基于全息通讯系统的三维远程施工方法及其实现装置与流程
本发明涉及工程施工领域，尤其涉及基于全息通讯系统的三维远程施工方法及其实现装置。
背景技术：
在相关技术中，远程施工可以将施工人员和施工环境分离，具有许多突出特点：首先，突破了工作条件限制，施工人员无需暴露于恶劣的气候条件中，可以展开施工作业的时间段大幅增加；第二，突破了安全条件限制，施工人员无需亲临危险条件下的施工现场，相关行业从业人员的人身安全得到保障；第三，扩展了工程机械应用范围，使在施工人员无法进入的场所展开作业成为可能。
然而，当前的远程施工系统往往采用传统监视摄像头采集施工作业场景，采用液晶显示器在本地端进行显示。上述远程施工系统采集和显示的图像均为二维图像，实际使用过程中，本地端操作人员无法根据一幅二维图像准确判断施工作业设备与施工对象的位置关系，必须同时观看多个液晶显示器上的图像信息。操作过程中，操作员需要不断切换观察各显示器显示的图像，增加了操作员的疲劳感，降低了远程作业的效率；同时，不同液晶显示器显示施工作业场景不同视角下的信息，当其中每个视角差别较大时，本地端操作人员难以快速、准确做出判断，降低施工作业的速度和准确率。由于以上挑战，增加了上述远程施工系统的学习成本，本地端操作人员需要进行长时间技能训练，进一步增加了上述远程施工系统的使用成本。因此，上述技术存在改进空间。
技术实现要素：
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于全息通讯系统的三维远程施工方法，根据本发明的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，相对于二维远程施工，提高了系统展示的直观性和准确性，增强了系统操作的易用性，极大提高了系统的工作效率，具备了学习成本低、安全性高以及适用范围广的优点。
本发明的第二个目的在于提出基于全息通讯系统的三维远程施工方法的实现装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于全息通讯系统的三维远程施工方法，方法包括以下步骤：
步骤101，设定多个第一采集设备，采集不同视角下远程施工设备及周围环境的三维场景信息；
步骤102，使用三维建模算法，根据采集设备采集的三维场景信息，绘制场景的三维模型；
步骤103，使用基于菲涅尔衍射积分的快速全息图生成算法，实时计算三维场景模型的计算全息图；
步骤104，使用网络传输系统，将计算全息图由远程施工作业设备传输至本地端的全息显示设备上；
步骤105，使用全息显示设备接收并加载计算全息图，通过衍射重建实现三维场景信息的全息显示；
步骤106，使用三维交互系统，操作人员通过本地端操作台对全息重建像进行相应的施工作业操作；
步骤107，使用网络传输系统，回传本地端施工操作信号，驱动施工作业设备进行相应的施工动作。
根据本发明的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，使用第一采集设备(如三维相机或传感器)采集远程施工作业设备及其周围环境的三维场景信息，采用全息显示系统在本地端实现上述计算全息图的接收和三维重建，采用三维交互系统实现操作员对远程施工作业设备的操纵，提高了系统展示的直观性和准确性，增强了系统操作的易用性和精确性，极大提高了系统的工作效率，具备了学习成本低、安全性高以及适用范围广等优点。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，场景的三维模型包括：远程施工作业环境和远程施工作业设备操作臂，场景的三维模型在远程施工作业设备的数据处理系统中完成绘制。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，采用菲涅尔衍射积分公式，场景的三维模型可转化成计算全息图，具体过程为：以e(x，y)表示全息面上的复振幅分布，
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，网络传输系统包括：远程施工作业设备的信号收发模块、通讯网络和本地端的信号收发模块，其中计算全息图通过远程施工作业设备的数据处理系统输出到远程施工作业设备的信号收发模块，作为网络传输系统的输入信号；通讯网络将输入信号从远程施工现场传输到本地端；本地端的信号收发模块作为网络传输系统的输出端，负责接收通讯网络传输到本地端的计算全息图。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，远程施工作业环境和远程施工作业设备操作臂的三维场景模型通过网络传输系统以计算全息图的形式到达本地端，并通过本地端的信号收发模块输出到本地端的数据处理系统。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，全息三维显示系统由空间光调制器驱动板、空间光调制器面板以及照明光路组成，其中本地端的数据处理系统将计算全息图存放在空间光调制器驱动板的内存中，空间光调制器驱动板内存中的数据通过空间光调制器面板上的排线加载到空间光调制器面板上，照明光路发出相干平面波，照射在加载有计算全息图的空间光调制器面板上，在计算全息图的调制下，相干平面波携带远程施工作业环境和远程施工作业设备操作臂的三维场景模型信息，在三维场景信息的显示区域内完成重建，得到三维场景信息的全息重建图像。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，三维交互系统包括：第二采集设备和本地端操作台，本地端操作台和远程施工作业设备的驾驶室布局相同，通过本地端操作台完成对全息重建图像的施工作业。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，通过本地端操作台完成对全息重建图像的施工作业后，施工作业信号将通过本地端的数据处理系统输入至本地端的信号收发模块，并通过通讯网络输出至远程施工作业设备的信号收发模块，远程施工作业设备的数据处理系统读取远程施工作业设备的信号收发模块接收的施工作业信号，并驱动远程施工作业设备操作臂对远程施工作业环境进行施工作业。
根据本发明的第二方面的基于全息通讯系统的三维远程施工方法的实现装置，采用了如第一方面任一种基于全息通讯系统的三维远程施工方法，所述实现装置与上述的基于全息通讯系统的三维远程施工方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法的流程图；
图2为本发明实施例的远程施工作业前端信息采集的示意图；
图3为本发明实施例的通讯网络的示意图；
图4为根据传统的远程施工作业后端信息处理的示意图。
附图标记说明：
201-远程施工作业环境，202-远程施工作业设备操作臂，203-远程施工作业设备的驾驶室，204-第一采集设备，205-远程施工作业设备的数据处理系统，206-远程施工作业设备的信号收发模块，207-通讯网络，209-本地端的信号收发模块，210-本地端的数据处理系统，211-全息三维显示系统，212-第二采集设备，213-三维场景信息的显示区域，214-本地端操作台。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图1-图4描述本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法。
根据本发明实施例所提供的一种基于全息通讯系统的三维远程施工方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤101，设定多个第一采集设备204，采集不同视角下远程施工设备及周围环境的三维场景信息；进一步地，在远程施工作业设备的驾驶室203的前方设置第一采集设备204，这样通过第一采集设备204可以采集到远程施工作业环境201和远程施工作业设备操作臂202的多角度三维形貌信息；进一步地，第一采集设备204可以为三维相机或传感器。
步骤102，使用三维建模算法，根据采集设备采集的三维场景信息，绘制场景的三维模型；进一步地，通过第一采集设备204采集到远程施工作业环境201和远程施工作业设备操作臂202的多角度三维形貌信息后，具体地为深度信息和纹理信息，进而可以确定三维场景不同物点的三维坐标和表面纹理，从而绘制得到201远程施工作业环境和202远程施工作业设备操作臂的三维场景模型。
步骤103，使用基于菲涅尔衍射积分的快速全息图生成算法，实时计算三维场景模型的计算全息图；
步骤104，使用网络传输系统，将计算全息图由远程施工作业设备传输至本地端的全息显示设备上；
步骤105，使用全息显示设备接收并加载计算全息图，通过衍射重建实现三维场景信息的全息显示；
步骤106，使用三维交互系统，操作人员通过本地端操作台214对全息重建像进行相应的施工作业操作；
步骤107，使用网络传输系统，回传本地端施工操作信号，驱动施工作业设备进行相应的施工动作。
根据本发明的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，使用第一采集设备204采集远程施工作业设备及其周围环境的三维场景信息，采用全息显示系统在本地端实现上述计算全息图的接收和三维重建，采用三维交互系统实现操作员对远程施工作业设备的操纵，提高了系统展示的直观性和准确性，增强了系统操作的易用性和精确性，极大提高了系统的工作效率，具备了学习成本低、安全性高以及适用范围广等优点。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，如图2所示，场景的三维模型可以包括：远程施工作业环境201和远程施工作业设备操作臂202，进一步地，场景的三维模型在远程施工作业设备的数据处理系统205中完成绘制。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，采用菲涅尔衍射积分公式，场景的三维模型可转化成计算全息图，具体过程为：以r(x，y)表示全息面上的复振幅分布，
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，网络传输系统可以包括：远程施工作业设备的信号收发模块206、通讯网络207和本地端的信号收发模块209，其中计算全息图通过远程施工作业设备的数据处理系统205输出到远程施工作业设备的信号收发模块206，作为网络传输系统的输入信号；进一步地，通讯网络207将输入信号从远程施工现场传输到本地端；进一步地，本地端的信号收发模块209作为网络传输系统的输出端，负责接收通讯网络207传输到本地端的计算全息图。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，远程施工作业环境201和远程施工作业设备操作臂202的三维场景模型通过网络传输系统以计算全息图的形式到达本地端，并通过本地端的信号收发模块209输出到本地端的数据处理系统210。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，全息三维显示系统211由空间光调制器驱动板、空间光调制器面板以及照明光路组成，其中本地端的数据处理系统210将计算全息图存放在空间光调制器驱动板的内存中，进一步地，空间光调制器驱动板内存中的数据通过空间光调制器面板上的排线加载到空间光调制器面板上，进一步地，照明光路发出相干平面波，照射在加载有计算全息图的空间光调制器面板上，在计算全息图的调制下，相干平面波携带远程施工作业环境201和远程施工作业设备操作臂202的三维场景模型信息，在三维场景信息的显示区域213内完成重建，得到三维场景信息的全息重建图像。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，如图4所示，三维交互系统包括：第二采集设备212和本地端操作台214，具体地，本地端操作台214和远程施工作业设备的驾驶室203布局相同，通过本地端操作台214完成对全息重建图像的施工作业。进一步地，第二采集设备212可以为本地端的三维相机或传感器，这样可以用于检测操作人员的手势，当全息三维重建像存在遮挡导致操作人员无法看清某些角度画面时，可以通过手势改变全息重建像视角，使施工作业更加便捷。
根据本发明实施例的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，通过本地端操作台214完成对全息重建图像的施工作业后，施工作业信号将通过本地端的数据处理系统210输入至本地端的信号收发模块209，并通过通讯网络207输出至远程施工作业设备的信号收发模块206，进一步地，远程施工作业设备的数据处理系统205读取远程施工作业设备的信号收发模块206接收的施工作业信号，并驱动远程施工作业设备操作臂202对远程施工作业环境201进行施工作业。
综上所述，根据本发明的基于全息通讯系统的三维远程施工方法，使用第一采集设备204采集远程施工作业设备及其周围环境的三维场景信息，采用全息显示系统在本地端实现上述计算全息图的接收和三维重建，采用三维交互系统实现操作员对远程施工作业设备的操纵，提高了系统展示的直观性和准确性，增强了系统操作的易用性和精确性，极大提高了系统的工作效率，具备了学习成本低、安全性高以及适用范围广等优点。
根据本发明的第二方面的基于全息通讯系统的三维远程施工方法的实现装置，采用了如第一方面任一种基于全息通讯系统的三维远程施工方法，从而具有学习成本低、安全性高以及适用范围广等优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
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