DE10063089C1 - Anwendergesteuerte Verknüpfung von Informationen innerhalb eines Augmented-Reality-Systems - Google Patents

Anwendergesteuerte Verknüpfung von Informationen innerhalb eines Augmented-Reality-Systems

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren in einer Augmented-Reality-Umgebung, welches die Informationsdarstellung hinsichtlich der Anwenderfreundlichkeit verbessert. Das System besteht aus einer Anzeigevorrichtung (2) zum Anzeigen von Informationen (3), einer Bilderfassungseinheit (7) zur Erfassung von Objekten (9) in einem Sichtfeld (8) eines Anwenders (1), einer Befehlserfassungseinheit (10) zur Erfassung von Befehlen (4) des Anwenders (1) und einer Steuerungseinheit (11) zum Ansteuern der Anzeigevorrichtung (2), zum Erkennen der von der Bilderfassungseinheit (7) erfassten Objekte (9) und zur Verarbeitung der durch die Befehlserfassungseinheit (10) erfassten Befehle (4) des Anwenders (1), wobei eine durch die Befehle (4) des Anwenders (1) steuerbare Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen (3) und den zeitgleich erfassten Objekten (9) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und Verfahren zur anwender­ gesteuerten Verknüpfung von Informationen innerhalb eines Augmented-Reality-Systems.
Ein derartiges System und Verfahren kommt beispielsweise im Bereich der Automatisierungstechnik, bei Produktions- und Werkzeugmaschinen, bei Diagnose-/Serviceunterstutzungs­ systemen sowie für komplexe Komponenten, Gerate und Systeme, wie beispielsweise Fahrzeuge und industrielle Maschinen und Anlagen zum Einsatz.
Aus der WO 2000/52541 A1 ist ein System und Verfahren zur situationsgerechten Unterstützung der Interaktion zwischen einem Anwender und einer technischen Vorrichtung mit Hilfe von Augmented-Reality-Technologien bekannt. Eine konkrete Arbeitssituation wird dabei automatisch erfasst, analysiert und aus statischen Informationen werden automatisch für die analysierte Arbeitssituation relevante Informationen ausgewählt und dargestellt.
Die DE 100 06 125 A1 beschreibt einen tragbaren Computer zur Verwendung in einer Prozesssteuerungsumgebung, welcher eine Verarbeitungseinheit, einen Speicher und eine Reihe Peripheriegeräte wie z. B. eine Anzeigeneinspiegelung bzw. ein Head-up Display, ein Mikrophon, eine Videokamera und ein Fern-Kommunikationsgerät, das mit einem Host-Rechner kommuniziert, umfasst. Der tragbare Computer liefert über die Anzeigeneinspiegelung Informationen, die mit einem oder mehreren Geraten innerhalb des Prozesssteuerungssystems in Zusammenhang stehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Informations­ darstellung innerhalb eines Augmented-Reality-Systems hinsichtlich der Anwenderfreundlichkeit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein System sowie ein Verfahren mit den in den Ansprüchen 1 bzw. 8 angegebenen Merkmalen gelöst.
Das erfindungsgemäße System bzw. Verfahren lässt sich vorzugsweise in einer Augmented-Reality-Umgebung einsetzen. Objekte im Sichtfeld des Anwenders werden durch das System erfasst und erkannt und es wird in Abhängigkeit vom erkannten Objekt eine bestimmte mit diesem Objekt verknüpfte Information in eine Anzeigevorrichtung eingeblendet. In bekannten Systemen dieser Art hat der Anwender keine Möglichkeit, Inhalt und Darstellungsart dieser angezeigten Information direkt zu beeinflussen. Gemäß der Erfindung erhält der Anwender diese Möglichkeit. Er kann durch Befehle die Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen und den zeitgleich erfassten Objekten steuern und wird damit vom passiven Informationsempfänger zum aktiven, in den Prozess der Informationsbereitstellung eingreifenden Nutzer.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem üblichen Augmented-Reality-System die angezeigte Information "labil" ist. Wenn die typischerweise am Kopf des Anwenders befestigte Bilderfassungseinheit wegen einer Kopfbewegung das Objekt, welchem die Information zugeordnet ist, nicht mehr erfassen kann, wird diese Information nicht mehr angezeigt. Der Anwender muss dann durch Ausprobieren verschiedener Kopfstellungen versuchen, sich die hinterlegte Information wieder einblenden zu lassen, was zeitraubend und frustrierend sein kann. Hat die Bilderfassungseinheit das Objekt wieder erfasst, muss der Anwender versuchen, seinen Kopf bzw. seine Position so lange ruhig zu halten, bis er die angezeigten Informationen gelesen hat.
Im Gegensatz zu einem üblichen Augmented-Reality-System, wo der Anwender zu einem relativ unnatürlichen Verhalten gezwungen wird, was sowohl ergonomische Grundprinzipien verletzt als auch eine Ablehnung des gesamten Systems provozieren kann, ist die Steuereinheit zum durch die Befehle des Anwenders steuerbaren, reversiblen Auftrennen der Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen und den zeitgleich erfassten Objekten, die Anzeigevorrichtung zum Anzeigen der Information unabhängig von den zeitgleich erfassten Objekten vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass die angezeigten Informationen durch Befehle des Anwenders auf der Anzeigevorrichtung quasi "eingefroren" werden und solange kontextunabhängig angezeigt bleiben, bis durch erneute Befehle des Anwenders die Informationsanzeige wieder "aufgetaut" wird. Insgesamt ergeben sich aus Sicht des Anwenders folgende Vorteile: Die virtuelle Information wird zunächst kontextabhängig, also dem erfassten Objekt zugeordnet, angezeigt und gibt dem Anwender somit Hinweise, auf welches reale Objekt sich die Information bezieht. Die Überlagerung im Sichtfeld des Anwenders ist jedoch labil und störanfällig, da sie abhängig von der stetigen Verbindung der Kamera zu dem markierten Objekt ist. Um die überlagerten Informationen zu stabilisieren, kann der Anwender die angezeigte Information über einen Befehl "einfrieren" und in Ruhe die kontextabhängigen Informationen kontextunabhängig betrachten, ohne Angst haben zu müssen, dass durch eine unachtsame Bewegung der Kontakt unterbrochen wird. Durch einen weiteren Befehl hebt der Anwender die Stabilisierung wieder auf.
Die Befehle des Anwenders, die vom System erfasst werden, können unterschiedlicher Art sein. Der Anwender kann durch Drücken einer Taste, durch Gestik, Mimik oder auch nur durch eine Augenbewegung die Verknüpfung steuern. Besonders vorteilhaft ist jedoch ein System bei welchem die Befehlserfassungseinheit zur Erfassung von Sprachbefehlen des Anwenders vorgesehen ist. Die Sprachinteraktion ist deswegen vorteilhaft, weil der Anwender über Sprache schneller reagieren kann. Müsste der Anwender die Funktionalität über eine Taste auslösen, könnten genau die dafür nötigen Bewegungen die Verbindung der Bilderfassungseinheit zum Objekt unterbrechen.
Um eine Kommunikation in beide Richtungen zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit zur Erzeugung von Rückmeldungen an den Anwender vorgesehen ist und Rückmeldevorrichtungen zur Übertragung der Rückmeldungen an den Anwender vorgesehen sind. Es ist besonders sinnvoll, die Rückmeldungen als akustische Rückmeldungen auszuführen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des System ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der erfassten Objekte diese mit mindestens einem Marker versehen sind, dessen von der Bilderfassungseinheit erfassbare Struktur von der Steuerungseinheit erkennbar ist und dass dem erfassten und erkannten Marker Informationen zugeordnet sind. Auch andere übliche sogenannte Tracking-Verfahren könnten zum Einsatz kommen, so könnte die Bilderfassungseinheit die Struktur oder Teile der Struktur des erfassten Objekts erkennen und für dieses Objekt hinterlegte virtuelle, kontextabhängige Informationen könnten angezeigt werden. Die so aufgerufene Information bezeichnet man auch als getrackte Information.
Damit die angezeigten Informationen vom Anwender leicht dem erfassten Objekt zugeordnet werden können und um Vorteile der Augmented-Reality-Technologie nutzen zu können, wird vorgeschlagen, dass als Anzeigevorrichtung ein Head-Mounted Display (z. B. eine Datenbrille) benutzt wird und die Informationen in das Sichtfeld des Anwenders eingeblendet werden.
Das vorgeschlagene System ist vorteilhaft einsetzbar in einer Augmented-Reality-Umgebung zur kontextunabhängigen Darstellung der zuvor kontextabhängig aufgerufenen Informationen auf der Anzeigevorrichtung, wobei die kontextunabhängige Darstellung durch die Befehle des Anwenders gestartet und beendet werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Systems in einer Augmented-Reality-Umgebung,
Fig. 2 das Sichtfeld eines Anwenders bei kontextabhängiger Darstellung der Information,
Fig. 3 das Sichtfeld des Anwenders bei kontextunabhängiger Darstellung der Information und
Fig. 4 eine schematische Darstellung des interaktiven Befehlsprozesses.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Systems in einer Augmented-Reality-Umgebung, bei dem ein Anwender 1 ein Head- Mounted Display 2 trägt und Befehle 4 über ein Headset- Mikrofon 10 an eine Steuerungseinheit 11 gibt. Am Head- Mounted Display 2 des Anwenders 1 ist eine Videokamera 7 montiert, die ein Objekt 9, z. B. eine Werkzeugmaschine, mit einer Teilkomponente 15 im Sichtfeld des Anwenders 1 erfasst. Die Werkzeugmaschine 9 ist mit einem Marker 6 markiert.
In dem in Fig. 1 gezeigten Szenario soll ein Service­ techniker 1 eine defekte Komponente 15 einer Werkzeugmaschine 9 reparieren. Er hat eine Steuerungseinheit 11 in Form eines mobilen Computers am Körper und trägt ein Head-Mounted Display 2. Der Servicetechniker 1 blickt auf die Komponente 15, die mit einem Marker 6 gekennzeichnet ist und mit Augmented-Reality-Information 3 hinterlegt ist. Die Kamera 7 am Head-Mounted Display 2 erfasst den Marker 6 und blendet die entsprechende virtuelle Information 3 in das Display 2 und damit in das Sichtfeld 8 des Technikers 1 ein. Der Techniker 1 kann Befehle 4 über ein Headset-Mikrofon 10 an die Steuerungseinheit 11 geben.
In Fig. 2 ist das Sichtfeld 8 des Technikers 1 bei kontextabhängiger Darstellung der Information 3 und das betrachtete Objekt 9 mit einer Komponente 15 dargestellt. Im gezeigten Fall der kontextabhängigen Darstellung wird die augmentierte Information 3 im Sichtfeld 8 des Technikers 1 so dargestellt, z. B. verbunden mit einem farbigen Kreis 14 um eine Komponente 15 der Werkzeugmaschine 9, dass die Information 3 für den Techniker 1 eindeutig dieser Komponente 15 zugeordnet werden kann. Die augmentierte Information 3 enthält im Anwendungsbeispiel textuelle Anweisungen, mit welchem Werkzeug und auf welche Weise diese Komponente 15 demontiert werden kann. Der Techniker 1 sieht die mit dem Kreis 14 gekennzeichnete Komponente 15 in seinem zentralen Sichtfeld und registriert die textuellen Anweisungen im peripheren Sichtfeld. Auch bei Kopfbewegungen des Technikers 1 bleibt die Information 3 im Display 2 mit der Komponente 15 der Werkzeugmaschine 9 verknüpft. Die angezeigte Information 3 ist also frei beweglich auf dem Display 2 und damit im Sichtfeld 8 des Technikers 1.
Im Gegensatz dazu zeigt die Fig. 3 das Sichtfeld 8 des Technikers 1 bei kontextunabhängiger Darstellung der Information 3. Im diesem Fall bleibt die augmentierte Information 3 fest im Display 2 bzw. im Sichtfeld 8 des Technikers 1 eingeblendet auch wenn dieser den Kopf bewegt und die Werkzeugmaschine 9 dadurch nicht mehr in seinem Sichtfeld 8 liegt.
In Fig. 4 wird der interaktive, in der Steuereinheit 11 implementierte Befehlsprozess 13 am Beispiel der akustischen Variante schematisch dargestellt. Der Befehlsprozess an sich wird mit dem Blockschaltbild 13 verdeutlicht, zusätzlich sind der Techniker 1 mit einem Head-Mounted Display 2 mit Kamera 7, ein Mikrofon 10 und ein Lautsprecher 12 dargestellt. Die Sprachbefehle des Technikers 1 sind mit dem Bezugszeichen 4, die akustischen Rückmeldungen der Steuereinheit 11 mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet.
Um die in seinem Sichtfeld 8 dargestellten Textinformationen 3 in Ruhe lesen zu können, auch wenn er seinen Kopf bewegt, gibt der Techniker 1 einen Sprachbefehl 4 über das Mikrofon 10 an die Steuerungseinheit 11. In dieser läuft daraufhin der Befehlsprozess 13 ab. Wird der Befehl nicht erkannt, wird eine diesbezügliche akustische Rückmeldung 5 über einen Lautsprecher bzw. einen Kopfhörer 12 an den Techniker 1 gegeben. Auch das Erkennen eines Befehls 4 wird akustisch rückgemeldet. Im Beispiel aktiviert der Techniker 1 über das Sprachkommando "Freeze" die Auftrennung der Verknüpfung zwischen der angezeigten Information 3 und dem Objekt 9. Die Steuerungseinheit 11 veranlasst in diesem Fall, dass die Information 3 auf dem Display 2 "eingefroren" bzw. stabilisiert wird. Der Techniker 1 hat nun die Möglichkeit, seinen Kopf frei zu bewegen, ohne dass die Information 3 aus seinem Sichtfeld 8 verschwindet. Beispielsweise beginnt er die Information 3 zu lesen: Zunächst muss er einen bestimmten Schraubenschlüssel aus seinem Werkzeugkoffer holen. Während er zum Werkzeugkoffer geht, informiert er sich anhand der weiterhin angezeigten Information 3 schon über die nächsten Schritte. Er kennt nun den Ablauf der Demontage und braucht die augmentierten aber "eingefrorenen" Informationen nicht mehr. Mit einem weiteren Sprachkommando 4, z. B. "Defreeze", stößt er den Befehlsprozess 13 wieder an. Mit diesem Befehl 4 wird die Steuerungseinheit 11 veranlasst, das "Einfrieren" rückgängig zu machen, die Information 3 also wieder kontextabhängig darzustellen. Sofern das Objekt 9, dem die Information 3 zugeordnet ist, sich nicht weder im Sichtfeld 8 des Technikers 1 befindet, wird diese Information 3 aus dem Display 2 gelöscht.
Der Vorteil der Augmented-Reality-Technologie, dass die virtuelle Information 3 direkt mit dem zu ihr gehörigen realen Objekt 9 verknüpft ist und deswegen exakt diesem zugeordnet werden kann, wird somit mit den Vorteilen kombiniert, die eine kontextunabhängige Informationsanzeige dem Anwender 1 bietet. Mit Hilfe einer "Freeze"- Funktionalität kann getrackte, ursprünglich kontextabhängige augmentierte Information 3 nach Belieben kontextunabhängig dargestellt werden, so dass diese zuvor "labile" Information 3 stabil wird. Das Aktivieren und Deaktivieren dieser Funktionalität erfolgt aus Gründen der Reaktionsgeschwindig­ keit vorteilhaft über Spracheingabe.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung somit ein System und ein Verfahren in einer Augmented-Reality-Umgebung, welches die Informationsdarstellung hinsichtlich der Anwender­ freundlichkeit verbessert. Das System besteht aus einer Anzeigevorrichtung 2 zum Anzeigen von Informationen 3, einer Bilderfassungseinheit 7 zur Erfassung von Objekten 9 in einem Sichtfeld 8 eines Anwenders 1, einer Befehlserfassungseinheit 10 zur Erfassung von Befehlen 4 des Anwenders 1 und einer Steuerungseinheit 11 zum Ansteuern der Anzeigevorrichtung 2, zum Erkennen der von der Bilderfassungseinheit 7 erfassten Objekte 9 und zur Verarbeitung der durch die Befehlserfassungseinheit 10 erfassten Befehle 4 des Anwenders 1, wobei eine durch die Befehle 4 des Anwenders 1 steuerbare Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen 3 und den zeitgleich erfassten Objekten 9 vorgesehen ist.

Claims (14)

1. System, bestehend aus
einer Anzeigevorrichtung (2) zum Anzeigen von Informationen (3),
einer Bilderfassungseinheit (7) zur Erfassung von Objekten (9) in einem Sichtfeld (8) eines Anwenders (1),
einer Befehlserfassungseinheit (10) zur Erfassung von Befehlen (4) des Anwenders (1) und
einer Steuerungseinheit (11) zum Ansteuern der Anzeigevorrichtung (2), zum Erkennen der von der Bilderfassungseinheit (7) erfassten Objekte (9) und zur Verarbeitung der durch die Befehlserfassungseinheit (10) erfassten Befehle (4) des Anwenders (1),
wobei eine durch die Befehle (4) des Anwenders (1) steuerbare Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen (3) und den zeitgleich erfassten Objekten (9) vorgesehen ist und wobei die Steuereinheit (11) zum durch die Befehle (4) des Anwenders (1) steuerbaren, reversiblen Auftrennen der Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen (3) und den zeitgleich erfassten Objekten (9) und die Anzeigevorrichtung (2) zum Anzeigen der Information (3) unabhängig von den zeitgleich erfassten Objekten (9) vorgesehen ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehlserfassungseinheit (10) zur Erfassung von Sprachbefehlen (4) des Anwenders (1) vorgesehen ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) zur Erzeugung von Rückmeldungen (5) an den Anwender (1) vorgesehen ist und Rückmeldevorrichtungen (12) zur Übertragung der Rückmeldungen (5) an den Anwender (1) vorgesehen sind.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldungen (5) als akustische Rückmeldungen ausgeführt sind.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der erfassten Objekte (9) diese mit mindestens einem Marker (6) versehen sind, dessen von der Bilderfassungseinheit (7) erfassbare Struktur von der Steuerungseinheit (11) erkennbar ist und dass dem erfassten und erkannten Marker (6) Informationen (3) zugeordnet sind.
6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung (2) ein Head-Mounted Display ist und die Informationen (3) zur Einblendung in das Sichtfeld (8) des Anwenders (1) vorgesehen sind.
7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Augmented-Reality-Umgebung zur kontextunabhängigen Darstellung der zuvor kontextabhängig aufgerufenen Informationen (3) auf der Anzeigevorrichtung (2), wobei die kontextunabhängige Darstellung durch die Befehle (4) des Anwenders (1) gestartet und beendet werden kann.
8. Verfahren
zum Anzeigen von Informationen (3),
zur Erfassung von Objekten (9) in einem Sichtfeld (8) eines Anwenders (1),
zur Erfassung von Befehlen (4) des Anwenders (1),
zum Erkennen der von einer Bilderfassungseinheit (7) erfassten Objekte (9) und
zur Verarbeitung von den durch eine Befehlserfassungseinheit (10) erfassten Befehlen (4) des Anwenders (1)
wobei eine Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen (3) und den zeitgleich erfassten Objekten (9) durch die Befehle (4) des Anwenders (1) gesteuert wird und wobei die Verknüpfung zwischen den angezeigten Informationen (3) und den zeitgleich erfassten Objekten (9) durch Befehle (4) des Anwenders (1) reversibel aufgetrennt wird und die angezeigte Information (3) unabhängig von den zeitgleich erfassten Objekten (9) dargestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befehle (4) des Anwenders Sprachbefehle sind.
10. Verfahren nach einem der Anspruche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Rückmeldungen (5) an den Anwender (1) durch eine Steuereinheit (11) erzeugt und mittels einer Rückmeldevorrichtung (12) übertragen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmeldungen (5) als akustische Rückmeldungen ausgeführt sind.
12. Verfahren nach einem der Anspruche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erkennen der erfassten Objekte (9) diese mit mindestens einem Marker (6) versehen sind, dessen Struktur von der Bilderfassungseinheit (7) erfasst und von der Steuerungseinheit (11) erkannt wird und dass dem erfassten und erkannten Marker (6) Informationen (3) zugeordnet werden.
13. Verfahren nach einem der Anspruche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen (3) mittels eines Head-Mounted Displays (2) in das Sichtfeld (8) des Anwenders (1) eingeblendet werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 zur Verwendung in einer Augmented-Reality-Umgebung zur kontextun­ abhängigen Darstellung der zuvor kontextabhängig aufgerufenen Informationen (3) auf der Anzeigevorrichtung (2), wobei die kontextunabhängige Darstellung durch die Befehle (4) des Anwenders (1) gestartet und beendet wird.
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