CN108572450A - 头戴式显示器、其视野校正方法以及混合现实显示系统 - Google Patents

头戴式显示器、其视野校正方法以及混合现实显示系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种头戴式显示器、其视野校正方法以及混合现实显示系统。头戴式显示器包括：一摄影机，用以拍摄该头戴式显示器的外部的环境影像；一红外线感测器，感测人眼的瞳孔位置；一影像处理器，根据该瞳孔位置，计算出该人眼的视野范围，并获取该环境影像当中对应该视野范围的一视野影像；以及一显示面板，显示该视野影像。本发明提出的头戴式显示器能够通过软件的校正，对应不同使用者的瞳孔距离来显示适合该使用者的视野影像，另外，也能够随着使用者观看近物或远物来实时调整视野影像。

Description

头戴式显示器、其视野校正方法以及混合现实显示系统
技术领域
本发明涉及混合现实技术领域，具体而言，涉及一种能够以软件校正的方式来提供适合使用者的视野影像的头戴式显示器、其视野校正方法以及混合现实显示系统。
背景技术
虚拟现实(Virtual Reality)是近年来逐渐成熟且热门的技术，具备虚拟现实的头戴式显示器也不断推出各种产品。在各种头戴式显示器中，也有一种头戴式显示器采用将虚拟现实(Virtual Reality)与增强现实(Augmented Reality)结合的混合现实(MixedReality)技术。这种头戴式显示器在头盔前方具备摄影机，拍摄真实环境影像。连接头戴式显示器的计算机会根据这个真实环境影像添加虚拟的物件、环境效果或信息后，再回传至头戴式显示器。因此，头戴式显示器的使用者能够看到真实影像与虚拟影像混合而成的环境。
然而，每个人的瞳孔距离不同，所看到的视野也不相同。当戴上头戴式显示器时，因为摄影机的位置固定，若没有经过校正，只能呈现单一视野，无法显示出因应各个不同使用者的瞳孔距离的视野，可能会造成使用者视物模糊、眼睛疲劳、容易晕眩等情况。
再者，摄影机的拍摄视野也大于常人单眼的视角，因此为了节省真实影像的传送频宽，应当只获取对应该使用者的视野的影像来进行传输。
本发明为了解决上述问题，而提出一种头戴式显示器、头戴式显示器的视野校正方法、以及混合现实显示系统，能够对应使用者的瞳孔距离来提供适合该使用者的视野的影像。
发明内容
根据一实施例，本发明提出一种头戴式显示器，包括：一摄影机，用以拍摄该头戴式显示器的外部的环境影像；一红外线感测器，感测人眼的瞳孔位置；一影像处理器，根据该瞳孔位置，计算出该人眼的视野范围，并获取该环境影像当中对应该视野范围的一视野影像；以及一显示面板，显示该视野影像。
在该头戴式显示器中，该摄影机包括：一影像感测器阵列，由多像素组成。该影像处理器仅取出该影像感测器阵列中对应到该视野范围内的像素的影像感测信号。
在该头戴式显示器中，该影像处理器根据该视野范围，设定该影像感测器阵列中需要输出该影像感测信号的像素的坐标。
在该头戴式显示器中，该瞳孔位置是该瞳孔相对于鼻梁中心线的距离。
根据另一实施例，本发明提出一种混合现实显示系统，包括：一摄影机，拍摄一环境影像；一红外线感测器，感测人眼的瞳孔位置；一影像处理器，根据该瞳孔位置，计算出该人眼的视野范围，并获取该环境影像当中对应该视野范围的一视野影像，一计算机，接收该视野影像并重叠一虚拟影像，形成一混合影像；以及一显示面板，显示该混合影像。
在该混合现实显示系统中，该摄影机、该红外线感测器、该影像感测器及该显示面板组成一头戴式显示器。
在该混合现实显示系统中，该摄影机包括一影像感测器阵列，由多像素组成，该影像处理器仅取出该影像感测器阵列中对应到该视野范围内的像素的影像感测信号。
在该混合现实显示系统中，该影像处理器根据该视野范围，设定该影像感测器阵列中需要输出该影像感测信号的像素的坐标。
根据另一实施例，本发明提出一种头戴式显示器的视野校正方法，包括：拍摄该头戴式显示器的外部的环境影像；感测该头戴式显示器的使用者的瞳孔位置；根据该瞳孔位置，计算该使用者的视野范围；从该环境影像中获取出对应该使用者的视野范围的一视野影像；以及显示该视野影像。
头戴式显示器的视野校正方法，还包括：重叠一虚拟影像至该视野影像。
根据上述本发明实施例的头戴式显示器、头戴式显示器的视野校正方法、以及混合现实显示系统，能够通过软件的校正，对应不同使用者的瞳孔距离来显示适合该使用者的视野影像，另外，也能够随着使用者观看近物或远物来实时调整视野影像。
附图说明
图1是显示根据本发明一实施例的头戴式显示器的立体图。
图2是显示图1的头戴式显示器的概要构造上视图。
图3是根据本发明一实施例的混合现实显示系统的架构图。
图4A-4C是说明环境影像与视野影像在人眼的瞳孔距离PD为63mm时相对于影像感测器阵列的位置关系图。
图5A-5C是说明环境影像与视野影像在人眼的瞳孔距离PD为66mm时相对于影像感测器阵列的位置关系图。
图6是本发明一实施例的头戴式显示器的视野校正方法的流程图。
附图标记说明：
1 混合现实显示系统；
10 头戴式显示器；
20 计算机；
111 111L、111R摄影机；
111A 影像感测器阵列；
111B 镜头；
112、112L、112R 显示面板；
113L、113R 透镜；
114、114L、114R 红外线感测器；
115 影像处理器；
EYEL 左眼；
EYER 右眼；
NC 鼻梁中心线；
PD 瞳孔距离；
MPDL 左眼瞳孔至鼻梁中心线的距离；
MPDR 右眼瞳孔至鼻梁中心线的距离；
R1 镜头拍摄的环境影像的范围；
R2 人眼的视野范围。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本公开的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简地表达本公开，其仅作为例子，而并非用以限制本公开。
此外，本说明书于不同的例子中沿用了相同的元件标号及/或文字。前述的沿用仅为了简化以及明确，并不表示于不同的实施例以及设定之间必定有关联。
附图中的形状、尺寸、以及厚度可能为了清楚对其进行说明目的而未依照比例绘制或是被简化，仅提供对其进行说明用。
图1是显示根据本发明一实施例的头戴式显示器的立体图。图2是显示图1的头戴式显示器的概要构造上视图。如图1、图2所示，本发明的头戴式显示器10在外侧具有摄影机111L、111R，设置在头盔的朝向前方向的表面，分别用来拍摄头戴式显示器10外部的左眼环境影像及右眼环境影像。在头戴式显示器10的内侧，配置有显示面板112L、112R、透镜113L、113R、红外线感测器114L、114R。当使用者戴上头戴式显示器10时，左眼EYEL会通过透镜113L观看到显示在显示面板112L的影像，右眼EYER会通过透镜113R观看到显示在显示面板112R的影像。红外线感测器114L配置在透镜113L的周边，朝向左眼EYEL发射红外光，利用红外光对瞳孔和虹膜及巩膜的反射强度的不同，来判断左眼EYEL的瞳孔的位置。具体来说，至少可以获得左眼EYEL的瞳孔相对于鼻梁中心线NC的距离MPDL。同样地，红外线感测器114R配置在透镜113R的周边，朝向右眼EYER发射红外光，利用红外光对瞳孔和虹膜及巩膜的反射强度的不同，来判断右眼EYER的瞳孔的位置。具体来说，至少可以获得右眼EYER的瞳孔相对于鼻梁中心线NC的距离MPDR。另外，利用红外线感测器114L及114R也可以获得两眼的瞳孔距离PD(＝MPDL+MPDR)。
通过上述的红外线感测器114L及114R，本发明可以捕捉使用者的瞳孔位置或距离，然后进行进一步的视野校正。以下先说明混合现实显示系统用以显示混合影像的基本架构。图3是根据本发明一实施例的混合现实显示系统的架构图。在图3的混合现实显示系统1中，包括前述的头戴式显示器10以及与头戴式显示器10以有线或无线方式连接的计算机20。在头戴式显示器10中，红外线感测器114感测从人眼反射回来的红外光强度，并输出一强度信号至影像处理器115。影像处理器115根据这个强度信号获得人眼的瞳孔位置(或距离)，并利用这个瞳孔位置的信息来取得对应这个人眼的视野范围。影像处理器115从摄影机111当中的影像感测器阵列111A中所感测的环境影像获取出对应该视野范围的视野影像(具体的作法将在后述说明)，之后将视野影像通过例如USB3.0等有线传输方式，或者是其他无线传输方式送出至计算机20。计算机20根据这个视野影像来计算需要的虚拟影像(包括虚拟的物件、环境效果或信息)，并将虚拟影像重叠到视野影像上，形成一混合影像。计算机20将混合影像通过例如HDMI等的有线传输方式，或者是其他无线传输方式传回头戴式显示器10，将混合影像显示于显示面板112。因此，混合现实显示系统1让使用者感受到真实的环境影像与虚拟影像结合的混合空间环境。
以下说明本发明的头戴式显示器的视野校正方法。一般人眼(单眼)的水平视角在水平方向是167度，垂直视角是120度。然而头戴式显示器10的摄影机111的水平方向及水垂直方向的视角都大于人眼的视角。因此，摄影机111所拍摄的环境影像实质上会大于人眼的视野范围。这样一来，如果能够只获取环境影像当中对应的人眼的视野范围的视野影像来输出，就能够传送信号的频宽，降低运算负荷。另一方面，也能够提供对应该人眼所观看到的视野的影像，以避免使用者产生视物模糊、晕眩等不适症状。
图4A-4C是说明环境影像与视野影像在人眼的瞳孔距离PD为63mm时相对于影像感测器阵列的位置关系图。图5A-5C是说明环境影像与视野影像在人眼的瞳孔距离PD为66mm时相对于影像感测器阵列的位置关系图。由于人眼的瞳孔距离PD在视线平行直视前方时，一般落在60～66mm，因此本发明实施例的头戴式显示器10以瞳孔距离PD为63mm为预设值，来设置摄影机111的镜头111B。当瞳孔距离PD为63mm的使用者戴上头戴式显示器10时，使用者的视野范围会落在摄影机111可拍摄的环境影像的范围的中心。
具体来说，摄影机111的镜头111B的水平视角有200度，大于人眼水平视角167度。因此，当瞳孔距离PD为63mm的使用者戴上头戴式显示器10时，如图4A所示，镜头111B可拍摄到的环境影像的范围是R1，但人眼实际能看到的视野范围是R2。接着，参考图4B，影像感测器阵列111A是长宽分别为6.29mm及4.71mm的方形阵列，影像感测器阵列111A的水平方向(即长方向)上及垂直方向(即宽方向)上各自有3000个像素。影像感测器阵列111A的范围可以涵盖直径4.55mm的镜头111A所能拍摄的最大范围(水平方向视角200度，垂直方向视角200度)。在这个情况下，人眼的视野范围R2位于影像感测器阵列111A的中心。如图4C所示，由于人眼的视野范围R1内的影像只需要影像感测器阵列111A中一部分矩形区域内的像素来感测即可，因此影像感测器阵列111A会以阵列坐标(X1,Y1)的像素做为位于矩形区域的例如左上角的起始像素Pin 1，然后从这个起始像素Pin 1开始，按序输出矩形区域内的全部像素所感测到的影像感测信号。
当瞳孔距离PD为66mm的使用者戴上头戴式显示器10时，如图5A所示，镜头111B可拍摄到的环境影像的范围仍然是R1，但人眼的视野范围R2因为瞳孔距离的改变，而有水平方向的偏移。在这个情况下，如图5B所示，人眼的视野范围R2水平偏离影像感测器阵列111A的中心。这样一来，影像感测器阵列111A中需要输出影像感测信号的矩形区域改变，影像处理器115会根据瞳孔距离的信息(从对红外线感测器114所感测的瞳孔反射光强度计算而得)计算并设定影像感测器阵列111A中需要输出影像感测信号的矩形区域。如图5C所示，经过计算后，影像处理器115会设定影像感测器阵列111A以阵列坐标(Xn,Yn)的像素做为位于矩形区域的例如左上角的起始像素Pin 1，然后从这个起始像素Pin 1开始，按序输出矩形区域内的全部像素所感测到的影像感测信号。
通过上述从影像感测器阵列111A获取出对应人眼的视野范围的像素区域，并只输出这个像素区域内的影像感测信号的结果，能够降低输出的数据频宽。另一方面，也能够对应于瞳孔的距离不同的使用者来调整适合该使用者的视野影像。
以上说明了，影像处理器115对应人眼的视野范围R2来设定影像感测器阵列111A所输出的矩形像素区域的处理方式，但本发明也可以采用另一种处理方式。例如，影像感测器阵列111A只会固定输出对应到环境影像的范围R1的矩形区域内的影像感测信号，当输出到影像感测器115的缓冲存储器后，这时再由影像感测器115根据人眼的视野范围R2来裁切需要的影像范围。
具体来说，当瞳孔距离PD为63mm的使用者戴上头戴式显示器10，人眼的视野范围R2如图4A-4C中所显示地位于环境影像的范围R1的中央时，影像感测器阵列111A输出对应到环境影像的范围R1内的像素的影像感测信号，也就是以阵列坐标(X0,Y0)的像素做为位于矩形区域的例如左上角的起始像素Pin 0，然后从这个起始像素Pin 0开始，按序输出对应到环境影像的范围R1的矩形区域内的像素所感测到的影像感测信号。当这个区域内的影像感测信号全部输出到影像感测器115后，再由影像感测器115获取出对应到人眼的视野范围R2的影像感测信号。当瞳孔距离PD为66mm的使用者戴上头戴式显示器10，人眼的视野范围R2如图5A-5C中所显示的偏向环境影像的范围R1的左侧时，影像感测器阵列111A仍然以阵列坐标(X0,Y0)为起始像素Pin 0，输出对应到环境影像的范围R1的矩形区域内的像素所感测到的影像感测信号，由影像感测器115来获取出对应到人眼的视野范围R2的影像感测信号。
需要注意的是，上述说明说明了本发明的头戴式显示器10会依据不同使用者的瞳孔距离来做初始设定，提供适合的视野影像。然而实际上，即使是同一个使用者，在看远处及看近处时瞳孔距离也会改变，例如看近处的瞳孔距离通常为看远处的瞳孔距离减去2～4mm左右。因此，即使穿戴头戴式显示器10的使用者是同一个人，使用者在看远处及看近处时视野也会跟着变化。本发明除了刚戴上头戴式显示器10时做的视野校正外，也可以不间断地追踪使用者的瞳孔位置或距离，实时地提供使用者看远处及看近处的所对应的视野范围。
图6是本发明一实施例的头戴式显示器的视野校正方法的流程图。当使用者戴上本发明实施例的头戴式显示器10后，头戴式显示器的就会开始进行视野校正，首先，摄影机111都会持续地拍摄环境影像(步骤S61)；然后红外线感测器114感测反射光的强度，藉此让影像处理器115计算出使用者的瞳孔距离或相对于鼻梁中心线的位置(步骤S62)；接着影像处理器115利用使用者的瞳孔距离或位置的信息计算出使用者的视野范围(步骤S63)；影像处理器115取得影像感测器阵列111A中对应视野范围的区域的像素的影像感测信号，从影像感测器阵列111A所捕捉到的环境影像中获取出对应视野范围的视野影像(步骤S64)；影像处理器115将视野影像输出到外部的计算机20，计算机20根据这个视野影像，将虚拟影像(包括虚拟的物件、环境效果或信息)重叠到视野影像上(步骤S65)；计算机20将重叠有虚拟影像的视野影像传回头戴式显示器10的显示面板112，显示面板112显示出重叠有虚拟影像的视野影像(步骤S66)，让使用者感受到混合现实的效果。步骤S66执行后会回到步骤S61，以持续地追踪眼球的动态，来提供适合的视野影像。
根据上述本发明实施例的头戴式显示器、头戴式显示器的视野校正方法、以及混合现实显示系统，能够通过软件的校正，对应不同使用者的瞳孔距离来显示适合该使用者的视野影像，另外，也能够随着使用者观看近物或远物来实时调整视野影像。
上述已公开的特征能以任何适当方式与一或多个已公开的实施例相互组合、修饰、置换或转用，并不限定于特定的实施例。
本公开虽以各种实施例公开如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本公开的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本公开的构思和范围内，当可做些许的变动与润饰。因此上述实施例并非用以限定本公开的范围，本公开的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种头戴式显示器，包括：
一摄影机，用以拍摄该头戴式显示器的外部的环境影像；
一红外线感测器，感测人眼的瞳孔位置；
一影像处理器，根据该瞳孔位置，计算出该人眼的视野范围，并获取该环境影像当中对应该视野范围的一视野影像；以及
一显示面板，显示该视野影像。
2.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中该摄影机包括：
一影像感测器阵列，由多像素组成，
该影像处理器仅取出该影像感测器阵列中对应到该视野范围内的像素的影像感测信号。
3.如权利要求2所述的头戴式显示器，其中该影像处理器根据该视野范围，设定该影像感测器阵列中需要输出该影像感测信号的像素的坐标。
4.如权利要求1所述的头戴式显示器，其中该瞳孔位置是该瞳孔相对于鼻梁中心线的距离。
5.一种混合现实显示系统，包括：
一摄影机，拍摄一环境影像；
一红外线感测器，感测人眼的瞳孔位置；
一影像处理器，根据该瞳孔位置，计算出该人眼的视野范围，并获取该环境影像当中对应该视野范围的一视野影像，
一计算机，接收该视野影像并重叠一虚拟影像，形成一混合影像；以及
一显示面板，显示该混合影像。
6.如权利要求5所述的混合现实显示系统，其中该摄影机、该红外线感测器、该影像感测器及该显示面板组成一头戴式显示器。
7.如权利要求5所述的混合现实显示系统，其中该摄影机包括一影像感测器阵列，由多像素组成，
该影像处理器仅取出该影像感测器阵列中对应到该视野范围内的像素的影像感测信号。
8.如权利要求7所述的混合现实显示系统，其中该影像处理器根据该视野范围，设定该影像感测器阵列中需要输出该影像感测信号的像素的坐标。
9.一种头戴式显示器的视野校正方法，包括：
拍摄该头戴式显示器的外部的环境影像；
感测该头戴式显示器的使用者的瞳孔位置；
根据该瞳孔位置，计算该使用者的视野范围；
从该环境影像中获取出对应该使用者的视野范围的一视野影像；以及
显示该视野影像。
10.如权利要求9所述的头戴式显示器的视野校正方法，还包括：
重叠一虚拟影像至该视野影像。
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