CN109240505B - 头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法，公开的设备，包括电池、环境传感器、摄像头、处理卡、光机和光适应罩，所述电池、环境传感器、摄像头、处理卡、光机和光适应罩均安装在本体上，所述电池设置在本体的后端给摄像头、处理卡和光机供电，所述环境传感器、摄像头、光机和光适应罩设置在本体的前端，环境传感器、摄像头、光机均与处理卡通过线缆连接，环境传感器和光机也通过线缆连接，所述光适应罩由光致变色薄膜和有机玻璃组成，所述环境传感器、摄像头和光机位于光适应罩的内部。能够自适应户外环境光照强度。

Description

头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法

技术领域

本发明涉及一种智能穿戴技术领域，尤其涉及一种头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法。

背景技术

近年来，随着混合现实技术的发展，借助计算机图形图像与数据交互技术，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭建一个交互反馈的信息回路，增加了用户感知真实场景的信息量和理解程度。目前，混合现实头戴显示器件的发光亮度通常只有100nit左右，在户外尤其是强阳光直射的情况下虚拟场景的信息则无法辨识，在无月星光的弱光环境下虚拟场景的光线又对真实场景的光进行干扰导致真实场景的信息不易辨识。为了使头戴显示设备在户外能有较好的用户体检，常采用遮光和调光的方式来调节虚、实场景光线的平衡。

图1为现有技术中的一种头戴显示设备的结构示意图。头戴显示设备包括电池14、环境传感器11、光机13、遮光装置12。遮光装置12包括滤光膜121和有机玻璃122，滤光膜121贴合或涂镀在有机玻璃122上。光机13的亮度参考环境传感器11反馈的数据进行调节。该头戴显示设备在使用时会存在以下的问题。遮光装置12为采用镀滤光膜121的形式，不论外界环境光的强弱，都会削弱环境光。在强光环境下，可降低真实场景光线对虚拟场景光线的干扰，但是在弱光环境下则增强了虚拟场景光线对真实场景光线的干扰，不利于弱光环境下对真实场景信息的辨识。且仅根据外界环境光的大小调节光机13的亮度，方法过于简单，难以保障在不同户外环境光照下用户都能较好地获得虚、实场景信息。

因此如何能够自适应户外环境光照强度，在强光环境下，减弱阳光、紫外光、眩辉光对虚拟场景信息的干扰；在弱光环境下，减弱光机光线对真实场景信息的干扰，使用户更好地同时获得虚、实场景信息，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法，能够自适应户外环境光照强度，不仅能在强光环境下，减弱阳光、紫外光、眩辉光对虚拟场景信息的干扰；而且能在弱光环境下，减弱光机光线对真实场景信息的干扰，并且可根据真实场景的光照变化实时调节渲染虚拟场景，使用户更好地同时获得虚、实场景信息。

本发明提供一种头戴显示设备，包括电池、环境传感器、摄像头、处理卡、光机和光适应罩，所述电池、环境传感器、摄像头、处理卡、光机和光适应罩均安装在本体上，所述电池设置在本体的后端给摄像头、处理卡和光机供电，所述环境传感器、摄像头、光机和光适应罩设置在本体的前端，环境传感器、摄像头、光机均与处理卡通过线缆连接，环境传感器和光机也通过线缆连接，所述光适应罩由光致变色薄膜和有机玻璃组成，所述环境传感器、摄像头和光机位于光适应罩的内部。

优选地，所述环境传感器和摄像头并列设置在本体的前端上部，光机设置在本体的前端下部。

优选地，所述光致变色薄膜粘贴在有机玻璃内表面。

优选地，所述光机包括背光驱动模块、背光灯、显示屏、显示驱动模块和光学***，所述背光驱动模块通过调节背光灯的驱动电压信号的脉冲宽度来调节背光灯的电流大小，以控制背光灯的亮度；所述处理卡将图像数据发送给光机显示驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示，显示屏发出的光通过光学***进行近眼成像。

优选地，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：光适应罩根据周围环境光的强弱变化减小或增大环境光的透过率，使周围环境光透过光适应罩射入光适应罩内；

步骤S200：环境传感器采集周围环境光透过光适应罩的光亮度数据，发送给光机的背光驱动模块；

步骤S300：背光驱动模块根据环境传感器采集的光亮度数据调节光机的背光灯电流，从而调节光机背光亮度；

步骤S400：摄像头透过光适应罩采集周围环境的真实场景图像，发送给处理卡；

步骤S500：处理卡将透过光适应罩的场景图像与预存在处理卡中的虚拟场景图像进行融合处理；

步骤S600：处理卡对融合后的图像进行高动态光照渲染处理；

步骤S700：处理卡将高动态光照渲染处理后的图像中的虚拟场景图像和透过光适应罩的场景图像进行分离处理；

步骤S800：处理卡将分离后的虚拟场景图像发送给光机的显示驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示；

步骤S900：显示屏发出的光通过光学***进行近眼成像。

优选地，所述步骤S200中背光驱动模块根据环境传感器采集的光亮度数据调节光机的背光灯电流具体为：背光驱动模块将接收到环境传感器采集的光亮度数据与预设值进行比较，如果大于预设值，则增大光机的背光灯驱动电压信号的脉冲宽度，如果小于预设值，则减小光机的背光灯驱动电压信号的脉冲宽度。

优选地，所述步骤S600具体为：

步骤S610：处理卡对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R；

步骤S620：将处理后的图像灰度在一个较大的灰度范围内进行映射，图像R有N个灰阶，即灰度范围k＝0，1，2，3，……，N-1，统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中：L’k＝((N-1)–0.21Lmin)/(Lmax-Lmin)×(Lk-Lmin)+0.21Lmin。

本发明提供的一种头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法，能够自适应户外环境光照强度，在强光环境下，降低环境光透过率，减弱阳光、紫外光、眩辉光等外界环境光对虚拟场景信息的干扰；在弱光环境下，环境光透过率恢复，光机光线对真实场景信息的干扰减弱，用户可更好地同时获得虚、实场景信息。

附图说明

图1为现有技术中的一种头戴显示设备的结构示意图；

图2为本发明提供的一种头戴显示设备的结构侧视示意图；

图3为本发明提供的一种头戴显示设备的结构立体示意图；

图4为本发明提供的一种户外可视方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，为便于描述，本实施例中的“上”、“下”、“前”、“后”是相对于头戴显示设备本体而言，除为特殊说明的情况下，使用者佩戴头戴显示设备正直站立后，朝向地面方向为下，与向地面垂直相反的方向为上，朝向使用者面部方向为前，与向朝向使用者面部垂直相反的方向为后。

参见图2和图3，图2为本发明提供的一种头戴显示设备的结构侧视示意图；图3为本发明提供的一种头戴显示设备的结构立体示意图。

本发明提供一种头戴显示设备，包括电池26、环境传感器21、摄像头22、处理卡25、光机24和光适应罩23，所述电池26、环境传感器21、摄像头22、处理卡25、光机24和光适应罩23均安装在本体上，所述电池26设置在本体的后端给摄像头22、处理卡25和光机24供电，所述环境传感器21、摄像头22、光机24和光适应罩23设置在本体的前端，环境传感器21、摄像头22、光机24均与处理卡25通过线缆连接，环境传感器21和光机24也通过线缆连接，所述光适应罩23由光致变色薄膜231和有机玻璃232组成，位于本体最前端。所述环境传感器21、摄像头22和光机24位于光适应罩的内部。光适应罩23对环境传感器21、摄像头22、和光机24有防护作用。使用者通过头戴显示设备的本体将头戴显示设备穿固定在头上，光适应罩23位于使用者的面部前方。

周围环境光透过光适应罩23的光致变色薄膜231和有机玻璃232射入光适应罩23内，光适应罩23根据周围环境光的强弱变化减小或增大环境光的透过率，环境传感器21采集周围环境光透过光适应罩23的光亮度数据发送给光机24，光机24根据环境传感器21采集的光亮度数据调节其背光亮度。摄像头22透过光适应罩23采集周围环境真实场景图像数据发送给处理卡25，处理卡25将透过光适应罩23的场景图像数据与预存在处理卡25中的虚拟场景图像进行融合处理。处理卡25对融合后的图像进行高动态光照渲染处理，将高动态光照渲染处理后的图像中的虚拟场景图像和透过光适应罩23的场景图像进行分离处理，并将分离后的虚拟场景图像信号发送给光机24显示。使用者将头戴显示设备的设备穿戴在头上，通过光机24显示观看虚拟场景图像。

环境传感器21和摄像头22并列设置在本体的前端上部，光机24设置在本体的前端下部。环境传感器21和摄像头22设置在本体的前端上部，分别用于透过光适应罩采集周围环境光亮度数据和真实场景图像。光机24设置在本体的前端下部，便于与人眼对准准光机24，通过光机24显示观看虚拟场景图像。

所述光适应罩23由有机玻璃232和光致变色薄膜231组成，光适应罩23由有机玻璃232制成，光致变色薄膜231粘贴在有机玻璃232内表面。所述光致变色薄膜231中含有化合物，在户外强光环境的照射下吸收紫外线，发生能级跃迁，成为异构化合物，颜色发生变化，降低光的透过率；在弱光环境下，异构化合物的能级回到化合物状态，颜色回到之前的状态，光透过率也得到恢复。

所述光机24包括背光驱动模块、背光灯、显示屏、显示驱动和光学***，所述背光驱动模块通过调节背光灯的驱动电压信号的脉冲宽度来调节背光灯的电流大小以控制背光灯的亮度；所述处理卡将图像数据发送给光机显示驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示，显示屏发出的光通过光学***在使用者的眼中进行近眼成像。

头戴显示设备在107640lx照度的户外光直射环境下虚拟场景画面亮度与透过光适应罩的场景画面亮度对比度可不小于21:1，在无月星空环境下透过光适应罩的场景画面亮度与虚拟场景画面亮度对比度可不小于7:1。

本设备能够自适应户外环境光照强度，在强光环境下，降低环境光透过率，减弱阳光、紫外光、眩辉光等外界环境光对虚拟场景信息的干扰；在弱光环境下，环境光透过率恢复，光机光线对真实场景信息的干扰减弱，用户可更好地同时获得虚、实场景信息。

参见图4，图4为本发明提供的一种户外可视方法的流程图。

本发明还提供了使用上述头戴显示设备的户外可视方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：光适应罩根据周围环境光的强弱变化减小或增大环境光的透过率，使周围环境光透过光适应罩射入光适应罩内；

周围环境光透过光适应罩射入光适应罩内，光适应罩根据周围环境光的强弱变化减小或增大环境光的透过率。

步骤S200：环境传感器采集周围环境光透过光适应罩的光亮度数据，发送给光机的背光驱动模块；

步骤S300：背光驱动模块根据环境传感器采集的光亮度数据调节光机的背光灯电流，从而调节光机背光亮度；

背光驱动模块将接收到环境传感器采集的光亮度数据与预设值进行比较，如果大于预设值，则增大光机的背光灯的电流，光机亮度得到提高，如果小于预设值，则减小光机的背光灯的电流，光机亮度降低。

背光驱动模块将接收到环境传感器采集的光亮度数据发送给光机的背光驱动模块。背光驱动模块可通过调节光机的背光灯驱动电压的PWM信号，即调节一个供电周期内驱动电压信号的脉冲宽度，来调节背光灯的电流大小，以实现对光机背光灯亮度大小的调节。在外界环境光照下，环境传感器采集的光亮度数据数字信号与预设值进行比较，如果大于预设值，则增大背光灯驱动电压信号的脉冲宽度，背光灯的供电流增大，光机亮度得到提高，如果小于预设值，则减小背光灯驱动电压信号的脉冲宽度，背光灯的供电流减小，光机亮度降低。所述预设值可根据实际效果调整。

步骤S400：摄像头透过光适应罩采集周围环境的真实场景图像，发送给处理卡；

步骤S500：处理卡将透过光适应罩的场景图像与预存在处理卡中的虚拟场景图像进行融合处理；

步骤S600：处理卡对融合后的图像进行高动态光照渲染处理。

处理卡对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R。将处理后的图像灰度在一个较大的灰度范围内进行映射，图像R有N个灰阶，即灰度范围k＝0，1，2，3，……，N-1，统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中：L’k＝((N-1)–0.21Lmin)/(Lmax-Lmin)×(Lk-Lmin)+0.21Lmin。

将融合后的图像进行高动态光照渲染处理，使虚拟信息的细节数据得到增强，高动态光照渲染处理后的图像有较大的灰度动态范围且整体有较高的对比度，增强了图像的细节数据。该方法不需要根据直方图均衡后的结果进行阈值判断，具有自适应性。

步骤S700：处理卡将高动态光照渲染处理后的图像中的虚拟场景图像和透过光适应罩的场景图像进行分离处理；

步骤S800：处理卡将分离后的虚拟场景图像发送给光机驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示；

该步骤具体表现为：处理卡分离后的虚拟场景图像信号发送给光机显示屏显示时，处理卡还将放大后的数据进行压缩成8位数据，然后发送给光机显示驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示。

步骤S900：显示屏发出的光通过光学***进行近眼成像，即显示屏发出的光通过光学***在使用者的眼中形成远距离虚像。

用户在户外佩戴设备，在强光环境下光适应罩吸收紫外线，颜色发生变化，降低环境光的透过率，减弱阳光、紫外光、眩辉光对虚拟场景信息的干扰；在弱光环境下光适应罩颜色回到之前的状态，环境光透过率也得到恢复，减弱光机光线对真实场景信息的干扰。环境传感器采集周围环境光透过光适应罩的光亮度数据发送给光机，光机根据环境传感器采集的光亮度数据调节其背光亮度。摄像头采集透过光适应罩周围环境的真实场景图像数据发送给处理卡，处理卡将透过光适应罩场景图像数据与预存在处理卡中的虚拟场景图像进行融合处理。处理卡对融合后的图像进行高动态光照渲染处理，将高动态光照渲染处理后的图像中的虚拟场景图像和透过光适应罩场景图像进行分离处理，并将分离后的虚拟场景图像信号发送给光机显示。面对户外不同的光照环境和场景画面，虚拟场景图像均可自适应调整与户外真实场景融合，很好地提升了用户的视觉体验。

平衡外界真实场景图像与虚拟场景图像，通过环境传感器采集周围环境光透过光适应罩的光致变色薄膜的光亮度数据，背光驱动模块根据环境传感器采集的光亮度数据调节光机的背光灯电流，对外界真实场景光强弱的判断，提升或减弱虚拟场景光的大小，提升虚拟场景的抗外界场景强光干扰的能力有限。为了进一步提升虚拟场景图形图像的显示效果，对虚拟场景的图形图像进行高动态光照渲染处理，针对不同的真实场景提升虚拟场景的对比度，实现对虚拟场景的一种像素级的动态调节。

以上对本发明所提供的一种头戴显示设备及使用该头戴显示设备的户外可视方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进及修饰，这些改进及修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种头戴显示设备，其特征在于，包括电池、环境传感器、摄像头、处理卡、光机和光适应罩，所述电池、环境传感器、摄像头、处理卡、光机和光适应罩均安装在本体上，所述电池设置在本体的后端给摄像头、处理卡和光机供电，所述环境传感器、摄像头、光机和光适应罩设置在本体的前端，环境传感器、摄像头、光机均与处理卡通过线缆连接，环境传感器和光机也通过线缆连接，所述光适应罩由光致变色薄膜和有机玻璃组成，所述环境传感器、摄像头和光机位于光适应罩的内部，所述光致变色薄膜粘贴在有机玻璃内表面；其中，所述光适应罩根据周围环境光的强弱变化减小或增大环境光的透过率，使周围环境光透过所述光适应罩射入光适应罩内；所述环境传感器采集周围环境光透过所述光适应罩的光亮度数据，发送给所述光机；所述光机根据所述环境传感器采集的光亮度数据调节其背光亮度；所述摄像头透过所述光适应罩采集周围环境真实场景图像数据发送给所述处理卡；所述处理卡将透过光适应罩的真实场景图像数据与预存在所述处理卡中的虚拟场景图像进行融合处理得到融合后的图像；所述处理卡对所述融合后的图像进行高动态光照渲染处理，将高动态光照渲染处理后的图像中的虚拟场景图像和透过所述光适应罩的真实场景图像进行分离处理，并将分离后的虚拟场景图像信号发送给所述光机显示；

所述处理卡对融合后的图像进行高动态光照渲染处理，包括：处理卡对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R；将处理后的图像灰度在一个较大的灰度范围内进行映射，图像R有N个灰阶，即灰度范围k＝0,1,2,3，……，N-1，统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中：L’k＝((N-1)–0.21Lmin)/(Lmax-Lmin)×(Lk-Lmin)+0.21Lmin。

2.根据权利要求1所述的头戴显示设备，其特征在于，所述环境传感器和摄像头并列设置在本体的前端上部，光机设置在本体的前端下部。

3.根据权利要求1所述的头戴显示设备，其特征在于，所述光机包括背光驱动模块、背光灯、显示屏、显示驱动模块和光学***，所述背光驱动模块通过调节背光灯的驱动电压信号的脉冲宽度来调节背光灯的电流大小，以控制背光灯的亮度；所述处理卡将图像数据发送给光机显示驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示，显示屏发出的光通过光学***进行近眼成像。

4.一种使用如权利要求1至3任一项所述的头戴显示设备的户外可视方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S100：光适应罩根据周围环境光的强弱变化减小或增大环境光的透过率，使周围环境光透过光适应罩射入光适应罩内；

步骤S200：环境传感器采集周围环境光透过光适应罩的光亮度数据，发送给光机的背光驱动模块；

步骤S300：背光驱动模块根据环境传感器采集的光亮度数据调节光机的背光灯电流，从而调节光机背光亮度；

步骤S400：摄像头透过光适应罩采集周围环境的真实场景图像，发送给处理卡；

步骤S500：处理卡将透过光适应罩的场景图像与预存在处理卡中的虚拟场景图像进行融合处理；

步骤S600：处理卡对融合后的图像进行高动态光照渲染处理；

步骤S700：处理卡将高动态光照渲染处理后的图像中的虚拟场景图像和透过光适应罩的场景图像进行分离处理；

步骤S800：处理卡将分离后的虚拟场景图像发送给光机的显示驱动模块，光机显示驱动模块驱动显示屏显示；

步骤S900：显示屏发出的光通过光学***进行近眼成像；

所述步骤S600具体为：

步骤S610：处理卡对融合后的图像进行直方图均衡处理，得到图像R；

步骤S620：将处理后的图像灰度在一个较大的灰度范围内进行映射，图像R有N个灰阶，即灰度范围k＝0，1，2，3，……，N-1，统计出像素数最少的灰度值Lmin和像素数最多的灰度值Lmax，对各灰阶的灰度值Lk进行映射成L’k，进而得到高动态光照渲染处理后的图像，其中：L’k＝((N-1)–0.21Lmin)/(Lmax-Lmin)×(Lk-Lmin)+0.21Lmin。

5.根据权利要求4所述的户外可视方法，其特征在于，所述步骤S300中背光驱动模块根据环境传感器采集的光亮度数据调节光机的背光灯电流具体为：背光驱动模块将接收到环境传感器采集的光亮度数据与预设值进行比较，如果大于预设值，则增大光机的背光灯的驱动电压信号的脉冲宽度，如果小于预设值，则减小光机的背光灯驱动电压信号的脉冲宽度。

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