虚拟现实增强装配指导下的视觉元素研究

虚拟现实智能硬件2019年第1期引文：王莉，王俊峰，焦思晨，王梦，李世奇.增强现实装配过程中视觉元素的研究。虚拟现实智能硬件，2019，1（6）：622-634DOI：10.1016/j.vrih.2019.09.006·文章·增强现实系统中视觉元素的研究王丽，王俊峰*，史车杰敖，孟旺，史琪丽华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉430074* 通讯作者，wangjf@hust.edu.cn投稿时间：2019年7月28日修订日期：2019年8月22日接受日期：2019年9月24日产业技术开发计划资助项目（JCKY2016204A502）。摘要背景为了解决增强现实（AR）中的可视化问题，对于装配过程信息，我们在这里报告我们的研究AR装配过程信息的组成。方法将装配过程中的视觉元素分为6类，深入研究AR环境下装配过程信息中视觉元素的表达特征，识别标准装配过程元素，研究视觉元素的布局原则。结论：利用基于AR的装配教学系统，给出了典型的可视化元素。关键词增强现实;视觉元素;工艺信息;装配指导1引言传统的装配说明书是通过文字、图片和表格来表达工艺信息的。当操作员使用手册进行组装时，需要将纸张上的信息转换为他/她头脑中可理解的信息，然后才能完成工作。这个心理过程将花费很多时间，并可能导致不同的信息解释，由于有不同的认知能力水平之间的操作员，从而潜在地影响装配质量。AR允许虚拟信息叠加到真实环境上以方便工作，并且它用于装配领域[1，2]。AR技术可以显著降低信息理解的难度，有利于装配质量的提高[3]。在AR引导装配工作的过程中，装配过程信息的可视化是决定引导效果的关键因素[4-7]。视觉化的信息表达可以减轻人们的认知负担，正如Mayer等人所证明的那样[8]的一项建议。Bruno等人使用AR以可视化的方式表达工业工程背景下的数值实验结果，这大大提高了数据的可读性[9]。为了解决混沌增强信息显示的问题，Julier等人提出了一种过滤算法来减少显示信息并优化AR信息布局[10]。Rolim等人研究了AR视觉表达指令，提出了指令的设计标准，并设计了一系列指令集[11]。对于AR中装配过程信息的可视化，Haringer等人研究了二维视觉元素和布局图片来表达装配过程信息，而Zauner基于二维视觉表达[12]，www.vr-ih.com王力等：增强现实装配过程中的视觉元素研究623等提出了一种用于装配工艺表达的三维模型，并采用三维仿真动画动态表达装配工作[13]。然而，他们的研究是基于特定的装配对象，缺乏普遍的应用，随后Radkowski等人开始研究常用的装配工艺信息与视觉元素表达之间的关系[14]。他们提出，视觉表达的复杂性应该与装配工作的难度相匹配，并指出，如果使用复杂的视觉元素来表达简单的装配工作，会增加操作人员的认知负担。Keil等人开始基于中介质量描述、分类和组织装配过程信息的可视化方法--尽管他们没有从技术或实现的角度考虑可视化元素设计和布局[15]。Gattullo等人提出了一种将工艺信息转换为图片的方法，并为装配工艺设计了一些图片标准化-尽管他们只考虑了图片设计[16]。上述研究表明，有必要根据AR装配过程的特点，对装配过程中各个视觉元素的设计进行综合分析。为解决AR装配引导中的可视化问题，提出了一种基于AR的装配工艺信息可视化表达组合模型，并识别了影响装配工艺信息可视化表达的关键因素。研究了装配过程中视觉元素的类型、设计和布局方法。在此基础上，开发了一个AR装配引导系统，并利用该系统对典型的视觉元素进行了分析。本文的主要贡献在于：首先，提出了六类装配工艺信息表达视觉元素，其次，系统分析了不同视觉元素的设计方法，建立了标准化的视觉元素。第三，研究了视觉元素布局的原则，提出了两种三维视觉元素布局方法。2增强装配工作中的工艺信息分析在AR引导的机械装配过程中[17-20]，装配过程信息使用视觉元素表示。AR过程信息分为装配过程信息和运行状态信息两类，装配过程的两部分通过操作人员及其工作形成信息循环。在这个循环中，装配操作为操作员提供装配过程信息，然后操作员根据来自操作过程信息的反馈对装配过程信息提出新的要求。AR装配工艺信息的组成-主要包括三类：产品信息、工装信息和工艺流程信息-如图1所示。产品信息主要包括产品模型信息、零件名称和外观以及装配位置信息。工装信息主要包括工装模型和位置信息，工艺信息包括工艺名称、装配方法和工艺要求三个子类型。在这些子类型中，装配方法指的是操作方法信息、装配路径信息和装配位置信息，而过程要求主要指质量要求信息。操作状态信息包括任务反馈信息，由错误、警告和进度确认信息组成，帮助信息由专家帮助和问题解决列表组成。AR装配过程信息包含16个子项，每个装配步骤至少有1个子项与运行状态和装配过程624虚拟现实智能硬件2019年第1期信息.图1AR装配工艺信息的组成。通过大量的试验，我们得出结论：在单个视觉AR元素中很难清晰地表达完整的装配工艺信息，必须将多个视觉元素组合起来，才能在AR向导中表达装配工艺信息，以便于装配操作。需要在描述每个装配操作步骤的视觉元素中表达的信息的决定因素与视觉元素的类型、设计和布局有关。因此，有必要确定用于表达装配过程真实性的视觉元素类型，为需要表达的过程信息设计视觉元素，并规范用于信息表达的视觉元素形式。我们还需要研究显示设备视觉元素的布局原则。3增强装配过程的视觉元素分类根据虚拟空间中可视化信息的维度特征，AR视觉风格可以分为3-D和2-D可视化。在我们的研究中，六个视觉元素类别已被提出作为装配工艺信息的表达。图片、静态模型、模拟动画、视频、符号、文字。如表1所示，图片和视频是2-D视觉元素，静态模型和仿真动画被归类为3-D视觉元素，符号和文本被包括为2-D或3-D。每个视觉元素可以表达一个或多个子项目过程表1装配过程Number类别属性功能1图片2-D表示装配操作等信息2静态模型3-D表达产品和工装信息3仿真动画3-D表示过程和方向信息4视频2-D表示帮助消息和其他信息5符号二维\三维 表示对象位置、标识装配路径和提供提示信息6文本二维\三维 表达装配过程和产品操作信息625王力等：增强现实装配过程中的视觉元素研究AR装配过程指南中的信息。3.1图片图片是一种使用装配进度照片或设计图形来表达工艺信息的方法。图片内容形式多样，可覆盖活动步骤或对象外观。图片可以用于直观地显示静态过程信息，并且不需要限于正在组装的对象。3.2静态模型静态模型是一种使用三维模型来表达过程信息的方法。静态三维模型表示了装配零件和工具，能够反映实际零件的尺寸和形状，并能提示操作者快速找到所需的装配对象。与二维图纸相比，三维模型更加直观，易于装配操作员理解。3.3模拟动画动画是一种使用动态3D模型来表达过程信息的方法，该模型可以使用运动来从头到尾呈现装配过程。使用仿真动画表示工艺信息时，需要了解装配路径、装配位置和装配工艺等信息。根据三维模型的显示位置，仿真动画可分为精确叠加显示和非精确叠加显示两种形式。这里，精确的叠加显示模拟动画意味着使用实际对象以精确的定位示出虚拟3D模型组件，而不精确的叠加显示模拟动画意味着虚拟3D模型在任何位置使用显示器并且不精确地叠加实际组件对象。3.4视频视频是一种通过使用连续的二维动态图像来表达过程信息的方式。与其他表达类型相比，视频具有最大的信息量，使其能够表达完整的装配操作过程，也可以用于提供专家帮助或装配演示。3.5符号符号是用标签或符号表达过程信息的一种方式--可以是2-D图形，也可以是3- D模型。它们主要用于提供箭头信息指示器、基于模型的定义3D标注和其他引导标记。3.6文本文本是一种使用书面描述来表达过程信息的方式。在可视化表达中，可以使用简单的文本描述提示简单的信息，例如零件名称、刀具类型和工艺序列号。文本是灵活的，它可以描述可能难以用其他方式表达的指导信息，如过程质量要求和检查要求。4面向增强装配过程的视觉元素设计AR装配过程信息可以使用图1中提到的六个可视化元素来表达。626虚拟现实智能硬件2019年第1期第3款.对于标准装配操作或工艺信息，使用这些AR表达元素标准化视觉工艺信息是有用的，因为这可以有效减少内容创作期间设计工作的冗余[21]，并可以促进AR装配指导的应用。4.1二维元件设计可视化二维可视化元素主要包括文本、图片、视频和符号。视频一般是从现场操作中采集的，视频内容由不同的装配任务要求决定在我们的研究中，我们考虑了三种2-D可视化元素的标准化设计：文本，符号和图片。4.1.1文本可视化设计通过将文本信息转换为文本位图来实现AR过程信息的文本可视化。文本所需的可视化设计决策包括确定其字体、颜色、大小和呈现样式。根据各个装配工艺项目的相对重要性，可以将文本信息分为低、中或高重要性级别，然后根据需要通过颜色和背景的差异来区分重要性级别，以引起操作员的注意。在我们的工作中，低级别的重要性文本被设计为黄色字体，背景是透明的;中等级别的重要性文本被设计为红色字体，背景是透明的;高级别的重要性文本被设计为红色字体，背景是增强的。文本可视化设计的示例已在表2中列出。工艺手册表2 文本可视化设计面向增强装配的工艺名称零件清洗滚筒轴组件轴承组件工艺内容描述零件的表面用煤油擦洗干净，然后组装。将组装好的滚筒轴压入大齿轮中心孔，确保中心孔对齐。将内挡环、透明盖、密封垫安装在滚筒轴上后，将轴承压入滚筒轴内处理内容用煤油把零件擦洗干净滚筒轴压入大齿轮将轴承压入卷轴轴排名较低介质高视觉设计用煤油把零件擦洗干净将滚筒轴压入大齿轮中心孔，将轴承压入卷轴轴4.1.2图片可视化设计我们设计了装配操作图。如表3所示，通过将复杂的过程转换为简单的二维图像，操作员可以缩短理解目标过程所需的时间，从而减轻他们的认知负担。当不同的装配操作被设计成简单的二维可视化图形时，关键的方面是勾勒出所需的实际动作，并显示相关的操作对象，以确保图片具有普遍的可理解性和可读性。4.1.3注释符号可视化设计AR过程信息的符号可视化是通过结合文本和点-线位图实现的，如表4所示。符号设计要求包括形状、颜色、大小和呈现样式的决定。传统的工艺手册往往使用文字和图片来描述符号，没有统一的格式，因此，在我们的研究中，我们已经标准化的箭头，注释，标签，制表符符号用于AR工艺信息的表达。箭头符号使用线段设计，并且是蓝色的;注释由引线和文本组成;标签由引线、数字和方框组成;选项卡由引线编号和圆圈组成。王力等：增强现实装配过程中的视觉元素研究627进程名称工艺描述表3图片可视化设计工艺手册增强装配视觉设计螺钉润滑线爆震名称箭头注释标签使用紧固工具，按照工艺要求向装配对象注入润滑油，以减少零件根据一定的要求对于装配配合支撑，在敲击操作中对装配进行攻丝，以确保装配表4符号视觉设计功能引导操作者注意力;提醒注意箭头所指物体;指示方向注释装配对象并指导操作员定位对象标记装配对象的尺寸，提醒装配操作人员注意尺寸视觉设计选项卡用序列号标记装配对象，并指导操作员按顺序标记有相应序列号4.2三维可视化元素设计4.2.1三维刀具可视化设计三维刀具可视化设计是指使用轻量化刀具的三维模型来表达刀具在装配过程中如何使用的工艺信息。装配操作中使用的工具种类繁多，对于符合国家标准的工具，可以设计一个标准的可视化工具，建立AR装配的工具模型库。这意味着，当这种工具用于不同的装配应用时，可以选择适当的工具模型，而不需要新的设计。这有助于降低部件内容创作的复杂性。对于使用标准工具的可视化设计，我们的策略是在我们的研究中使用CAD 3-D工具模型来简化内容创作，仅使用与模型方面和空间位置相关的信息。各种工具类型的建模可以构建AR的3D工具库，表5中显示了四种工具模型设计的示例。4.2.2三维箭头可视化设计在AR装配引导中，3D箭头可用于引导操作员的注意力。为了从不同的箭头类型中构建一个统一的AR装配指导箭头样式，我们选择了与3D工具相同的设计策略。利用箭体的三维CAD模型，简化了箭体的加工过程，建立了箭体的三维模型虚拟现实智能硬件2019年第1期628名称表5刀具模型功能视觉设计开放式网络提供所用工具类型的提示;说明安装情况位置;指导螺母拧紧操作螺丝刀套筒扳手提供要使用的工具类型的提醒;指示安装位置;导向螺钉紧固操作提供所用工具类型的提示;指示安装位置;导向螺母拧紧操作套筒扳手提供所用工具类型的提示;说明安装位置;导螺杆拧紧操作图书馆在创作了用于AR引导的3D箭头之后，从模型库中选择与装配过程要求相对应的箭头将是一个简单的问题。在我们的研究中，我们设计了四种用于装配引导的箭头模型类型，即线性箭头、旋转箭头、虚线箭头和箭头延长线，它们可以用来表达不同的装配过程信息，如表6所示。类型表6箭模型功能视觉设计直线箭头指示安装位置;引导线性运动;引导注意力到对象旋转箭头断箭旋转运动导向;将注意力引导到旋转多段线移动指南;将注意力引导到垂直方向。箭头延伸作为箭的延伸，增加箭的射程4.2.3三维零件可视化设计在AR辅助装配中描述的过程中使用了许多标准件，并且对于不同的装配主题，存在一些通用的标准件，因此适合为AR设计这些标准件的三维可视化模型。许多标准件类型的结构复杂，因此为了减少标准件所需的内存消耗，采用了简化模型。在这些模型中，仅保留了表面和空间位置信息，而删除了内部结构、模型属性、装配约束、材料和其他模型信息。如表7所示，表中列出的标准零件分别是轴承、阀门、法兰和螺栓，这四种标准零件类型是从CAD模型简化的。请注意，对于非标准零件，此方法也可用于简化模型。王力等：增强现实装配过程中的视觉元素研究629名称表7标准件功能视觉设计轴承表示轴承的安装位置、外观和型号阀凸缘表示阀门表示法兰螺栓表示螺栓5增强装配过程的视觉元素布局在基于增强现实的装配工艺信息可视化技术研究中，不仅需要设计用于表达标准装配工艺信息的可视化元素，还需要对可视化元素的布局和显示进行分析。合理的可视化元素布局有利于装配过程的解释，增加对显示设备中视觉元素的理解。装配过程中视觉元素布局的关键问题是实现视觉元素的真实坐标系与显示设备像素坐标系之间的转换，并根据不同的参考坐标系调整视觉元素的位置坐标值。5.1二维视觉元素布局二维可视化元素主要包括文本、图片、视频和一些符号，二维可视化元素的布局基于屏幕像素坐标系。适用于2-D视觉元素布局的原则是确定视觉元素的虚拟信息显示坐标系，然后将虚拟信息的显示坐标系与像素坐标系重叠。这允许为显示设备获得2-D可视化元素的显示位置。最后一步是将虚拟的二维可视化元素和使用摄像机获得的真实场景合成，并完成二维可视化元素显示的创建。该过程的示意图见图2。2-D可视化元素显示在屏幕上的固定位置并且不改变，并且2-D可视化元素的大小和形状都保持其稳定性和良好的可读性。但是，如果更改了相机位置，则固定显示的二维可视化元素将遮挡部件对象。为保证良好的可读性，在开发二维可视化元素时应遵循空间邻近原则、信息切割原则和注意力引导原则。空间邻近原则是指确保可视化元素位于注释对象的相邻区域。例如，当注释工具上的信息时，例如，注释视觉元素应该显示在工具模型附近，以减少注意力转移，并帮助操作员集中注意力观察模型和相关联的注释。信息切割的原则是指将视觉元素划分为块，以避免虚拟现实智能硬件2019年第1期630图22-D视觉元素布局的原则。覆盖显示器。人类的认知能力是有限的，视觉信息按顺序、分块显示可以减轻操作者的认知负担。注意引导原则是指在可视化元素和对象之间建立联系，可以帮助工作人员快速理解视觉元素所表达的过程信息的内容。每个视觉元素都用来表达与特定装配对象相关的装配信息，装配对象与视觉元素之间的联系可以通过箭头、方块指和符号来建立，如果明智地应用，这一原则可以帮助操作员避免认知混乱。5.2三维视觉元素布局三维可视化元素通常限于静态模型、模拟动画和三维符号。如图3所示，3-D可视化元素的布局原则基于图33-D视觉元素布局的原则。王力等：增强现实装配过程中的视觉元素研究631组件对象的实际坐标系到显示像素坐标系的变换。 其原理可以描述为：首先，确定装配对象的相关点在实际坐标系和像素坐标系中的坐标值。然后，使用对应的点来计算真实相机的参数，包括外部参数和内部参数矩阵，然后，在获得真实相机参数之后，虚拟相机可以使用这些来在真实场景中定位3D虚拟模型。最后，通过融合真实摄像机图像和虚拟摄像机拍摄的三维可视化元素，完成三维可视化元素的布局和显示。与2D可视化元素布局显示不同，3D可视化元素的显示位置和形状将随着相机的位置而变化，并且通过利用这一特性，使用3D可视化元素的不同视角可以帮助操作者理解复杂的装配过程信息。三维可视化元素的布局可以分为两种类型：精确叠加和不精确叠加，如图4所示。精确叠加用于根据装配过程将三维虚拟模型叠加到真实装配对象中的正确位置，过程可以直观地指导装配操作员根据虚拟模型的显示位置安装零件。图4三维视觉元素的布局。(a)精确的重叠;（b）不精确的重叠。在不需要将虚拟模型叠加到真实装配对象上的情况下，不精确叠加用于以操作者可以容易地看到的方式显示3D虚拟模型。因此，非精确叠加定位具有灵活性，可以根据装配环境的需要进行应用，有利于拓展三维可视化元素的应用场景。6原型系统和案例研究6.1基于增强现实的汇编指令系统通过应用AR引导系统，可以显示AR装配过程的可视化元素。本文以某发动机装配过程为例进行AR装配过程可视化，对装配过程的典型可视化元素进行可视化。AR装配引导系统使用Microsoft VisualStudio C++开发，虚拟场景使用虚拟现实开发工具包Coin3D进行管理和渲染。利用OpenCV开发了用于实时制导的图像处理和视频融合技术，并设计了增强型装配制导系统的界面，主要包括菜单窗口、结构和显示窗口-如图5所示。菜单窗口用于管理引导系统的操作，结构树窗口用于显示装配步骤信息，显示窗口用于显示引导视频，将虚拟元素与真实元素相结合装配过程场景。图5基于AR的汇编指令系统。虚拟现实智能硬件2019年第1期6326.2典型可视化元素表示6.2.1图片本示例的目的是使用图片指导气缸盖的螺钉拧紧过程，如图所示6.图片显示在装配机的左上方，其想法是在装配过程中，操作员可以根据图片提供的指导选择合适的工具来拧紧螺栓。6.2.2仿真动画和静态模型本示例的目的是指导装配顺序。在该顺序中，示出了用于气缸盖的螺钉紧固组装过程，然后使用螺纹连接将发动机气缸盖组装在本体上。作为指导的一部分，气缸盖模型实时准确地叠加在车身上，使用仿真动画，将螺栓安装在气缸盖的螺孔中，并使用工具模型（作为静态模型）指导螺母拧紧操作。使用模拟动画和静态模型的制导视觉如图7所示。6.2.3视频使用视频的视觉引导在图8中示出，其中该示例涉及使用视频注释的气缸盖组装过程。视频是在编写装配指导之前捕获的，由装配演示组成。演示视频显示位置位于视图窗口的顶部，可在内容创作阶段进行安排。操作员可以按照视频进行组装步骤。6.2.4符号图9示出了使用符号的视觉引导的示例-在这种情况下覆盖气缸盖组装过程的注释。注释的目的和内容与确保气缸盖的正确对准有关，在引导过程中，注释框将随着零件的移动而移动，注释引线始终与零件保持连接。为了实现正确的符号引导，首先在每一帧动画中包含零件重心的三维点坐标，然后利用透视投影计算方法，将像素坐标的重心转移到显示平面上。图6使用图片的视觉引导。图7使用动画和静态模型的视觉引导。图8使用视频的视觉引导。图9使用符号的视觉引导。王力等：增强现实装配过程中的视觉元素研究633最后，在每一帧中，使用重心的像素坐标作为起点，在显示平面上绘制注释框和文本。6.2.5测试在本例中，文本用于注释气缸盖的装配过程，如图10所示，文本显示在左上角，用黄色表示。装配过程的这一方面涉及将气缸盖与螺钉孔对齐并紧固螺钉-使用此指导信息，操作员可以轻松理解并应用正确的装配程序。7结论图10使用文本的视觉指导。在研究了基于AR的装配工艺信息的组成部分后，提出了6种装配工艺信息AR可视化表达方法，以及各种可视化元素的标准化原则。为了增加可视化元素的可读性，他们的布局和增强装配的布局原则进行了研究，并在适当的时候，这使我们能够开发一个原型系统的AR装配指导。并以某发动机装配过程为例，对该系统进行了测试，验证了典型视觉表达元素的应用。基于本文所述的AR装配过程可视化技术，未来可以研究不同视觉元素类型的组合表达，建立更准确、更易于理解的可视化元素组合，用于装配过程指导。引用1[10]杨文军，杨文军.一个增强现实的装配和维护技能培训平台。机器人与自主系统，2013，61（4）：398-403DOI：10.1016/j.robot.2012.09.0132放大图片作者：Dini 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