CN206650796U - 虚拟现实装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于虚拟现实技术领域，提供虚拟现实装置。本实用新型的虚拟现实装置包括:头戴式显示设备和外部设备；头戴式显示设备上设置有红外摄像器件，外部设备上设有红外发光源；红外摄像器件获取红外发光源的图像，该图像用于获取红外发光源的位置信息，头戴式显示设备显示与上述位置信息对应的显示内容，在外部设备移动时，红外发光光源的位置信息改变，头戴式显示设备的显示内容相应改变，从而使用户能够通过移动外部设备改变该显示内容。本实用新型的虚拟现实装置可大幅改善低成本的消费级VR(虚拟现实)产品中进行虚拟现实交互时的用户体验。

Description

虚拟现实装置

技术领域

本实用新型涉及虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)技术领域，具体而言，涉及一种虚拟现实装置。

背景技术

VR技术是主要通过综合利用计算机图形系统和各种现实及控制等接口设备，在计算机上生成的、可交互的三维环境中提供沉浸感觉的技术。

目前，用户在使用VR设备时，通常处于头戴显示器的使用环境下，即人眼处于显示封闭状态，亦即除了头戴显示器显示的内容，无法看到其他东西。因此，相对于人眼可视情形下的人机交互，用户和VR设备之间的人机交互实现起来较为复杂，便利性较差。近几年，虚拟现实交互技术已经成为人们研究的热点。

目前，在VR(虚拟现实)产品中，常见的主要有以下几种方式实现VR交互：

1.利用VR头戴式显示设备内设置的姿态仪，检测用户的头部姿态，从而使用户利用头部姿态形成“头瞄”来瞄准用户界面，瞄准后，用户可采用外部设备，例如点击外部设备上设置的物理按键传输控制指令，实施控制操作，如确定、返回等操作。

2.在外部设备例如手持遥控器上设置MEMS惯导系统，该系统可检测外部设备的运动趋势，依据运动趋势来实现用户界面里的光标移动，使用户利用移动外部设备移动光标，然后下发指令，例如点击手持遥控器上的按键实施控制操作，如确定、返回等操作。

然而，上述这两种虚拟现实交互方式，对于方式1而言，用户需要利用头部运动进行瞄准，操作没有纵深感受，容易破坏VR环境的真实感和沉浸感，用户体验较差；对于方式2而言，MEMS惯导系统成本高昂。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种虚拟现实装置，用以解决现有技术中进行虚拟现实交互时用户体验不佳并且成本高的问题，从而可以提供用户体验好和低成本的消费级VR(虚拟现实)产品。

本实用新型提供一种虚拟现实装置,包括:

头戴式显示设备和外部设备；

所述头戴式显示设备上设置有红外摄像器件，所述外部设备上设有红外发光源；

所述红外摄像器件获取所述红外发光源的图像，所述图像用于获取所述红外发光源的位置信息，所述头戴式显示设备显示与所述位置信息对应的显示内容，在所述外部设备移动时，所述红外发光光源的位置信息改变，所述头戴式显示设备的显示内容相应改变，从而使用户能够通过移动所述外部设备改变所述显示内容。

可选地，所述红外摄像器件为双目红外摄像机或单目红外摄像机。

可选地，所述红外摄像器件为双目红外摄像机；所述双目红外摄像机包括两个红外摄像头，每一所述红外摄像头包括：红外选光器件、图像传感器以及光学镜头组件；所述红外选光器件设于所述图像传感器与所述光学镜头组件之间，或者，所述光学镜头组件与所述图像传感器相邻设置，所述红外选光器件设于所述光学镜头组件的远离所述图像传感器一侧。

可选地，所述红外摄像器件为单目红外摄像机，所述红外发光源为一红外发光球体。

可选地，所述虚拟现实装置还包括处理器，所述处理器用于依据所述红外发光源的图像，获取所述红外发光源的位置信息。

可选地，所述双目红外摄像器件设于所述头戴式显示设备的第一表面上的与人眼相对应的位置。

可选地，所述红外发光源为波长在850nm～1100nm范围的红外LED灯。

可选地，所述外部设备上还设有输入部件，所述使用者通过所述输入部件向所述外部设备下发指令。

可选地，所述外部设备为手持设备。

具体地，所述手持设备包括手柄、指环、手环或手套。

本实用新型的虚拟现实装置，在头戴式显示设备上设置红外摄像器件，在外部设备上设置红外发光源，这样一来，能够利用红外摄像器件采集的红外发光源的图像，依据该图像获取红外发光源的位置信息，依据该位置信息控制所述头戴式显示设备的显示内容，从而使用户能够通过移动外部设备改变所述显示内容，即，使用户能够通过移动外部设备实现与VR装置的交互，不需要用户通过改变头部姿态进行交互，对用户而言，有效保证VR环境的真实感和沉浸感，用户体验较好，而且，成本较低，即大幅改善了低成本的消费级VR(虚拟现实)产品中进行虚拟现实交互时的用户体验。

附图说明

图1示出了本实用新型实施方式一的虚拟现实装置的结构示意图；

图2示出了图1的虚拟现实装置的透视结构示意图；

图3示出了图1的虚拟现实装置建立坐标系计算红外发光源位置的示意图；

图4示出了图3中进一步简化坐标系获取红外发光源的坐标的示意图；

图5示出了本实用新型的虚拟现实装置应用到射击游戏中的示意图；

图6示出了对外部设备进行追踪的空间示意图；

图7示出了红外发光源转换为立体光标后对虚拟环境的用户界面的立体菜单进行操作的示意图；

图8示出了本实用新型实施方式二的虚拟现实装置的结构示意图；

图9(A)和图9(B)示出了图1的虚拟现实装置中红外摄像器件的示例性结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施方式的限制。

实施方式一

如图1所示，本实用新型实施方式一的虚拟现实装置，包括:

头戴式显示设备20和外部设备30。用户佩戴上头戴式显示设备20可以看见显示的光学图像，为保证较佳的沉浸感，在头戴式显示设备20显示图像时，用户佩戴上头戴式显示设备20时双眼不会看到显示图像外的场景。优选地，所述头戴式显示设备20为显示立体图像的立体显示设备，这样用户可实现立体虚拟现实交互，看到立体图像，且显示图像中的场景更逼真。

头戴式显示设备20上设有红外摄像器件10。

外部设备30上设有红外发光源40。

红外摄像器件10能够获取，即拍摄到红外发光源40的图像。

红外摄像器件10通常设在头戴式显示设备20的外部壳体表面上，具体的，为便于红外摄像器件10采集红外发光源40的图像，红外摄像器件10的设置位置通常需要使得，在用户佩戴头戴式显示设备20时，红外摄像器件10的采集范围包括用户双眼的正前方。

其中，外部设备30可在用户握持下或者其它外部握持件握持后随动，即被用户或其它外部握持件带动而自由移动。优选地，外部设备30为手持设备。该手持设备可以是手柄、手环或手套等。

红外摄像器件10可以实时获取到红外发光源40的图像，依据该图像可获取到红外发光源40的位置信息，当外部设备30被移动后，在红外摄像器件10获取到的红外发光源40的图像中，红外发光源40的像素位置将发生改变，即，依据该图像获取到的红外发光源的位置信息会发生改变。基于此，本实用新型的虚拟现实装置，依据该位置信息对头戴式显示设备20的显示内容进行控制，头戴式显示设备能够显示与红外发光源40的位置信息对应的显示内容，在外部设备30移动时，红外发光光源40的位置信息改变，则头戴式显示设备20提供给用户的显示内容相应改变，从而使用户能够通过移动外部设备30改变该显示内容。

需要说明的是，该显示内容是头戴式显示设备20提供给人眼观看的任何图像内容，譬如虚拟场景，譬如虚拟现实装置的控制界面,该控制界面上显示有相关控制信息，如控制按钮等，当然也可以是娱乐、游戏等各种图像界面，本实用新型对此不做限定。

本实用新型中，该显示内容的改变包括，在头戴式显示设备的观看场景下，人眼观看到的图像内容的任何改变。例如，瞄点或显示光标的移动、色彩的变化、光照的变化、文字的更换以及虚拟场景的变化，例如人物、背景、场景视角等变化等等均为显示内容的改变。

具体的，在红外摄像器件10获取到红外发光源40的图像后，可以由处理器依据红外发光源40的图像，获取红外发光源40的位置信息。处理器可以将该位置信息传输给头戴显示设备20，由头戴显示设备20基于该位置信息调整显示内容。处理器还可以在获取到位置信息后，进一步基于该位置信息调整显示内容，并将显示内容推送给头戴显示设备20进行显示。

可选的，处理器可以设置在本实用新型的虚拟显示装置中，即，本实用新型的虚拟现实装置还包括处理器，处理器用于依据红外发光源40的图像，获取红外发光源40的位置信息。当处理器位于虚拟现实装置上时，可位于头戴式显示设备20内，也可设于外部设备30内，例如，处理器可设置在头戴显示设备20的壳体包围的内腔中。

当然，这里的处理器还可位于虚拟现实装置之外的外接设备上。当处理器位于外接设备上时，外接设备可以是一台外接的PC。

作为本实用新型的一种优化，在本实用新型的一个实施例中，上述外部设备30还设有一输入部件，该输入部件例如为物理按钮，扳机等等，用户可通过该输入部件向外部设备下发指令，例如确认、返回等指令。当接收到该指令时，外部设备30可利用近距离传输技术，例如蓝牙连接技术，将指令传输给头戴显示设备20或前述处理器，以使头戴显示设备20或前述处理器执行与该指令对应的操作。举例而言，当外部设备30为手柄时，输入部件可设于手柄上握持位置附近，如该手柄呈手枪形状，则位于该手枪形状的手柄的扳机位置。

在设置输入部件后，用户不仅能够通过移动外部设备30控制头戴显示设备20的显示内容，还可以通过外部设备30的输入部件定点控制头戴式显示设备20显示的内容。

本实用新型的虚拟现实装置，在头戴式显示设备20上设置红外摄像器件10，在外部设备30上设置红外发光源40，这样一来，能够利用红外摄像器件10采集的红外发光源40的图像，依据该图像获取红外发光源40的位置信息，依据该位置信息控制头戴式显示设备20的显示内容，从而使用户能够通过移动外部设备30改变所述显示内容，即，使用户能够通过移动外部设备30实现与VR装置的交互，不需要用户通过改变头部姿态进行交互，对用户而言，有效保证VR环境的真实感和沉浸感，用户体验较好，而且，成本较低，即大幅改善了低成本的消费级VR(虚拟现实)产品中进行虚拟现实交互时的用户体验。

在图1所示实施例中，红外摄像器件10为双目红外摄像机。此时，红外摄像器件10包括两个红外摄像头，如图9(A)和图9(B)所示意，每一红外摄像头包括：红外选光器件100、图像传感器101以及光学镜头组件102。可选的，如图9(A)所示，红外选光器件100可设于图像传感器101与光学镜头组件102之间，此时可以保护易碎的红外选光器件100不受外力损害，或者，如图9(B)所示，光学镜头组件102与图像传感器101相邻设置，红外选光器件100设于该光学镜头组件的远离图像传感器一侧，此时，不会影响后续的成像。红外选光器件100主要用于使预设波长范围内的红外光通过，而其它光无法通过。红外选光器件100可以是红外带通滤波器或者红外滤光片。优选地，红外选光器件100为红外带通滤波器。

具体的，参见图1，双目红外摄像器10可设于头戴式显示设备20的第一表面上的与人眼相对应的位置，该第一表面为用户即佩戴者佩戴头戴式显示设备时，位于头戴式显示设备远离佩戴者一侧的表面。双目红外摄像器件10的两红外摄像器件之间的间距可设置在约为6.5cm左右。通常，红外发光源40可采用为波长在850nm～1100nm范围的红外LED灯，则红外选光器件100，即红外带通滤波器使上述波长范围内的红外光通过，而上述范围以外的光则不能通过。红外发光源40也可以是其它波长范围(比如波长范围在900nm至1050nm中间)的红外LED灯，此时红外带通滤波器要与之匹配，保证此波长范围内的红外LED灯的红外光可通过，而不在该波长范围内的光被滤除。

如图2所示，本实用新型提供的虚拟现实装置采用双目红外摄像机时的透视结构图，其通过拍摄红外发光源所在位置P点的图像，然后通过图像处理获得P点的坐标，即P点的位置信息。图2中C1和C2为两个红外摄像机的成像传感器所在位置，二者之间的光轴距离为D。当P点出现于两个红外摄像机的公共视野空间内时，双目红外摄像机由于其两个红外摄像头之间间隔一定距离，所以拍摄所生成的图像就会产生视差，标定像素视差和红外摄像机的光轴距离D的数值关系，然后根据红外摄像机本身的透视模型，可以很容易的通过三角测量法推算出P点相对于双目红外摄像机所在平面的空间位置。具体的计算方法如图3所示，在图3中，C1和C2是两个红外摄像头的镜头位置，定义C1处的红外摄像头的主光轴与C1处的红外摄像头的镜头交点为原点(0,0,0)，则红外发光源的位置P(x,y,z)在C1处的红外摄像头内成像的位置为(0,y,-p)，在C2处的红外摄像头内成像的位置为(D,y,-p)，这里D是两个摄像头之间的水平距离，p为红外摄像头自身的光路结构参数决定的。P(x,y,z)在水平方向与C1处红外摄像头的主光轴交点和C2处红外摄像头的主光轴交点分别为(0,y,z)和(D,y,z)。P点在C1处的红外摄像头和C2处的红外摄像头的成像位置分别为(x1,y,0)和(x2,y,0)，x1和x2可以由拍摄到的图像中红外发光源P点的二维坐标(x,y)获得。

可以根据图中的三角形得出以下关系

(z+p)/x＝p/x1

(z+p)/x2＝p/(d-x)

其中p可以通过以下方式得出：通过实际测量坐标已知的位置点，将该位置点的已知坐标代入以上关系后得出，这个参数和选用的摄像头光学设计有关，因此对于不同的光学设计下的红外摄像头而言，该参数需要在定位前进行标定。通过上述的关系式可以解出P点的z坐标和x坐标。由于双目红外摄像头水平放置的位置是一致的。因此只需要解出一个y即可获得y坐标。再通过图4所示的y方向视图可以得到如下关系：

(z+p)/y＝p/y

由此可以解出P点的y坐标。

此时可以将得到的P点的坐标映射到用户佩戴头戴式显示设备正前方的视野空间区域坐标系内，用户移动外部设备(例如手持遥控器)即可操作虚拟视野空间内的用户界面，从而实现对头戴式显示设备显示的内容的控制。

实施例1

如图5所示，采用本实用新型的虚拟现实装置进行VR射击游戏时的示意图，由于可以获得外部设备(手持遥控器)相对于头戴式显示设备的空间位置，此时将头戴式显示设备的中心位置作为瞄准矢量始端，被追踪的红外发光源的空间坐标作为瞄准矢量末端，通过简单的运算能够得到瞄准矢量，然后进行射击游戏时，类似于握持了步枪，以枪口作为瞄准矢量末端，以VR游戏中观看者虚拟位置的面部作为瞄准矢量始端，可以很容易的通过移动手持遥控器的红外发光源来实现射击游戏的瞄准动作。优选地，头戴式显示设备的第一表面的中心点与红外发光源的几何中心点之间的连线作为对虚拟环境(VR游戏)下的目标进行瞄准的准线。该第一表面为佩戴者佩戴头戴式显示设备时，位于头戴式显示设备远离佩戴者一侧的表面。

实施例2

如图6所示，本实用新型的虚拟现实装置采用双目红外摄像机时，当追踪空间中的外部设备(手持遥控器)的位置时，若将该空间转化为VR环境下的视野空间，由于双目红外摄像机拍摄包含红外发光源的两幅图像之间存在视差，被追踪的红外发光源就可以通过简单的坐标系转换形成立体光标，从而可以进行图7所示的立体菜单操作，可以通过移动该光标来操作存在深度差异的远菜单和近菜单。

实施方式二

请参见图8，本实用新型的虚拟现实装置与实施方式一的虚拟现实装置基本相同，主要区别在于：设于头戴式显示设备20上的红外摄像器件10’为单目红外摄像机，设于外部设备30上的红外发光源40’为一红外发光球体。较佳地，该红外发光球体置于外部设备30本体的顶部，这样发光源的光可以向周边均匀发散，也便于获取光斑中心。此时，虚拟现实装置通过处理器基于单目红外摄像机拍摄包含红外发光球体的图像，对红外发光球体的图像的光斑进行处理获得外部设备的空间位置信息。采用该处理器获得空间位置信息的具体方法为：

S1求出拍摄到包括红外发光源的单幅图像的光斑的几何中心，例如采用现有技术中的最小二乘法、高斯拟合分布法都可以求得灰度光斑的几何中心，这些都是常见的算法，在此不再赘述。

S2将光斑的几何中心所在的图像的纵横位置作为上述P的x，y坐标。

S3计算拍摄到的单幅图像的光斑的面积，例如采用现有技术的轮廓扫描后统计同色点数计算面积等方法。

S4由于光源距离摄像头越远所成图像中的光斑越小，因此可以将光斑的面积大小映射为z坐标,满足交互需求的，线性或者非线性。例如：将手持控制器离头戴式显示设备最近距离时拍得的光斑面积(数值)作为Z轴坐标的最小值参考，将持有遥控器的手能够伸出的最远距离时拍的光斑面积(数值)作为Z轴坐标最大值参考。在上述最近距离和最远距离范围中的任何光斑大小都应位于最小值和最大值形成的区间内，以此进行线性转化，就可获得手持遥控器的粗略空间位置，它并不能直接与现实世界的物理环境尺寸一一对应，但解算出来的坐标在用户移动手持遥控器的时候是连续且平滑的，由于在VR环境中，人眼看到的物体都是由计算机系统生成的，因此这种实施方法是能够满足交互的绝大部分需求的，是一种经济适用的实施办法。相对双目红外摄像机的方法，单目红外摄像机的方法硬件功耗小，算法也较简单，易于实现。

以上仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种虚拟现实装置,其特征在于,包括:

头戴式显示设备和外部设备；

所述头戴式显示设备上设置有红外摄像器件，所述外部设备上设有红外发光源；

所述红外摄像器件获取所述红外发光源的图像，所述图像用于获取所述红外发光源的位置信息，所述头戴式显示设备显示与所述位置信息对应的显示内容，在所述外部设备移动时，所述红外发光光源的位置信息改变，所述头戴式显示设备的显示内容相应改变，从而使用户能够通过移动所述外部设备改变所述显示内容。

2.如权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述红外摄像器件为双目红外摄像机或单目红外摄像机。

3.如权利要求2所述的虚拟现实装置，其特征在于，

所述红外摄像器件为双目红外摄像机；

所述双目红外摄像机包括两个红外摄像头，每一所述红外摄像头包括：

红外选光器件、图像传感器以及光学镜头组件；

所述红外选光器件设于所述图像传感器与所述光学镜头组件之间，或者，所述光学镜头组件与所述图像传感器相邻设置，所述红外选光器件设于所述光学镜头组件的远离所述图像传感器一侧。

4.如权利要求2所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述红外摄像器件为单目红外摄像机，所述红外发光源为一红外发光球体。

5.如权利要求2所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述虚拟现实装置还包括处理器，所述处理器用于依据所述红外发光源的图像，获取所述红外发光源的位置信息。

6.如权利要求2所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述双目红外摄像器件设于所述头戴式显示设备的第一表面上的与人眼相对应的位置。

7.如权利要求3所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述红外发光源为波长在850nm～1100nm范围的红外LED灯。

8.如权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述外部设备上还设有输入部件，用户通过所述输入部件向所述外部设备下发指令。

9.如权利要求1所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述外部设备为手持设备。

10.如权利要求9所述的虚拟现实装置，其特征在于，所述手持设备包括手柄、指环、手环或手套。