CN102981626A - 一种头戴式计算机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有头部动作感应人机交互方式的头戴式计算机，属于计算机技术领域。包括应用处理器、显示驱动器、微显示屏、数模转换器、耳机、音频编码器、传声器，还包括一个由透镜、图像传感器和图像处理器组成的头部姿态测量装置包括。应用处理器分别与显示驱动器、数模转换器、音频编码器和图像处理器相连接，微显示屏与显示驱动器相连接，透镜放置在图像传感器的前面，图像传感器与图像处理器相连接，耳机与数模转换器相连接，传声器与音频编码器相连接。本发明头戴式计算机可实时检测头部姿态动作，动作感应灵敏度高，屏幕光标移动与头部运动同步，没有光标移动滞后问题。同时，本发明计算机具有系统结构简单、可靠且易于实施的优点。

Description

一种头戴式计算机

技术领域

本发明涉及一种头戴式计算机，特别涉及一种具有头部动作感应人机交互方式的头戴式计算机，属于计算机设备技术领域。

背景技术

头戴式计算机（Headset Computer）是一种体积微小、结构紧凑、方便携带的微型计算机，采用位于人眼前方的微显示屏作为显示器，可像佩戴眼镜一样戴在头部，让使用者在获取信息的同时，能用双手进行其它操作而不受限制，在军事、医疗、工业、娱乐等领域具有广阔应用前景。

为了使头戴式计算机摆脱传统键盘、鼠标、触摸屏等人机交互设备的限制，美国Google公司和Motorola公司分别发明了一种基于头部动作感应的Google Glass和HC1头戴式计算机，使用惯性传感器（加速度计和陀螺仪）检测头部姿态，利用头部的俯仰动作和左右转动来控制屏幕光标移动，通过摇头晃脑来实现鼠标的滑动及按键功能，从而进行菜单定位或选择。图1是已有头戴式计算机的结构框图。

头戴式计算机头部姿态检测系统采用惯性传感器（加速度计和陀螺仪）的不足之处是：

（1）屏幕光标反应迟钝。加速度计和陀螺传感器分别测量的是头部线加速度和角加速度，要经过两次对时间的积分运算后才能获得头部的线位移和角位移，所以线位移和角位移测量结果不仅与头部的线加速度和角加速度测量值有关，而且还与头部线加速度和角加速度值存在的时间长度有关，因此二次积分运算使头部的线位移和角位移测量结果相对头部运动存在延迟效应，进行人机交互时，微显示屏上的光标移动总是滞后于头部的运动。

（2）惯性传感器检测头部姿态时的灵敏度较低。头部进行摇头晃脑运动时产生的加速度非常小，与加速度计和陀螺传感器产生的误差信号约为同一数量级，因此头部俯仰或转动的力度较小时，头戴式电脑会因加速度计和陀螺传感器输出信号的信噪比太低而无法判断头部姿态。

（3）加速度计和陀螺传感器增加了系统的复杂性，也增大了产品成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种头戴式计算机，以克服现有技术中存在的屏幕光标移动滞后于头部动作的缺陷，使计算机操作指令的执行更加实时和可靠。

本发明提出的头戴式计算机，包括：

透镜，用于将头戴式计算机的使用者前方的景物成像在图像传感器上，透镜置于头戴式计算机的微显示屏的背部；

图像传感器，将透镜成像得到的光学图像信号转换成数字图像信号，并将数字图像信号输出给图像处理器；

图像处理器，用于接收图像传感器输出的数字图像信号，计算出头戴式计算机的使用者头部在抬头、低头、左转或右转时外界景物在数字图像信号中的方向和位移的偏移量，并将将该方向和位移的偏移量传送给应用处理器，图像处理器与图像传感器相连；

传声器，用于接收头戴式计算机的使用者的语音操作指令，将语音操作指令转换为模拟音频信号，然后将模拟音频信号输出给音频编码器；

音频编码器，用于将传声器输出的模拟音频信号转换为数字音频信号，然后将数字音频信号输出给应用处理器，音频编码器与传声器相连；

应用处理器，用于接收图像处理器输出的景物偏移方向和位移，并根据景物偏移方向和位移，使微显示屏上的光标移动到预定菜单位置；同时接收音频编码器的数字音频信号，根据头戴式计算机的语音操作指令，执行相应操作；

显示驱动器，用于将应用处理器输出的文字、图形、图像和视频信号转换为低压差分信号，驱动微显示屏显示文字、图形、图像和视频信息；

微显示屏，用于显示上述显示驱动器输出的文字、图形、图像和视频信息；

数模转换器，用于将应用处理器输出的数字音频信号转换为模拟音频信号，并将模拟音频信号输出给耳机；

耳机，用于将数模转换器输出的模拟音频电信号转换为声音信号。

本发明提出的头戴式计算机，可实时检测头部姿态动作（抬头、低头、左转或右转），并控制屏幕光标进行相应的移动，光标移动与头部的转动方向和位移量同步，解决了光标移动滞后问题。同时，采用本发明的头戴式计算机，光标动作感应的灵敏度很高，系统结构简单可靠且易于实施。

附图说明

图1是已有头戴式计算机的结构框图。

图2是本发明提出的头戴式计算机的结构框图。

图3是本发明提出的头戴式计算机的使用示意图。

图4是本发明计算机的工作过程中，经图像处理器预处理后的数字图像，其中（a）为初始状态时的数字图像，（b）为头部转动一定角度后的数字图像。

图3中，1是微显示屏，2是透镜。

具体实施方式

本发明提出的头戴式计算机，其结构如图2所示，包括：

透镜2，如图3中所示，用于将头戴式计算机的使用者前方的景物成像在图像传感器上，透镜置于头戴式计算机的微显示屏1的背部；

图像传感器，将透镜成像得到的光学图像信号转换成数字图像信号，并将数字图像信号输出给图像处理器；

图像处理器，用于接收图像传感器输出的数字图像信号，计算出头戴式计算机的使用者头部在抬头、低头、左转或右转时外界景物在数字图像信号中的方向和位移的偏移量，并将将该方向和位移的偏移量传送给应用处理器，图像处理器与图像传感器相连；

传声器，用于接收头戴式计算机的使用者的语音操作指令，将语音操作指令转换为模拟音频信号，然后将模拟音频信号输出给音频编码器；

音频编码器，用于将传声器输出的模拟音频信号转换为数字音频信号，然后将数字音频信号输出给应用处理器，音频编码器与传声器相连；

应用处理器，用于接收图像处理器输出的景物偏移方向和位移，并根据景物偏移方向和位移，使微显示屏上的光标移动到预定菜单位置；同时接收音频编码器的数字音频信号，根据头戴式计算机的语音操作指令，执行相应操作；

显示驱动器，用于将应用处理器输出的文字、图形、图像和视频信号转换为低压差分信号，驱动微显示屏显示文字、图形、图像和视频信息；

微显示屏，用于显示上述显示驱动器输出的文字、图形、图像和视频信息；

数模转换器，用于将应用处理器输出的数字音频信号转换为模拟音频信号，并将模拟音频信号输出给耳机；

耳机，用于将数模转换器输出的模拟音频电信号转换为声音信号。该声音信号可以是音乐、游戏声音等等

本发明的头戴式计算机中，应用处理器用于控制和执行头戴式计算机的指令操作，主要完成获取指令、执行指令，以及与内部存储器和逻辑部件交换信息等操作，监控图像处理器输出的景物偏移量，根据景物偏移量控制光标进行相应的移动，从而实现菜单定位。

本发明计算机中的显示驱动器，用于将应用处理器输出的3.3V图像信号转换为330mV的LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）低压差分信号，然后驱动微显示屏显示图像。

本发明的头戴式计算机中，应用处理器采用TI公司的OMAP 3处理器，微显示屏采用0.7吋LCOS（Liquid Crystal on Silicon）反射式有源矩阵驱动型液晶显示器，显示驱动器采用TI公司的FLATLINK芯片，耳机采用头带式动圈耳机，数模转换器采用TI公司的TLV320DAC3100立体声DAC芯片，传声器采用Ф6驻极体电容式传声器，音频编码器采用TI公司的TLV320AIC3106芯片，图像传感器和图像处理器采用安捷伦公司生产的内置图像传感器和图像处理器的ADNS-2030光电传感器，透镜采用模压成型的非球面塑料镜片。

本发明头戴式计算机的人机交互工作原理是：

透镜将使用者前方的景物成像在图像传感器上，图像传感器将光学图像信息转换成数字图像信号，并将数字图像信号输出给图像处理器。使用者做抬头、低头、左转或右转动作时，数字图像中的景物相应地向下、向上、向右或向左移动，图像中景物的移动量与头部的运动幅度成正比。

图像处理器实时测量景物在数字图像中沿X轴的偏移量△X和沿Y轴的偏移量△Y，然后将△X和△Y传送给应用处理器；应用处理器实时监控图像处理器输出的景物偏移量△X和△Y，应用处理器根据下述公式计算光标沿屏幕水平方向的位移△H和沿垂直方向的位移△V。图4是本发明计算机的工作过程中，经图像处理器预处理后的数字图像，其中（a）为初始状态时的数字图像，（b）为头部转动一定角度后的数字图像。

△H=系数H×△X

△V=系数V×△Y

式中系数H和系数V为常数，表示景物偏单位移量时的光标位移量，其大小可以控制动作感应的灵敏度。

应用处理器根据△H和△V控制光标进行移动，从而实现菜单定位。

本发明实施例的图像传感器和图像处理器数据采集速率为2300帧/秒，可实时检测头部姿态动作（抬头、低头、左转或右转），屏幕光标移动与头部运动同步，解决了现有技术光标移动滞后的缺陷。同时，采用本发明的技术方案，光标动作感应的灵敏度很高，系统结构简单可靠且易于实施。

Claims (1)

1.一种头戴式计算机，其特征在于，该计算机包括：

透镜，用于将头戴式计算机的使用者前方的景物成像在图像传感器上，透镜置于头戴式计算机的微显示屏的背部；

图像传感器，将透镜成像得到的光学图像信号转换成数字图像信号，并将数字图像信号输出给图像处理器；

图像处理器，用于接收图像传感器输出的数字图像信号，计算出头戴式计算机的使用者头部在抬头、低头、左转或右转时外界景物在数字图像信号中的方向和位移的偏移量，并将将该方向和位移的偏移量传送给应用处理器，图像处理器与图像传感器相连；

传声器，用于接收头戴式计算机的使用者的语音操作指令，将语音操作指令转换为模拟音频信号，然后将模拟音频信号输出给音频编码器；

音频编码器，用于将传声器输出的模拟音频信号转换为数字音频信号，然后将数字音频信号输出给应用处理器，音频编码器与传声器相连；

应用处理器，用于接收图像处理器输出的景物偏移方向和位移，并根据景物偏移方向和位移，使微显示屏上的光标移动到预定菜单位置；同时接收音频编码器的数字音频信号，根据头戴式计算机的语音操作指令，执行相应操作；

显示驱动器，用于将应用处理器输出的文字、图形、图像和视频信号转换为低压差分信号，驱动微显示屏显示文字、图形、图像和视频信息；

微显示屏，用于显示上述显示驱动器输出的文字、图形、图像和视频信息；

数模转换器，用于将应用处理器输出的数字音频信号转换为模拟音频信号，并将模拟音频信号输出给耳机；

耳机，用于将数模转换器输出的模拟音频电信号转换为声音信号。

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