CN110059585B - 具虹膜采集功能的虚拟现实设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其包括外壳、嵌设于外壳内的观察镜片、收容于外壳内并与观察镜片相对设置的显示屏以及收容于外壳内的至少一个虹膜摄像头。该虚拟现实设备还进一步包括至少一个收容于外壳内的红外光源，红外光源设于观察镜片的焦平面上且其光线经观察镜片出射后照射人眼的虹膜。虹膜摄像头用于从观察镜片中采集人眼的虹膜图像且其位置不遮挡人眼观察红外光源及显示屏的视线。本发明提供的具虹膜采集功能的虚拟现实设备通过增设红外光源与虹膜摄像头，配合观察镜片来采集人的虹膜信息，成功将虹膜识别技术集成于虚拟现实设备中，可有效满足用户使用时便捷性、安全性及私密性方面的需求。

Description

具虹膜采集功能的虚拟现实设备

本申请是对应2016年8月18日提交的题为“具虹膜采集功能的虚拟现实设备”的中国发明专利申请号201610687733.6的分案申请。

【技术领域】

本发明涉及虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术领域，具体地，涉及一种具虹膜采集功能的虚拟现实设备。

【背景技术】

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机技术，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，可借助传感头盔、数据手套等专业设备，让用户进入虚拟空间，实时感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而通过视觉、触觉和听觉等获得身临其境的真实感受。虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是仿真技术与计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、传感技术和网络技术等多种技术的融合。

近年来虚拟现实技术发展迅速，虚拟现实设备，如VR眼镜等得到极大的普及。但是，现有技术的虚拟现实设备的研发方向主要集中在图像显示及人机交互等方面，以使得用户获得更好的沉浸式体验。然而，随着虚拟现实设备的广泛应用，客户对体验的需求越来越多元化及个性化，如通过虚拟现实设备在进行购物支付时的便捷性需求、识别安全性需求、在浏览视频时的解锁加密的私密性需求等。

虹膜识别技术是人体生物识别技术的一种。虹膜的高度独特性、稳定性及不可更改的特点，是虹膜可用作身份鉴别的物质基础。因此，在包括指纹在内的所有生物识别技术中，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种。虹膜识别技术被广泛认为是二十一世纪最具有发展前途的生物认证技术，未来的安防、国防、电子商务等多种领域的应用，也必然的会以虹膜识别技术为重点。这种趋势已经在全球各地的各种应用中逐渐开始显现出来，市场应用前景非常广阔。

因此，本研究通过将虹膜识别技术与虚拟现实技术相结合，研发出一种具虹膜采集功能的虚拟现实设备，以此满足客户在使用虚拟现实设备时所需的更高便捷性、安全性及私密性的需求。

【发明内容】

为了解决上述现有技术中虚拟现实设备无法满足客户在使用时所需的更高便捷性、安全性及私密性需求的技术问题，本发明提供一种高便捷性、安全性及私密性的具虹膜采集功能的虚拟现实设备。

本发明提供一种具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其包括具收容空间的外壳、嵌设于所述外壳内的观察镜片、收容于所述外壳内并与所述观察镜片相对设置的显示屏以及收容于所述外壳内的至少一个虹膜摄像头，其特征在于，该虚拟现实设备还进一步包括至少一个收容于所述外壳内的红外光源，所述红外光源设于所述观察镜片的焦平面上且其光线经所述观察镜片出射后照射人眼的虹膜，所述虹膜摄像头用于从所述观察镜片中采集人眼的虹膜图像且其所处位置不遮挡人眼观察所述红外光源及所述显示屏的视线。

优选的，所述观察镜片的数量为两个且分别为第一观察镜片及第二观察镜片，所述虹膜摄像头用于从所述第一观察镜片或所述第二观察镜片中采集人眼的两个虹膜图像。

优选的，所述虹膜摄像头和所述红外光源分别设于所述中心轴两侧。

优选的，所述虹膜摄像头与所述第一观察镜片或第二观察镜片的直线距离为X，与所述中心轴的垂直距离为Y，所述第一观察镜片或第二观察镜片到人眼的直线距离为l，第一观察镜片或第二观察镜片到人眼经观察镜片所成的像的直线距离为l′，则X和Y满足以下公式：

d为所述第一观察镜片及所述第二观察镜片的中心间距且与人眼的瞳距相匹配，D为所述第一观察镜片和所述第二观察镜片的直径，为所述显示屏在垂直于所述中心轴方向上的高度。

优选的，所述虹膜摄像头和所述红外光源分别设于所述中心轴同侧。

优选的，所述虹膜摄像头与所述第一观察镜片或第二观察镜片的直线距离为X，与所述中心轴的垂直距离为Y，所述第一观察镜片或第二观察镜片到人眼的直线距离为l，第一观察镜片或第二观察镜片到人眼经观察镜片所成的像的直线距离为l′，则X和Y满足以下公式：

d为所述第一观察镜片及所述第二观察镜片的中心间距且与人眼的瞳距相匹配，D为所述第一观察镜片和所述第二观察镜片的直径，为所述显示屏在垂直于所述中心轴方向上的高度。

优选的，所述观察镜片的数量为两个且分别为第一观察镜片及第二观察镜片，所述虹膜摄像头用于从所述第一观察镜片和所述第二观察镜片中分别采集人眼的两个虹膜图像。

优选的，该虚拟现实设备具有过所述显示屏中心的光学中心轴，所述虹膜摄像头和所述红外光源分别设于所述中心轴两侧。

优选的，所述虹膜摄像头与所述第一观察镜片或第二观察镜片的直线距离为X，与所述中心轴的垂直距离为Y，所述第一观察镜片或第二观察镜片到人眼的直线距离为l，第一观察镜片或第二观察镜片到人眼经观察镜片所成的像的直线距离为l′，则X和Y满足以下公式：

d为所述第一观察镜片及所述第二观察镜片的中心间距且与人眼的瞳距相匹配，D为所述第一观察镜片和所述第二观察镜片的直径，为所述显示屏在垂直于所述中心轴方向上的高度。

优选的，该虚拟现实设备具有过所述显示屏中心的光学中心轴，所述虹膜摄像头和所述红外光源分别设于所述中心轴同侧。

优选的，所述虹膜摄像头与所述第一观察镜片或第二观察镜片的直线距离为X，与所述中心轴的垂直距离为Y，所述第一观察镜片或第二观察镜片到人眼的直线距离为l，第一观察镜片或第二观察镜片到人眼经观察镜片所成的像的直线距离为l′，则X和Y满足以下公式：

d为所述第一观察镜片及所述第二观察镜片的中心间距且与人眼的瞳距相匹配，D为所述第一观察镜片和所述第二观察镜片的直径，为所述显示屏在垂直于所述中心轴方向上的高度。

优选的，所述虹膜摄像头的视场角为ω，则其满足以下公式：

ω＞2×max[(α-β)，(γ-α)]

其中，

当α-β＝γ-α时，所述虹膜摄像头的视场角为ω满足以下公式：

优选的，所述红外光源的数量为一个，所述红外光源距所述中心轴的垂直距离为L，发光角度为ψ，则所述发光角度ψ满足以下公式：

优选的，所述红外光源的数量为两个，其具所述中心轴的垂直距离分别为L₁和L₂，发光角度分别为ψ₁和ψ₂，则两个所述红外光源的发光角度分别满足以下公式：

优选的，所述虹膜摄像头景深的计算公式为：

近景深：

Δ₁≤(X+l′)sinα+(Y-d/2)cosα

远景深：

Δ₂≥(X+l′)sinα+(Y+d/2)cosα

景深：

Δ≥d·cosα。

优选的，该虚拟现实设备具有过所述显示屏中心的光学中心轴，所述虹膜摄像头的数量为两个，所述虹膜摄像头靠近所述显示屏设置且分别对称设于所述光学中心轴的两侧；所述观察镜片的数量为两个，所述观察镜片与所述显示屏相对设置且分别对称设于所述光学中心轴的两侧，两个所述虹膜摄像头用于分别从两个所述观察镜片中采集人眼的单个虹膜图像。

相较于现有技术，本发明提供的所述具虹膜采集功能的虚拟现实设备的有益效果在于：通过增设红外光源与虹膜摄像头，配合观察镜片来采集人的虹膜信息，成功将虹膜识别技术集成于虚拟现实设备中，可有效满足用户在虹膜识别支付时所需的支付更便捷、安全性的需求，及在虹膜解锁加密视频等时安全性、私密性更高的需求。

【附图说明】

图1为本发明提供的具虹膜采集功能的虚拟现实设备第一实施例的结构示意图；

图2为图1所示具虹膜采集功能的虚拟现实设备的原理图；

图3为本发明具虹膜采集功能的虚拟现实设备第二实施例的原理简图；

图4为本发明的具虹膜采集功能的虚拟现实设备第二实施例的结构示意图；

图5为图4所示具虹膜采集功能的虚拟现实设备的原理图；

图6为图4所示具虹膜采集功能的虚拟现实设备中当红外光源与虹膜摄像头位于中心轴同侧时的位置示意图；

图7a为本发明提供的具虹膜采集功能的虚拟现实设备只具有一个红外光源时的位置示意图；

图7b为图7a中所示的红外光源发光角度的计算原理图；

图8a为本发明提供的具虹膜采集功能的虚拟现实设备具有两个红外光源时的位置示意图；

图8b为图8a中所示的其中一红外光源发光角度的计算原理图。

【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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1和图2所示，一种具虹膜采集功能的虚拟现实设备包括外壳(未示出)、设于外壳一侧壁上的显示屏100、与显示屏100相对设置的第一观察镜片102和第二观察镜片103、设于外壳内的虹膜摄像头101和红外光源104。该虚拟现实设备具有过显示屏100中心的光学中心轴A。

第一观察镜片102与第二观察镜片103分别对称设于光学中心轴A的两侧。虹膜摄像头101和红外光源104的位置均以不遮挡显示屏100的视线和人眼的观察红外光源104为准，且分别设于光学中心轴A的两侧。此外，红外光源104应当被放置在第一观察镜片102和第二观察镜片103的焦平面上。在本实施例中，虹膜摄像头101用于从第一观察镜片102或者第二观察镜片103中采集人眼的两个虹膜图像。为了便于描述原理，以虹膜摄像头101从第一观察镜片102中摄取人眼的两个虹膜图像为例进行说明。

如图1和图2所示，虹膜摄像头101在不遮挡显示屏和人眼视线的情况下，需要满足一定的位置关系，设虹膜摄像头101与第一观察镜片102的直线距离为X，与光学中心轴A的垂直距离为Y，第一观察镜片102到人眼的直线距离为l，第一观察镜片102到人眼经第一观察镜片102所成的人眼像或虹膜图像的直线距离为l’，则X和Y应当满足以下条件：

其中，公式中的d为第一观察镜片102与所述第二观察镜片103的中心间距，该中心间距d与人眼的瞳距相匹配，D为第一观察镜片102的直径，为显示屏100在垂直于光学中心轴A方向上的高度。

而该虹膜摄像头101的视场角需满足以下关系：

ω＞2×max[(α-β)，(γ-α)]

其中，

此外，当α-β＝γ-α时，虹膜摄像头101的视场角为ω满足以下公式：

且虹膜摄像头101的景深需进一步满足以下公式：

近景深：

Δ₁≤(X+l′)sinα+(Y-d/2)cosα

远景深：

Δ₂≥(X+l′)sinα+(Y+d/2)cosα

景深：

Δ≥d·cosα。

虹膜摄像头101具体位置可参见图2所示的原理图，经过上述计算，可得知虹膜摄像头101在可摄取两幅人眼虹膜图像的前提下，同时不遮挡显示屏100的视线和人眼观察红外光源104，需要被放置在图2所示的三角形阴影区域ABC中。

如图7a和7b所示，对于设于光学中心轴A另一侧的红外光源104来说，其应该可以同时照亮人的双眼，且应该被放置于第一观察镜片102和第二观察镜片103的焦平面上，因此红外光源104的发光角度ψ应当满足以下公式：

其中，L为红外光源104与光学中心轴A的垂直距离，f’为第一观察镜片102和第二观察镜片103的焦距。该发光角度ψ应该越大越好，与之相反的是其倾斜角度θ应当越小越好。

实施例二：

如图3所示，该实施例二的结构与上一实施例相同，与上一实施例不同的是，该实施例二给出了红外光源的另一种放置方式，即红外光源被放置在与虹膜摄像头同一侧。此时，虹膜摄像头需要满足的位置关系式变为：

其中，L为红外光源与光学中心轴的垂直距离，X为虹膜摄像头与所述第一观察镜片的直线距离，Y为虹膜摄像头与光学中心轴的垂直距离，l为第一观察镜片到人眼的直线距离，l’为第一观察镜片到人眼经第一观察镜片所成人眼像或虹膜图像的直线距离，d为第一观察镜片与第二观察镜片的中心间距，该中心间距d与人眼的瞳距相匹配，D为第一观察镜片的直径，为显示屏在垂直于光学中心轴方向上的高度。

与实施例一相同的是，虹膜摄像头的视场角为ω则需满足以下公式：

ω＞2×max[(α-β)，(γ-α)]

其中，

当α-β＝γ-α时，虹膜摄像头的视场角为ω满足以下公式：

且虹膜摄像头的景深需进一步满足以下公式：

近景深：

Δ₁≤(X+l′)sinα+(Y-d/2)cosα

远景深：

Δ₂≥(X+l′)sinα+(Y+d/2)cosα

景深：

Δ≥d·cosα。

虹膜摄像头具体位置可参见图3所示的原理图，经过上述计算，可得知虹膜摄像头在可摄取两幅人眼虹膜图像的前提下，同时不遮挡显示屏的视线和人眼观察红外光源，需要被放置在图3所示的阴影区域中。

而红外光源的发光角度ψ应当满足以下公式：

其中，f’为第一观察镜片和第二观察镜片的焦距。该发光角度ψ应该越大越好，与之相反的是其倾斜角度θ应当越小越好。

实施例三：

如图4所示，本实施例三与实施例一的结构基本相同，不同的是，实施例三中的虹膜摄像头201是从第一观察镜片202和第二观察镜片203中分别采集双眼的虹膜图像。在该实施例中，虹膜摄像头201和红外光源204同样被置于光学中心轴的两侧。

设虹膜摄像头201与第一观察镜片202或第二观察镜片203的直线距离为X，与光学中心轴的垂直距离为Y，第一观察镜片202或第二观察镜片203到人眼的直线距离为l，第一观察镜片202到人眼经第一观察镜片202所成人眼像或虹膜图像的直线距离为l′，则X和Y满足以下公式：

其中，H为显示屏200到第一观察镜片202或第二观察镜片203的直线距离，d为第一观察镜片202及所述第二观察镜片203的中心间距且与人眼的瞳距相匹配，D为第一观察镜片202和所述第二观察镜片203的直径，为显示屏200在垂直于光学中心轴方向上的高度。

而该虹膜摄像头201的视场角需满足以下关系：

ω＞2×max[(α-β)，(γ-α)]

其中，

此外，当α-β＝γ-α时，虹膜摄像头201的视场角为ω满足以下公式：

且虹膜摄像头201的景深需进一步满足以下公式：

近景深：

Δ₁≤(X+l′)sinα+(Y-d/2)cosα

远景深：

Δ₂≥(X+l′)sinα+(Y+d/2)cosα

景深：

Δ≥d·cosα。

虹膜摄像头201具体位置可参见图5所示的原理图，经过上述计算，可得知虹膜摄像头201在可摄取两幅人眼虹膜图像的前提下，同时不遮挡显示屏200的视线和人眼观察红外光源204，需要被放置在图5所示的阴影区域中。

参见图7a和图7b，红外光源的发光角度ψ应当满足以下公式：

其中，L为红外光源204与光学中心轴的垂直距离，f’为第一观察镜片202和第二观察镜片203的焦距。该发光角度ψ应该越大越好，与之相反的是其倾斜角度θ应当越小越好。

实施例四：

如图6所示，该实施例四的结构与上一实施例相同，与上一实施例不同的是，该实施例四给出了红外光源的另一种放置方式，即红外光源被放置在与虹膜摄像头同一侧。此时，虹膜摄像头需要满足的位置关系式变为：

其中，L为红外光源与光学中心轴的垂直距离，X为虹膜摄像头与第一观察镜片的直线距离，Y为虹膜摄像头与光学中心轴的垂直距离，1为第一观察镜片到人眼的直线距离，l’为第一观察镜片到人眼经第一观察镜片所成的人眼像或虹膜图像的直线距离，d为第一观察镜片与第二观察镜片的中心间距，该中心间距d与人眼的瞳距相匹配，D为第一观察镜片的直径，为显示屏在垂直于光学中心轴方向上的高度。

与实施例一相同的是，虹膜摄像头的视场角为ω则需满足以下公式：

ω＞2×max[(α-β)，(γ-α)]

其中，

当α-β＝γ-α时，虹膜摄像头的视场角为ω满足以下公式：

且虹膜摄像头的景深需进一步满足以下公式：

近景深：

Δ₁≤(X+l′)sinα+(Y-d/2)cosα

远景深：

Δ₂≥(X+l′)sinα+(Y+d/2)cosα

景深：

Δ≥d·cosα。

虹膜摄像头具体位置可参见图6所示的原理图，经过上述计算，可得知虹膜摄像头在可摄取两幅人眼虹膜图像的前提下，同时不遮挡显示屏的视线和人眼观察红外光源，需要被放置在图6所示的阴影区域中。

而红外光源的发光角度ψ应当满足以下公式：

其中，L为红外光源与光学中心轴的垂直距离，f’为第一观察镜片和第二观察镜片的焦距。该发光角度ψ应该越大越好，与之相反的是其倾斜角度θ应当越小越好。

在上述各实施例中，具虹膜采集功能的虚拟现实设备还可以具有两个红外光源，如图8a和8b所示，两个红外光源距离所述光学中心轴的垂直距离分别为L₁和L₂，发光角度分别为ψ₁和ψ₂，则两个红外光源的发光角度分别满足以下公式：

在其他可能的实施例中，具有虹膜采集功能的虚拟现实设备还可以包括两个虹膜摄像头，两个虹膜摄像头靠近显示屏设置分别设于光学中心轴的两侧，用于从两个观察镜片中分别摄取人眼的单个虹膜图像。而虹膜摄像头需要满足的位置关系及其视场角需要满足的公式可参见以上实施例。同理，红外光源的数量可以是一个也可以是两个，其发光角需满足的条件同理参见上述各实施例。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其包括具收容空间的外壳、嵌设于所述外壳内的观察镜片、收容于所述外壳内并与所述观察镜片相对设置的显示屏以及收容于所述外壳内的至少一个虹膜摄像头，所述虚拟现实设备具有过所述显示屏中心的光学中心轴，该虚拟现实设备还进一步包括至少一个收容于所述外壳内的红外光源，其特征在于，所述红外光源设于所述观察镜片的焦平面上且其光线经所述观察镜片出射后照射人眼的虹膜，所述虹膜摄像头用于从所述观察镜片中采集人眼的虹膜图像且其所处位置不遮挡人眼观察所述红外光源及所述显示屏的视线，所述虹膜摄像头与所述观察镜片的水平距离为X，与所述中心轴的垂直距离为Y，则X和Y满足以下公式：

d为人眼的瞳距，D为所述观察镜片的直径，为所述显示屏在垂直于所述中心轴方向上的高度，l′为所述观察镜片到人眼经观察镜片所成的像的直线距离。

2.根据权利要求1所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述观察镜片的数量为两个且分别为第一观察镜片及第二观察镜片，所述虹膜摄像头用于从所述第一观察镜片或所述第二观察镜片中采集人眼的两个虹膜图像，d为所述第一观察镜片及所述第二观察镜片的中心间距且与人眼的瞳距相匹配。

3.根据权利要求2所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述虹膜摄像头和所述红外光源分别设于所述中心轴两侧。

4.根据权利要求2所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述虹膜摄像头和所述红外光源分别设于所述中心轴同侧。

5.根据权利要求4所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，X和Y还满足以下公式：

L为所述红外光源距所述中心轴的垂直距离，f’为所述观察镜片的焦距。

6.根据权利要求3或5所述具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述虹膜摄像头的视场角为ω，则其满足以下公式：

ω>2×max[(α-β),(γ-α)]

其中，

当α-β＝γ-α时，所述虹膜摄像头的视场角为ω满足以下公式：

α为所述虹膜摄像头与垂直于所述光学中心轴方向的夹角，β为一个人眼像与所述虹膜摄像头光心的连线与垂直于所述光学中心轴方向的夹角，γ为另一个人眼像与所述虹膜摄像头光心的连线与垂直于所述光学中心轴方向的夹角。

7.根据权利要求6所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述红外光源的数量为一个，所述红外光源距所述中心轴的垂直距离为L，发光角度为ψ，则所述发光角度ψ满足以下公式：

f’为所述观察镜片的焦距。

8.根据权利要求6所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述红外光源的数量为两个，其所述中心轴的垂直距离分别为L1和L2，发光角度分别为ψ1和ψ2，则两个所述红外光源的发光角度分别满足以下公式：

f’为所述观察镜片的焦距。

9.根据权利要求6所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述虹膜摄像头景深的计算公式为：

近景深：

Δ₁≤(X+l′)sinα+(Y-d/2)cosα

远景深：

Δ₂≥(X+l′)sinα+(Y+d/2)cosα

景深：

Δ≥d·cosα。

10.根据权利要求1所述的具虹膜采集功能的虚拟现实设备，其特征在于，所述虹膜摄像头的数量为两个，所述虹膜摄像头靠近所述显示屏设置且分别对称设于所述光学中心轴的两侧；所述观察镜片的数量为两个，所述观察镜片与所述显示屏相对设置且分别对称设于所述光学中心轴的两侧，两个所述虹膜摄像头用于分别从两个所述观察镜片中采集人眼的单个虹膜图像。