CN108563334A - 一种虚拟现实头戴式显示设备、系统及其定位定姿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种虚拟现实头戴式显示设备，包括：虚拟现实头戴式显示设备本体；设置于所述虚拟现实头戴式显示设备本体外表面的至少四个红外光反射部件，用于将来自红外光源发射的红外光反射到图像采集单元，其中，所述至少四个红外光反射部件不在同一平面内。本发明能够精确实现对虚拟现实头戴式显示设备的空间定位，且成本低廉、安装便捷。

Description

一种虚拟现实头戴式显示设备、系统及其定位定姿方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实及空间定位技术领域，特别是涉及一种虚拟现实头戴式显示设备、系统及其定位定姿方法。
背景技术
虚拟现实领域中，用于交互的空间定位系统在提供沉浸感上起到了至关重要的作用，也被普遍认为是虚拟现实头戴式显示设备中不可或缺的一项功能，目前应用于虚拟现实头戴式显示设备中的定位系统主要分为两种：
1、基于激光发射器的空间定位，依靠激光和光敏传感器来确定运动物体的位置，其原理为，使用两台以上的激光发射器，分别在X和Y两个方向进行扫描并发出红外光，在虚拟现实头戴式显示设备的机身上配备红外接收器多个枚，在同一姿态，同时超过定量的接收器接收到LIGHTHOUSE发出的红外光，通过各个接收器所接受到的红外光的线程以及角度的不同来标定头戴式显示设备的空间位置以及姿态，此类产品虽然定位精度高，但是由于LIGHTHOUSE的成本较高，且红外接收器造价较高，所以成本居高不下。
2、基于红外LED亮斑的空间定位，其工作原理为，在虚拟现实头戴式显示设备的机身上排列多个颗红外LED，通过外壳对LED进行透光处理，通过外置红外摄像头拍摄LED亮斑，从而解算虚拟现实头戴式显示设备的空间位置及其姿态，此类方案相较于方案一精度较低，但成本低廉，更易实现，缺点是LED的排布受结构及布线的限制太大，很难实现非常理想的LED分布于复杂外形的匹配设计。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明第一方面提出一种虚拟现实头戴式显示设备，包括：
虚拟现实头戴式显示设备本体；
设置于所述虚拟现实头戴式显示设备本体外表面的至少四个红外光反射部件，用于将来自红外光源发射的红外光反射到图像采集单元，其中，所述至少四个红外光反射部件不在同一平面内。
可选地，所述红外光反射部件的材料包括微珠阵列反射膜。
可选地，所述红外光反射部件包括第一红外光反射部件以及第二红外光反射部件；其中，红外光经第一红外光反射部件与第二红外光反射部件反射后所形成的红外亮斑不同。
可选地，所述第一红外光反射部件比所述第二红外光反射部件反射表面积大。
可选地，所述第一红外光反射部件的反射表面积为所述第二红外光反射部件的反射表面积的两倍。
可选地，所述第一红外光反射部件与所述第二红外光反射部件的形状不同。
可选地，所述虚拟现实头戴式显示设备本体包括显示屏和连接显示屏的头带，其中
所述第一红外光反射部件包括设置于所述显示屏远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件和设置于所述头带远离佩戴者人眼的表面上的第一红外光反射部件，以及
所述第二红外光反射部件包括设置于所述显示屏远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件周边的多个第二红外光反射部件和设置于所述头带远离佩戴者人眼的远端表面上的第一红外光反射部件周边的第二红外光反射部件。
可选地，所述显示屏远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件为1个；
所述第一红外光反射部件周边的多个第二红外光反射部件为10个，其中6个设置在靠近所述显示屏边缘的第一外围区域，围绕所述中心处的第一红外光反射部件设置，并且其余4个设置在比第一外围区域更靠近所述中心处的第一红外光反射部件的第二外围区域，围绕所述中心处的第一红外光反射部件设置；
所述头带远离佩戴者人眼的远端表面上的第一红外光反射部件为2个；
所述远端表面上的第一红外光反射部件周边的第二红外光反射部件为6个，所述2个第一红外光反射部件均由所述6个第二红外光反射部件中的4个围绕。
本发明第二方面提供一种虚拟现实头戴式显示设备系统，包括：
根据权利要求1-8中任一项所述的虚拟现实头戴式显示设备；
红外光源，用于发射红外光至所述红外光反射部件；
图像采集单元，用于采集经所述红外光反射部件反射后的红外光并生成图像数据以供计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
可选地，所述红外光反射部件的材料包括微珠阵列反射膜；并且
所述红外光源和所述图像采集单元紧邻设置。
可选地，所述虚拟现实头戴式显示设备本体包括计算单元；
所述图像采集单元将图像数据传送给所述计算单元以计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
可选地，所述虚拟现实头戴式显示设备系统包括独立于所述虚拟现实头戴式显示设备本体的计算单元；
所述图像采集单元将图像数据传送给所述计算单元以计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态；
所述计算单元将关于所述空间位置及姿态的信息传送给所述虚拟现实头戴式显示设备本体。
本发明第三方面提供一种利用权利要求7-12中任一项所述的虚拟现实头戴式显示设备系统进行定位定姿的方法，，包括
所述红外光源发射红外光至所述红外光反射部件；
所述图像采集单元采集经所述红外光反射部件反射后的红外光并生成图像数据以供计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案具有原理明确、设计简单的优点，通过在虚拟现实头戴式显示设备外表面设置反射部件来反射红外光，以使得图像采集单元采集包含有红外亮斑的图像数据，通过对图像数据的处理、计算来达到对虚拟现实头戴式显示设备的高精度空间定位，在具体实施中，成本低廉，降低了生产成本，在安装上实现了便捷的组装，且在设置反射部件时，不会受到虚拟现实头戴式显示设备外形的限制。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为根据本发明一个实施例中的虚拟现实头戴式显示设备的正视图；
图2为根据本发明一个实施例中的虚拟现实头戴式显示设备的后视图；
图3为根据本发明一个优选实施例的红外反射部件的反射原理图；
图4为根据本发明一个实施例的虚拟现实头戴式显示设备系统的框图；
图5示出本发明一个替换实施例的虚拟现实头戴式显示设备系统的框图；
图6示出本发明一个实施例的定位定姿的方法流程图。
图中：100、虚拟现实头戴式显示设备本体；110、显示屏；120、头带；200、红外光反射部件；210、第一红外光反射部件；220、第二红外光反射部件。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
根据如图1的一个示例中，示出一种逆反射空间定位虚拟现实头戴式显示设备，包括虚拟现实头戴式显示设备本体100以及设置于虚拟现实头戴式显示设备本体100外表面的多个红外光反射部件200。
多个红外光反射部件200能够将来自于红外光源所发射的红外光进行反射，从而反射后所形成的红外亮斑能够被图像采集单元进行采集并生成图像数据，图像数据经过进一步的处理以及计算以后能够得出虚拟现实头戴式显示设备本体100的定位信息，定位信息可以包括为虚拟现实头戴式显示设备本体100的物理坐标、空间位置及其姿态等，当用户戴着虚拟现实头戴式显示设备本体100运动时，能够实时的获取虚拟现实头戴式显示设备本体100的定位信息，从而能够提供给用户更好沉浸感。
在本发明的具体实施中，由于在对虚拟现实头戴式显示设备100进行空间定位时，多个红外光反射部件200所反射的红外光之间需构成立体状，所以红外光反射部件200的数量不小于四个，且至少四个红外光反射部件200不在同一平面内。在本发明的一个可选实施例中，多个红外光反射部件200均处于不同的平面中。
在本发明的一个优选地实施例中，红外光反射部件200包括有第一红外光反射部件210以及第二红外光反射部件220，且红外光经过所述第一红外光反射部件210反射后所形成的红外光亮斑与经过第二红外光反射部件220反射后所形成的红外光亮斑不同，也就是说，通过图像采集单元采集并生成图像数据后，由于红外光分别经过第一红外光反射部件210与第二红外光反射部件220反射后所形成的红外亮斑不同，从而能够根据不同的红外亮斑来设置特征点，根据特征点能够区分图像数据中各个红外光反射部件200所形成的红外亮斑位置，这样能够便于计算出虚拟现实头戴式显示设备本体100的定位信息。
在本发明的具体实施中，为了能够使红外光分别经过第一反射部件210与第二反射部件220反射后所形成的红外亮斑不同，所以可以将第一反射部件210与第二反射部件220的反射面积和/或形状设置为不同。
在一个可选的实施例中，第一红外光反射部件210比第二红外光反射部件220的发射表面积大，更优选地，第一红外光反射部件210的反射表面积为第二红外光反射部件220的反射表面积的两倍。
在一个可选的实施例中，第一红外光反射部件210与第二红外光反射部件220的形状不同。
根据如图3的一个示例中，为了能够方便图像采集单元对红外光经过反射所形成的红外亮斑的采集，所以本发明中所述的红外光反射部件200的材料可以包括逆反射膜，其能实现入射光沿原路返回，并且其反射的光线具有小角度的发散，结构紧凑的特点。
更优选地，本发明中所述的逆反射膜可以为微珠阵列结构，微珠阵列反射器作为现有微珠型反光材料中的重要一员，目前一般采用将反光微珠阵列式排布成图案或文字植入到ABS树脂或PC树脂等材质通过注塑或热熔成型等工艺制成的基板内制作而成，其光学特性为：可以将光源所发出光线进行逆发射，并且在逆反射过程中，更高的逆向反射效率和性能。
也就是说，在本发明的具体实施中，红外光经由红外光源发射以后会经过具有微珠阵列结构的红外光反射部件200表面进行反射，并且其反射的光线与源光线之间具有小角度的发散，以使得红外光能够在经过红外光反射部件200进行反射以后便于被图像采集单元进行采集。
在如图1以及图2的一个示例中，虚拟现实头戴式显示设备本体100包括显示屏110和连接显示屏的头带120，其中，第一红外光反射部件210包括设置于显示屏110远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件210和设置于头带远离佩戴者人眼的表面上的第一红外光反射部件210，以及第二红外光反射部件220包括设置于所述显示屏110远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件210周边的多个第二红外光反射部件220和设置于所述头带120远离佩戴者人眼的远端表面上的第一红外光反射部件210周边的第二红外光反射部件220。
更优选地，显示屏110远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件210为1个；第一红外光反射部件210周边的多个第二红外光反射部件220为10个，其中6个设置在靠近显示屏110边缘的第一外围区域，围绕中心处的第一红外光反射部件210设置，并且其余4个设置在比第一外围区域更靠近中心处的第一红外光反射部件210的第二外围区域，围绕中心处的第一红外光反射部件210设置；头带120远离佩戴者人眼的远端表面上的第一红外光反射部件210为2个；远端表面上的第一红外光反射部件210周边的第二红外光反射部件220为6个，2个第一红外光反射部件210均由所述6个第二红外光反射部件220中的4个围绕。
在如图4所示的一个示例中，基于上述的虚拟现实头戴式显示设备，本发明提供一种虚拟现实头戴式显示设备系统，包括上述的虚拟现实头戴式显示设备本体100、红外光源以及图像采集单元。
在本发明的具体实施中，上述红外光源以及图像采集单元可以配合使用，其中，红外光源主要用于发射红外光至位于虚拟现实头戴式显示设备本体上的红外线反射部件200，红外光源可以为红外LED发射器；图像采集单元主要用于采集经红外光反射部件200反射后的红外光并生成图像数据以供计算虚拟现实头戴式显示设备的空间位置及姿态，图像采集单元可以为摄像头或其他可以用于进行图像采集的装置，通过红外光源发射红外光至虚拟现实头戴式显示设备100的红外光反射部件200上，红外光反射部件200会将红外光进行反射，图像采集单元会将红外光经过发射后所形成的红外亮斑进行采集并生成图像数据，在红外线反射部件200为逆反射膜的具体实施例中，可以将图像采集单元紧邻红外光源设置，节省了设备的空间。
在一个可选的示例中，虚拟现实头戴式显示设备本体100还包括计算单元，图像采集单元会将图像数据传送给计算单元以计算虚拟现实头戴式显示设备本体100的空间位置及姿态，计算单元计算完毕以后会将关于空间位置及姿态的信息传送给虚拟现实头戴式显示设备本体100，从而能够实现对虚拟现实头戴式显示设备本体100的精准定位。
对于计算所述虚拟现实头戴式显示设备的空间位置及姿态可以采用本领域技术人员公知的技术，例如采用类似于现有技术中Oculus Rift的识别技术。只需将获得LCD发光的图像替换为获得发射部件反射光的图像，即获得红外图像后，将图像采集单元采集到的图像传输到上述计算单元中，再通过视觉算法过滤掉无用的信息，从而获得反射膜的位置。再利用PnP算法，即利用四个不共面的反射膜在设备上的位置信息、四个点获得的图像信息即可最终将设备纳入摄像头坐标系，拟合出设备的三维模型，并以此来实时监控玩家的头部、手部运动。
在如图5所示的另一个可选的示例中虚拟现实头戴式显示设备系统还包括独立于虚拟现实头戴式显示设备本体100的计算单元，这里的计算单元可以为计算机或其他具有计算功能的终端，图像采集单元会将图像数据传送给计算单元以计算虚拟现实头戴式显示设备本体100的空间位置及姿态。
在本发明的具体实施中，图像采集单元与虚拟现实头戴式显示设备本体100之间可以通过无线或者有线连接的方式进行连接，无线连接的方式可以为蓝牙、WIFI等，有线方式可以为USB传输方式等。
在如图6所示的一个示例中，基于上述虚拟现实头戴式显示设备系统，本发明提供了一种虚拟现实头戴式显示设备系统的定位定姿，其具体步骤包括有：
红外光源发射红外光至红外光发射部件200；
图像采集单元采集经红外光反射部件200反射后的红外光并生成图像数据以供计算虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
也就是说，用户在使用虚拟现实头戴式显示设备100进行动作的过程中，红外光源会发射红外光至用于反射红外光的红外光反射部件200，红外光反射部件200会将红外光进行反射，而经过发射后所形成的红外亮斑会被图像采集单元进行采集并生成图像数据，通过对图像数据的处理以及计算以后会生成定位信息，接着将定位信息输入至虚拟现实头戴式显示设备本体100内，则可以实现对虚拟现实头戴式显示设备本体100的实时定位，解算当前虚拟现实头戴式显示设备本体100的物理坐标、空间位置及其姿态，从而能够提高用户在使用过程的沉浸感，并且在本发明的具体实施中，由于红外光反射部件200安装简易，不会产生因虚拟现实头戴式显示设备100外形复杂而产生的排布问题，实现了便捷的组装，并且成本低廉，更易实现。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (13)

1.一种虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，包括：
虚拟现实头戴式显示设备本体；
设置于所述虚拟现实头戴式显示设备本体外表面的至少四个红外光反射部件，用于将来自红外光源发射的红外光反射到图像采集单元，其中，所述至少四个红外光反射部件不在同一平面内。
2.根据权利要求1所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，所述红外光反射部件的材料包括微珠阵列反射膜。
3.根据权利要求1或2所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，
所述红外光反射部件包括第一红外光反射部件以及第二红外光反射部件；其中，红外光经第一红外光反射部件与第二红外光反射部件反射后所形成的红外亮斑不同。
4.根据权利要求3所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，所述第一红外光反射部件比所述第二红外光反射部件反射表面积大。
5.根据权利要求4所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，所述第一红外光反射部件的反射表面积为所述第二红外光反射部件的反射表面积的两倍。
6.根据权利要求4所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，所述第一红外光反射部件与所述第二红外光反射部件的形状不同。
7.根据权利要求3所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，所述虚拟现实头戴式显示设备本体包括显示屏和连接显示屏的头带，其中
所述第一红外光反射部件包括设置于所述显示屏远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件和设置于所述头带远离佩戴者人眼的表面上的第一红外光反射部件，以及
所述第二红外光反射部件包括设置于所述显示屏远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件周边的多个第二红外光反射部件和设置于所述头带远离佩戴者人眼的远端表面上的第一红外光反射部件周边的第二红外光反射部件。
8.根据权利要求7所述的虚拟现实头戴式显示设备，其特征在于，
所述显示屏远离佩戴者人眼的表面中心处的第一红外光反射部件为1个；
所述第一红外光反射部件周边的多个第二红外光反射部件为10个，其中6个设置在靠近所述显示屏边缘的第一外围区域，围绕所述中心处的第一红外光反射部件设置，并且其余4个设置在比第一外围区域更靠近所述中心处的第一红外光反射部件的第二外围区域，围绕所述中心处的第一红外光反射部件设置；
所述头带远离佩戴者人眼的远端表面上的第一红外光反射部件为2个；
所述远端表面上的第一红外光反射部件周边的第二红外光反射部件为6个，所述2个第一红外光反射部件均由所述6个第二红外光反射部件中的4个围绕。
9.一种虚拟现实头戴式显示设备系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1-8中任一项所述的虚拟现实头戴式显示设备；
红外光源，用于发射红外光至所述红外光反射部件；
图像采集单元，用于采集经所述红外光反射部件反射后的红外光并生成图像数据以供计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
10.根据权利要求9所述的虚拟现实头戴式显示设备系统，其特征在于，
所述红外光反射部件的材料包括微珠阵列反射膜；并且
所述红外光源和所述图像采集单元紧邻设置。
11.根据权利要求9或10所述的虚拟现实头戴式显示设备系统，其特征在于，
所述虚拟现实头戴式显示设备本体包括计算单元；
所述图像采集单元将图像数据传送给所述计算单元以计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
12.根据权利要求9或10所述的虚拟现实头戴式显示设备系统，其特征在于，
所述虚拟现实头戴式显示设备系统包括独立于所述虚拟现实头戴式显示设备本体的计算单元；
所述图像采集单元将图像数据传送给所述计算单元以计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态；
所述计算单元将关于所述空间位置及姿态的信息传送给所述虚拟现实头戴式显示设备本体。
13.一种利用权利要求7-12中任一项所述的虚拟现实头戴式显示设备系统进行定位定姿的方法，其特征在于，包括
所述红外光源发射红外光至所述红外光反射部件；
所述图像采集单元采集经所述红外光反射部件反射后的红外光并生成图像数据以供计算所述虚拟现实头戴式显示设备本体的空间位置及姿态。
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