ES2890959T3 - Procedimiento para controlar una máquina mediante al menos una coordenada espacial como variable de control - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina por medio de un código bidimensional aplicado sobre un plano portador de un medio portador, que está configurado para el control de un punto objetivo descrito por la coordenada espacial, en el que el código bidimensional aplicado sobre un plano portador (HE) de un medio portador en una primera etapa de procedimiento es leído por medio de un sistema óptico de procesamiento de imágenes, caracterizado por que el procedimiento presenta además las siguientes etapas de procedimiento: determinación de la posición espacial de un vector normal (N+) perpendicular al centro de gravedad de la superficie del código mediante el sistema de procesamiento de imágenes, detección del ángulo de giro de un movimiento de rotación (R) del plano portador (HE) del código alrededor de un eje de giro perpendicular al plano portador (HE) mediante el sistema de procesamiento de imágenes, determinación de la longitud del vector normal (N+) basándose en el ángulo de giro, determinación de una coordenada espacial vectorial (Z) a partir de la posición espacial del vector normal (N+) y la longitud del vector normal (N+), así como la transmisión de la coordenada espacial vectorial (Z) como variable de control a un sistema de control de la máquina.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para controlar una máquina mediante al menos una coordenada espacial como variable de control
La invención se refiere a un procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina mediante un código bidimensional aplicado sobre un plano portador de un medio portador, que está configurado para el control de un punto objetivo descrito por la coordenada espacial, en el que el código bidimensional aplicado sobre un plano portador de un medio portador es leído en una primera etapa de procedimiento por medio de un sistema óptico de procesamiento de imágenes.
El control de máquinas mediante coordenadas espaciales es conocido por el estado de la técnica. Sin embargo, las coordenadas espaciales deben especificarse siempre en un sistema de referencia absoluto o relativo para que cuando se implementan ordenes de control basadas en estas coordenadas espaciales, tanto la máquina controlada como la instancia que controla presenten una comprensión sincronizada e idéntica entre sí de su contenido significativo. Por tanto, las coordenadas espaciales generalmente son especificadas en un sistema de coordenadas absolutas que está almacenado tanto en el sistema de control de la máquina controlada como en la instancia que controla. De esta manera se puede transmitir una orden de control, por ejemplo por transmisión de coordenadas geográficas fijas, como por ejemplo coordenadas espaciales que están indicadas en el sistema de referencia geodésico fijo WGS 84.
Aquí es desfavorable que todos los puntos espaciales relevantes para el control de una máquina deben ser expresados en las coordenadas de tal sistema de referencia geodésico antes de que pueda ser posible de alguna manera un control técnico de la máquina basado en estos puntos. En muchos casos, esto es muy complejo y restringe severamente la posibilidad de uso para fines de aplicación espontáneos o intuitivos en los que las coordenadas espaciales no se pueden determinar de una manera predecible con exactitud.
Por esta razón, en tales casos de aplicación se utilizan la mayoría de las veces sistemas de referencia relativos. Una variante de implementación muy simple de este enfoque es materializada, por ejemplo, en los controles remotos convencionales, que generalmente se basan en que es detectado por sensores el grado de desviación de una palanca de control o "joystick" desde una posición básica neutra y se convierte o traduce en las variables de control relativas correspondientes. Estas variables de control relativas se traducen a su vez en órdenes de movimiento en la máquina controlada. La sincronización entre el grado de desviación de la palanca de control y el movimiento provocado en la máquina controlada es responsabilidad del operario del control. De esta forma, por ejemplo en el caso de un juego de ordenador controlado por medio de un joystick, se influye o controla la dirección y/o la velocidad de movimiento de un objeto animado por ordenador. Sin embargo, aquí es desfavorable que la instancia que controla (aquí en forma de un control remoto) requiere sensores o dispositivos para detectar el grado de desviación de la palanca de control, así como dispositivos para la transmisión de las variables de control determinadas a partir del mismo a la máquina que va a ser controlada. Esto da como resultado un hardware que es relativamente complejo y voluminoso en términos de tecnología de aparatos y que está adaptado específicamente con respecto al propósito de la aplicación respectiva y el dispositivo que se va a controlar.
KATO et al. (" Marker tracking and HMD calibration for a video-based augmented reality conferencing system", 1999, DOI: 10.1109/IWAR. 1999.803809) describe un sistema de conferencias basado en video, en el que una pluralidad de marcadores fiduciarios (en inglés “fiducial markers”) cuyo contenido codificado define, respectivamente, un participante de la conferencia determinado, es detectado mediante un sistema de procesamiento de imágenes, de tal manera que imágenes virtuales de los participantes, que en realidad se encuentran en un lugar diferente y son filmadas en vivo, se superponen a los respectivos marcadores fiduciarios. El tamaño y la orientación de las imágenes superpuestas se pueden cambiar por manipulación de la posición y la orientación de los marcadores fiduciarios con respecto al sistema de procesamiento de imágenes.
GOMEZ et al. ("A fiducial-based tangible user interface for white matter tractography”, 2010, ISBN: 978-3-642-1718­ 9 ) da a conocer un procedimiento en el que un marcador fiduciario es guiado delante de una cámara mediante un movimiento circular y así por medio de las posiciones individuales captadas por la cámara es determinado por cálculo el centro de gravedad del marcador fiduciario.
SHAOGANG et al. ("On-board vision autonomous landing techniques for quadrotor: A survey”, 2016, DOI: 10.1109/CHICC.2016.7554984) trata sobre un sistema de procesamiento de imágenes en el que la imagen de tal marcador fiduciario es creada utilizando una cámara y sus coordenadas son determinadas en el sistema de coordenadas de la cámara. Estas coordenadas se utilizan como especificación de objetivo para un quadrotor, de modo que este se pueda mover hacia el marcador fiduciario, pero a ningún otro lugar objetivo.
Por tanto, la invención se propone el objeto de proporcionar un procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina mediante un código bidimensional aplicado sobre un plano portador de un medio portador, que está configurado para el control de un punto objetivo descrito por la coordenada espacial, que supere estos inconvenientes del estado de la técnica. El control de máquinas mediante coordenadas espaciales debería simplificarse y, en particular, hacerse posible de forma intuitiva. En particular debería conseguirse la posibilidad de controlar máquinas sin para ello tener que depender de dispositivos de control voluminosos, controles remotos o similares.
Por una "máquina" en este sentido se entiende cualquier tipo de dispositivo que sea adecuado para ejecutar funciones dependiendo de un control mediante coordenadas espaciales. Esto no se limita en modo alguno a aparatos o dispositivos físicamente accesibles, sino que también comprende en particular aplicaciones basadas en ordenador o controladas por software, cuya funcionalidad se basa en una capacidad de control a través de coordenadas espaciales, y que están cargadas o pueden ser ejecutadas en un ordenador o computadora conectada a un sistema de procesamiento de imágenes. En este contexto, por "coordenadas espaciales" debe entenderse cualquier tipo de datos para designar una posición espacial absoluta o relativa.
De acuerdo con la invención, este objeto se logra de una manera procedimental en relación con el preámbulo de la reivindicación 1, de modo que el procedimiento presenta además las siguientes etapas de procedimiento:
■ determinación de la posición espacial de un vector normal perpendicular al centro de gravedad de la superficie del código mediante el sistema de procesamiento de imágenes,
■ detección del ángulo de giro de un movimiento de rotación del plano portador del código alrededor de un eje de giro perpendicular al plano portador mediante el sistema de procesamiento de imágenes,
■ determinación de la longitud del vector normal basándose en el ángulo de giro,
■ determinación de una coordenada espacial vectorial a partir de la posición espacial del vector normal y la longitud del vector normal, así como la transmisión de la coordenada espacial vectorial como variable de control a un sistema de control de la máquina.
De esta manera, el control de una máquina puede realizarse mediante un medio portador simple, esencialmente bidimensional, sobre el cual está aplicado un código bidimensional legible por máquina, y por medio de un simple gesto de la mano que provoca un movimiento de giro del medio portador o del código aplicado sobre él se pueden generar informaciones sobre coordenadas espaciales. Estas se utilizan luego para el control de la máquina. En cuanto a estas coordenadas espaciales se trata del punto objetivo o la punta de un vector, cuya posición espacial está determinada por el vector normal determinado en la primera etapa del procedimiento en el centro de gravedad de la superficie ocupada por el código, y cuya longitud está determinada por la magnitud absoluta del ángulo de giro detectado según la invención en la segunda etapa de procedimiento. Como ángulo de giro es determinada aquí en cada caso la desviación con respecto a una primera posición de partida reconocida durante la aplicación del procedimiento según la invención. El medio portador puede estar realizado en una primera variante de realización por ejemplo como una tarjeta plana de plástico o papel o cartón, cuyas dimensiones están determinadas exclusivamente por las relaciones de tamaño necesarias para la resolución óptica y la posibilidad de reconocimiento del código por el sistema de procesamiento de imágenes. En una segunda variante de realización, el medio portador puede estar realizado como pantalla, por ejemplo de un teléfono inteligente convencional o una tableta. En relación con la capacidad de resolución óptica de las cámaras actualmente disponibles en el estado de la técnica, el medio portador puede estar realizado muy pequeño, de modo que un usuario humano del procedimiento según la invención pueda llevarlo consigo y utilizarlo sin problemas en cualquier momento. Mediante el desplazamiento por traslación del medio portador dentro del plano definido por el medio portador o por el código aplicado sobre el mismo, la posición del centro de gravedad de la superficie del código y, por tanto, el punto inicial del vector normal se puede mover en el curso de la primera etapa de procedimiento según la invención. Mediante un giro posterior alrededor de un eje de giro perpendicular al plano portador, se determina entonces la longitud del vector y, por tanto, también su punto objetico en el transcurso de la segunda etapa del procedimiento según la invención. El procedimiento según la invención permite así la determinación de una coordenada espacial y - tan pronto como la coordenada espacial detectada está fijada o “congelada” por medio de una etapa de procedimiento separada, aquí no descrita en detalle, - permite un control de una máquina basado en ella mediante un gesto simple y que puede ser realizado fácilmente y de forma intuitiva por cualquier persona con una sola mano. En este contexto, un "gesto" debe entenderse como cualquier tipo de movimiento de la mano mediante el cual el medio portador como tal se mueve con respecto a su entorno. Además, tal procedimiento permite de una manera particularmente sencilla una conexión en red basada en Internet de objetos físicos y virtuales en la denominada "Internet de las cosas" (IoT, “Internet of Things”).
En el curso de la primera etapa de procedimiento es determinado el vector unitario normal, que es perpendicular en el centro de gravedad de la superficie del código, y en la segunda etapa de procedimiento mediante el ángulo de giro detectado es determinado un escalar para la longitud del vector, a partir de la cual se obtiene la coordenada espacial como punto objetivo mediante la suma vectorial del punto inicial o el centro de gravedad de la superficie del código y el vector normal multiplicado por el escalar.
De manera preferida, el procedimiento según la invención puede prever que el ángulo de giro o el movimiento de rotación del plano portador se detecte en el curso de la segunda etapa del procedimiento solo cuando se supere un valor límite inferior. De esta manera se mejora la facilidad de mando y la facilidad de uso del procedimiento según la invención, ya que el procedimiento no se ejecuta ya en caso de mínimos movimientos gestuales no deseados del usuario.
Además, puede estar prevista una escalabilidad de la variación proporcional en la longitud del vector en función de la desviación rotacional absoluta del plano portador determinada. De esta manera se implementa un control aproximado y fino del punto objetivo del vector (o de la coordenada espacial), que también puede ser fácilmente detectado e implementado de forma intuitiva por el usuario.
Los procesos de control llevados a cabo mediante el procedimiento según la invención pueden incluir no solo la navegación física de la máquina controlada a un punto espacial en un espacio real determinado por la coordenada espacial, sino también por ejemplo en un espacio virtual la determinación de un estado del sistema en un punto espacial definido por la coordenada espacial. Así, por ejemplo, se pueden implementar las siguientes funciones de una máquina controlada según la invención:
■ la máquina está realizada como vehículo (aeronave, etc.) y se mueve hacia una coordenada espacial mediante el procedimiento de control según la invención,
■ la máquina está configurada para reenviar la coordenada espacial determinada según la invención a otro sistema técnico (como por ejemplo una base de datos de reparación),
■ la máquina está configurada para identificar objetos (por ejemplo como componentes de una estructura más compleja) en un espacio virtual con ayuda de la coordenada espacial determinada según la invención.
Según un perfeccionamiento útil de la idea básica de la invención, cuando el ángulo de giro es detectado por medio del sistema de procesamiento de imágenes, se detecta también la dirección de giro del movimiento de rotación del plano portador del código y, a partir de ésta, se determina la dirección de orientación del vector normal con respecto al plano portador. De esta forma, el escalar del vector normal puede ser invertido mediante el mismo movimiento gestual, y mediante movimientos de giro orientados de forma diferente pueden ser ubicados puntos espaciales que se encuentran en semiespacios separados por un plano virtual (representado por el plano portador del código). En este contexto únicamente debe tenerse en cuenta que el código no tiene que estar realizado en forma de un patrón óptico rotacionalmente simétrico.
Una realización alternativa de la invención prevé que en una etapa de procedimiento adicional se detecte una rotación del plano portador del código alrededor de un eje de giro paralelo al plano portador por medio del sistema de procesamiento de imágenes y se utilice como señal de entrada para una inversión de la dirección de orientación del vector normal con respecto al plano portador. De esta manera, el escalar del vector normal se puede invertir mediante un segundo movimiento de gesto que se distingue claramente del primer movimiento de gesto previsto en la segunda etapa de procedimiento (= rotación del plano portador alrededor de un eje de giro perpendicular al plano portador), tan pronto como la desviación del plano portador desde su posición de partida conseguida por medio de este segundo movimiento de gesto supere un valor umbral inferior. Tal segundo movimiento de gesto podría definirse, por ejemplo, en forma de un giro completo (o inversión) del medio portador (o del plano portador) del código alrededor de dicho eje de giro paralelo al plano portador, de modo que una cámara del sistema de procesamiento de imágenes inmediatamente después de este segundo movimiento de gestos está dirigida hacia el lado trasero del medio portador o del plano portador. En el lado trasero está aplicado otro código cuya estructura corresponde a la del lado delantero del medio portador, de modo que el procedimiento según la invención puede ser reconducido volviendo a la segunda etapa de procedimiento y ejecutándola de nuevo. Alternativamente, el segundo movimiento del gesto también podría estar realizado en forma de un rápido ladeamiento breve del plano portador en torno a un eje de giro paralelo al plano portador (y retorno posterior a la posición de partida), de modo que se puede prescindir del segundo código aplicado sobre el medio portador o el plano portador por el lado trasero.
Otra realización alternativa de la invención prevé que la dirección de orientación del vector normal con respecto al plano portador sea determinada en una etapa adicional del procedimiento mediante lectura y decodificación del código. La información de dirección del vector normal es por tanto parte del contenido codificado en el código. En el curso de la aplicación práctica del procedimiento según la invención puede estar previsto, según una variante de realización práctica, que el medio portador tenga códigos a ambos lados que difieran entre sí en este sentido, de modo que sea posible un cambio o una inversión de la información de dirección por inversión del medio portador y posterior lectura del código en el plano portador orientado después hacia arriba, es decir, en la dirección de una cámara del sistema de procesamiento de imágenes.
Según un perfeccionamiento del concepto básico según la invención la determinación de la posición espacial del vector normal presenta las siguientes etapas de procedimiento:
■ recepción de datos de imagen desde al menos una cámara del sistema óptico de procesamiento de imágenes,
■ evaluación de los datos de imagen para detectar la presencia de marcas de color,
■ agrupación de las marcas de color reconocidas en grupos de marcas de color,
■ determinación de las coordenadas bidimensionales de todas las marcas de color que pertenecen a un grupo de marcas de color en un sistema de coordenadas asociado a la cámara,
■ transformación de las coordenadas bidimensionales de todas las marcas de color de un grupo de marcas de color en un sistema de coordenadas tridimensional asociado a la máquina,
■ determinación del vector normal a través del centro de gravedad de la superficie abarcada por las marcas de color de un grupo de marcas de color.
Numerosos códigos procesables de forma optoelectrónica conocidos por el estado de la técnica presentan marcas de orientación construidas según especificaciones estandarizadas, que sirven para la alineación bidimensional correcta de una imagen de cámara que capta dicho código. Por este estándar se fijan también entre otros las proporciones de estas marcas de orientación en términos de tamaño, alineación y distancia relativa entre sí. Para ampliar la idea básica según la invención, la invención propone ahora dotar a tales códigos legibles por máquina con marcas de color que están dispuestas en lugares definidos del código y tienen proporciones definidas con respecto al código y colores definidos. Para ello está prevista para cada código una pluralidad de marcas de color en colores definidos de forma diferente en cada caso. Ha resultado especialmente ventajosa aquí una tupla de 3 colores diferentes. Las marcas de color individuales de un código pueden estar integradas en marcas de orientación o tener una relación geométrica definida con las marcas de orientación de alguna otra manera. Sin embargo, como alternativa a esto, también es concebible un posicionamiento de las marcas de color dentro del código que sea independiente de eventuales marcas de orientación.
De acuerdo con el procedimiento según la invención, en el curso de la primera etapa de procedimiento, los datos de imagen captados por la cámara del sistema de procesamiento de imágenes son evaluados continuamente para detectar la presencia de marcas de color. Las marcas de color reconocidas se agrupan en grupos de marcas de color en virtud del color determinado y las proporciones definidas específicamente por el código, correspondiendo cada grupo de marcas de color a una n-tupla de colores predefinidos. Según la invención, las marcas de color de cada código están marcadas con un color clave diferente. De esta manera es posible una preselección efectiva de los datos de imagen de la cámara recibidos y se pueden generar informaciones adicionales sobre la correspondencia lógica y geométrica de las marcas de color reconocidas por sensores con códigos individuales. Como marca de color debe entenderse aquí una extensión puntual del mismo tono de color, que puede extenderse sobre varios píxeles y puede distinguirse de otros puntos de imagen. Por ejemplo, las marcas de color reconocidas como del mismo color deben pertenecer a códigos diferentes, mientras que las marcas de color reconocidas como de colores diferentes pueden ser componentes de un mismo código, siempre que sus distancias entre sí, dependiendo de sus proporciones, no excedan una medida definida.
En la siguiente subetapa se determinan las coordenadas bidimensionales de todas las marcas de color que pertenecen a un grupo de marcas de color común, de modo que un primer sistema de coordenadas relativo a la cámara sirve como sistema de referencia, y en otra subetapa son transformadas en un segundo sistema de coordenadas absolutas, que es superior al primer sistema de coordenadas relativo a la cámara. Para ello, la geometría tridimensional del plano definido por el grupo de marcas de color es reconstruido mediante una proyección central conocida en sí a partir de las posiciones conocidas, dimensiones y orientaciones de las marcas de color en el código distorsionado y determinadas sus ecuaciones de plano. A partir del producto vectorial de dos vectores que definen este plano, en una última subetapa se determina en primer lugar el vector normal y finalmente la normal a la superficie de este plano junto con el centro de gravedad de la superficie. De esta forma, el procedimiento según la invención permite determinar las coordenadas tridimensionales, así como la normal a este plano. En el caso de un código estandarizado de forma ventajosa, las diversas marcas de color del código están posicionadas de tal manera que la normal a la superficie del plano definido por un grupo de marcas de color coincide con la normal a la superficie del plano portador del código.
En este contexto es especialmente ventajoso si para la evaluación de los datos de imagen se crea al menos una máscara de bits que está adaptada a los colores clave contenidos en las marcas de color. El uso de colores clave sirve para separar ópticamente las marcas de color respecto al fondo y la parte restante del código. Por tanto, la cámara y el procedimiento de separación deben ser calibrados mediante una serie de mediciones; así se debe realizar un balance de blancos en la cámara y ajustarse los valores de umbral para una separación en los tonos de color medidos en la imagen de prueba, incluida una tolerancia de aproximadamente más/menos 2-3 %. Dependiendo del entorno, también se debe realizar un balance de blancos respecto al color de la luz durante el funcionamiento, por ejemplo para corregir el color del sol dependiente del tiempo o la iluminación del techo, ya que el color captado por la cámara se produce por la mezcla sustractiva de colores de las marcas de color con la iluminación. Además, para reducir los errores de medición, el procedimiento de separación debe separar partes de la imagen con un nivel bajo de saturación de color o brillo (por debajo del 15-25%). El ajuste de la tolerancia y los valores de umbral no debe ser demasiado bajo, ya que los colores no necesariamente se miden de forma directa, sino en caso de baja resolución mediante mezcla aditiva de colores de la imagen dentro de los píxeles individuales captados por la cámara también se producen tonos mezclados con los elementos de imagen en blanco y negro en el entorno inmediato de la marca de color en el código. Por otro lado, el ajuste de los valores de tolerancia y umbral tampoco debe ser demasiado alto para poder identificar los elementos de imagen con la nitidez necesaria.
En este contexto es ventajoso que una o cada marca de color esté diseñada para ser emisora de luz, por ejemplo como fuente de luz. Esto elimina los problemas mencionados anteriormente con la mezcla sustractiva de colores. Además, la mezcla aditiva de colores puede verse influida a favor del reconocimiento del color en el caso de fuentes de luz intensa, ya que el peso juega un papel importante. Además, el uso del procedimiento según la invención se mejora en condiciones de mala visibilidad, por ejemplo de noche.
Una posible realización del concepto según la invención prevé que el código esté diseñado como código QR bidimensional. Los códigos QR de este tipo están muy extendidos y se pueden utilizar en sistemas existentes debido a sus propiedades estandarizadas. En particular, las marcas de color pueden ser integradas en las marcas de orientación del código QR. Para la aplicación del procedimiento según la invención es particularmente ventajoso un código QR cuyas marcas de color formen, respectivamente, una parte interior de una marca de orientación del código QR con elementos de tamaño 3 x 3, de modo que cada marca de color esté coloreada en un color clave distinto del de las otras marcas de color del mismo código QR con saturación de color completa en cada caso. Además, la disposición de las marcas de color de diferente color entre sí es idéntica dentro de cada código QR. Los componentes restantes del código QR fuera de la marca de color comprenden en el caso ideal solo elementos de color blanco o negro. Las dimensiones del código QR deben comprender la menor cantidad posible de elementos y de forma ideal estar limitadas a elementos de 21x21. De esta forma, las dimensiones de las marcas de orientación en relación con el código son máximas. Para poder mejorar los alrededores del código QR debería quedar una superficie libre de colores (a excepción de los tonos de gris) para mejorar la determinación de los grupos de colores o las normales a la superficie en casos de superposiciones ópticas o cuando se utilizan los colores clave fuera del código QR. Ha demostrado ser útil que el ancho de esta superficie libre corresponda al menos a siete elementos.
Se pueden concebir dos alternativas para codificar otras informaciones en tal código QR.
Según una primera variante de realización, un código QR está dividido horizontal y verticalmente en segmentos a ser posible del mismo tamaño, estando dispuestas las marcas de color en cada uno de estos segmentos. Mediante otros colores clave que son diferentes de los colores clave de las marcas de color se pueden codificar informaciones adicionales en los restantes segmentos que no tienen ninguna marca de color.
Alternativamente es concebible para ello la colocación de un código adicional en una posición definida exactamente al lado o en el entorno espacial fuera del código QR, de modo que sus elementos estén dimensionados para que este código adicional pueda leerse desde una gran distancia.
En ambas alternativas, antes de la evaluación del código de color adicional la imagen debe transformarse utilizando las ecuaciones de plano determinadas mediante el procedimiento según la invención, de modo que sea posible una exploración orientada a líneas del patrón de color. Para ello es determinada la posición de cada segmento por interpolación de las coordenadas de las marcas de color reconocidas, y se determina el color de cada segmento y se comprueba su coincidencia con un color clave. Dado que el rango de medición de cada segmento puede extenderse sobre varios píxeles o elementos, la coloración del segmento es determinada por cálculo del valor medio.
Una variante de realización de la invención prevé que el código esté realizado como una disposición bidimensional de al menos dos marcas de color, estando diseñada cada marca de color para mostrar al menos dos estados de color que son individuales para la marca de color respectiva, y una de estas marcas de color está diseñada adicionalmente para con la frecuencia de portador cambiar entre un primer y un segundo estado de color. Como marca de color debe entenderse aquí una extensión puntual del mismo tono de color, que puede extenderse a través de varios píxeles y es distinguible de otros puntos de imagen. Una primera marca de color sirve como señal de portador que cambia continuamente entre dos estados de color. La al menos otra marca de color de la misma disposición de marcas de color sirve para la transmisión de los valores de datos (es decir, de los "datos útiles" a transmitir). Tan pronto como es reconocida por el lado del receptor una variación de estado para la marca de color asociada a la señal de portador, debe ser detectada también para la al menos otra marca de color una variación de estado en forma de un estado de color que varía respecto al estado anterior ki. De lo contrario, hay una imagen defectuosa. En el lado del receptor se descartan todas las imágenes para las que no se tiene que al menos dos captaciones de imágenes consecutivas representen el mismo estado. De lo contrario, el dispositivo de recepción reconoce la presencia de una imagen intermedia defectuosa y la descarta. De forma preferida está previsto un cambio incoloro en el brillo entre "negro" y "gris" para la marca de color de la señal de portador. Para las marcas de color de los valores de datos está previsto ventajosamente el uso de colores saturados (ángulos de color). Según la invención los tonos de color deben seleccionarse de tal manera que los estados de color de las marcas de color estén representados con aproximadamente el mismo brillo para evitar efectos de deslumbramiento en el dispositivo de recepción.
De manera especialmente ventajosa está previsto que los datos a transmitir sean codificados como una disposición bidimensional de al menos tres marcas de color. De esta manera, mediante un dispositivo de recepción configurado correspondientemente se puede detectar la posición espacial de las marcas de color entre sí y, por tanto, también la posición espacial tridimensional del dispositivo de visualización o del plano portador del código de autenticación a ser transmitido. En particular, la superficie normal al plano portador se puede determinar mediante una unidad de control asociada al dispositivo de recepción. Esto es particularmente ventajoso para aplicaciones en las que el dispositivo de recepción está asociado a un vehículo o aeronave controlable de forma remota (como por ejemplo un dron). Por determinación de la normal a la superficie del plano portador del código de autenticación pueden ser determinadas las variables de control del accionamiento que, por ejemplo, llevan al vehículo o aeronave a una posición en la que el eje óptico del dispositivo de recepción se corresponde con la normal a la superficie del plano portador, o ajustar la distancia evaluando el ángulo de rotación. La ventaja esencial en relación con esta invención consiste en que las entradas de un usuario que ejecuta gestos de control con un dispositivo de visualización según la invención, que cambian la posición espacial de las marcas de color con respecto al receptor, se pueden asegurar mediante autenticación.
Asimismo, en primer lugar los datos de imagen recibidos por el dispositivo de recepción son evaluados continuamente para detectar la presencia de marcas de color. Las marcas de color reconocidas se agrupan en grupos de marcas de color teniendo en cuenta el color determinado y las proporciones definidas específicamente para la aplicación, de modo que cada grupo de marcas de color corresponde a una n-tupla de colores predefinidos. Según la invención, las marcas de color de cada código están marcadas con un color clave diferente en cada caso. De esta manera, es posible una preselección efectiva de los datos de imagen de la cámara recibidos y se pueden generar informaciones adicionales sobre la asociación lógica y geométrica de las marcas de color reconocidas por sensores con códigos individuales. Así, por ejemplo, las marcas de color reconocidas como del mismo color deben pertenecer a códigos diferentes, mientras que las marcas de color reconocidas como de colores diferentes pueden ser componentes del mismo código, siempre que sus distancias entre sí no superen una medida definida dependiente de sus proporciones. En la siguiente subetapa se determinan las coordenadas bidimensionales de todas las marcas de color que pertenecen a un grupo de marcas de color común, de modo que un sistema de coordenadas asociado al dispositivo de recepción sirve como sistema de referencia y en otra subetapa es transformado en un sistema de coordenadas tridimensionales asociado al vehículo o al dispositivo de recepción. Para ello, la geometría tridimensional del plano definido por el grupo de marcas de color es reconstruida mediante una proyección central conocida en sí a partir de las posiciones conocidas, las dimensiones y orientaciones de las marcas de color en el código no distorsionado y se determinan sus ecuaciones de planos. A partir del producto vectorial de dos vectores que generan este plano, se determina en primer lugar el vector normal en una última subetapa y finalmente la normal a la superficie de este plano junto con el centro de gravedad de la superficie. De esta forma, el procedimiento según la invención permite una determinación de las coordenadas tridimensionales, así como de la normal de este plano. En el caso de un código estandarizado de forma ventajosa, las diversas marcas de color del código están posicionadas de tal manera que la normal a la superficie del plano definido por un grupo de marcas de color coincide con la normal a la superficie del plano portador del código. Entonces, las variables de control para controlar la máquina se envían a la máquina, de tal manera que estas o el dispositivo de recepción montado en este vehículo es guiado a una posición que se sitúa dentro de una zona espacial con forma cónica, estando definido el eje del cono por la normal a la superficie del plano portador. Sin embargo, el ángulo de apertura y la altura del cono están determinados por los parámetros ópticos del dispositivo de recepción, es decir, corresponden a valores dentro de los cuales la capacidad de resolución del dispositivo de recepción es suficiente para reconocer el código en términos de desviación angular y distancia.
Tal procedimiento según la invención se ve eficazmente respaldado por el hecho de que la disposición espacial de la marca de color asociada a la señal de portador es fija e invariable con respecto a la al menos otra marca de color. Esto facilita la evaluación de las marcas de color. Dado que es conocida la relación espacial de las marcas de color entre sí y, por tanto, las marcas de color no tienen que "buscarse" primero, de esta manera el tono de color "negro" también se puede utilizar como estado de color.
Es especialmente ventajoso que el procedimiento según la invención se utilice dentro de un modelo de realidad aumentada para visualizar objetos identificables mediante las coordenadas espaciales en un espacio virtual. Así, por ejemplo, una "máquina" en el sentido de la invención puede estar realizada como un "sistema de realidad aumentada", cuyos componentes pueden invocarse o activarse en función de las coordenadas espaciales generadas con el procedimiento según la invención y ser representados en un monitor como consecuencia de esta activación. De esta forma se puede implementar un sistema de visualización en el que componentes que no son visibles en la realidad (por ejemplo porque están cubiertos por otros componentes) pueden ser controlados virtualmente mediante una flecha de vector y activados para hacerlos visibles. Con la ayuda del control de longitud vectorial según la invención (de acuerdo con la segunda etapa del procedimiento), se pueden (des)activar o regular diferentes planos de visión que se sitúan uno encima del otro (o están dispuestos uno detrás del otro). Así, por ejemplo, las coordenadas espaciales o el vector podrían mostrarse a un operario en el mundo real por medio de un "sistema de realidad aumentada" tridimensional (las realizaciones conocidas para esto comprenden las llamadas "gafas de datos", pero también aplicaciones para dispositivos móviles, como por ejemplo teléfonos inteligentes o tabletas). De esta manera se podría realizar un tipo de "vista de rayos X virtual", es decir, en el sistema de la realidad aumentada se pueden visualizar y controlar mediante el procedimiento según la invención objetos que no son directamente visibles en la realidad (porque por ejemplo están cubiertos por otro objeto que se encuentra delante de él en la dirección de visión). Mediante el procedimiento de control según la invención, los diferentes planos de visión pueden controlarse o regularse influyendo en la longitud del vector.
Un sistema de control de una máquina adecuado para la realización del procedimiento según la invención se caracteriza por que mediante un sistema óptico de procesamiento de imágenes el sistema de control está diseñado para la determinación de la posición espacial de un vector normal, que es perpendicular sobre centro de gravedad de la superficie de un código bidimensional aplicado sobre un plano portador y legible mediante el sistema óptico de procesamiento de imágenes para detectar el ángulo de giro de un movimiento de rotación del plano portador del código alrededor de un eje de giro perpendicular al plano portador y para la determinación de la longitud del vector normal mediante el ángulo de giro. Según un perfeccionamiento útil, el sistema de control también está configurado para la determinación de la dirección del vector normal.
La presente invención se explica a continuación con más detalle basándose en un ejemplo de realización y los dibujos asociados. Muestran:
Figura 1: una representación esquemática del procedimiento de control según la invención,
Figura 2: una estructura alternativa para la realización del procedimiento de control según la invención,
Figura 3: una estructura esquemática de una pantalla de teléfono inteligente configurada como dispositivo de visualización para un código dinámico, y
Figura 4: una representación esquemática de una secuencia de señales codificada k1 a k8.
La figura 1 muestra una representación esquemática del procedimiento de control según la invención. Un emisor de gestos (G) dispone de una tarjeta de muestra (5) que está impresa por un lado con un código bidimensional legible por máquina.
Como alternativa a esto, también puede estar previsto que la tarjeta de muestra esté impresa por ambos lados con un código bidimensional legible por máquina, difiriendo los contenidos de ambos códigos entre sí en al menos un elemento de información. La tarjeta de muestra (5) (o más concretamente: la superficie de la tarjeta de muestra que lleva el código) define un plano portador (HE). Como alternativa a una tarjeta de muestra, también puede estar prevista una pantalla de un teléfono inteligente o tableta. La máquina presenta un sistema óptico de procesamiento de imágenes con una cámara (100). De una manera conocida en sí, esta cámara (100) dispone de una zona de visión (KSB) que está determinada esencialmente por la dirección de visión o eje óptico (KR) de la cámara. En una posición básica neutra, el plano portador (HE) está alineado esencialmente en un ángulo recto con respecto al eje de la cámara (KR).
El generador de gestos (G) define luego mediante la tarjeta de muestra (5) un vector virtual que, comenzando desde el centro de gravedad de la superficie del código aplicado a la superficie de la tarjeta de muestra que da a la cámara, apunta hacia una coordenada espacial (Z). Para ello, en una primera etapa del procedimiento, la tarjeta de muestra (5) es inclinada en el espacio de manera que el vector normal (N+) está orientado en la dirección de la coordenada espacial objetivo (Z). La coordenada espacial puede ser cualquier punto dentro del primer semiespacio (HR1) que da a la cámara, así como dentro de la zona de visión de la cámara (KSB). Para el control de puntos en el segundo semiespacio (HR2) más alejado de la cámara se puede cambiar la dirección del vector normal (N+). Este cambio se realiza por un movimiento de rotación en la dirección opuesta (en caso de un código aplicado por un lado sobre el medio portador) o alternativamente (en caso de un código aplicado por ambos lados sobre el medio portador) por inversión del medio portador y posterior decodificación del contenido codificado.
En una segunda etapa de procedimiento, la longitud del vector es ajustada a la longitud necesaria para alcanzar la coordenada espacial objetivo (Z) por medio de un movimiento de rotación (R). Para mejorar la posibilidad de uso, un rango de ángulos de giro de [+ 30°] a [-30°] no es transferido en informaciones de control (es decir, para movimientos de rotación dentro de este rango angular no se realiza ninguna variación de longitud del vector). En el caso de ángulos de giro cuya magnitud sea superior a 30° se realiza un acortamiento o alargamiento gradual de la longitud del vector, de modo que la velocidad de cambio aumenta desproporcionadamente al aumentar el ángulo de giro.
Tan pronto como se ha determinado la coordenada espacial objetivo (Z) de esta manera, por reconducción de las variables de control basadas en esta coordenada espacial a un dispositivo de procesamiento posterior de la máquina a ser controlada puede iniciarse un proceso, como por ejemplo el movimiento de la máquina en la dirección de la coordenada espacial objetivo (Z) o la identificación de un componente relacionado con esta coordenada espacial por la máquina.
Además, el dispositivo de procesamiento adicional de la máquina sincroniza el proceso de visualización con las gafas de datos, de modo que tanto la coordenada espacial objetivo (Z) como el vector y el componente identificado se muestran en el campo de visión de las gafas de datos.
En la figura 2 se indica una estructura alternativa para llevar a cabo el procedimiento según la invención, en la que la dirección de visión de la cámara (100) está orientada alejándose del emisor de gestos (G). Este podría ser el caso, por ejemplo, si el emisor de gestos sujeta la cámara (por ejemplo, integrada en un teléfono inteligente) con una primera mano y el medio portador (5) del código con una segunda mano y apunta la cámara hacia el código. Sin embargo, esto no cambia la secuencia básica del procedimiento según la invención.
De una manera particularmente ventajosa, el procedimiento según la invención se puede utilizar no solo en relación con códigos estáticos, sino también en relación con códigos bidimensionales dinámicos. En la figura 3 está representada la estructura esquemática de un dispositivo de visualización que es componente de un sistema para autenticar a un usuario frente a una instancia central para habilitar autorizaciones individuales de usuario. Además de la determinación de las variables de control según la invención, también se lleva a cabo al mismo tiempo una verificación de la autorización del usuario. El medio portador para el código está formado por la pantalla de un teléfono inteligente convencional que - después de la activación de una aplicación de software correspondiente almacenada en el teléfono inteligente- divide la zona de visualización en aproximadamente cuatro segmentos rectangulares del mismo tamaño que están dispuestos horizontal y verticalmente por pares. Cada uno de estos segmentos forma una marca de color (t1, t2, t3, t4). Cada una de estas marcas de color (t1, t2, t3, t4) está configurada para mostrar dos estados de color que son individuales para la marca de color respectiva. Una primera marca de color (t1) está configurada para mostrar alternativamente los estados de color gris y negro; las otras marcas de color como sigue:
segunda marca de color (t2) entre verde y amarillo;
tercera marca de color (t3) entre naranja y rojo;
cuarta marca de color (t4) entre violeta y turquesa.
Está previsto ventajosamente el uso de colores saturados (ángulos de color) para las marcas de color (t2, t3, t4) de los valores de datos. Los tonos de color son seleccionados de tal manera que los estados de color de las marcas de color son representados con aproximadamente el mismo brillo para evitar efectos de deslumbramiento en el dispositivo de recepción.
Por tanto, todas las marcas de color (t1, t2, t3, t4) de esta disposición bidimensional muestran un estado de color que puede asignarse claramente a la marca de color respectiva en cualquier momento, es decir, independientemente de su estado de visualización actual. Las tres últimas marcas de color (t2, t3, t4) están configuradas de una manera conocida en el estado de la técnica para representar informaciones codificadas ópticamente por medio de cambios de color. La idea de la invención se materializa en la primera marca de color adicional (t1), cuyos estados de color cambian a una frecuencia predeterminable (denominada "frecuencia de portador" en el contexto de esta invención), de modo que esta frecuencia de portador debe coincidir con la frecuencia de cambio de color de las otras marcas de color (t2, t3, t4). Mediante una cámara convencional (no representada en este ejemplo de realización por motivos de claridad) se recibe por el lado de la instancia de habilitación central la imagen irradiada de esta forma por la pantalla y - además para la determinación de las variables de control- es evaluada con respecto a las informaciones de autenticación codificadas por el cambio de color.
En la figura 4 se muestran los estados de color (c11, ... c42) mostrados en cada caso en las marcas de color (t1, t2, t3, t4) a lo largo del tiempo de los estados k1, k2 ... k8. Cada marca de color t i cambia de acuerdo con un patrón determinado por el contenido de los datos de autenticación codificados entre sus dos estados de color característicos c i1 y c i2, con la excepción de la marca de color t1, que cambia con una frecuencia de portador fija entre sus dos estados de color c11 y c12. Sin embargo, el cambio de color de cada marca de color tiene lugar entre un primer estado k i y un segundo estado ki 1 que sigue a este en el tiempo, no en absoluta sincronía con los respectivos cambios de estado de las otras marcas de color mostradas en la pantalla. Las razones de esto pueden ser el uso de componentes de software y hardware complejos, como por ejemplo una biblioteca de gráficos o la tecnología de visualización de la pantalla. Esto significa que se podría construir una representación de la imagen exacta durante el cambio de estado desde el primer estado ki al segundo estado ki 1 y luego como resultado podría representar en parte el estado antiguo ki, pero en parte también el nuevo estado k i 1. Esto también se ve favorecido por el hecho de que los cambios respectivos entre los dos estados de color c i1 y c i2 no se llevan a cabo de una manera absolutamente sin transición, es decir, no de forma inmediata o "repentina", sino que requieren un cierto período de tiempo. Por tanto, los flancos de conmutación entre los dos estados de color no son verticales en la realidad, sino que los procesos de conmutación están configurados mas bien inclinados y continuos en caso de una observación suficientemente exacta.
Tan pronto como se reconoce un cambio de estado para la marca de color (t1) asociada a la señal de portador en el lado del receptor, también se debe detectar un cambio de estado en forma de un estado de color que se desvíe del estado anterior ki para las otras marcas de color (t2, t3, t4). De lo contrario se tiene una imagen defectuosa. En el lado del receptor se descartan todas las imágenes en las que no se tiene que al menos dos captaciones de imagen consecutivas representan el mismo estado. De lo contrario, el dispositivo de recepción reconoce la presencia de una imagen intermedia defectuosa y la descarta.
Lista de símbolos de referencia
G emisor de gestos
5 tarjeta de muestra
HE plano portador
HR1 primer semiespacio
HR2 segundo semiespacio
100 cámara
KR eje óptico de la cámara
KSB campo de visión de la cámara
N- vector normal dirigido al primer semiespacio (HR1) N+ vector normal dirigido al segundo semiespacio (HR2) R movimiento de rotación
Z coordenada espacial (de objetivo)
t1, t2, t3, t4 marca de color
c i1 primer estado de color de la marca de color t i c i2 segundo estado de color de la marca de color t i t curso de la línea de tiempo

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina por medio de un código bidimensional aplicado sobre un plano portador de un medio portador, que está configurado para el control de un punto objetivo descrito por la coordenada espacial, en el que el código bidimensional aplicado sobre un plano portador (HE) de un medio portador en una primera etapa de procedimiento es leído por medio de un sistema óptico de procesamiento de imágenes, caracterizado por que el procedimiento presenta además las siguientes etapas de procedimiento: determinación de la posición espacial de un vector normal (N+) perpendicular al centro de gravedad de la superficie del código mediante el sistema de procesamiento de imágenes,
detección del ángulo de giro de un movimiento de rotación (R) del plano portador (HE) del código alrededor de un eje de giro perpendicular al plano portador (HE) mediante el sistema de procesamiento de imágenes,
determinación de la longitud del vector normal (N+) basándose en el ángulo de giro,
determinación de una coordenada espacial vectorial (Z) a partir de la posición espacial del vector normal (N+) y la longitud del vector normal (N+), así como la transmisión de la coordenada espacial vectorial (Z) como variable de control a un sistema de control de la máquina.
2. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según la reivindicación 1, caracterizado por que durante la detección del ángulo de giro es detectada por medio del sistema de procesamiento de imágenes además la dirección de giro del movimiento de rotación (R) del plano portador (HE) del código y a partir de ello es determinada la dirección de orientación del vector normal (N+) con respecto al plano de soporte (HE).
3. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según la reivindicación 1, caracterizado por que en otra etapa de procedimiento mediante el sistema de procesamiento de imágenes es detectada una rotación del plano portador (HE) del código alrededor de un eje de giro paralelo al plano portador y utilizada como señal de entrada para una inversión de la dirección de orientación del vector normal (N+) con respecto al plano portador (HE).
4. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según la reivindicación 1, caracterizado por que, en otra etapa de procedimiento, la dirección de orientación del vector normal (N+) con respecto al plano portador (HE ) es determinada por lectura y decodificación del código.
5. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la determinación de la posición espacial del vector normal presenta las siguientes etapas de procedimiento:
■ recepción de datos de imagen de al menos una cámara (100) del sistema óptico de procesamiento de imágenes,
■ evaluación de los datos de imagen para detectar la presencia de marcas de color,
■ agrupación de las marcas de color reconocidas en grupos de marcas de color,
■ determinación de las coordenadas bidimensionales de todas las marcas de color pertenecientes a un grupo de marcas de color en un sistema de coordenadas asociado a la cámara (100),
■ transformación de las coordenadas bidimensionales de todas las marcas de color de un grupo de marcas de color en un sistema de coordenadas tridimensional asociado a la máquina,
■ determinación del vector normal a través del centro de gravedad de la superficie abarcada por las marcas de color de un grupo de marcas de color.
6. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según la reivindicación 5, caracterizado por que para la evaluación de los datos de imagen es creada al menos una máscara de bits que está adaptada a los colores clave contenidos en las marcas de color.
7. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que la o cada marca de color está realizada para ser emisora de luz.
8. Procedimiento para la generación de al menos una coordenada espacial como variable de control para controlar una máquina según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el procedimiento es utilizado dentro de un modelo de realidad aumentada para la visualización de objetos identificables mediante la coordenada espacial en un espacio virtual.
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