CN106526859A - 一种vr虚拟现实和ar增强现实兼容的头戴显示设备 - Google Patents

一种vr虚拟现实和ar增强现实兼容的头戴显示设备 Download PDF

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龙尤
李繁
耿云飞
郭明辉
张海军
郭晓光
张纪旭
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Abstract

本发明涉及一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，由外景方向沿光轴依次设有凹透镜、半透半反镜和凸透镜，像源垂直于半透半反镜的反射光轴上；CPU数据处理器的输出连接凹透镜和GPU图像处理器，GPU图像处理器的输出连接像源；本发明通过控制凹透镜的透过率和GPU的显示画面，配合半透半反镜和凸透镜进行光路调整，从而实现VR/AR显示切换。本发明解决了VR头戴显示设备无法真实比例看外景的问题，同时解决了以往AR头戴显示设备像源亮度较低，无法在强光下使用的问题，扩展了头戴显示设备的使用范围。

Description

一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备
技术领域
本发明属于智能穿戴技术领域，涉及一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备。
背景技术
虚拟现实(VR)通过综合利用计算机图形系统和各种控制设备，可为用户生成可交互的三维环境，并使用户产生沉浸感。VR显示时，用户无法看到外景，只能看到虚拟图像。
增强现实(AR)是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，将虚拟的信息应用到真实世界，并将计算机生成的虚拟物体、场景或信息叠加到真实场景，从而实现对现实的增强。AR显示时，用户既能看到真实外景，又能看到虚拟图像。
头戴显示设备是佩戴于用户头部的显示设备，具有易于穿戴、近眼显示等特点。目前的头戴显示设备只有单一显示模式的AR头戴显示器或VR头戴显示器，尚没有一种能够兼容两种显示模式、能够AR/VR切换的头戴显示设备，其主要原因是显示部件无法实现兼容：VR头戴显示器的像源位于正前方，遮挡了外部景物；AR显示器的视场角往往不超过30°，难以形成沉浸体验。用户佩戴VR头戴显示器时无法在户外使用，佩戴AR头戴显示器时则视场角太小、沉浸体验较差。因此，需要设计一种VR/AR可切换的头戴显示设备。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，以解决头戴显示器不能同时支持AR显示和VR显示的问题。
技术方案
一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，其特征在于包括显示部件和处理部件，所述显示部件包括像源、电致变色玻璃凹透镜、半透半反镜和凸透镜；由外景方向沿光轴依次设有凹透镜、半透半反镜和凸透镜，像源垂直于半透半反镜的反射光轴上；所述电致变色玻璃凹透镜在AR模式时凹透镜为透明；在VR模式时凹透镜为不透明；所述处理部件包括CPU数据处理器、GPU图像处理器和电源；CPU数据处理器的输出连接凹透镜和GPU图像处理器，GPU图像处理器的输出连接像源；当选择AR模式时，CPU数据处理器控制电致变色凹透镜的电流信号，使得电致变色凹透镜处于透明状态，同时CPU控制GPU产生AR模式的虚拟图像输出至像源；外景通过凹透镜和半透半反镜至凸透镜，像源的虚拟图像通过半透半反镜至凸透镜，实现外景和像源图像的叠加显示；当选择VR模式时，CPU数据处理器控制电致变色凹透镜的电流信号，使得电致变色凹透镜处于非透明状态，阻挡外景的光线，同时CPU控制GPU产生AR模式的虚拟图像输出至像源，像源的虚拟图像通过半透半反镜和凸透镜后呈现于人眼；电源为数据处理器和图像处理器提供工作电源。
所述显示部件为两套，分别用于左眼和右眼，数据处理器对两套电致变色玻璃凹透镜输出同样的调节电流信号，图像处理器对两套像源分别输出用于左、右眼的不同图像。
所述的像源为LCOS像源、LCD像源或OLED像源。
所述半透半反镜为分光棱镜、自由曲面光学镜片或光波导镜片。
有益效果
本发明提出的一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，通过控制凹透镜的透过率和GPU的显示画面，配合半透半反镜和凸透镜进行光路调整，从而实现VR/AR显示切换。本发明解决了VR头戴显示设备无法真实比例看外景的问题，同时解决了以往AR头戴显示设备像源亮度较低，无法在强光下使用的问题，扩展了头戴显示设备的使用范围。
附图说明
图1为本发明组成示意图；
图2为本发明AR模式和VR模式原理示意图。
1-电致变色玻璃凹透镜，2-半透半反镜，3-像源，4-凸透镜，5-显示部件，6-处理部件，7-CPU数据处理器，8-GPU图像处理器，9-电源。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明为解决上述技术问题而提供本发明涉及一种VR和AR兼容的头戴显示设备，包括显示部件和处理部件，其中显示部件由像源、凹透镜、半透半反镜、凸透镜组成，处理部件由数据处理器(CPU)、图像处理器(GPU)和电源组成，如图1所示。
所述凹透镜材料为电致变色玻璃，通过电信号调节，能够改变玻璃的透过率；在AR模式，凹透镜为透明，外景通过凹透镜、半透半反镜和凸透镜后，以真实比例呈现于人眼，像源产生的预畸变图像(不限于字符图像)通过半透半反镜和凸透镜，无畸变放大呈现于人眼，实现外景和像源图像的叠加显示，如图2a所示，同时根据外界光线亮度，可调整其透过率，从而在强光外景中，保证画面的对比率。在VR模式，凹透镜为不透明，外景发出的光线无法透过凹透镜，像源产生的虚拟图像通过半透半反镜和凸透镜，放大后呈现于人眼，实现高沉浸感的虚拟现实体验，如图2b所示。
所述凸透镜具有放大画面、增强沉浸感的作用，像源产生的画面通过凸透镜后放大显示；外景画面通过凹透镜、凸透镜后还原为真实比例显示。
所述半透半反镜为分光棱镜，既可以反射像源产生的画面，也可以透过外景画面，且反射及透射的画面均为真实比例无失真。
所述像源包括且不限于LCOS像源、LCD像源和OLED像源，由于AR模式外景亮度可以调节，因此设备对于像源亮度不需要过高要求。
所述GPU在AR模式能够在像源上产生预畸变校正的图像，该图像经过所述半透半反镜后，在人眼呈现出无畸变的图像；所述GPU能够同时独立驱动两个像源，在像源上显示独立画面，分别实现单目显示、双目显示和3D显示等显示效果。
所述CPU通过控制所述GPU产生不同模式的显示画面和控制所述凹透镜改变透明度，从而实现所述头戴显示设备的模式切换。
各个部件连接位置关系：由外景方向沿光轴依次设有凹透镜、半透半反镜和凸透镜，像源垂直于半透半反镜的反射光轴上；所述电致变色玻璃凹透镜在AR模式时凹透镜为透明；在VR模式时凹透镜为不透明；CPU数据处理器的输出连接凹透镜和GPU图像处理器，GPU图像处理器的输出连接像源。
本发明具体实现分为AR显示模式和VR显示模式，见图1、图2：
AR显示模式
1、CPU控制电致变色凹透镜为透明色；
2、CPU控制GPU产生预畸变的视频(不仅限于字符画面)；
3、像源接收GPU的视频，并产生像源画面；
4、像源画面通过半透半反镜反射到凸透镜；
5、凸透镜对像源画面进行放大并消除畸变，并呈现于人眼前；
6、外景画面通过凹透镜被缩小并产生畸变，透过半透半反镜后，被凸透镜放大还原并消除畸变；
7、像源画面和外景画面在人眼处叠加显示，实现增强显示；
8、当外景亮度较高时，CPU控制电致变色凹透镜透过率降低，从而使外景亮度降低，保证像源画面的对比率；
9、当用户不希望像源图像遮挡外景时，CPU控制像源降低亮度，从而改变像源图像在外景中的透明度。
VR显示模式
1、CPU控制电致变色凹透镜为不透明；
2、CPU控制GPU产生预畸变的虚拟现实图像；
3、像源接收GPU的视频，并产生像源画面；
4、像源画面通过半透半反镜反射到凸透镜；
5、凸透镜对像源画面进行放大并消除畸变，呈现于人眼前；
通过打开/关闭任意一个像源，从而实现双目显示和单目显示切换。

Claims (4)

1.一种VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，其特征在于包括显示部件和处理部件，所述显示部件包括像源、电致变色玻璃凹透镜、半透半反镜和凸透镜；由外景方向沿光轴依次设有凹透镜、半透半反镜和凸透镜，像源垂直于半透半反镜的反射光轴上；所述电致变色玻璃凹透镜在AR模式时凹透镜为透明；在VR模式时凹透镜为不透明；所述处理部件包括CPU数据处理器、GPU图像处理器和电源；CPU数据处理器的输出连接凹透镜和GPU图像处理器，GPU图像处理器的输出连接像源；当选择AR模式时，CPU数据处理器控制电致变色凹透镜的电流信号，使得电致变色凹透镜处于透明状态，同时CPU控制GPU产生AR模式的虚拟图像输出至像源；外景通过凹透镜和半透半反镜至凸透镜，像源的虚拟图像通过半透半反镜至凸透镜，实现外景和像源图像的叠加显示；当选择VR模式时，CPU数据处理器控制电致变色凹透镜的电流信号，使得电致变色凹透镜处于非透明状态，阻挡外景的光线，同时CPU控制GPU产生AR模式的虚拟图像输出至像源，像源的虚拟图像通过半透半反镜和凸透镜后呈现于人眼；电源为数据处理器和图像处理器提供工作电源。
2.根据权利要求1所述VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，其特征在于：所述显示部件为两套，分别用于左眼和右眼，数据处理器对两套电致变色玻璃凹透镜输出同样的调节电流信号，图像处理器对两套像源分别输出用于左、右眼的不同图像。
3.根据权利要求1所述VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，其特征在于：所述的像源为LCOS像源、LCD像源或OLED像源。
4.根据权利要求1所述VR虚拟现实和AR增强现实兼容的头戴显示设备，其特征在于：所述半透半反镜为分光棱镜、自由曲面光学镜片或光波导镜片。
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