CN105765444A - 用于可重构投影的增强现实器具/虚拟现实器具的系统和方法 - Google Patents

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CN105765444A CN201480064107.0A CN201480064107A CN105765444A CN 105765444 A CN105765444 A CN 105765444A CN 201480064107 A CN201480064107 A CN 201480064107A CN 105765444 A CN105765444 A CN 105765444A
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Abstract

本申请呈现了一种包括具有视线跟踪功能的头戴式显示器的系统，其具有用于将所投影的增强现实应用重构至使用关闭的虚拟现实以及混合模式的那些应用的附件。

Description

用于可重构投影的增强现实器具/虚拟现实器具的系统和方法
相关申请
本申请要求由JeriJ.Ellsworth于2013年5月17提交、名称为“使用溯源反射屏和各眼过滤的立体3D增强现实显示器”、序号为61/855,536的临时专利申请以及同样由JeriJ.Ellsworth于2013年10月15日提交、名称为“可重构的头戴式显示系统”、序号为61/961,446的临时专利申请的权益，通过引用来将所述临时专利申请的全部内容完全地结合在本文中。
美国专利文件：
3,614,314
4,349,815
4,657,512
4,799,765
5,003,300
5,151,722
5,162,828
5,189,452
5,210,626
5,436,765
5,467,104
5,572,229
5,581,271
5,606,458
5,621,572
5,661,603
5,677,795
5,726,670
5,742,263
5,742,264
6,064,749
6,091,546
6,147,805
6,421,047
6,490,095
6,522,474
6,532,116
6,535,182
6,552,854
6,594,085
6,611,384
6,611,385
6,747,611
6,814,442
6,825,987
6,847,336
6,926,429
6,963,379
7,031,067
7,088,516
7,118,212
7,200,536
7,242,527
7,253,960
7,262,919
7,355,795
7,391,574
7,420,751
7,446,943
7,450,188
7,450,310
7,495,836
7,499,217
7,505,207
7,538,950
7,542,209
7,567,385
7,646,537
7,724,441
7,791,809
7,804,507
7,839,575
7,843,403
7,791,483
7,936,519
7,944,616
7,982,959
8,004,769
8,179,604
8,189,263
8,194,325
8,237,626
8,300,159
8,310,763
8,328,360
8,376,548
8,378,924
8,388,146
8,433,172
8,434,674
8,441,734
8,467,133
8,472,120
8,477,425
8,482,859
8,487,837
8,488,246
8,494,212
8,553,334
8,576,143
8,576,276
8,582,209
8,587,612
8,625,200
8,632,216
8,634,139
8,643,951
美国专利申请
2002/0041446
2004/0150884
2007/0285752
2010/0309097
2011/0037951
2011/0075357
2012/0106191
2012/0327116
2013/0042296
2013/0196757
2013/0300637
其他公开：
"AugmentedRealityThroughWearableComputing"ThadStamer,SteveMann,BradleyRhodes,JeffreyLevine,1997
"ComputerVision-BasedGestureRecognitionforanAugmentedRealityInterface"MoritzStarring,ThomasB.Moeslund,YongLiu,andErikGranum,In4thlASTEDInternationalConferenceonVisualization,Imaging,andImageProcessing,Sep.2004
"Constellation:awide-rangewirelessmotion-trackingsystemforaugmentedrealityandvirtualsetapplications"EricFoxlin,MichaelHarrington,GeorgePfeifer,Proceedingsofthe25thannualconferenceonComputergraphicsandinteractivetechniques
"Displays:FundamentalsandApplications"RolfR.HainichandOliverBimber,CRCPress2011,ISBN978-1-56881-439-1
"Fingertrackingforinteractioninaugmentedenvironments,"Dorfinuller-Ulhaas,K.；Schmalstieg,D.；AugmentedReality,2001.Proceedings.IEEEandACMInternationalSymposiumon,pp.55-64,2001
"Theperceptiveworkbench:Computer-vision-basedgesturetracking,objecttracking,and3Dreconstructionforaugmenteddesks"ThadStamer,BastianLeibe,DavidMinnen,TracyWestyn,AmyHurstandJustinWeeks,MachineVisionandApplications,2003,vol.14,No.1,pp.59-71
"TrackingofUserPositionandOrientationbyStereoMeasurementoflnfraredMarkersandOrientationSensing,"MasakiMaeda,TakefumiOgawa,KisyoshiKiyokawa,HaruoTakemura,iswc,pp.77-84,EighthIEEEInternationalSymposiumonWearableComputers,Oct.31-Nov.3,2004
"WearableVirtualTablet:FingertipDrawingonaPortablePlane-objectusinganActive-InfraredCamera"NorimichiUkitaandMasatsugaKidode,2004,retrievedfromtheinternetMay11,2011
技术领域：
本发明涉及虚拟现实、增强现实、桌面游戏和视频游戏的领域。更具体地，本系统允许来自可重构头戴式显示器(将图像投影至表面)、近眼显示器和具有用于图像叠加的外界图像结合器的近眼显示器中的多种操作模式。
背景技术：
存在固定的光学头戴式显示器的头戴式视图器的许多实例，其一般由显示器或多个显示器以及将计算机产生的图形传送给用户的眼睛的转送光学系统组成。附加的固定光学系统可能被包括从而结合来自现实世界的光并且允许图形叠加在用户在现实世界中观察到的图像上。子系统通常与这些显示器相关联以跟踪用户的视线，以便提供驱动CGI场景的呈现以用于立体视觉视图、模拟三维视觉视图的信息。
发明内容
本发明包括一种头戴式视图器(headset)或者眼镜，其包含具有诸如投影成像的基本操作模式的显示器或多个显示器、视线跟踪子系统以及用于将图像直接转送至用户眼睛的附件和/或外界图像梳理(结合)光学系统。所述视线跟踪系统提供了呈现电脑所产生的场景的立体视图(例如在基于视频游戏或者模拟的第一人称视角中所使用的场景)所需的信息。
附图说明
图1.-一种典型的向外投影图像的头戴式视图器连同用于跟踪标识的摄像机，所述头戴式视图器包括用于从外界表面返回至用户的光的孔口以及两个投影显示系统。
图2.-一种用于图1中的头戴式视图器的有线连接系统。
图3.-图1中的头戴式视图器的前视图，其显示了眼睛与投影器对准。
图4.-一种依赖各向异性反射性的备选的头戴式视图器。
图5.-一种使用单个投影器的备选的头戴式视图器。
图6.-一种用于在视线跟踪中使用的有源“标识”平板。
图7a.-来自图1的头戴式视图器以及返回至所述头戴式视图器的光路。
图7b.-从跟踪标识发光器(施射器)至图1的头戴式视图器的光路。
图8a.-用于“夹式”重构以运行关闭的虚拟现实模式的光路。
图8b.-铰链式“上翻”以切换模式的操作。
图8c.-处于关闭位置的“夹式”设备的正视“透视”图。
图8d.-“夹式”设备的单边应用。
图9.-用于混合现实/虚拟模式的备选的“夹式”重构。
图10.-具有用于“电子透视”混合现实/虚拟模式的摄像机的备选的“夹式”重构。
具体实施方式
本发明的系统包括眼镜或者头戴式视图器，其包含显示或者投影系统(图1-5)和视线跟踪系统(图6-7)并且包括可机械地附接的转送系统(图8-10)以将操作模式从投影转变至近眼观察。
图1中示出了一种眼镜的实施例，其中框架101支承一对图像投影器102和104、跟踪摄像机或者多个跟踪摄像机103以及观察透镜(viewinglens)105和106。显示为107的隔室可以保持电池和驱动电子设备以及无线电通信装置。备选地，图2显示了具有至电路盒202的有线连接件201的实施例，所述电路盒202可以包括用于诸如HDMI的计算机/手机接口的连接件203和/或用于诸如USB的其他外围设备的连接件204。电路盒202还可以包括电池。
图1中的观察透镜105和106提供与投影器102和104结合的器件以在所述框架的相反侧拒绝源自于所述投影器的光。所述器件可以是利用选择性正交偏振(平面偏振或者圆形偏振)的器件或者时间分割多路复用的主动快门式器件或者利用发射器物理或软件选择色彩的光谱滤光器件或无源滤光器件或者现有技术中已知的其他此类器件。
如图7a中所示，描绘了投影增强现实模式，系统依赖于溯源(回复)反射材料701来将由投影器102和104发射出的光702的大部分沿着路径703返回至与观察透镜105和106交叠的区域。现有技术(例如，Stanton的US6,535,182)已经教导了其中将投影器放置于邻近框架铰链的侧面的系统，但是这带来了缺点，即当框架被制造得足够大以装配在用户既有的眼睛佩戴物上时，投影器与用户眼睛的偏轴距离降低了所返回图像的亮度，虽然试图实现来自相反侧的不希望有的图像的低串扰。现有技术(例如，Fisher的US5,572,229和Fergason的US5,606,458)也已经教导了在用户眼睛前面使用分光镜来引导与用户的视线同轴的投影光，所述分光镜增加了框架结构的不希望有的前部重量和伸出部。图3显示了图1的实施例的优选对准方式，其中将所述投影器靠近地(紧邻地)定位于用户的每只眼睛的中心上方，而不需要分光镜。应当注意到，所述投影器也可以以这些相同中心线为中心地安装在眼睛下方，并且所述溯源反射材料可以是部分透明的，以使得用户可以看见放置在其后的物体。
图3中所示的对准方式的备选实施例可以与各向异性的溯源反射屏联合起来使用，以使得投影图像的返回的亮度图案在水平方向上比在垂直方向上衰减得快。各向异性的溯源反射器可以基于已经以轴线对齐的稍微椭圆形的反射球来制造或者基于镜面上的全息胶片来制造或者基于溯源反射器制造领域和自动立体屏领域中已知的其他器件来制造。在图4中示出了该左/右图像的空间隔离的形式，其中眼镜框架401在没有滤光观察透镜的情况下打开，更确切的说依赖于各向异性的明亮的观察返回区域402来限制光交叉至对侧的眼睛。
图5中示出了使用单个投影器的备选实施例，其中投影器502连续地发出交替帧，并且滤光观察透镜505和506选择性地将左侧图像和右侧图像传递至相应的眼睛。如上所述，单个投影器502可以通过开关偏振正交性(当使用平面偏振或者圆偏振时)或者通过借助于观察透镜中的主动快门的分时复用或通过借助于将受限制的(观察透镜处的光谱滤光器允许通过的)色彩投影回左/右侧的分时复用来与观察透镜协作。
为了便于展示出虚拟现实或者高级形式的增强现实，需要计算用户的视线。为了本说明的目的，将所述视线看作是源自于用户的眼睛之间并且平行于投影器102和104的中心投影线地向前延伸的线，所述投影器102和104被安装成彼此平行。
视线跟踪子系统包括以中心视野线平行于102和104的中心投影线的方式安装的头戴式视图器的摄像机或者多个摄像机103以及可以采取如图6中所示的“平板”的形式的“标识”或者多个标识。在当前实施例中，该平板或者盘601包括五个一组的红外发光二极管，其中四个外侧单元602-605处于恒定输出模式下，而偏向内侧的二极管606是使用识别代码图案来调制的。用于发射器的电源和调制电路(未显示)可以被嵌入平板材料中或者发射器可以通过电线从其它地方供电。标识还可以具有包含溯源反射材料的前表面以便成为将投影图像返回至头戴式视图器的表面的一部分。多个标识平板可以被用在给定布置中，其中被调制的IR(红外线)源播送不同代码，以便特别地由头戴式视图器的固件或者软件来识别。等同的标识配置对本领域的技术人员来说是显而易见的。
图7a显示了从头戴式视图器上的投影器至安装到框架705的溯源反射表面701的典型光路。溯源反射表面的性质使得呈现给用户的角度是不苛刻的并且所述表面可以具有弯曲、曲线或者平坦部段。图7b显示了源自于发光器的标识图案704的光的光路705，所述标识图案704被摄像机(图1中的103)跟踪，以便提供可以在数学上处理以计算用户相对于固定表面的视线的几何数据。在该图中，图6的标识已经被嵌入表面701中，其中为IR照射设置了开口，或者备选地，具有位于其后的标识平板的所述表面对于IR来说可以是透明的。为了本说明的目的，术语“溯源反射器”应该被视作将大量投影光直接往回向着投影器的方向返回、从透明到不透明的任何表面。
图1中的头戴式视图器可以借助于“夹式”光转送系统附件来从投影模式转变为封闭的近眼虚拟现实显示模式，所述“夹式”光转送系统附件将投影器的输出重定向至被直接导引向相应的用户的每只眼睛的成像路径。图8a中示出了所述附件的一侧的光路的剖视图。在所述剖视图中，封罩801利用铰链机构805并通过夹持器件来保持就位至头戴式视图器框架101上的投影器壳体102。封罩801容纳将布置的光学元件保持就位的器件(未显示)，所述光学元件导引由所述投影器产生的图像，以便将所述图像以与用户的眼睛同轴的方式呈现并且校准所述图像以产生可见图像。在所示实施例中，来自投影器102的图像被镜片802向下引导，然后被分光镜803向前引导，然后被成形镜片804反射，所述成形镜片804使正确偏振的校准图像返回通过分光镜803和头戴式视图器的观察透镜105。可以在所述光学系统中放置衍射、反射或者折射光学元件来改变图像特性。虽然已经为该实施例描述了该光路，但是存在用于头戴式显示器领域的近眼光转送器件的许多实例，并且本领域的技术人员可以为该附件设计任意数量的备选路径。
图8b显示了所述附件借助于铰链805“上翻”以使得用户可以在不完全移除所述附件的情况下切换模式。可以预料，所述头戴式视图器将具有电学地或者光学地检测所述附件的存在和位置的器件(未显示)，以使得与所述系统相关联的固件和软件可以进行必要的图像校正(诸如反转)以支持使用中的模式。还可预料到，机械器件(未显示)将被包括以使得用户可以通过快速的点头动作来将所述附件从升起位置“下翻”，以便在无需将手从键盘、游戏控制器或者其他设备上移开的情况下切换至封闭的虚拟现实模式。
图8c显示了被夹持至所述投影器、处于覆盖头戴式视图器的正面的接合位置中的附件的前视图。所述附件以X(射)线方式画出以显示其后方的头戴式视图器，但是所述附件应当被认为是不透明的。本领域的技术人员可以设计出许多其他类型的封罩和附接器件，例如借助于磁体或者卡扣(snap)或者钩环紧固件等实现的附接器件，但是在所有设计中，固定件不能覆盖摄像机103或者限制其视野。此外，在本说明书中决不排除如图8d中所示装备所述附件的一半，例如将被用于向仅仅单个眼睛供给封闭图像或信息的增强现实应用。
此外，对光转送领域中的技术人员来说清楚的是，等同的附件可以被设计用于在图5中公开的单个投影器的实施例。所述实施例可能涉及一种分光镜或者有源光束开关(activebeamswitch)，其在图像进入类似于图8a中所示的系统之前将所述图像侧向地转送至每只眼睛。备选地，光转送器可以将投影器的输出发送至两只眼睛，其中正时快门或者偏振滤光器或者光谱滤光器或者其他光学器件将不希望有的帧拒绝。
在一些增强现实应用中，所希望的是，将计算机图形系统所产生的图像与现实世界的实际图像混合。为了实现该目的，如图9所示，所述附件可以采用一种器件以提供用于使光从外界进入的路径。在该实施例中，封罩装配有开口和面向前方的透镜或者透镜系统901，以聚集外部光并且使所述外部光在加入以上图8a中所述的同轴光路之前穿过滤光器件902以及半反射镜804。诸如视野、失真、色彩校正以及投影或外部路径的其他特性的光学特性可以通过具有折射、衍射和反射光学元件的附件来更改。滤光器件902可以包括偏振镜或电子快门、或者光谱滤光器或者屏蔽或阻挡由透镜或者透镜系统901所聚集的图像的一部分的其他器件。用于所述光学操作的控制的电子器件未示出但是对于本领域技术人员来说是已知的。备选地，如图10中所示，“透视”模式可以通过将一个或多个摄像机1001附接至封罩的正面来实现。在该实施例中，外界的图像被电子地转送(未显示)至图形混合固件和软件(也未显示)，如本领域中众所周知的是，所述固件和软件控制CGI图像的屏蔽和置换或者叠加。当与图像处理软件相结合时，图10的实施例是特别有用的，所述图像处理软件例如已经被开发用以借助于摄影机所返回的图像来跟踪手指运动和手势的图像处理软件。
结论
本文已经通过实例来描述了说明性的实施例。然而，本领域的技术人员将认识到，在不背离由权利要求所限定的、实施例所指的元件、产品和方法的真实范围和精神的情况下，可以对该实施例进行改变和修改。

Claims (20)

1.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器包括：
支承一个或多个图像投影器的头戴式视图器或者眼镜框架；
所述投影器靠近地安装在垂直的瞳孔中心线的上方或者下方；
一个或多个溯源反射表面；
所述表面将投影图像返回至所述头戴式视图器；
所述头戴式显示器还包括滤光器件，以降低源自于在所述头戴式视图器的相反侧安装的所述投影器的不希望有的图像的亮度。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述滤光器件包括：
施加至第一投影器的第一偏振滤光器；
施加至第二投影器的第二偏振滤光器，其中所述第二滤光器的偏振定向正交于所述第一偏振滤光器的偏振定向；
具有偏振滤光器的第一观察透镜；
所述第一观察透镜与所述第一投影器处于所述头戴式视图器的相同侧；
所述第一观察透镜上的所述第一偏振滤光器被设置成拒绝穿过所述第二投影器上的所述第二偏振滤光器的反射图像；
具有偏振滤光器的第二观察透镜；所述第二观察透镜与所述第二投影器处于所述头戴式视图器的相同侧；
所述第二观察透镜上的所述第二偏振滤光器被设置成拒绝穿过所述第一投影器上的所述第一偏振滤光器的反射图像。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其特征在于，投影在每一侧的光的偏振类型是平面式的。
4.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其特征在于，投影在每一侧的所述光的偏振类型是圆形的。
5.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述滤光器件包括：
施加至第一投影器的第一光谱滤光器；施加至第二投影器的第二光谱滤光器；
所述第二光谱滤光器使从所述第一光谱滤光器分离的部分可见光谱通过；
具有光谱滤光器的第一观察透镜；
所述第一观察透镜与所述第一投影器处于所述头戴式视图器的相同侧；
所述第一观察透镜处的所述第一光谱滤光器被设置成拒绝穿过所述第二投影器处的所述第二光谱滤光器的反射图像；
具有光谱滤光器的第二观察透镜；
所述第二观察透镜与所述第二投影器处于所述头戴式视图器的相同侧；
所述第二观察透镜处的所述第二光谱滤光器被设置成拒绝穿过所述第一投影器上的所述第一光谱滤光器的反射图像。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示器，其特征在于，所述投影器的所述光谱滤光借助于所投影的图像的像素编码中的色彩选择或者借助于所采用的物理发光器的发射光谱。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述滤光器件包括：
具有用于图像投影的交替时隙的第一和第二所述图像投影器；
具有附接的或内部的透明度开关器件的第一和第二观察透镜；
所述开关器件与所述投影时隙协作，以便阻挡源自于相反侧的投影器的图像。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，所述滤光器件包括：
在垂直定向上具有各向异性的长轴的各向异性溯源反射表面；
在所述头戴式视图器的眼睛位置的中心位置上方或者下方垂直对准的所述投影器；
所述各向异性溯源反射具有在水平尺寸上足够窄的反射亮度图案以便隔离反射图像。
9.一种系统，所述系统包括：
如权利要求1所述的头戴式显示器；
安装在所述头戴式视图器上的、用于从成几何阵列的光发射器接收光信号的一个或多个摄像机；
所述发射器与所述溯源反射表面联合起来安装，其中所述阵列中的所述发射器之一发送编码的识别图案。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述发射器投射红外光。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包含由所述光信号来计算相对于所述发射器阵列的用户视线的器件。
12.一种系统，所述系统包括：
投影增强现实头戴式视图器或者眼镜；
可移除的附件；
所述附件可安装至所述头戴式视图器的正面的一侧或者两侧；
所述附件包含将所述头戴式视图器的操作重新配置成近眼显示系统的操作的器件。
13.根据权利要求12所述的附件，其特征在于，其还包含：
用于从用户前面的现实世界接收图像的透镜；
用于将所述图像与来自所述投影器的图像混合的器件。
14.根据权利要求13所述的附件，其特征在于，其还包含：在与来自所述投影器的图像混合之前将来自现实世界的所述图像的空间部分屏蔽的器件。
15.根据权利要求12所述的附件，其特征在于，其还包含：
铰链式安装器件；
所述器件便于通过将所述附件旋进、旋出所述头戴式视图器投影图像的路径来切换所述头戴式视图器的操作模式。
16.根据权利要求15所述的附件，其特征在于，其还包含：电传感器或者光传感器；
所述传感器包含向所述系统的固件或者软件提供信息以便确定所述附件的存在和/或位置的器件。
17.一种用于显示增强现实的方法，所述方法包括以下步骤：
从一个或多个头戴式图像投影器投影图像；
借助于一个或多个溯源反射表面将所述图像反射回所述头戴式视图器；
通过从时间定序、偏振、光谱利用或者空间亮度图案的组合中选择出的方法来过滤所述反射图像；
将过滤后的图像传递给所选的用户眼睛。
18.一种用于显示虚拟现实的方法，所述方法包括以下步骤：
提供头戴式投影增强现实器具；
将光学设备附接至所述器具；
所述设备将投影图像重定向至近眼模式。
19.一种用于切换头戴式显示器的操作模式的方法，所述方法包括以下步骤：
在不使用手的情况下通过点头使得光学设备降下；
所述设备将投影图像重定向至近眼模式。
20.一种用于跟踪头戴式显示器的视线的方法，所述方法包括以下步骤：
利用一个或多个高分辨率电子摄像机来成像出五个或更多个红外光发射二极管的不对称图案；
将发射器图案相对于外界位置固定就位；
利用独特的识别代码序号来调制所述发射器中的在所述图案中具有独特位置的二极管；
对所述调制进行编码以便能够通过对来自所述成像摄像机的信号进行图像处理来实现解调；
从所述解调中提取所述独特的识别代码序号；
查寻与所述识别序号有关的存储的参考尺寸和形状信息；
通过将来自所述成像摄像机的图像与所存储的所述参考图案的尺寸和形状进行对比分析来解出视线坐标。
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