ЦИФРОВОЙ СПОСОБ СОЗДАНИЯ НЕИСКАЖЕННЫХ ПРОЕКЦИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2024 года по МПК G09F19/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способу создания неискаженных проекций на поверхности реальных объектов при осуществлении архитектурно-художественного освещения зданий, сооружений и прочих объектов, а также световой демаркации на промышленных предприятиях и гражданских объектах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ проецирования изображения на поверхности реальных объектов, (DE102005034990А1), включающий в себя множества цифровых изображений на проекционной поверхности (поверхностях) посредством множества проекторов, которые настроены на разные плоскости изображения, где «элементы изображения» - пиксели проецируются в области проекционной поверхности (поверхностей) одновременно от разных проекторов. При использовании этого способа отображения все области проекционных поверхностей, которые могут быть освещены проекторами, автоматически настраиваются механизмом автофокусировки на оптимальную резкость после калибровки для коррекции геометрии и цвета и для определения значений резкости и соответствующего преобразования при манипулировании интенсивностями, которые должны быть скорректированы. При этом прохождение калибровки является длительным и сложным процессом, а изображение на поверхности в конечном счете получается не вполне реалистичным.

Известен также способ проецирования изображения трехмерных объектов на поверхности реальных объектов (RU 2433487, опубл.10.11.2011, бюл. № 31) путем измерения и/или съемки и/или лазерного сканирования реальных объектов, на поверхности которых это изображение проецируется, расчета положения проекторов, источников света и зрителей относительно реальных объектов. При этом способе создают и текстурируют 3D-модели реальных и виртуальных объектов, проводят построение виртуальной сцены, включающей виртуальные источники света, виртуальные проекторы, 3D-модели реальных объектов, расположение которых идентично расположению реальных объектов, источников света и проекторов, и 3D-модели виртуальных объектов. Программирование визуализации виртуальной сцены осуществляют с точки зрения расположения зрителя в реальном времени, программирование отображения полученного изображения на поверхность моделей реальных объектов в реальном времени, программирование визуализации получившейся сцены с точки зрения расположения проекторов в реальном времени, программирование интерактивной части и сценария поведения моделей. Затем проводят расстановку проекторов в реальной обстановке идентично виртуальной сцене и отображают полученные изображения посредством реальных проекторов на поверхность реальных объектов. В ряде случаев, из-за неточностей в изначальных измерениях или в калибровке проекторов, необходимо осуществлять подстройку (переустановку) проекторов в реальной обстановке. После расстановки проекторов в реальной обстановке дополнительно осуществляют корректировку проецируемого изображения с учетом расстановки проекторов путем редактирования 3D-моделей реальных объектов. В случае возникновения сложностей с наложением финального видеоизображения на реальные объекты из-за неточностей в изначальных измерениях или в калибровке проекторов проводят подстройку проекторов в реальной обстановке путем корректировки проецируемого изображения с помощью средства редактирования трехмерных моделей.

Сложность такого способа обусловлена длительностью настройки и определения положения проекторов вследствие того, что их положение определено виртуальной 3D моделью объектов и перенос точек расположения проекторов в виртуальной модели на реальный объект требует многочисленных итераций в поисках оптимального места, а иногда и корректировки проецируемого изображения с учетом расстановки проекторов путем редактирования 3D моделей реальных объектов. Цифровые проекторы (RU 2433487, фиг.3-5) не позволяют проецировать изображение с исключением зон, где освещение нежелательно (окон, галерей, проемов и т.д.). Конструкция видеопроекторов не предполагает использования их на открытом пространстве, исключение – принятие дополнительных мер по защите от воздействия погодных условий, устанавливаются они чаще всего внутри здания или под навесом, что существенно ограничивает выбор мест их установки.

Известны способы проецирования изображения на поверхности реальных объектов при котором используются так называемые гобо-проекторы - уличные проекторы в виде небольшого светодиодного прибора, проецирующего изображение гобо-слайда на любую, желательно ровную поверхность. Например, на асфальтовое покрытие, стену здания, пол в торговом центре и т.д. Гобо-слайд проектора представляет собой как правило тонкий диск из термостойкого, дихроичного стекла с выполненным методом лазерной гравировки изображением и, который устанавливается перед источником света (Goes Before Optics – GOBO).

Известен способ проецирования изображения на поверхности реальных объектов (RU 2667346, опубл. 18.09.2018, бюл. № 26), взятый за прототип, при котором производят определение зоны проекции и примерного места гобо-проектора, выполняют калибровку проектора калибровочным гобо-слайдом, а именно, вставляют и проецируют гобо-слайд с опорными точками, настраивают размер проекции и фокуса. После выставление значения угла раскрытия и фокуса производят измерение расстояния от гобо-проектора до крайних точек проекции, фотографируют проекции калибровочного гобо с места установки гобо-проектора и/или с точки обзора проекции, производят расчет искажения проекции, создают первичный шаблон в графическом редакторе из фотографии проекции калибровочного гобо путем удаления с изображения шаблона всей графической информации, кроме той, что находится в зоне проекции; затем искажают зону проекции для обеспечения возможности привязки изображения к опорным точка проекции калибровочного гобо, производят при необходимости разделение первичного шаблона на основной шаблон проецируемого изображения и шаблон маски отсечения светового потока из зон, куда не должен попадать свет; после чего производят наложение на основной шаблон изображение для проекции и обозначают, при необходимости, на шаблоне маски зоны отсечения светового потока, причем основной шаблон с изображением и шаблон маски с зонами отсечения светового потока искажают в соответствии с первоначальной геометрией и размерами калибровочного гобо. После чего создают гобо-слайд из основного шаблона с изображением с не просветными зонами для отсечения светового потока. Гобо-слайд устанавливают в гобо-проектор, направляют и настраивают гобо-проектор в соответствии с настройками, сделанными ранее, юстируют гобо с изображением и маску гобо относительно оси светового потока, настраивают фокус проецируемого изображения путем смещения и наклона линз.

Такой способ создания гобо-слайда достаточно трудоемок, требует большого объёма ручного труда на проведение настройки проекторов, выполнение необходимых измерений и расчётов, создания вначале первичного шаблона, потом основного шаблона и шаблона маски отсечения, создания и использования калибровочного гобо, в ряде случаев, повторного комплекса работ для определения нового места установки проекторов и их настройки.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного способа является обеспечение его технологичности за счет снижения трудоемкости процесса создания неискаженных проекций на поверхности реальных объектов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение трудоемкости способа создания неискаженных проекций на поверхности реальных объектов за счет создания трехмерной цифровой модели (3D модели) объекта и его пространственного окружения с заданными фактическими координатами без создания дополнительной виртуальной модели объекта; камеральной обработки сценариев проецирования с учетом расположения объектов в пространственном окружении, препятствующих прохождению лучей проецирования светового потока от проектора (проекторов) к объекту проецирования; определения оптимального места установки проектора (проекторов) путём моделирования и сопоставления вариантов проецирования без последующих дополнительных корректировок на месте установки источников проецирования; создания основного шаблона изображения и, при необходимости, шаблона маски, конечного гобо-слайда.

Технический результат достигается заявленным способом, представляющим собой предварительное геодезическое измерение реального объекта и пространственного окружения для создания сети высотно-опорного обоснования, когда каждая точка объекта сканирования привязывается к системе координат, съёмку реального объекта, на который предстоит выполнить проецирование и его пространственного окружения, для определения в последующем мест установки проекторов, с учетом мест размещения объектов, препятствующих проецированию, создания трехмерной цифровой модели (3D модели) объекта проецирования в заданной системе координат, проведения на ее основе необходимых расчетов для получения неискаженного изображения и определения оптимальных мест установки проекторов. На основе координат, полученных в процессе работы с 3D моделью, создается модель системы «источник(проектор)-экран».

В зависимости от состава объекта, на котором предстоит выполнить проецирование, для сбора необходимого объёма информации о самом объекте и его пространственном окружении, применяется фотограмметрия или лазерное сканирование. Информация об объекте проецирования привязывается к заданной системе координат с помощью программных продуктов, таких как, например, ContextCapture или Metashape для фотограмметрии или Trimble Business Center для лазерного сканирования. В заданной системе координат создается трехмерная цифровая модель (3D модель) для определения координат проектора и плоскости проецирования в принятой системе координат без необходимости создания дополнительной виртуальной модели. Построение 3D модели реального объекта с помощью технологии фотограмметрии, когда создается растровая модель на основе пикселей из фотоизображений или технологии лазерного сканирования, когда модель создается на основе облаков точек полученных с помощью отраженного от поверхности объекта лазерного луча, осуществляется на основе программного обеспечения как, например, ContextCapture, Metashape, Trimble Business Center, в зависимости от применяемого оборудования, например, цифровых фотоаппаратов, квадрокоптеров, лазерных сканеров, с участием опознаков, полученных в результате геодезических замеров.

Цифровая 3D модель, с учетом использования наземных опорных точек и координат центров фотографирования с фотокамер (GPS), является точной цифровой копией реального объекта, что позволяет получать любые необходимые измерения объекта. без повторных выездов на место размещения реального объекта.

Для каждого сценария проецирования изображения при различных местах размещения проекторов выполняется виртуальное проецирование изображения, производится светотехнический расчёт, фиксируется искажение проекционной картинки для формирования будущей неискаженой проекции на поверхности реального объекта, производится компьютерная обработка полученных результатов и, в итоге, создается вид конечного изображения для его дальнейшего переноса на гобо-слайд.

Создание искаженного изображения будущей проекции выполняется в трёхмерной цифровой модели камерально. В результате получается изображение проекции и при необходимости формируется зона отсечения светового потока для последующего изготовления гобо-слайда и маски гобо на основе, например, боросиликатного дихроичного стекла.

Непосредственно на реальном объекте осуществляется только монтаж проектора в соответствии с координатами места установки проектора в 3D модели, установка в него подготовленного слайда и, при необходимости, маски гобо, затем выполняется юстировка прибора.

Использование такого способа существенно снижает трудоемкость процесса создания неискаженных проекций на поверхности реальных объектов за счет того, что все операции по виртуальной установке проектора, определению места проецирования, моделированию светового потока в зависимости от мощности проектора и его оптики, определению наличия препятствий на его пути, возможного изменение места установки проектора, фиксации искажений, определению необходимых параметров, обработке всей информации осуществляются камерально, без дополнительных выездов на место расположения реального объекта. При камеральной работе с 3D моделью не требуется применять калибровочные гобо, всё редактирование производится в процессе работы с программой. Зритель не привязан к определённому месту для созерцания проекции и не ограничен в свободе перемещения.

Способ позволяет осуществлять виртуальное проецирование светового потока с отображением светового пятна на поверхности (месте) проецирования в 3D-модели реального объекта с выбранного (оптимального) места расположения проектора, по результатам лишь светотехнического расчёта без дополнительных выездов на место расположения реального объекта, обработку зафиксированных искажений светового пятна на поверхности проецирования с помощью программного продукта для переноса параметров искажения на изображение будущей проекции (обратное искажение оригинального изображения), создавать слайд, например, из боросиликатного дихроического стекла, по параметрам виртуального искажения оригинального изображения для установки его в проектор и монтаж проектора в точном соответствии с координатами виртуального проектора в 3D модели реального объекта.

Одним из вариантов применения заявляемого способа является использование его для световой демаркации как для статичных изображений, так и для изображений, перемещающихся вслед за перемещаемыми грузами и за передвигающимися механизмами (активная демаркация), когда проецирование изображения осуществляется с помощью проекторов, установленных на передвигающихся механизмах, при неизменном расстоянии от проектора до поверхности проецирования.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ осуществляется следующим образом. С помощью геодезического оборудования создается сеть высотно-опорного обоснования, когда каждая точка сканирования объекта привязывается к системе координат и служит для привязки будущей цифровой 3D модели к реальному объекту. Создается растровая модель реального объекта на основе пикселей из фотоизображений или с помощью технологии лазерного сканирования, когда модель создается на основе облаков точек, полученных с помощью отраженного от поверхности объекта лазерного луча.

С помощью программного обеспечения как, например, ContextCapture, Metashape, Trimble Business Center, осуществляется построение 3D модели объекта, которая является точной цифровой копией реального объекта, что позволяет производить любые необходимые измерения объекта виртуально, в системе реальных координат без дополнительных выездов на объект, построение цифровой модели окружающего пространства, редактирование моделей реальности и цифровых моделей местности, состоящих из сотен миллионов треугольников или облаков точек, импорт, ретуширование и экспорт моделей реальности в различные форматы, перемещение данных в лучшие для обработки форматы.

Для каждого сценария визуализации выполняется виртуальное проецирование изображения, производится светотехнический расчёт, фиксируется искажение проекционной картинки, производится компьютерная обработка полученных результатов и создается вид конечного изображения для его дальнейшего переноса на гобо-слайд. Создание искаженного изображения будущей проекции выполняется в трёхмерной цифровой модели камерально. В результате получается основное изображение проекции и, при необходимости, формируется зона отсечения светового потока для последующего изготовления слайда и маски гобо на основе, например, боросиликатного дихроичного стекла.

Производится моделирование места установки проекторов в 3D модели, создание виртуальной визуализации проецирования светового потока от проектора в зависимости от мощности проектора и его оптики, установленного на принципиально пригодных для этого поверхностях в пространственном окружении объекта проецирования до заданного места расположения проекции. По мере определения оптимального варианта (отсутствие препятствий на пути светового потока, соблюдение требования минимально возможного угла наклона светового потока для комфортного восприятия изображения зрителями, ближайшее, в разумных пределах, расположение проектора от места нахождения проекции), фиксируют место установки проектора, с привязкой его к координатам 3D модели. Для осуществления светотехнического расчета, отслеживания траекторий лучей и расчета их взаимодействий с лежащими на траекториях объектами, расчета задач геометрической оптики, используются программные продукты как, например, программные пакеты ZEMAX и DIALUX, позволяющие моделировать и анализировать различные оптические системы, создавать на основе полученных при создании 3D модели координат модель системы «источник(проектор)-экран». На экране создается равномерная сетка точек, размером, соответствующая размеру изображения. По результатам расчетов создаются два текстовых файла: один с координатами равномерной сетки в гобо-маске в виртуальной проекции, другой с координатами искаженной сетки.

Непосредственно на реальном объекте осуществляется только монтаж проектора в соответствии с координатами места установки проектора в 3D модели, установка в него подготовленного слайда и, при необходимости, маски гобо, юстировка проекторов.

Изобретение относится к области создания неискаженных проекций на поверхности реальных объектов, а также световой демаркации на промышленных предприятиях и гражданских объектах. Техническим результатом заявленного решения является создание неискаженных проекций на поверхности реальных объектов без подстройки проекторов и юстировки гобо-слайдов. Технический результат достигается тем, что осуществляют съёмку или лазерное сканирование реального объекта, на котором предстоит выполнить проецирование, создают 3D модели реального объекта, моделируют сценарии проецирования с учетом пространственного окружения реальных объектов и в соответствии с выбранными координатами виртуальных проекторов, вычисляют зоны проекции и положение проекторов, фиксируют искажения проекционной картинки, переносят искажённое изображение с учётом минимального угла наклона светового потока на гобо-слайд; проекторами, размещенными в соответствии с установленными координатами, осуществляют проецирование гобо-слайда на поверхность реальных объектов.

Цифровой способ создания неискаженного изображения на поверхности реальных объектов, включающий съёмку или лазерное сканирование реального объекта, на котором предстоит выполнить проецирование, создание 3D модели реального объекта, моделирование сценариев проецирования с учетом пространственного окружения реальных объектов, определение и расчет зоны проекции, расчет положения проекторов, перенос изображения проекции на гобо-слайд, монтаж проекторов на месте, установку слайда с изображением в проектор, проецирование изображения на поверхность реальных объектов, отличающийся тем, что моделирование сценариев проецирования выполняется в соответствии с выбранными координатами виртуальных проекторов, при выполнении виртуального проецирования выполняется светотехнический расчёт, фиксируются искажения проекционной картинки, для переноса изображения проекции на гобо-слайд формируется искажённое изображение с учётом минимального угла наклона светового потока путём программной обработки измеренных и зафиксированных параметров искажения для каждого сценария проецирования изображения при различных местах виртуального размещения проекторов, монтаж проекторов на месте осуществляется в соответствии с выбранными координатами виртуальных проекторов в 3D модели реального объекта.