CN101285935A - 用于图像显示器的防晕装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防晕装置，其应用于图像显示器中，所述防晕装置至少包括环境坐标获取部，用于取得环境坐标信息；设置在观察者周边视野范围内的视标显示部；以及视标生成部，用于根据由所述环境坐标获取部取得的环境坐标信息计算出环境坐标上的一个固定位置，将视标定在所述固定位置上，并将该视标显示在所述视标显示部上。利用本发明所述的防晕装置，无需对图像显示器所显示的图像进行修改，仅需要在周边视野配置的视标显示部上做出适当的视标，即可实现防晕的效果，且所述视标显示部无需很高的解像度，因此，实现成本较低。

Description

用于图像显示器的防晕装置

技术领域

本发明涉及一种防晕装置，具体的说，例如可以是一种头盔式图像显示器的防晕装置。

背景技术

现有技术中有一种眼镜状的戴在头上的显示器(以下称头盔显示器)，这种头盔显示器可以应用于观赏电视或DVD、观赏虚拟现实的图像、操作游戏机、对机器人进行远距离操控等各种各样的领域。目前，头盔显示器及其光学***所组成的显示***，一般都被装在眼镜状头盔显示器装置的前部，就像眼镜的镜片一样。

众所周知，用了头盔显示器，在头部晃动时，就会产生一种晕眩的感觉。为了解决这个晕眩问题，开发了很多方法。例如日本的专利文献“特开2003-279882号”公报所揭露的装置，在头部晃动时，为了让图像保持不动，就令图像向着和头部运动方向相反的方向移动，以防止晕眩。

现有技术中的这种防晕的方法一般都是和中心视野图像有关的方法，都着重于图像的调整，即对显示器上显示的图像进行调整，用中心视野的图像的移动量来补偿头部运动的移动量。但是，在实际情况中，现有技术中的这种方法还是不能完全避免产生晕眩。

为了更好地说明本发明的防晕装置的原理及技术效果，在此先把人的视网膜的构造中有关平衡感觉的原理加以介绍：

人的视网膜的中心有一个部位叫黄斑部，黄斑部的中心叫中心窝，中心窝的视力最好。黄斑部及其以外的部分，对图像的认识和处理能力是各不相同的。网膜对光的感应器有锥体和杆体两种，锥体负责明亮场所的视觉，杆体负责暗处的视觉，锥体和杆体分布在网膜上的不同地方，锥体多分布在以中心窝为中心的地方，杆体大多分布在除中心窝以外的网膜的周边。从锥体和杆体的机能来分，锥体主要担任中心视野的视觉认识的任务，杆体担任周边的视野，如环境的变化、危险的感知等任务。由于在网膜的周边部位锥体很少，基本上都是杆体，所以网膜周边的视觉，无论亮或暗，都是杆体的任务。

人的视觉细胞里，锥体细胞约有6百万到7百万个，而杆体细胞却有1亿2千万个以上，因此杆体对人的视觉，担负着非常重要的任务。根据本专利发明者的研究，在周围视线被遮挡时，人们要保持平衡长时间直立是很困难的事情。可见，周边视野对于人的平衡感觉是非常重要的，也就是说，和中心视野相比较，周边视野对于人的昏眩机能有更深的关系。

有鉴于此，如何结合人的视网膜构造，提供了一种更加有效地防止图像显示器晕眩产生的防晕装置已成为业界亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防晕装置，其充分地利用了周边视野的原理，能够更加有效地防止因为晃动图像显示器而产生的晕眩。

为达到上述目的，本发明提供一种防晕装置，其应用于图像显示器中，例如头盔显示器，所述防晕装置至少包括：一环境坐标获取部，用于取得环境坐标信息；一设置在观察者周边视野范围内的视标显示部；以及一视标生成部，用于根据由所述环境坐标获取部取得的环境坐标信息计算出环境坐标上的一个固定位置，将视标定在所述固定位置上，并将该视标显示在所述视标显示部上。其中，所述视标显示部可以是所述图像显示器的一部分。

本发明所述的防晕装置，其中，所述视标显示部上的视标的亮度可以根据所述图像显示器的画面亮度进行自动调节。

本发明所述的防晕装置，其中，所述环境坐标获取部由加速度传感器和/或陀螺仪组成，其相对固定于观察者的头部或能随头部而一起运动的位置上，利用所述加速度传感器和/或陀螺仪测量出所述图像显示器的移动量以取得所述环境坐标信息。

本发明所述的防晕装置，其中，所述环境坐标获取部可以是/或者还包括位置相对固定于观察者头部的摄像装置，利用所述摄像装置摄得的图像以取得所述环境坐标信息。

本发明所述的防晕装置还包括测量观察者眼球运动的传感器，所述视标生成部可根据由所述传感器获取的观察者眼球的运动量来移动视标的位置。

综上所述，采用本发明所述的防晕装置，无需对图像显示器所表示的图像进行修改，仅需要在周边视野配置的视标显示部上做出适当的视标，即可达到防晕的效果，且所述视标显示部无需很高的解像度，采用成本较低的显示器和头部运动检测装置即可实现。

附图说明

通过以下对本发明的一个较佳实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1为本发明的一个较佳实施例的防晕装置的示意图；

图2为本发明的一个较佳实施例的防晕装置的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的一个较佳实施例。

如图1所示，其为本发明的一个较佳实施例的防晕装置的示意图。图示中虽然是以头盔显示器作为图像显示器来进行说明，但是，本发明的防晕装置可以应用于其它模式的图像显示器，只要所述图像显示器具有因为周边视野的不正确信息进入视网膜而引起的头晕的弊端，应用本发明的防晕装置均可以解决所述技术问题。

一般而言，图像显示器常常由于图像的周边或头盔边缘构造物等进入周边视野的情报对于环境坐标不固定，因此会产生头晕的现象。由于周边视野对于平衡感觉十分重要，本发明的防晕装置就是基于提供给视网膜周边视野以正确的环境坐标信息，使观察者得到和前庭器平衡感觉相同的视觉信号，从而可以防止头晕。

如图1所示，本发明的防晕装置为一个头盔显示器1，包括用于取得环境坐标信息的环境坐标获取部10，可以生成固定于环境坐标的视标生成部20，以及配置在周边视野的视标显示部30。头盔显示器1有着与普通显示器相同的图像显示器2。图像显示器2具有显示录像、DVD等图像，游戏及虚拟现实图像，以及机器人的远程操纵用图像等功能。在本实施例中，图像显示器2由左右的中心视野用显示屏2a、2b构成，分别给观察者的左右眼球提供图像，其中，左右的中心视野用显示屏2a、2b既可以显示相同图像，也可利用视差显示立体图像。

较佳的是，本发明的防晕装置的环境坐标获取部10具有和人的前庭器类似的机能，如图1所示的加速度传感器11和陀螺仪12固定于头盔显示器1上，可以测出头盔显示器1的移动量，也就是可以测出带着该头盔显示器1的观察者的头部运动。更详而言之，加速度传感器11由三轴加速度传感器构成，可测出头部的平移运动；而陀螺仪12用来测量头部的旋转运动。在本发明的另一实施例中，如果用一对以上的加速度传感器的话，通过各对加速度传感器的相对加速度，可以测出旋转运动，也可以不用陀螺仪12，为简明起见，在此不复赘述。该环境坐标获取部10就是利用前述的传感器来检测出头盔显示器1的移动量，从而得到环境坐标信息。换言之，通过测出头部的运动，并通过与头部运动相对消的视标运动，即利用视标与头部相反的运动来得到固定的环境坐标信息。在本发明的其他实施例中，只要是可以取得环境坐标信息并实现前庭器的机能的装置都可以作为环境坐标取得部的构成部分，例如也可以是运动捕捉器(Motion capture)。需要说明的是，这里讲的环境坐标更确切地是指现实环境里的共同坐标系，环境坐标信息是指对应于环境坐标的位置、移动量、倾斜度、前后方等信息。

由于由加速度传感器11和陀螺仪12构成的环境坐标获取部10有累计误差，经过一定时间以后将和现实的环境坐标的坐标信息有差异。但是，对于本发明来讲，只要加速度传感器和陀螺仪的精度达到一定程度以上，该累计误差不会成为大问题。这是因为，人类的前庭器也同样有累计误差，例如，当人在旋转身体时遮住眼睛，经过一定时间以后，此人也将不知自己的方向。因此，只要瞬时测量精度足够高，即使是廉价的加速度传感器和陀螺仪也会有足够的图像显示器的防晕效果。

上述环境坐标获取部10取得的环境坐标信息被输入到视标生成部20。视标生成部20是利用环境坐标信息来生成看上去是固定在环境坐标里的视标的。在本实施例中，视标生成部20可以利用计算机来实现。环境坐标信息通过头盔显示器1的接口送到计算机之后，便可以通过简单的算法生成视标35。在本发明的其他实施例中，利用直接装在头盔显示器上的DSP等信号处理器也可生成视标。

下面对视标生成部20生成视标的方法作更加详细的说明。

视标生成部20生成的视标，是用来在视标显示部30上显示给观察者看的，给观察者的周边视野提供环境坐标信息，以特定的标志、模样、图形组成为视标的图像。例如，视标可以在黑色背景上以一定的间隔配置一定尺寸的边界明显的图像，例如，斑马模样的图像。而视标生成部20则是利用环境坐标获取部10取得的环境坐标信息来移动这些视标。具体来讲，给观察者也就是头盔显示器1的使用者的周边视野提供一种一直固定在环境坐标里的视标，即使画面移动或头部移动该视标看上去也是固定的。该方法就是在头部运动的反方向上移动视标，使得在视觉上视标是静止的。因此，视标就像是现实环境的水平线一样，即使移动头部，视标也是固定在环境坐标上不动的。当这样的视标显示在视标显示器上时，即使观察者的头部倾斜或前后左右移动时，也可以给观察者的周边视野提供固定的环境坐标信息，使其视觉信号和前庭信号不矛盾，不至于产生晕眩。

视标生成部20生成的视标被显示在视标显示部30上。如图1所示，视标显示部30配置在观察者周边视野处，是给观察者提供环境坐标信息的模块。在本实施例中，视标显示部30配置在头盔显示器1上，与观察者的头部位置相对固定。为了给观察者的两侧的周边视野提供环境坐标信息，该视标显示部30配置了左右各一片周边视野显示屏30a、30b。如果把离视野中心10度以上的视野叫做周边视野，那么视标显示部30需要配置在头盔显示器1的特定位置上，对周边视野的一部分进行视觉刺激。在本实施例中，头盔显示器1的正面左右偏20度角的两侧配置视标显示部30。周边视野显示屏30a、30b可以用液晶显示屏来构成。另外，在周边视野的两眼不交叉的领域里，例如，两眼外侧的周边视野，因为不能形成立体视觉，左右周边视野显示屏30a、30b的视标可以不必制作成能产生立体视标的对应关系。但是，为了尽量对应头部的运动速度，周边视野使用的屏幕的显示速度最好高于30幅/秒。在本实施例中，因不需要高解像度，可以利用相对廉价的低解像度的高显示速度的屏幕。

本实施例中只说明了设置在外侧周边视野的视标显示部30，但本发明不限于此。各眼的外侧以外，内侧，上下的周边视野也可配置视标显示部30。对于平衡感觉来讲，一般两侧的周边视野效果最好。但是，如果各眼的内外两侧的周边视野都设有视标显示部，就可以实现视标的立体显示，防晕效果将会更好。

在本发明的其他实施例中，利用图像显示器的一部分，例如，头盔显示器的图像显示器2的一部分作为视标显示部30，也是可以的。例如，幅度较广的图像显示器的对应于周边视野部分的部分屏幕，用来做周边视野显示屏，用这部分来显示视标，也会达到同样效果。

如上所述，本发明的防晕装置，对平衡感觉具有重要作用的周边视野提供环境坐标信息，使观察者得到和前庭器相同基准的视觉平衡感觉，从而达到防晕效果。

此外，视标生成部20生成的视标在视标显示部30上显示时，其亮度可以根据头盔显示器1显示屏的画面亮度进行自动调节。由于人类的视觉细胞的适应能力极强，可以对应于1000倍以上的亮度变化，当中心视野的亮度比较高而周边视野的亮度太低时，视标有可能会看不到，因此，比较合适的办法是当中心视野的亮度高时，周边视野的视标的亮度也自动变高，中心视野的亮度低时，周边视野的视标的亮度也自动变低。所以，要实时测定中心视野里的图像的亮度信息，利用该亮度信息实时地调节视标亮度，可以使视标既有防晕效果，又不至于太刺眼影响观赏效果。

另外，视标生成部20可以利用头盔显示器1的图像显示器一部分来生成视标。比如实时取出该图像的高频领域的图像信息来生成视标，例如，当头盔显示器1显示的是风景时，可以把风景的一部分作为图形用于视标上，使得观察者对视标的感觉不太碍眼，可以更自然地观赏头盔显示器1显示屏上的作品。

本发明的防晕装置还可以设置测量眼球运动的传感器(未图示)，利用眼球运动的信息来调节视标的位置。人眼可以通过眼球的运动大致测量物体的距离。因此，人在眼球运动时，物体的距离不同，其感觉也不同。也就是说，当眼球运动时，物体在视网膜上的成像的移动速度可以大致测出物体的距离。所以，当视标足够远时，眼球的运动可以不考虑，但是当视标显示部30比较近时，就不得不考虑眼球的运动。根据眼球运动来调节某一距离的视标位置会得到更好的防晕效果。

人类的眼睛可以通过眼球运动来测量物体距离的原因是，眼球的水晶体的光学中心与眼球的旋转中心不重合，所以当眼球旋转时，近的物体和远的物体在视网膜上的成像的移动量不同，通过感知这些不同可以产生远近感。但是，当本发明的视标显示器30离眼球很近时，如图1所示的头盔显示器1，眼球运动的问题将变得非常重要。也就是说，当眼球运动时，屏幕上显示的视标的实际位置(即屏幕上的视标位置)被观察者感知到，该感知和本来想提供给观察者的虚拟的视标位置相矛盾。因此，观察者的大脑会感知该矛盾而产生另一种层次上的晕眩。本发明通过测量眼球的运动来修正视标的位置，来补偿这种矛盾。当然，把测到的眼球的位置信息利用到图像显示屏上来补偿中心视野的移动也是可行的。

本发明的防晕装置的环境坐标获取部10，除加速度传感器11和陀螺仪12以外，还可以通过其他方法实现类似功能。例如，图2所示的本发明的防晕装置的另一实施例的俯视图。图2中和图1相同的标号代表同一物品，具有相同功能，因此不复赘述。

不同的是，图1中的加速度传感器11和陀螺仪12在图2中被一对摄像装置50a、50b所代替。摄像装置50a、50b通过摄取周边环境的图像来取得环境坐标的信息。更详而言之，摄像装置50a、50b可以用CCD或CMOS摄像机来构成，而这些摄像机可以摄下位于该头盔显示器1使用者周边视野的现实环境的环境图像，然后把这些实时获取的图像作为视标，实时显示在视标显示部30上。周边视野显示屏30a、30b显示的图像应当调整到使观察者看到和现实环境相同大小的图像。也就是说，摄像装置50a、50b的摄像角应该和周边视野显示屏30a、30b对于眼球的入射角相同，同时摄像装置50a、50b的摄像平面与周边视野显示屏30a、30b的显示屏面平行。这样的话，把周边视野的环境直接显示给使用者，或者把周边视野的图像与视标连动，即可达到理想的防晕效果。另外，当摄像装置50a、50b的摄像平面与周边视野显示屏30a、30b的显示屏面不平行的时候，可以通过几何运算来进行补正。

图2所示的防晕装置通过摄像装置50a、50b摄下实际的图像来取得环境坐标信息，把这些图像作为视标显示给周边视野，便可以得到与图1所示的防晕装置相同的效果。当然，既可以获取的现实环境的图像作为视标直接提供给视标显示部30，也可以在视标生成部20调节其亮度，或把图像单纯化后再提供给视标显示部30。

本发明所述的防晕装置，只要摄取的图像和表示的图像以相同的速度连动，对于任何样式或类型的图像都可以起到一定效果。视标和环境以相同的速度连动可以使人的前庭器的感觉和周边视野得到的环境坐标信息相一致，从而达到防止晕眩的效果。另外，当摄像装置50a、50b摄下实际的图像里存在运动物体时，最好在视标生成部20里把该运动物体的影响销掉。这时，摄像装置和加速度传感器等并用可以得到更好的效果。

图2所示的防晕装置的周边视野显示屏30a、30b只给观察者的外侧周边视野提供图像，其实，通过加上内侧或上下的周边视野显示屏，并把摄像装置摄到的内侧或上下侧的图像送到显示屏上就会得到立体感，从而得到更好的防晕效果。

如上所述，本发明的防晕装置在不妨碍中心视野的视觉认识机能的同时，只利用周边视野便可达到防晕的效果。

最后，图像显示器种类很多，前述实施例以及图示都是仅以头盔显示器为例作了说明。但本发明并不仅限于此，例如娱乐设施等，具有大型屏幕的虚拟现实装置均可利用本发明来防止头晕。比如说，观察者坐的椅子是和大型屏幕连动的话，在椅子上装上环境坐标获取部，并在观察者的周边视野位置上显示具备环境坐标信息的视标，即可得到与头盔显示器相同的效果。另外，当电影院里过暗而看不到屏幕以外的物体时，在观众的周边视野处给出固定于环境的视标，也可防止头晕。当然，如大型屏幕等把周边视野全部覆盖住时，给与周边视野以上述视标，也可起到防晕效果。

需要特别说明的是，本发明的防晕装置不局限于上述实施例中所限定的形式，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1、一种防晕装置，其应用于图像显示器中，其特征在于，所述防晕装置至少包括：

环境坐标获取部，用于取得环境坐标信息；

设置在观察者周边视野范围内的视标显示部；

视标生成部，用于根据由所述环境坐标获取部取得的环境坐标信息计算出环境坐标上的一个固定位置，将视标定在所述固定位置上，并将该视标显示在所述视标显示部上。

2、根据权利要求1所述的防晕装置，其特征在于，所述视标显示部上的视标的亮度可以根据所述图像显示器的画面亮度进行自动调节。

3、根据权利要求1所述的防晕装置，其特征在于，所述视标显示部是所述图像显示器的一部分。

4、根据权利要求1所述的防晕装置，其特征在于，所述环境坐标获取部由加速度传感器和/或陀螺仪组成，其相对固定于观察者的头部或能随头部而一起运动的位置上，利用所述加速度传感器和/或陀螺仪测量出观察者头部的移动量以取得所述环境坐标信息。

5、根据权利要求1所述的防晕装置，其特征在于，所述环境坐标获取部可以是/或者还包括位置相对固定于观察者头部的摄像装置，利用所述摄像装置摄得的图像以取得所述环境坐标信息。

6、根据权利要求1所述的防晕装置，其特征在于，所述防晕装置还包括测量观察者眼球运动的传感器，所述视标生成部可根据所述传感器获取的观察者的眼球运动量来移动视标的位置。

7、根据权利要求1所述的防晕装置，其特征在于，所述图像显示器为头盔显示器。

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