CN105138135B - 头戴式虚拟现实设备及虚拟现实系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种头戴式虚拟现实设备，设备包括：壳体；头戴式显示器，位于壳体内，用于显示三维虚拟场景；多个定位光束接收器，镶嵌在壳体外表面，用于接收激光定位基站以预定的扫射周期扫射的定位光束，多个定位光束接收器之间的相对空间位置关系固定；处理器，位于壳体内，用于根据四个定位光束接收器分别接收到定位光束的时间、扫射周期、相对空间位置关系以及定位光束发射装置的预定位置，确定头戴式虚拟现实设备的位置。由此，本发明的头戴式虚拟现实设备在为用户呈现三维虚拟图像的同时，还可以确定用户的位置信息。因此，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以将用户的位置信息显示在虚拟场景中，可以实现用户与虚拟现实场景之间的交互。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体地说，涉及一种头戴式虚拟现实设备及虚拟现实系统。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality，简称虚拟现实)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术(我国著名科学家钱学森翻译)。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。
虚拟现实领域的飞速发展推动了3D头戴显示器、手势识别技术、动作捕捉技术、室内定位技术等相关技术的迅猛发展。而以上相关技术的实现方式也呈现出多种多样的形态。
随着虚拟现实领域的日益繁荣，目前的头戴显示器的样式也逐渐丰富起来。但是，现有的头戴显示器大多主要用于承载虚拟现实内容的显示功能，即用以为用户呈现三维虚拟场景，功能比较单一，不能实现用户与虚拟场景之间的良好互动。
因此，需要一种可以提高用户与虚拟现实互动体验的头戴式虚拟现实设备。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题是提供一种头戴式虚拟现实设备，其不仅可以为用户呈现三维虚拟场景，还可以实现用户与虚拟现实场景之间的互动，提升用户的体验。
根据本发明的一个方面，公开了一种头戴式虚拟现实设备，包括：壳体；头戴式显示器，位于壳体内，用于显示三维虚拟场景；多个定位光束接收器，镶嵌在壳体外表面，用于接收激光定位基站以预定的扫射周期扫射的定位光束，多个定位光束接收器之间的相对空间位置关系固定；处理器，位于壳体内，用于根据四个定位光束接收器分别接收到定位光束的时间、扫射周期、相对空间位置关系以及定位光束发射装置的预定位置，确定头戴式虚拟现实设备的位置。
由此，本发明的头戴式虚拟现实设备在为用户呈现三维虚拟图像的同时，还可以确定用户的位置信息。因此，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以将用户的位置信息显示在虚拟场景中，可以实现用户与虚拟现实场景之间的交互。
优选地，壳体的外表面可以具有多个不同朝向的面，多个定位光束接收器镶嵌在多个面上，以接收来自不同方向的定位光束，使得在定位光束的一个扫射周期内至少四个定位光束接收器能够接收到定位光束。
由此，本发明的头戴式虚拟现实设备可以接收不同方向的定位光束，可以避免由于遮挡导致不能定位的情况的发生。
优选地，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以包括：成像装置，镶嵌在壳体外表面，用于拍摄人体手部图像，以便识别手部姿态信息。
由此，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以识别用户的手部信息，基于头戴式虚拟现实设备中的处理器就可以将识别到的手部信息显示在虚拟场景中，进一步提升用户与虚拟现实场景之间的交互程度。
优选地，上述成像装置可以是基于飞光时间原理的深度摄像头，用于获得人体手部深度信息。
优选地，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以包括：惯性传感器，用于感测头戴式虚拟现实设备的运动信息和/或方向信息。
根据本发明的另一个方面，还公开了一种虚拟现实系统，系统包括：上文所述的头戴式虚拟现实设备和激光定位基站，激光定位基站固定设置在空间中预定位置处，用于以预定的扫射周期向空间中扫射定位光束，定位光束的截面为直线段。
优选地，激光定位基站可以包括：第一扫射光源，以扫射周期绕轴旋转，向空间扫射第一定位光束；传感器，固定设置在第一扫射光源附近，响应于感测到第一定位光束，发出启动信号；面光源，连接到传感器，响应于接收到启动信号，发射平面光脉冲。
优选地，虚拟现实系统，还可以包括：第二扫射光源，以扫射周期绕轴旋转，向空间扫射第二定位光束，第二定位光束的截面相对于第一定位光束的截面倾斜，并且第二扫射光源的中心到转轴的半径和第一扫射光源的中心到转轴的半径之间具有预定夹角。
优选地，第一定位光束的截面可以垂直于水平面。
优选地，头戴式虚拟现实设备的处理器可以根据定位光束接收器接收到平面光脉冲的时间、接收到第一定位光束的时间以及接收到第二定位光束的时间，确定定位光束接收器相对于激光定位基站的方向。
优选地，处理器可以根据在一个扫射周期内既接收到第一定位光束又接收到第二定位光束的多个定位光束接收器相对于激光定位基站的方向和多个定位光束接收器之间的相对位置关系，确定头戴式虚拟现实设备的位置。
优选地，本发明的虚拟现实系统还可以包括多个上文中所述的激光定位基站。
优选地，可以将两个激光定位基站设置在空间中水平面上一条对角线上两端的高处。
综上，本发明的头戴式虚拟现实设备不仅可以为用户呈现三维虚拟场景，还可以用于确定用户的位置信息和用户的手部姿态信息，并可以将用户的位置信息和手部姿态信息显示在虚拟场景中，以实现用户与虚拟场景之间的互动，提升用户的虚拟现实体验。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示意性地示出了根据本发明的虚拟现实系统。
图2示出了根据本发明的虚拟现实系统还可以具有的结构的示意性方框图。
图3示出了基于本发明的头戴式虚拟现实设备的虚拟现实系统的示意图。
图中标号的具体含义为：
1、壳体，1-1、头戴式显示器，1-2、处理器，1-3、定位光束接收器，1-4、成像装置，1-5、惯性传感器，4、头戴式虚拟现实设备，8、激光定位基站，8-1、第一扫射光源，8-2、传感器，8-3、面光源，8-4、第二扫射光源，8-6、旋转装置。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示意性地示出了根据本发明的虚拟现实系统。
如图1所示，本发明的头戴式虚拟现实设备包括壳体1。壳体1内设有头戴式显示器1-1和处理器1-2，头戴式显示器1-1和处理器1-2的位置可以任意设置。
壳体1可以设计成适于佩戴在用户头部的样式。头戴式显示器1-1可以显示虚拟场景，比如可以是三维虚拟场景。
在壳体1的外表面还镶嵌有多个定位光束接收器1-3，多个定位光束接收器1-3之间的相对空间位置关系固定。
多个定位光束接收器1-3可以用来接收激光定位基站以预定的扫射周期扫射的定位光束。
处理器1-2可以分别与头戴式显示器1-1和多个定位光束接收器1-3连接，以使得处理器1-2可以分别与头戴式显示器1-1和多个定位光束接收器1-3进行数据传输。其中，可以以有线的方式实现处理器1-2与头戴式显示器1-1和多个定位光束接收器1-3之间的数据传输，也可以以无线的方式实现处理器1-2与头戴式显示器1-1和多个定位光束接收器1-3之间的数据传输。
由此，处理器1-2就可以根据多个定位光束接收器1-3分别接收到定位光束的时间、扫射周期、多个定位光束接收器1-3之间相对空间位置关系以及定位光束发射装置的预定位置，确定头戴式虚拟现实设备的位置。然后处理器1-2就可以将确定的头戴式虚拟现实设备的位置信息显示在虚拟现实场景中，实现用户与虚拟现实之间的交互。
另外，壳体1可以设计成具有多个不同朝向的面的结构。例如，可以设计成多面体结构。此时，可以在壳体1的多个不同朝向的面上分别镶嵌若干定位光束接收器1-3。
由此，本发明的头戴式虚拟现实设备可以接收不同方向的定位光束，以使得在一个扫射周期内，可以至少有四个定位光束接收器1-3能够接收到定位光束。这样，就可以基于四个定位光束接收器1-3接收到的定位光束确定头戴式虚拟现实设备位置信息。
图2示出了根据本发明的虚拟现实系统还可以具有的结构的示意性方框图。
如图2所示，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以可选地包括成像装置1-4，成像装置1-4镶嵌在壳体1的外表面，可以用来拍摄用户的手部图像，以便识别用户的手部姿态信息。
其中，成像装置1-4可以采用基于飞光时间(TOF，Time of Flight)原理的深度摄像头，其可以拍摄得到手部深度图像，能够提供手部深度信息。
例如，可以在壳体1内部放置一个使用飞光技术进行手势识别的电路板，其可以对拍摄得到的手部深度图像进行识别处理，以得到手部深度信息。
采用深度摄像头，相比于其他光学手势识别技术(结构光等)，其硬件结构使其不受自然光线强弱影响，在日光灯等环境下均可正常工作；可获得清晰的近距离成像。
如图2所示，本发明的头戴式虚拟现实设备还可以可选地包括惯性传感器1-5，惯性传感器1-5可以用于感测头戴式虚拟现实设备的运动信息和/或方向信息。
具体地说，可以将惯性传感器1-5设置在成像装置1-4附近，以感测成像装置1-4的镜头朝向信息，以此来确定头戴式虚拟现实设备的运动信息或方向信息。当然，根据实际情况，还可以将惯性传感器1-5设置在头戴式虚拟显示设备的其它位置，另外，惯性传感器1-5可以是九轴传感器。
图3示出了基于本发明的头戴式虚拟现实设备的虚拟现实系统的示意图。
如图3所示，本发明的虚拟现实系统可以包括头戴式虚拟现实设备4和激光定位基站8，激光定位基站8可以固定设置在空间中预定位置处，可以以预定的扫射周期向空间中扫射定位光束，其中，定位光束的截面可以是直线段。
其中，头戴式虚拟现实设备4的结构可参见上文中图1、图2的相关描述，此处不再赘述。
下面重点描述激光定位基站8可以具有的结构以及确定头戴式虚拟现实设备4的位置的原理和确定过程。
如图3所示，激光定位基站8可以由第一扫射光源8-1、传感器8-2以及面光源8-3组成。
第一扫射光源8-1可以以一定的扫射频率(扫射频率是扫射周期的倒数，扫射频率可以设定在30HZ到50HZ之间)绕轴旋转，并向空间扫射第一定位光束。也就是说，第一扫射光源8-1可以在围绕一个特定的轴旋转的同时，还可以向空间发射第一定位光束。如图3所示，可以将第一扫射光源8-1固定在一个可以绕固定轴旋转的旋转装置8-6上，这样，第一扫射光源8-1的扫射频率可以由旋转装置8-6来控制。第一扫射光源8-1发出的第一定位光束的截面可以是直线段。例如，如图3所示,第一扫射光源8-1可以是一个竖直的线状光源，此时，第一定位光束的截面垂直于水平面。当然，第一扫射光源也可以采用其它类型的光源，此处不再赘述。
另外，多个定位光束接收器1-3的数量和位置设定优选地可以使得在定位光束的一个扫射周期内至少四个定位光束接收器1-3能够接收到第一扫射光源8-1发出的定位光束。以获取足够多的数据，方便确定位置信息。
传感器8-2可以固定设置在第一扫射光源8-1附近的空间某个位置，当第一扫射光源8-1旋转到某个角度时，传感器8-2就可以接收到第一扫射光源8-1发出的第一定位光束，在传感器8-2接收到第一定位光束时，可以响应于接收到第一光束而发出一个启动信号。
面光源8-3可以与传感器8-2连接(无线或有线皆可)，传感器8-2发出启动信号的时候，面光源8-3可以响应于启动信号而发射一个光信号，此处，面光源8-3发出的光信号可以是一个光脉冲信号。此时，设置在用户佩戴的虚拟现实设备上的多个定位光束接收器1-3就可以接收到面光源发出的光信号。其中，如图3所示，面光源8-3可以由工作状态一致的多个点光源组成。
这样在一个扫射周期内，第一扫射光源8-1可以以“扫射”的形式向空间中发射不同方向的第一定位光束，处理器就可以根据用户佩戴的多个定位光束接收器1-3(例如，可以是四个)分别接收到第一定位光束的时间、已知的扫射周期、多个定位光束接收器1-3之间的相对空间位置关系以及第一扫射光源8-1在的扫射方向，确定用户所处的位置信息。
具体地说，多个定位光束接收器1-3可以与处理器1-2连接，处理器1-2可以首先根据一个定位光束接收器1-3接收到平面光脉冲的时间和接收到第一定位光束的时间，确定一个定位光束接收器1-3在水平面上的方向。以此类推，处理器1-2就可以确定在一个扫射周期内可以接收到第一定位光束的多个定位光束接收器1-3在水平面上的方向。然后，处理器1-2可以根据多个定位光束接收器1-3在水平面上的方向和多个定位光束接收器1-3之间的相对位置关系，确定多个定位光束接收器1-3在水平面的位置。
进一步来说，面光源发出的光信号时刻可以记为t1，t1时刻就可以认为是第一扫射光源经过传感器的时刻。在第一扫射光源的一个扫射周期内，定位光束接收器接收到第一光束时的时刻可以记为t2，由于第一扫射光源扫射频率一定(已知)，因此，根据t1、t2之间的时间差，就可以确定第一扫射光源在扫射到该定位光束接收器时，第一扫射光源所转过的角度。相应地，定位光束接收器接收到第一光束的时刻(t2)，第一扫射光源发出的第一光束的方向可以确定，因而，可以确定定位光束接收器在水平面上的方向。以此类推，在第一扫射光源的一个扫射周期内，可以接收到第一光束的多个定位光束接收器的水平面上的方向都可以确定，然后根据多个定位光束接收器之间的预定相对位置关系就可以确定多个定位光束接收器的水平方向上的位置信息，从而可以推断出头戴式虚拟现实设备4所处的水平位置。
这样，本发明实施例的虚拟现实系统可以实时地确定用户所处的水平位置信息，从而将用户在现实场景中的水平位置信息与虚拟场景进行完美结合，提高用户的VR体验。
另外，如图3所示，本发明中的激光定位基站8还可以包括第二扫射光源8-4。第二扫射光源8-4可以与第一扫射光源8-1围绕一个共同的轴旋转，并在旋转的同时向空间扫射第二定位光束，第二定位光束的截面可以相对于第一定位光束的截面倾斜，并且第二扫射光源8-4的中心到转轴的半径和第一扫射光源8-1的中心到转轴的半径之间具有预定夹角。例如，如图3所示，第一扫射光源8-1可以垂直设置，第二扫射光源8-4可以倾斜设置在与第一扫射光源8-1具有一个预定夹角的位置处。其中，预定夹角可以为90°，即第二定位光束落后第一定位光束90°，也可以是其它角度。第二扫射光源8-4可以设置在第一扫射光源下边一端距离，此时，传感器8-2可以设置为与第一扫射光源8-1平齐。这样，传感器8-2可以检测第一扫射光源8-1发出的第一定位光束，而不检测第二扫射光源8-4发出的第二定位光束。这样，在一个扫射周期内，面光源8-3就启动一次。
由此，处理器就可以根据定位光束接收器1-3接收到平面光脉冲的时间、接收到第一定位光束的时间以及接收到第二定位光束的时间，确定定位光束接收器相对于所述激光定位基站的方向。
具体地说，处理器可以根据一个定位光束接收器接收到第一定位光束的时间和接收到平面光脉冲的时间之差，以及转速(根据扫射周期可以得到)，确定此刻第一定位光束所在的平面(从扫射光源张开的平面)；同理，可以确定接收到第二定位光束时，第二定位光束所在的平面；由于定位基站和接收器都处于这两个平面上，因此都在两个平面的交线，交线方向即为接收器相对于定位基站的方向。
这样，处理器就可以根据在一个扫射周期内既接收到第一定位光束又接收到第二定位光束的多个定位光束接收器接收到定位光束的时间以及多个定位光束接收器之间的预定空间位置关系，确定这多个定位光束接收器所处的空间位置信息(三维位置信息)，从而就可以确定佩戴这些定位光束接收器的用户所处的位置信息。
具体地说，根据第一扫射光源和第二扫射光源之间的位置和扫射周期，可以确定第一扫射光源和第二扫射光源之间的相位差，然后根据一个定位光束接收器在一个扫射周期内分别接收到第一定位光束及第二定位光束之间的时间差以及相位差，就可以确定一个周期内照射到同一个定位光束接收器上的第一定位光束所在的平面和第二定位光束所在的平面，定位光束接收器就在这两个平面的交线上。这样，对于多个在一个周期内可以接收到第一定位光束和第二定位光束的定位光束接收器来说，就可以分别确定它们所处的交线。由于这多个定位光束接收器之间具有预定的相对空间位置关系。因此，就可以确定多个定位光束接收器所处的具体位置信息。此处的位置信息是空间三维信息。综上，设定第二扫射光源可以精确地确定定位点在空间内的三维位置信息。至此，已经详细说明了基于本发明中的定位系统确定位置的计算方式，应该知道，本发明中所叙述的位置计算方式只是一种可行的方式，对于本领域技术人员来说，基于本发明的定位装置还可以有其它位置确定方式，此处不再赘述。
其中，处理器可以根据在一个扫射周期内既接收到第一定位光束又接收到第二定位光束的三个定位光束接收器就可以确定用户的位置信息。当然也可以选取更多的定位光束接收器，这样可以提供冗余数据，从而可以通过最小二乘法等统计方法提高精确度。例如可以使用四个，在不显著增大计算量的情况下，能够显著提高精确度，从而能够得到mm量级的精确度定位光束接收器相对于激光定位基站的方向和多个定位光束接收器之间的相对位置关系。上文中已经参考附图详细描述了根据本发明的头戴式虚拟现实设备以及虚拟现实系统。
综上，本发明的头戴式虚拟现实设备不仅可以为用户呈现其所需要的三维虚拟图像，还可以确定用户佩戴本发明的头戴式虚拟现实设备时所处的实时位置信息，并基于头戴式虚拟现实设备中的处理器将获取的用户的实时位置信息显示在虚拟现实场景中，增强用户与虚拟场景之间的交互，提升用户的体验乐趣。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (11)
1.一种虚拟现实系统，包括：
头戴式虚拟现实设备；以及
激光定位基站，固定设置在空间中预定位置处，用于以预定的扫射周期向空间中扫射定位光束，所述定位光束的截面为直线段，其中，
所述头戴式虚拟现实设备包括：
壳体；
头戴式显示器，位于所述壳体内，用于显示虚拟场景；
多个定位光束接收器，镶嵌在所述壳体外表面，用于接收激光定位基站以预定的扫射周期扫射的定位光束，所述多个定位光束接收器之间的相对空间位置关系固定；
处理器，位于所述壳体内，用于根据所述多个定位光束接收器分别接收到定位光束的时间、所述扫射周期、所述相对空间位置关系以及所述激光定位基站的预定位置，确定所述头戴式虚拟现实设备的位置，
所述激光定位基站包括：
第一扫射光源，以所述扫射周期绕轴旋转，向所述空间扫射第一定位光束；
传感器，固定设置在所述第一扫射光源附近，响应于感测到所述第一定位光束，发出启动信号；
面光源，连接到所述传感器，响应于接收到所述启动信号，发射平面光脉冲。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，还包括：
第二扫射光源，以所述扫射周期绕所述轴旋转，向所述空间扫射第二定位光束，所述第二定位光束的截面相对于所述第一定位光束的截面倾斜，并且所述第二扫射光源的中心到所述轴的半径和所述第一扫射光源的中心到所述轴的半径之间具有预定夹角。
3.根据权利要求2所述的虚拟现实系统，其中，所述第一定位光束的截面垂直于水平面。
4.根据权利要求2或3所述的虚拟现实系统，其中，
所述头戴式虚拟现实设备的处理器根据所述定位光束接收器接收到所述平面光脉冲的时间、接收到所述第一定位光束的时间以及接收到所述第二定位光束的时间，确定所述定位光束接收器相对于所述激光定位基站的方向。
5.根据权利要求4所述的虚拟现实系统，其中，
所述处理器根据在一个扫射周期内既接收到所述第一定位光束又接收到所述第二定位光束的多个定位光束接收器相对于所述激光定位基站的方向和所述多个定位光束接收器之间的相对位置关系，确定所述头戴式虚拟现实设备的位置。
6.根据权利要求1至3中任何一项所述的虚拟现实系统，包括多个所述激光定位基站。
7.根据权利要求6所述的虚拟现实系统，其中，两个所述激光定位基站设置在所述空间中水平面上一条对角线上两端的高处。
8.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，其中，
所述壳体的外表面具有多个不同朝向的面，所述多个定位光束接收器镶嵌在所述多个面上，以接收来自不同方向的定位光束，使得在所述定位光束的一个扫射周期内至少四个所述定位光束接收器能够接收到所述定位光束。
9.根据权利要求1所述的虚拟现实系统，还包括：
成像装置，镶嵌在所述壳体外表面，用于拍摄人体手部图像，以便识别手部姿态信息。
10.根据权利要求9所述的虚拟现实系统，还包括：
所述成像装置是基于飞光时间原理的深度摄像头，用于获得人体手部深度信息。
11.根据权利要求9所述的虚拟现实系统，还包括：
惯性传感器，用于感测所述头戴式虚拟现实设备的运动信息和/或方向信息。
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