明，但必须明白，可以进行这些实施方式的许多修改和不同特征的组合。这些修改全部落入所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种测绘仪器，该测绘仪器用于获取相对于所述测绘仪器的内部坐标系的三维测量点，所述测绘仪器具有：
●测量单元，所述测量单元规定了所述内部坐标系，并且包括：
□支架，所述支架安装在底座上并且能够相对于所述底座绕方位轴旋转，
□发射单元，所述发射单元用于提供发送射束，
□接收单元，所述接收单元用于检测接收射束，
□引导单元，所述引导单元安装在所述支架中，能够相对于所述支架绕俯仰轴旋转，并且被配置用于：
●将来自所述发射单元的所述发送射束引向场景，
●将来自所述场景的所述接收射束引至所述接收单元，
●投影仪，所述投影仪被配置为将光图案投影到所述场景中的表面上，其中，能够相对于所述内部坐标系规定所述光图案的位姿，以及
●仪器计算机，所述仪器计算机被配置为：
□控制所述测量单元和所述投影仪，
□基于利用所述测量单元获得的测量数据，相对于参照系来定位所述内部坐标系，
其特征在于，
所述投影仪被配置为提供参照标记作为所述光图案，其中，所述参照标记被设计成使得AR装置能够相对于所述参照系来定位所述AR装置的位姿。
2.根据权利要求1所述的测绘仪器，
其中，所述投影仪被配置为基于AR数据来调节所述参照标记的所述位姿，其中，所述仪器计算机被配置为进行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储所述AR数据，以及所述参照标记相对于所述参照系的尺寸和位姿。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测绘仪器，
其中，所述测绘仪器包括仪器通信单元，所述仪器通信单元被配置为发送和接收信息，并且
其中，所述投影仪被配置为基于由所述仪器通信单元接收到的信息来调节所述参照标记的所述位姿。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测绘仪器，
其中，所述投影仪被配置为基于距所投影的参照标记的距离来调节所述参照标记的所述位姿，其中，所述测量单元被配置为获得所述距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测绘仪器，
其中，所述投影仪被配置为以人眼不可见的波长发射所述参照标记的光。
6.一种增强现实AR系统，该AR系统包括：
●根据前述权利要求中任一项所述的测绘仪器，以及
●AR装置，所述AR装置具有：
□传感器单元，所述传感器单元包括视觉传感器，其中，所述视觉传感器被配置为捕获场景，
□显示器，所述显示器被配置为提供
●所述场景的真实视图，以及
●根据AR数据覆盖到所述真实视图上的覆盖图，其中，所述AR数据具有相对于所述参照系的规定的尺寸和规定的位姿，
□装置计算机，所述装置计算机被配置为：
●控制所述传感器单元，
●进行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储所述AR数据，以及所述参照标记相对于所述参照系的尺寸和位姿，并且
●基于由所述视觉传感器捕获的所投影的参照标记，确定所述AR装置相对于所述参照系的位姿，
●基于所述AR装置相对于所述参照系的所述位姿生成所述覆盖图。
7.根据权利要求6所述的AR系统，
其中，所述传感器单元还包括惯性传感器，并且其中，所述装置计算机被配置为进一步基于所述惯性传感器的输出来进行以下各项中的至少一项：
●确定所述AR装置相对于所述参照系的位姿，以及
●生成所述覆盖图。
8.根据权利要求6或7所述的AR系统，
其中，所述AR装置包括装置通信单元，所述装置通信单元被配置为发送和接收信息。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的AR系统，
其中，所述视觉传感器包括滤光器，所述滤光器被配置为仅允许或主要允许人眼不可见的波长的光通过。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的AR系统，
其中，所述传感器单元包括红外(IR)照相机或近红外(NIR)照相机。
11.一种用于相对于参照系来定位增强现实AR装置的方法，该方法包括以下步骤：
●利用根据权利要求6至10中任一项所述的AR系统的测绘仪器，将参照标记投影到场景中的表面上，其中，相对于所述参照系来规定所述参照标记的位姿，
●利用根据权利要求6至10中任一项所述的AR系统的AR装置，
□基于由所述视觉传感器捕获的所投影的参照标记，确定所述AR装置相对于所述参照系的位姿，
□基于所述AR装置相对于所述参照系的所述位姿生成覆盖图，并且
□根据AR数据将所述覆盖图提供到真实视图上。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法包括以下步骤：
●利用所述测绘仪器，基于利用所述测量单元获得的测量数据，相对于参照系来定位所述内部坐标系。
13.根据权利要求11或12所述的方法，该方法包括以下步骤：
●利用所述测绘仪器，基于以下各项中的至少一项来调节所述参照标记的所述位姿
□所述AR数据，
□由所述仪器通信单元接收到的信息，
□距所投影的参照标记的距离，其中，利用所述测量单元获得所述距离。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：
●利用所述测绘仪器和所述AR装置分别进行以下各项中的至少一项：接收、生成和存储所述AR数据，以及所述参照标记相对于所述参照系的尺寸和位姿。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，该方法包括以下步骤：
●利用所述测绘仪器，以人眼不可见的波长发射所述参照标记的光，以及
●利用所述AR装置，以所述人眼不可见的波长捕获所述参照标记。
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