CN105068659A - 一种增强现实系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强现实系统，包括显示屏、成像镜组、半透半反镜、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器；所述显示屏、成像镜组和半透半反镜沿光轴顺次排布，所述半透半反镜与光轴呈一定角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜前方，所述显示屏发出的光束经所述成像镜组透射、所述半透半反镜反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到所述成像镜组所成的虚像；所述第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给所述处理器；所述第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给所述处理器。本发明的增强现实系统具有视角大的优点。

Description

一种增强现实系统

技术领域

本发明涉及多媒体应用技术领域，具体是一种增强现实系统。

背景技术

增强现实(AugmentedReality，简称AR)，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。这种技术由1990年提出。随着随身电子产品运算能力的提升，增强现实的用途将会越来越广。

AR系统具有三个突出的特点：①真实世界和虚拟世界的信息集成；②具有实时交互性；③是在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。AR技术可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域。

而现有技术中的增强现实系统，视角很小，一般只有几十度。而人的双眼的重合视角可以达到124度，双眼视角则可达到188度，因此现有技术中的增强现实系统的视角远远不能满足人眼视角的实际需求。

发明内容

因此，本发明实施例所要解决的技术问题在于克服现有技术中的增强现实系统视角小的问题，从而提出一种具有增强现实功能且视角大的增强现实系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

本发明的一种增强现实系统，包括显示屏、成像镜组、半透半反镜、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器；

所述显示屏、成像镜组和半透半反镜沿光轴顺次排布，所述半透半反镜与光轴呈一定角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜前方，所述显示屏发出的光束经所述成像镜组透射、所述半透半反镜反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到所述成像镜组所成的虚像；

所述第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给所述处理器；

所述第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给所述处理器。

优选地，所述成像镜组为梯度折射率透镜或正负透镜组。

优选地，所述正负透镜组为胶合透镜、球面镜、非球面镜、菲涅尔透镜中的一个或多个。

优选地，所述透镜组的焦距为1-30cm、物距为1-20cm；所述半透半反镜与光轴的夹角为5°-85°。

优选地，所述半透半反镜为平面镜。

优选地，所述显示屏采用指向光源技术、多层显示技术、DFD立体显示技术、视差照明技术、快门式3D显示技术或偏振式3D显示技术来实现光束的发射。

本发明的一种增强现实系统，包括显示屏、立体光栅、成像镜组、半透半反镜、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器；

所述显示屏、立体光栅、成像镜组和半透半反镜沿光轴顺次排布；所述立体光栅覆盖于所述显示屏的前方，与所述显示屏固定连接；所述半透半反镜与光轴呈一定角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜前方，所述显示屏发出的光束经所述立体光栅和成像镜组透射、所述半透半反镜反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到所述成像镜组所成的虚像；

所述第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给所述处理器；

所述第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给所述处理器。

优选地，所述立体光栅为柱镜光栅或狭缝光栅。

优选地，所述成像镜组为梯度折射率透镜或正负透镜组；

所述正负透镜组为胶合透镜、球面镜、非球面镜、菲涅尔透镜中的一个或多个；

所述半透半反镜为平面镜。

优选地，还包括：

脑电波传感器，用于识别脑电波信号并将其传输给所述处理器；

手势识别传感器，用于识别双手的手势信号并将其传输给所述处理器；

红外发射源，用于发出红外信号以实现物体的三维重建。

非特定人声的语音识别设备，用于识别语音信号并将其传输给所述处理器；

动作传感器，用于识别动作信号并将其传输给所述处理器，包括位移加速度传感器和角加速度传感器。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明公开的增强现实系统，通过设置成像镜组和半透半反镜，可以将显示屏发出的包含立体效果信息的图像经过成像镜组和半透半反镜以立体的效果呈现到人眼中，并且通过设置半透半反镜与光轴呈一定角度，经过成像镜组对光束的汇聚作用，以及半透半反镜的转换光路方向的作用，使得成像镜组所成的虚像正好正立地位于人眼视线正前方的合适位置，适于人眼观察，例如可以设置成为距离人眼25cm以外的位置处或甚至更远处，避免因设置太近在长时间观看情况下容易造成视觉疲劳或影响视力，并且可以使显示屏位于成像镜组一倍焦距以内，使得增强现实系统的视角范围得到了极大的扩展，一般情况下水平视角可以扩展到100°以上，垂直视角可以扩展到50°以上。

还通过设置第一红外摄像头和第二红外摄像头，通过将环境信息反馈给处理器，经过处理器处理后可以控制显示屏显示出更加与实际环境相配合的图像，还通过将人眼视线交点的三维空间坐标反馈给处理器，经过处理器处理后，也可以控制显示屏显示出更加与实际环境相配合的图像，从而使人眼观察到的虚像与实际环境中的实物结合得更加真实，实现了增强现实的功能。

2.本发明公开的增强现实系统，通过采用胶合透镜、菲涅尔透镜等光学元件，可以在提高成像质量的同时有效地减小镜组体积，有利于增强现实系统的小型化，通过采用菲涅尔透镜更能够减轻增强现实系统的重量。

3.本发明公开的增强现实系统，可以适用于多种3D实现技术，例如指向光源技术、多层显示技术、DFD立体显示技术、视差照明技术、快门式3D显示技术或偏振式3D显示技术等，将人左眼和右眼看到的图像区分开，呈现较强的立体效果，且大大提高了系统的适用性。

4.本发明公开的增强现实系统，通过在显示屏上设置立体光栅，例如柱镜光栅或狭缝光栅，可以将显示屏发出的包含立体效果信息的图像经过立体光栅、成像镜组和半透半反镜以立体的效果呈现到人眼中，并且通过设置半透半反镜与光轴呈一定角度，经过成像镜组对光束的汇聚作用，以及半透半反镜的转换光路方向的作用，使得成像镜组所成的虚像正好正立地位于人眼视线正前方的合适位置，适于人眼观察，例如可以设置成为距离人眼25cm以外的位置处或甚至更远处，避免因设置太近在长时间观看情况下容易造成视觉疲劳或影响视力，并且可以使显示屏位于成像镜组一倍焦距以内，使得增强现实系统的视角范围得到了极大的扩展，一般情况下水平视角可以扩展到100°以上，垂直视角可以扩展到50°以上。

5.本发明公开的增强现实系统，还通过设置脑电波传感器、手势识别传感器、红外发射源、非特定人声的语音识别设备、动作传感器等，可以在脑电波、人体手势、声音等的控制下对立体物体进行操作，进一步增加了用户与虚拟物体之间的交互，丰富了用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中一种增强现实系统的一个具体示例的原理框图；

图2是本发明实施例2中一种增强现实系统的一个具体示例的原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前方”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种增强现实系统，如图1所示，该系统1包括显示屏10、成像镜组20、半透半反镜30、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器。

显示屏10、成像镜组20和半透半反镜30沿光轴50顺次排布，半透半反镜30与光轴50呈一定角度，改变光束路线，使虚像3位于人眼视场范围内。人眼观察位置2位于半透半反镜30前方，显示屏10发出的光束经成像镜组20透射、半透半反镜30反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到成像镜组20所成的虚像3。因此，人眼能够同时观察到虚像3和实物4。上述半透半反镜30的两个反射透射面上的反射率和透过率可根据实际需要进行设置，例如，一个反射透射面上的反射率在50％以上、另一个反射透射面上的透过率在50％以上。

第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给处理器。如图1中所示，第一红外摄像头可以设置成为能够拍摄到实物4及其周边环境，从而将其反馈给处理器以供处理器处理。优选地，第一红外摄像头可以采用双目红外摄像头，并将其设置在半透半反镜30的后端靠近实物4一侧，能够依照人的左右眼模拟采集视场中的图像，可以更加真实地采集到周边环境信息。

第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给处理器，处理器依据该三维空间坐标可以对显示屏中所显示的图像进行处理，让非视线交点的图像模糊，从而可以更加清晰突出视线交点的图像。优选地，可以将其设置在半透半反镜30的前端靠近人眼观察位置2一侧，便于对人眼视线交点的三维空间坐标的采集。

人们在实际利用本实施例的增强现实系统进行观察时，可以通过调整成像透镜与显示屏之间的距离和角度，从而调整虚像距离，使得虚像距离可控成为可能，克服了现有技术中3D成像系统无法调整虚像距离的问题、难点，因此可调整虚像使其位于人的左右眼视线的合适位置处，使人眼观察虚拟物体时人眼的视线调整和对焦调整更加符合人眼观察实际物体的规律。

本实施例中，通过设置成像镜组和半透半反镜，可以将显示屏发出的包含立体效果信息的图像经过成像镜组和半透半反镜以立体的效果呈现到人眼中，实现立体成像，并且通过设置半透半反镜与光轴呈一定角度，经过成像镜组对光束的汇聚作用，以及半透半反镜的转换光路方向的作用，使得成像镜组所成的虚像正好正立地位于人眼视线正前方的合适位置，适于人眼观察，例如可以设置成为距离人眼25cm以外的位置处或甚至更远处，避免因设置太近在长时间观看情况下容易造成视觉疲劳或影响视力，并且可以使显示屏位于成像镜组一倍焦距以内，使得增强现实系统的视角范围得到了极大的扩展，一般情况下水平视角可以扩展到100°以上，垂直视角可以扩展到50°以上。

还通过设置第一红外摄像头和第二红外摄像头，通过将环境信息反馈给处理器，经过处理器处理后可以控制显示屏显示出更加与实际环境相配合的图像，还通过将人眼视线交点的三维空间坐标反馈给处理器，经过处理器处理后，也可以控制显示屏显示出更加与实际环境相配合的图像，从而使人眼观察到的虚像与实际环境中的实物结合得更加真实，实现了增强现实的功能。

作为一种优选实施方式，成像镜组20可以为梯度折射率透镜或正负透镜组。优选地，正负透镜组为胶合透镜、球面镜、非球面镜、菲涅尔透镜中的一个或多个。例如，成像镜组的焦距可以为1-30cm、物距可以为1-20cm，因此，与其相配合的增强现实系统中的其他光学元件的参数设置需为：半透半反镜30与光轴50的夹角β为5°-85°，显示屏10与光轴50的夹角α为30°-90°，人眼观察位置2到显示屏的像的距离为25厘米-200米。

本实施例中，通过采用胶合透镜、菲涅尔透镜等光学元件，可以在提高成像质量的同时有效地减小镜组体积，有利于增强现实系统的小型化，通过采用菲涅尔透镜更能够减轻增强现实系统的重量。

成像镜组20采用的上述透镜，可以设置为偏心透镜，从而可以进一步减小系统的体积。

作为一种优选实施方式，半透半反镜30为平面镜。优选地，半透半反镜30的靠近人眼一侧可以镀增反膜，靠近实物一侧可以镀增透膜，以提高反射或透射效率，降低显示屏的功率要求，进一步地降低成本。

作为一种优选实施方式，显示屏10可以采用指向光源技术、多层显示技术、DFD立体显示技术、视差照明技术、快门式3D显示技术或偏振式3D显示技术等来实现光束的发射。通过适用于上述多种3D实现技术，可以将人左眼和右眼看到的图像区分开，呈现较强的立体效果，且大大提高了系统的适用性。

作为一种优选实施方式，该系统还包括：

脑电波传感器，用于识别脑电波信号并将其传输给所述处理器；

手势识别传感器，用于识别双手的手势信号并将其传输给所述处理器；

红外发射源，用于发出红外信号以实现物体的三维重建。

非特定人声的语音识别设备，用于识别语音信号并将其传输给所述处理器；

动作传感器，用于识别动作信号并将其传输给所述处理器，包括位移加速度传感器和角加速度传感器。优选地，角加速度传感器可以是六轴陀螺仪等。

本实施例中，还通过设置脑电波传感器、手势识别传感器、红外发射源、非特定人声的语音识别设备、动作传感器等，可以在脑电波、人体手势、声音等的控制下对立体物体进行操作，进一步增加了用户与虚拟物体之间的交互，丰富了用户体验。

实施例2

本实施例提供一种增强现实系统，如图2所示，该系统1’包括显示屏10’、立体光栅40、成像镜组20、半透半反镜30、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器。

显示屏10’、立体光栅40、成像镜组20和半透半反镜30沿光轴顺次排布；立体光栅40覆盖于显示屏10’的前方，与显示屏10’固定连接，立体光栅40优选为柱镜光栅或狭缝光栅，半透半反镜30与光轴呈一定角度，改变光束路线，使虚像3位于人眼视场范围内。人眼观察位置2位于半透半反镜30前方，显示屏10’发出的光束经立体光栅40、成像镜组20透射、半透半反镜30反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到成像镜组20所成的虚像3。因此，人眼能够同时观察到虚像3和实物4。上述半透半反镜30的两个反射透射面上的反射率和透过率可根据实际需要进行设置，例如，一个反射透射面上的反射率在50％以上、另一个反射透射面上的透过率在50％以上。上述显示屏10’、立体光栅40、成像镜组20和半透半反镜30沿光轴顺次排布，立体光栅40覆盖于显示屏10’的前方，与显示屏10’固定连接，是一种前置光栅式的排布方式，当然，也可以采用下述排布方式：立体光栅40、显示屏10’、成像镜组20和半透半反镜30沿光轴顺次排布，立体光栅40覆盖于显示屏10’的后方，与显示屏10’固定连接，是一种后置光栅式的排布方式。

第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给处理器。如图2中所示，第一红外摄像头可以设置成为能够拍摄到实物4及其周边环境，从而将其反馈给处理器以供处理器处理。优选地，第一红外摄像头可以采用双目红外摄像头，并将其设置在半透半反镜30的后端靠近实物4一侧，能够依照人的左右眼模拟采集视场中的图像，可以更加真实地采集到周边环境信息。

第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给处理器，处理器依据该三维空间坐标可以对显示屏中所显示的图像进行处理，让非视线交点的图像模糊，从而可以更加清晰突出视线交点的图像。优选地，可以将其设置在半透半反镜30的前端靠近人眼观察位置2一侧，便于对人眼视线交点的三维空间坐标的采集。

人们在实际利用本实施例的增强现实系统进行观察时，可以通过调整成像透镜与显示屏之间的距离和角度，从而调整虚像距离，使得虚像距离可控成为可能，克服了现有技术中3D成像系统无法调整虚像距离的问题、难点，因此可调整虚像使其位于人的左右眼视线的合适位置处，使人眼观察虚拟物体时人眼的视线调整和对焦调整更加符合人眼观察实际物体的规律。

本实施例中，通过在显示屏上设置立体光栅，例如柱镜光栅或狭缝光栅，可以将显示屏发出的包含立体效果信息的图像经过立体光栅、成像镜组和半透半反镜以立体的效果呈现到人眼中，并且通过设置半透半反镜与光轴呈一定角度，经过成像镜组对光束的汇聚作用，以及半透半反镜的转换光路方向的作用，使得成像镜组所成的虚像正好正立地位于人眼视线正前方的合适位置，适于人眼观察，例如可以设置成为距离人眼25cm以外的位置处或甚至更远处，避免因设置太近在长时间观看情况下容易造成视觉疲劳或影响视力，并且可以使显示屏位于成像镜组一倍焦距以内，使得增强现实系统的视角范围得到了极大的扩展，一般情况下水平视角可以扩展到100°以上，垂直视角可以扩展到50°以上。

作为一种优选实施方式，成像镜组20可以为梯度折射率透镜或正负透镜组。优选地，正负透镜组为胶合透镜、球面镜、非球面镜、菲涅尔透镜中的一个或多个。

本实施例中，通过采用胶合透镜、菲涅尔透镜等光学元件，可以在提高成像质量的同时有效地减小镜组体积，有利于增强现实系统的小型化，通过采用菲涅尔透镜更能够减轻增强现实系统的重量。

成像镜组20采用的上述透镜，可以设置为偏心透镜，从而可以进一步减小系统的体积。

作为一种优选实施方式，半透半反镜30为平面镜。优选地，半透半反镜30的靠近人眼一侧可以镀增反膜，靠近实物一侧可以镀增透膜，以提高反射或透射效率，降低显示屏的功率要求，进一步地降低成本。

作为一种优选实施方式，该系统还包括：

脑电波传感器，用于识别脑电波信号并将其传输给所述处理器；

手势识别传感器，用于识别双手的手势信号并将其传输给所述处理器；

红外发射源，用于发出红外信号以实现物体的三维重建。

非特定人声的语音识别设备，用于识别语音信号并将其传输给所述处理器；

动作传感器，用于识别动作信号并将其传输给所述处理器，包括位移加速度传感器和角加速度传感器。优选地，角加速度传感器可以是六轴陀螺仪等。

本实施例，还通过设置脑电波传感器、手势识别传感器、红外发射源、非特定人声的语音识别设备、动作传感器等，可以在脑电波、人体手势、声音等的控制下对立体物体进行操作，进一步增加了用户与虚拟物体之间的交互，丰富了用户体验。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种增强现实系统，其特征在于，包括显示屏、成像镜组、半透半反镜、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器；

所述显示屏、成像镜组和半透半反镜沿光轴顺次排布，所述半透半反镜与光轴呈一定角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜前方，所述显示屏发出的光束经所述成像镜组透射、所述半透半反镜反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到所述成像镜组所成的虚像；

所述第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给所述处理器；

所述第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给所述处理器。

2.根据权利要求1所述的增强现实系统，其特征在于，所述成像镜组为梯度折射率透镜或正负透镜组。

3.根据权利要求2所述的增强现实系统，其特征在于，所述正负透镜组为胶合透镜、球面镜、非球面镜、菲涅尔透镜中的一个或多个。

4.根据权利要求3所述的增强现实系统，其特征在于，所述透镜组的焦距为1-30cm、物距为1-20cm；所述半透半反镜与光轴的夹角为5°-85°。

5.根据权利要求1所述的增强现实系统，其特征在于，所述半透半反镜为平面镜。

6.根据权利要求1-5任一项所述的增强现实系统，其特征在于，所述显示屏采用指向光源技术、多层显示技术、DFD立体显示技术、视差照明技术、快门式3D显示技术或偏振式3D显示技术来实现光束的发射。

7.一种增强现实系统，其特征在于，包括显示屏、立体光栅、成像镜组、半透半反镜、第一红外摄像头、第二红外摄像头和处理器；

所述显示屏、立体光栅、成像镜组和半透半反镜沿光轴顺次排布；所述立体光栅覆盖于所述显示屏的前方，与所述显示屏固定连接；所述半透半反镜与光轴呈一定角度，人眼观察位置位于所述半透半反镜前方，所述显示屏发出的光束经所述立体光栅和成像镜组透射、所述半透半反镜反射后进入人眼，以使在人眼正前方观察到所述成像镜组所成的虚像；

所述第一红外摄像头的视场与人眼能观察到的视场相似，用于检测第一红外摄像头的视场范围内的环境信息并将其传输给所述处理器；

所述第二红外摄像头用于捕捉人眼视线交点的三维空间坐标并将其传输给所述处理器。

8.根据权利要求7所述的增强现实系统，其特征在于，所述立体光栅为柱镜光栅或狭缝光栅。

9.根据权利要求7或8所述的增强现实系统，其特征在于，所述成像镜组为梯度折射率透镜或正负透镜组；

所述正负透镜组为胶合透镜、球面镜、非球面镜、菲涅尔透镜中的一个或多个；

所述半透半反镜为平面镜。

10.根据权利要求1-9任一项所述的增强现实系统，其特征在于，还包括：

脑电波传感器，用于识别脑电波信号并将其传输给所述处理器；

手势识别传感器，用于识别双手的手势信号并将其传输给所述处理器；

红外发射源，用于发出红外信号以实现物体的三维重建；

非特定人声的语音识别设备，用于识别语音信号并将其传输给所述处理器；

动作传感器，用于识别动作信号并将其传输给所述处理器，包括位移加速度传感器和角加速度传感器。