一种基于增强现实的地下管线显示装置的制作方法

本发明涉及一种用于地下管线工程领域的基于增强现实的地下管线显示系统。

背景技术：

增强现实技术是一种将虚拟图形和现实场景相结合的技术总称。增强现实技术一般具有虚实结合、实时交互和三维注册三个特征。其中虚实结合是指将虚拟现实信息和真实世界景象相结合，实现路径包括光学透视，视频透视和光场投射三种。三维注册是指增强现实设备对现实场景定位和跟踪，通过传感器让设备了解现实场景关键物体的位置变化，并对物体进行跟踪。早在20世纪90年代波音公司的tomcaudell和他的同时就提出了增强现实的概念。之后的1994年paulmilgram和fumiokishino提出在虚拟环境和现实世界的中间存在“混合现实”，在“混合现实”中更靠近现实世界的即为增强现实，增强现实是通过计算机生成各种虚拟对象来增强真实环境的技术。

近年来，随着计算机计算能力的迅速提高，计算机图形学的飞速发展和机器视觉的广泛应用，增强现实技术逐渐成为学者的研究热点。增强现实的应用领域也越来越广泛，在医疗、教育、旅游、娱乐等领域都有着较好的表现。增强现实技术的发展与应用是技术发展的必然趋势。

目前，市场上并没有基于增强现实的地下管线显示装置。在施工前必须要实地考察，确定地下管线所处位置和深度，然后才能规划施工。这样就造成了工期的延长和社会资源的浪费。在对地下管线进行检修和维护过程中也需要先寻找线缆界牌，确定管线所在位置，然后寻找地面井盖位置，这样就造成了时间的浪费和人力成本的增加。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于增强现实的地下管线显示装置，它可以实现地下管线的实时显示，使用者手持设备即可看到附近的地下管线分布。

实现上述目的的一种技术方案是：

一种基于增强现实的地下管线显示装置，包括信息采集单元、增强现实处理单元、存储单元、修正单元、ar显示单元，其特征在于：所述信息采集单元、存储单元和修正单元的输出端都连接增强现实处理单元的输入端，所述增强现实处理单元的输出端连接ar显示单元的输入端；所述增强现实处理单元包含管线信息处理模块、系统配置模块、坐标变换模块和图像合成模块；所述信息采集单元包括摄像头、gps模块和陀螺仪模块，获取现实场景、空间定位信息和移动终端的姿态信息；所述摄像头的输出端与图像合成模块的输入端相连接，所述gps模块的输出端与管线信息处理模块的输入端相连接，所述gps模块的输出端与系统配置模块的输入端相连接，将摄像头获取现实场景、空间定位信息以及移动终端的姿态信息在图像合成模块中进行信息融合，生成管线可视化图像；所述陀螺仪模块的输出端与系统配置模块的输入端相连接；所述存储单元存储管线地图文件；所述修正单元包含用以供用户输入的修正模块；

信息采集单元、存储单元和修正单元将获取的数据作为增强现实处理单元的输入信息；增强现实处理单元对输入的信息进行加工处理得到混合图像输出到ar显示单元、ar显示单元实现混合图像的显示和系统状态信息的显示。

进一步的，所述摄像头安装于ar显示单元的背面，使得摄像所得图像与人观察视角所得图像相同；所述gps模块用于提供摄像头的位置信息，安装在摄像头旁边；所述陀螺仪模块用于提供摄像头的方向和仰角信息，与所述摄像头处在同一平面。

进一步的，所述显示单元包含混合图像显示模块和状态信息显示模块，混合图像显示模块与增强现实处理单元连接用于显示最终的合成图像，状态信息显示模块与增强现实处理单元连接用于显示系统配置信息和系统状态信息。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于增强现实的地下管线显示装置，具备以下有益效果：

1、该基于增强现实的地下管线显示系统，实现方式灵活。既可以用arm芯片搭配外围设备制作成专用仪器，从而安全、高效地实现地下管线的可视化显示，也可以借助手机平台，只需开发软件系统，没有硬件成本，降低系统实现的总成本。

2、该基于增强现实的地下管线显示系统，通过地下管线地图与增强现实技术的融合，使管线地图与实景结合，实现了地下管线的实时显示，让用户所见即所得，从而减小了管线被破坏的风险，降低了施工成本；方便了地下管线的检修，降低了维护成本。

附图说明

图1为本发明的一种基于增强现实的地下管线显示装置的示意图；

图2为本发明的一种基于增强现实的地下管线显示装置的各模块信息交互示意图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1和图2。本发明的一种基于增强现实的地下管线显示装置包括信息采集单元、增强现实处理单元、存储单元、修正单元、ar显示单元。所述的信息采集单元的输出端电连接增强现实处理单元的输入端，所述存储单元的输出端电连接增强现实处理单元的输入端，所述的修正单元的输出端电连接增强现实处理单元的输入端，所述的增强现实处理单元的输出端电连接ar显示单元的输入端。

所述信息采集单元包含摄像头、gps模块和陀螺仪模块，所述摄像头采用型号2072，输出分辨率为1280*720，每秒中输出30帧，焦距为6mm，视角为55度，探视距离为0到10米，同时配置无畸变镜头，挂在在cpu总线上，摄像头安装于ar显示单元的背面，使得摄像所得图像与人观察视角所得图像相同。所述gps模块选用hlk-gs475模块，热启动捕获时间为1秒，定位精度0.1m，可同时接收gps，glonass，bds，gal和sbas卫星系统定位信号，通过串行spi协议挂载在cpu总线上，gps模块安装于摄像头旁边，二者相距越近定位效果越精确。所述陀螺仪模块选用jy901s型号，可以提供加速度，角速度，角度，磁场等信息，通过uart接口挂载在cpu总线上，为使得所述陀螺仪模块准确提供摄像头的方向和仰角信息，其与所述摄像头安装于同一平面。

所述摄像头的输出端与图像合成模块的输入端电连接，所述gps模块的输出端与管线信息处理模块的输入端电连接，所述gps模块的输出端与系统配置模块的输入端电连接，所述陀螺仪模块的输出端与系统配置模块的输入端电连接。

所述存储单元主要包含管线坐标信息。存储单元选用microsd卡模块，该模块提供sd卡与cpu之间的接口衔接功能，将sd卡通过spi协议挂载在cpu外设总线上。sd卡选用4gclass10，最高读取速度95mb/s，最高写入速度10mb/s。管线节点信息以结构体的方式存储在sd卡中。

所述增强现实处理单元包括管线信息处理模块、系统配置模块、坐标变换模块和图像合成模块，所述增强现实处理单元主要功能由cpu实现，根据实际需求选用stm32f407zgt6作为主cpu。该cpu主频高达168mhz，mpu能够高达210dmips/mhz，1mbflash，睡眠、停机、待机三种模式，4个uart接口，三个spi接口，8到14位并行相机接口，满足需求，并存在功能扩展空间。

所述管线信息处理模块通过gps模块提供的坐标(xc,yc)确定相机位置。读取坐标周围50米的管线坐标信息即l<50m。式中l表示扫描半径，(xi,yi)表示第i个管线节点的坐标。读取满足条件的管线节点后根据节点的序列信息连接相应节点，绘制出管线地图。

所述系统配置模块在程序初始化时读取相关硬件的配置信息，包括但不局限于摄像头的分辨率，摄像头的焦距，摄像头位置信息，摄像头方向，摄像头与水平线夹角等。通过系统配置模块获取必须的硬件信息为坐标变换做好准备。

所述坐标变换模块主要实现世界坐标系中的点像素坐标系的转换。其坐标变换公式为：

式中zc为现实世界一点到光学中心距离，当物体距离大于300mm时可以表达为：

式中xw,yw,zw为现实世界中一点的坐标，h2为相机与现实世界坐标的原点高度差。cin为相机内参矩阵，可以表示为：

式中fx,fy为投影时焦距在二维图像两轴上的分量。u0,v0为成像平面的坐标原点。cout为相机外部参量，可以表达为：

式中r表示现实坐标系转换为相机坐标系时的3个旋转参数，t表示现实坐标系转换为相机坐标系时的3个平移参数。综上坐标变换公式中共需要提供有10个参数，这10个参数可由系统配置模块提供。

所述增强现实处理单元与存储单元、信息采集单元、修正单元连接，分别用于根据管线地图确定地下管线的分布情况，根据摄像头确定用户面前景象，根据gps模块确定摄像头所在位置，根据陀螺仪模块确定摄像头的方向和与水平方向夹角，根据修正模块确定摄像头高度和部分系统信息，所述增强现实处理单元与ar显示单元连接，将合成后的图像输入到ar显示单元。

所述现实处理单元包含管线信息处理模块、用户配置信息模块、坐标变换模块和图像合成模块；所述管线信息处理模块从gps模块获取当前坐标，然后从存储单元读取附近管线采样点信息，构建出二维管线网络地图；所述用户配置模块从修正模块内获取用户提供的设备高度信息、摄像头广角，摄像头倍率信息、屏幕分辨率信息和屏幕大小信息；所述坐标变换模块根据系统配置模块提供的系统信息、管线信息处理模块提供的管线地图、陀螺仪模块提供的方向和仰角、gps模块提供的坐标信息生成摄像头视角下的管线地图；所述图像合成模块将坐标变换模块提供的摄像头视角的管线地图和摄像头提供的实时图像进行叠加形成现实图像。

所述图像合成模块作用是将坐标变换后的管线地图与摄像头采集的现实图像相互叠加，合成一个增强现实的图像。

所述修正单元主要包括修正模块，用于获取用户提供的设备高度信息，提供用户接口，当自动读取设备信息失败或者有偏差时，用户可通过修正模块输入正确的配置信息从而提高管线地图的准确性。

所述的ar显示单元包括混合图像显示和状态信息显示两部分，具体硬件实现为aml-frd500a3901-ctp显示屏，其尺寸为5.0英寸，分辨率为1280*720，主控芯片为ili9881c-oda，色彩宽度为262k，通过fsmc接口挂载在总线上。cpu将处理后的合成图像和系统状态通过fsmc接口发送给lcd显示屏，实现图像显示功能。所述显示单元包含混合图像显示模块和状态信息显示模块，混合图像显示模块与图像合成模块电连接，将增强后的影像显示出来，完成与用户的交互，实现地下管线的可视化显示。所述状态信息显示模块与系统配置模块电连接，将用户修正后的系统信息显示出来，便于用户了解设备的各种信息，用于监测系统的运行状态。

综上所述该基于增强现实的地下管线显示系统，可以用arm芯片搭配外围设备制作成专用仪器，从而安全、高效地实现地下管线的可视化显示。该基于增强现实的地下管线显示系统，通过地下管线地图与增强现实技术的融合，使管线地图与实景结合，实现了地下管线的实时显示，让用户所见即所得，从而减小了管线被破坏的风险，降低了施工成本；方便了地下管线的检修，降低了维护成本。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。