CN113608356A - 基于ar的全息头戴显示系统、方法和全息头戴 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种基于AR的全息头戴显示系统、方法和全息头戴，其中，该显示系统包括：处理器模块、数据采集模块、全息计算模块和增强现实全息显示模块，其中，处理器模块分别与数据采集模块和全息计算模块相连，全息计算模块与增强现实全息显示模块相连；数据采集模块，用于采集全息头戴所处环境的监测数据；处理器模块，用于对监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图；全息计算模块，用于根据环境监测图生成多张全息图；增强现实全息显示模块，用于将多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。由此，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

Description

基于AR的全息头戴显示系统、方法和全息头戴

技术领域

本申请涉及AR技术领域，尤其涉及一种基于AR的全息头戴显示系统、方法和全息头戴。

背景技术

近年来发生的一系列重大煤矿安全事故表明，井下的煤矿工人缺少对周围工作环境安全状态的感知能力。煤矿员工的安全一直以来备受重视，如何有效监测瓦斯、粉尘危害及其他环境参数成为了目前备受关注的问题。

针对煤矿井下人员的安全监测问题，现有的头戴式煤矿安全监测技术主要包括以下几类：基于声光报警的煤矿安全监测头盔、基于无线通信技术的煤矿安全监测头盔和基于手环显示的煤矿安全监测头盔。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。

为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于AR的全息头戴显示系统，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

本申请的第二个目的在于提出一种基于AR的全息头戴显示方法。

本申请的第三个目的在于提出一种全息头戴。

为达到上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种基于AR的全息头戴显示系统，包括：处理器模块、数据采集模块、全息计算模块和增强现实全息显示模块，其中，所述处理器模块分别与所述数据采集模块和所述全息计算模块相连，所述全息计算模块与所述增强现实全息显示模块相连；所述数据采集模块，用于采集全息头戴所处环境的监测数据；所述处理器模块，用于对所述监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图；所述全息计算模块，用于根据所述环境监测图生成多张全息图；所述增强现实全息显示模块，用于将所述多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将所述增强现实全息图进行显示。

本申请实施例的基于AR的全息头戴显示系统，通过数据采集模块采集全息头戴所处环境的监测数据，然后通过处理模块对监测数据进行图形化处理，生成环境监测图，接着通过全息计算模块根据环境监测图生成多张全息图，最后通过增强现实显示模块将多张全息图和现实环境进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。由此，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

另外，根据本申请上述实施例提出的基于AR的全息头戴显示系统还可以具有如下附加的技术特征：

根据本申请的一个实施例，所述基于AR的全息头戴显示系统，还包括：存储模块和电源模块，其中，所述存储模块与所述处理器模块相连，用于存储所述监测数据和/或所述环境监测图；所述电源模块分别与所述处理器模块、所述数据采集模块、所述全息计算模块、所述增强现实全息显示模块和所述存储模块相连，用于为所述处理器模块、所述数据采集模块、所述全息计算模块、所述增强现实全息显示模块和所述存储模块提供电能。

根据本申请的一个实施例，所述基于AR的全息头戴显示系统，其中，所述监测数据包括所述全息头戴的定位信息、所述全息头戴的姿态角、矿井深度、矿井风速、矿井瓦斯浓度、矿井温湿度、矿井噪音、矿井粉尘浓度和矿井烟雾浓度中的多种，所述多张全息图包括红光分量全息图、绿光分量全息图和蓝光分量全息图。

根据本申请的一个实施例，所述增强现实全息显示模块，包括：衍射光学组件、分束器、光源组件、同步控制器和空间光调制器，其中，所述同步控制器分别与所述光源组件和所述空间光调制器相连，用于控制所述空间光调制器依次加载所述多张全息图，并控制所述光源组件提供与所述空间光调制器当前加载的全息图的颜色分量所对应颜色的平行光；所述分束器，用于将所述平行光反射在所述空间光调制器的表面；所述空间光调制器，用于通过当前加载的全息图对所述平行光进行调制，以生成虚拟环境监测信息，并通过所述表面反射所述虚拟环境监测信息对应的光波，其中，所述光波经过所述分束器透射作用照射在所述衍射光学组件；所述衍射光学组件，用于将所述光波和所述现实环境信息对应的自然光进行叠加，以生成所述增强现实全息图，并将所述增强现实全息图进行显示。

根据本申请的一个实施例，所述光源组件包括白光LED灯、色轮和透镜组，其中，所述白光LED灯、所述色轮、所述透镜组和所述分束器依次设置在一条直线上，所述空间光调制器设置在所述分束器的下方，所述衍射光学组件设置在所述分束器的上方，其中，所述空间光调制器、所述分束器和所述衍射光学组件依次设置在另一条直线上。

根据本申请的一个实施例，所述衍射光学组件包括多个输入衍射光学元件、多个输出衍射光学元件和多个平板波导元件，其中，所述多个输入衍射光学元件包括蓝光输入衍射光学元件、绿光输入衍射光学元件和红光输入衍射光学元件；所述多个输出衍射光学元件包括蓝光输出衍射光学元件、绿光输出衍射光学元件和红光输出衍射光学元件；所述多个平板波导元件包括第一平板波导元件、第二平板波导元件和第三平板波导元件。

根据本申请的一个实施例，所述全息计算模块，具体用于：获取衍射距离；根据所述衍射距离确定全息计算策略；根据所述全息计算策略对所述环境监测图进行处理，以生成所述多张全息图。

为达到上述目的，本申请第二方面实施例提出了一种基于AR的全息头戴显示方法，包括：采集全息头戴所处环境的监测数据；对所述监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图；根据所述环境监测图生成多张全息图；将所述多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将所述增强现实全息图进行显示。

本申请实施例的基于AR的全息头戴显示方法，首先采集全息头戴所处环境的监测数据，并对监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图，然后根据环境监测图生成多张全息图，最后将多张全息图和现实环境进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。由此，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

另外，根据本申请上述实施例提出的基于AR的全息头戴显示方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本申请的一个实施例，所述根据所述环境监测图生成多张全息图，包括：获取衍射距离；根据所述衍射距离确定全息计算策略；根据所述全息计算策略对所述环境监测图进行处理，以生成所述多张全息图。

为达到上述目的，本申请第三方面实施例提出了一种全息头戴，包括前述的基于AR的全息头戴显示系统。

本申请实施例的全息头戴，通过上述的基于AR的全息头戴显示系统，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请一个实施例的基于AR的全息头戴显示系统的方框示意图；

图2为根据本申请另一个实施例的基于AR的全息头戴显示系统的方框示意图；

图3为根据本申请一个实施例的增强现实全息显示模块的方框示意图；

图4为根据本申请一个实施例的光源组件的方框示意图；

图5为根据本申请一个实施例的增强现实全息显示模块的光路结构示意图；

图6为根据本申请一个实施例的衍射光学组件的方框示意图；

图7为根据本申请一个实施例的输入衍射光学元件的方框示意图；

图8为根据本申请一个实施例的输出衍射光学元件的方框示意图；

图9为根据本申请一个实施例的平板波导元件的方框示意图；

图10为根据本申请另一个实施例的增强现实全息显示模块的光路结构示意图；

图11为根据本申请一个实施例的衍射过程示意图；

图12为根据本申请一个实施例的基于菲涅耳衍射的GS算法流程图；

图13为根据本申请一个实施例的基于夫琅禾费衍射的GS算法流程图；

图14为根据本申请一个实施例的基于AR的全息头戴显示方法的流程示意图；

图15为根据本申请另一个实施例的基于AR的全息头戴显示方法的流程示意图；以及

图16为根据本申请一个实施例的全息头戴的方框示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参照附图描述本申请实施例的基于AR的全息头戴显示系统。

图1为根据本申请一个实施例的基于AR的全息头戴显示系统的方框示意图。

如图1所示，本申请实施例的基于AR的全息头戴显示系统100，可包括：处理器模块110、数据采集模块120、全息计算模块130和增强现实全息显示模块140，其中，处理器模块110分别与数据采集模块120和全息计算模块130相连，全息计算模块130与增强现实全息显示模块140相连。

其中，数据采集模块120，用于采集全息头戴所处环境的监测数据。其中，监测数据可包括全息头戴的定位信息、全息头戴的姿态角、矿井深度、矿井风速、矿井瓦斯浓度、矿井温湿度、矿井噪音、矿井粉尘浓度和矿井烟雾浓度中的多种。应说明的是，该实施例中所描述的全息头戴可内置上述基于AR的全息头戴显示系统100。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，数据采集模块120可通过全息头戴内置的相关传感器（例如，湿度传感器、粉尘浓度传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器等）实时获取该全息头戴所处环境的监测数据，并将该监测数据发送至处理器模块110。

处理器模块110，用于对监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图。其中，环境监测图可包括监测报警界面和导航界面，监测报警界面可包括多项监测数据，用于对异常监测数据进行报警显示，导航界面用于显示实时导航地图，并且在发生矿井灾害时辅规划助逃生路径。

在本申请实施例中，处理模块110可为主控核心，负责对各个模块进行控制。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，处理模块110可接收数据采集模块120发送的监测数据，并在接收到该监测数据后，对该监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图，然后将该环境监测图发送至全息计算模块130。

全息计算模块130，用于根据环境监测图生成多张全息图。

其中，多张全息图可包括红光分量全息图、绿光分量全息图和蓝光分量全息图。

在本申请实施例中，全息计算模块130可具有高性能、高并行性和高速计算能力，可对环境监测图进行相应的处理，以实时生成多张全息图。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，全息计算模块130可接收处理模块110发送的环境监测图，并在接收到该环境检测图后，对该环境监测图进行相应的处理，以生成多张全息图，并将该多张全息图发送至增强现实全息显示模块140。

作为一种可能的情况，上述的多张全息图还可包括橙光分量全息图、紫光分量全息图等。

增强现实全息显示模块140，用于将多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，增强现实全息显示模块140可接收全息计算模块130发送的多张全息图，并在接收到该多张全息图后，将该多张全息图与现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将该增强现实全息图进行显示。

在本申请的一个实施例中，如图2所示，基于AR的全息头戴显示系统100，还可包括：存储模块150和电源模块160。其中，存储模块150与处理器模块110相连，用于存储监测数据和/或环境监测图。电源模块160分别与处理器模块110、数据采集模块120、全息计算模块130、增强现实全息显示模块140和存储模块150相连，用于为处理器模块110、数据采集模块120、全息计算模块130、增强现实全息显示模块140和存储模块150提供电能。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，处理器模块110可将监测数据和/或环境监测图发送至存储模块150，存储模块150接收到该监测数据和/或环境监测图后，可将该监测数据和/或环境监测图进行存储，以便于调取使用。

为了清楚说明上一实施例，在本申请的一个实施例中，如图3所示，增强现实全息显示模块140，可包括：衍射光学组件141、分束器142、光源组件143、同步控制器144和空间光调制器145。其中，如图4所示，光源组件143可包括白光LED(Light Emitting Diode，发光二极管)灯41、色轮42和透镜组43，其中，参见图5，白光LED灯41、色轮42、透镜组43和分束器142依次设置在一条直线上，空间光调制器设置145在分束器142的下方，衍射光学组件141设置在分束器142的上方，其中，空间光调制器145、分束器142和衍射光学组件141依次设置在另一条直线上。

其中，同步控制器144分别与光源组件143和空间光调制器145相连，用于控制空间光调制器145依次加载多张全息图，并控制光源组件143提供与空间光调制器145当前加载的全息图的颜色分量所对应颜色的平行光。应说明的是，多张全息图的加载次序可根据实际情况和需求进行标定，此处不做任何限定。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，白光LED灯41可持续发出宽波段照明光照射在色轮42上，在增强现实全息显示模块140接收到多张全息图后，同步控制器144可控制空间解调器145依次加载该多张全息图，并控制色轮42旋转到空间解调器145当前加载的全息图的颜色分量所对应的颜色区域，使得全息图的颜色分量与色轮42的颜色保持一致。宽波段照明光经过色轮42的滤波作用后，可产生与空间解调器145当前加载的全息图的颜色分量所对应的单色平行光。此外，同步控制器144还可调节全息图帧率（例如，120Hz），即同步控制器144还可控制空间解调器145依次加载多张全息图的频率，使得人眼能够观察到连续的全色彩图像。

需要说明的是，该实施例中所描述的全息图帧率可根据实际情况和需求进行标定，此处不做任何限定。

举例而言，若同步控制器144控制空间解调器145当前加载的全息图是红光分量全息图，则同步控制器144可控制色轮42旋转到红色区域，此时，宽波段照明光经过色轮42后可产生红色平行光；若同步控制器144控制空间解调器145当前加载的全息图是绿光分量全息图，则同步控制器144可控制色轮42旋转到绿色区域，此时，宽波段照明光经过色轮42后可产生绿色平行光；若同步控制器144控制空间解调器145当前加载的全息图是蓝光分量全息图，则同步控制器144可控制色轮42旋转到蓝色区域，此时，宽波段照明光经过色轮42后可产生蓝色平行光。

分束器142，用于将平行光反射在空间光调制器145的表面。

具体地，在上述宽波段照明光经过色轮42产生相应的单色平行光后，该单色平行光可照射在透镜组43上，经过透镜组43的滤波、扩束和准直处理后，可产生均匀的单色平行光照射在分束器142上，然后分束器142可将经透镜组43处理后的单色平行光反射在空间调制器145的表面（即，显示面）。

空间光调制器145，用于通过当前加载的全息图对平行光进行调制，以生成虚拟环境监测信息，并通过表面反射虚拟环境监测信息对应的光波，其中，光波经过分束器142透射作用照射在衍射光学组件141。

具体地，在增强现实全息显示模块140接收到多张全息图后，同步控制器144可控制空间光调制器145依次加载该多张全息图，并通过当前加载的全息图对与当前加载的全息图的颜色分量所对应颜色的平行光进行调制，以生成虚拟环境监测信息，并通过表面反射虚拟环境监测信息对应的光波，经过分束器142透射作用照射在衍射光学组件141上。

举例而言，若空间光调制器145加载的是红光分量全息图，则空间光调制器145可对红色平行光进行调制，生成对应虚拟环境监测信息，并通过表面反射该虚拟环境监测信息对应的红色光波；若空间光调制器145加载的是绿光分量全息图，则空间光调制器145可对绿色平行光进行调制，生成对应虚拟环境监测信息，并通过表面反射该虚拟环境监测信息对应的绿色光波；若空间光调制器145加载的是蓝光分量全息图，则空间光调制器145可对蓝色平行光进行调制，生成对应的虚拟环境监测信息，并通过表面反射该虚拟环境监测信息对应的蓝色光波。

衍射光学组件141，用于将光波和现实环境信息对应的自然光进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。

具体地，在上述光波照射在衍射光学组件141上时，衍射光学组件141可将该光波和现实环境信息对应的自然光进行叠加，以生成增强现实全息图，并将该增强现实全息图进行显示。

为了清楚说明上一实施例，在本申请的一个实施例中，如图6所示，衍射光学组件141可包括多个输入衍射光学元件600、多个输出衍射光学元件610和多个平板波导元件620，其中，如图7所示，多个输入衍射光学元600件可包括蓝光输入衍射光学元件601、绿光输入衍射光学元件602和红光输入衍射光学元件603，如图8所示，多个输出衍射光学元件610可包括蓝光输出衍射光学元件611、绿光输出衍射光学元件612和红光输出衍射光学元件613，如图9所示，多个平板波导元件620可包括第一平板波导元件621、第二平板波导元件622和第三平板波导元件623。

其中，多个输入衍射光学元件600和多个输出衍射光学元件610表面可为浮雕光栅，可利用光的干涉和衍射原理实现特定角度光波的偏转（入瞳和出瞳），多个平板波导元件620可为薄层玻璃基底，对光波信息起到全反射传播的作用。

具体地，参见图10，当空间光调制器145加载蓝光分量全息图时，虚拟环境监测信息对应的蓝色光波射入蓝光输入衍射光学元件601进行输入耦合，将该蓝色光波耦合进入第一平板波导元件621进行全反射传播，在经过第一平板波导元件621的多次全反射作用后，该蓝色光波射入蓝光衍射输出光学元件611进行输出解耦，将该蓝色光波解耦出第一平板波导元件621（出瞳），然后经过衍射作用射入人眼（入瞳）；当空间光调制器145加载绿光分量全息图时，虚拟环境监测信息对应的绿色光波射入绿光输入衍射光学元件602进行输入耦合，将该绿色光波耦合进入第二平板波导元件622进行全反射传播，在经过第二平板波导元件622的多次全反射作用后，该绿色光波射入绿光衍射输出光学元件612进行输出解耦，将该绿色光波解耦出第二平板波导元件622，然后经过衍射作用射入人眼；当空间光调制器145加载红光分量全息图时，虚拟环境监测信息对应的红色光波射入红光输入衍射光学元件603进行输入耦合，将该红色光波耦合进入第三平板波导元件623进行全反射传播，在经过第三平板波导元件623的多次全反射作用后，该红色光波射入红光衍射输出光学元件613进行输出解耦，将该红色光波解耦出第三平板波导元件623，然后经过衍射作用射入人眼。

进一步地，上述蓝色光波、绿色波光和红色光波可基于光的三原色原理生成虚拟世界信息，该虚拟世界信息可与现实环境信息进行叠加，即，该蓝色光波、绿色光波和红色光波可与现实环境信息对应的自然光进行叠加，使得用户既能看到眼前的现实环境信息，又能看到虚拟世界信息，以达到增强现实显示效果。

作为一种可能的情况，上述的多个输入衍射光学元600件还可包括橙光输入衍射光学元件、紫光输入衍射光学元件等，对应的多个输出衍射光学元件610还可包括橙光输出衍射光学元件、紫光输出衍射光学元件等，多个平板波导元件还可包括第四平板波导元件、第五平板波导元件等。

在本申请的一个实施例中，全息计算模块140，具体用于：获取衍射距离，并根据衍射距离确定全息计算策略，然后根据全息计算策略对环境监测图进行处理，以生成多张全息图。应说明的是，该实施例中所描述的衍射距离为观察面和衍射面的距离，可根据煤矿现实场景的深度位置自适应调整衍射距离，此处不做任何限定。

需要说明的是，该实施例中的衍射距离可通过上述全息头戴上的相关功能旋钮或按钮进行调节，即该衍射距离是用户预先通过该全息头戴设置的（即，预先存储在该全息头戴的存储空间中）。其中，该全息头戴可在出厂时预先设置好了一个默认的衍射距离。

具体地，在全息头戴正常工作的过程中，全息计算模块140可从该全息头戴内置的存储空间中直接获取衍射距离，当衍射距离较小时，即，当衍射面距离观察面有限远（近场）时，采用基于菲涅耳衍射的GS（Gerchberg Saxton，相位复原）算法对环境监测图进行处理，以生成多张全息图；当衍射距离较大时，即，当衍射面距离观察面无限远（远场）时，采用基于夫琅禾费衍射的GS算法对环境监测图进行处理，以生成多张全息图。

其中，图11为衍射过程示意图，如图11所示，Σ可为衍射孔，衍射孔所在的

平面可为衍射面，xy平面可为观察面，p可为观察面上的一点，

可为衍射面上的点

到点

的距离，

可为衍射面与观察面的距离。

可选地，当衍射距离较小时，可采用菲涅耳衍射进行计算，其公式如下述公式（1）。

（1）

其中，

可为入射波的波长，exp表示以自然常数e为底的指数函数，j可为虚数，波矢量

，

可为圆周率，

可为观察面与衍射面之间的距离，

可为p的坐标，

可为

的坐标，

为可为观察面复振幅，

可为衍射面复振幅。

需要说明的是，该实施例中所描述的观察面与衍射面之间的距离

远远大于孔径Σ和观察区域的尺寸。

进一步地，为了提高全息图的重建质量，可采用基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强，以此减小重建像的均方根误差，其中，基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强流程是：首先对目标图像添加随机相位，并用常数调制全息图的振幅，以及通过正向衍射变换生成目标图像的再现像，然后保持再现像的相位不变，用目标图像的振幅取代再现像的振幅，再进行逆向衍射得到全息图，然后重复正向衍射和逆向衍射变换，并在迭代结束后，输出一张全息图，以此方式可生成多张全息图。

其中，基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强具体过程可参见图12，如图12所示，首先，初始化随机相位为

，并初始化平面波常数振幅为

，然后输入迭代次数N和循环变量n=0，当n=0时，全息面的复振幅为

，在整个迭代的过程中，当迭代的次数n小于N时，进行循环迭代，对于第n次循环中的全息面

，取其相位为

，并用常数

调制其振幅

，其中，常数

可为全1矩阵，然后调制后的全息面

可通过菲涅耳正向衍射到像面，得到像面的振幅

，再用原始图像的振幅替换像面的振幅，并保持相位不变，得到调制后的像面

，然后该像面

可通过菲涅耳逆向衍射得到全息图，以及得到下一次迭代的

，并令n=n+1；当迭代次数n不小于N，即，当n=N时，停止循环过程，输出全面复振幅

，并取相位

输出纯相位全息图，然后经过菲涅耳正向衍射得到重建像。

可选地，当衍射距离较大时，可采用夫琅禾费衍射进行计算，其公式如下述公式（2）。

（2）

其中，

可为入射波的波长，exp表示以自然常数e为底的指数函数，j可为虚数，波矢量

，

可为圆周率，

可为p的坐标，

可为

的坐标，

表示快速傅里叶变换，

可为观察面与衍射面之间的距离，

可为观察面复振幅，

可为衍射面复振幅。

进一步地，为了提高全息图的重建质量，可采用基于夫琅禾费衍射的GS算法对夫琅禾费衍射进行相位迭代增强，以此减小重建像的均方根误差，其中，基于夫琅禾费衍射的GS算法对夫琅禾费衍射进行相位迭代增强的过程可参见图13，其具体的流程详情可参见上述基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强的流程，此处不再赘述。

综上，本申请实施例的基于AR的全息头戴显示系统，通过数据采集模块采集全息头戴所处环境的监测数据，然后通过处理模块对监测数据进行图形化处理，生成环境监测图，接着通过全息计算模块根据环境监测图生成多张全息图，最后通过增强现实显示模块将多张全息图和现实环境进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。由此，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

下面参照附图描述本公开实施例的一种基于AR的全息头戴显示方法。

本申请实施例的基于AR的全息头戴显示方法，可以由电子设备来执行，该电子设备可为头戴全息显示器、全息头盔和全息眼镜等全息头戴，此处不做任何限定。

在本申请实施例中，电子设备中可以设置有处理组件、存储组件和驱动组件。可选的，该驱动组件和处理组件可以集成设置，该存储组件可以存储操作系统、应用程序或其他程序模块，该处理组件通过执行存储组件中存储的应用程序来实现本申请实施例提供的基于AR的全息头戴显示方法。

图14为根据本公开一个实施例的基于AR的全息头戴显示方法的流程示意图。

如图14所示，该基于AR的全息头戴显示方法，可包括：

步骤1401，采集全息头戴所处环境的监测数据。

其中，监测数据可包括全息头戴的定位信息、全息头戴的姿态角、矿井深度、矿井风速、矿井瓦斯浓度、矿井温湿度、矿井噪音、矿井粉尘浓度和矿井烟雾浓度中的多种。

在本申请实施例中，全息头戴可通过内置的相关传感器（例如，湿度传感器、粉尘浓度传感器、温湿度传感器、烟雾浓度传感器等）实时获取该全息头戴所处环境的监测数据。

步骤1402，对监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图。

其中，环境监测图可包括监测报警界面和导航界面，监测报警界面可包括多项监测数据，用于对异常监测数据进行报警显示，导航界面用于显示实时导航地图，并且在发生矿井灾害时辅规划助逃生路径。

在本申请实施例中，在获取上述监测数据后，全息头戴可对该监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图。

步骤1403，根据环境监测图生成多张全息图。

其中，多张全息图可包括红光分量全息图、绿光分量全息图和蓝光分量全息图。

在本申请实施例中，在生成上述环境监测图后，全息头戴可对该环境监测图进行相应的处理，以生成多张全息图。

在本申请实施例中，首先采集全息头戴所处环境的监测数据，并对监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图，然后根据环境监测图生成多张全息图，最后将多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。由此，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

为了清楚说明上一实施例，在本申请的一个实施例中，如图15所示，根据环境监测图生成多张全息图，可包括：

步骤1501，获取衍射距离。

需要说明的是，该实施例中所描述的衍射距离为观察面和衍射面的距离，可根据煤矿现实场景的深度位置自适应调整衍射距离，此处不做任何限定。

步骤1502，根据衍射距离确定全息计算策略。

步骤1503，根据全息计算策略对环境监测图进行处理，以生成多张全息图。

具体地，全息头戴可从自身的存储空间中获取衍射距离，当衍射距离较小时，即，当衍射面距离观察面有限远（近场）时，采用基于菲涅耳衍射的GS算法对环境监测图进行处理，以生成多张全息图；当衍射距离较大时，即，当衍射面距离观察面无限远（远场）时，采用基于夫琅禾费衍射的GS算法对环境监测图进行处理，以生成多张全息图。

其中，图11为衍射过程示意图，如图11所示，Σ可为衍射孔，衍射孔所在的

平面可为衍射面，xy平面可为观察面，p可为观察面上的一点，

可为衍射面上的点

到点

的距离，

可为衍射面与观察面的距离。

可选地，当衍射距离较小时，可采用菲涅耳衍射进行计算，其公式如下述公式（1）。

（1）

其中，

可为入射波的波长，exp表示以自然常数e为底的指数函数，j可为虚数，波矢量

，

可为圆周率，

可为观察面与衍射面之间的距离，

可为p的坐标，

可为

的坐标，

为可为观察面复振幅，

可为衍射面复振幅。

需要说明的是，该实施例中所描述的观察面与衍射面之间的距离

远远大于孔径Σ和观察区域的尺寸。

进一步地，为了提高全息图的重建质量，可采用基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强，以此减小重建像的均方根误差，其中，基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强流程是：首先对目标图像添加随机相位，并用常数调制全息图的振幅，以及通过正向衍射变换生成目标图像的再现像，然后保持再现像的相位不变，用目标图像的振幅取代再现像的振幅，再进行逆向衍射得到全息图，然后重复正向衍射和逆向衍射变换，并在迭代结束后，输出一张全息图，以此可生成多张全息图。

其中，基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强的具体过程可参见图12，如图12所示，首先，初始化随机相位为

，并初始化平面波常数振幅为

，然后输入迭代次数N和循环变量n=0，当n=0时，全息面的复振幅为

，在整个迭代的过程中，当迭代的次数n小于N时，进行循环迭代，对于第n次循环中的全息面

，取其相位为

，并用常数

调制其振幅

，其中，常数

可为全1矩阵，然后调制后的全息面

可通过菲涅耳正向衍射到像面，得到像面的振幅

，再用原始图像的振幅替换像面的振幅，并保持相位不变，得到调制后的像面

，然后该像面

可通过菲涅耳逆向衍射得到全息图，以及得到下一次迭代的

，并令n=n+1；当迭代次数n不小于N，即，当n=N时，停止循环过程，输出全面复振幅

，并取相位

输出纯相位全息图，然后经过菲涅耳正向衍射得到重建像。

可选地，当衍射距离较大时，可采用夫琅禾费衍射进行计算，其公式如下述公式（2）。

（2）

其中，

可为入射波的波长，exp表示以自然常数e为底的指数函数，j可为虚数，波矢量

，

可为圆周率，

可为p的坐标，

可为

的坐标，

表示快速傅里叶变换，

可为观察面与衍射面之间的距离，

可为观察面复振幅，

可为衍射面复振幅。

进一步地，为了提高全息图的重建质量，可采用基于夫琅禾费衍射的GS算法对夫琅禾费衍射进行相位迭代增强，以此减小重建像的均方根误差，并生成多张全息图，其中，基于夫琅禾费衍射的GS算法对夫琅禾费衍射进行相位迭代增强的过程可参见图13，其具体的流程详情可参见上述基于菲涅耳衍射的GS算法对菲涅耳衍射进行相位迭代增强的流程，此处不再赘述。

在本申请实施例中，首先获取衍射距离，然后根据衍射距离确定全息计算策略，最后根据全息计算策略对环境监测图进行处理，以生成多张全息图。由此，能够实现根据不同的衍射距离采用不同的全息计算策略对环境监测图进行处理，从而提高全息图的重建质量，达到更好的增强现实显示效果。

步骤1404，将多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。

具体地，在获取上述多张全息图后，全息头戴可将该多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将还增强现实全息图通过显示屏进行显示。

需要说明的是，前述对基于AR的全息头戴显示系统实施例的解释说明也适用于该实施例的基于AR的全息头戴显示方法，此处不再赘述。

综上，根据本申请实施例的基于AR的全息头戴显示方法，首先采集全息头戴所处环境的监测数据，并对监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图，然后根据环境监测图生成多张全息图，最后将多张全息图和现实环境进行叠加，以生成增强现实全息图，并将增强现实全息图进行显示。由此，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据煤矿工作环境进行增强现实显示，从而保障人员安全。

为了实现上述实施例，如图16所示，本申请实施例还提出一种全息头戴1600，可包括上述基于AR的全息头戴显示系统100。

本申请实施例的全息头戴，通过上述的基于AR的全息头戴显示系统，能够实现实时监测矿井工作人员的安全状态，并对监测数据进行增强现实显示，从而保障人员安全。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，包括：处理器模块、数据采集模块、全息计算模块和增强现实全息显示模块，其中，

所述处理器模块分别与所述数据采集模块和所述全息计算模块相连，所述全息计算模块与所述增强现实全息显示模块相连；

所述数据采集模块，用于采集全息头戴所处环境的监测数据；

所述处理器模块，用于对所述监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图；

所述全息计算模块，用于根据所述环境监测图生成多张全息图；

所述增强现实全息显示模块，用于将所述多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将所述增强现实全息图进行显示。

2.根据权利要求1所述的基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，还包括：存储模块和电源模块，其中，

所述存储模块与所述处理器模块相连，用于存储所述监测数据和/或所述环境监测图；

所述电源模块分别与所述处理器模块、所述数据采集模块、所述全息计算模块、所述增强现实全息显示模块和所述存储模块相连，用于为所述处理器模块、所述数据采集模块、所述全息计算模块、所述增强现实全息显示模块和所述存储模块提供电能。

3.根据权利要求1所述的基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，其中，所述监测数据包括所述全息头戴的定位信息、所述全息头戴的姿态角、矿井深度、矿井风速、矿井瓦斯浓度、矿井温湿度、矿井噪音、矿井粉尘浓度和矿井烟雾浓度中的多种，所述多张全息图包括红光分量全息图、绿光分量全息图和蓝光分量全息图。

4.根据权利要求1所述的基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，所述增强现实全息显示模块，包括：衍射光学组件、分束器、光源组件、同步控制器和空间光调制器，其中，

所述同步控制器分别与所述光源组件和所述空间光调制器相连，用于控制所述空间光调制器依次加载所述多张全息图，并控制所述光源组件提供与所述空间光调制器当前加载的全息图的颜色分量所对应颜色的平行光；

所述分束器，用于将所述平行光反射在所述空间光调制器的表面；

所述空间光调制器，用于通过当前加载的全息图对所述平行光进行调制，以生成虚拟环境监测信息，并通过所述表面反射所述虚拟环境监测信息对应的光波，其中，所述光波经过所述分束器透射作用照射在所述衍射光学组件；

所述衍射光学组件，用于将所述光波和所述现实环境信息对应的自然光进行叠加，以生成所述增强现实全息图，并将所述增强现实全息图进行显示。

5.根据权利要求4所述的基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，所述光源组件包括白光LED灯、色轮和透镜组，其中，

所述白光LED灯、所述色轮、所述透镜组和所述分束器依次设置在一条直线上，所述空间光调制器设置在所述分束器的下方，所述衍射光学组件设置在所述分束器的上方，其中，所述空间光调制器、所述分束器和所述衍射光学组件依次设置在另一条直线上。

6.根据权利要求5所述的基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，所述衍射光学组件包括多个输入衍射光学元件、多个输出衍射光学元件和多个平板波导元件，其中，

所述多个输入衍射光学元件包括蓝光输入衍射光学元件、绿光输入衍射光学元件和红光输入衍射光学元件；

所述多个输出衍射光学元件包括蓝光输出衍射光学元件、绿光输出衍射光学元件和红光输出衍射光学元件；

所述多个平板波导元件包括第一平板波导元件、第二平板波导元件和第三平板波导元件。

7.根据权利要求4所述的基于AR的全息头戴显示系统，其特征在于，所述全息计算模块，具体用于：

获取衍射距离；

根据所述衍射距离确定全息计算策略；

根据所述全息计算策略对所述环境监测图进行处理，以生成所述多张全息图。

8.一种基于AR的全息头戴显示方法，其特征在于，包括：

采集全息头戴所处环境的监测数据；

对所述监测数据进行图形化处理，以生成环境监测图；

根据所述环境监测图生成多张全息图；

将所述多张全息图和现实环境信息进行叠加，以生成增强现实全息图，并将所述增强现实全息图进行显示。

9.根据权利要求8所述的基于AR的全息头戴显示方法，所述根据所述环境监测图生成多张全息图，包括：

获取衍射距离；

根据所述衍射距离确定全息计算策略；

根据所述全息计算策略对所述环境监测图进行处理，以生成所述多张全息图。

10.一种全息头戴，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的基于AR的全息头戴显示系统。

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