CN104932106A - 虚拟现实显示方法和虚拟现实眼镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟现实显示方法，利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。本发明还公开了一种虚拟现实眼镜。本发明制作简单、图像融合效果好、清晰度高。
Description
技术领域
本发明涉及显示领域，尤其涉及虚拟现实显示方法和虚拟现实眼镜。
背景技术
随着虚拟现实技术的兴起，虚拟现实眼镜被看作是“下一代计算平台”，在国内外如雨后春笋般涌现。虚拟现实眼镜显示方式主要有四种：即半反半透、组合分选、视网膜投射和全内反射。
半反半透的方法就是使用半反射半透射的镜片。显示器在眼镜的侧面，通过一枚半反射半透射的镜片将计算机生成内容显示在跟前，并与真实场景相叠。缺点是整个装置的体积较大，若半反射半透射的镜片45度放置，则显示的宽度和装置的厚度一致。若限制眼前装置的厚度，则显示面积就比较小。
组合分选需要由眼镜上的显示器和人眼佩戴的隐形眼镜之间相互配合。隐形眼镜上有线性偏振片，中央有一个高度数的透镜，其上没有偏振片或者有与周边垂直的偏振片。在眼镜显示器上，近景显示器前面有一层偏振片，其方向与隐形眼镜周边的偏振片方向垂直。近景显示器之外是没有偏振片，或者有偏振片但方向与隐形眼镜中央的垂直。于是远处实际景物发出的光线可以顺利通过隐形眼镜的大部分区域，聚焦在眼内。而近处的显示器上的光线，无法通过隐形眼镜周边的部分，只能通过隐形眼镜中央的高度数凸透镜，也可以顺利聚焦在眼内。近景和实际景物之间互不干扰。缺点是：一、需要再戴一枚隐形眼镜。二、由于其中有偏振层加入，对隐形眼镜的透氧性产生一定影响。三、计算机显示的近景会遮挡远处实景，无法实现两者的融合。
视网膜投射则是在隐形眼镜表面上采用微小的LED作为显示像素，其下有菲涅尔波带片，利用菲涅尔波带片的衍射作用，等价于一个高度数的凸透镜，将LED所发出的光聚焦在视网膜上。在单像素的实验中，这个是可以实现的。但是如果扩展到多像素，比如至少是320*240的像素，那么会有一大片范围被显示像素所覆盖。注意每一个菲涅尔波带片等价于一个高度数凸透镜，它既可以聚焦LED发出的光，也可以偏折来自远方实际景物的光，相当于在眼前佩戴了一枚高度数的远视眼镜。那么有显示像素的位置，就是看不清远景的，要让显示器可用，就必须阻挡显示器后面的来光。否则就是严重模糊的成像。这种显示技术与上面“组合分选”的方式一样，都不可能实现计算机生成图像与实际景物的融合。
全内反射方法本质上与半反射半透射的原理是相同的，但是利用楔形玻璃内部的全内反射，使图像能够在眼镜片内部反射多次后再进入眼睛。缺点是显示部分可能有一定的棱镜效应，远处实景进入楔形玻璃时可能有同一个方向的偏转，造成轻微的斜视，佩戴时间长了以后，眼肌容易疲劳。
因此如何在不增加虚拟现实眼镜装置厚度的基础上，实现将用户观察到的远处目标物体与计算机生成的虚拟场景进行融合，是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提出一种虚拟现实显示方法和虚拟现实眼镜，旨在解决目标物体与虚拟场景融合的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种虚拟现实显示方法所述虚拟现实显示方法包括步骤：
利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；
通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；
经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；
将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
优选地，所述将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示的步骤之前包括：
在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景。
优选地，所述正像透镜包括转像透镜或棱镜，所述通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的步骤包括：
通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。
优选地，所述物镜的直径比所述目镜的直径大且所述物镜的焦距比所述目镜的焦距大。
优选地，所述物镜的放大倍数比所述目镜的放大倍数小。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种虚拟现实眼镜，所述虚拟现实眼镜包括：
获取模块，用于利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；
倒转模块，用于通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；
成像模块，用于经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；
显示模块，用于将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
优选地，所述虚拟现实眼镜还包括：
构建模块，用于在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景。
优选地，所述倒转模块还用于通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。
优选地，所述物镜的直径比所述目镜的直径大且所述物镜的焦距比所述目镜的焦距大。
优选地，所述物镜的放大倍数比所述目镜的放大倍数小。
本发明提出的虚拟现实显示方法和虚拟现实眼镜，利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。本发明制作简单、图像融合效果好、清晰度高。
附图说明
图1为本发明虚拟现实显示方法第一实施例的流程示意图；
图2为本发明虚拟现实眼镜的光学成像原理图；
图3为本发明虚拟现实显示方法第二实施例的流程示意图；
图4为本发明虚拟现实显示方法第三实施例的流程示意图；
图5为本发明虚拟现实眼镜第一实施例的功能模块示意图；
图6为本发明虚拟现实眼镜的结构示意图；
图7为本发明虚拟现实眼镜第二实施例的功能模块示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明第一实施例提出一种虚拟现实显示方法，包括：
步骤S100、利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像。
如图2所示，图2为本发明虚拟现实眼镜的光学成像原理图，在本实施例中，所述虚拟现实眼镜的光学系统包括物镜10、正像透镜20和目镜30，正像透镜20为正像透镜组，包括第一正像透镜21和第二正像透镜22，所述物镜、正像透镜和目镜依次设置在同一光轴上。其中，靠近眼睛的凸透镜叫做目镜30，靠近被观察的目标物体AB的凸透镜叫做物镜10，物镜10的焦距较大，目镜30的焦距较小；物镜10的直径较大，目镜30的直径较小；物镜10的放大倍数较小，目镜30的放大倍数较大。所述物镜10采用平凸透镜，所述物镜10靠近目标物体AB的一面为平面镜，所述物镜10靠近正像透镜20的一面为凸面镜；所述目镜30采用平凸透镜，所述目镜30靠近正像透镜20的一面为平面镜，所述目镜30靠近眼睛的一面为凸面镜。当远处的目标物体AB发出的光线经过所述物镜10后在物镜10的后焦点以外(与物镜10的后焦点很近)的位置成倒立缩小的实像B1A1。
步骤S200、通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转。
虚拟现实眼镜通过正像透镜20对目镜30所成的倒立缩小的实像B1A1进行正像处理，将倒立缩小的实像B1A1转化为正立缩小的实像A2B2。在本实施例中，所述正像透镜20采用转像透镜组，即使用两块转像的凸透镜。所述正像透镜20也可以采用棱镜组，如使用两块全反射三棱镜或双直角棱镜。
步骤S300、经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像。
虚拟现实眼镜经由目镜30将正像透镜20处理后的正立缩小的实像A2B2进行虚拟成像处理，成像为一正立放大的虚像A3B3。虚拟现实眼镜的物镜10所成的正立放大的虚像A3B3虽然比原来的目标物体AB小，但所成的正立放大的虚像A3B3使远处的目标物体AB与眼睛的距离拉近，再加上目镜30的放大作用，从而视角就可以变得很大。
步骤S400、将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
虚拟现实眼镜将目镜30所成的正立放大的虚像A3B3和预置的与所述目标物体AB对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
本实施例提出的虚拟现实显示方法，利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。图像融合效果好、清晰度高。
如图3所示，图3为本发明虚拟现实显示方法第二实施例的流程示意图，在第一实施例的基础上，所述步骤S400步骤之前包括：
步骤S400a、在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景。
虚拟现实眼镜在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体AB相对应的虚拟场景，并保存在预置的场景数据库中。一旦检测到目镜30所成的正立放大的虚像A3B3，则调用预置的场景数据库中与所述目标物体AB相对应的虚拟场景，在头戴显示器中进行合成图像的呈现。
本实施例提出的虚拟现实显示方法，在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景，增强用户沉浸感。
如图4所示，图4为本发明虚拟现实显示方法第三实施例的流程示意图，在第一实施例的基础上，所述步骤S200步骤包括：
步骤S200A、通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。
虚拟现实眼镜对所述倒立缩小的实像A1B1进行正像处理，例如可以通过双直角棱镜对物镜10所成的倒立缩小的实像A1B1进行倒传的同时将光轴两次折叠，从而大大减少虚拟现实眼镜的厚度和减轻虚拟现实眼镜的重量。也可以通过转像透镜，对所述倒立缩小的实像经过纠正后，旋转为正立缩小的实像。
本实施例提出的虚拟现实显示方法，通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。从而使显示的图像符合用户观看的习惯，且大大减少虚拟现实眼镜的厚度和减轻虚拟现实眼镜的重量。
本发明进一步提供一种虚拟现实眼镜，参照图5，图5为本发明虚拟现实眼镜第一实施例的功能模块示意图，在第一实施例中，所述虚拟现实眼镜包括：
获取模块100，用于利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；
倒转模块200，用于通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；
成像模块300，用于经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；
显示模块400，用于将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
进一步参见图2和图6，虚拟现实眼镜的光学系统包括物镜10、正像透镜20和目镜30，所述物镜10、正像透镜20和目镜30依次设置在同一光轴上。所述虚拟现实眼镜既可以为单筒虚拟现实眼镜，也可以为双筒虚拟现实眼镜。若为双筒虚拟现实眼镜时，则同侧的物镜10、正像透镜20和目镜30设置在同一光轴上。当然，所述正像透镜20也可以不设置在同一光轴上，例如当所述正像透镜20采用双直角棱镜时，通过双直角棱镜将光轴进行两次折叠后将倒立缩小的实像B1A1转化为正立缩小的实像A2B2。其中，靠近眼睛的凸透镜叫做目镜30，靠近被观察的目标物体AB的凸透镜叫做物镜10，物镜10的焦距较大，目镜30的焦距较小；物镜10的直径较大，目镜30的直径较小；物镜10的放大倍数较小，目镜30的放大倍数较大。所述物镜10采用平凸透镜，所述物镜10靠近目标物体AB的一面为平面镜，所述物镜10靠近正像透镜20的一面为凸面镜；所述目镜30采用平凸透镜，所述目镜30靠近正像透镜20的一面为平面镜，所述目镜30靠近眼睛的一面为凸面镜。当远处的目标物体AB发出的光线经过所述物镜10后在物镜10的后焦点以外(与物镜10的后焦点很近)的位置成倒立缩小的实像B1A1。虚拟现实眼镜的获取模块100利用物镜10，从而获取到目标物体AB倒立缩小的实像B1A1。
虚拟现实眼镜的倒转模块200通过正像透镜20对目镜30所成的倒立缩小的实像B1A1进行正像处理，将倒立缩小的实像B1A1转化为正立缩小的实像A2B2。在本实施例中，所述正像透镜20采用转像透镜组，即使用两块转像的凸透镜。所述正像透镜20也可以采用棱镜组，如使用两块全反射三棱镜或双直角棱镜。
虚拟现实眼镜的成像模块300经由目镜30将正像透镜20处理后的正立缩小的实像A2B2进行虚拟成像处理，成像为一正立放大的虚像A3B3。虚拟现实眼镜的物镜10所成的正立放大的虚像A3B3虽然比原来的目标物体AB小，但所成的正立放大的虚像A3B3使远处的目标物体AB与眼睛的距离拉近，再加上目镜30的放大作用，从而视角就可以变得很大。
虚拟现实眼镜的显示模块400将目镜30所成的正立放大的虚像A3B3和预置的与所述目标物体AB对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
本实施例提出的虚拟现实眼镜，利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。图像融合效果好、清晰度高。
如图7所示，图7为本发明虚拟现实眼镜第二实施例的功能模块示意图，在第一实施例的基础上，所述虚拟现实眼镜还包括：
构建模块500，用于在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景。
虚拟现实眼镜的构建模块500在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体AB相对应的虚拟场景，并保存在预置的场景数据库中。一旦检测到目镜30所成的正立放大的虚像A3B3，则调用预置的场景数据库中与所述目标物体AB相对应的虚拟场景，在头戴显示器中进行合成图像的呈现。
本实施例提出的虚拟现实眼镜，在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景，增强用户沉浸感。
进一步参见图5，所述倒转模块200还用于通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。
虚拟现实眼镜的倒转模块200对所述倒立缩小的实像A1B1进行正像处理，例如可以通过双直角棱镜对物镜10所成的倒立缩小的实像A1B1进行倒传的同时将光轴两次折叠，从而大大减少虚拟现实眼镜的厚度和减轻虚拟现实眼镜的重量。也可以通过转像透镜，对所述倒立缩小的实像经过纠正后，旋转为正立缩小的实像。
本实施例提出的虚拟现实眼镜，通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。从而使显示的图像符合用户观看的习惯，且大大减少虚拟现实眼镜的厚度和减轻虚拟现实眼镜的重量。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种虚拟现实显示方法，其特征在于，所述虚拟现实显示方法包括步骤：
利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；
通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；
经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；
将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
2.如权利要求1所述的虚拟现实显示方法，其特征在于，所述将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示的步骤之前包括：
在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景。
3.如权利要求1所述的虚拟现实显示方法，其特征在于，所述正像透镜包括转像透镜或棱镜，所述通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的步骤包括：
通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。
4.如权利要求1至3任一项所述的虚拟现实显示方法，其特征在于，所述物镜的直径比所述目镜的直径大且所述物镜的焦距比所述目镜的焦距大。
5.如权利要求1至3任一项所述的虚拟现实显示方法，其特征在于，所述物镜的放大倍数比所述目镜的放大倍数小。
6.一种虚拟现实眼镜，其特征在于，所述虚拟现实眼镜包括：
获取模块，用于利用物镜获取目标物体倒立缩小的实像；
倒转模块，用于通过正像透镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转；
成像模块，用于经由目镜对所述倒转的缩小的实像进行处理，成像为一正立放大的虚像；
显示模块，用于将所述正立放大的虚像和预置的与所述目标物体对应的虚拟场景进行图像合成，并通过头戴显示器对所述合成的图像进行显示。
7.如权利要求6所述的虚拟现实眼镜，其特征在于，所述虚拟现实眼镜还包括：
构建模块，用于在虚拟现实交互环境中构建与所述目标物体相对应的虚拟场景。
8.如权利要求6所述的虚拟现实眼镜，其特征在于，所述倒转模块还用于通过双直角棱镜对获取的所述倒立缩小的实像进行倒转的同时将光轴两次折叠或通过转像透镜将所述倒立缩小的实像旋转为正立缩小的实像。
9.如权利要求6至8任一项所述的虚拟现实眼镜，其特征在于，所述物镜的直径比所述目镜的直径大且所述物镜的焦距比所述目镜的焦距大。
10.如权利要求6至8任一项所述的虚拟现实眼镜，其特征在于，所述物镜的放大倍数比所述目镜的放大倍数小。
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