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WO2013178358A1 - Verfahren zur räumlichen visualisierung von virtuellen objekten - Google Patents

Verfahren zur räumlichen visualisierung von virtuellen objekten Download PDF

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WO2013178358A1
WO2013178358A1 PCT/EP2013/001584 EP2013001584W WO2013178358A1 WO 2013178358 A1 WO2013178358 A1 WO 2013178358A1 EP 2013001584 W EP2013001584 W EP 2013001584W WO 2013178358 A1 WO2013178358 A1 WO 2013178358A1
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WO
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screen assembly
screens
viewer
computer
screen
Prior art date
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PCT/EP2013/001584
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Kersting
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Individual
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/40—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images giving the observer of a single two-dimensional [2D] image a perception of depth
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels

Definitions

  • the invention relates to a method for the spatial visualization of virtual three-dimensional objects in a real environment.
  • a visualization device in which an image recorded by a camera is displayed in real time two-dimensionally on a screen and in this image a two-dimensional image of a three-dimensional virtual image generated by an image generator Object is integrated.
  • the perspective of the virtual object is adapted to the perspective of the image supplied by the camera in such a way that, when viewing the image displayed on the screen, one gets the impression that the virtual object is in the space recorded by the camera.
  • CONFIRMATION COPY however, not to walk around the represented virtual object to view it from different sides in different perspectives.
  • the invention relates first to a method for the spatial visualization of virtual three-dimensional objects in a real environment, characterized by
  • a screen arrangement comprising a plurality of screens whose image areas completely or partially enclose a visualization space for the virtual object
  • a computer-controlled image generator which generates two-dimensional perspective images of the object to be visualized and is integrated in the reconstructed environmental representations in the correct position
  • the method according to the invention is initially distinguished by the fact that it is executed with commercially available screens, video cameras and a sufficiently powerful computer as well as suitable software and that additional, obstructing the viewer aids are not needed.
  • the observer can move freely around the screen arrangement and sees on both screens the virtual object as well as the surroundings in the respectively correct perspective, creating a coherent spatial impression that overlaps the edges of the individual screens.
  • This method step has a certain similarity with the so-called cube-mapping, here however with the difference that lights or objects from the real environment are brought to the surfaces of the virtual object.
  • the screens of the screen arrangement expediently adjoin one another directly and have as narrow a border as possible or ideally no border.
  • the representation becomes the better, the more screens the screen arrangement comprises. At least two screens are required whose image surfaces are visible from opposite sides.
  • the display arrangement expediently contains more screens which surround the visualization space in all directions as well as from above and below. For this you need z. B. in all three spatial axes in each case two visible from opposite directions screens, ie a total of six screens, which are arranged in the shape of a cube.
  • the screens of the screen assembly are expediently designed according to the current state of the art as active flat screens with a narrow edge.
  • the screens of the screen arrangement can also be designed as passive projection surfaces onto which the images are projected with the aid of suitable projectors.
  • the screens of the screen arrangement may possibly also be formed arched.
  • the existing cameras can be used, which allow in this case at the same time a stereoscopic scanning of the environment of the screen assembly.
  • commercially available sensors or motion detectors which are available in addition to the cameras, can also be used for this purpose.
  • the invention further relates to an apparatus for carrying out the above-mentioned method, consisting of
  • a screen arrangement comprising a plurality of screens whose picture surfaces at least partially surround a visualization space for the virtual object, cameras assigned to the screen arrangement which record the surroundings completely or partially hidden by the screen arrangement for the viewer and display them on the screen surfaces of the screen arrangement that are visible to the viewer .
  • a computer that reconstructs the environmental images generated by the cameras from the perspective of the viewer,
  • an image generator assigned to the computer which computer-controlled generates two-dimensional perspective images of the virtual object to be visualized and integrates them into the reconstructed environmental representations in the correct position.
  • Figure 1 A screen arrangement according to the
  • Figure 2 is a block diagram of the device according to the invention.
  • the virtual object to be displayed is designated by the reference numeral 1. It is a virtual model car, which has been three-dimensionally configured with a corresponding graphics program in a computer R with an image generator B.
  • the virtual object 1 is displayed in a visualization space 2, which is surrounded on all sides by screens 3.
  • the screens 3 together form a screen arrangement 4, which together form a bypassable polyhedron, for example a cube or as in the case of the embodiment. example, a cuboid.
  • a bypassable polyhedron for example a cube or as in the case of the embodiment. example, a cuboid.
  • Each screen 3 is assigned on the respective opposite side of the polyhedral screen arrangement 4 cameras 5, which accommodate the observer partially hidden environment, for example, recognizable in Figure 1 room corner 6.
  • motion detectors 7 are provided, which determine the respective position of the observer with respect to the screen arrangement 1 (tracking). If necessary, this function of the motion detector 7 can also be perceived by the cameras 5.
  • the environmental images recorded by the cameras 5 are reconstructed in the computer R in such a way that they fit into the respective perspective of the viewer.
  • two-dimensional perspective images of the virtual object to be visualized are integrated into these reconstructed environmental representations, likewise in the perspective of the respective observer.
  • the reconstructed environmental images are displayed on the screens 3 of the screen assembly 1 together with the integrated images of the virtual object.
  • the three-dimensional virtual object 1 appears as if floating in the visualization space 2 and can be viewed by the viewer by wandering around the polyhedral screen assembly 4 from all sides.
  • a particularly close-to-reality impression is obtained if, at least on the glossy surfaces of the virtual object 1, virtual reflections of lights or objects from the environment recorded by the cameras 5 can be made visible and parts of the represented virtual object can be moved by gesture control.

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Description

Verfahren zur räumlichen Visualisierung von virtuellen Objekten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur räumlichen Visualisierung von virtuellen dreidimensionalen Objekten in einer realen Umgebung.
Nach dem Stand der Technik (vgl. DE 10 2009 056 013 A1 ) ist eine Visualisierungseinrichtungen bekannt, bei denen ein von einer Kamera aufgenommenes Bild in Echtzeit zweidimensional auf einem Bildschirm angezeigt wird und in dieses Bild ein von einem Bildgenerator erzeugtes zweidimensionales Bild eines dreidimensionalen virtuellen Objektes integriert wird. Dabei wird die Perspektive des virtuellen Objektes an die Perspektive des von der Kamera gelieferten Bildes derart angepasst, dass man bei der Betrachtung des auf dem Bildschirm angezeigten Bildes den Eindruck gewinnt, das virtuelle Objekt befinde sich in dem von der Kamera aufgenommenen Raum.
Eine solche Visualisierungseinrichtung ist natürlich erheblich einfacher, als Holographie, echte Stereoskopie oder die Projektion von Volumendaten in SD- Schichttechnik. Alle diese Systeme zur dreidimensionalen Darstellung erfordern nämlich einen erheblichen apparativen Aufwand und/oder für den Betrachter unbequeme einschränkende Hilfsmittel wie z. B. besonders ausgestaltete Brillen, Helme oder andere Darstellungssysteme, die vom Betrachter getragen werden müssen.
Die nach dem Stand der Technik gemäß DE 10 2009 056 013 A1 bekannte Visualisierungseinrichtung, die ohne solche Hilfsmittel auskommt, ermöglicht es
BESTÄTIGUNGSKOPIE jedoch nicht, um das dargestellte virtuelle Objekt herumzugehen um es von verschiedenen Seiten in unterschiedlichen Perspektiven zu betrachten.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Visualisierungssystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Betrachter das virtuelle dreidimensionale Objekt von verschiedenen Seiten in unterschiedlichen Perspektiven und eingebettet in die reale Umgebung betrachten kann, und zwar ohne auf unbequeme Hilfsmittel angewiesen zu sein.
Gegenstand der Erfindung ist zunächst ein Verfahren zur räumlichen Visualisierung von virtuellen dreidimensionalen Objekten in einer realen Umgebung, gekennzeichnet durch
- eine Bildschirmanordnung aus mehreren Bildschirmen, deren Bildflächen einen Visualisierungsraum für das virtuelle Objekt ganz oder teilweise umschließen,
- der Bildschirmanordnung zugeordnete Kameras, die die für den Betrachter von der Bildschirmanordnung ganz oder teilweise verdeckte Umgebung aufnehmen,
- eine rechnergesteuerte Rekonstruktion der von den Kameras erzeugten Umgebungsdarstellungen aus der Perspektive des Betrachters,
-einen rechnergesteuerten Bildgenerator, der zweidimensionale perspektivische Abbildungen des zu visualisierenden Objektes erzeugt und lagegerecht in die rekonstruierten Umgebungsdarstellungen integriert und
- eine Darstellung der rekonstruierten Umgebungsdarstellungen mit den integrierten Abbildungen des virtuellen Objektes auf den Bildflächen der Bildschirmanordnung. Das Verfahren gemäß der Erfindung zeichnet sich zunächst dadurch aus, dass es mit handelsüblichen Bildschirmen, Videokameras und einem hinreichend leistungsstarken Rechner sowie einer geeigneten Software ausgeführt werden kann und dass zusätzliche, den Betrachter behindernde Hilfsmittel nicht benötigt werden. Der Betrachter kann unbehindert um die Bildschirmanordnung herumgehen und sieht auf den jeweils für ihn sichtbaren Bildschirmen sowohl den virtuellen Gegenstand als auch die Umgebung in der jeweils richtigen Perspek- tive, wobei ein die Ränder der einzelnen Bildschirme übergreifender, zusammenhängender Raumeindruck entsteht.
Damit nicht mit einigen wenigen Betrachterpositionen gearbeitet werden muss, sondern jede beliebige Betrachterposition möglich wird, ist weiterhin vorgesehen, dass die jeweils aktuelle Position des Betrachters relativ zu der Bildschirmanordnung durch ein Trackingsystem erfasst wird. Hierdurch werden für den Betrachter alle an den Übergängen von einem Bildschirm zum nächsten auftretenden Abbildungsfehler vermieden, sodass aus jeder Position des Betrachters heraus ein absolut kohärenter Raumeindruck entsteht.
Zur Verbesserung des räumlichen und realitätsnahen Eindruckes ist weiterhin vorgesehen, dass rechnergesteuert zumindest auf den glänzenden Oberflächen des virtuellen Objektes virtuelle Spiegelungen von Lichtern oder Gegenständen aus der von den Kameras aufgenommen Umgebung sichtbar gemacht werden. Dieser Verfahrensschritt hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem sogenannten cube-mapping, hier allerdings mit dem Unterschied, dass Lichter oder Gegenstände aus der realen Umgebung auf die Oberflächen des virtuellen Objektes gebracht werden.
Schließlich ist vorgesehen, dass rechnergesteuert Teile des dargestellten virtuellen Objektes bewegt werden können, insbesondere durch eine Gestensteuerung. Hierdurch kann man zum Beispiel durch Gestensteuerung die Türen oder den Kofferraumdeckel eines virtuell dargestellten Kraftfahrzeuges aufklappen und/oder schließen oder sonstige vorprogrammierte Manipulationen an dem virtuellen Objekt vornehmen.
Zweckmäßig grenzen die Bildschirme der Bildschirmanordnung unmittelbar aneinander an und haben einen möglichst schmalen Rand oder am besten gar keinen Rand. Dabei wird die Darstellung wird umso besser, je mehr Bildschirme die Bildschirmanordnung umfasst. Notwendig sind mindestens zwei Bildschirme, deren Bildflächen von entgegengesetzten Seiten her sichtbar sind. Zweckmäßig enthält die Bildschirmanordnung allerdings mehr Bildschirme, die den Visualisierungsraum nach allen Seiten hin sowie von oben und unten umgeben. Dafür benötigt man z. B. in allen drei Raumachsen jeweils zwei aus entgegengesetzten Richtungen sichtbare Bildschirme, d. h. insgesamt sechs Bildschirme, die in der Form eines Würfels angeordnet sind.
Die Bildschirme der Bildschirmanordnung sind nach dem heutigen Stand der Technik zweckmäßig als aktive Flachbildschirme mit schmalem Rand ausgebildet. Alternativ können die Bildschirme der Bildschirmanordnung aber auch als passive Projektionsflächen ausgebildet sein, auf welche die Abbildungen mit Hilfe von geeigneten Projektoren projeziert werden.
Zur weiteren Verbesserung des räumlichen Eindrucks können die Bildschirme der Bildschirmanordnung ggf. auch gewölbt ausgebildet sein.
Für das oben angegebene Tracking zur Feststellung der jeweiligen Position des Betrachters können die bereits vorhandenen Kameras verwendet werden, die in diesem Fall zugleich eine stereoskopische Abtastung der Umgebung der Bildschirmanordnung erlauben. Alternativ können zu diesem Zweck auch handelsübliche Sensoren oder Bewegungsmelder verwendet werden, die zusätzlich zu den Kameras vorhanden sind. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des oben angegebenen Verfahrens, bestehend aus
- einer Bildschirmanordnung aus mehreren Bildschirmen, deren Bildflächen einen Visualierungsraum für das virtuelle Objekt wenigstens teilweise umschließen, - der Bildschirmanordnung zugeordnete Kameras, die die für den Betrachter von der Bildschirmanordnung ganz oder teilweise verdeckte Umgebung aufnehmen und auf den für den Betrachter sichtbaren Bildflächen der Bildschirmanordnung darstellen, einen Rechner, der die von den Kameras erzeugten Umgebungsdarstellungen aus der Perspektive des Betrachters rekonstruiert,
-einem dem Rechner zugeordneten Bildgenerator, der rechnergesteuert zweidimensionale perspektivische Abbildungen des zu visualisierenden virtuellen Objektes erzeugt und lagegerecht in die rekonstruierten Umgebungsdarstellungen integriert.
Zweckmäßige Weiterbildungen der Vorrichtung sehen eine Bildschirmanordnung in Form eines von dem Betrachter umgehbaren Polyeders vor, vorzugsweise in der Form eine Kubus oder eines Quaders. Ein weiterer wichtiger Bestandteil der Vorrichtung ist das bereits oben erläuterte Tracking-System, welches die Position des Betrachters feststellt und die Darstellungen auf den Bildflächen der Bildschirmanordnung entsprechend steuert. Die für das Tracking verwendete Sensorik kann gegebenenfalls auch für die oben erwähnte Gestensteuerung verwendet werden. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Eine Bildschirmanordnung gemäß der
Erfindung mit einer Darstellung eines fiktiven dreidimensionalen Objekts; Figur 2: ein Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist das darzustellende virtuelle Objekt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Es handelt sich um ein virtuelles Modellauto, welches mit einem entsprechenden Grafikprogramm in einem Rechner R mit einem Bildgenerator B dreidimensional konfiguriert worden ist.
Das virtuelle Objekt 1 wird in einem Visualisierungsraum 2 dargestellt, der nach allen Seiten hin von Bildschirmen 3 umgeben ist. Die Bildschirme 3 bilden gemeinsam eine Bildschirmanordnung 4, die zusammengenommen einen umgehbaren Polyeder bilden, zum Beispiel einen Würfel oder wie beim Ausfüh- rungsbeispiel einen Quader. Von den Bildschirmen 3 der Bildschirmanordnung 4 sind in Figur 1 nur die beiden dem Betrachter gegenüberliegende Bildschirme 3 zu sehen.
Jedem Bildschirm 3 sind auf der jeweils gegenüberliegenden Seite der polyedrischen Bildschirmanordnung 4 Kameras 5 zugeordnet, die die für den Betrachter teilweise verdeckte Umgebung, zum Beispiel die in Figur 1 erkennbare Raumecke 6, aufnehmen. Zusätzlich sind Bewegungsmelder 7 vorgesehen, die die jeweilige Position des Betrachters in Bezug auf die Bildschirmanordnung 1 feststellen (Tracking). Diese Funktion der Bewegungsmelder 7 können gegebenenfalls auch von den Kameras 5 wahrgenommen werden.
Die von den Kameras 5 aufgenommenen Umgebungsdarstellungen werden im Rechner R derart rekonstruiert, dass sie in die jeweilige Perspektive des Betrachters passen. In diese rekonstruierten Umgebungsdarstellungen werden gleichzeitig lagegerecht zweidimensionale perspektivische Abbildungen des zu visualisierenden virtuellen Objektes integriert, und zwar ebenfalls in der Perspektive des jeweiligen Betrachters. Abschließend werden die rekonstruierten Umgebungsbilder zusammen mit den integrierten Abbildungen des virtuellen Objektes auf den Bildschirmen 3 der Bildschirmanordnung 1 dargestellt.
Im Ergebnis erscheint das dreidimensionale virtuelle Objekt 1 gewissermaßen schwebend in dem Visualisierungsraum 2 und kann von dem Betrachter durch Umschreiten der polyedrischen Bildschirmanordnung 4 von allen Seiten betrachtet werden. Ein besonders realitätsnaher Eindruck ergibt sich, wenn zumindest auf den glänzenden Oberflächen des virtuellen Objektes 1 virtuelle Spiegelungen von Lichtern oder Gegenständen aus der von den Kameras 5 aufgenommenen Umgebung sichtbar gemacht und Teile des dargestellten virtuellen Objektes durch Gestensteuerung bewegt werden können.
Das Blockschaltbild gemäß Figur 2 erläutert die einzelnen Bestandteile der Vor- richtung und deren funktionales Zusammenwirken näher.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur räumlichen Visualisierung von virtuellen dreidimensionalen Objekten in einer realen Umgebung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Bildschirmanordnung (4) aus mehreren Bildschirmen (3), deren Bildflächen einen Visualisierungsraum (2) für das virtuelle Objekt (1 ) ganz oder teilweise umschließen, der Bildschirmanordnung (4) zugeordnete Kameras (5), die die für den Betrachter von der Bildschirmanordnung ganz oder teilweise verdeckte Umgebung (6) aufnehmen, eine rechnergesteuerte Rekonstruktion der von den Kameras (5) erzeugten Umgebungsdarstellungen aus der Perspektive des Betrachters, einen rechnergesteuerten Bildgenerator (B), der zweidimensionale perspektivische Abbildungen des zu visualisierenden virtuellen Objektes (1 ) erzeugt und lagegerecht in die rekonstruierten Umgebungsdarstellungen integriert und eine Darstellung der rekonstruierten Umgebungsdarstellungen mit den integrierten Abbildungen des virtuellen Objektes auf den Bildflächen der Bildschirmanordnung (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils aktuelle Position des Betrachters relativ zu der Bildschirmanordnung (4) durch ein Trackingsystem (7) erfasst wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass rechnergesteuert zumindest auf den glänzenden Oberflächen des virtuellen Objektes (1 ) virtuelle Spiegelungen von Lichtern oder Gegenständen aus der von den Kameras (5) aufgenommenen Umgebung (6) sichtbar gemacht werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass rechnergesteuert Teile des dargestellten virtuellen Objektes (1 ) bewegt werden, insbesondere durch eine Gestensteuerung.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildschirme (3) der Bildschirmanordnung (4) unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Visualisierungsraum polyedrisch nach allen Seiten hin sowie nach oben und/oder unten von den Bildflächen der Bildschirmanordnung (4) umgeben ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als
Bildschirme (3) für die Bildschirmanordnung (4) aktive Flachbildschirme verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Bildschirme (3) der Bildschirmanordnung (4) passive Projektionsflächen verwendet werden, auf welche die Abbildungen mit Hilfe von geeigneten Projektoren projiziert werden.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Tracking-System der Bildschirmanordnung (4) zugeordnete Kameras (5) verwendet werden, die eine stereoskopische Abtastung der Umgebung erlauben.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Trackingsystem der Bildschirmanordnung (4) zugeordnete Bewegungsmelder (7) verwendet werden.
1 1 . Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h, eine Bildschirmanordnung (4) aus mehreren Bildschirmen (3), deren Bildflächen einen Visualisierungsraum (2) für das virtuelle Objekt ganz oder teilweise umschließen, der Bildschirmanordnung (4) zugeordnete Kameras (5), die die für den Betrachter von der Bildschirmanordnung (4) ganz oder teilweise verdeckte Umgebung (6) aufnehmen und auf den für den Betrachter sichtbaren Bildflächen der Bildschirmanordnung (4) in Echtzeit darstellen, einen Rechner (R), der die von den Kameras (5) erzeugten Umgebungsdarstellungen aus der Perspektive des Betrachters rekonstruiert und einen dem Rechner (R) zugeordneten Bildgenerator (B), der rechnergesteuert zweidimensionale perspektivische Abbildungen des zu visualisierenden Objektes (1 ) erzeugt und lagegerecht in die rekonstruierten Umgebungsdarstellungen integriert.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bildschirmanordnung (4) ein Trackingsystem (7) zur Ermittlung der jeweiligen Position des Betrachters zugeordnet ist.
PCT/EP2013/001584 2012-06-01 2013-05-29 Verfahren zur räumlichen visualisierung von virtuellen objekten Ceased WO2013178358A1 (de)

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