CN115227998A - 一种红外增强现实呼吸器面罩和方法 - Google Patents

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杜帆
崔彧宁
褚红斌
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刘刚
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    • A62B18/02—Masks
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    • A62B18/08—Component parts for gas-masks or gas-helmets, e.g. windows, straps, speech transmitters, signal-devices
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Abstract

本发明涉及一种一种红外增强现实显示的呼吸器面罩以及实现方法，其特征在于，所述包括包含佩戴总成、呼吸总成、面窗总成、双光摄像总成和显示总成。面窗总成是面罩的结构主体，其他各部分连接或固定其上。面窗总成的半透明反光板是成像的核心组件，半透明反光板为双曲面，为保证成像视野与现实视野重合，应满足本发明中相应的要求。对面窗透明层厚度导致的成像重影提出相应的优化方法。本发明通过反射式的增强现实技术可以实现红外图像与现实世界图像的叠加，解放消防员双手，同时可以叠加显示增强后的现实视野，辅助近视消防员开展救援。

Description

一种红外增强现实呼吸器面罩和方法
技术领域
本发明涉及消防领域，具体是涉及一种红外增强现实显示的呼吸器面罩以及实现方法。
背景技术
消防员在灭火救援工作中，需要佩戴呼吸器确保自身安全，携带红外图像显示装备以便寻找火源和被困人员。大部分手持式红外设备会占用消防员的双手影响救援能力，由于呼吸器面罩气密性的需要，近视的消防员不能同时佩戴面罩和眼镜。通过反射式的增强现实技术可以实现红外图像与现实世界图像的叠加，解放消防员双手，同时可以叠加显示增强后的现实视野，辅助近视消防员开展救援。由于传统的呼吸器面罩内的口鼻罩占用空间较大，挤占图像显示组件的空间，本发明使用口呼吸罩以实现所述其他功能。
申请号为201120191919.5和201120191866.7公开了一种双目呼吸器面罩，其特征在于，面罩内设置有使用人可以向下看到的双目显示屏，但是，在使用人看向前方现实环境时无法看到显示屏上的红外图像，在视野的多次转换中分散使用人精力，影响行进速度。
发明内容
发明目的：通过反射式增强现实的方法，将红外图像信息叠加到现实视野中。呼吸器面罩的面窗作为反光板，将位于护鼻上方显示总成的屏幕图像反射到人眼中。
技术方案：本发明的一种呼吸器面罩，包含佩戴总成、呼吸总成、面窗总成、双光摄像总成和显示总成。
面窗总成是面罩的结构主体，其他各部分连接或固定其上，面窗总成包含气密性硅胶垫、面窗和集成在面窗上的半透明反光板。
佩戴总成用于将面罩固定在使用人头部，包含头带、松紧调节扣等。
呼吸总成包含供气阀连接口、口呼吸罩。
双光摄像总成包含红外摄像头和高清摄像头，为确保采集的图像能够符合增强现实的视野要求，两个摄像头的等效焦距（等效35mm）应小于30mm，镜头应在同一垂面，间距不大于3cm，拍摄方向为水平正视前方。
显示总成包含调节支架、屏幕、电池、图像驱动板。
附图说明
图1为本申请的一种红外增强现实呼吸器面罩的结构示意图；图2为本申请中成像原理示意图；图3为本申请中重影优化原理示意图。
在图1中，1为佩戴总成，2为面窗总成，3为双光摄像总成，4为显示总成，5为呼吸总成。
方法与原理
面窗总成的半透明反光板是成像的核心组件，半透明反光板为双曲面，定义焦距为f，主光轴l0，水平线l1与l0相交于双曲面顶点，使用人平视线l2，要求成像h2竖直且中心在平视线l2上，根据双曲面成像原理，屏幕h1应竖直。定义主光轴l0与水平线l1的夹角Q，屏幕h1到主光轴l0的距离为H1，成像h2到到主光轴l0的距离为H2，水平线l1与l0的距离H0，物距x，像距y。
为保证以上成像要求：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
应满足以上公式。
受呼吸器面罩内空间限制，屏幕大小应在4英寸以下，物距x应小于5cm；同时，成像大小应在100英寸以上，像距y应大于1m。
屏幕中心到平视线l2的距离为k应大于3cm，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
以防止屏幕阻挡视线。
显示总成的调节支架用于调节屏幕高度以便满足不同使用者的视野要求，高度调节可由面罩上的旋钮或按键有线控制，也可由无线遥控控制。在调节屏幕高度的同时，调节支架联动对屏幕前后进行调节，以满足[0012]和[0014]中的公式对成像的要求。
举例设置相关条件，采用3英寸屏幕，物距3cm的情况下，要求像距5m，经过公式计算，求得成像大小为500英寸，视场角约100°，应保证双光摄像头拍摄图像与成像后的放大倍率相同，则镜头焦距应为16~17mm（等效35mm）。
对成像重影的优化处理：
由于面罩面窗透明层的厚度，内外表面对显示屏幕成像可能出现重影，为保证成像质量，可以对面窗几何构成进行修成。定义面窗内侧抛物面焦距f1，物距x1，像距y1，外侧抛物面焦距f2，物距x2，像距y2，需要满足内外侧成像放大倍率相同。则应满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE005
以上为成像重影修正。
由于面窗厚度变化导致的光程差会出现折射，故需要重新补齐光程，采用不用折射率的透明材料补齐光程，定义内侧材料的折射率为n1，剖切抛物线为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
外侧材料的折射率为n2，剖切抛物线为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
主光轴上面窗内光程d0为nd，距离主光轴y高度的实际长度为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
设定n1> n2的情况下，需满足
Figure DEST_PATH_IMAGE009
以保证成像竖直位置与重影修正前相一致。

Claims (9)

1.一种红外增强现实呼吸器面罩包括佩戴总成、呼吸总成、面窗总成、双光摄像总成和显示总成，其特征在于：通过反射式增强现实的方法，将红外图像信息叠加到现实视野中，呼吸器面罩的面窗作为反光板，将位于护鼻上方显示总成的屏幕图像反射到人眼中，可以实现红外图像与现实世界图像的叠加，解放消防员双手，同时可以叠加显示增强后的现实视野，辅助近视消防员开展救援。
2.根据权利要求1所述的面窗总成，其特征在于：它是面罩的结构主体，其他各部分连接或固定其上，面窗总成包含气密性硅胶垫、面窗和集成在面窗上的半透明反光板。
3.根据权利要求1所述的呼吸总成，其特征在于：包含供气阀连接口、口呼吸罩。
4.根据权利要求1所述的双光摄像总成，其特征在于：包含红外摄像头和高清摄像头，为确保采集的图像能够符合增强现实的视野要求，两个摄像头的等效焦距（等效35mm）应小于30mm，镜头应在同一垂面，间距不大于3cm，拍摄方向为水平正视前方。
5.根据权利要求1所述的显示总成，其特征在于：包含调节支架、屏幕、电池、图像驱动板。
6.根据权利要求1所述的面窗总成，其特征在于：它的半透明反光板是成像的核心组件，半透明反光板为双曲面，定义焦距为f，主光轴l0，水平线l1与l0相交于双曲面顶点，使用人平视线l2，要求成像h2竖直且中心在平视线l2上，根据双曲面成像原理，屏幕h1应竖直。定义主光轴l0与水平线l1的夹角Q，屏幕h1到主光轴l0的距离为H1，成像h2到到主光轴l0的距离为H2，水平线l1与l0的距离H0，物距x，像距y。为保证以上成像要求，应满足以下公式：
Figure RE-355511DEST_PATH_IMAGE001
Figure RE-272651DEST_PATH_IMAGE002
7.根据权利要求5所述的显示总成，其特征在于：显示总成的调节支架用于调节屏幕高度以便满足不同使用者的视野要求，高度调节可由面罩上的旋钮或按键有线控制，也可由无线遥控控制。在调节屏幕高度的同时，调节支架联动对屏幕前后进行调节，以满足权利要求6所述公式对成像的要求。
8.根据权利要求6所述的面窗总成，可以对成像重影的优化处理：
由于面罩面窗透明层的厚度，内外表面对显示屏幕成像可能出现重影，为保证成像质量，可以对面窗几何构成进行修成。定义面窗内侧抛物面焦距f1，物距x1，像距y1，外侧抛物面焦距f2，物距x2，像距y2，需要满足内外侧成像放大倍率相同。则应满足：
Figure RE-114705DEST_PATH_IMAGE003
Figure RE-509915DEST_PATH_IMAGE004
Figure RE-324287DEST_PATH_IMAGE005
9.根据权利要求6所述的面窗总成，由于面窗厚度变化导致的光程差会出现折射，故需要重新补齐光程，采用不用折射率的透明材料补齐光程，定义内侧材料的折射率为n1，剖切抛物线为：
Figure RE-209066DEST_PATH_IMAGE006
外侧材料的折射率为n2，剖切抛物线为：
Figure RE-476100DEST_PATH_IMAGE007
主光轴上面窗内光程d0为nd，距离主光轴y高度的实际长度为：
Figure RE-238781DEST_PATH_IMAGE008
以上公式用于成像优化。
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