CN110958738A - 具有自适应照明系统的电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有自适应照明系统的电子设备。公开了一种头戴式设备，其可包括生成内容的显示器和能够通过其观看该内容的光学系统。该头戴式设备可包括照明该光学系统的周边的照明系统。当用户在亮照明环境中将该设备放置在他或她的头部上时，控制电路可操作该照明系统以向该用户的周边视觉提供亮照明。该照明系统可逐渐降低亮度，直到该用户从亮适应状态过渡到暗适应状态为止。当该用户部分地或完全暗适应时，该照明系统可被关闭并且该显示器可被开启。在一些布置方式中，环境光传感器可测量该电子设备外部的环境光条件，并且该控制电路可基于该环境照明条件来控制该照明系统。

Description

具有自适应照明系统的电子设备
本专利申请要求2019年9月4日提交的美国非临时专利申请16/560,093以及2018年9月21日提交的美国临时专利申请62/734,703的权益，这些专利申请据此以引用的方式全文并入本文。
背景技术
本发明整体涉及显示器，并且更具体地，涉及用于头戴式设备的显示器。
头戴式设备诸如虚拟现实眼镜和增强现实眼镜使用显示器来为用户生成图像。
如果不加注意，则头戴式设备可能穿戴起来非常笨重且令人疲劳。当用户首次将头戴式设备放置在他或她的头部上时，显示器上的图像可能显得太暗并且模糊。用户在从虚拟现实观看体验过渡出来时可能会经历眩目或不适。根据用户眼睛的适应状态，头戴式显示器的动态范围可被感知为不足。
发明内容
一种被配置为穿戴在用户的头部上的头戴式设备，包括生成显示内容的显示器和通过其观看该显示内容的光学系统。该头戴式设备可包括照明该光学系统的周边的照明系统。当该用户在亮照明环境中将该设备放置在他或她的头部上时，控制电路可操作该照明系统以向该用户的周边视觉提供明亮的照明。该照明系统可逐渐降低亮度，直到该用户从亮适应状态过渡到暗适应状态为止。当该用户部分地或完全暗适应时，该照明系统可被关闭并且该显示器可被开启。相反地，当用户即将将该设备从他/她的头部移除时，该控制电路可逐渐增加该照明系统的亮度，使得用户可在移除该设备之前从暗适应状态过渡到亮适应状态。
在一些布置方式中，环境光传感器可测量该电子设备外部的环境光条件，并且该控制电路可基于这些环境照明条件来控制该照明系统。
该电子设备中的控制电路可估计正在穿戴该电子设备的用户的亮度适应状态。该控制电路可基于该用户的适应状态来调节该照明系统的亮度。这可包括例如基于环境光条件、该用户的生理属性、运动传感器数据、注视位置和/或其他信息来调节该照明系统的该亮度。
该发光系统可包括一个或多个光源。这些光源可以是发光二极管。该控制电路可被配置为独立地控制每个光源的亮度和/或颜色(例如，一些光源可在其他光源开启时被关闭、一些光源可具有一个亮度，而其他光源可具有不同的亮度等)。
在一些布置方式中，这些光源可包括红色、绿色和蓝色发光二极管或其他颜色的光源，使得控制电路可调节来自该照明系统的照明颜色。来自该照明系统的照明颜色可例如进行调节以匹配或更接近地匹配环境光的颜色，使得从该环境光到头戴式显示器光的过渡不那么突然。
该照明系统可包括将光发射到光导中的光源。该光导可经由全内反射将该光引导到该光学系统的周边周围。该光导可具有允许该光从光导逸出的光提取特征结构。
附图说明
图1是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的图示。
图2是根据一个实施方案的示出基于多种不同的亮度适应状态可如何将内容亮度映射至显示亮度的曲线图。
图3是根据一个实施方案的具有照明光学系统的周边的照明系统的例示性头戴式设备的透视图。
图4是根据一个实施方案的具有包括光源和光导的照明系统的例示性头戴式设备的前视图。
图5是根据一个实施方案的示出控制电路可如何使用来自传感器和其他输入输出设备的信息来确定照明系统的操作条件并确定显示器的色调映射参数的图示。
图6是根据一个实施方案的示出在用户将头戴式设备放置在他或她的头部上之后，照明系统可如何用于帮助用户从亮适应状态过渡到暗适应状态的曲线图。
图7是根据一个实施方案的示出在用户将头戴式设备从他或她的头部移除之前，使用照明系统可用于帮助用户从暗适应状态过渡到亮适应状态的曲线图。
具体实施方式
头戴式设备诸如头戴式显示器可用于虚拟现实和增强现实系统。例如，一副穿戴在用户头上的虚拟现实眼镜可用于向用户提供虚拟现实内容。
图1中示出了一种例示性系统，其中头戴式设备诸如一副虚拟现实眼镜用于向用户提供显示内容诸如虚拟现实内容。如图1所示，头戴式设备10可包括显示系统诸如显示系统40，该显示系统形成图像并且可具有光学系统诸如光学系统20，用户(例如，用户的眼睛46)可通过该光学系统在方向48上查看由显示系统40产生的图像。光学系统20可例如包括第一透镜模块(例如，用于用户的左眼)和第二透镜模块(例如，用于用户的右眼)。
显示系统40可基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、具有晶体半导体发光二极管管芯阵列的显示器、硅基液晶显示器、微机电系统(MEM)和/或基于其他显示技术的显示器。系统40中可包括独立的左右显示器，用于用户的左眼和右眼或单一显示器可跨越两个眼睛。
可使用安装在头戴式设备10中的控制电路42和/或安装在头戴式设备10外部的控制电路(例如，与便携式电子设备、膝上型计算机或其他计算设备相关联)向显示系统40提供虚拟内容(例如，用于静止和/或活动图像的图像数据)。控制电路42可包括存储装置，诸如硬盘存储装置、易失性和非易失性存储器、用于形成固态驱动器的电可编程存储装置，以及其他存储器。控制电路42还可包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、图形处理器、基带处理器、专用集成电路和其他处理电路。电路42中的通信电路可用于传输和接收数据(例如，无线地和/或通过有线路径)。控制电路42可使用显示系统40来显示视觉内容，诸如虚拟现实内容(例如，与虚拟世界相关联的计算机生成的内容)，用于电影或其他媒体的预先录制的视频或其他图像。
在操作期间，设备10中的内容生成器诸如内容生成器12(例如，在控制电路42上运行的操作系统功能和/或应用程序)可为显示系统40生成内容(例如，虚拟现实内容、高动态范围内容、标准动态范围内容等)。亮度值映射电路诸如色调映射电路14可用于向内容生成器提供指示内容生成器应如何将内容亮度值映射至显示亮度值的色调映射参数(有时称为亮度值映射参数)，以及/或者可用于对来自内容生成器的内容亮度值直接执行内容亮度至显示亮度映射操作。例如，色调映射电路14可产生基于用户的视觉系统的当前适应水平的色调映射参数，以在产生用于在通过显示系统40显示图像时使用的显示亮度值时使用。色调映射电路14可使用在控制电路42和/或其他控制电路上运行的代码来实现和/或可使用设备10中的控制电路的硬连线特征结构。可以任何合适的格式来表示色调映射参数。例如，色调映射参数诸如适应水平、黑水平、参考白水平和/或高光白水平可以cd/m2表示。
人类视觉系统能够感知大范围的亮度水平。然而，人眼无法同时看到所有这些亮度水平。相反，眼睛连续调节其对观看的环境的灵敏度，以便感知眼睛的较大总体动态范围内的不同亮度水平范围。人类视觉系统的当前灵敏度水平有时被称为其亮度适应水平。用户所感知的主观亮度通常取决于用户的亮度适应水平。当人类视觉系统变得亮适应时(即，适应亮光)，眼睛就不那么敏感。相比之下，当人类视觉系统变得暗适应时(即，适应弱光)时，眼睛就更敏感。
如果不注意，则在使用头戴式显示器之前适应亮环境光的用户可初始地将显示器上的图像感知为微弱且模糊，直到用户的眼睛适应头部安装式显示器的暗度。相反地，当用户移除安装在头部上的显示器并且面对明亮的环境光时，适应头戴式显示器的暗度的用户可能经历眩光和不适。
为了增强用户对头戴式设备10的体验，控制电路42可被配置为确定用户的适应状态。用户的适应状态可由亮度值或亮度值范围表示。控制电路42可根据用户的适应状态使用色调映射电路14来调试显示数据。这可包括例如将显示器40的亮度范围与用户的当前适应状态进行匹配(例如，优化)、将显示器40的亮度范围调节为对用户的适应状态具有期望效果(例如，以帮助将用户的当前适应状态“引导”至不同的适应状态)、调节某些时间段处的亮度范围以提升另一时间处的所感知亮度或暗度、调节图像的一些部分的亮度以提升图像的其他部分的所感知亮度或暗度、基于用户的适应状态来选择适当色调映射参数、和/或基于用户的估计适应状态来采取其他动作。色调映射电路14可被配置为适应左显示器和右显示器的显示数据。显示数据调整对于两个显示器可以是相同的，或者显示数据调整对于左右显示器可以是不同的。例如，如果需要，色调映射电路14可针对左显示器和右显示器使用不同的色调映射曲线以考虑用户左眼和右眼的不同色调映射需要。
在一些布置中，显示器40的动态范围可能不够大以匹配用户的亮度适应状态。例如，在亮户外环境中，用户的亮度适应水平可大于20,000尼特。在阴暗户外环境中或靠近明亮的窗口的室内，用户的亮度适应水平可介于1,000尼特和3,000尼特之间。在明亮的室内环境中，用户的亮度适应水平可介于300尼特和500尼特之间。在这些情形中的一些情形下，显示器40的最大亮度可小于用户的亮度适应水平。
为了帮助设备10适应用户的适应状态，设备10可包括照明系统60。照明系统60可包括发光设备62。发光设备62可位于显示器40和/或光学系统20的周边周围、显示器40和/或光学系统20上方、显示器40和/或光学系统20下方、显示器40和/或光学系统20后方、显示器40和/或光学系统20的左侧和/或右侧、和/或设备10的其他位置。当将设备10安装在用户的头部上时，发光设备62可在用户的周边视觉中产生光。
照明系统60可包括响应于所施加电信号而产生光的任何合适的光源，诸如灯、发光二极管、激光器、光源阵列、单独光源、背光或侧光式光导、发出一个或多个光束(例如，激光束、发光二极管光束、或与另一经准直光源相关联的光束)的光源、以一个或多个光束的固定图案发光的光源、发射可转向光束的光源(例如，具有用于使光在光投射系统中转向的镜阵列的光源、具有可转向镜、可转向激光器和发光二极管等的光源)、包含致使光导面板和/或管以各种图案发光的光提取特征结构的光导面板和/或管、以及其他电控光源。
代替或除包括光源62之外，照明系统60还可包括一个或多个窗口，该一个或多个窗口选择性地允许来自设备10外部的环境光到达设备10内部，以帮助提供从明亮照明条件到昏暗照明条件的平稳过渡，反之亦然。例如，照明系统60可包括一个或多个孔口，环境光可穿过该一个或多个孔口到达设备10内部。该孔口可具有用于使可调节量的环境光进入的可调节尺寸，可包括可调节孔口的透明度的可调式滤光器，以及/或者可设置有可选择性地打开和闭合孔口的快门。控制电路42可用于控制穿过孔口的环境光的量。然而，这仅为例示性的。如果需要，照明系统60可包括光源62并且可不包括任何孔口。
如果需要，发光设备62可包括彩色光源。例如，设备62可包括红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管，从而允许系统60通过调节从设备62发射的红光、绿光和蓝光的相对强度来发出具有可调颜色的光。如果需要，发光设备62可包括具有不同波长的发蓝光二极管。蓝光的第一波长可趋于抑制用户的褪黑激素产生，而蓝光的第二波长可对用户的褪黑激素产生几乎没有影响或者没有影响。控制电路42可控制系统60中的两个蓝色光源的相对亮度，以对用户的昼夜节律具有期望的效果(例如，通过在早晨使用蓝光的第一波长而例如在晚上使用蓝光的第二波长)。
照明系统60可包含单独控制的区域。这些区域可以是相对较小的区域(例如，像素尺寸区域)并且/或者可以是较大的区域。例如，照明系统60可包含在设备10的整个周边上产生单个光块的光产生设备。如果需要，照明系统60可包括一个或多个光扩散层(例如，磨砂的聚合物膜、具有光散射颗粒的膜或基底等)。
如果需要，照明系统60可包括光导结构，诸如光纤和/或其他光导元件。系统60中的光导可用于将来自光源的光引导至设备10中需要照明的位置。在一些布置方式中，系统60中的光导可以是透明的并且可与设备10的周围部分共混(例如，以生成均匀外观)。
控制电路42可基于用户的适应状态来控制照明系统60。这可包括例如将照明系统60的亮度范围与用户的当前适应状态进行匹配、将照明系统60的亮度范围调节为对用户的适应状态具有期望效果(例如，以帮助将用户的当前适应状态“引导”至不同的适应状态)、调节照明系统60在某些时间段处的亮度范围以提升另一时间处的所感知亮度或暗度、针对靠近显示器40上的图像的一部分的发光设备62的子组来调节照明系统60的亮度以提升显示器40上的图像的其他部分的感知亮度或暗度、将由照明系统60发出的光的颜色调节为匹配环境光的颜色或增强显示器40上的颜色的显现、和/或基于用户的估计适应状态来采取其他动作。
输入-输出设备18可耦接到控制电路42。输入-输出设备18可安装在头戴式设备10中和/或可安装在头戴式设备10外部(例如，在相关联便携式电子设备/膝上型计算机或其他计算设备中)。输入-输出设备18可用于采集来自用户的用户输入，可用于对设备10周围的环境进行测量，可用于向用户提供输出，和/或可用于向外部电子设备供应输出。输入-输出设备18可包括按钮、操纵杆、小键盘、键盘按键、触摸传感器、跟踪垫、显示器、触摸屏显示器、麦克风、扬声器、用于向用户提供视觉输出的发光二极管、传感器(例如，力传感器、温度传感器、磁性传感器、加速度计、陀螺仪和/或用于测量设备10的取向、位置和/或移动的其他传感器、接近度传感器、电容性触摸传感器、应变仪、气体传感器、压力传感器、环境光传感器和/或其他传感器)。
输入-输出电路18可包括用于采集环境光测量值(例如，环境光水平诸如环境光亮度测量值和/或环境光颜色测量值，诸如色温测量值和/或颜色坐标测量值)的颜色环境光传感器或其他环境光传感器22。输入-输出设备18还可包括用于捕获用户环境的图像、用于通过查看的眼睛46执行凝视检测操作的相机26(数字图像传感器)和/或其他相机。输入-输出设备18可包括测量用户眼睛46的特性的感测系统。例如，光源26和相机24可用于向眼睛46供应光以及测量反射光来测量眼睛46的光学属性。光源26可产生任何合适波长(例如，近红外波长、较长红外波长、可见波长等)的光。相机24和/或光源26可用于确定瞳孔大小、眨眼率、面部表情、眼睛开度(例如，用户是否在眯眼)等。相机24也可由控制电路42用于采集瞳孔和观看者眼睛的其他部分的图像。观察者的瞳孔的位置和观察者的瞳孔相对于观察者的眼睛的其余部分的位置可用于确定观察者眼睛的中心的位置(即，用户的瞳孔的中心)和观察者的眼睛的视线的方向(凝视方向)。
输入-输出设备18可包括一个或多个运动传感器92。运动传感器92可包括一个或多个加速度计、罗盘、陀螺仪、气压计、压力传感器、磁性传感器、包含这些传感器中的一些或全部的惯性测量单元、和/或用于测量设备10的取向、位置和/或移动的其他传感器。运动传感器30可产生指示设备10是被放置在用户的头部上还是从用户的头部移除的传感器数据。例如，向上运动的弧线或从表面提起可指示设备10正被放置在用户的头部上或已放置在用户的头部上，而向下运动的弧线或放到表面上可指示设备10正从用户的头部移除或已从用户的头部移除。
图2是示出针对三种不同的例示性适应状态如何通过设备10将显示器40的内容亮度值映射到显示器40的显示亮度值的曲线图。图2的曲线图的内容亮度和显示亮度轴具有对数标度。在图2的示例中，曲线28被优化用于暗适应状态(例如，当用户适应暗环境时)，曲线30被优化用于中等适应状态(例如，当用户适应照明的办公室或暗淡的户外环境时)，并且曲线32被优化用于亮适应状态(例如，当用户适应亮户外环境时)。可存在用于根据用户的适应状态来将内容亮度值映射至显示亮度值的大于或少于三个不同的优化曲线。各自针对三种适应状态中的一种而优化的三条曲线的使用仅是例示性的。
色调映射电路14可基于各种因素从一个色调映射曲线切换到另一色调映射曲线。在一些情形下，色调映射电路14可选择针对用户的当前适应状态而优化的色调映射曲线。例如，当用户最初将设备10放置在他或她的头部上时，用户的眼睛可逐渐地从明亮的房间环境适应设备10的昏暗观看条件。色调映射电路14可遵循此情形下用户的适应，起初使用亮适应曲线32并逐渐地移动到暗适应曲线28。
控制电路42还可控制照明系统60以遵循用户的适应状态。例如，当用户最初在明亮房间中将设备10放在他或她的头部上时，照明系统60可以第一亮度水平(例如，匹配或几乎匹配环境亮度水平)开始，并且可逐渐地转变到第二亮度水平。第一亮度水平可小于第二亮度水平。如果需要，在用户对设备10的内部变得暗适应之后可关闭照明系统60(即，第二亮度水平可为零)。
如果需要，控制电路42还可调节照明系统60的色温。例如，当用户最初在具有冷环境照明(例如，蓝色环境照明)的环境中将设备10放置在他或她的头部上时，照明系统60可以第一色温(例如，对应于匹配或几乎匹配环境光的颜色的冷白色的第一色温)开始并且可逐渐转变到第二色温。第二色温可不同于第一色温。例如，第二色温可低于第一色温(例如，第二色温可对应于暖白色)。然而，这仅为例示性的。如果需要，控制电路42可仅调节照明系统60的亮度而不调节照明系统60的色温。
在一些情形下，色调映射电路14和/或照明系统60可用于驱动或引导用户从其当前状态到不同状态的适应。例如，当用户正在观看的视频结束时，当用户进入主屏幕时，或者当用户以其他方式指示他或她正从虚拟现实体验过渡出来时，色调映射电路14可调节显示数据，并且控制电路42可控制照明系统60将用户的适应状态从暗适应转变到亮适应，以在用户移除设备10时避免任何眩目或不适。在这种类型的情形下，色调映射电路系统14可最初使用暗适应曲线28并逐渐地移动到亮适应曲线32，从而使得用户的眼睛慢慢变得亮适应。
在一些情形下，控制电路42可控制照明系统60的亮度和/或色温以增强显示器40上的图像。例如，照明系统60可产生品红色照明以增强显示器40上绿色的显现。又如，照明系统60中的第一组发光设备62可在显示器40上的图像的第一部分附近照亮，而照明系统60中靠近显示器40上的图像的第二部分的第二组发光设备62可保持未照亮，这继而可导致图像的第二部分中的感知对比度提升。
图3是具有照明系统诸如照明系统60的例示性设备10的透视图。设备10可包括内表面和外表面，诸如外表面16和内表面64。当用户正穿戴设备10并在方向48上透过光学系统20观看显示器40(图3未示出)时，内表面64可面向用户的眼睛46。环境光传感器22可被配置为测量设备10外部的环境光的亮度和/或颜色。
照明系统60可包括位于设备10的内表面64上的发光设备62。发光设备62可朝向用户的周边视觉发射光66。在图3的示例中，发光设备62分布在围绕光学系统20的周边的环状部中。这仅是例示性的。如果需要，发光设备62可分布在围绕光学系统20的左眼部分的第一环状部和围绕光学系统20的右眼部分的第二环状部中。如果需要，发光设备62可位于设备10中的其他位置。在系统60中可存在一个、两个、三个、四个、十个、二十个、五十个、多于五十个或少于五十个发光设备62。
控制电路42可统一地控制所有发光设备62，或者可彼此独立地控制发光设备62中的全部或一些。例如，控制电路42可将一个或多个发光设备62(例如，区域70中的发光设备62)设定处于第一亮度水平而将其他发光设备62设定处于不同于第一亮度水平的第二亮度水平。
图3的发光设备62朝向用户的周边视觉将光66从设备10直接发射出的示例仅是例示性的。如果需要，发光设备62可将光发射到光导(例如，光导管或光导面板)中，该光导经由全内反射将光引导至不同的位置。这种类型的布置在图4中示出。
如图4所示，发光设备62可将光66发射到光导诸如光导68中。光导68可以是光纤、模制塑料结构、或根据全内反射原理在内部引导光的其他光导结构。光导68可由透明塑料、玻璃、蓝宝石或其他透明结晶材料或其他透明材料形成。在一些构型中，光导68可具有涂覆有一个或多个外层(有时称为包覆层或涂覆层)的内部结构(有时称为芯)。在这种类型的布置中，该芯可具有比包覆层高的折射率以促进已耦接到光导68中的光的全内反射。也可通过将具有第一折射率的光导结构嵌入具有高于第一折射率的第二折射率的透明材料中来形成高/低折射率布置。光导结构嵌入其中的透明材料可以是聚合物或其他透明粘结剂。
一般来讲，可通过注塑，通过机加工塑料光导结构，通过将聚合物涂层浸渍或喷涂到经加工或模制的塑料芯部分或玻璃芯部件上，通过挤出聚合物，通过使用热量和张力将玻璃或塑料棒拉长，或通过以其他方式形成可在设备10内在内部引导光的结构，来形成光导诸如光导68。在有时可在本文中被描述为示例的一种合适的布置的情况下，光导68是具有圆形横截面形状的光纤，其中中心芯被低折射率材料的包覆层环绕。光导68可由玻璃、塑料、或其他透明材料形成。也可使用其中光导68具有非圆形横截面形状的布置。
在光导68的需要照明的区域中，光导68可具有光提取特征结构诸如颗粒、折射率变化、粗糙表面、突起诸如凸耳或脊、凹陷部诸如凹坑或凹槽、或其他光提取特征结构。在光导68中存在光提取特征结构的情况下，来自光导68内部的光66可从光导68散射出。如果需要，光导68的一些部分可不含光提取特征结构，使得光66经由全内反射传播穿过光导68的该部分并包含在该部分内。
图5是示出控制电路42可如何使用来自输入-输出设备18和/或其他设备的信息来确定照明系统60的操作条件并确定显示器40的色调映射参数的图示。控制电路42可接收输入诸如环境光条件34、用户的生理属性36、运动传感器数据90、注视位置38和显示内容(例如，显示内容44和/或重映射的内容50)。控制电路42可基于这些输入中的一者或多者来控制照明系统60。
环境光条件34可包括通过环境光传感器22测量的环境光亮度和/或环境光颜色。所测量的环境光信息34可在用户将设备10放置在他或她的头部上时指示用户的适应状态。控制电路42可基于环境光信息34来控制照明系统60。例如，如果环境光传感器条件34指示亮环境光，则控制电路42可使用亮光来照亮照明系统60，使得当显示器40开启时，显示器40上的图像对用户而言显得足够亮。控制电路42可在用户使用设备10的暗观看条件时逐渐地降低照明系统60的亮度。
控制电路42(例如，图1的色调映射电路14)还可基于环境光条件34来确定显示器40的色调映射参数。例如，如果环境光传感器条件34指示亮环境光，则色调映射电路14可以亮适应曲线32开始，使得图像对于用户而言显得足够亮。色调映射电路14可在用户适应设备10的暗观看条件时逐渐地转变到针对暗适应状态优化的色调映射参数。
生理属性36可包括瞳孔大小、眨眼率、面部表情、眼睛开度和/或可指示用户的适应状态的其他信息。例如，在用户的眼睛适应暗环境条件时，瞳孔可变得更大，眨眼率可减小，眼睛和脸颊之间的距离可随着脸部松弛而减小，并且眼睛可眯得更少。这些生理属性可被测量(例如，使用相机24和/或光发射器26)并由控制电路42用于确定照明系统60的操作条件并确定显示器40的色调映射参数。除了指示用户的适应状态之外，生理属性36还可指示用户的疲劳水平。用户在长时间观看头戴式显示器上的图像之后可能会感到疲劳。如果需要，控制电路42可使用生理属性36来确定用户的疲劳水平，并且可相应地调整照明系统60和/或显示器40。例如，当用户显示疲劳迹象时，控制电路42可使照明系统60变暗和/或可使显示器40变暗，以使观看体验更舒适。
控制电路42可使用来自图1的运动传感器92的运动传感器数据90来确定照明系统60的操作条件和/或确定显示器40的色调映射参数。运动传感器数据90可例如用于确定设备10何时被放置在用户的头部上或从用户的头部移除。当运动传感器数据90指示设备10正被放置在用户的头部上时，控制电路42可开启照明系统60，使得用户从亮环境光条件到暗头戴式显示器观看条件的过渡不那么突然。相似地，如果运动传感器数据90指示正在从用户的头部移除设备10，则控制电路42可开启照明系统60，使得用户从暗头戴式显示器观看条件过渡到亮环境光条件的过渡不那么突然。
注视位置38还可用于确定照明系统60和/或显示器40的适当操作条件。如果观看者的注视朝向图像的亮部分，则用户可为稍微亮适应，而朝向图像的暗部分注视的观看者可更为暗适应。如果需要，控制电路42可基于注视位置38来确定要照亮或关闭系统60中的哪些光源62。可使用相机24捕获观看者的瞳孔和观看者眼睛的其他部分的图像来测量注视位置38。注视位置38可结合注视位置处的像素亮度使用来估计用户的当前适应状态。此计算可包括例如用于估计用户的适应状态的用户注视位置围绕的像素亮度水平的移动平均值。注视位置38处的像素亮度可通过分析显示器40上正在显示的图像数据的帧来确定(例如，通过分析内容44和/或重映射的内容50)。
在操作期间，内容生成器12可产生要在显示器40上显示的内容。内容生成器12可例如生成虚拟现实内容、增强现实内容和/或混合现实内容。这可包括在视频游戏中渲染游戏图像、检索所存储电影数据并提供要在显示器40上显示的对应视频帧、产生与操作系统功能或应用程序相关联的静态图像帧、和/或产生用于在显示器40上显示的其他内容。
控制电路42可使用关于环境条件34、生理属性36、运动传感器数据90、注视位置38和/或内容44和50的信息来确定照明系统60和/或显示器40的操作条件。例如，控制电路42可基于环境条件34、生理属性36、运动传感器数90、注视位置38、内容44和内容50中的一者或多者来确定照明系统60中的每个发光设备62的亮度水平和色温。
控制电路42中的色调映射电路14可基于环境条件34、生理属性36、运动传感器数据90、注视位置38、内容44和内容50中的一者或多者来确定应如何将原始内容值映射到显示内容值(例如，以便确定如何根据结合图2所描述的类型映射曲线将内容亮度值映射到显示亮度值)。这有时被称为调节显示器的亮度水平。为了确保内容被适当地显示在显示器40上，色调映射电路14可向内容生成器12提供执行亮度映射操作时使用的色调映射参数，和/或色调映射电路14可实施内容生成器12的亮度映射。
在一些配置中，内容生成器12可能够在内部调节内容亮度值。在这些情况下，色调映射电路14可向内容生成器12供应色调映射参数。色调映射参数向内容生成器12通知向显示器44供应内容40时使用的适当的映射曲线。
在其他配置中，内容生成器12可能不能够在内部调节内容亮度值，或者可能另外期望与内容生成器12的色调映射功能分开实施色调映射。在这些情况下，可将来自内容生成器12的内容44提供给色调映射电路14。然后，色调映射电路14可应用期望的内容亮度至显示亮度映射(例如，与图2所示的曲线中的一条相关联的映射限定完成映射参数)，以确保内容44的亮度被适当地调节(例如，使得内容44根据期望的内容亮度至显示亮度映射进行重映射以产生用于在显示器40上显示的对应重映射内容50)。
图6是示出当用户在时间t0将设备10放置在他或她的头部上时照明系统60和显示器40的例示性亮度水平的曲线图。曲线72表示照明系统60的亮度，而曲线74、76和78表示显示器40的三个例示性亮度曲线。控制电路42可使用环境光传感器22来确定环境光亮度。环境光亮度可例如等于或接近亮度水平L2。因此，当用户最初在时间t0处将设备10放置在他或她的头部上时，控制电路42可在t0处以亮度水平L2照亮照明系统60以匹配用户的适应状态。从时间t0到时间t1，控制电路42可将照明系统60的亮度从L2逐渐降低到L1。L1可例如为显示器40的最大亮度。从时间t1到时间t2，控制电路42可将照明系统60的亮度从L1逐渐降低到零。这允许用户逐渐变得暗适应，使得从时间t2处开始，显示器40显得足够亮。
在一些布置中，显示器40可遵循亮度曲线74。亮度曲线74在时间t0处以亮度水平L1开始并且保持处于L1。用户从时间t0到时间t1的亮度适应水平可不像亮度曲线74那样低，但来自照明系统40的附加照明的存在可有助于逐渐调节用户的适应状态，使得用户从亮度L2到L1的过渡不那么突然。
在其他布置中，显示器40可遵循亮度曲线76。亮度曲线76在时间t0处以零亮度开始，逐渐增加到时间L1处的亮度水平t1，并且从t1开始保持处于L1。用户从时间t0到时间t1的亮度适应水平可不像亮度曲线76那样低，但来自照明系统40的附加照明的存在可有助于逐渐调节用户的适应状态，使得用户从亮度L2到L1的过渡不那么突然。
在其他布置中，显示器40可遵循亮度曲线78。亮度曲线78保持为零，直到时间t2为止。就当在时间t2处关闭照明系统60时，显示器40可开启并且可从时间t2处的零逐渐增大到时间t3处的L1。利用这种类型的布置，用户可在等到显示器40开启时完全暗适应。
图6的示例仅是例示性的。如果需要，照明系统60和/或显示器40可遵循其他亮度曲线。
控制电路42可基于来自环境光传感器22(图1)的所测量环境光条件34(图5)来确定显示器40和照明系统60的操作条件。控制电路42可刚好在显示器40被开启之前、响应于显示器40被开启、或响应于任何其他合适的动作(例如，响应于运动传感器数据90指示设备10正被放置在用户的头部上)而收集一个或多个环境光测量值。在其他布置方式中，控制电路42可使用显示器40和/或照明系统60的预定亮度曲线，该亮度曲线随着时间的推移从亮适应转变为暗适应。显示器40和/或照明系统60的预定亮度曲线可例如基于用户研究或其他信息(例如，曲线72、74、76和78可基于从明亮室内照明过渡到暗淡头戴式显示器照明的用户的典型适应转变)。
在一些布置方式中，可期望将用户的适应状态从一个水平驱动或引导到另一水平。例如，当用户正在从头戴式显示器观看体验过渡出来时(例如，当电影或视频结束时、当用户进入主屏幕或以其他方式指示观看体验接近结束时等)，可期望将用户的适应水平从暗变为亮，使得用户在将设备10从他或她的眼睛移除时不会经历眩目或不适。
这种类型的情形在图7中示出。在此示例中，曲线80是显示器40的例示性亮度曲线，并且曲线82和84是照明系统60的例示性亮度曲线。从时间t0到时间t1，用户正在观看显示器40上的内容并且在适应状态L1下为暗适应。显示器40上的内容针对适应状态L1进行优化。在时间t1处，来自输入-输出设备18和/或控制电路42的信息可指示观看体验已结束或即将结束。这可包括例如致使显示器40暂停或停止视频的用户输入、导致在显示器40上显示主屏幕的用户输入、指示电影或其他视频已结束的控制电路42、或指示观看体验已结束或接近结束的其他信息。从时间t1到时间t2，当显示器被关闭时，显示器40的亮度可减小到零。
在一些布置方式中，照明系统60可遵循曲线82。在这种类型的布置方式中，照明系统60在时间t1处开启(例如，响应于来自输入-输出设备18和/或控制电路42的指示观看体验已结束或即将结束的信息)。照明系统60的亮度可从时间t1处的零逐渐增大到时间t2处的L2。这可确保用户在移除设备10并且遇到亮环境光之前适应明亮。
在一些布置方式中，照明系统60可遵循曲线84。在这种类型的布置方式中，照明系统60在时间t2处就在显示器40被关闭时开启。照明系统60的亮度可从时间t2处的零逐渐增大到时间t3处的L2。这可确保用户在移除设备10并且遇到亮环境光之前适应明亮。
如上所描述，本技术的一个方面在于采集并使用得自各种来源的数据，以改善内容显示。本公开预期，在一些实例中，这些采集到的数据可包括唯一地识别或可用于联系或定位特定人员的个人信息数据。此类个人信息数据可包括人口数据、基于位置的数据、电话号码、电子邮件地址、家庭地址、或任何其他标识信息。
本公开认识到在本发明技术中使用此类个人信息数据可用于使用户受益。例如，个人信息数据可用于从亮环境照明条件逐渐地过渡到暗环境照明条件，反之亦然。因此，使用此类个人信息数据实现更舒适的观看体验。此外，本公开还预期个人信息数据有益于用户的其他用途。
本公开还设想负责此类个人信息数据的收集、分析、公开、传递、存储或其他用途的实体将遵守已确立的隐私政策和/或隐私做法。具体地，此类实体应当实行并坚持使用被公认为满足或超出对维护个人信息数据的隐私性和安全性的行业或政府要求的隐私政策和实践。例如，来自用户的个人信息应当被收集用于实体的合法且合理的用途，并且不在这些合法使用之外共享或出售。另外，此类收集应当仅在用户知情同意之后进行。另外，此类实体应采取任何所需的步骤，以保障和保护对此类个人信息数据的访问，并且确保能够访问个人信息数据的其他人遵守他们的隐私政策和程序。另外，此类实体可使其本身经受第三方评估以证明其遵守广泛接受的隐私政策和实践。
不管前述情况如何，本公开还设想用户选择性地阻止使用或访问个人信息数据的实施方案。也就是说，本公开预期可提供硬件元件和/或软件元件，以防止或阻止对此类个人信息数据的访问。例如，就采集关于用户的生理属性的信息而言，本技术可被配置为在注册服务期间允许用户选择“加入”或“退出”参与对个人信息数据的收集。又如，用户可选择不提供生理数据。再如，用户可选择不提供精确的位置信息，但准许传输位置区域信息。
因此，虽然本公开广泛地覆盖了使用个人信息数据来实现一个或多个各种所公开的实施方案，但本公开还设想各种实施方案也可在无需访问此类个人信息数据的情况下被实现。即，本发明技术的各种实施方案不会由于缺少此类个人信息数据的全部或一部分而无法正常进行。例如，生理信息可基于非个人信息数据或绝对最小数量的个人信息或者基于可公开获得的信息来推断。
本公开还设想头戴式设备可用于显示不同类型的内容，包括虚拟现实内容、增强现实内容和混合现实内容。在一些情况下，所显示内容可与物理环境合并。
物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测物理环境和/或与物理环境交互。
相反，计算机生成现实(CGR)环境是指人们经由电子系统感知和/或交互的完全或部分模拟的环境。在CGR中，跟踪人的物理运动的一个子集或其表示，并且作为响应，以符合至少一个物理定律的方式调节在CGR环境中模拟的一个或多个虚拟对象的一个或多个特征。例如，CGR系统可以检测人的头部转动，并且作为响应，以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对CGR环境中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来进行。
人可以利用其感官中的任一者来感测CGR对象和/或与CGR对象交互，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音频对象交互，该音频对象创建3D或空间音频环境，该3D或空间音频环境提供3D空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物理环境的环境声音。在某些CGR环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。
虚拟现实(VR)环境是指被设计成对于一个或多个感官完全基于计算机生成的感官输入的模拟环境。VR环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟、和/或通过在计算机生成的环境内人的物理运动的一个子组的模拟来感测和/或与VR环境中的虚拟对象交互。
与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的VR环境相比，混合现实(MR)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象)之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟现实(“虚拟”)连续体上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间的任何状况，但不包括这两端。
在一些MR环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官输入的变化进行响应。另外，用于呈现MR环境的一些电子系统可以跟踪相对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致运动使得虚拟树木相对于物理地面看起来是静止的。
混合现实的示例包括增强现实和增强虚拟。
增强现实(AR)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其表示之上的模拟环境。例如，用于呈现AR环境的电子系统可具有透明或半透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置成在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成像传感器，成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并且感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现AR环境时使用那些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。
增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如，视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分而进行转换，使得修改后的部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除或模糊其部分而进行转换。
增强虚拟(AV)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多个特征的表示。例如，AV公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符合太阳在物理环境中的位置的阴影。
有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种CGR环境交互。示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(HUD)、集成有显示能力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置成接受外部不透明显示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的眼睛。显示器可以利用数字光投影、OLED、LED、μLED、硅基液晶、激光扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施方案中，透明或半透明显示器可被配置成选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置成将虚拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。
根据一个实施方案，提供一种被配置为穿戴在用户的头部上的电子设备，该电子设备包括：环境光传感器，该环境光传感器测量该电子设备外部的环境光亮度；显示器，该显示器生成显示内容；照明系统，该照明系统提供光学系统的周边周围的照明；以及控制电路，该控制电路在该显示器开始生成显示内容时降低照明的亮度。
根据另一实施方案，该电子设备包括发光二极管。
根据另一实施方案，该发光二极管分布在围绕光学系统的周边延伸的环状部中。
根据另一实施方案，该发光二极管包括红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管。
根据另一实施方案，该环境光传感器测量环境光颜色，并且该控制电路基于该环境光颜色来调节该照明的颜色。
根据另一实施方案，该控制电路基于该显示内容来调节该照明的颜色。
根据另一实施方案，该照明系统包括光导和将光发射到该光导中的光源。
根据另一实施方案，该光导形成围绕该光学系统的周边延伸的环状部。
根据另一实施方案，该光导具有允许该光从该光导逸出以提供照明的光提取特征结构。
根据另一实施方案，该电子设备包括产生运动传感器数据的运动传感器，该控制电路基于该运动传感器数据来调节该照明的该亮度。
根据一个实施方案，提供一种被配置为穿戴在用户的头部上的电子设备，该电子设备包括生成显示内容的显示器、能够通过其观看该显示内容的光学系统、与该光学系统相邻的光源和在开启该显示器之前开启该光源的控制电路。
根据另一实施方案，该光学系统包括透镜，并且该光源分布在围绕该透镜的环状部中。
根据另一实施方案，该光源包括发光二极管。
根据另一实施方案，当该显示器达到给定亮度水平时，该控制电路关闭该光源。
根据另一实施方案，该光源被配置为在该电子设备被穿戴在该用户的头部上时照明该用户的周边视觉。
根据一个实施方案，提供一种用于操作被配置为穿戴在用户的头部上的电子设备的方法，该电子设备包括显示虚拟现实内容的显示器和能够通过其观看该虚拟现实内容的光学系统，该方法包括利用环境光传感器来测量该电子设备外部的环境光亮度；在显示器被断电时照明该光学系统的周边；以及利用控制电路基于该环境光亮度来确定该光源的亮度。
根据另一实施方案，该方法包括将该光源的该亮度从第一亮度水平降低到第二亮度水平。
根据另一实施方案，该方法包括当该光源的该亮度达到该第二亮度水平时，开启该显示器。
根据另一实施方案，该方法包括在开启该显示器之后，关闭该光源。
根据另一实施方案，该方法包括在将该电子设备从该用户的头部移除之前增大该光源的该亮度。
前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种被配置为穿戴在用户的头部上的电子设备，包括：
环境光传感器，所述环境光传感器测量所述电子设备外部的环境光亮度；
显示器，所述显示器生成显示内容；
光学系统，能够通过所述光学系统观看所述显示内容；
照明系统，所述照明系统提供围绕所述光学系统的周边的照明；和
控制电路，所述控制电路基于所述环境光亮度来调节所述照明的亮度，其中当所述显示器开始生成显示内容时，所述控制电路降低所述照明的所述亮度。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述照明系统包括发光二极管。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述发光二极管分布在围绕所述光学系统的所述周边延伸的环状部中。
4.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述发光二极管包括红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述环境光传感器测量环境光颜色，并且其中所述控制电路基于所述环境光颜色来调节所述照明的颜色。
6.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述控制电路基于所述显示内容来调节所述照明的颜色。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述照明系统包括光导和将光发射到所述光导中的光源。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述光导形成围绕所述光学系统的周边延伸的环状部。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述光导具有允许所述光从所述光导逸出以提供所述照明的光提取特征结构。
10.根据权利要求1所述的电子设备，还包括产生运动传感器数据的运动传感器，其中所述控制电路基于所述运动传感器数据来调节所述照明的所述亮度。
11.一种被配置为穿戴在用户的头部上的电子设备，包括：
显示器，所述显示器生成显示内容；
光学系统，能够通过所述光学系统观看所述显示内容；
光源，所述光源与所述光学系统相邻；和
控制电路，所述控制电路在开启所述显示器之前开启所述光源。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述光学系统包括透镜，并且其中所述光源分布在围绕所述透镜的环状部中。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述光源包括发光二极管。
14.根据权利要求11所述的电子设备，其中当所述显示器达到给定亮度水平时，所述控制电路关闭所述光源。
15.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述光源被配置为在所述电子设备被穿戴在所述用户的头部上时照明所述用户的周边视觉。
16.一种用于操作被配置为穿戴在用户的头部上的电子设备的方法，其中所述电子设备包括显示虚拟现实内容的显示器和能够通过其观看所述虚拟现实内容的光学系统，所述方法包括：
利用环境光传感器来测量所述电子设备外部的环境光亮度；
利用光源来在所述显示器被断电时照明所述光学系统的周边；以及
利用控制电路基于所述环境光亮度来确定所述光源的亮度。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将所述光源的所述亮度从第一亮度水平降低到第二亮度水平。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
当所述光源的所述亮度达到所述第二亮度水平时，开启所述显示器。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在开启所述显示器之后，关闭所述光源。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
在将所述电子设备从所述用户的头部移除之前增加所述光源的所述亮度。
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