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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur.
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Die
DE 101 34 430 A1 beschreibt ein CAVE (Cave Automatic Virtual Environment)-ähnliches Projektionssystem, bei dem eine Rundprojektion auf einen konkaven, statischen Projektionsschirm mit einer Projektion auf eine davor liegende Bodenfläche kombiniert wird. Mithilfe eines Tracking-Systems werden Position und Blickrichtung eines Beobachters ermittelt, um eine perspektivisch korrekte Projektion der von einem Computer beobachterabhängig berechneten Bilder zu ermöglichen. Ein Hauptaugenmerk dieses Systems liegt auf der systembedingt notwendigen Ausmaskierung derjenigen Bereiche der Boden-Projektionsfläche, die sich mit der Rundprojektion überlappen.
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Des Weiteren ist aus der
US 2011/0176007 A1 ist ein Verfahren zum geometrieabhängigen Projizieren und Rekalibrieren eines Projektor-Kamera-Systems bekannt. Der Projektor und die Kamera bilden ein Stereo-Paar, das die Rekonstruktion einer Projektionsoberfläche ermöglicht. Dabei wird eine Korrespondenz zwischen einem Satz von Projektor-Pixeln und einem Satz von Kamera-Pixeln über einen Satz von Projektionsoberflächenpunkten erstellt. Diese Korrespondenz kann für eine Rekalibrierung benutzt werden, wenn entweder der Projektor oder die Kamera bewegt wird und/oder für eine Korrektur des Projektors.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 005 880 A1 geht ein Verfahren zum Auslegen einer Produktionsumgebung hervor, wobei eine virtuelle Repräsentation der Produktionsumgebung bereitgestellt und visualisiert wird. Dabei wird zumindest eine Produktionshandlung in der visualisierten Produktionsumgebung durch einen Werker durchgeführt. Ein Bewegungsablauf des Werkers während des Durchführens der Produktionshandlung wird aufgezeichnet, und der Bewegungsablauf wird nach zumindest einem vorgegebenen Kriterium bewertet. Zur weiteren Unterstützung der Durchführung der Produktionshandlung in der visualisierten Produktionsumgebung ist es möglich, im Bereich der Projektion zumindest eine ein Produktionsmittel der Produktionsumgebung repräsentierende Attrappe an einem Ort zu platzieren, welche mit einer jeweiligen Art des Produktionsmittels in der virtuellen Repräsentation korrespondiert. Dabei ist es möglich, nur annähernd formgetreue Attrappen zu verwenden. Nachteilig an der Projektion einer virtuellen Repräsentation auf eine einer realen Geometrie der zu projizierenden geometrischen Struktur entsprechende Projektionsfläche ist, dass entsprechende physikalische Prototypen in frühen Phasen einer Produktentwicklung und Produktionsplanung noch nicht vorhanden sind. Auch die in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 005 880 A1 angesprochenen, im Zweifelsfall nur annähernd formgenauen Attrappen sind entweder noch nicht vorhanden oder aber nur mit relativ hohem Aufwand und entsprechenden Kosten herstellbar. Sie können darüber hinaus nur für eine spezifische Produktionsplanungsaufgabe verwendet werden, wobei sie danach entsorgt oder eingelagert werden müssen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur zu schaffen, bei denen die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur mit folgenden Schritten geschaffen wird: Es wird eine virtuelle Repräsentation der zu projizierenden geometrischen Struktur bereitgestellt. Ein Blickwinkel eines Betrachters wird fortlaufend erfasst. Es wird eine veränderte Darstellung der virtuellen Repräsentation in Abhängigkeit von dem erfassten Blickwinkel berechnet, sodass vorzugsweise für den Betrachter ein blickwinkelrichtiger, verzerrungsarmer - bevorzugt verzerrungsfreier - Bildeindruck der geometrischen Struktur bei Projektion der veränderten Darstellung auf einen beweglichen Projektionskörper, der eine bestimmte, von der Form der geometrischen Struktur abweichende Form aufweist, und bei Betrachtung der Projektion durch den Betrachter entsteht. Die derart berechnete, veränderte Darstellung der virtuellen Repräsentation wird auf den Projektionskörper projiziert.
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Aufgrund der geeigneten Berechnung der veränderten Darstellung ist es möglich, einen quasi beliebig und insbesondere einfach und/oder generisch geformten Projektionskörper zu verwenden, der keinerlei Ähnlichkeit mit der zu projizierenden geometrischen Struktur aufweisen muss. Trotzdem wird dem Betrachter ein blickwinkelrichtiger und möglichst unverzerrter Eindruck der projizierten geometrischen Struktur aufgrund der entsprechend veränderten Darstellung der virtuellen Repräsentation bereitgestellt. Da der Projektionskörper in seiner Form keinerlei Bezug zu der projizierten geometrischen Struktur aufweisen muss, kann dieser unabhängig von der konkreten Aufgabe und insbesondere der konkreten Produktionsumgebung hergestellt und bereitgestellt werden, wobei er insbesondere für eine Vielzahl verschiedener Aufgaben und insbesondere Simulationen von Produktionsumgebungen verwendbar ist. Der so ausgestaltete Projektionskörper ist kostengünstig sowie einfach herstellbar und verwendbar.
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Im Rahmen des Verfahrens wird vorzugsweise eine dreidimensionale Darstellung von zukünftigen, realen geometrischen Strukturen als augmentierte Realität (Augmented Reality, AR) durchgeführt, wobei das Verfahren besonders bevorzugt zur Produktionsplanung und/oder Entwicklung eingesetzt wird, insbesondere zum Auslegen einer Produktionsumgebung. Dabei kommt insbesondere ein Verfahren der sogenannten räumlichen augmentierten Realität (Spatial Augmented Reality, Spatial AR), zur Anwendung.
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Es zeigt sich, dass im Rahmen des Verfahrens die letztlich projizierte veränderte Darstellung auf eine zu der eigentlich darzustellenden geometrischen Struktur unpassende Projektionsfläche projiziert wird, wobei jedoch die veränderte Darstellung und damit das zu projizierende Bild gewollt und in bestimmter Weise verzerrt wird, sodass sich letztlich aus dem Blickwinkel des Betrachters eine realitätsnahe Abbildung beziehungsweise Darstellung der zu projizierenden geometrischen Struktur ergibt.
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Mit dem Begriff „geometrische Struktur“ ist hier insbesondere eine real existierende, dreidimensionale Form beispielsweise einer Produktionsumgebung, eines Werkzeugs, einer Maschine, eines Montageteils oder eines anderen Objekts angesprochen, wobei die entsprechende Form in einer virtuellen Umgebung bereitgestellt werden soll. Mit dem Begriff „virtuelle Repräsentation“ ist eine bildliche oder numerische Darstellung der geometrischen Struktur insbesondere in einer Recheneinrichtung angesprochen. Dabei spricht die virtuelle Repräsentation hier insbesondere eine noch unverzerrte oder jedenfalls nicht in Hinblick auf die blickwinkelrichtige Projektion veränderte Darstellung der zu projizierenden geometrischen Struktur an. Mit dem Begriff „veränderte Darstellung“ ist eine entsprechend der gewünschten, blickwinkelrichtigen Projektion umgerechnete, mithin insbesondere verzerrte oder - aus der Sicht des Betrachters - entzerrte, bildliche oder numerische Darstellung der geometrischen Struktur angesprochen, die insbesondere aus der virtuellen Repräsentation berechenbar ist.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Form des Projektionskörpers bekannt. Sie kann dann ohne weiteres der Berechnung der veränderten Darstellung zugrunde gelegt werden. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt möglich, dass die Form des Projektionskörpers im Rahmen des Verfahrens erfasst wird, wobei dann die erfasste Form des Projektionskörpers der Berechnung der veränderten Darstellung zugrunde gelegt wird. Das Verfahren ist dann besonders flexibel und mit beliebigen Projektionskörpern durchführbar.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein Projektionskörper verwendet, der eine bestimmte, von der Form der geometrischen Struktur abweichende Form aufweist.
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Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Projektionskörper ein Körper verwendet wird, der die Form eines Kubus, eines Quaders, eines Kegels, eines Tetraeders, einer Pyramide oder einer anderen, einfachen Geometrie aufweist. Es ist auch möglich, dass der Projektionskörper die Form einer Kombination aus wenigstens zwei der zuvor genannten Formen aufweist. Solche einfachen Grundformen werden auch als generische Formen bezeichnet, weil sich insbesondere durch Kombination dieser einfachen Grundformen eine Vielzahl verschiedenster Geometrien aufbauen lässt. Ein derart ausgestalteter Projektionskörper ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar und im Rahmen des Verfahrens mit äußerst geringem Aufwand verwendbar. Insbesondere ist es möglich, dass im Rahmen des Verfahrens Projektionskörper mit bestimmten, vorgegebenen Formen verwendet werden, die in einer Datenbank hinterlegt sind, sodass für die Berechnung der veränderten Darstellung auf die in der Datenbank hinterlegten Formen zugegriffen werden kann. Dabei schließt der Begriff „Form“ hier nicht nur eine geometrische Grundform des Produktionskörpers, sondern auch dessen Skalierung oder Größe, beispielsweise Kantenlänge oder Radius, ein.
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Als Projektionskörper kann auch ein Körper mit komplexer geometrischer Form verwendet werden, dessen Form jedoch nicht der darzustellenden geometrischen Struktur entspricht. Beispielsweise können noch nicht existierende, insbesondere geplante, Montageteile auf real verfügbare Karosserieteile projiziert werden. Insbesondere ist es möglich, dass der Projektionskörper eine Freiform aufweist.
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Gemäß der Erfindung wird der Blickwinkel des Betrachters fortlaufend erfasst. Auf diese Weise ist das Verfahren zeitlich konstant und während eines gesamten Handlungsablaufs für den Betrachter durchführbar. Insbesondere kann dieser sich in der virtuellen Umgebung, die im Rahmen des Verfahrens bereitgestellt wird, bewegen, wobei ihm zu jedem Zeitpunkt blickwinkelrichtige Projektionen dargestellt werden. Der Blickwinkel des Betrachters wird vorzugsweise kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfasst. Dabei spricht der Begriff quasi-kontinuierlich hier an, dass die Erfassung des Blickwinkels zu diskreten Zeitpunkten mit solchen Zeitabständen erfolgt, dass die Veränderung der Projektion aufgrund der erfassten Veränderung des Blickwinkels für den Betrachter kontinuierlich erscheint. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Erfassung des Blickwinkels mit einer Abtastrate von mindestens 25 Hz, vorzugsweise von mindestens 50 Hz erfolgt.
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Die Berechnung der veränderten Darstellung erfolgt bevorzugt in Echtzeit, ebenso wie vorzugsweise auch die Erfassung des Blickwinkels.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Kopfposition des Betrachters erfasst wird. Dies stellt insbesondere eine geeignete Maßnahme dar, um den Blickwinkel des Betrachters zu erfassen. Der Blickwinkel des Betrachters wird also insbesondere dadurch erfasst, dass die Kopfposition des Betrachters erfasst wird. Dabei genügt es bevorzugt, die Position des Kopfes im Sinne einer Schwerpunktposition mit drei linear unabhängigen Raumkoordinaten zu erfassen. Auf eine Orientierung des Kopfes, also dessen Drehung im Raum, kommt es dagegen jedenfalls in erster Näherung nicht an, weil die Projektion der veränderten Darstellung für den Betrachter ohnehin nur dann relevant ist, wenn er in deren Richtung blickt. Selbstverständlich ist es aber zusätzlich bevorzugt möglich, dass neben der Position auch die Orientierung des Kopfs des Betrachters erfasst wird.
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Besonders bevorzugt wird die Kopfposition des Betrachters als Relativposition relativ zu dem Projektionskörper und/oder relativ zu einer die veränderte Darstellung projizierenden Projektionseinrichtung erfasst. Dabei ist es möglich, dass eine Position des Projektionskörpers und/oder der Projektionseinrichtung bekannt ist/sind, wobei es dann genügt, die Position des Kopfs des Betrachters - vorzugsweise in einem für alle Objekte gemeinsamen Koordinatensystem - zu erfassen.
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Besonders bevorzugt wird die Kopfposition des Betrachters fortlaufend, insbesondere kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfasst. Insoweit wird auf die Ausführungen zur fortlaufenden Erfassung des Blickwinkels des Betrachters verwiesen.
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Der Blickwinkel, insbesondere die Kopfposition, des Betrachters wird zur Berechnung der veränderten Darstellung herangezogen, beziehungsweise die veränderte Darstellung wird auf der Grundlage des erfassten Blickwinkels, insbesondere der erfassten Kopfposition, berechnet.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird gemäß einem ersten Aspekt eine Position des Projektionskörpers fortlaufend erfasst und zur Berechnung der veränderten Darstellung herangezogen. Dies hat den Vorteil, dass die Position des Projektionskörpers veränderbar sein kann, wobei sie in Echtzeit verändert werden und die Berechnung der veränderten Darstellung ebenfalls in Echtzeit auf die veränderte Position des Projektionskörpers angepasst werden kann. Bei der fortlaufenden Erfassung der Position des Projektionskörpers ist es nicht erforderlich, dessen Positionsänderungen im Vorhinein zu kennen. Vielmehr ist das Verfahren in der Lage, flexibel auch auf spontane Veränderungen der Position des Projektionskörpers zu reagieren.
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Dabei spricht eine Erfassung der Position des Projektionskörpers insbesondere an, dass dessen Schwerpunktlage anhand von drei linear unabhängigen Raumkoordinaten bestimmt wird. Dies kann bei bekannter und zeitlich unveränderlicher Orientierung des Projektionskörpers und/oder bei symmetrischer Ausgestaltung desselben, insbesondere bei sphärischer Symmetrie, ausreichen, um eine stets blickwinkelrichtige veränderte Darstellung für den Betrachter zu gewährleisten.
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Alternativ oder zusätzlich ist gemäß einem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass eine Orientierung des Projektionskörpers fortlaufend erfasst und zur Berechnung der veränderten Darstellung herangezogen wird. Dabei wird insbesondere eine Drehlage des Projektionskörpers um wenigstens eine von drei senkrecht aufeinander stehenden Drehachsen im Raum erfasst und bei der Berechnung der veränderten Darstellung berücksichtigt. Auf diese Weise kann eine stets blickwinkelrichtige Projektion für den Betrachter auch dann gewährleistet werden, wenn die Orientierung des Projektionskörpers im Raum zeitlich veränderbar ist, wobei der Projektionskörper keine Rotationssymmetrie derart aufweist, dass sich für den Betrachter bei Drehung des Projektionskörpers keine Änderung ergeben würde. Das Verfahren ist daher mit dieser Ausgestaltung besonders flexibel und vielseitig einsetzbar.
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Zur Bedeutung der Begriffe „fortlaufend“, „kontinuierlich“ und „quasi-kontinuierlich“ wird wiederum auf die obenstehenden Ausführungen zum Blickwinkel des Betrachters verwiesen.
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Schließlich wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Position und/oder eine Orientierung einer Projektionseinrichtung, mit welcher die veränderte Darstellung projiziert wird, fortlaufend erfasst und zur Berechnung der veränderten Darstellung herangezogen wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine völlige Freiheit bezüglich der Präsentation und zeitlichen Veränderung der im Rahmen einer augmentierten Realität geschaffenen Umgebung, weil so die Projektionseinrichtung in ihrer Position und/oder ihrer Drehlage im Raum veränderbar ist, ohne dass dies aus Sicht des Betrachters zu einer verzerrten Darstellung der zu projizierenden geometrischen Struktur führen würde. Vorzugsweise wird/werden die Position und/oder die Orientierung der Projektionseinrichtung kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich erfasst.
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Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher die Kopfposition des Betrachters, die Position und/oder Orientierung des Projektionskörpers, und die Position und/oder Orientierung der Projektionseinrichtung erfasst werden. Weiter wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher die Kopfposition des Betrachters, sowohl die Position als auch die Orientierung des Projektionskörpers und sowohl die Position als auch die Orientierung der Projektionseinrichtung erfasst werden. Zusätzlich ist es möglich, dass auch die Orientierung des Kopfs des Betrachters erfasst wird. Alle erfassten Positions- und Orientierungsdaten werden bevorzugt der Berechnung der veränderten Darstellung zugrunde gelegt, um dem Betrachter eine möglichst verzerrungsfreie, insbesondere verzerrungsfreie, blickwinkelrichtige Projektion zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur geschaffen wird, welche wenigstens eine Projektionseinrichtung aufweist, die eingerichtet ist zur Projektion einer Darstellung einer virtuellen Repräsentation einer geometrischen Struktur auf einen Projektionskörper. Die Vorrichtung weist außerdem wenigstens einen beweglichen Projektionskörper auf, auf welchen die Darstellung durch die Projektionseinrichtung projizierbar ist. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Erfassungseinrichtung auf, die eingerichtet ist zur fortlaufenden Erfassung einer Relativlage zwischen einem Betrachter, der Projektionseinrichtung und dem beweglichen Projektionskörper sowie zur fortlaufenden Erfassung einer Position und/oder einer Orientierung des beweglichen Projektionskörpers. Die Vorrichtung weist eine Recheneinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Berechnung einer veränderten Darstellung der virtuellen Repräsentation der geometrischen Struktur in Abhängigkeit von der durch die Erfassungseinrichtung erfassten Relativlage und der erfassten Position und/oder Orientierung des beweglichen Projektionskörpers, sodass vorzugsweise für den Betrachter ein blickwinkelrichtiger, verzerrungsarmer - vorzugsweise verzerrungsfreier - Bildeindruck der geometrischen Struktur bei Projektion der veränderten Darstellung auf den beweglichen Projektionskörper entsteht, wobei die Projektionseinrichtung eingerichtet ist zur Projektion der veränderten Darstellung auf den beweglichen Projektionskörper. In Zusammenhang mit der Vorrichtung ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden. Insbesondere ermöglicht die Vorrichtung die Verwendung einfacher Formen für den Projektionskörper, insbesondere die Verwendung generischer Projektionskörper.
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Der Begriff „Relativlage“ bedeutet hier insbesondere eine Relativposition und/oder eine Relativorientierung.
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Der Projektionskörper weist bevorzugt wenigstens eine Projektionsfläche auf, wobei die Projektionseinrichtung eingerichtet ist zur Projektion der Darstellung der virtuellen Repräsentation der geometrischen Struktur auf die wenigstens eine Projektionsfläche.
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Die Erfassungseinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Kamera und/oder wenigstens einen Trackingsensor auf. Der Trackingsensor ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Infrarotsensor, einer Tiefenbildkamera, einer Farbkamera, einem Accelerometer, einem Inside-Out-System, und einem Outside-In-System. Auch andere Trackingsensoren können verwendet werden. Mit der Kamera sind insbesondere Bilder einer Umgebung aufnehmbar, in welcher der Betrachter, der Projektionskörper und/oder die Projektionseinrichtung angeordnet ist/sind. Die Recheneinrichtung weist bevorzugt ein Bildverarbeitungsprogramm auf, mit welcher von der wenigstens einen Kamera aufgenommene Bilder in Hinblick auf die Relativlage zwischen dem Betrachter, der Projektionseinrichtung und dem Projektionskörper auswertbar sind. Dabei ist es möglich, dass dieselbe Recheneinrichtung verwendet wird, die auch zur Berechnung der veränderten Darstellung verwendet wird. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Computer oder Server handeln.
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Besonders bevorzugt ist die Erfassungseinrichtung als sogenanntes Trackingsystem ausgestaltet, insbesondere als Motion-Capture-System. Solche Systeme sind für sich genommen bekannt, sodass insoweit nicht weiter hierauf eingegangen wird.
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Die Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise mit der Recheneinrichtung wirkverbunden, wenn sie nicht ohnehin zumindest teilweise in die Recheneinrichtung implementiert ist, jedenfalls was die Auswertung der durch die wenigstens eine Kamera aufgenommenen Bilddaten betrifft. Durch die Wirkverbindung stehen der Recheneinrichtung von der Erfassungseinrichtung erfasste Positions- und/oder Orientierungsdaten zur Verfügung, sodass diese zur Berechnung der veränderten Darstellung herangezogen werden können. Die Recheneinrichtung ist wiederum bevorzugt mit der Projektionseinrichtung wirkverbunden, sodass durch die Recheneinrichtung der Projektionseinrichtung die veränderte Darstellung zur Verfügung gestellt werden kann, um diese auf den Projektionskörper zu projizieren.
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Es ist möglich, dass die Erfassungseinrichtung eingerichtet ist zur Erfassung einer Kopfposition des Betrachters. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass die Erfassungseinrichtung eingerichtet ist zur Erfassung einer Orientierung des Kopfs des Betrachters.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass durch die Erfassungseinrichtung nur Betrachterkoordinaten erfasst werden, wobei Koordinaten für die Projektionseinrichtung und den Projektionskörper nicht erfasst werden. Die Formulierung „Koordinaten“ bedeutet hier und im Folgenden die Position und/oder Orientierung eines Objekts im Raum. Diese können vielmehr bekannt und insbesondere in der Recheneinrichtung hinterlegt sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass neben den Betrachterkoordinaten auch Koordinaten des Projektionskörpers erfasst werden. Dieser kann dann insbesondere auch spontan und in nicht vorherbestimmter Weise beweglich sein. Die Koordinaten der Projektionseinrichtung sind dann bevorzugt bekannt und insbesondere auch zeitlich konstant. Es ist aber auch möglich, dass die Projektionseinrichtung auf einer vorherbestimmten, vorab bekannten Bahnkurve bewegt wird.
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Es ist auch möglich, dass Koordinaten des Betrachters und Koordinaten der Projektionseinrichtung erfasst werden. In diesem Fall ist es möglich, dass Koordinaten des Projektionskörpers bekannt und/oder konstant sind.
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Schließlich ist es möglich, dass durch die Erfassungseinrichtung Koordinaten des Betrachters, der Projektionseinrichtung und des Projektionskörpers erfasst werden. Auf diese Weise ist die Vorrichtung ganz besonders flexibel eingerichtet, wobei sich alle drei hier genannten Elemente relativ zueinander bewegen können.
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Es ist allerdings bevorzugt auch möglich, dass die Projektionseinrichtung und die Erfassungseinrichtung integral miteinander vorgesehen sind. Es existiert dann eine physikalisch feste Verbindung zwischen diesen Komponenten, so dass die Erfassung der Position der Projektionseinrichtung nicht nötig ist.
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Insgesamt zeigt sich, dass die Erfassungseinrichtung insbesondere eingerichtet ist zur Koordinatenerfassung von wenigstens einem Element, ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus dem Betrachter, der Projektionseinrichtung und dem Projektionskörper, wobei die anderen Elemente dieser Gruppe gegebenenfalls bekannte Koordinaten und/oder zeitlich konstante Koordinaten aufweisen können.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist die virtuelle Repräsentation der geometrischen Struktur bekannt und bevorzugt in der Recheneinrichtung hinterlegt. Diese kann beispielsweise auf einem Modell, einer insbesondere dreidimensionalen technischen Zeichnung, einer Abbildung, insbesondere einer fotografischen Abbildung, der geometrischen Struktur, einer gespeicherten oder in Echtzeit aufgenommenen Videosequenz, oder einer Beschriftung beruhen. Insbesondere kann es sich bei der virtuellen Repräsentation um eine von der Recheneinrichtung lesbare numerische Darstellung der geometrischen Struktur, insbesondere in Form einer dreidimensionalen CAD-Zeichnung, handeln. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die virtuelle Repräsentation der geometrischen Struktur durch die Recheneinrichtung oder mithilfe der Recheneinrichtung erzeugt wird. Dies ist insbesondere möglich, indem die äußere Form eines Modells oder eines Prototyps der geometrischen Struktur erfasst wird, oder indem eine numerische, dreidimensionale Repräsentation der geometrischen Struktur, beispielsweise in Form einer dreidimensionalen CAD-Zeichnung, durch einen Benutzer auf der Recheneinrichtung erstellt wird.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der wenigstens eine Projektionskörper eine von der Form der geometrischen Struktur verschiedene Form aufweist. Insbesondere dann verwirklicht sich der Vorteil der Vorrichtung, dass geometrisch einfachere und kostengünstige, insbesondere generische Projektionskörper verwendet werden können. Besonders bevorzugt weist der wenigstens eine Projektionskörper eine Form auf, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einem Kubus, einem Quader, einem Kegel, einem Tetraeder, und einer Pyramide. Es wird auch bevorzugt, dass der Projektionskörper eine Form aufweist, die eine Kombination aus wenigstens zwei der explizit genannten Formen, oder aber eine Freiform, die sich nicht als solche Kombination darstellen lässt, aufweist.
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Schließlich wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Erfassungseinrichtung eingerichtet ist zur Erfassung einer Relativposition und einer Relativorientierung zwischen dem Betrachter, insbesondere dem Kopf des Betrachters, der Projektionseinrichtung und dem Projektionskörper. Die Vorrichtung ist in diesem Fall besonders flexibel einsetzbar, insbesondere weil auch Relativdrehungen zwischen wenigstens zwei der genannten Elemente berücksichtigt werden können.
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Die Beschreibung der Vorrichtung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Vorrichtung gekennzeichnet ist. Die Vorrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- - 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur, und
- - 2 eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur blickwinkelrichtigen Projektion einer geometrischen Struktur 19. Die Vorrichtung 1 weist eine Projektionseinrichtung 3 sowie wenigstens einen Projektionskörper 5 auf, wobei die Projektionseinrichtung 3 eingerichtet ist, um eine Darstellung 7 der virtuellen Repräsentation der geometrischen Struktur 19 auf den Projektionskörper 5 zu projizieren. Der Projektionskörper 5 ist hier in besonders einfacher Weise als Quader ausgebildet.
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Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Erfassungseinrichtung 9 auf, die hier eine Kamera 11 sowie eine Recheneinrichtung 13 aufweist, wobei die Kamera 11 mit der Recheneinrichtung 13 wirkverbunden ist. Durch die Kamera 11 ist insbesondere fortlaufend, bevorzugt kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich, eine Relativposition und bevorzugt auch eine Relativorientierung zwischen einem Betrachter 15, der Projektionseinrichtung 3 und dem Projektionskörper 5 erfassbar und insbesondere zeitlich verfolgbar. Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Recheneinrichtung auf, die hier identisch ist mit der Recheneinrichtung 13, wobei diese eingerichtet ist zur Berechnung der Darstellung 7, nämlich einer veränderten Darstellung der in der Recheneinrichtung 13 bereitgestellten virtuellen Repräsentation 17 der geometrischen Struktur 19. Dabei ist die Recheneinrichtung 13 mit der Projektionseinrichtung 3 wirkverbunden, sodass die veränderte Darstellung 7 durch die Recheneinrichtung 13 an die Projektionseinrichtung 3 übermittelt und durch diese auf den Projektionskörper 5 projiziert werden kann.
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Die Berechnung der veränderten Darstellung 7 erfolgt in Abhängigkeit von der erfassten Relativposition und/oder Relativorientierung zwischen dem Betrachter 15, der Projektionseinrichtung 3 und dem Projektionskörper 5, insbesondere nämlich in Abhängigkeit von einem Blickwinkel des Betrachters 15, derart, dass für den Betrachter 15 ein blickwinkelrichtiger, möglichst verzerrungsarmer oder verzerrungsfreier Bildeindruck der geometrischen Struktur 19 bei Projektion der veränderten Darstellung 7 auf den Projektionskörper 5 entsteht, obwohl der Projektionskörper 5 eine von der Form der geometrischen Struktur 19 abweichende Form aufweist.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die geometrische Struktur 19 ein einfacher Kreis oder eine Kugel, dessen/deren Darstellung in Abhängigkeit von dem Blickwinkel des Betrachters 15 auf den Projektionskörper 5 derart verzerrt wird, dass sich aus Sicht des Betrachters 15 der Eindruck eines Kreises oder einer Kugel beim Blick auf die auf den Projektionskörper 5 projizierte Darstellung 7 ergibt.
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Sowohl die Erfassung des Blickwinkels des Betrachters 15 als auch die Berechnung der veränderten Darstellung 7 erfolgt bevorzugt in Echtzeit und/oder fortlaufend, insbesondere kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich. Auf diese Weise kann dem Betrachter 15 stets eine verzerrungsarme, nach Möglichkeit verzerrungsfreie Projektion der geometrischen Struktur 19 präsentiert werden.
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Die Darstellung 7 der geometrischen Struktur 19 wird also durch die Recheneinrichtung 13 in Abhängigkeit von dem erfassten Blickwinkel des Betrachters 15 bewusst und bestimmt verzerrt, um dem Betrachter 15 bei Blick auf den Projektionskörper 5 eine blickwinkelrichtige, geometrisch der Form der geometrischen Struktur 19 entsprechende Darstellung zu bieten.
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2 zeigt eine schematische, diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zur blickwinkelrichtigen Projektion der geometrischen Struktur 19. Dabei werden der Recheneinrichtung 13 die virtuelle Repräsentation 17 der geometrischen Struktur 19 sowie eine Form 21 des Projektionskörpers 5 zur Verfügung gestellt. Die Erfassungseinrichtung 9 erfasst bevorzugt die Positionen und/oder Orientierungen des Betrachters 15, des Projektionskörpers 5 und der Projektionseinrichtung 3 und sendet diese Informationen an die Recheneinrichtung 13. Diese ermittelt hieraus den Blickwinkel des Betrachters 15, insbesondere dessen Blickwinkel auf den Projektionskörper 5. Auf der Grundlage des so ermittelten Blickwinkels, der virtuellen Repräsentation 17 und der Form 21 des Projektionskörpers 5 berechnet die Recheneinrichtung 13 die veränderte Darstellung 7 der virtuellen Repräsentation 17 und sendet diese an die Projektionseinrichtung 3. Diese projiziert dann die veränderte Darstellung 7 auf den Projektionskörper 5. Dabei entsteht für den Betrachter 15 ein blickwinkelrichtiges, möglichst unverzerrtes Bild der geometrischen Struktur 19.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung 1 ein besserer Eindruck einer Visualisierung als mithilfe bekannter Datenbrillen für die augmentierte Realität zur Verfügung gestellt werden kann. Es können einfache und/oder generische Attrappen für eine Aufprojektion verwendet werden. Es ist möglich, das Verfahren und die Vorrichtung 1 in Produktionsabsicherungsworkshops zur Kompensation des Entfalls physikalischer Prototypen und dadurch frühzeitige Absicherung von Zielen einzusetzen.
