CN109874002A

CN109874002A - Vr智能头戴设备和vr图像显示系统

Info

Publication number: CN109874002A
Application number: CN201711262676.8A
Authority: CN
Inventors: 白文科; 吴海全; 李耀伟; 邱振青; 王如军; 曹磊; 张恩勤; 师瑞文
Original assignee: Shenzhen Grandsun Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Grandsun Electronics Co Ltd
Priority date: 2017-12-04
Filing date: 2017-12-04
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2037-12-04
Also published as: CN109874002B

Abstract

本发明属于虚拟现实技术领域，提供了一种VR智能头戴设备和基于移动终端的VR图像显示系统。所述设备包括显示屏和与所述显示屏相对设置的左右镜片，所述设备还包括：调节部件，与所述左右镜片连接，用于调节所述左右镜片之间的距离；信号转换单元，与所述调节部件连接，根据所述左右镜片之间的距离生成电压信号；瞳距存储单元，用于存储瞳距映射表，所述瞳距映射表用于存储用户瞳距与所述电压信号之间的映射关系；及图像生成单元，根据电压信号进行查表操作得出用户的瞳距，并依据该瞳距生成3D场景影像；通过本发明可解决现有技术中用户通过VR头戴设备所看到的3D场景影像与真实的3D场景影像存在偏差以及用户体验的真实感低的问题。

Description

VR智能头戴设备和VR图像显示系统

技术领域

本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及一种VR智能头戴设备和基于移动终端的VR图像显示系统。

背景技术

VR是虚拟现实的中文简称，其英文全称为Virtual Reality，作为一种目前最先进的图像处理方法，VR可以根据现实中的外界环境创建和体验虚拟世界的仿真环境，为用户提供了一种结合视觉、听觉、触觉的感官模拟，使用户在观看图像或视频时如同身临其境一般，由于具有优良性能，VR技术已经普遍应用在的头戴设备中，相应的，VR智能头戴设备已经成为众多高科技企业关注热点，以目前最为先进的谷歌VR头戴设备为例，谷歌公司研发的VR头戴设备基于一个独立的操作系统，将现实中的影像数据存储在该头戴设备中，通过人工智能分析出最符合用户视觉需要的虚拟现实环境，该头戴设备还能够感知用户的言语与情感变化情况，提供了最为逼真的3D影像。

然而，现有的VR头戴设备至少存在以下问题：现有的VR头戴设备中左右镜片不能移动，左右镜片中心点之间的距离被固定为固定的数值，当用户通过左右镜片观看3D场景影像时，会出现影像失真的现象；即使VR头戴设备能够获取用户的瞳距，并依据用户的瞳距调节左右镜片的距离，获取后的用户瞳距并没有参与到图形学计算中，用户通过该VR头戴设备所看到的3D场景影像与真实的3D场景存在偏差，观赏的真实感降低。

发明内容

本发明提供一种VR智能头戴设备和VR图像显示系统，旨在解决现有技术中，用户通过VR头戴设备所看到的3D场景影像与真实的3D场景存在偏差，用户体验的真实感降低的问题。

本发明第一方面提供一种VR智能头戴设备，包括显示屏和与所述显示屏相对设置的左右镜片，所述设备还包括：

调节部件，与所述左右镜片连接，用于调节所述左右镜片之间的距离；

信号转换单元，与所述调节部件连接，根据所述左右镜片之间的距离生成电压信号；

瞳距存储单元，与所述信号转换单元连接，用于存储瞳距映射表，所述瞳距映射表用于存储用户瞳距与所述电压信号之间的映射关系；及

图像生成单元，与所述瞳距存储单元及所述显示屏相连接，根据所述电压信号，通过在所述瞳距映射表进行查表得出用户的瞳距，并依据该瞳距生成3D场景影像。

进一步地，所述瞳距存储单元与所述图像生成单元为无线或者有线连接。

进一步地，所述根据所述电压信号，通过在所述瞳距映射表进行查表得出用户的瞳距，包括：

根据所述电压信号V，在所述瞳距映射表中进行查找得出与该电压信号V最接近的两个中间电压信号V₁、V₂，以及所述中间电压信号V₁所对应的中间瞳距D₁、所述中间电压信号V₂所对应的中间瞳距D₂；

根据所述电压信号V得到用户的瞳距D，其中，

上式中，V₁≠V₂。

进一步地，所述依据该瞳距生成3D场景影像，包括：

获取原始图像数据；

根据所述原始图像数据生成透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵及物体模型；

根据所述瞳距生成左眼偏移矩阵和右眼偏移矩阵；

根据所述透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵、物体模型和左眼偏移矩阵生成左眼3D场景影像；

根据所述透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵、物体模型和右眼偏移矩阵生成右眼3D场景影像。

进一步地，所述瞳距存储单元为RAM或者ROM。

进一步地，所述调节部件用于根据用户瞳距来调节所述信号转换单元的参数值，以得到与用户瞳距相匹配的电压信号。

进一步地，所述调节部件为旋钮式调节器，所述调节器包括：

螺纹方向相反的左螺母和右螺母，其中所述左螺母与所述左镜片固定连接，所述右螺母与所述右镜片固定连接；

螺杆，其中所述螺杆第一端与所述左螺母咬合连接，所述螺杆第二端与右螺母咬合连接；

旋钮，所述旋钮与所述螺杆通过啮合部件啮合连接；

VR外壳，所述VR外壳与所述左镜片和所述右镜片连接；

所述信号转换单元与所述VR外壳和螺母固定连接，其中所述螺母为所述左螺母或者所述右螺母。

进一步地，所述啮合部件包括：

套设于所述螺杆上的下齿轮；和

与所述旋钮通过转轴连接的上齿轮，所述下齿轮和所述上齿轮相互啮合。

进一步地，所述信号转换单元为传感器电路，所述电路包括：

位移传感器，包括定片和动片，所述定片与所述VR外壳固定连接，所述动片与所述螺母固定连接；和

A/D转换器，所述A/D转换器连接在所述位移传感器与直流电源之间，所述A/D转换器根据所述位移传感器的位移值生成电压信号。

本发明第二方面提供一种基于移动终端的VR图像显示系统，所述系统包括移动终端以及如前所述的设备，所述移动终端存储着图像数据，所述移动终端上设有图像输出端口与如前所述设备的信号输入端口相连，并通过所述信号输入端口将存储的图像数据传输到所述设备进行显示。

进一步地，所述移动终端为手机、平板电脑或笔记本电脑。

本发明相对于现有技术的技术效果是：在上述VR智能头戴设备中，通过调节部件可实时调节左右镜片的距离，使左右镜片的距离与用户的瞳距匹配，并且根据用户的瞳距生成3D场景影像，增加了虚拟场景渲染的真实感、立体感，提高了该VR智能头戴设备的适应性；从而有效地解决了现有技术中，用户通过VR头戴设备所观看到的3D场景影像与真实的3D场景具有较大的偏差，用户真实体验感不佳的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种VR智能头戴设备的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种人体瞳距示意图；

图3是本发明实施例提供的一种人体瞳距与左右镜片不匹配时的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种人体瞳距与左右镜片相匹配时的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种旋钮调节器的结构图；

图6是本发明实施例提供的一种啮合部件的组成结构图；

图7是本发明实施例提供的一种传感器电路的结构图；

图8是本发明实施例提供的一种依据瞳距生成3D场景影像的实现流程图；

图9是本发明实施例提供的一种基于移动终端的VR图像显示系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的本发明实施例提供的VR智能头戴设备的结构图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，该VR智能头戴设备10包括显示屏101和与所述显示屏101相对设置的左右镜片102，调节部件103、瞳距存储单元104、信号转换单元105、图像生成单元106。

调节部件103与左右镜片102连接，调节部件103调节左右镜片102之间的距离；信号转换单元105与调节部件103连接，信号转换单元105根据左右镜片102之间的距离生成电压信号；瞳距存储单元104与信号转换单元105连接，瞳距存储单元104存储瞳距映射表，该瞳距映射表存储用户瞳距与电压信号之间的映射关系；图像生成单元106与瞳距存储单元104及显示屏101相连接，根据所述电压信号，通过在所述瞳距映射表进行查表得出用户的瞳距，并依据该瞳距生成3D场景影像。

具体的，所述瞳距是指人体瞳孔之间的距离，如图2所示，图2示出了本发明实施例提供的瞳距示意图；人体拥有左眼球20和右眼球21，瞳孔是指人体眼球内虹膜中心的小圆孔，为外界光线进入眼睛的通道；相应的，人体拥有两个瞳孔，分别为左眼球瞳孔201和右眼球瞳孔211，结合图2，所述瞳距是指用户正常平视事物时，左眼球瞳孔201与右眼球瞳孔211之间的距离；随着人年龄的增长，人体的瞳距也会发生相应的变化，一般而言，人体的年龄越小，瞳距就越小，为了获取用户最真实的瞳距，需要实时测量用户的瞳距。

具体的，当图像生成单元106生成3D(3Dimensions)场景影像时，将该3D场景影像显示在显示屏101中，用户通过左右镜片102观赏显示屏101中的3D场景影像时；只有当左右镜片102之间的距离与用户的瞳距相匹配时，用户才能观赏到最佳视觉效果的3D场景影像。

下面将通过图3-4来说明人体瞳距与左右镜片102距离之间的相对位置关系，其中图3示出了本发明实施例提供的人体瞳距与左右镜片102不匹配的示意图，如图3所示，当显示屏101上显示3D影像时，由于左镜片1021中心点与右镜片1022中心点之间的距离与人体的瞳距之间具有偏差，此时通过左右镜片102进入人体瞳孔的光线会出现发散现象，增加了透镜失真；图4示出了本发明实施例提供的人体瞳距与左右镜片102相匹配的示意图，如图4所示，当显示屏101上显示3D影像时，由于左镜片1021中心点与右镜片1022中心点之间的距离与人体的瞳距之间相匹配，此时通过左右镜片102进入人体瞳孔的光线会汇聚一点，提高了人体的视觉立体感。

具体的，所述瞳距存储单元104为RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)或者ROM(Read Only Memory，只读存储器)。根据人体瞳距与电压信号之间的映射关系，建立瞳距映射表，该瞳距映射表中存储着用户瞳距与电压信号之间的映射关系，如下表所示：

表1瞳距映射表

因此，基于该瞳距映射表，若获得相应的电压信号，就可以直接通过查找上表直接得到用户的瞳距，过程简单。

可选的，瞳距存储单元104与图像生成单元106之间为无线或者有线通讯连接。

通过本实施例，在上述VR智能头戴设备中，通过调节部件调节左右镜片的距离，使左右镜片之间的距离与用户的瞳距相匹配；并且图像生成单元根据用户瞳距实时生成3D场景影像，从而使用户所观赏到的3D场景影像具有更高的真实感和立体感；从而有效地解决了现有技术中，用户所看到的3D场景影像与真实的3D场景影像存在偏差，真实感较低的问题。

具体的，所述调节部件103用于根据用户瞳距来调节所述信号转换单元105的参数值，以得到与用户瞳距相匹配的电压信号；通过该调节部件103即可将用户的瞳距位置信号转化为与用户瞳距相匹配的电压信号，从而实现了信号之间的转换。

具体的，所述调节部件103为旋钮式调节器，图5示出了本发明实施例提供的旋钮调节器的结构图，如图5所示，所述调节器包括：左螺母501、右螺母502、螺杆503、旋钮504、啮合部件505和VR外壳507。

左螺母501与左镜片1021固定连接，右螺母502与右镜片1022固定连接；螺杆503第一端与左螺母501咬合连接，螺杆503第二端与右螺母502咬合连接；旋钮504与螺杆503通过啮合部件505之间啮合连接；VR外壳507与左镜片1021和右镜片1022连接；信号转换单元105与VR外壳107和螺母固定连接，其中所述螺母是指左螺母501或者右螺母502。

具体的，左螺母501为左长型螺母，右螺母502为右长型螺母。

具体的，图6示出了本发明实施例提供的啮合部件的组成结构图，结合图5和图6，啮合部件505包括：下齿轮5051、转轴5052及上齿轮5053；其中下齿轮5051套设于螺杆503上，上齿轮5053与旋钮504通过转轴5052连接，下齿轮5051和上齿轮5053相互啮合。

下面结合图5和图6来说明该旋钮式调节器的工作原理，若用户需要调节左镜片1021与右镜片1022之间的距离时，通过旋转旋钮504，由于旋钮504与螺杆503通过啮合部件505啮合连接，若转动旋钮504，转轴5052发生转动，与旋钮504通过转轴5052连接的上齿轮5053与套设于螺杆503上的下齿轮5051由于相互啮合的作用力，上齿轮5053与下齿轮5051同时发生转动，下齿轮5051通过相对作用力带动螺杆503移动，由于螺杆503第一端与左螺母501咬合连接，螺杆503第二端与右螺母502咬合连接，当螺杆503发生相对移动，左螺母501与右螺母502相互靠近或者远离，由于左螺母501与左镜片1021固定连接，右螺母502与右镜片1022固定连接；若左螺母501与右螺母502相互靠近或者远离，则左镜片1021与右镜片1022之间的距离也会随之减少或增大，从而通过不断地旋转旋钮504即可改变左镜片1021与右镜片1022之间的距离，使左镜片1021与右镜片1022之间的距离与用户的瞳距完全匹配。

具体的，所述信号转换单元105为传感器电路，图7示出了本发明实施例提供的该传感器电路的结构图，结合5-7，该传感器电路包括：位移传感器R和A/D转换器。

位移传感器R包括定片5061和动片5062，定片5061与VR外壳107固定连接，动片5062与所述螺母固定连接，位移传感器R根据旋钮504的旋转角度调节位移值；A/D转换器连接在位移传感器R与直流电源V₀之间，所述A/D转换器根据所述位移值生成电压信号。

可选的，该传感器电路还可包括一个固定电阻器，该固定电阻器连接在位移传感器R与直流电源之间，该固定电阻器能够限制位移传感器R中的最大运行电流，防止由于该电路中运行电流过大而造成电力元件的损坏。

具体的，结合图5-7来说明该传感器电路的工作原理，当用户旋转旋钮504时，由于相对作用力，螺杆503与所述螺母之间会发生相对位移，即所述螺母会产生相应的移动，由于定片5061与VR外壳107固定连接，动片5062与所述螺母固定连接；当所述螺母发生相对移动时，引起动片5062也产生相对移动，定片5061与动片5062之间的相对位置会发生改变；若旋转旋钮504具有一定的旋转角度时，位移传感器R中定片5061和动片5062的相对位移值也会发生相应的变化，并且由于该传感器电路外接直流电源，当位移传感器R的自身位移值发生变化，A/D转换器能够检测到位移传感器R的位移值变化量，并实时生成电压信号；当通过旋转旋钮504使左镜片1021与右镜片1022之间的距离与用户的瞳距完全匹配，此时A/D转换器生成一电压信号，从而该传感器电路将位移传感器R的位移值转化为电压信号，实现了不同类型信号之间的转换。

具体的，所述根据所述电压信号，通过在所述瞳距映射表进行查表得出用户的瞳距，包括：

根据所述电压信号V得到用户的瞳距D，其中，

需要说明的是，在上式中，V₁≠V₂。

由于瞳距映射表存储用户瞳距与电压信号之间的映射关系，若得到相应的电压信号V，即可通过查表得出用户的瞳距，结合上述表1，若通过信号转换单元得到的电压信号V＝13V，在表1中进行查找得出与13V电压数值最接近的两种中间电压信号：V₁＝12V和V₂＝14V，其中中间电压值12V对应的中间瞳距值D₁＝62mm，中间电压值14V对应的中间瞳距值D₂＝64mm，则用户的瞳距D为：

通过以上公式可精确地计算出用户的瞳距，并且有效地避免了该设备由于系统误差导致得到的电压数值具有偏差，所引起的用户瞳距检测也具有一定误差的问题。

图8示出了本发明实施例提供的所述依据该瞳距生成3D场景影像的实现流程图，详述如下：

步骤S801：获取原始图像数据。

步骤S802：根据所述原始图像数据生成透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵及物体模型。

具体的，通过上述各个矩阵全面地保存了原始物体图像的各个空间物理量数据，基于透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵、物体模型即可完整地存储并分析所述原始图像数据；例如所述透视投影矩阵为：

在上述透视投影矩阵中，m₀～m₁₅分别为变量；

所述照相机矩阵为：

在上述照相机矩阵中，p₀～p₂、p₄～p₆、p₈～p₁₀和p₁₂～p₁₄分别为变量；

所述头朝向矩阵为：

在上述头朝向矩阵中，n₀～n₂、n₄～n₆、n₈～n₁₀和n₁₂～n₁₄分别为变量；

所述物体模型为三维坐标点的集合。其中各个三维坐标点的齐次表达形式为：

在上述物体模型中，x、y和z分别为物体在三维空间上的坐标值。

步骤S803：根据所述瞳距生成左眼偏移矩阵和右眼偏移矩阵。

具体的，通过左眼偏移矩阵和右眼偏移矩阵即可存储用户瞳距与实际影像之间的位置信号，例如，左眼偏移矩阵为：

右眼偏移矩阵为：

步骤S804：根据所述透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵、物体模型和左眼偏移矩阵生成左眼3D场景影像。

步骤S805：根据所述透视投影矩阵、照相机矩阵、头朝向矩阵、物体模型和右眼偏移矩阵生成右眼3D场景影像。

具体的，左眼3D场景影像的计算公式为：

左眼3D场景影像＝透视投影矩阵×照相机矩阵×头朝向矩阵×物体模型×左眼偏移矩阵。

右眼3D场景影像的计算公式为：

右眼3D场景影像＝透视投影矩阵×照相机矩阵×头朝向矩阵×物体模型×右眼偏移矩阵。

从而通过以上矩阵计算公式即可生成左眼3D场景影像和右眼3D场景影像，保证了图像的真实性和清晰度，用户可在显示屏101上观看到逼真的3D场景影像，具有极佳的视觉效果。

通过本实施例，所述VR智能头戴设备通过查表计算得到了用户的瞳距，并将该瞳距融入到3D场景影像的生成过程中，保证了用户所观赏到的3D场景影像具有更高的真实感，提高了用户的视觉效果；从而有效地克服了现有技术没有将人体瞳距融入到3D场景生成过程中，导致用户所观赏到的3D场景影像不符合用户的观赏习惯、与真实的3D场景存在偏差的缺陷。

图9示出了本发明实施例提供的基于移动终端的VR图像显示系统的结构图，详述如下：

基于移动终端的VR图像显示系统9包括移动终端90以及如前所述的VR智能头戴设备10，移动终端90存储着图像数据，移动终端90上设有图像输出端口901与VR智能头戴设备10的信号输入端口902相连，并通过信号输入端口902将存储的图像数据传输到VR智能头戴设备10进行显示。

可选的，移动终端90上的图像输出端口901为N个，VR智能头戴设备10上的信号输入端口902为N个，其中N为大于或者等于1的正整数。

具体的，所述移动终端90为手机、平板电脑或笔记本电脑；图像输出端口901与信号输入端口902可以通过有线或者无线进行通讯连接。

具体的，若用户需要通过该VR智能头戴设备观看3D场景影像时，将相关的图像数据提前预存可携带的移动设备中，如手机、平板电脑、笔记本电脑中等，在使用过程中，只需要将移动终端上的图像输出端口与VR智能头戴设备上的信号输入端口相互连接，就可将移动终端中存储的图像数据发送至VR智能头戴设备，该VR智能头戴设备中的图像生成单元接收该图像数据，并对图像数据进行计算得到相应的3D场景影像，并将该3D场景影像显示在显示屏上，从而用户可以通过该VR智能头戴设备随时随地的观看3D场景影像，具有极高的普遍性。

通过本发明实施例，在上述VR智能头戴设备中，通过调节部件可任意调节左右镜片之间的距离，使左右镜片之间的距离与用户的瞳距匹配；并且根据用户的瞳距实时生成3D场景影像，增加了3D场景影像渲染的真实感，提高了用户观赏的舒适感；同时该VR智能头戴设备外接移动终端，用户可随时随地通过该VR智能头戴设备观看3D场景影像，具有极高的实用价值；从而有效地解决现有技术中，VR头戴设备存在的透镜失真、用户所看到的3D场景影像与真实的3D场景影像存在偏差，视觉效果不佳的问题。

需要说明的是,在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品或者结构所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或者“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种VR智能头戴设备，包括显示屏和与所述显示屏相对设置的左右镜片，其特征在于，所述设备还包括：

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述瞳距存储单元与所述图像生成单元为无线或者有线连接。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述根据所述电压信号，通过在所述瞳距映射表进行查表得出用户的瞳距，包括：

根据所述电压信号V得到用户的瞳距D，其中，

上式中，V₁≠V₂。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述依据该瞳距生成3D场景影像，包括：

获取原始图像数据；

根据所述瞳距生成左眼偏移矩阵和右眼偏移矩阵；

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述瞳距存储单元为RAM或者ROM。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述调节部件用于根据用户瞳距来调节所述信号转换单元的参数值，以得到与用户瞳距相匹配的电压信号。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述调节部件为旋钮式调节器，所述调节器包括：

旋钮，所述旋钮与所述螺杆通过啮合部件啮合连接；

VR外壳，所述VR外壳与所述左镜片和所述右镜片连接；

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述啮合部件包括：

套设于所述螺杆上的下齿轮；和

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述信号转换单元为传感器电路，所述电路包括：

10.一种基于移动终端的VR图像显示系统，其特征在于，所述系统包括移动终端以及权利要求1-9任一项所述的设备，所述移动终端存储着图像数据，所述移动终端上设有图像输出端口与所述设备的信号输入端口相连，并通过所述信号输入端口将存储的图像数据传输到所述设备进行显示。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述移动终端为手机、平板电脑或笔记本电脑。