CN107977076B - 一种可穿戴虚拟现实设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了可穿戴虚拟现实设备，包括从近到远依次固定连接在头箍(1)上的第一导轨(2)和第二导轨(3)，以可平移且可转动的方式连接于第一导轨(2)的摄像头(10)和以可平移且可转动的方式连接于第二导轨(3)的成像器(7)；所述头箍(1)用于将所述可穿戴虚拟现实设备固定在用户头上；所述摄像头(10)用于跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；所述成像器(7)用于为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中。根据本发明的可穿戴虚拟现实设备使用户在转动眼球时也能获得良好的三维立体视觉和虚拟现实体验，并且通过调整设备的重心使得用户在长期佩戴设备时感觉更加舒适并且避免设备对用户身体的损害。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，具体为一种可穿戴虚拟现实设备。
背景技术
虚拟现实技术是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。
当前的虚拟现实技术大多被用于视频相关行业，例如播放3D视频的虚拟现实设备。然而当前的虚拟现实设备仍然较为笨重，穿戴不舒服，长时间使用，眼部容易产生疲劳，尤其在用手机作为成像器时问题更为严重。
此外，由于当前VR技术仍然不够成熟，视野、屏幕以及当前显示画面的不匹配，大多VR设备都存在黑边现象，导致用户在体验VR世界时，沉浸感不足，用户体验不佳。
对于黑边问题的解决办法，现有技术通过使用大弧面屏幕或加宽屏幕来解决该类问题，但是采用大弧面屏幕会大幅增加硬件设备成本，而加宽屏幕会使得VR设备变厚。为了在不大幅增加生产成本且不改变VR设备的形状大小的基础上解决黑边现象，中国专利申请CN106708270A公开了一种虚拟现实设备，通过实时对当前用户的眼球进行跟踪，当检测到眼球发生移动时生成驱动指令，使得驱动部件驱动屏幕根据眼球的移动方向进行移动，以去掉虚拟现实设备的黑边。然而，目前头戴式虚拟现实显示设备(主要是虚拟现实VR眼镜)普遍采用透镜进行双目立体显示，简单移动屏幕或将屏幕与透镜一起移动都会导致透镜不能在用户眼球处形成合适的虚拟现实图像，从而影响用户体验。因此仍然需要改进的可穿戴虚拟现实设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增强现实的设备，以解决上述背景技术中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
在一个方面，本发明提供一种可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，包括从近到远依次固定连接在头箍上的第一导轨和第二导轨，以可平移且可转动的方式连接于第一导轨的摄像头和透镜，和以可平移且可转动的方式连接于第二导轨的成像器；所述头箍用于将所述可穿戴虚拟现实设备固定在用户头上；所述摄像头用于跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；所述成像器用于为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中；所述透镜用于将所述成像器提供的图像转变为虚拟现实图像并投射到用户眼中；所述摄像头的光轴和所述透镜的光轴与用户眼球的光轴共面。
进一步地，所述透镜设置于摄像头的上方或下方，与用户眼球共光轴，并且位于用户眼球与成像器之间。
进一步地，第一导轨上设有可沿第一导轨平移的摄像头平移装置，摄像头平移装置的下部设有摄像头转动装置，摄像头连接于摄像头转动装置的下端；第二导轨上设有可沿第二导轨平移的成像器平移装置，成像器平移装置的下部设有成像器转动装置，成像器连接于成像器转动装置的下端。
进一步地，所述摄像头有两个，分别用于跟踪拍摄用户的左眼球和右眼球；所述成像器具有水平排列的两个成像区域，分别用于为用户的左眼球和右眼球提供图像；所述透镜有两个，分别用于将所述两个成像区域的图像转变为虚拟现实图像并投射到用户的左眼球和右眼球；优选地，所述成像区域是手机上通过软件分屏形成的两个成像区域，或者是由两个分离的显示屏提供的两个成像区域。
进一步地，当用户正视前方时，所述两个摄像头光轴的对称面和所述成像器的两个成像区域的对称面与用户两个眼球光轴的对称面共面。
进一步地，当用户眼球水平转动夹角a时，所述透镜24通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户眼球光轴共轴，并且成像器7通过平移和转动使其两个成像区域的对称面转动夹角b，其中夹角a大于等于夹角b；优选地，夹角a与夹角b的比例为1:1至3:1，1:1.1至1:2.5,1:1.5至1:2等；更优选地，所述比例随夹角a的增加而增加；更优选地，夹角a与夹角b的关系式如下：
其中，y为夹角b的弧度，x为夹角a的弧度，x的取值范围是0至e为自然常数；优选地，两个透镜24各自独立地保持其光轴与左眼和右眼光轴共轴，并且上述夹角a为左眼和右眼转动角度的平均值。
进一步地，所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，还包括设置在头箍上的、与第一导轨和第二导轨相对的、位置可调的配重块，用于将所述可穿戴虚拟现实设备的重心调整到头箍的中部。
进一步地，所述头箍上由近到远依次设有与第一导轨和第二导轨相对的第三导轨和第四导轨，第三导轨上设有配重块第一平移装置，第四导轨上设有配重块第二平移装置，配重块第一平移装置与配重块第二平移装置之间螺杆，所述配重块以可平移的方式设置在螺杆上；优选地，螺杆的一端通过配重块纵移装置连接在配重块第二平移装置的下端，螺杆的另一端以可旋转的方式连接于配重块第一平移装置的下端，配重块纵移装置通过驱动螺杆旋转使得配重块在第三导轨和第四导轨之间移动。
在另一方面，本发明提供一种使用所述可穿戴虚拟现实设备的方法，包括：
将所述可穿戴虚拟现实设备通过头箍佩戴在用户头上；
在第一导轨上平移和/或转动摄像头以跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；
在第二导轨上平移和/或转动成像器以便为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中。
进一步地，所述方法，还包括：
在第三导轨和第四导轨上平移平移配重块和/或在螺杆上纵移配重块以便将所述可穿戴虚拟现实设备的重心调整到头箍的中部。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
根据本发明的可穿戴虚拟现实设备使用户在转动眼球时也能获得良好的三维立体视觉和虚拟现实体验，并且通过调整设备的重心使得用户在长期佩戴设备时感觉更加舒适并且避免设备对用户身体的损害。
附图说明
图1为本发明设备的一种实施方式的内部结构俯视示意图；
图2为图1所示本发明设备的内部结构侧视示意图；
图3为图1所示本发明设备的局部结构示意图；
图4为图1所示本发明设备的工作状态结构示意图；
图中：1-头箍；2-第一导轨；3-第二导轨；5-摄像头平移装置；6-摄像头转动装置；7-成像器；8-成像器平移装置；9-成像器转动装置；10-摄像头；11-配重块；12-配重块第一平移装置；13-配重块第二平移装置；14-螺杆；15-第三导轨；16-第四导轨；17-固定架；18-护罩；19-外壳；20-护罩旋钮；21-电源；22-控制器；23-压力传感器；24-透镜；25-配重块纵移装置；26-摄像头翻转装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。实施例中提及的零部件、机构、设备和仪器中未给出型号和厂家的均为现有技术中存在或根据现有技术简单加工得到的或可通过商业途径获得的那些。
请参阅图1-4，本发明提供一种可穿戴虚拟现实设备，包括头箍1、第一导轨2、第二导轨3、两个摄像头10、两个透镜24、成像器7和配重块11。所述头箍1用于将所述可穿戴虚拟现实设备固定在用户头上。第一导轨2和第二导轨3通过固定架17从近到远依次固定连接在头箍1上，第一导轨2和第二导轨3均具有与头箍1类似的轮廓(也即类似于用户头部的形状)。第一导轨2在各处与头箍1的距离大致相等，第二导轨3从用户眼部到耳部附近与第一导轨的距离可以大致相等，优选逐渐减小，以便使成像器更快地转向用户眼球。
第一导轨2上设有可沿第一导轨2平移的摄像头平移装置5，摄像头平移装置5的下部连接有摄像头转动装置6，摄像头10连接于摄像头转动装置6的下端，这样摄像头10在平移装置5和转动装置6的驱动下即可沿第一导轨2近距离追踪和拍摄用户眼球，保持摄像头10的镜头对准用户眼球，以获得更清晰的眼球图像，精准确定眼球的位置信息以及光轴信息。所述摄像头10有两个，分别用于跟踪和拍摄用户的左眼球和右眼球。
第二导轨3上设有可沿第二导轨3平移的成像器平移装置8，成像器平移装置8的下部设有成像器转动装置9，成像器7连接于成像器转动装置9的下端，这样成像器7在平移装置8和转动装置9的驱动下沿第二导轨3跟随由摄像头10确定的眼球的位置，使得成像器7始终能够为用户提供完整图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中。成像器7具有水平排列的两个成像区域，分别用于为用户的左眼球和右眼球提供图像，两个成像区域之间可以设置隔板以避免左眼球看到为右眼提供的图像，或者相反。优选地，所述成像区域是手机上通过软件分屏形成的两个成像区域。
所述透镜24设置在摄像头10的上方或下方，并能够随摄像头一起平移和转动，用于将所述成像器7提供的图像转变为虚拟现实图像并投射到用户眼中。优选地，如图3和图4所示，所述透镜24设置于摄像头10的上方，与用户眼球共光轴，并且位于用户眼球与成像器7之间。所述摄像头10的光轴和所述透镜24的光轴可以在同一个纵切面上，这样可在将摄像头10调整至与用户眼球的光轴共面时，透镜24的光轴也与用户眼球的光轴共面，避免了透镜24的光轴与用户眼球光轴不一致时造成的视差，为用户提供更好的虚拟现实体验。所述透镜24有两个，各自独立地控制，分别用于将所述两个成像区域的图像转变为虚拟现实图像并投射到用户的左眼球和右眼球。
平移装置5和8可以是能精确控制移动距离的由电机驱动在导轨2和3上行走的包括胶轮或齿轮或牵引绳等的行走机构；转动装置6和9可以是能精确控制旋转角度的由电机驱动的包括旋转轴的旋转机构。优选采用可精确定位的行走机构后旋转机构，以确定摄像头10和成像器7的位置。在一些情况下，摄像头10通过翻转装置26设置在摄像头转动装置6的下方，摄像头翻转装置26用于沿纵向改变摄像头10的拍摄区域，例如可以是由电机驱动的水平轴。这样，可以使摄像头10向上翻转拍摄头箍1外壁上的定位标记，由此确定摄像头10与头箍1的相对位置时；或者使摄像头10向外翻转拍摄成像器7和第二导轨3，由此确定成像器7在第二导轨3上的位置。本发明中利用摄像头10拍摄的图像确定眼球(尤其是瞳孔)位置以及各个标记的位置的算法均为现有技术中已知的那些。
当用户正视前方时，所述两个摄像头10光轴的对称面和所述成像器7的两个成像区域的对称面与用户两个眼球光轴的对称面共面。
如图4所示，当用户眼球转动夹角a时，所述透镜24通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户眼球光轴共轴，并且成像器7通过平移和转动使其两个成像区域的对称面转动夹角b，其中夹角a大于等于夹角b；优选地，夹角a与夹角b的比例为1:1至3:1，1:1.1至1:2.5,1:1.5至1:2等；更优选地，所述比例随夹角a的增加而增加；更优选地，夹角a与夹角b的关系式如下：
其中，y为夹角b的弧度，x为夹角a的弧度，x的取值范围是0至e为自然常数。优选地，两个透镜24各自独立地保持其光轴与左眼和右眼光轴共轴，并且上述夹角a为左眼和右眼转动角度的平均值。由于人类双眼在左右转动时并不能始终保持转动角度相同，例如双眼向左转动时，左眼通常比右眼转动更大的角度，而虚拟现实需要用户用双眼观察从不同角度拍摄的图像以形成三维立体视觉，因此成像器7在随用户眼球移动时需要同时为左眼和右眼提供图像，在用户眼球转动夹角a时成像器7转动较小的夹角b，尤其是采用上述关系式确定的夹角b，可以更好地维持三维立体视觉。
的所述可穿戴虚拟现实设备，还包括设置在头箍1上的、与第一导轨2和第二导轨3相对的、位置可调的配重块11，用于将所述可穿戴虚拟现实设备的重心调整到头箍1的中部。优选地，所述头箍1上由近到远依次设有与第一导轨2和第二导轨3相对的通过固定架17固定在头箍1上的第三导轨15和第四导轨16，第三导轨15上设有配重块第一平移装置12，第四导轨16上设有配重块第二平移装置13，配重块第一平移装置12与配重块第二平移装置13之间螺杆14，所述配重块11以可平移的方式设置在螺杆14上；优选地，螺杆14的一端通过配重块纵移装置25连接在配重块第二平移装置13的下端，螺杆14的另一端以可旋转的方式连接于配重块第一平移装置12的下端，配重块纵移装置25通过驱动螺杆14旋转使得配重块11在第三导轨15和第四导轨16之间移动。由于所述可穿戴虚拟现实设备的大部分部件集中在前部并且部分部件在工作时会绕用户头部旋转，采用可移动的配重块，一方面可将设备重心调整到头箍中部避免设备前倾，另一方面可通过配重块抵消部件旋转的动量避免设备在用户头部上的位置移动，从而改善三维立体显示效果，在长期佩戴时减小设备对用户身体的负担和损害，为用户提供更好的虚拟现实体验。
所述可穿戴虚拟现实设备以头盔形式提供，还可以包括外壳19和护罩18，外壳19通过固定架17固定在外部，并且在用户眼部区域具有空缺以露出用户的双眼；护罩18设置在外壳19的前部，并其通过外壳两侧的两个护罩旋钮20可旋转地固定在外壳19上，护罩18可绕护罩旋钮20旋转以可上下移动的方式遮蔽或露出用户的眼部区域。外壳19和护罩18可以是相同或不同的不透明或透明度很低的材料制成，为用户提供阴暗环境，以更好地获得虚拟现实体验。在外壳19的内部还可设有用于提供电能的电源21(例如蓄电池等)和用于控制设备运行的控制器22。在头箍1的内壁上还可设有多个(优选3个、4个或更多个)可与用户头部接触的压力传感器23，用于检测头箍1对用户头部各部分的压力，控制器22根据测得的压力确定设备重心并控制移动配重块将重心调整至头箍1的中部，优选地，调整配重块直至头箍1对用户头部各部分的压力基本相等，或者调整所述重心至用户头部的几何中心。
在一些情况下，所述可穿戴虚拟现实设备的使用方法，包括：
将所述可穿戴虚拟现实设备通过头箍1佩戴在用户头上；
在第一导轨2上平移和/或转动摄像头10以跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；
在第二导轨3上平移和/或转动成像器7以便为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中，其中
在第三导轨15和第四导轨16上平移平移配重块11和/或在螺杆14上纵移配重块11以便将所述可穿戴虚拟现实设备的重心调整到头箍1的中部。
根据本发明的可穿戴虚拟现实设备使用户在转动眼球时也能获得良好的三维立体视觉和虚拟现实体验，并且通过调整设备的重心使得用户在长期佩戴设备时感觉更加舒适并且避免设备对用户身体的损害。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (12)
1.一种可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，包括从近到远依次固定连接在头箍(1)上的第一导轨(2)和第二导轨(3)，以可平移且可转动的方式连接于第一导轨(2)的摄像头(10)和透镜(24)，和以可平移且可转动的方式连接于第二导轨(3)的成像器(7)；所述头箍(1)用于将所述可穿戴虚拟现实设备固定在用户头上；所述摄像头(10)用于跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；所述成像器(7)用于为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中；所述透镜(24)用于将所述成像器(7)提供的图像投射到用户眼中；所述摄像头(10)的光轴和所述透镜(24)的光轴与用户眼球的光轴共面；所述摄像头(10)有两个，分别用于跟踪拍摄用户的左眼球和右眼球；所述成像器(7)具有水平排列的两个成像区域，分别用于为用户的左眼球和右眼球提供图像；所述透镜(24)有两个，分别用于将所述两个成像区域的图像投射到用户的左眼球和右眼球；当用户眼球水平转动夹角a时，所述透镜(24)通过平移和转动使其光轴仍然保持与用户眼球光轴共轴，并且成像器(7)通过平移和转动使其两个成像区域的对称面转动夹角b，其中夹角a大于等于夹角b。
2.根据权利要求1的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，所述透镜(24)设置于摄像头(10)的上方或下方，与用户眼球共光轴，并且位于用户眼球与成像器(7)之间。
3.根据权利要求1的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，第一导轨(2)上设有可沿第一导轨(2)平移的摄像头平移装置(5)，摄像头平移装置(5)的下部设有摄像头转动装置(6)，摄像头(10)连接于摄像头转动装置(6)的下端；第二导轨(3)上设有可沿第二导轨(3)平移的成像器平移装置(8)，成像器平移装置(8)的下部设有成像器转动装置(9)，成像器(7)连接于成像器转动装置(9)的下端。
4.根据权利要求1-3中任一项的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，所述成像区域是手机上通过软件分屏形成的两个成像区域，或者是由两个分离的显示屏提供的两个成像区域。
5.根据权利要求4的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，当用户正视前方时，所述两个摄像头(10)光轴的对称面和所述成像器(7)的两个成像区域的对称面与用户两个眼球光轴的对称面共面。
6.根据权利要求4的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，所述夹角a与夹角b的比例为1:1至3:1，所述比例随夹角a的增加而增加；夹角a与夹角b的关系式如下：
其中，y为夹角b的弧度，x为夹角a的弧度，x的取值范围是0至e为自然常数。
7.根据权利要求6的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，两个透镜24各自独立地保持其光轴与左眼和右眼光轴共轴，并且上述夹角a为左眼和右眼转动角度的平均值。
8.根据权利要求1-3中任一项的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，还包括设置在头箍(1)上的、与第一导轨(2)和第二导轨(3)相对的、位置可调的配重块(11)，用于将所述可穿戴虚拟现实设备的重心调整到头箍(1)的中部。
9.根据权利要求8的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，所述头箍(1)上由近到远依次设有与第一导轨(2)和第二导轨(3)相对的第三导轨(15)和第四导轨(16)，第三导轨(15)上设有配重块第一平移装置(12)，第四导轨(16)上设有配重块第二平移装置(13)，配重块第一平移装置(12)与配重块第二平移装置(13)之间螺杆(14)，所述配重块(11)以可平移的方式设置在螺杆(14)上。
10.根据权利要求9的所述可穿戴虚拟现实设备，其特征在于，所述螺杆(14)的一端通过配重块纵移装置(25)连接在配重块第二平移装置(13)的下端，螺杆(14)的另一端以可旋转的方式连接于配重块第一平移装置(12)的下端，配重块纵移装置(25)通过驱动螺杆(14)旋转使得配重块(11)在第三导轨(15)和第四导轨(16)之间移动。
11.一种使用根据权利要求1-10中任一项的所述可穿戴虚拟现实设备的方法，包括：
将所述可穿戴虚拟现实设备通过头箍(1)佩戴在用户头上；
在第一导轨(2)上平移和/或转动摄像头(10)以跟踪和拍摄用户的眼球以确定眼球光轴；
在第二导轨(3)上平移和/或转动成像器(7)以便为用户提供图像并且将图像呈现在所述眼球光轴中。
12.根据权利要求11的所述方法，还包括：
在第三导轨(15)和第四导轨(16)上平移配重块(11)和/或在螺杆(14)上纵移配重块(11)以便将所述可穿戴虚拟现实设备的重心调整到头箍(1)的中部。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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