CN221008001U - 一种虚拟现实的显示设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种虚拟现实的显示设备，涉及信息交互设备技术领域。虚拟现实的显示设备具体包括：包括：柔性显示屏，所述显示屏的工作面朝向目标对象眼部呈弯曲状，并覆盖所述目标对象眼部的视野范围；姿态传感器，用于采集所述目标对象的运动姿态；图像显示电路板，通过导线连接于所述柔性显示屏；以及图形工作站，获取所述姿态传感器所采集的姿态参数，并根据所述姿态参数采用墨卡托圆柱中心投射公式向所述图像显示电路板输出图像信息。减少小动物的VR头盔画面显示时的计算量，以提高画面流畅度。

Description

一种虚拟现实的显示设备

技术领域

本申请涉及信息交互设备领域，特别涉及一种虚拟现实的显示设备。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是一种通过计算机生成的仿真环境，让用户能够与虚拟环境进行交互并感受身临其境的体验。为了实现这种体验，人们使用VR头盔作为沉浸式虚拟现实体验的关键设备。VR头盔通常由显示屏、传感器、光学镜片、音频设备和控制器等组成。VR头盔通过显示屏将虚拟世界的图像呈现给用户，传感器可以追踪用户的头部运动，从而实现用户在虚拟环境中的视角变化。光学镜片用于将显示屏上的图像放大并投射到用户眼睛上，以创建逼真的虚拟景象。音频设备提供沉浸式的音频效果，使用户能够听到来自虚拟环境中的声音。

为了能够透彻理解宏观行为到分子细胞的生物机制，需要很多创伤性技术，不宜直接在人上研究。所以小动物实验不可或缺。

但人用的设备无法直接用在小动物上，其原因有三个方面：1、重量：人用的VR设备大概重量1.5-2.5kg左右，实验用小鼠体重20-30g，大鼠160-400g，难以承担人的VR设备重量；2、视觉结构：人是看向前方的横眼动物，小动物是向两侧看侧眼动物，小动物视野极大，水平达230°，垂直达上80°+下30°＝110°，视野范围远超人类。如果虚拟环境的图像不能覆盖所有视野，则沉浸感较差，也就是容易“出戏”，影响实验效果；3、遮盖头部：人的眼睛在前方，视野稍小，需要观看的屏幕小，而且人的头部较大，因此人带上VR设备后头部很多部分仍是暴露的，可以做脑电图监测等技术。小动物本身矮小，双眼朝斜上方，视野极大，需要观看的屏幕较大，因此会遮蔽动物头部。但科学研究中除了用VR本身，还需要同时用很多技术同时干预和探测大脑。

为了解决上述技术问题，人们通过3-6块大面积平面屏幕围绕小动物或者通过1个球形屏幕包绕小动物，以达到模拟现实的目的。然而通过3-6块大面积平面屏幕围绕动物或者通过1个球形屏幕包绕动物，均需要大量计算以矫正图像的空间畸变，而VR的特点在于互动，也就是图像需要根据观看者行为进行变化，这需要图像实时生成，如果图像滞后，不仅影响观感和互动，而且造成恶心呕吐感。

因此，如何减少小动物的VR头盔画面显示时的计算量，以提高画面流畅度，成为了亟待解决的技术难题。

发明内容

本申请的主要目的是提供一种用于宽视野的虚拟现实显示方法和设备，旨在减少小动物的VR头盔画面显示时的计算量，以提高画面流畅度。

为了实现上述目的，本申请提出一种虚拟现实的显示设备，包括：

柔性显示屏，所述显示屏的工作面朝向目标对象眼部呈弯曲状，并覆盖所述目标对象眼部的视野范围；

姿态传感器，用于采集所述目标对象的运动姿态；

图像显示电路板，通过导线连接于所述柔性显示屏；以及

图形工作站，获取所述姿态传感器所采集的姿态参数，并根据所述姿态参数采用墨卡托圆柱中心投射公式向所述图像显示电路板输出图像信息。

在本申请的一实施例中，还包括：

设于目标对象头部的固定器，所述柔性显示屏固定于所述固定器上。

在本申请的一实施例中，所述显示屏弧面所对应的圆心角位于230°至300°之间。

在本申请的一实施例中，所述姿态传感器包括六轴加速度计。

在本申请的一实施例中，还包括运动分析电路板，连接于所述姿态传感器与图形工作站之间，用于将所述姿态传感器采集的电信号转换成USB信号。

在本申请的一实施例中，还包括：

导电滑环，所述姿态传感器与所述柔性显示屏均通过导线连接于导电滑环，所述导电滑环的另一端连接于图形工作站。

采用上述技术方案，柔性显示屏的弯曲形状可以覆盖目标对象眼部的视野范围，使得显示的图像更加贴近真实场景，其配合墨卡托圆柱中心投射公式，可极大的减小图形工作站的渲染负担，姿态传感器可以实时捕捉目标对象的运动姿态，使得虚拟现实场景能够根据目标对象的动作进行交互和响应。

附图说明

下面结合具体实施例和附图对本申请进行详细的说明，其中：

图1为本申请一种用于宽视野的虚拟现实显示方法的流程结构示意图；

图2为本申请第一种实施例的结构示意图；

10、柔性显示屏；20、姿态传感器；30、图像显示电路板；40、导电滑环；50、图形工作站；60、运动分析电路板。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本申请进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本申请，并不对本申请构成限制。

如图1至图2所示，为了实现上述目的，本申请提出一种用于宽视野的虚拟现实显示方法，包括以下步骤：

获取目标对象的眼睛中心轴与水平夹角；

根据所述目标对象的眼睛中心轴与水平夹角，调整弯曲成半圆柱状的柔性显示屏10与目标对象眼睛视觉中心之间的夹角；

获取姿态传感器20所采集的目标对象运动参数，根据所述目标对象运动参数通过圆柱中心投射法向柔性显示屏10投射画面信息，以实现画面显示。

具体的，通过手动测量或者其他眼动仪器，获取目标对象的眼睛中心轴与水平方向的夹角。

根据目标对象眼睛中心轴与水平夹角的测量结果，调整弯曲的柔性显示屏10，使其与目标对象的眼睛视觉中心对齐，确保显示屏位于目标对象视觉范围内。例如，当目标对象为老鼠时，老鼠眼睛中心轴与水平夹角为30度，此时柔性显示屏10的延伸方向与水平面之间的夹角为60度。从而保证柔性显示屏10位于老鼠视觉范围内。

使用姿态传感器20(如陀螺仪、加速度计等)获取目标对象的运动参数，包括旋转角度、加速度等。

利用目标对象的姿态传感器20数据，结合圆柱形状的柔性显示屏10，通过圆柱中心投射的方式将需要显示的画面信息投射到柔性显示屏10上。根据目标对象的运动姿态，计算出投影的位置和角度，确保画面信息在柔性显示屏10上得到正确的显示。

采用上述技术方案，根据目标对象的眼睛视觉中心和姿态传感器20数据，使得显示内容能够准确地适应目标对象的视觉需求。通过圆柱形状的柔性显示屏10，提供更广阔的视觉范围，让目标对象能够获取到更多的画面信息，增强用户体验。基于姿态传感器20数据的实时更新，柔性显示屏10能够根据目标对象的运动变化实时调整投影画面，保持与目标对象的视觉一致性，实现即时的画面显示。通过圆柱中心投射法向柔性显示屏10投射画面信息，有效的减少小动物的VR头盔画面显示时的计算量，以提高画面流畅度，流程简单，便于实施。

在本申请的一实施例中，根据所述目标对象运动参数通过圆柱中心投射法向柔性显示屏10投射画面信息包括以下步骤：

将图像中的景物、阴影、以及反射法线互相分离；

根据墨卡托圆柱中心投射公式，分别对景物、阴影、以及反射法线原有的投影矩阵进行修改；

使用修改后的投影矩阵，将景物、阴影、以及反射法线映射到弯曲成半圆柱状的柔性显示屏10上。

具体的，首先，对原始图像进行处理，将其中的景物、阴影和反射法线分离出来。这可以通过图像处理算法和计算机视觉技术实现，例如基于颜色、纹理或深度信息的分割算法。

根据墨卡托圆柱中心投射公式，针对每个分离出来的部分(景物、阴影和反射法线)，对其原有的投影矩阵进行修改。这些修改包括调整投影角度、位置、缩放或者其他变换操作，以确保它们正确映射到弯曲成半圆柱状的柔性显示屏10上。

利用修改后的投影矩阵，将分离出来的景物、阴影和反射法线映射到弯曲成半圆柱状的柔性显示屏10上。这可以通过图形渲染技术实现，将每个分离出来的部分投影到柔性显示屏10的相应位置，以实现画面的显示。

采用上述技术方案，通过分离图像中的不同部分，并根据墨卡托投影公式对每个部分进行投影矩阵的修改，可以实现对不同部分的定制化显示，增强视觉效果。将分离出来的景物、阴影和反射法线映射到弯曲成半圆柱状的柔性显示屏10上，可以充分利用显示屏的形状，提供更加逼真和沉浸式的视觉体验。对投影矩阵进行修改，考虑到弯曲显示屏的形状，可以减少在投影过程中产生的畸变，使映射到柔性显示屏10上的景物、阴影和反射法线更加准确和真实。

在本申请的一实施例中，所述夹角为90度。

具体的，调整弯曲成半圆柱状的柔性显示屏10与目标对象眼睛视觉中心之间的夹角为90度，可以使柔性显示屏10最大范围的覆盖在宽视野目标对象的眼部。

在本申请的一实施例中，根据所述目标对象运动参数通过圆柱中心投射法向柔性显示屏10投射画面信息之前，还包括视椎体剔除。

具体的，在投影过程中，首先需要创建一个视椎体(frustum)，该视椎体表示了目标对象眼睛视角范围内可见的空间。视椎体由目标对应眼睛位置、投影矩阵和裁剪平面定义。

使用视椎体剔除算法，对场景中的物体进行筛选，只保留那些在视椎体内部的物体用于投影和渲染。这个步骤可以有效减少不可见物体的处理和渲染工作，提高性能。

对剔除后的可见物体进行图像分离，将景物、阴影和反射法线等不同部分互相分离出来，以便后续处理。

采用上述技术方案，通过视椎体剔除算法，可以排除场景中不可见的物体，减少渲染的工作量，从而提高渲染效率。只对视椎体内的可见物体进行图像分离和投影处理，减少不必要的计算和渲染过程。

在本申请的一实施例中，在进行椎体剔除时，包括以下步骤：

处于目标对应固定位的视椎体后移预定距离；

进行视椎体剔除操作；

待视椎体剔除完成后，将视椎体移动至原固定位。

具体的，目标对象位于其固定位置，视椎体(也称为视锥)与目标对象对应。视椎体是一个可见体积，用于确定在渲染过程中需要绘制的场景部分。

首先将视椎体沿着观察方向后移一定距离，这个距离是预先设定的。这样做的目的是将视椎体移出目标对象所在的位置，可缩小后方视椎体剔除的范围。

当视椎体剔除操作完成后，将视椎体移动回原始的固定位置。这样做的目的是确保后续渲染过程中，视椎体与目标对象仍然对应，同时由于后方的视野被任然后部分被保留，因此，不会导致目标对象的视野出现缺失。

本申请还公开了一种虚拟现实的显示设备，包括：

柔性显示屏10，所述显示屏的工作面朝向目标对象眼部呈弯曲状，并覆盖所述目标对象眼部的视野范围；

姿态传感器20，用于采集所述目标对象的运动姿态；

图像显示电路板30，通过导线连接于所述柔性显示屏10；以及

图形工作站，获取所述姿态传感器所采集的姿态参数，并根据所述姿态参数采用墨卡托圆柱中心投射公式向所述图像显示电路板输出图像信息。

具体的，柔性显示屏10由柔性材料制成，可以在弯曲的状态下工作。该显示屏的工作面朝向目标对象的眼部，并呈现弯曲的形状，以覆盖目标对象眼部的视野范围。柔性显示屏10通常使用有机发光二极管(OLED)或类似的材料制作，这些材料可以弯曲而不影响显示效果。

姿态传感器20用于采集目标对象的运动姿态。姿态传感器20包括一个6轴电子加速度计和一个运动分析电路板。6轴加速度计在头戴部分，可以检测动物头部运动的6个维度，包括前后、左右、上下的直线运动以及俯仰、偏航、翻滚的旋转运动。这些信号被传输到运动分析电路板，该板将运动信号分解转换为USB信号，再传输给图形工作站。

图像显示电路板30是连接到柔性显示屏10的电路板，通过导线将图像信号传输到柔性显示屏10上。该电路板通常由印刷电路板(PCB)制成，上面搭载了驱动电路和信号处理器等组件，用于接收来自图形工作站50的图像信息，并将其转换为适合柔性显示屏10显示的信号。

图形工作站50是该虚拟现实显示设备的控制中心，图形工作站50与姿态传感器20和图像显示电路板30相连。图形工作站50可以是一个计算机或一个专门的控制单元，图形工作站50获取姿态传感器20采集的姿态参数，并根据这些参数生成相应的图像信息。然后，图形工作站50将图像信息发送到图像显示电路板30，以在柔性显示屏10上呈现虚拟现实场景。

其中，姿态传感器20通过导线连接到图形工作站50，以将采集的姿态参数传输给图形工作站50。图形工作站50通过另一组导线将图像信息传输到图像显示电路板30。图像显示电路板30与柔性显示屏10直接相连，并通过电路板上的驱动电路将图像信号传送到柔性显示屏10上。

采用上述技术方案，柔性显示屏10的弯曲形状可以覆盖目标对象眼部的视野范围，使得显示的图像更加贴近真实场景，其配合墨卡托圆柱中心投射公式，可极大的减小图形工作站50的渲染负担，姿态传感器20可以实时捕捉目标对象的运动姿态，使得虚拟现实场景能够根据目标对象的动作进行交互和响应。

在本申请的一实施例中，还包括：

设于目标对象头部的固定器，所述柔性显示屏10于所述固定器上。

具体的，本申请的目标对象可以为老鼠、兔子等。固定器是设于目标对象头部的装置，用于稳定地固定虚拟现实设备在目标对象的头部位置。其为插针，可通过手术的方式将该固定器嵌入到目标对象的头骨上，以完成固定器的固定。

在本申请的一实施例中，所述显示屏弧面所对应的圆心角位于230°至300°之间。

具体的，将圆心角设置在230°至300°之间可以扩大显示屏的视野范围。显示屏可以提供更多的环境感知信息。目标对象可以在虚拟现实场景中更全面地感知到周围的环境，包括景物、动态元素和其他对象的位置和动作，从而提升沉浸感和交互体验。

在本申请的一实施例中，所述姿态传感器20为六轴加速度计。

具体的，六轴加速度计是一种传感器，可以测量物体在三个空间维度上的加速度和角度变化。它通常由三轴加速度计和三轴陀螺仪组成。加速度计用于测量物体的线性加速度，而陀螺仪则用于测量物体的角速度和角度变化。

采用上述技术方案，六轴加速度计结合了加速度计和陀螺仪的测量能力，能够提供更加精确和准确的姿态参数，包括线性加速度、角速度和角度变化等信息。使得图形工作站50可以更加准确的像目标对象输出对应位置的图形，提高了实验的准确性。

在本申请的一实施例中，还包括运动分析电路板60，连接于所述姿态传感器20与图形工作站50之间，用于将所述姿态传感器20采集的电信号转换成USB信号。

在本申请的一实施例中，还包括：

导电滑环40，所述姿态传感器20与所述柔性显示屏10均通过导线连接于所述导电滑环40，所述导电滑环40的另一端连接于图形工作站50。

具体的，所述导电滑环40是一个环形装置，用于实现姿态传感器20和柔性显示屏10的电信号传输。姿态传感器20和柔性显示屏10均通过导线连接到导电滑环40上，而导电滑环40的另一端则连接到图形工作站50。

导电滑环40充当电信号传输的接口，它允许姿态传感器20和柔性显示屏10的导线通过旋转环形结构进行传输，而不会导致电线缠绕或断裂。它提供了可靠的电连接，使得姿态传感器20和柔性显示屏10能够与图形工作站50进行数据交换。

姿态传感器20和柔性显示屏10通过导线分别连接到导电滑环40上。导电滑环40的另一端连接到图形工作站50。姿态传感器20通过导线将采集到的姿态参数传输到导电滑环40，所述导电滑环40将姿态参数传输到图形工作站50，图像工作站通过导电滑环40将视频信号传输到柔性显示屏10。导电滑环40的旋转允许姿态传感器20和柔性显示屏10在目标对象运动时保持连接，而不会出现电线缠绕或拉扯的问题。

采用上述技术方案，所述导电滑环40的旋转结构允许电线在目标对象运动时不会纠缠在一起，确保信号传输的稳定性和连续性。导电滑环40的存在使得姿态传感器20和柔性显示屏10能够相对自由地移动和旋转，提供更大的灵活性和自由度，增强目标对象的虚拟现实体验。导电滑环40通过集成电线传输功能，简化了设备的布线过程，减少了电线的杂乱性，提高了设备的可靠性和易用性。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种虚拟现实的显示设备，其特征在于，包括：

柔性显示屏，所述显示屏的工作面朝向目标对象眼部呈弯曲状，并覆盖所述目标对象眼部的视野范围；

姿态传感器，用于采集所述目标对象的运动姿态；

图像显示电路板，通过导线连接于所述柔性显示屏；以及

图形工作站，获取所述姿态传感器所采集的姿态参数，并根据所述姿态参数采用墨卡托圆柱中心投射公式向所述图像显示电路板输出图像信息。

2.如权利要求1所述的虚拟现实的显示设备，其特征在于，还包括：

设于目标对象头部的固定器，所述柔性显示屏固定于所述固定器上。

3.如权利要求1所述的虚拟现实的显示设备，其特征在于，所述显示屏弧面所对应的圆心角位于230°至300°之间。

4.如权利要求1所述的虚拟现实的显示设备，其特征在于，所述姿态传感器包括六轴加速度计。

5.如权利要求1所述的虚拟现实的显示设备，其特征在于，还包括运动分析电路板，连接于所述姿态传感器与图形工作站之间，用于将所述姿态传感器采集的电信号转换成USB信号。

6.如权利要求1所述的虚拟现实的显示设备，其特征在于，还包括：

导电滑环，所述姿态传感器与所述柔性显示屏均通过导线连接于导电滑环，所述导电滑环的另一端连接于图形工作站。