CN103293673B - 集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子 - Google Patents

集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,包括帽子顶罩和帽体,在帽子顶罩和帽体之间的夹层里设有:光学系统,光学系统包括光学合成器,分光器和中继透镜组;显示屏,红外识别系统,红外识别系统包括红外摄像头、中央红外LED、外围红外LED、摄像主控处理模块、跟踪计算模块和滤波算码模块;头戴处理模块、运动跟踪传感器、骨传导麦克风。本发明用自然行为习惯实现了个人随身穿戴智能设备的所视即所控,帽内集成显示屏装置、眼动仪和虹膜识别仪的功能为一体,其输入输出结构对等,体积小重量轻,操作自然动作量小,有助残疾人使用,而作为帽子穿戴外观自然符合佩戴习惯和普适价值。

Description

集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子
技术领域
本发明属于穿戴式智能设备领域,具体涉及一种集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子。
背景技术
现有技术的头戴显示器主要包括全屏蔽式和透明环境叠加式,然而其两者都功能单一,且体积较大,难以就头戴装置实现人机交互;而现有技术的头戴式眼动仪,其具有准确率非常高,但是存在体积较大,功能单一且从价格高昂,同时虹膜识别仪也存在价格高昂,功能单一,难以使用在个人密钥上;为了满足现有市场中头戴式显示器,更需要集成化、小体积、易隐藏和成本低。
申请号为201210362802.8的专利中提供了通过平面波导和衍射光栅实现显示和眼睛跟踪的方法。该专利申请使用了平面波导和衍射光栅,结构类似眼镜,以透明、近眼、平面波导覆盖全视野的方式显示和跟踪视线,其光路设计复杂而且材料制造的价格昂贵。
然而,现有技术中并未提供一种在帽舌区域能显示图像,并且使用廉价的半反半透屏和一般光学器件就能实现头戴显示器和眼动仪、虹膜识别仪的集成并随身穿戴化。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成了眼动仪、虹膜识别仪和显示器、且体积小、使用稳定性好的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子。
实现本发明目的的技术方案是:一种集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,包括帽子顶罩和帽体,在帽子顶罩和帽体之间的夹层里设有:
用于与眼睛配合的光学系统,所述光学系统包括安装在帽体前下方用于视线交互的光学合成器,和与光学合成器光轴共轴的分光器和中继透镜组;
用于显示图像的显示屏,所述显示屏与光学系统为光学地耦合,显示屏发出的图像光线经过分光器反射和中继透镜组整理后传给光学合成器,光学合成器将外部光线和中继透镜组整理后传来的光学合成后投射到用户眼睛;
用于识别的红外识别系统,所述红外识别系统包括红外摄像头、中央红外LED、外围红外LED、摄像主控处理模块、跟踪计算模块和滤波算码模块;
在夹层里还设有:头戴处理模块、运动跟踪传感器、骨传导麦克风,所述摄像主控处理模块、跟踪计算模块、滤波算码模块、运动跟踪传感器和骨传导麦克风均与所述头戴处理模块相连接;
所述红外摄像头与光学系统为光学地耦合,用户眼睛反射的光线经光学合成器反射至分光器,分光器将光学合成器反射来的光线过滤掉可见光后将红外光传给红外摄像头并得出图像;
所述头戴处理模块包括微处理器,和与所述微处理器相连接的扩展接口,所述摄像主控处理模块、跟踪计算模块、滤波算码模块、运动跟踪传感器、骨传导麦克风分别连接在所述扩展接口上。
所述中央红外LED安装在红外摄像头边围,分光器将中央红外LED发出的红外光传给光学合成器照射用户眼睛。
所述外围红外LED为多个,所述外围红外LED安装在光学合成器下边缘,用于照射用户眼睛。
所述摄像主控处理模块分别连接红外摄像头、中央红外LED、外围红外LED、滤波算码模块和跟踪计算模块,共同配合完成识别和采样。
所述骨传导麦克风安装在紧贴用户脑门的帽体部位,用于拾取用户骨传导声音并发出鼠标动作指令。
所述运动跟踪传感器包含用于传感用户头部运动数据的陀螺仪、加速仪和三轴磁强仪。
所述光学系统为单显示器单通道单眼识别、单显示器双通道单眼识别或双显示器双通道双眼识别。
所述头戴处理模块还包括电池供电装置。
本发明具有积极的效果:本发明以帽子为基础集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪,用自然行为习惯方式实现了个人随身穿戴智能设备的所视即所控,用同一套光学系统实现图像显示、眼动仪和虹膜识别仪,结构简单紧凑,其输入输出结构对等,体积小重量轻,加以头动跟踪和骨导声音指令,实现了操作自然动作量小所视即所控,有助残疾人使用,而作为帽子穿戴外观自然符合佩戴习惯和普适价值。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中:
图1为本发明的整体结构框图;
图2为本发明中含分光器的结构示意图;
图3为本发明中不含分光器的结构示意图;
图4为本发明中双眼红外发光模块位置示意图;
图5为本发明中处于帽子上的位置结构示意图。
具体实施方式
(实施例1)
图1至图5显示了本发明的一种具体实施方式,其中图1为本发明的整体结构框图;图2为本发明中一般光路的集成器结构示意图;图3为本发明中光路含衍射器件的集成器结构示意图;图4为本发明中双眼红外发光模块位置示意图;图5为本发明中处于帽子上的位置结构示意图。
如图1图5:一种集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,包括帽子顶罩15和帽体13,在帽子顶罩15和帽体13之间的夹层里设有:
用于每只眼睛的光学系统16,所述光学系统16包括安装在头戴帽体13前下方用于视线交互的光学合成器6,和与之光轴共轴的对准的分光器10和中继透镜组11;
用于显示图像的显示屏1,所述显示屏1与光学系统16为光学地耦合,以能将显示屏1发出的图像光线经过分光器10反射通过中继透镜组11整理后传给光学合成器6,光学合成器6将外部光线和中继透镜组11整理后传来的光学合成后投射到用户眼睛12;
用于眼动仪和虹膜识别仪的红外识别系统17,所述红外识别系统17包括红外摄像头2、红外发光模块3、红外发光模块3包括中央红外LED31和外围红外LED32、摄像主控处理模块4、跟踪计算模块5和滤波算码模块7;
在夹层里还设有:头戴处理模块8、运动跟踪传感器9、骨传导麦克风18;
所述红外摄像头2与光学系统16为光学地耦合,以能将用户眼睛12反射的光线被光学合成器6反射至分光器10,分光器10将光学合成器6反射来的光线过滤掉可见光后将红外光传给红外摄像头2得出图像;
所述中央红外LED 31安装在红外摄像头2边围,分光器10可以直接通过中央红外LED 31发出的红外光传给光学合成器6,用于照射用户眼睛12;
所述外围红外LED32,包括一个以上红外LED安装在光学合成器6下边缘,用于照射用户眼睛12;
如图1:所述摄像主控处理模块4连接并控制红外摄像头2、红外发光模块3,红外发光模块3包括中央红外LED31和外围红外LED32、滤波算码模块7和跟踪计算模块5,使红外识别系统17完成眼动识别和虹膜识别的采样功能。
所述骨传导麦克风18安装在紧贴用户脑门的帽体13部位,用于拾取用户骨传导声音作为鼠标指令;
所述运动跟踪传感器9包含陀螺仪、加速仪和三轴磁强仪的功能,用于传感用户头部的运动数据;
所述头戴处理模块8包括微处理器81,和与所述微处理器81相连接的扩展接口82;
所述扩展接口连接显示屏1、摄像主控处理模块4、跟踪计算模块5、滤波算码模块7、运动跟踪传感器9和骨传导麦克风18,以实现系统通讯;
所述光学系统16为单显示器单通道单眼识别、单显示器双通道单眼识别或双显示器双通道双眼识别;
所述头戴处理模块8还包括电池供电装置83。电池供电装置83给帽体上所有部分供电。
在实施例子中分光器10是通过在平面的光线过滤器上镀上相对波长的反光膜,用于将可见光和红外光有效分离,如:反射红外光通过可见光或者通过反射可见光通过红外光。
在实施例子中光学合成器6是通过在平面或特定弧面的透明光学元件表面镀上一层反射红外波长的反光膜和一层可见光半反膜而成,用于反射红外光通过部分可见光的同时反射部分可见光。
在使用中操作系统通过头戴处理模块8输出数据给显示屏1显示虚拟场景图像,用户眼睛12通过光学系统16的光路看到显示装置所显示的图像,摄像主控处理模块4控制中央红外LED 31和外围红外LED 32交替照射用户眼睛12,红外线摄像头2在光学系统的光路中截取红外线眼睛图像,红外线摄像头2将图像数据传给摄像主控处理模块4,通过图像运算处理提取特征信息,将图像特征信息传输给滤波算码模块7处理得到虹膜识别码,和将图像特征信息传输给跟踪计算模块5处理得到眼动轨迹,再将数据传给头戴处理模块8,这就实现了显示器、眼动仪和虹膜识别仪的基本功能。
再通过眼动仪的跟踪计算模块传来的眼动鼠标位置信息,确定用户眼睛12此时注视的坐标点,如果此时眼动鼠标未达到心理目标,人的头部会下意识生理反应的调整头部位置以修正精确瞄准目标点。
由于眼动范围有限和需要二次精度修正和眼动“确定”指令难逃米达斯接触问题,因此加入运动跟踪传感器9和骨传导麦克风18:
头戴处理模块通过扩展部件接口接收运动跟踪器9信息来计算头部的微小动作和位移、三维角度等,从而使显示器显示出相应角度视野的虚拟场景画面或桌面,也就是虚拟场景画面相对地球坐标系静止不动,通过运动轨迹在空间中定位,实现用户可以在大范围的虚拟场景中寻找信息区域。
头戴处理模块通过扩展部件接口接收骨传导麦克风18传来的骨传导声音进行对比得出不同鼠标指令,如牙齿合并的敲击声为“左键”可以实现“双击”、弹舌头的声音为“右键”、“合牙+弹舌+合牙”为“左键抓住不放”……
于是将头部方位坐标、骨传导指令和眼动指令一起输入操作场景:应用空间中虚拟环境相对地面静止,视野随着头部运动改变视角找到兴趣目标位置,如果眼动鼠标未定位到心理目标,人的头部会下意识生理反应的修整头部位置以修正校对并精确瞄准目标点,然后骨传导麦克风18拾取牙齿、舌头或鼻音来做成指令。
头眼联动是基本生理机能不可分割,而牙动是人类最初需求的确认动作,符合天生自然行为习惯,所视即所控。
见图2,含分光器的结构示意图,显示屏1发光显示的图像通过分光器10、中继透镜组11投射到光学合成器6,光学合成器6将外部环境光线和中继透镜组传来的光线合成最后投射到眼睛,完成头戴显示的功能;红外发光模块3(中央红外LED31和外围红外LED32)在摄像主控处理模块的驱动下按照特定程序闪动,照亮眼睛使光线通过光学合成器反射至中继透镜组整理后仅红外线通过分光器到达红外摄像头2得到暗瞳图像,而中央红外LED31发出的红外线光可以通过分光器10经中继透镜组11、光学合成器6投射到眼睛,进入眼睛瞳孔的红外光经过眼底视网膜反射投射出瞳孔又通过光学合成器6、中继透镜组11分光器10到达红外摄像头2得到亮瞳图像,使得到一组不同图像以便后序的数据处理。
见图3,不含分光器的的结构示意图,显示屏1发光显示的图像通过中继透镜组11投射到光学合成器6,光学合成器6将外部环境光线和中继透镜组11传来的光线合成最后投射到眼睛,完成头戴显示的功能;外围红外LED32在摄像主控处理模块4的驱动下按照特定程序闪动,照亮眼睛使光学通过光学合成器6反射红外光到达红外摄像头2得到暗瞳图像,而中央红外LED31发出的红外线光可以通过光学器件组反射经中继透镜组11、光学合成器6反射至眼睛,进入眼睛瞳孔的红外光经过眼底视网膜反射投射出瞳孔又通过光学合成器中继透镜组到达红外摄像头2得到亮瞳图像,使得到一组不同图像以便后序的处理。
见图4,眼动仪和虹膜识别仪的外围红外LED32各分布在每只眼睛的左右(至少两个以上)和中央红外LED31通过光学器件组投射来的正中心位置,通过中心和左、右轮流闪动配合红外摄像头2工作,中央红外LED31发光时红外摄像头2得到亮瞳图像,接下来外围红外LED32发光时红外摄像头得到两幅暗瞳图像,就此高速循环配合红外线摄像头2高速拍摄,这些图像通过图一中的摄像主控处理模块4和跟踪计算模块5计算处理后得到视线二维或三维标定坐标,实现眼动视线识别,或者将这些图像通过图一中的摄像主控处理模块4和滤波算码模块7得到虹膜码。
见图5,图中为带有头戴帽体,包抱帽罩15与帽体13,在帽体13上方有帽舌14,在帽舌14安装有头戴处理模块8、光学合成器6、显示屏1、红外摄像头2、中继透镜组11、中央红外LED31等。通过中继透镜组11和光学合成器6将光路引导至帽舌14下方,帽舌14下方安装有光学合成器6、外围红外LED32,帽体13和帽舌14间安装有头戴处理模块8的各部件以及扩展部件接口82,显示屏1通过光学器件组将光路连接到帽舌14下的光学合成器6,光学合成器6合成外部环境光线和光学器件组传来的光线投射给眼睛12,光学合成器6的位置设置在使用者眼睛正前方10-90mm距离范围内,属于安全视野范围,不阻挡重要视野;在光学合成器6的上面安装外围红外LED32,能准确将外围红外发光LED32的光准确反映在眼睛角膜反光点上,角膜反光点和眼睛的图像通过光学合成器进入光学器件组投射到红外摄像头2得到图像,图像通过计算环节将信息传给头戴处理模块8,头戴处理模块8将得到的虹膜信息作为身份识别和活体体征判断,又将得到的眼动信息和运动跟踪器信息用来控制虚拟场景显示和虚拟场景中的视点跟踪。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,包括帽子顶罩和帽体,其特征在于:在帽子顶罩和帽体之间的夹层里设有:
用于与眼睛配合的光学系统,所述光学系统包括安装在帽体前下方用于视线交互的光学合成器,和与光学合成器光轴共轴的分光器和中继透镜组;
用于显示图像的显示屏,所述显示屏与光学系统为光学地耦合,显示屏发出的图像光线经过分光器反射和中继透镜组整理后传给光学合成器,光学合成器将外部光线和中继透镜组整理后传来的光学合成后投射到用户眼睛;
用于识别的红外识别系统,所述红外识别系统包括红外摄像头、中央红外LED、外围红外LED、摄像主控处理模块、跟踪计算模块和滤波算码模块;
在夹层里还设有:头戴处理模块、运动跟踪传感器、骨传导麦克风,所述摄像主控处理模块、跟踪计算模块、滤波算码模块、运动跟踪传感器和骨传导麦克风均与所述头戴处理模块相连接;所述红外摄像头与光学系统为光学地耦合,用户眼睛反射的光线经光学合成器反射至分光器,分光器将光学合成器反射来的光线过滤掉可见光后将红外光传给红外摄像头并得出图像;所述头戴处理模块包括微处理器,和与所述微处理器相连接的扩展接口,所述摄像主控处理模块、跟踪计算模块、滤波算码模块、运动跟踪传感器、骨传导麦克风分别连接在所述扩展接口上。
2.根据权利要求1所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述中央红外LED安装在红外摄像头边围,分光器将中央红外LED发出的红外光传给光学合成器照射用户眼睛。
3.根据权利要求2所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述外围红外LED为多个,所述外围红外LED安装在光学合成器下边缘,用于照射用户眼睛。
4.根据权利要求3所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述摄像主控处理模块分别连接红外摄像头、中央红外LED、外围红外LED、滤波算码模块和跟踪计算模块,共同配合完成识别和采样。
5.根据权利要求4所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述骨传导麦克风安装在紧贴用户脑门的帽体部位,用于拾取用户骨传导声音并发出鼠标动作指令。
6.根据权利要求5所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述运动跟踪传感器包含用于传感用户头部运动数据的陀螺仪、加速仪和三轴磁强仪。
7.根据权利要求6所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述光学系统为单显示器单通道单眼识别、单显示器双通道单眼识别或双显示器双通道双眼识别。
8.根据权利要求7所述的集成显示器和眼动仪和虹膜识别仪的帽子,其特征在于:所述头戴处理模块还包括电池供电装置。
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