CN105068252A - 一种多参数可调的双目增强现实实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多参数可调的双目增强现实实验装置，包括目距调节模块、目距调节模块连接有一对轴对称的成像模块，每个成像模块下方装有高度调节模块；成像模块包括成像系统和成像壳体，成像系统安装在成像壳体内；成像壳体包括组合件和内筒，组合件一端设有外筒，内筒可沿外筒内壁伸缩。本发明提供多项增强现实显示参数调节，其具有大视场、全彩色显示、图像放大倍数可调、高度可调、双视窗距离可调、双目叠加度可调等优点，可以实现双目视觉成像，清晰可靠显示预定图像，并合理进行虚实图像叠加的功能。

Description

一种多参数可调的双目增强现实实验装置

技术领域

本发明涉及光学成像领域，尤其是一种多参数可调的双目增强现实实验装置。

背景技术

增强现实技术指运用光学原理及电子设备，将计算机生成的二维或三维的虚拟物体、虚拟场景或者系统的提示信息叠加到用户所看到的真实场景中，创造一个虚实结合的世界的技术，从而实现对现实的增强，以达到超越现实的感官体验。增强现实技术不仅在尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，均有着十分广阔的前景。

如今，市面上基于该技术的各种新产品虽层出不穷，但目前对增强现实技术设备的研究开发尚处于起步阶段，现有技术存在的问题是：其显示效果通常为单目、单色，且视场普遍过小，或无法叠加外景仅能显示虚拟图像，成像效果不佳，放大倍数固定、不可拆卸，故障时维护成本高。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有问题，本发明提出一种多参数可调的双目增强现实实验装置。

技术方案：

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种多参数可调的双目增强现实实验装置，包括目距调节模块、目距调节模块连接有一对轴对称的成像模块，每个成像模块下方装有高度调节模块；成像模块包括成像系统和成像壳体，成像系统安装在成像壳体内；所述成像壳体包括组合件和内筒，组合件一端设有外筒，内筒可沿外筒内壁伸缩。

进一步的，所述成像系统包括：光源模块：包括微显示像源，提供彩色高清晰度的平面发散光图像，所显示为实像；光源驱动模块：给光源模块供电并控制显示图像；光路转换模块：包括半透半反棱镜；放大调节模块：包括一凹面镜，安装在所述成像壳体的内筒中，并通过内筒的伸缩以改变凹面镜与半透半反棱镜的距离来调节放大倍率；视窗：包括一透明窗口，用于人眼观察；

进一步的，光源模块发出的光经由光路转换模块半透半反一次后，传递给放大调节模块；放大调节模块进行放大处理后反射回光路转换模块，光路转换模块再次进行半透半反，并从视窗中送出至人眼，成放大虚像。

进一步的，所述组合件包括半透半反棱镜分光镜支架和光源支架，所述外筒设在半透半反棱镜分光镜支架的一端，半透半反棱镜分光镜支架的另一端安装光源支架。

进一步的，所述半透半反棱镜为正方体形态。

进一步的，内筒外径比外筒内径小1-2mm。

进一步的，所述内筒由内筒上盖和内筒下盖通过接触面上的圆柱形小型齿槽互相嵌扣拼装而成。

进一步的，所述目距调节模块包括一对通过万向接头活动连接在一起的横杆，每根横杆的一端铰接在成像模块的顶端。

进一步的，所述高度调节模块包括调节杆和底座，调节杆上部与成像模块连接，调节杆下部设有外螺纹，底座内壁设有与外螺纹相适配的内螺纹，调节杆旋接在底座上。

进一步的，所述视窗的透明窗口为边长10cm的正方形。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供多项增强现实显示参数调节，其具有大视场、全彩色显示、图像放大倍数可调、高度可调、双视窗距离可调、双目叠加度可调等优点，可以实现双目视觉成像，清晰可靠显示预定图像，并合理进行虚实图像叠加的功能。此外，本发明还提供便捷的元器件更换渠道，比集成化程度较高的现有增强现实设备具有更高的开发拓展性，同时也能节约故障时的维护成本。它可用于今后增强现实类应用的界面设计模拟和相关测试，给开发者提供一个多功能，多角度，多方位的实验平台。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的示意图；

图3为本发明相轴对称的成像模块原理示意图；

图4为本发明的光路原理图；

图5为本发明中内筒上盖示意图；

图6为本发明中内筒下盖示意图；

图7为本发明中中光源支架示意图；

图8为本发明中半透半反棱镜分光镜支架示意图；

图9为本发明中调节杆示意图；

图10为本发明中底座示意图；

图11为本发明中成像系统彩色图像显示效果图；

图12为本发明增强现实效果图。

具体实施方式

下面通过一个最佳实施例，对本技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1、2所示，一种多参数可调的双目增强现实实验装置，包括目距调节模块、目距调节模块连接有一对轴对称的成像模块，每个成像模块下方装有高度调节模块；成像模块包括成像系统和成像壳体，成像系统安装在成像壳体内；所述成像壳体包括组合件和内筒1，组合件一端设有外筒2，内筒1可沿外筒2内壁伸缩。优选的组合件包括半透半反棱镜分光镜支架和光源支架，所述外筒设在半透半反棱镜分光镜支架的一端，半透半反棱镜分光镜支架的另一端安装光源支架。

如图3所示，成像系统包括：光源模块：包括微显示像源，提供彩色高清晰度的平面发散光图像，所显示为实像。本例采用OLED微显示像源，像素为1024*768，尺寸为17mm*17mm*2mm，彩色显示。以Micro-USB接口供电，以HDMI高清视频接口连接电脑液晶显示器传输图片信息。实际使用过程中，也可更换为同尺寸LCOS像源或LED像源等其他类型微显示像源。

光源驱动模块：给光源模块供电并控制显示图像。本例采用OLED微显示像源配套驱动模块，功能为通过Micro-USB接口向OLED供电，以点亮显示屏。若光源模块更换为其他类型的像源，驱动需选用光源配套驱动。

光路转换模块：包括半透半反棱镜。本例采用棱长为10cm*10cm的半透半反棱镜作为光路转换模块的核心部件。将入射光线经一次半透半反处理后传递给后续放大调节模块，并接收放大调节模块传回的光线，做第二次半透半反处理后经视窗投射至人眼成像。主要光路图如图4所示。

放大调节模块：包括一凹面镜，安装在所述成像壳体的内筒1中，并通过内筒的伸缩以改变凹面镜与半透半反棱镜的距离来调节放大倍率。本例采用直径10cm，焦距为5cm的柱型平凹面镜，接收光路转换模块传递的光源信号，通过凹面镜成像原理进行放大后传递回光路转换模块。实际使用中，可更换为同尺寸，其他焦距类型的凹面镜。其中，焦距越大，凹面镜对距离调节敏感度越低；焦距越小，凹面镜对距离调节的敏感度越高。使用时，内筒1越向光源方向嵌入外筒2，放大倍数越大；内筒1越向外拔出远离光源，放大倍数越小。

视窗3：包括一透明窗口，用于人眼观察。本发明优选的透明窗口为边长10cm的正方形，半透半反分光棱镜的光线出射面及其对面保持大面积透光，构建双目视觉成像的大视场。

所述放大调节模块工作原理如下：

坐标原点取在凹面镜中心，设凹面镜的焦距为f(f<0)，物的位置s(s<0)，物距离凹面镜中心距离为d＝|s|,像的位置为s'。根据凹面镜成像公式

$\frac{1}{s}+\frac{1}{s^{\&prime;}}=\frac{1}{f}---\left(1.1\right)$

可以得到

$\frac{1}{s^{\&prime;}}=\frac{1}{f}-\frac{1}{s}=\frac{s-f}{sf}---\left(1.2\right)$

所以像的放大率

$\mathrm{\&beta;}=-\frac{s^{\&prime;}}{s}=\frac{f}{f-s}---\left(1.3\right)$

由于在本系统中要求凹面镜成放大的虚像，以实现虚实叠加，因此有f-s＜0且f＜0，因此

$\left|\mathrm{\&beta;}\right|=\mathrm{\&beta;}=\frac{f}{f-s}---\left(1.4\right)$

下面依据公式(1.4)对实验中的两种现象进行分析。

放大率与f的关系：

实验现象显示，凹面镜放于同一位置，但焦距不同时，像的放大率不同，因此这里需要求放大率对f的偏导，由上式(1.4)得：

$\frac{\&part;\mathrm{\&beta;}}{\&part;f}=\frac{f-s-f}{{(f-s)}^2}=\frac{-s}{{(f-s)}^2}>0---\left(1.5\right)$

因此放大率随着焦距的增大而增大，因此选用小焦距(取焦距的绝对值)的凹面镜，放大效果要明显于大焦距的凹面镜。

放大率的变化率与f的关系：

实验现象显示，焦距不同的凹面镜，移动相同的距离时，像的放大率的变化不同。因此这里需要求放大率对s的偏导，求得放大率与s的关系，然后再对f求偏导，求得f对放大率变化率的影响。由上式(1.5)得

$\frac{\&part;\mathrm{\&beta;}}{\&part;s}=\frac{sf}{{(f-s)}^2}>0---\left(1.6\right)$

可以得到结论：随着s的增大，即物体离面镜越近时，放大倍数越小。再由上式(1.6)得

$\frac{\&part;\left(\frac{\&part;\mathrm{\&beta;}}{\&part;s}\right)}{\&part;f}=\frac{s{(f-s)}^2-2sf(f-s)}{{(f-s)}^4}=\frac{s^3-{\mathrm{sf}}^2}{{(f-s)}^4}=\frac{s(s+f)(s-f)}{{(f-s)}^2}>0---\left(1.7\right)$

因此随着f的增大(也就是|f|的减小)，放大率随s的变化率会增大，因此会观察到焦距较小的凹面镜的放大率变化率会远大于焦距较大的凹面镜。

因此，焦距较小的凹面镜可以实现系统放大倍率的粗调，而焦距较大的凹面镜可以实现系统放大倍率的微调。搭建光路时，光源作为物，根据凹面镜成像原理，物放置在一倍至两倍焦距内成倒立放大虚像，设光源到凹面镜中心的距离作为s。由此可以通过更换不同型号的凹面镜改变f，或借助结构部件中镜筒的伸缩改变s，使其在f至2f之间变化，实现虚像成像和放大倍率的调节。根据凹面镜成像原理，所述放大倍率理论上可以在1倍至无穷大倍之间调节。

在本实施例中，内筒沿外筒抽动可调节范围为0-3cm，光源模块距离外筒靠近光源一侧边缘距离1cm，因此s取值范围为1-4cm。下表为更换凹面镜所得放大倍数及镜筒距离调节的示例参数。(此处为计算方便，取s＞0,f＞0，不影响放大倍数的求取)

本发明优选的透明窗口为边长10cm的正方形，为了配合透明窗口尺寸，因此本实施例选取直径为10cm的凹面镜。由上表可见，焦距为10cm的凹面镜在允许调节范围内的调节倍数仅1.11-1.67倍，可用于对图像大小的微调；而焦距为3cm-4cm之间的凹面镜可以实现1.33倍至+∞倍数的放大效果，可用于图像大小的粗调，或用于对放大倍数要求较高的场合。如需达到理论无穷大放大倍数的，应选用焦距4cm以下的凹面镜；对放大倍数要求较低的，可选用焦距4cm-5cm的凹面镜；只需对图像大小微调的，可选用焦距5cm-10cm的凹面镜。

两成像模块通过一套双目成像融合策略进行双目成像，其具体步骤如下：

1、先使相轴对称的左右两套成像模块中的成像系统的理论出瞳高度与人眼的眼瞳中心高度重合。高度调节模块包括调节杆6和底座7，调节杆6上部与成像模块连接，调节杆6下部设有外螺纹，底座7内壁设有与外螺纹相适配的内螺纹，调节杆6旋接在底座(7)上。本实施例中，通过旋转调节杆来使成像模块的视窗高度与人眼的眼瞳高度一致。如图1所示，调节杆通过所刻螺纹旋转均匀升降，实现竖直方向的运动调节。

2、按照使用者双目之间的间距，调节两成像模块之间的水平距离。如图1所示，

目距调节模块包括一对通过万向接头(5)活动连接在一起的横杆(4)，每根横杆(4)的一端铰接在成像模块的顶端。通过调节万向接头可改变两成像模块之间的水平距离。

3、以50％双目叠加为例：在光学系统的出瞳中心位置确定以后，再通过旋转万向接头可改变光线的出射角度。将两光学系统的光轴相对于人眼的正前方视轴各向外倾斜7.5°，这样就实现了50％的双目叠加.使水平总视场增大到45°。其中，50％双目叠加度的具体含义是：通过调整光线出射角度使左眼图像与右眼图像各有50％的相同图像进行重叠，从而使这两幅图像成像于人眼时融合为一幅。而其他程度的双目叠加可依此推导。

双目图像融合策略的方法为：

首先，使两套单目系统显示一样的图片。设原单目系统水平总视场为θ，设垂直于视窗3，且穿过视窗中心的轴为光轴。若使两光学系统的光轴相对于人眼正前方视轴各向外倾斜一定角度Δθ使两套单目系统成像互相叠加，则叠加后的水平总视场变为

θ'＝θ+2Δθ(1.8)

此时的叠加率α为

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}-\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}}{\frac{\mathrm{\&theta;}}{2}}---\left(1.9\right)$

按照上述规律，可以根据需要调节实验装置，使双目叠加率符合用户需求。

光源模块发出的光经由光路转换模块半透半反一次后，传递给放大调节模块；放大调节模块进行放大处理后反射回光路转换模块，光路转换模块再次进行半透半反，并从视窗3中送出至人眼，成放大虚像。其中半透半反棱镜为正方体形态。

成像系统的内筒1上盖如图5所示，内筒1下盖如图6所示，内筒1由内筒1上盖和内筒1下盖通过接触面上的圆柱形小型齿槽互相嵌扣拼装而成。内筒1外径比外筒2内径小1.5mm，抽动内筒1壁实现伸长，推入实现收缩。外筒2上下侧相对位置各打一螺纹孔，通过安装对应尺寸螺丝旋入螺孔继续拧以达到内筒1和外筒2的固定。拆卸时，将螺丝取出，并全部抽出内筒1完成拆卸。

本例采用ABS材料进行3D打印快速成型技术制作零部件，本发明安装步骤如下：

1、将OLED微显示像源嵌入图7光源支架中，四角以螺钉固定

2、将光源驱动模块和外部图像显示器的连接线经图7光源支架一侧的狭缝与微显示像源连接。

3、将半透半反棱镜嵌入光源支架的方块中，调整好半透半反棱镜姿态以适应正确光路，将光源支架与半透半反棱镜分光镜支架拼合。

4、将凹面镜嵌入内筒1上盖一端的凹槽中，并与内筒1下盖拼合作为内筒1。再将内筒1放入半透半反棱镜分光镜支架一端的外筒2中。

5、将图7图8所示的光源支架与半透半反棱镜分光镜支架下方的四个小圆柱嵌入图9所示的调节杆6的对应孔位中，并将调节杆6与底座7旋转组合，调节至适当高度。

6、将横杆及万向接头通过上方孔位连接组装。并调节至适当距离。

经HDMI接口点亮微显示光源，适当调节该套实验装置对应参数，可以得到清晰稳定的成像效果。即图像信息经该实验装置处理转化后投射至使用者双眼中，形成彩色虚像，并和外景合理叠加，实现增强现实的效果。通过调节内筒1在半透半反棱镜分光镜支架的外筒2中的位置，可以实现图像放大倍数灵活调节的功能，且放大后图像不畸变，还原度高。图11展示了彩色图像的成像效果，图12展示了所成虚像与外景叠加的效果。

本发明增强了现实技术设备成像效果，并给开发增强现实技术设备的研究人员提供一套放大倍数可调、高度可调、双视窗距离可调、双目叠加度可调及各主要元件可更换的实验装置，以达到最优的显示效果和较强的实验性能。通过各部件的调节、旋转，使光轴向外偏转，从而增大视场，实现不同的双目叠加度。并且半透半反棱镜、凹面镜、微显示光源部分可以随时拆卸并更换，方便操作。

所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，包括目距调节模块、目距调节模块连接有一对轴对称的成像模块，每个成像模块下方装有高度调节模块；成像模块包括成像系统和成像壳体，成像系统安装在成像壳体内；所述成像壳体包括组合件和内筒(1)，组合件一端设有外筒(2)，内筒(1)可沿外筒(2)内壁伸缩。

2.根据权利要求1所述所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述成像系统包括：

光源模块：包括微显示像源，提供彩色高清晰度的平面发散光图像，所显示为实像；

光源驱动模块：给光源模块供电并控制显示图像；

光路转换模块：包括半透半反棱镜；

放大调节模块：包括一凹面镜，安装在所述成像壳体的内筒(1)中，并通过内筒(1)的伸缩以改变凹面镜与半透半反棱镜的距离来调节放大倍率；

视窗(3)：包括一透明窗口，用于人眼观察；

光源模块发出的光经由光路转换模块半透半反一次后，传递给放大调节模块；放大调节模块进行放大处理后反射回光路转换模块，光路转换模块再次进行半透半反，并从视窗(3)中送出至人眼，成放大虚像。

3.根据权利要求1所述所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述组合件包括半透半反棱镜分光镜支架和光源支架，所述外筒(2)设在半透半反棱镜分光镜支架的一端，半透半反棱镜分光镜支架的另一端安装光源支架。

4.根据权利要求2所述所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述半透半反棱镜为正方体形态。

5.根据权利要求1所述所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，内筒(1)外径比外筒(2)内径小1-2mm。

6.根据权利要求1所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述内筒(1)由内筒(1)上盖和内筒(1)下盖通过接触面上的圆柱形小型齿槽互相嵌扣拼装而成。

7.根据权利要求1所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述目距调节模块包括一对通过万向接头(5)活动连接在一起的横杆(4)，每根横杆(4)的一端铰接在成像模块的顶端。

8.根据权利要求1所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述高度调节模块包括调节杆(6)和底座(7)，调节杆(6)上部与成像模块连接，调节杆(6)下部设有外螺纹，底座(7)内壁设有与外螺纹相适配的内螺纹，调节杆(6)旋接在底座(7)上。

9.根据权利要求1所述的多参数可调的双目增强现实实验装置，其特征在于，所述视窗(3)的透明窗口为边长10cm的正方形。