CN108008535A - 一种增强现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了增强现实设备，包括从近到远依次固定连接在头箍(1)上的第一导轨(2)和第二导轨(3)，以可平移且可转动的方式连接于第一导轨(2)的内部摄像头(10)和透镜(24)，和以可平移且可转动的方式连接于第二导轨(3)的成像器(7)和外部成像装置(27)。根据本发明的增强现实设备使用户在转动眼球时也能获得良好的三维立体视觉和增强现实体验，并且通过调整设备的重心使得用户在长期佩戴设备时感觉更加舒适并且避免设备对用户身体的损害。

Description

一种增强现实设备

技术领域

本发明涉及增强现实技术领域，具体为一种增强现实设备。

背景技术

随着增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术的发展，越来越多的智能穿戴设备开始为人们所熟悉。根据成像原理，在屏幕中呈现的包括虚拟图像和现实图像的增强现实图像在人眼视网膜中的中央凹位置聚集时，成像最清晰。然而目前的增强现实设备的视野大都有限，用户体验的沉浸感不足。

尽管通过追踪用户眼球并使现实屏幕随眼球移动的技术以用于虚拟现实设备，但这类技术仍然不很成熟，且在增强现实技术中少有应用。因此仍然需要改进的增强现实设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增强现实的设备，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

在一个方面，本发明提供一种增强现实设备，其特征在于，包括从近到远依次固定连接在头箍上的第一导轨和第二导轨，以可平移且可转动的方式连接于第一导轨的内部摄像头和透镜，和以可平移且可转动的方式连接于第二导轨的成像器和外部成像装置；所述头箍用于将所述增强现实设备固定在用户头上；所述内部摄像头用于跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；所述外部成像装置用于将所述增强现实设备外部的现实图像呈现于成像器；所述成像器用于为用户提供包括虚拟图像和所述现实图像的增强现实图像并且将增强现实图像呈现在所述眼球光轴中；所述透镜用于将所述成像器提供的增强现实图像投射到用户眼中；所述内部摄像头的光轴和所述透镜的光轴与用户眼球的光轴共面。

进一步地，所述透镜设置于内部摄像头的上方或下方，与用户眼球共光轴，并且位于用户眼球与成像器之间。

进一步地，第一导轨上设有可沿第一导轨平移的内部摄像头平移装置，内部摄像头平移装置的下部设有内部摄像头转动装置，内部摄像头连接于内部摄像头转动装置的下端；第二导轨上设有可沿第二导轨平移的成像器平移装置，成像器平移装置的下部设有成像器转动装置，成像器连接于成像器转动装置的下端；外部成像装置固定于成像器的背面以便随成像器平移和转动。

进一步地，所述内部摄像头有两个，分别用于跟踪拍摄用户的左眼球和右眼球；所述成像器具有水平排列的两个成像区域，分别用于为用户的左眼球和右眼球提供增强现实图像；所述外部成像装置有两个，分别与所述成像器通讯连接，用于在成像器的两个成像区域分别为用户的左眼球和右眼球提供现实图像；所述透镜有两个，分别用于将所述两个成像区域的增强现实图像投射到用户的左眼球和右眼球；优选地，所述成像区域是手机上通过软件分屏形成的两个成像区域，或者是由两个分离的显示屏提供的两个成像区域。

进一步地，当用户正视前方时，所述两个内部摄像头光轴的对称面和所述成像器的两个成像区域的对称面与用户两个眼球光轴的对称面共面。

进一步地，当用户眼球水平转动夹角a时，所述透镜24通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户眼球光轴共轴，并且成像器7通过平移和转动使其两个成像区域的对称面转动夹角b，其中夹角a大于等于夹角b；优选地，夹角a与夹角b的比例为1:1至3:1，1:1.1至1:2.5,1:1.5至1:2等；更优选地，所述比例随夹角a的增加而增加；更优选地，夹角a与夹角b的关系式如下：

其中，y为夹角b的弧度，x为夹角a的弧度，x的取值范围是0至e为自然常数；优选地，两个透镜24各自独立地保持其光轴与左眼和右眼光轴共轴，并且上述夹角a为左眼和右眼转动角度的平均值。

进一步地，所述增强现实设备，其特征在于，还包括设置在头箍上的、与第一导轨和第二导轨相对的、位置可调的配重块，用于将所述增强现实设备的重心调整到头箍的中部。

进一步地，所述头箍上由近到远依次设有与第一导轨和第二导轨相对的第三导轨和第四导轨，第三导轨上设有配重块第一平移装置，第四导轨上设有配重块第二平移装置，配重块第一平移装置与配重块第二平移装置之间螺杆，所述配重块以可平移的方式设置在螺杆上；优选地，螺杆的一端通过配重块纵移装置连接在配重块第二平移装置的下端，螺杆的另一端以可旋转的方式连接于配重块第一平移装置的下端，配重块纵移装置通过驱动螺杆旋转使得配重块在第三导轨和第四导轨之间移动。

在另一个方面，本发明提供一种使用所述增强现实设备的方法，包括：

将所述增强现实设备通过头箍佩戴在用户头上；

用所述外部成像装置拍摄所述增强现实设备外部的现实图像；

用所述成像器提供包括虚拟图像和所述现实图像的增强现实图像；

在第一导轨上平移和/或转动内部摄像头以跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；

在第二导轨上平移和/或转动成像器以便将所述增强现实图像呈现在所述眼球光轴中。

进一步地，在第三导轨和第四导轨上平移配重块和/或在螺杆上纵移配重块以便将所述增强现实设备的重心调整到头箍的中部。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

根据本发明的增强现实设备使用户在转动眼球时也能获得良好的三维立体视觉和增强现实体验，并且通过调整设备的重心使得用户在长期佩戴设备时感觉更加舒适并且避免设备对用户身体的损害。

附图说明

图1为本发明设备的一种实施方式的内部结构俯视示意图；

图2为图1所示本发明设备的内部结构正视示意图；

图3为图1所示本发明设备的局部结构示意图；

图4为本发明设备的另一个实施方式的工作状态结构示意图；

图中：1-头箍；2-第一导轨；3-第二导轨；5-内部摄像头平移装置；6-内部摄像头转动装置；7-成像器；8-成像器平移装置；9-成像器转动装置；10-内部摄像头；11-配重块；12-配重块第一平移装置；13-配重块第二平移装置；14-螺杆；15-第三导轨；16-第四导轨；17-固定架；18-护罩；19-外壳；20-护罩旋钮；21-电源；22-控制器；23-压力传感器；24-透镜；25-配重块纵移装置；26-内部摄像头翻转装置；27-外部成像装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中提及的零部件、机构、设备和仪器中未给出型号和厂家的均为现有技术中存在或根据现有技术简单加工得到的或可通过商业途径获得的那些。

请参阅图1-4，本发明提供一种增强现实设备，包括头箍1、第一导轨2、第二导轨3、两个内部摄像头10、两个透镜24、成像器7、两个外部成像装置27和配重块11。

所述头箍1用于将所述增强现实设备固定在用户头上。第一导轨2和第二导轨3通过固定架17从近到远依次固定连接在头箍1上，第一导轨2和第二导轨3均具有与头箍1类似的轮廓(也即类似于用户头部的形状)。第一导轨2在各处与头箍1的距离大致相等，第二导轨3从用户眼部到耳部附近与第一导轨的距离可以大致相等，优选逐渐减小，以便使成像器更快地转向用户眼球。

第一导轨2上设有可沿第一导轨2平移的内部摄像头平移装置5，内部摄像头平移装置5的下部连接有内部摄像头转动装置6，内部摄像头10连接于内部摄像头转动装置6的下端，这样内部摄像头10在平移装置5和转动装置6的驱动下即可沿第一导轨2近距离追踪和拍摄用户眼球，保持内部摄像头10的镜头对准用户眼球，以获得更清晰的眼球图像，精准确定眼球的位置信息以及光轴信息。所述内部摄像头10有两个，分别用于跟踪和拍摄用户的左眼球和右眼球。

第二导轨3上设有可沿第二导轨3平移的成像器平移装置8，成像器平移装置8的下部设有成像器转动装置9，成像器7连接于成像器转动装置9的下端，这样成像器7在平移装置8和转动装置9的驱动下沿第二导轨3跟随由内部摄像头10确定的眼球的位置，使得成像器7始终能够为用户提供完整的增强现实图像并且将增强现实图像呈现在所述眼球光轴中。成像器7具有水平排列的两个成像区域，分别用于为用户的左眼球和右眼球提供图像，两个成像区域之间可以设置隔板以避免左眼球看到为右眼提供的图像，或者相反。

所述透镜24设置在内部摄像头10的上方或下方，并能够随内部摄像头一起平移和转动，用于将所述成像器7提供的增强现实图像投射到用户眼中。优选地，如图3和图4所示，所述透镜24设置于内部摄像头10的上方，与用户眼球共光轴，并且位于用户眼球与成像器7之间。所述内部摄像头10的光轴和所述透镜24的光轴可以在同一个纵切面上，这样可在将内部摄像头10调整至与用户眼球的光轴共面时，透镜24的光轴也与用户眼球的光轴共面，避免了透镜24的光轴与用户眼球光轴不一致时造成的视差，为用户提供更好的增强现实体验。所述透镜24有两个，各自独立地控制，分别用于将所述两个成像区域的图像转变为增强现实图像并投射到用户的左眼球和右眼球。

优选地，所述成像器7包括两个分离的显示屏，并且在用户眼球平视前方时，左右眼球光轴各自通过显示屏的中心。所述外部成像装置27有两个，分别固定于两个显示屏的背面，并且在用户眼球转动时，所述外部成像装置27随成像器7一起平移和转动使得所述外部成像装置27的光轴与用户眼球的光轴始终保持共轴，由此使得用户通过成像器7观察到现实图像与用户裸眼观察到的现实图像保持一致，以利于提高沉浸感和虚拟操作的准确性。

平移装置5和8可以是能精确控制移动距离的由电机驱动在导轨2和3上行走的包括胶轮或齿轮或牵引绳等的行走机构；转动装置6和9可以是能精确控制旋转角度的由电机驱动的包括旋转轴的旋转机构。优选采用可精确定位的行走机构后旋转机构，以确定内部摄像头10和成像器7的位置。在一些情况下，内部摄像头10通过翻转装置26设置在内部摄像头转动装置6的下方，内部摄像头翻转装置26用于沿纵向改变内部摄像头10的拍摄区域，例如可以是由电机驱动的水平轴。这样，可以使内部摄像头10向上翻转拍摄头箍1外壁上的定位标记，由此确定内部摄像头10与头箍1的相对位置时；或者使内部摄像头10向外翻转拍摄成像器7和第二导轨3，由此确定成像器7在第二导轨3上的位置。本发明中利用内部摄像头10拍摄的图像确定眼球(尤其是瞳孔)位置以及各个标记的位置的算法均为现有技术中已知的那些。

当用户正视前方时，所述两个内部摄像头10光轴的对称面和所述成像器7的两个成像区域的对称面与用户两个眼球光轴的对称面共面。

当用户左眼球和右眼球各自转动夹角a和a’时，所述两个透镜24分别通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户的左眼球和右眼球的光轴共轴，并且成像器7的两个显示屏分别通过平移和转动使其对称面转动夹角b和b’，其中夹角a大致等于夹角b，夹角a’大致等于夹角b’。优选地，夹角a与夹角b的比例为1:0.8至1:1.2，夹角a’与夹角b’的比例为1:0.8至1:1.2。当采用两个分离的显示屏作为成像器7时，可各自独立地调整，以提供更好的三维视觉和增强现实体验。

所述增强现实设备，还包括设置在头箍1上的、与第一导轨2和第二导轨3相对的、位置可调的配重块11，用于将所述增强现实设备的重心调整到头箍1的中部。优选地，所述头箍1上由近到远依次设有与第一导轨2和第二导轨3相对的通过固定架17固定在头箍1上的第三导轨15和第四导轨16，第三导轨15上设有配重块第一平移装置12，第四导轨16上设有配重块第二平移装置13，配重块第一平移装置12与配重块第二平移装置13之间螺杆14，所述配重块11以可平移的方式设置在螺杆14上；优选地，螺杆14的一端通过配重块纵移装置25连接在配重块第二平移装置13的下端，螺杆14的另一端以可旋转的方式连接于配重块第一平移装置12的下端，配重块纵移装置25通过驱动螺杆14旋转使得配重块11在第三导轨15和第四导轨16之间移动。由于所述增强现实设备的大部分部件集中在前部并且部分部件在工作时会绕用户头部旋转，采用可移动的配重块，一方面可将设备重心调整到头箍中部避免设备前倾，另一方面可通过配重块抵消部件旋转的动量避免设备在用户头部上的位置移动，从而改善三维立体显示效果，在长期佩戴时减小设备对用户身体的负担和损害，为用户提供更好的增强现实体验。

所述可穿戴增强现实设备以头盔形式提供，还可以包括外壳19和护罩18，外壳19通过固定架17固定在外部，并且在用户眼部区域具有空缺以露出用户的双眼；护罩18设置在外壳19的前部，并其通过外壳两侧的两个护罩旋钮20可旋转地固定在外壳19上，护罩18可绕护罩旋钮20旋转以可上下移动的方式遮蔽或露出用户的眼部区域。外壳19可以是不透明或透明度很低的材料制成，为用户提供阴暗环境，以更好地获得增强现实体验。护罩18由透明度较高的材料制成，或者有单向透光材料制成，以便外部内部摄像头27能够通过护罩18拍摄外部环境的图像。优选护罩18上在外部内部摄像头18对应的区域设有电控透明度层，以便在外部内部摄像头27移至该区域时控制提高该区域的透明度，当外部内部摄像头27离开该区域时控制降低该区域的透明度。

在外壳19的内部还可设有用于提供电能的电源21(例如蓄电池等)和用于控制设备运行的控制器22。在头箍1的内壁上还可设有多个(优选3个、4个或更多个)可与用户头部接触的压力传感器23，用于检测头箍1对用户头部各部分的压力，控制器22根据测得的压力确定设备重心并控制移动配重块将重心调整至头箍1的中部，优选地，调整配重块直至头箍1对用户头部各部分的压力基本相等，或者调整所述重心至用户头部的几何中心。

在另一个实施方式中，如图4所示，说是成像器(7)的两个成像区域是手机上通过软件分屏形成的两个成像区域。当用户眼球转动夹角a时，所述透镜24通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户眼球光轴共轴，并且成像器7通过平移和转动使其两个成像区域的对称面转动夹角b，其中夹角a大于等于夹角b；优选地，夹角a与夹角b的比例为1:1至3:1，1:1.1至1:2.5,1:1.5至1:2等；更优选地，所述比例随夹角a的增加而增加；更优选地，夹角a与夹角b的关系式如下：

其中，y为夹角b的弧度，x为夹角a的弧度，x的取值范围是0至e为自然常数。优选地，两个透镜24各自独立地保持其光轴与左眼和右眼光轴共轴，并且上述夹角a为左眼和右眼转动角度的平均值。

由于人类双眼在左右转动时并不能始终保持转动角度相同，例如双眼向左转动时，左眼通常比右眼转动更大的角度，而增强现实需要用户用双眼观察从不同角度拍摄的现实图像以形成三维立体视觉，因此成像器7在随用户眼球移动时需要同时为左眼和右眼提供增强现实图像，在用户眼球转动夹角a时成像器7转动较小的夹角b，尤其是采用上述关系式确定的夹角b，可以更好地维持三维立体视觉。

在一些情况下，所述增强现实设备的使用方法，包括：

将所述增强现实设备通过头箍1佩戴在用户头上；

在第一导轨2上平移和/或转动内部摄像头10以跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；

在第二导轨3上平移和/或转动成像器7以便为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中，其中

在第三导轨15和第四导轨16上平移平移配重块11和/或在螺杆14上纵移配重块11以便将所述增强现实设备的重心调整到头箍1的中部。

根据本发明的增强现实设备使用户在转动眼球时也能获得良好的三维立体视觉和增强现实体验，并且通过调整设备的重心使得用户在长期佩戴设备时感觉更加舒适并且避免设备对用户身体的损害。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种增强现实设备，其特征在于，包括从近到远依次固定连接在头箍(1)上的第一导轨(2)和第二导轨(3)，以可平移且可转动的方式连接于第一导轨(2)的内部摄像头(10)和透镜(24)，和以可平移且可转动的方式连接于第二导轨(3)的成像器(7)和外部成像装置(27)；所述头箍(1)用于将所述增强现实设备固定在用户头上；所述内部摄像头(10)用于跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；所述外部成像装置(27)用于将所述增强现实设备外部的现实图像呈现于成像器(7)；所述成像器(7)用于为用户提供包括虚拟图像和所述现实图像的增强现实图像并且将增强现实图像呈现在所述眼球光轴中；所述透镜(24)用于将所述成像器(7)提供的增强现实图像投射到用户眼中；所述内部摄像头(10)的光轴和所述透镜(24)的光轴与用户眼球的光轴共面。

2.根据权利要求1的所述增强现实设备，其特征在于，所述透镜(24)设置于内部摄像头(10)的上方或下方，与用户眼球共光轴，并且位于用户眼球与成像器(7)之间。

3.根据权利要求1或2的所述增强现实设备，其特征在于，第一导轨(2)上设有可沿第一导轨(2)平移的内部摄像头平移装置(5)，内部摄像头平移装置(5)的下部设有内部摄像头转动装置(6)，内部摄像头(10)连接于内部摄像头转动装置(6)的下端；第二导轨(3)上设有可沿第二导轨(3)平移的成像器平移装置(8)，成像器平移装置(8)的下部设有成像器转动装置(9)，成像器(7)连接于成像器转动装置(9)的下端；外部成像装置(27)固定于成像器(7)的背面以便随成像器(7)平移和转动。

4.根据权利要求1-3中任一项的所述增强现实设备，其特征在于，所述内部摄像头(10)有两个，分别用于跟踪拍摄用户的左眼球和右眼球；所述成像器(7)具有水平排列的两个成像区域，分别用于为用户的左眼球和右眼球提供增强现实图像；所述外部成像装置(27)有两个，分别与所述成像器(7)通讯连接，用于在成像器(7)的两个成像区域分别为用户的左眼球和右眼球提供现实图像；所述透镜(24)有两个，分别用于将所述两个成像区域的增强现实图像投射到用户的左眼球和右眼球；优选地，所述成像区域是手机上通过软件分屏形成的两个成像区域，或者是由两个分离的显示屏提供的两个成像区域。

5.根据权利要求4的所述增强现实设备，其特征在于，当用户正视前方时，所述两个内部摄像头(10)光轴的对称面和所述成像器(7)的两个成像区域的对称面与用户两个眼球光轴的对称面共面。

6.根据权利要求4的所述增强现实设备，其特征在于，当用户眼球水平转动夹角a时，所述透镜24通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户眼球光轴共轴，并且成像器7通过平移和转动使其两个成像区域的对称面转动夹角b，其中夹角a大于等于夹角b；优选地，夹角a与夹角b的比例为1:1至3:1，1:1.1至1:2.5,1:1.5至1:2等；更优选地，所述比例随夹角a的增加而增加；更优选地，夹角a与夹角b的关系式如下：

<mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>x</mi> <mi>e</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>x</mi> <mi>e</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，y为夹角b的弧度，x为夹角a的弧度，x的取值范围是0至e为自然常数；优选地，两个透镜24各自独立地保持其光轴与左眼和右眼光轴共轴，并且上述夹角a为左眼和右眼转动角度的平均值。

7.根据权利要求1-6中任一项的所述增强现实设备，其特征在于，还包括设置在头箍(1)上的、与第一导轨(2)和第二导轨(3)相对的、位置可调的配重块(11)，用于将所述增强现实设备的重心调整到头箍(1)的中部。

8.根据权利要求7的所述增强现实设备，其特征在于，所述头箍(1)上由近到远依次设有与第一导轨(2)和第二导轨(3)相对的第三导轨(15)和第四导轨(16)，第三导轨(15)上设有配重块第一平移装置(12)，第四导轨(16)上设有配重块第二平移装置(13)，配重块第一平移装置(12)与配重块第二平移装置(13)之间螺杆(14)，所述配重块(11)以可平移的方式设置在螺杆(14)上；优选地，螺杆(14)的一端通过配重块纵移装置(25)连接在配重块第二平移装置(13)的下端，螺杆(14)的另一端以可旋转的方式连接于配重块第一平移装置(12)的下端，配重块纵移装置(25)通过驱动螺杆(14)旋转使得配重块(11)在第三导轨(15)和第四导轨(16)之间移动。

9.一种使用根据权利要求1-8中任一项的所述增强现实设备的方法，包括：

将所述增强现实设备通过头箍(1)佩戴在用户头上；

用所述外部成像装置(27)拍摄所述增强现实设备外部的现实图像；

用所述成像器(7)提供包括虚拟图像和所述现实图像的增强现实图像；

在第一导轨(2)上平移和/或转动内部摄像头(10)以跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；

在第二导轨(3)上平移和/或转动成像器(7)以便将所述增强现实图像呈现在所述眼球光轴中。

10.根据权利要求9的方法，还包括：

在第三导轨(15)和第四导轨(16)上平移配重块(11)和/或在螺杆(14)上纵移配重块(11)以便将所述增强现实设备的重心调整到头箍(1)的中部。