CN107315250A - 一种低延时的头戴式无线显示装置及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低延时的头戴式无线显示装置及实现方法，包括头戴固定支架，其特征在于，头戴固定支架的主体结构位于人的头部前方，头戴固定支架主体结构下方安装了光学可透的显示模块，该显示模块位于人眼正前方，实现可穿透式增强现实效果；供电模块、扬声器、按键位于头戴固定支架两侧的腿部结构上；头戴固定支架主体结构的内部安装电子部件。无线收发模块与外部电子设备通过WIFI、WiGig无线通信网络连接，低延时的头戴无线显示装置使用WiFi和WiGig两种无线传输方式，根据传输的数据内容类型的不同，选择不同的传输方式。
Description
技术领域
本发明涉及一种低延时的头戴式无线显示装置及其实现方法。
背景技术
现有的头戴式显示装置（HMD,Head-Mounted Display）主要分为两种形式，“一体式”和“分体式”。一体式头戴显示装置是指大部分的硬件部件都集中在一起，都位于头部装置中，包括了显示模块，计算模块，通信模块，电源模块等；分体式头戴显示装置是指仅有显示模块和一部分传感器模块集成在头戴装置，其他的计算模块，通信模块，电源模块等集成在另外一个硬件主体中，头戴装置和外部的硬件主体通过线缆进行连接。
两种形式的头戴显示装置都存在明显不足：一体式头戴显示装置为了控制发热和重量，通常采用较低性能的处理器和较少容量的电池；而为了更好的处理性能和更多的显示内容来源，由头戴显示装置主体以外的另一部分硬件来提供处理性能和图像来源的分体式方式是一种很好的解决方案，但是分体式的头戴装置由于有一根线缆连接另一部分硬件，会造成人的头部动作、身体动作的不便，因而在灵活性和便携性上又不如一体式的头戴显示装置。
综上所述，有必要提供一种低延时的头戴式无线显示装置来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低延时的头戴式无线显示装置及其实现方法，解决现有一体式或分体式头戴式显示装置体验不佳的问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种低延时的头戴式无线显示装置，包括头戴固定支架，其特征在于，
头戴固定支架的主体结构位于人的头部前方，头戴固定支架主体结构下方安装了光学可透的显示模块，该显示模块位于人眼正前方，实现可穿透式增强现实效果；
供电模块、扬声器、按键位于头戴固定支架两侧的腿部结构上；
头戴固定支架主体结构的内部安装电子部件，电子部件包括:
显示处理单元，接收来自控制模块的视频信号并将其转换为特定的与显示屏相匹配的信号格式，然后分别传输给左右显示模块中的左右显示屏；
控制模块，获取传感器的数据，根据数据的当前数值及变化趋势进行分析判断，根据分析判断的结果可向其它功能模块发出功能指令，控制模块还接收位于头戴固定支架腿部结构中的按键被使用者手动触发后发出的信号，
传感器，包括测定空间姿态的空间姿态传感器和环境光感传感器，空间姿态传感器实时记录姿态动作数据，环境光感传感器实时记录环境光线强度数据，然后发送到控制模块；
无线收发模块，与外部电子设备通过无线通信网络连接，外部电子设备输出影音图像通过无线收发模块传输到低延时的头戴式无线显示装置上。
所述无线收发模块与外部电子设备通过WIFI、WiGig无线通信网络连接，低延时的头戴无线显示装置使用WiFi和WiGig两种无线传输方式，根据传输的数据内容类型的不同，选择不同的传输方式。
所述头戴式无线显示装置通过无线方式从外部电子设备获取实时影音数据时，通过802.11ad WiGig的无线技术传输，传输其它数据时采用802.11 a/b/g/n的常规WIFI技术传输。
一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤：头戴式无线显示装置的无线收发模块首先通过WiGig和WIFI两种方式同时搜索外部的电子设备，如果只有其中一种方式有搜索到并与外部电子设备建立了连接，则就用该种方式与外部电子设备进行数据传输；如果头戴式无线显示装置的无线收发模块通过WiGig和WIFI两种方式都能搜索到同一外部设备并能同时建立连接，则用WiGig网络传输影音数据，而用WIFI网络传输其它传感数据、指令数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所述的一种低延时的头戴无线显示装置使用WiFi和WiGig两种无线传输方式，根据传输的数据内容类型的不同，选择不同的传输方式；
本发明所述的一种低延时的头戴无线显示装置实现了头戴式光学近眼可透（see-through）显示，透过半透明的显示画面，可以看到外接真实的环境，实现增强现实的显示效果；
本发明所述的一种低延时的头戴无线显示装置集成了电池设备，并且实现了装置的快速充电功能和有线、无线不同的充电模式，提升了装置的供电效率和使用体验。
附图说明
图1为一种低延时的头戴式无线显示装置的结构示意图；
图2为一种低延时的头戴式无线显示装置的组成原理框图；
图3为一种低延时的头戴式无线显示装置的显示模块原理示意图。
具体实施方式
如图1所示的本发明的一种低延时的头戴式无线显示装置的结构示意图。包括头戴固定支架1，显示模块2，电子部件3，扬声器6，供电模块7等。
其中，头戴固定支架1作为主体装置结构，主要通过鼻部和耳朵上方与头部接触和固定支撑，头戴固定支架1的主体结构位于人的头部前方，其他的电子部件都安装在支架内部并相互连接。
头戴固定支架主体结构下方安装了光学可透(see-through)效果的显示模块2，该显示模块2位于人眼正前方，显示模块所显示的虚像位于人的视线的正前方，显示模块具备可透（see-through）成像功能，能让人看到显示虚像的同时透过可透的显示模块，看到外界的真实环境,实现可穿透式增强现实效果。显示模块2上方的头戴固定支架主体结构的内部安装着主要的电子部件3，电子部件3包括显示处理单元、控制模块、传感器、无线收发模块，扬声器6、供电模块7和按键9位于头戴固定支架1两侧的腿部结构10上。
头戴固定支架的腿部结构10可以向内折叠，折叠后有利于能减少装置在不工作的状态下的空间占用，有利于方便使用者携带搬运和存放。腿部结构10与头戴固定支架的主体通过一个具有弹性的转轴结构11进行连接，该转轴结构可以提供一个向头部方向的夹力，使使用者佩戴更舒适牢固。
在本实施例中，头戴固定支架还可以安装辅助性增强固定的弹性头带12，用于减轻使用者长时间佩戴装置时对人的鼻梁、耳部的压迫感，提升舒适度。
在本实施例中，在头戴固定支架的上壳部分设置有金属散热材料13，用以加快显示模块和其他电路器件的散热。
在本实施例中，在头戴固定支架的显示模块的外部（外侧），可以安装遮阳镜片14，一方面，该镜片可以对装置和人的眼睛起到一定的防护外部冲击的作用，另一方面，可以遮蔽一部分外界光线，使显示模块上呈现的影像更加清晰。该遮阳镜片为可更换的，使用者可以根据外界不同的光线强度更换不同透视程度的遮阳镜片，已达到更好的增强现实显示效果。
如图2所示的一种低延时的头戴式无线显示装置的组成原理框图，控制模块分别与显示处理单元、传感器、无线收发模块、扬声器以及按键相连接，显示处理单元与显示模块连接，无线收发模块与外部电子设备通过WIFI、WiGig等无线通信网络连接。
传感器主要包括磁场、重力加速度、陀螺仪在内的测定空间姿态的空间姿态传感器和环境光感传感器。空间姿态传感器实时记录姿态动作数据，环境光感传感器实时记录环境光线强度数据，然后发送到控制模块。
控制模块连接传感器，并获取传感器的数据，根据数据的当前数值及变化趋势进行分析判断，根据分析判断的结果可向其它功能模块发出功能指令，从而实现了低延时的头戴式无线显示装置的部分功能的自动化控制。当环境光感传感器发出的数值减少，控制模块分析判断环境在变暗，需调低显示屏亮度，于是便自动发出降低显示屏亮度的指令到显示处理单元；当空间姿态传感器发出的数值出现一次快速变化，控制模块根据数值变化情况判断是使用者的头部做了一次快速抬头的动作，根据控制模块中预置的处理方案，控制模块发出调高音量的指令到扬声器单元。
进一步地，控制模块还可接收位于头戴固定支架腿部结构中的按键被使用者手动触发后发出的信号，当使用者想实现某个操作，可用手指按支架腿部上的对应功能按键，控制模块接收到按键信号后再发出相应指令给对应的功能模块，例如发送指令到显示处理单元，实现显示亮度调节、2D/3D影像切换功能，或发出指令给扬声器单元以实现音量调节功能。
在一个实例里，控制模块采用嵌入式系统，控制模块的处理器采用晨星半导体公司的MSTAR TSUMV56RU芯片，该芯片支持HDMI输入，LVDS输出，立体声输出，可以接收按键指令和传感器数据，同时内置的MCU芯片可以实现简单程序运算，能实现控制模块的所有功能需求。
无线收发模块实现与外部电子设备的无线通信，外部电子设备可以是任何的带影音输出功能并具备相应的无线收发功能的装置，比如家用的普通蓝光播放机加装无线收发模块，外部电子设备输出影音图像通过无线收发模块传输到低延时的头戴式无线显示装置上。同样的原理，外部电子设备不仅限于家用，也适用于任何工业上、医疗、教育、安保等行业领域带影音输出的电子设备。还有一种功能更强大的外部电子设备可以是带运算处理和无线通讯能力的电子设备，比如能够生成多路视频画面（画面可以是自身运算生成，也可以是采集接收来自其它的设备）、同时具备WiFI/WiGig无线通信能力的计算机，它可以接收来自一种头戴式无线显示装置的传感数据和指令数据，经过智能的处理和分析后，将需要的内容画面以实时的低延时的无线影音流的方式发送到头戴式无线显示装置。
在一个实施例里，控制模块将接收到的传感器数据和按键指令通过无线收发模块发送到外部电子设备，外部电子设备接收到数据后按预设的程序预案，将发送给低延时头戴式无线显示装置的视频数据做出相应变化，比如，当使用者佩戴低延时头戴式无线显示装置在观看外部电子设备传来的互动式360度全景影像时，外部电子设备实时接收着无线收发模块传来的传感器数据，突然数据有一个数值的变化，经外部电子设备快速的运算分析，判断出是使用者的头部往左转动了45度，然后外部电子设备立即将新的运算生成的左转了45度的全景视频画面和同步声音的影音数据通过无线方式发送到低延时头戴式无线显示装置的无线收发模块，无线收发模块再将影音数据发送控制模块，控制模块再将声音数据发送到扬声器，把图像数据发送到显示处理单元，显示处理单元再将图像数据发送到显示模块，从而让使用者通过显示模块看到自动的根据自己姿态变化而不断对应变化的虚像画面。
在另一个实例里，外部电子设备向低延时头戴式无线显示装置提供多路的视频信号内容时（这些内容画面可能是外部电子设备自身储存的和运算生成的，也可能采集接收来自更多的其它的电子设备），使用者可以触发按键发出画面内容的切换调用指令，指令经由控制模块、无线收发模块发送到外部电子设备，外部电子设备接收到指令，将多路的画面内容做各种缩放、排列、画中画等画面效果，然后将处理过后的画面再实时发送给低延时的头戴式无线显示装置。
无线收发模块实现与外部电子设备的无线通信，通信的内容包括不同种类的数据信息，例如视频、音频、文件、传感器数据等。更进一步地，无线收发模采用WiFI和WiGig两种无线通信方式同时传输，实现WiFI和WiGig两种无线通信方式的同时传输。无线收发模块按照一定的策略和方法，采用最合适的无线通信方式进行低延时的数据传输。头戴式无线显示装置的无线收发模块首先通过WiGig和WIFI两种方式同时搜索外部的电子设备，如果只有其中一种方式有搜索到并与外部电子设备建立了连接，则就用该种方式与外部电子设备进行数据传输；如果头戴式无线显示装置的无线收发模块通过WiGig和WIFI两种方式都能搜索到同一外部设备并能同时建立连接，则用WiGig网络传输影音数据，而用WIFI网络传输其它传感数据、指令数据。
在本发明的一实施例中，头戴式无线显示装置通过无线方式从外部电子设备获取实时影音数据时采用802.11ad WiGig的无线技术传输，该技术无线传输频段为60Ghz，理论上最高可达到7Gbit/s的速度传输数据，在使用该技术的状态下，可实现超低延迟的无压缩的高分辨率的影像数据的传输,可轻松实现1080p60图像无压缩的数据传输，经过实际测试，与有线HDMI图像传输相比，WiGiG方式传输的图像延迟小于4ms，以每秒60帧图像计算，延迟小于1/4帧的切换速度，这远远低于人对图像延迟的感知。这样的无线传输方式在数据传输速度上，几乎可以等同于有线数据传输带给人们的感受。更进一步的，本发明为了实现超低延时的传输效果，无线收发模块也可以采用其他图像无压缩的传输方式，比如WiDi，WHDI等技术。 当无线收发模块与外部电子设备在传输其它数据时，如传感器数据和指令数据等，则采用更常见的802.11 a/b/g/n技术传输。两种传输方式可以同时进行。
在另一实施例中，头戴无线显示装置在与外部电子设备传输传感器数据、指令数据是通过WiFi无线传输技术进行。
显示处理单元接收来自控制模块的视频信号并将其转换为特定的与显示屏相匹配的信号格式，然后分别传输给左右显示模块中的左右显示屏，使其能正常显示图像，显示处理单元同时具备2D/3D影像的切换显示处理功能，切换方式可以根据影像源的2D或3D的特性自动切换，也可以使用者通过控制模块手动控制切换。当影像源数据为3D格式时，显示处理单元将该3D影像数据分解为左右两个具备3D景深特性的两个不同的画面，然后将左眼画面发送到对应的左显示屏、右眼画面发送到对应的右显示屏，从而当使用者佩戴观看时，能够欣赏3D立体视觉的虚像画面。显示处理单元的另一个功能是屏亮度的控制，当接收到控制模块发来的调节虚像显示亮度的指令，显示处理单元调节对应的屏背光亮度。在一个实例里，显示处理单元采用美国赛灵思公司的8系列的FPGA逻辑芯片电路。
显示模块位于人眼的正前方，左右眼前方分别是其对应的左右显示模块。显示模块主要由显示屏、背光和光学镜片组成，显示屏可采用LCOS、DLP、LCD或OLED等的屏显示技术，光学镜片组通过一组特定的镜片组合而成，显示屏上的图像发出的光线通过光学镜片组的多次透射、反射后，进入到人眼，从而让人看到放大的虚像，同时，人眼也可以透过透明的光学镜片组看到外部真实环境，因此实现了可穿透式（see-through） 增强现实的近眼显示效果。显示模块的画面显示亮度可通过调节显示屏的背光的亮度来进行调节，调节方式可以根据光线传感器感知的环境亮度自动进行调节，也可以使用者手动按键进行调节。
在一个实施例中，如图3中一种低延时的头戴式无线显示装置的显示模块原理示意图所示，包括显示屏15，透镜16，可透分光镜17，可透反射镜18。显示屏15与透镜16平行设置，可透分光镜17与显示屏呈45度的夹角，可透反射镜18与显示屏15垂直设置。当显示屏15上显示出图像，光线经过透镜16汇聚，然后光线的一部分经过可透分光镜17反射到可透反射屏18，这部分光线再经过可透反射镜18反射回来进入人的眼睛，从而形成了虚像19。这是一种实现远距离的放大的虚像的一种近眼光学成像原理，特别是可透分光镜17和可透反射镜18是可透的（see-through），因此外部环境的光线也能通过可透分光镜17和可透反射镜18进入人的眼睛中，从而实现了虚像和实际环境的具象同时看到的增强现实的显示效果。
扬声器用于听取声音，安装在头戴固定支架上靠近耳朵的位置，它接收来自于无线收发模块传送而来并经由控制模块处理过后的音频信号。更进一步的，头戴式无线显示装置上有音频接口，可以接耳机设备。
供电模块的主体是电池，电池用于头戴式无线显示装置工作时的供电。供电模块提供对电池快速充电的功能，可以接入外部电源进行快速充电，充电的同时头戴式无线显示装置可以保持正常工作。外部电源可以通过有线或无线的方式对头戴式无线装置进行充电。
在一个实施例中，使用者佩戴头戴式无线显示装置在一个大的范围走动并进行长时间的工作，在使用者走动的区域范围里，特别是一些需要停留的区域里，设置了无线充电的电源装置。当使用者和装置处于装置可无线充电的范围时，使用者无需做任何操作，头戴无线显示装置自动开始快速的无线充电。这样在使用者不知不觉中中，装置即完成快速充电，以此保证使用者长时间的使用该装置。
Claims (9)
1.一种低延时的头戴式无线显示装置，包括头戴固定支架，其特征在于，
头戴固定支架的主体结构位于人的头部前方，头戴固定支架主体结构下方安装了光学可透的显示模块，该显示模块位于人眼正前方，实现可穿透式增强现实效果；
供电模块、扬声器、按键位于头戴固定支架两侧的腿部结构上；
头戴固定支架主体结构的内部安装电子部件，电子部件包括:
显示处理单元，接收来自控制模块的视频信号并将其转换为特定的与显示屏相匹配的信号格式，然后分别传输给左右显示模块中的左右显示屏；
控制模块，获取传感器的数据，根据数据的当前数值及变化趋势进行分析判断，根据分析判断的结果可向其它功能模块发出功能指令，控制模块还接收位于头戴固定支架腿部结构中的按键被使用者手动触发后发出的信号，
传感器，包括测定空间姿态的空间姿态传感器和环境光感传感器，空间姿态传感器实时记录姿态动作数据，环境光感传感器实时记录环境光线强度数据，然后发送到控制模块；
无线收发模块，与外部电子设备通过无线通信网络连接，外部电子设备输出影音图像通过无线收发模块传输到低延时的头戴式无线显示装置上。
2.如权利要求1所述的一种低延时的头戴式无线显示装置，其特征在于，所述无线收发模块与外部电子设备通过WIFI、WiGig无线通信网络连接，低延时的头戴无线显示装置使用WiFi和WiGig两种无线传输方式，根据传输的数据内容类型的不同，选择不同的传输方式。
3.如权利要求1所述的一种低延时的头戴式无线显示装置，其特征在于，所述头戴式无线显示装置通过无线方式从外部电子设备获取实时影音数据时，通过802.11ad WiGig的无线技术传输，传输其它数据时采用802.11 a/b/g/n的常规WIFI技术传输。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤：头戴式无线显示装置的无线收发模块首先通过WiGig和WIFI两种方式同时搜索外部的电子设备，如果只有其中一种方式有搜索到并与外部电子设备建立了连接，则就用该种方式与外部电子设备进行数据传输；如果头戴式无线显示装置的无线收发模块通过WiGig和WIFI两种方式都能搜索到同一外部设备并能同时建立连接，则用WiGig网络传输影音数据，而用WIFI网络传输其它传感数据、指令数据。
5.如权利要求4所述的一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于进一步包括以下步骤：当环境光感传感器发出的数值减少，控制模块分析判断环境在变暗，需调低显示屏亮度，于是便自动发出降低显示屏亮度的指令到显示处理单元；当空间姿态传感器发出的数值出现一次快速变化，控制模块根据数值变化情况判断是使用者的头部做了一次快速抬头的动作，根据控制模块中预置的处理方案，控制模块发出调高音量的指令到扬声器单元。
6.如权利要求4所述的一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于进一步包括以下步骤：控制模块将接收到的传感器数据和按键指令通过无线收发模块发送到外部电子设备，外部电子设备接收到数据后按预设的程序预案，将发送给低延时头戴式无线显示装置的视频数据做出相应变化。
7.如权利要求6所述的一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于进一步包括以下步骤：当使用者佩戴低延时头戴式无线显示装置在观看外部电子设备传来的互动式360度全景影像时，外部电子设备实时接收着无线收发模块传来的传感器数据，突然数据有一个数值的变化，经外部电子设备快速的运算分析，判断出是使用者的头部往左转动了45度，然后外部电子设备立即将新的运算生成的左转了45度的全景视频画面和同步声音的影音数据通过无线方式发送到低延时头戴式无线显示装置的无线收发模块，无线收发模块再将影音数据发送控制模块，控制模块再将声音数据发送到扬声器，把图像数据发送到显示处理单元，显示处理单元再将图像数据发送到显示模块，从而让使用者通过显示模块看到自动的根据自己姿态变化而不断对应变化的虚像画面。
8.如权利要求4所述的一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于进一步包括以下步骤：外部电子设备向低延时的头戴式无线显示装置提供多路的视频信号内容时，使用者触发按键发出画面内容的切换调用指令，指令经由控制模块、无线收发模块发送到外部电子设备，外部电子设备接收到指令，将多路的画面内容做各种缩放、排列、画中画等画面效果，然后将处理过后的画面再实时发送给低延时的头戴式无线显示装置。
9.如权利要求4所述的一种低延时的头戴式无线显示装置的实现方法，其特征在于进一步包括以下步骤：显示处理单元同时具备2D/3D影像的切换显示处理功能，切换方式根据影像源的2D或3D的特性自动切换，也可以使用者通过控制模块手动控制切换，当影像源数据为3D格式时，显示处理单元将该3D影像数据分解为左右两个具备3D景深特性的两个不同的画面，然后将左眼画面发送到对应的左显示屏、右眼画面发送到对应的右显示屏，从而当使用者佩戴观看时，能够欣赏3D立体视觉的虚像画面。
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