CN108427208B - 一种无透镜的3d头盔显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无透镜的3D头盔显示系统,包括影像显示模块、光学传输反射隔离模块、视窗模块和外壳框架;所述影像显示模块利用影像播放软件、硬件输出影像,输出的影像为照片或视频,影像显示模块包括显示屏,显示屏通过附着装置附着;所述光学传输反射隔离模块由两个相互隔离的光学腔室组成,光学腔室分别对应左眼视窗、右眼视窗;所述视窗模块包括左眼视窗、右眼视窗,左眼视窗、右眼视窗供左眼、右眼分别对应;所述外壳框架为两个光学腔室的外部硬件框架,外壳框架用于将光学腔室、附着装置、外部设备整合成为一个整体。本发明能够通过人的视觉运算能力,通过双眼对同一个物光元的视线延伸交叉获得3D空间位置。
Description
【技术领域】
本发明涉及3D显示的技术领域,特别是一种无透镜的3D头盔显示系统的技术领域。
【背景技术】
当前国际上的光场拍摄、Kinect技术、PrimeSense、Light Flight、Oculus VR等等相关技术,效果虽然好,但是整个硬件投入很大、复杂程度高、运算量很大,虽然提供了很优秀的能力,从性价比、保真、体验来说,存在一些不足。
物光元指在成像过程中,一个像元面积通过光心反向投射所能够笼罩的景物的区域,拍摄过程中处于该区域的景物射出到摄像设备镜头的光束,将投射到该像元上。视点指基于一个点位(光心)接收到的光场的模型中的光心的点位,用于说明当人的一只眼睛处于该点位时,看向拍摄物方向时,该眼睛在该点位能够观察到当前拍摄所获得的光路、光场信息,相当于摄像头的视线出发点。
虽然人的单眼也具备一定的距离感知能力,因为单个眼球具备自动调节对焦的能力,理论上具备识别物体远近距离的能力,但是在实际上,更多的时候,是通过对物体大小、地面参照物、周边参照物等等方式进行经验性的距离判断,通过眼睛的对焦情况进行距离判断的能力,大部分人都存在一定的困难。在部分缺乏参照系的纯黑色场景中,一个5米远的直径为10cm的白色发光圆盘,与一个10米远的直径为50cm的白色发光圆盘,单眼的判断有很大的可能性认为后者(50cm的圆盘)距离更近。
【发明内容】
本发明的目的就是解决现有技术中的问题,提出一种无透镜的3D头盔显示系统,能够通过人的视觉运算能力,通过双眼对同一个物光元的视线延伸交叉获得3D空间位置;本发明以最低的运算、性能要求,用最低的成本实现高质量、低成本的3D观看效果。
为实现上述目的,本发明提出了一种无透镜的3D头盔显示系统,包括影像显示模块、光学传输反射隔离模块、视窗模块和外壳框架;所述影像显示模块利用影像播放软件、硬件输出影像,输出的影像为照片或视频,影像显示模块包括显示屏,显示屏通过附着装置附着;所述光学传输反射隔离模块由两个相互隔离的光学腔室组成,光学腔室分别对应左眼视窗、右眼视窗;所述视窗模块包括左眼视窗、右眼视窗,左眼视窗、右眼视窗供左眼、右眼分别对应;所述外壳框架为两个光学腔室的外部硬件框架,外壳框架用于将光学腔室、附着装置、外部设备整合成为一个整体;所述左眼视窗获得影像的光线射入;所述左眼从左眼视窗观看到第一显示屏所显示的影像;所述第一显示屏发射出的光线,在左眼对应的腔室空间内,经过第一反光镜、第二反光镜的二次反射才能够通过左眼视窗抵达左眼,其余方向的光线,将被腔室空间吸收,或者被第一挡板遮挡;所述第一反光镜、第二反光镜采用平行摆放,并与腔室空间的水平剖面垂直;所述第一显示屏中心位置的第一光源发射出的光线,经过两次反射,按照光路才能够顺利抵达左眼,第一显示屏的其他光源也将经过两次反射,顺利抵达左眼;所述第一光源发射出的光线,抵达左眼的光路,代表的是瞳孔接收到该光源的光束的中心光路;所述第一光源对左眼来说,其距离是三条光路的总长,第一光源的视觉位置为第一视觉光源;所述第一显示屏的视觉位置为第一视觉显示屏;所述第一视觉显示屏的中心点与左眼的眼球中心点在第一视觉显示屏平面上的投影点重合;所述右眼视窗获得影像的光线射入;所述右眼从右眼视窗观看到第二显示屏所显示的影像;所述第二显示屏发射出的光线,在右眼对应的腔室空间内,经过第三反光镜、第四反光镜的二次反射才能够通过右眼视窗抵达右眼,其余方向的光线,将被腔室空间吸收,或者被第二挡板遮挡;所述第三反光镜、第四反光镜采用平行摆放,并与腔室空间的水平剖面垂直;所述第二显示屏中心位置的第二光源发射出的光线,经过两次反射,按照光路才能够顺利抵达右眼,第二显示屏的其他光源也将经过两次反射,顺利抵达右眼;所述第二光源发射出的光线,抵达右眼的光路,代表的是瞳孔接收到该光源的光束的中心光路;所述第二光源对右眼来说,其距离是三条光路的总长,第二光源的视觉位置为第二视觉光源;所述第二显示屏的视觉位置为第二视觉显示屏;所述第二视觉显示屏的中心点与右眼的眼球中心点在第二视觉显示屏平面上的投影点重合。
作为优选,所述影像显示模块,在进行影像输出时,根据光学传输隔离模块的瞳距规格、显示区域尺寸参数,进行调整,从而输出符合对应规格的影像,确保用户能够获得良好的观看体验。
作为优选,所述显示屏为平面显示屏或凹面屏;所述附着装置为卡扣或弹性绷带,所述显示屏通过卡扣或弹性绷带附着在头盔的屏幕附着区域上。
作为优选,所述光学腔室采用黑色材料组成;所述光学腔室左右对称设置。
作为优选,所述左眼视窗、右眼视窗的中心点之间的距离为W,左眼视窗、右眼视窗对应的两个显示区域的中心点之间的距离为D,W的长度小于D的长度,D的长度为4cm-8cm。
作为优选,所述左眼对应的光路与右眼对应的光路左右对称;所述左眼对应的第一显示屏与右眼对应的第二显示屏处于同一平面上;所述第一显示屏、第二显示屏为同一显示屏的两个显示区域;所述第一显示屏、第二显示屏连接在一起或存在一定的距离并保持分离状态。
本发明的有益效果:本发明能够通过人的视觉运算能力,通过双眼对同一个物光元的视线延伸交叉获得3D空间位置;本发明以最低的运算、性能要求,用最低的成本实现高质量、低成本的3D观看效果。
本发明旨在解决低成本、高质量获得3D观赏效果,并最大程度基于现有产业的技术、标准、硬件等等现有条件,实现产业快速升级,给用户提供全新的体验,为相关产业的升级与发展提供通道。
本发明基于双眼睛的成像能力,根据眼睛的瞳孔(作为视点)的位置,通过对应左右眼的两个视窗,通过头盔显示系统的光学传输反射隔离模块,分别获取影像显示模块对应输出的两幅图像,并且两眼获得的图像在空间位置上可存在大幅度的重叠,然后因为光学传输反射隔离模块的隔离,两眼获得的内容相互独立,通过人脑的常规图像处理能力,以更加符合视觉感知的形式,形成3D视觉效果。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明一种无透镜的3D头盔显示系统的系统结构说明图;
图2是本发明一种无透镜的3D头盔显示系统的左眼视觉成像对应的光路设计图;
图3是本发明一种无透镜的3D头盔显示系统的右眼视觉成像对应的光路设计图;
图4是本发明一种无透镜的3D头盔显示系统的双眼视觉成像对应的光路设计图;
图5是本发明一种无透镜的3D头盔显示系统的三维透视结构示意图;
图6是本发明一种无透镜的3D头盔显示系统的水平剖面双眼视觉影像3D成像的光路设计图。
图中:
11为左眼视窗,121-122-123-124为左眼视窗对应的屏幕显示区域,14为第一显示屏,1402为第一光源,1412、1422、1432、2412、2422、2432均为光路,15为第一视觉显示屏,1502为第一视觉光源,17为第一反光镜,18为第二反光镜,19为第一挡板,21为右眼视窗,221-222-223-224为右眼视窗对应的屏幕显示区域,24为第二显示屏,2402为第二光源,25为第二视觉显示屏,2502为第二视觉光源,27为第三反光镜,28为第四反光镜,29为第二挡板,321-322-323-324为头盔的屏幕附着区域。
【具体实施方式】
参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6,本发明,包括影像显示模块、光学传输反射隔离模块、视窗模块和外壳框架;所述影像显示模块利用影像播放软件、硬件输出影像,输出的影像为照片或视频,影像显示模块包括显示屏,显示屏通过附着装置附着;所述光学传输反射隔离模块由两个相互隔离的光学腔室组成,光学腔室分别对应左眼视窗11、右眼视窗21;所述视窗模块包括左眼视窗11、右眼视窗21,左眼视窗11、右眼视窗21供左眼1、右眼2分别对应;所述外壳框架为两个光学腔室的外部硬件框架,外壳框架用于将光学腔室、附着装置、外部设备整合成为一个整体;所述左眼视窗11获得影像的光线射入;所述左眼1从左眼视窗11观看到第一显示屏14所显示的影像;所述第一显示屏14发射出的光线,在左眼1对应的腔室空间内,经过第一反光镜17、第二反光镜18的二次反射才能够通过左眼视窗11抵达左眼1,其余方向的光线,将被腔室空间吸收,或者被第一挡板19遮挡;所述第一反光镜17、第二反光镜18采用平行摆放,并与腔室空间的水平剖面垂直;所述第一显示屏14中心位置的第一光源1402发射出的光线,经过两次反射,按照光路1412、1422、1432才能够顺利抵达左眼1,第一显示屏14的其他光源也将经过两次反射,顺利抵达左眼1;所述第一光源1402发射出的光线,抵达左眼1的光路,代表的是瞳孔接收到该光源的光束的中心光路;所述第一光源1402对左眼1来说,其距离是三条光路1412、1422、1432的总长,第一光源1402的视觉位置为第一视觉光源1502;所述第一显示屏14的视觉位置为第一视觉显示屏15;所述第一视觉显示屏15的中心点与左眼1的眼球中心点在第一视觉显示屏15平面上的投影点重合;所述右眼视窗21获得影像的光线射入;所述右眼2从右眼视窗21观看到第二显示屏24所显示的影像;所述第二显示屏24发射出的光线,在右眼2对应的腔室空间内,经过第三反光镜27、第四反光镜28的二次反射才能够通过右眼视窗21抵达右眼2,其余方向的光线,将被腔室空间吸收,或者被第二挡板29遮挡;所述第三反光镜27、第四反光镜28采用平行摆放,并与腔室空间的水平剖面垂直;所述第二显示屏24中心位置的第二光源2402发射出的光线,经过两次反射,按照光路2412、2422、2432才能够顺利抵达右眼2,第二显示屏24的其他光源也将经过两次反射,顺利抵达右眼2;所述第二光源2402发射出的光线,抵达右眼2的光路,代表的是瞳孔接收到该光源的光束的中心光路;所述第二光源2402对右眼2来说,其距离是三条光路2412、2422、2432的总长,第二光源2402的视觉位置为第二视觉光源2502;所述第二显示屏24的视觉位置为第二视觉显示屏25;所述第二视觉显示屏25的中心点与右眼2的眼球中心点在第二视觉显示屏25平面上的投影点重合。
具体的,所述影像显示模块,在进行影像输出时,根据光学传输隔离模块的瞳距规格、显示区域尺寸参数,进行调整,从而输出符合对应规格的影像,确保用户能够获得良好的观看体验。
具体的,所述显示屏为平面显示屏或凹面屏;所述附着装置为卡扣或弹性绷带,所述显示屏通过卡扣或弹性绷带附着在头盔的屏幕附着区域上。
具体的,所述光学腔室采用黑色材料组成;所述光学腔室左右对称设置。
具体的,所述左眼视窗11、右眼视窗21的中心点之间的距离为W,左眼视窗11、右眼视窗21对应的两个显示区域的中心点之间的距离为D,W的长度小于D的长度,D的长度为4cm-8cm。
具体的,所述左眼1对应的光路与右眼2对应的光路左右对称;所述左眼1对应的第一显示屏14与右眼2对应的第二显示屏24处于同一平面上;所述第一显示屏14、第二显示屏24为同一显示屏的两个显示区域;所述第一显示屏14、第二显示屏24连接在一起或存在一定的距离并保持分离状态。
本发明工作过程:
本发明一种无透镜的3D头盔显示系统在工作过程中,如上所述的系统构成。
视窗模块包括左眼视窗11、右眼视窗21,左眼视窗11、右眼视窗21供左眼1、右眼2分别对应,从视窗获得影像光线射入,从而使得左右眼分别获得对应的两个影像。为了获得3D效果,一般情况下两幅图像内容相似,但是细节会有差异。
根据图4,左眼1从左眼视窗11获得对应显示区域(矩形:121-122-123-124)的影像的光线射入,在左眼1形成第一视觉显示屏15;根据图4,右眼2从右眼视窗21获得对应显示区域(矩形:221-222-223-224)的影像的光线射入,在右眼2形成第二视觉显示屏25;根据图6,左眼1的第一视觉显示屏15,与右眼2的第二视觉显示屏25,应当处于同一个平面上,并且存在区间重叠。为了便于绘图理解,将两个视觉影像绘制成为具有厚度的长条,并将第二视觉显示屏25略往远处移动;正确的设计理解,应当以15与25相互重叠的边线作为第一视觉显示屏15、第二视觉显示屏25所在的平面来理解。图6,是以两个视窗中心点以及其在显示区域的投影点组成的平面作为剖面图作为典型光路成像结构图作为讲解,其他光源、成像以此类推。
根据图6,左眼1看到的第一视觉显示屏15的光源1223、1224,与右眼2看到的第二视觉显示屏25的光源2202、2203,可以形成3D视觉成像32302、32403,并且最终的视觉成像与眼睛的距离DJ小于第一视觉显示屏15、第二视觉显示屏25与眼睛的距离DX,即DJ<DX。
根据图6,左眼1看到的第一视觉显示屏15的光源1216,与右眼2看到的第二视觉显示屏25的光源2206,可以形成3D视觉成像31606,并且最终的视觉成像与眼睛的距离DY大于第一视觉显示屏15、第二视觉显示屏25与眼睛的距离DX,即DY>DX。该3D视觉成像31606在横向位置,到左眼1的距离为WL,到右眼2的距离为WR。该3D视觉成像31606的垂直位置,按照图6的剖面与水平面的夹角,结合距离DY,可以根据几何算法计算得到。
其他双眼视觉形成3D视觉影像的成像规则,也按此规则以此类推,最终可以形成整体的3D视觉成像。
为了避免第一显示屏14的部分光源位置发射出的光线,可能穿过第一反射镜17、第二反射镜18中间的空隙,直接通过左眼视窗11抵达左眼1的位置,特别设计第一挡板19进行遮挡;第一挡板19不会挡住经过第一反射镜17、第二反射镜18两次反射将要抵达左眼1位置的光路,但是对于左眼1位置作为视线出发点来说,第一挡板19与第二反光镜18不会留下任何空隙能够直接穿过。
为了避免第二显示屏24的部分光源位置发射出的光线,可能穿过第三反射镜27、第四反射镜28中间的空隙,直接通过右眼视窗21抵达右眼2的位置,特别设计第二挡板29进行遮挡;第二挡板29不会挡住经过第三反射镜27、第四反射镜28两次反射将要抵达右眼2位置的光路,但是对于右眼2位置作为视线出发点来说,第二挡板29与第四反光镜28不会留下任何空隙能够直接穿过。
经过二次反射在视觉感知中形成的左眼1的第一视觉显示屏15、右眼2的第二视觉显示屏25,将存在空间重叠,但是不影响左眼1、右眼2的视觉感知,左眼1不会看到第二显示屏24的内容,右眼2不会看到第一显示屏14的内容。
以左眼1作为视点,观察第一显示屏14中的光源1404,如果没有反射镜,其光路将会在1414直线上;以左眼2作为视点,观察第二显示屏24中的光源2404,如果没有反射镜,其光路将会在2414直线上;在没有反射镜的情况下,这两个光源,无法形成视线交叉点,无法形成3D视觉成像。而在图4的设计中,这两个光源1404、2404,在视觉中成为了光源1504、2504,在视觉中可以形成3424的视觉成像点。
本设计相比基础型(无透镜、无反射)的3D头盔而言,更好地支持了更大尺寸屏幕(对应更大尺寸的第一显示屏14、第二显示屏24),意味着在同等DPI的显示屏参数的条件下,更大分辨率的显示能够获得支持,并且能够支持更多的显示区域宽、高比率,此外,还对近距离视觉(视觉成像点在人眼与显示屏之间)的显示提供了更好的支持。
因为硬件制造,对于两个光学腔室的隔离,同时为了避免两个光学腔室之间的光线干扰,必然存在隔离介质,因此,两个光学腔室之间一般情况下,会存在一定的空间距离。本设计图中的光学腔室,是以长方柱形状作为典型设计,是为了说明简便。在表面制造工艺上,从显示屏发射出来的光线,在光学腔室内不要形成反射、漫射,以免造成对处于视窗位置的眼睛射入干扰光线。光学腔室可以采用合理的通风设计。
所述光学腔室的空间形状满足下列条件:从左眼视窗11能够通过第一反射镜17、第二反射镜18看到对应显示区域(矩形:121-122-123-124)的所有位置,第一挡板19确保对应显示区域的任何位置都不能直接(不经过反射)被左眼视窗11的位置看到;从右眼视窗21能够通过第三反射镜27、第四反射镜28看到对应显示区域(矩形:221-222-223-224)的所有位置,第二挡板29确保对应显示区域的任何位置都不能直接(不经过反射)被右眼视窗21的位置看到。
从左眼视窗11的中心点在其对应显示区域(矩形:121-122-123-124)的投影点125,在该显示区域的中心点12的内侧,更靠近“屏幕附着区域”(矩形:321-322-323-324)的中心点;从右眼视窗21的中心点在其对应显示区域(矩形:221-222-223-224)的投影点225,在该显示区域的中心点22的内侧,更靠近“屏幕附着区域”(矩形:321-322-323-324)的中心点;并且,12、125、225、22处于同一条直线上,并且以屏幕附着区域的中心点呈现对称分布。
左眼视窗11、右眼视窗21的中心点之间的距离为W,左眼视窗11、右眼视窗21对应的两个显示区域的中心点之间的距离为D,W的长度小于D的长度,以确保头盔能够适应更大的屏幕的良好观看效果。
为了符合不同年龄、人种的不同生理结构的瞳距范围,左眼视窗11、右眼视窗21对应的两个显示区域的中心点之间的距离,应该在4cm到8cm之间。
因为可以有影像播放、影像显示的软件、设备与本发明配合,影像播放、影像显示的软件、设备均不是本发明的设计要点,所以省略,不赘述。本发明的瞳距,采用固化的方式,可按照不同的瞳距设计,制造不同瞳距规格的头盔系统。
本发明,能够通过人的视觉运算能力,通过双眼对同一个物光元的视线延伸交叉获得3D空间位置;本发明以最低的运算、性能要求,用最低的成本实现高质量、低成本的3D观看效果。
上述实施例是对本发明的说明,不是对本发明的限定,任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种无透镜的3D头盔显示系统,其特征在于:包括影像显示模块、光学传输反射隔离模块、视窗模块和外壳框架;所述影像显示模块利用影像播放软件、硬件输出影像,输出的影像为照片或视频,影像显示模块包括显示屏,显示屏通过附着装置附着;所述光学传输反射隔离模块由两个相互隔离的光学腔室组成,光学腔室分别对应左眼视窗(11)、右眼视窗(21);所述视窗模块包括左眼视窗(11)、右眼视窗(21),左眼视窗(11)、右眼视窗(21)供左眼(1)、右眼(2)分别对应;所述外壳框架为两个光学腔室的外部硬件框架,外壳框架用于将光学腔室、附着装置、外部设备整合成为一个整体;所述左眼视窗(11)获得影像的光线射入;所述左眼(1)从左眼视窗(11)观看到第一显示屏(14)所显示的影像;所述第一显示屏(14)发射出的光线,在左眼(1)对应的腔室空间内,经过第一反光镜(17)、第二反光镜(18)的二次反射才能够通过左眼视窗(11)抵达左眼(1),其余方向的光线,将被腔室空间吸收,或者被第一挡板(19)遮挡;所述第一反光镜(17)、第二反光镜(18)采用平行摆放,并与腔室空间的水平剖面垂直;所述第一显示屏(14)中心位置的第一光源(1402)发射出的光线,经过两次反射,按照光路(1412)、(1422)、(1432)才能够顺利抵达左眼(1),第一显示屏(14)的其他光源也将经过两次反射,顺利抵达左眼(1);所述第一光源(1402)发射出的光线,抵达左眼(1)的光路,代表的是瞳孔接收到该光源的光束的中心光路;所述第一光源(1402)对左眼(1)来说,其距离是三条光路(1412)、(1422)、(1432)的总长,第一光源(1402)的视觉位置为第一视觉光源(1502);所述第一显示屏(14)的视觉位置为第一视觉显示屏(15);所述第一视觉显示屏(15)的中心点与左眼(1)的眼球中心点在第一视觉显示屏(15)平面上的投影点重合;所述右眼视窗(21)获得影像的光线射入;所述右眼(2)从右眼视窗(21)观看到第二显示屏(24)所显示的影像;所述第二显示屏(24)发射出的光线,在右眼(2)对应的腔室空间内,经过第三反光镜(27)、第四反光镜(28)的二次反射才能够通过右眼视窗(21)抵达右眼(2),其余方向的光线,将被腔室空间吸收,或者被第二挡板(29)遮挡;所述第三反光镜(27)、第四反光镜(28)采用平行摆放,并与腔室空间的水平剖面垂直;所述第二显示屏(24)中心位置的第二光源(2402)发射出的光线,经过两次反射,按照光路(2412)、(2422)、(2432)才能够顺利抵达右眼(2),第二显示屏(24)的其他光源也将经过两次反射,顺利抵达右眼(2);所述第二光源(2402)发射出的光线,抵达右眼(2)的光路,代表的是瞳孔接收到该光源的光束的中心光路;所述第二光源(2402)对右眼(2)来说,其距离是三条光路(2412)、(2422)、(2432)的总长,第二光源(2402)的视觉位置为第二视觉光源(2502);所述第二显示屏(24)的视觉位置为第二视觉显示屏(25);所述第二视觉显示屏(25)的中心点与右眼(2)的眼球中心点在第二视觉显示屏(25)平面上的投影点重合。
2.如权利要求1所述的一种无透镜的3D头盔显示系统,其特征在于:所述影像显示模块,在进行影像输出时,根据光学传输隔离模块的瞳距规格、显示区域尺寸参数,进行调整。
3.如权利要求1所述的一种无透镜的3D头盔显示系统,其特征在于:所述显示屏为平面显示屏或凹面屏;所述附着装置为卡扣或弹性绷带,所述显示屏通过卡扣或弹性绷带附着在头盔的屏幕附着区域上。
4.如权利要求1所述的一种无透镜的3D头盔显示系统,其特征在于:所述光学腔室采用黑色材料组成;所述光学腔室左右对称设置。
5.如权利要求1所述的一种无透镜的3D头盔显示系统,其特征在于:所述左眼视窗(11)、右眼视窗(21)的中心点之间的距离为W,左眼视窗(11)、右眼视窗(21)对应的两个显示区域的中心点之间的距离为D,W的长度小于D的长度,D的长度为4cm-8cm。
6.如权利要求1所述的一种无透镜的3D头盔显示系统,其特征在于:所述左眼(1)对应的光路与右眼(2)对应的光路左右对称;所述左眼(1)对应的第一显示屏(14)与右眼(2)对应的第二显示屏(24)处于同一平面上;所述第一显示屏(14)、第二显示屏(24)为同一显示屏的两个显示区域;所述第一显示屏(14)、第二显示屏(24)连接在一起或存在一定的距离并保持分离状态。
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- 2018-03-13 CN CN201810203240.XA patent/CN108427208B/zh active Active
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