JP2009200691A - Head-mounted video display device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a head-mounted video display device capable of capturing a desired image at all times regardless of the mounting state of the device or the form of a work object. <P>SOLUTION: The head-mounted video display device having a see-through display unit and an electronic camera whose photographing direction is variable is provided with: a camera position and posture calculation unit for calculating the position and posture of the camera on the basis of the information of the image photographed by the camera; a camera position and posture difference calculation unit for calculating a difference between the two positions and postures on the basis of the first position and posture of the camera calculated in the camera position and posture calculation unit on the basis of the information of the image photographed in the state that a prescribed index is positioned at the prescribed position of a see-through screen and the second position and posture of the camera calculated in the camera position and posture calculation unit on the basis of the information of the image photographed in the state that the index photographed by the camera and displayed on the screen of the display unit is positioned at the prescribed position; and a camera direction control unit for controlling the direction of the camera on the basis of the calculated result. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、頭部装着式映像表示装置に関し、特に外界をシースルー可能な表示ユニットと電子カメラを備えた頭部装着式映像表示装置に関する。   The present invention relates to a head-mounted video display device, and more particularly to a head-mounted video display device including a display unit capable of see-through the outside and an electronic camera.

従来、観察者の頭部や顔面に着脱自在に装着され、小型のCRTや液晶表示素子等の映像表示素子から得られる映像(以下、画像とも称する。)を、接眼光学系によって観察者の眼球に直接投影させることで、恰も該映像が空中に拡大投影されているかの様な虚像の観察を可能にした頭部装着式映像表示装置、すなわちHMD(Head Mount Display)が知られている。   Conventionally, an image (hereinafter also referred to as an image) that is detachably attached to the observer's head or face and obtained from an image display element such as a small CRT or a liquid crystal display element is displayed on the observer's eyeball by an eyepiece optical system. A head-mounted image display device, that is, an HMD (Head Mount Display) is known in which a virtual image can be observed as if the image is enlarged and projected in the air.

HMDは、DVDやビデオ等のコンテンツ映像の観賞用や、産業機器若しくは医療機器等の遠隔操作用としての表示装置として利用され、その用途は多岐に渡っている。   The HMD is used as a display device for viewing content videos such as DVDs and videos, and for remote operation of industrial equipment or medical equipment, and has a wide variety of uses.

遠隔操作用としては、通常、作業者の作業に必要な各種情報をHMDの表示ユニットを通して入射する外界光による自然画像(以下、シースルー画像とも称する。)に重ね合わせて表示する所謂シースルー型のHMDが用いられている。   For remote operation, a so-called see-through type HMD in which various information necessary for the work of an operator is usually displayed superimposed on a natural image (hereinafter also referred to as a see-through image) by external light incident through the display unit of the HMD. Is used.

例えば、作業者が電子カメラを備えたシースルー型のHMDを装着し、作業対象物のシースルー画像を観察しながら作業を行い、指示者が電子カメラで撮影された作業対象物の画像を、遠隔地に設けられた例えばホストコンピュータ等のモニタで観察しながら、作業者に音声や映像による適切な情報を提供し作業指示を行う、といった遠隔作業支援システムが知られている。(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−132487号公報
For example, an operator wears a see-through type HMD equipped with an electronic camera, works while observing a see-through image of the work object, and an instructor displays an image of the work object photographed with the electronic camera at a remote location. For example, a remote work support system is known in which an operator is provided with appropriate information by voice or video while giving a work instruction while observing on a monitor such as a host computer. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2002-132487 A

ところで、このような遠隔作業支援システムにおいて、指示者が作業者に適切な情報を提供するには、作業者が観察している作業対象物のシースルー画像と、指示者が観察している電子カメラで撮影された作業対象物の画像が略同じ情景の画像であることが必要とされる。すなわち、作業者の視線方向と電子カメラの撮影方向(光軸)が同じ方向を指向していることが必要である。   By the way, in such a remote operation support system, in order for the instructor to provide appropriate information to the operator, a see-through image of the work object being observed by the operator and an electronic camera being observed by the instructor It is necessary that the image of the work object photographed in step 1 is an image of substantially the same scene. That is, it is necessary for the operator's line-of-sight direction and the photographing direction (optical axis) of the electronic camera to be in the same direction.

しかしながら、特許文献1に開示されている様な電子カメラを備えたHMDにおいて、電子カメラは、その光軸が、通常、接眼光学系の光軸に対し一定の方向を指向する様に、HMDのフレーム等に固定して取り付けられている。この為、作業者のHMDの装着状態や作業対象物の位置、例えば、机上や頭上等によっては、作業者の視線方向と電子カメラの光軸が異なる方向を指向する場合がある。この為、作業者と指示者のそれぞれが観察している画像(情景)が異なり、指示者は作業者に適切な情報を提供することができないといった問題がある。   However, in an HMD equipped with an electronic camera such as that disclosed in Patent Document 1, the electronic camera usually has an HMD so that its optical axis is oriented in a certain direction with respect to the optical axis of the eyepiece optical system. It is fixedly attached to the frame. For this reason, depending on the worker's wearing state of the HMD and the position of the work target, for example, on a desk or overhead, the worker's line-of-sight direction and the optical axis of the electronic camera may be directed in different directions. For this reason, the images (scenes) observed by the worker and the instructor are different, and there is a problem that the instructor cannot provide appropriate information to the operator.

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、装置の装着状態や作業対象物の態様に係わらず、いつも所望の画像を捕らえることが可能な頭部装着式映像表示装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a head-mounted video display apparatus that can always capture a desired image regardless of the state of the apparatus and the mode of the work object. Objective.

上記目的は、下記の1乃至3のいずれか1項に記載の発明によって達成される。   The above object is achieved by the invention described in any one of the following items 1 to 3.

1.画像を表示し、外界をシースルー可能な表示ユニットと、
前記外界を撮影し、撮影方向が可変に取り付けられた電子カメラと、を備えた頭部装着式映像表示装置であって、
前記電子カメラで撮影された画像の情報に基づき、前記電子カメラの位置・姿勢を算出するカメラ位置姿勢算出部と、
所定の指標が前記表示ユニットの画面を通して観察できるシースルー画面の所定の位置に位置する状態にした時に、前記電子カメラで撮影された画像の情報に基づき前記カメラ位置姿勢算出部で算出された前記電子カメラの第1の位置・姿勢と、
前記電子カメラで撮影され前記表示ユニットの画面に表示される前記指標が前記所定の位置に位置する状態にした時に、前記電子カメラで撮影された画像の情報に基づき前記カメラ位置姿勢算出部で算出された前記電子カメラの第2の位置・姿勢と、の2つの位置・姿勢に基づき、該2つの位置・姿勢の差を算出するカメラ位置姿勢差算出部と、
前記カメラ位置姿勢差算出部の算出結果に基づき前記電子カメラの向きを制御するカメラ向き制御部と、を有することを特徴とする頭部装着式映像表示装置。
1. A display unit that displays images and can see through the outside world;
A head-mounted image display device comprising: an electronic camera that shoots the outside world and a shooting direction is variably attached;
A camera position / orientation calculation unit that calculates the position / orientation of the electronic camera based on information of an image captured by the electronic camera;
The electronic position calculated by the camera position / orientation calculation unit based on the information of the image captured by the electronic camera when the predetermined index is set at a predetermined position on the see-through screen that can be observed through the screen of the display unit The first position and orientation of the camera;
Calculated by the camera position / orientation calculation unit based on information of an image photographed by the electronic camera when the index photographed by the electronic camera and displayed on the screen of the display unit is located at the predetermined position. A camera position and orientation difference calculating unit that calculates a difference between the two positions and orientations based on the two positions and orientations of the electronic camera.
A head-mounted image display device comprising: a camera orientation control unit that controls an orientation of the electronic camera based on a calculation result of the camera position and orientation difference calculation unit.

2.前記カメラ向き制御部は、前記カメラ位置姿勢差算出部で算出された前記2つの位置・姿勢の差と予め設定しておいた該2つの位置・姿勢の差に係わる基準値とを比較し、比較結果に基づいて前記電子カメラの向きを制御することを特徴とする前記1に記載の頭部装着式映像表示装置。   2. The camera orientation control unit compares the difference between the two positions / orientations calculated by the camera position / orientation difference calculation unit with a preset reference value related to the difference between the two positions / orientations, 2. The head-mounted image display device according to 1, wherein the direction of the electronic camera is controlled based on a comparison result.

3.前記2つの位置・姿勢の差をX1とした時、前記カメラ位置姿勢差算出部は、以下(1)式に基づいて前記X1を算出することを特徴とする前記1または2に記載の頭部装着式映像表示装置。 3. 3. The camera position / posture difference calculation unit calculates X 1 based on the following equation (1), where X 1 is a difference between the two positions / postures, Head-mounted video display device.

Figure 2009200691
Figure 2009200691

(1)
但し、M0は同時座標系における前記第1の位置・姿勢を示す行列、M1は同時座標系における前記第2の位置・姿勢を示す行列である。
(1)
However, M 0 is a matrix indicating the first position / orientation in the simultaneous coordinate system, and M 1 is a matrix indicating the second position / orientation in the simultaneous coordinate system.

本発明によれば、カメラ向き制御部は、電子カメラの第1の位置・姿勢と第2の位置・姿勢との2つの位置・姿勢の差を算出するカメラ位置姿勢差算出部の算出結果に基づいて、電子カメラの向きを制御する構成とした。これにより、視線を指標に向けた時に撮影される画像(情景)と電子カメラの向きを指標に向けた時に撮影される画像(情景)とが略同じ画像(情景)になるように電子カメラの向きを制御することができる。すなわち、HMDの装着状態や指標(作業対象物)の位置に係わらず視線方向に電子カメラの撮影方向(光軸)を略一致させることができる。その結果、本発明に係わるHMDを、例えば、前述の遠隔作業支援システムに用いた場合、HMDを装着した作業者が観察している作業対象物のシースルー画像に、指示者が観察しているHMDの電子カメラで撮影された作業対象物の画像を略一致させることができるので、指示者は作業者に適切な情報を提供することが可能となる。   According to the present invention, the camera direction control unit calculates the difference between the two positions / postures of the first position / posture of the electronic camera and the second position / posture by the calculation result of the camera position / posture difference calculation unit. Based on this, the configuration is such that the orientation of the electronic camera is controlled. Thus, the image (scene) captured when the line of sight is directed toward the index and the image (scene) captured when the direction of the electronic camera is directed toward the index are substantially the same image (scene). The direction can be controlled. That is, the photographing direction (optical axis) of the electronic camera can be made to substantially coincide with the line-of-sight direction regardless of the mounting state of the HMD and the position of the index (work object). As a result, when the HMD according to the present invention is used in, for example, the above-described remote operation support system, the HMD that the instructor observes in the see-through image of the work object that the operator wearing the HMD observes. Since the images of the work object photographed by the electronic camera can be made substantially coincident, the instructor can provide appropriate information to the worker.

以下図面に基づいて、本発明に係る頭部装着式映像表示装置(以下、HMDとも称する。)の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。   Embodiments of a head-mounted image display device (hereinafter also referred to as HMD) according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, although this invention is demonstrated based on embodiment of illustration, this invention is not limited to this embodiment.

最初に、HMDの外観を図1を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るHMD1の外観を示す斜視図である。   First, the appearance of the HMD will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of an HMD 1 according to an embodiment of the present invention.

HMD1は、図1に示すように、テンプル21R,21L、ブリッジ22、鼻当て23R,23L、透明基板24R,24L、表示ユニット25(LCD表示部26、接眼光学系27)、カメラユニット28、イヤホン29R,29L、マイク30、及び制御ユニット31等を有している。   As shown in FIG. 1, the HMD 1 includes temples 21R and 21L, a bridge 22, nose pads 23R and 23L, transparent substrates 24R and 24L, a display unit 25 (LCD display unit 26, eyepiece optical system 27), a camera unit 28, and an earphone. 29R, 29L, a microphone 30, a control unit 31, and the like.

このような構成のHMD1は、作業者がHMD1を頭部に装着し、表示ユニット25を通して作業対象物のシースルー画像を観察しながら作業を行い、指示者がカメラユニット28で撮影された作業対象物の画像を、遠隔地に設けられた例えばホストコンピュータ等のモニタで観察しながら、作業者に無線LAN等を介して音声や映像による適切な情報を提供し作業指示を行うものである。   The HMD 1 having such a configuration is such that the worker wears the HMD 1 on the head, works while observing the see-through image of the work object through the display unit 25, and the work object photographed by the camera unit 28 by the instructor. While observing the above image on a monitor such as a host computer provided at a remote place, the operator is provided with appropriate information by voice or video via a wireless LAN or the like to give a work instruction.

テンプル21R,21Lは、可撓性を有する弾性材等により構成された長尺状の部材であり、装着者の耳や側頭部に掛止され、HMD1の装着者に対する頭部への保持及び装着位置の調整を行う為のものである。尚、テンプル21R,21Lは、回動部21Ra,21Laにおいて矢印P,Q方向に回動可能に構成されており、HMD1を使用しない場合には、テンプル21R,21Lを矢印P,Q方向に回動させて透明基板24R,24Lに沿わせることにより、コンパクト化することができる。   The temples 21R and 21L are long members made of a flexible elastic material or the like. The temples 21R and 21L are hooked on the ears or the temporal region of the wearer and held on the head of the wearer of the HMD1. This is for adjusting the mounting position. The temples 21R and 21L are configured to be rotatable in the directions of arrows P and Q in the rotating portions 21Ra and 21La. When the HMD 1 is not used, the temples 21R and 21L are rotated in the directions of the arrows P and Q. It can be made compact by moving it along the transparent substrates 24R and 24L.

ブリッジ22は、HMD1の装着者に対する顔面への保持を行う鼻当て23R,23Lを備え、透明基板24R,24Lの互いに対向する所定位置に架け渡された短尺の棒状部材であり、透明基板24Rと透明基板24Lとを一定の間隙を介した相対位置関係に保持するものである。   The bridge 22 includes nose pads 23R and 23L that hold the HMD 1 on the face of the wearer, and is a short rod-like member that is stretched between predetermined positions of the transparent substrates 24R and 24L facing each other. The transparent substrate 24L is held in a relative positional relationship with a fixed gap.

透明基板24R,24Lは、一方の眼球に対応した位置にU字型のスペース24Rsを形成する略平板状の透明体である。また、透明基板24Rに囲まれて形成されるU字型のスペース24Rsには、接眼光学系27が嵌め込まれている。   The transparent substrates 24R and 24L are substantially flat transparent bodies that form a U-shaped space 24Rs at a position corresponding to one eyeball. An eyepiece optical system 27 is fitted in a U-shaped space 24Rs formed by being surrounded by the transparent substrate 24R.

表示ユニット25は、LCD表示部26、及び接眼光学系27等を有し、カメラユニット28で撮影された画像や、制御ユニット31に設けられた後述の通信部36を介して、遠隔地に設けられた例えば図示しないホストコンピュータから提供された映像等を表示する。また、表示ユニット25は、接眼光学系27を通して外界(前方の被写体)をシースルー可能に構成されている。尚、表示ユニット25の詳細は後述する。   The display unit 25 includes an LCD display unit 26, an eyepiece optical system 27, and the like. The display unit 25 is provided in a remote place via an image captured by the camera unit 28 or a communication unit 36 described later provided in the control unit 31. For example, an image provided from a host computer (not shown) is displayed. Further, the display unit 25 is configured to be able to see through the outside world (front subject) through the eyepiece optical system 27. Details of the display unit 25 will be described later.

カメラユニット28は、本発明における電子カメラに該当し、図示しない後述のズームレンズ281、CCD(Charge Coupled Device)282、及び画像処理部283等を有する。カメラユニット28は、装着者の周囲の外界(前方の被写体)を撮影するものであり、ズームレンズ281によって結像された被写体光学像を、CCD282によって光電変換して画像信号(以下、映像信号とも称する。)を生成し、画像処理部283等により画像信号に所定の画像処理を施す。   The camera unit 28 corresponds to an electronic camera according to the present invention, and includes a zoom lens 281 (not shown), a CCD (Charge Coupled Device) 282, an image processing unit 283, and the like. The camera unit 28 shoots the outside world (front subject) around the wearer, and the subject optical image formed by the zoom lens 281 is photoelectrically converted by the CCD 282 to form an image signal (hereinafter also referred to as a video signal). The image processing unit 283 or the like performs predetermined image processing on the image signal.

また、カメラユニット28は、図1に示すように、その光軸Lが水平方向、垂直方向に回転可能、すなわち、パン、チルト可能に表示ユニット25に取り付けられている。また、カメラユニット28の向きは、後述のパンモータ288、チルトモータ289を介して制御ユニット31によって制御される。   As shown in FIG. 1, the camera unit 28 is attached to the display unit 25 so that its optical axis L can be rotated in the horizontal and vertical directions, that is, panning and tilting are possible. The orientation of the camera unit 28 is controlled by the control unit 31 via a pan motor 288 and a tilt motor 289 described later.

イヤホン29R,29Lは、装着者の耳に挿入され、装着者に音声を提供する。   Earphones 29R and 29L are inserted into the ears of the wearer and provide sound to the wearer.

マイク30は、装着者の音声を音声信号に変換する。   The microphone 30 converts the voice of the wearer into an audio signal.

制御ユニット31は、マイクロコンピュータからなり、電源スイッチ351、操作スイッチ352等を有し、これら各種操作スイッチからの信号、及び遠隔地に設けられた例えば図示しないホストコンピュータからの制御信号等を受けて、HMD1で行われる表示動作や画像信号処理動作を統括的に制御するものである。   The control unit 31 includes a microcomputer and includes a power switch 351, an operation switch 352, and the like. The control unit 31 receives signals from these various operation switches and a control signal from a host computer (not shown) provided in a remote place. The display operation and the image signal processing operation performed by the HMD 1 are comprehensively controlled.

ここで、表示ユニット25の構成を、図2を用いて説明する。図2は、表示ユニット25の左側面からの側断面図であり、主に表示ユニット25の内部構成を示している。   Here, the configuration of the display unit 25 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a side sectional view from the left side surface of the display unit 25, and mainly shows the internal configuration of the display unit 25.

図2に示すように、表示ユニット25は、筐体261、LED262、コリメータレンズ263、LCD(Liquid Crystal Display)264からなるLCD表示部26、及びプリズム271、HOE(Holographic Optical Element)272からなる接眼光学系27等から構成される。   As shown in FIG. 2, the display unit 25 includes a housing 261, an LED 262, a collimator lens 263, an LCD display unit 26 composed of an LCD (Liquid Crystal Display) 264, an eyepiece composed of a prism 271 and an HOE (Holographic Optical Element) 272. An optical system 27 and the like are included.

LCD表示部26の筐体261の内部には、LED262、コリメータレンズ263、及びLCD264が内蔵された状態で、該筐体261が接眼光学系27のプリズム271の上端部において上斜め前方(図2では右斜め上方向)に突出する態様で取り付けられている。   With the LED 262, the collimator lens 263, and the LCD 264 built in the housing 261 of the LCD display unit 26, the housing 261 is diagonally upward and forward at the upper end of the prism 271 of the eyepiece optical system 27 (FIG. 2). Then, it is attached in such a manner as to protrude obliquely upward to the right.

LED262は、所定波長色を含む白色発光ダイオード(LED)からなる点光源である。   The LED 262 is a point light source composed of a white light emitting diode (LED) including a predetermined wavelength color.

コリメータレンズ263は、LED262の光をほぼ平行光にしてLCD264に投光するものである。   The collimator lens 263 converts the light from the LED 262 into substantially parallel light and projects it onto the LCD 264.

LCD264は、カメラユニット28で撮影され生成された映像信号や、制御ユニット31に設けられた後述の通信部36を介して、遠隔地に設けられた例えば図示しないホストコンピュータから提供された映像等を表示するものであり、例えば透過型の液晶表示パネルである。   The LCD 264 displays a video signal photographed and generated by the camera unit 28, a video provided from a host computer (not shown) provided at a remote location, for example, via a communication unit 36 described later provided in the control unit 31. For example, it is a transmissive liquid crystal display panel.

プリズム271は、ガラスや透明樹脂等からなる略板状の透明部材であり、LCD264からの光を内部で複数回の反射を行わせるものである。プリズム271の上端部は、LCD264からの光の大部分を内部に採光できるように、上方に向かってより肉厚となるように前面側(接眼面と反対側)が突き出るように楔形状に形成された肉厚部271bが形成されている。   The prism 271 is a substantially plate-shaped transparent member made of glass, transparent resin, or the like, and causes light from the LCD 264 to be reflected a plurality of times inside. The upper end portion of the prism 271 is formed in a wedge shape so that the front side (opposite side of the eyepiece surface) protrudes to be thicker upward so that most of the light from the LCD 264 can be collected inside. The thick part 271b thus formed is formed.

また、プリズム271の下端部には、傾斜面271aが形成されており、プリズム271は、透明基板24Rに形成された傾斜面24Raに対しHOE272を介して接合(例えば接着)されている。また、プリズム271の表裏面は、透明基板24Rの表裏面に対して面一とされている。これにより、プリズム271は、透明基板24Rと一枚の板状に一体化されている。   An inclined surface 271a is formed at the lower end of the prism 271. The prism 271 is bonded (for example, bonded) to the inclined surface 24Ra formed on the transparent substrate 24R via the HOE 272. The front and back surfaces of the prism 271 are flush with the front and back surfaces of the transparent substrate 24R. Thereby, the prism 271 is integrated with the transparent substrate 24R in a single plate shape.

HOE272は、光学的に軸非対称な所謂自由曲面で構成されて正のパワーを有する体積位相型のホログラム光学素子であり、プリズム271の下端部において所定の傾斜角を有して支持されている。HOE272は、プリズム271により導光された光が照射されることにより、光の干渉現象を用いてホログラム映像を眼球Eに提供する。   The HOE 272 is a volume phase type holographic optical element having a positive power, which is constituted by a so-called free-form surface that is optically asymmetric with respect to the axis, and is supported at a lower end portion of the prism 271 with a predetermined inclination angle. The HOE 272 provides a hologram image to the eyeball E using the light interference phenomenon when irradiated with the light guided by the prism 271.

以上のような構成を有する表示ユニット25において、LED262から射出された光は、コリメータレンズ263を通してLCD264を照明し、この照明によりLCD264で生成された像光は、プリズム271内で複数回の全反射を行った後、HOE272により回折し虚像として装着者の眼球Eに導かれる。   In the display unit 25 having the above-described configuration, the light emitted from the LED 262 illuminates the LCD 264 through the collimator lens 263, and the image light generated by the LCD 264 by this illumination is totally reflected in the prism 271 a plurality of times. Then, the light is diffracted by the HOE 272 and guided to the wearer's eyeball E as a virtual image.

さらに、プリズム271は、前方から入射する光を装着者の眼球Eに導くようになっている。これにより、装着者は、外界(前方の被写体)をシースルー可能となり、カメラユニット28で撮影され生成された画像や、制御ユニット31に設けられた後述の通信部36を介して、遠隔地に設けられた例えば図示しないホストコンピュータから提供された映像等を外界(前方の被写体)と重畳して視認することとなる。   Further, the prism 271 guides light incident from the front to the eyeball E of the wearer. As a result, the wearer can see through the outside world (front subject) and is provided in a remote place via an image captured and generated by the camera unit 28 or a communication unit 36 described later provided in the control unit 31. For example, an image provided from, for example, a host computer (not shown) is superimposed on the outside (a subject in front) and viewed.

次に、HMD1の概略構成を図3を用いて説明する。図3は、HMD1の概略構成を示すブロック図である。尚、図3では、図1、図2に示した部材と同じ部材には同一の番号を付与した。   Next, a schematic configuration of the HMD 1 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the HMD 1. In FIG. 3, the same members as those shown in FIGS. 1 and 2 are assigned the same numbers.

HMD1の要部は、表示ユニット25、カメラユニット28、及び制御ユニット31等から構成される。   The main part of the HMD 1 includes a display unit 25, a camera unit 28, a control unit 31, and the like.

表示ユニット25は、LCD表示部26、接眼光学系27から構成され、各部位で行われる動作については前述したので説明は省略する。   The display unit 25 includes an LCD display unit 26 and an eyepiece optical system 27. Since the operations performed in each part have been described above, the description thereof will be omitted.

カメラユニット28は、ズームレンズ281、CCD(Charge Coupled Device)282、画像処理部283、及びパンモータ288、チルトモータ289等を有する。   The camera unit 28 includes a zoom lens 281, a CCD (Charge Coupled Device) 282, an image processing unit 283, a pan motor 288, a tilt motor 289, and the like.

CCD282は、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色透過フィルタをピクセル単位(画素単位)で市松模様状に配置させたカラーエリア撮像センサで、ズームレンズ281により結像された被写体光像を、R、G、Bの各色成分の画像信号(各画素単位で受光された画素信号の信号列からなる信号)に光電変換するものである。   The CCD 282 is a color area imaging sensor in which red (R), green (G), and blue (B) color transmission filters are arranged in a checkered pattern in pixel units (pixel units), and is imaged by the zoom lens 281. The subject light image is photoelectrically converted into image signals of R, G, and B color components (signals composed of a signal sequence of pixel signals received in units of pixels).

画像処理部283は、図示しない例えば、黒レベル補正部、画素補間部、ホワイトバランス制御部、ガンマ補正部、マトリックス演算部、シェーディング補正部、及び画像圧縮部等を有し、CCD282より読み出された画像信号に周知の画像信号処理を施すものである。そして、これらの部位で所定の処理を施された画像信号は、後述の制御ユニット31の画像メモリ33に格納される。   The image processing unit 283 includes, for example, a black level correction unit, a pixel interpolation unit, a white balance control unit, a gamma correction unit, a matrix calculation unit, a shading correction unit, and an image compression unit (not shown), and is read from the CCD 282. The image signal is subjected to known image signal processing. Then, the image signal that has undergone predetermined processing at these parts is stored in an image memory 33 of the control unit 31 described later.

制御ユニット31は、制御部32、画像メモリ33、VRAM(Video Random Access Memory)34、操作部35、通信部36、及びパン・チルトモータ駆動回路37等から構成される。   The control unit 31 includes a control unit 32, an image memory 33, a VRAM (Video Random Access Memory) 34, an operation unit 35, a communication unit 36, a pan / tilt motor drive circuit 37, and the like.

制御部32は、図示しない各制御プログラム等を記憶するROM(Read Only Memory)、演算処理や制御処理等のデータを一時的に格納するRAM(Random Access Memory)、及び制御プログラム等をROMから読み出して実行するCPU(中央演算処理装置)等から構成される。制御部32は、電源スイッチ351及び操作スイッチ352を有する操作部35からの信号、及び遠隔地に設けられた例えば図示しないホストコンピュータからの制御信号等を受けて、HMD1で行われる表示動作や画像信号処理動作を統括的に制御するものである。また、制御部32は、カメラユニット28で撮影された画像の情報に基づき、カメラユニット28の向き(撮影方向)を制御する。尚、制御部32によるカメラユニット28の向きの制御の詳細は後述する。   The control unit 32 reads a ROM (Read Only Memory) that stores each control program (not shown), a RAM (Random Access Memory) that temporarily stores data such as arithmetic processing and control processing, and a control program from the ROM. CPU (central processing unit) etc. to be executed. The control unit 32 receives a signal from the operation unit 35 having the power switch 351 and the operation switch 352 and a control signal from a host computer (not shown) provided at a remote place, and performs display operations and images performed in the HMD 1. The signal processing operation is comprehensively controlled. Further, the control unit 32 controls the direction (photographing direction) of the camera unit 28 based on the information of the image photographed by the camera unit 28. Details of the control of the orientation of the camera unit 28 by the control unit 32 will be described later.

画像メモリ33は、制御部32により画像信号に対する各種処理を行う為の作業領域として用いられる一時メモリである。   The image memory 33 is a temporary memory used as a work area for performing various processing on the image signal by the control unit 32.

VRAM34は、LCD表示部26中のLCD264の画素数に対応した画像信号の記録容量を有し、LCD264に再生表示される映像を構成する画像信号のバッファメモリである。   The VRAM 34 has a recording capacity of an image signal corresponding to the number of pixels of the LCD 264 in the LCD display unit 26, and is a buffer memory for an image signal that constitutes a video that is reproduced and displayed on the LCD 264.

通信部36は、例えば、無線LANの無線通信デバイスで構成され、図示しない通信ネットワークを介して遠隔地に設けられた例えば図示しないホストコンピュータとの間で映像、音声、及び制御信号等の送受信を行う。尚、無線通信手段としては、他にBluetoothやワイヤレスUSB、また、低消費電力型のデバイスを用いてもよい。   The communication unit 36 is constituted by, for example, a wireless LAN wireless communication device, and transmits and receives video, audio, control signals, and the like with a host computer (not shown) provided at a remote location via a communication network (not shown). Do. In addition, Bluetooth, wireless USB, or a low power consumption type device may be used as the wireless communication means.

パン・チルトモータ駆動回路371は、制御部32の制御に基づいて、パンモータ288、チルトモータ289を駆動する駆動信号を生成する。   The pan / tilt motor drive circuit 371 generates drive signals for driving the pan motor 288 and the tilt motor 289 based on the control of the control unit 32.

ここで制御部32の詳細を説明する。制御部32は、カメラ位置姿勢算出部321、カメラ位置姿勢差算出部322、及びカメラ向き制御部323等を有する。   Here, details of the control unit 32 will be described. The control unit 32 includes a camera position / orientation calculation unit 321, a camera position / orientation difference calculation unit 322, a camera orientation control unit 323, and the like.

カメラ位置姿勢算出部321は、カメラユニット28で撮影された画像の情報に基づき、カメラユニット28の位置・姿勢を算出する。算出方法は、例えば、特開2000−41173号公報に開示されている、同一平面上の3点のランドマークを用いてカメラの位置・姿勢を検出する方法を用いることができる。   The camera position / orientation calculation unit 321 calculates the position / orientation of the camera unit 28 based on the information of the image captured by the camera unit 28. As a calculation method, for example, a method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-41173 that detects the position / orientation of a camera using three landmarks on the same plane can be used.

カメラ位置姿勢差算出部322は、カメラユニット28で撮影された第1の画像I0の情報に基づいてカメラ位置姿勢算出部321で算出されたカメラユニット28の第1の位置・姿勢M0と、カメラユニット28で撮影された第2の画像I1の情報に基づいてカメラ位置姿勢算出部321で算出されたカメラユニット28の第2の位置・姿勢M1と、の2つの位置・姿勢に基づき、該2つの位置・姿勢の差X1を以下(2)式を用いて算出する。 The camera position / orientation difference calculation unit 322 includes the first position / orientation M 0 of the camera unit 28 calculated by the camera position / orientation calculation unit 321 based on the information of the first image I 0 captured by the camera unit 28. The second position / orientation M 1 of the camera unit 28 calculated by the camera position / orientation calculation unit 321 based on the information of the second image I 1 photographed by the camera unit 28 is used. Based on this, the difference X 1 between the two positions and orientations is calculated using the following equation (2).

ここで、第1の画像I0は、所定の指標が表示ユニット25の画面を通して観察できるシースルー画面の所定の位置(例えば、中心)に位置する状態にした時に、カメラユニット28撮影された画像である。また、第2の画像I1は、カメラユニット28で撮影され表示ユニット25の画面に表示される指標が前述の所定の位置(例えば、中心)に位置する状態にした時に、カメラユニット28撮影された画像である。 Here, the first image I 0 is an image taken by the camera unit 28 when the predetermined index is located at a predetermined position (for example, the center) of the see-through screen that can be observed through the screen of the display unit 25. is there. The second image I 1 is taken by the camera unit 28 when the index taken by the camera unit 28 and displayed on the screen of the display unit 25 is in the predetermined position (for example, the center). It is an image.

Figure 2009200691
Figure 2009200691

(2)
但し、M0;同時座標系における第1の位置・姿勢を示す行列
1;同時座標系における第2の位置・姿勢を示す行列
1;3×3の回転行列
1;3×1の平行移動成分である。
(2)
Where M 0 ; matrix indicating the first position and orientation in the simultaneous coordinate system M 1 ; matrix indicating the second position and orientation in the simultaneous coordinate system R 1 ; 3 × 3 rotation matrix T 1 ; 3 × 1 It is a translation component.

また、カメラ位置姿勢差算出部322は、算出した2つの位置・姿勢の差X1の3×3の回転行列R1からカメラ座標系における回転角度θ1を算出する。尚、3×3の回転行列R1の回転角度θ1は、Rodriguesの公式を用いて算出することができる。 Further, the camera position / orientation difference calculation unit 322 calculates the rotation angle θ 1 in the camera coordinate system from the 3 × 3 rotation matrix R 1 of the calculated two position / orientation differences X 1 . Note that the rotation angle θ 1 of the 3 × 3 rotation matrix R 1 can be calculated using the Rodrigues formula.

カメラ向き制御部323は、カメラ位置姿勢差算出部322で算出された回転角度θ1に基づいて、パン・チルトモータ駆動回路37を介して、回転角度θ1が小さくなる方向にパンモータ288、チルトモータ289の駆動を制御し、カメラユニット28の向き(撮影方向)を変更する。すなわち、視線方向に略一致させるようにカメラユニット28の向き(撮影方向)を変更する。 Based on the rotation angle θ 1 calculated by the camera position / orientation difference calculation unit 322, the camera direction control unit 323 performs the pan motor 288 and tilt in a direction in which the rotation angle θ 1 decreases through the pan / tilt motor drive circuit 37. The driving of the motor 289 is controlled to change the direction (photographing direction) of the camera unit 28. That is, the direction (shooting direction) of the camera unit 28 is changed so as to substantially match the line-of-sight direction.

ここで、HMD1で行われるカメラ向き制御動作の流れを図4を用いて説明する。図4は、カメラ向き制御動作の流れを示すフローチャートである。   Here, the flow of the camera orientation control operation performed by the HMD 1 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing the flow of the camera orientation control operation.

最初に、所定の指標が表示ユニット25の画面を通して観察できるシースルー画面の所定の位置(例えば、中心)に位置するように、頭部を回転させる(ステップS1)。この状態でカメラユニット28により第1の画像I0を取得する(ステップS2)。そして、カメラ位置姿勢算出部321は、取得された第1の画像I0の情報に基づき、カメラユニット28の第1の位置・姿勢M0を算出する(ステップS3)。 First, the head is rotated so that the predetermined index is located at a predetermined position (for example, the center) of the see-through screen that can be observed through the screen of the display unit 25 (step S1). The camera unit 28 in this state to obtain the first image I 0 (step S2). Then, the camera position / orientation calculation unit 321 calculates the first position / orientation M 0 of the camera unit 28 based on the acquired information of the first image I 0 (step S3).

ここで、指標の一例を図5に示す。図5は、一例による指標が設けられたチャートSを示す模式図である。図5に示すように、チャートSの4隅には、それぞれ黄色、青色、緑色、赤色の輪環状の指標M1〜M4が設けれている。このようなチャートSを用いることにより、カメラユニット28の位置・姿勢を精度よく算出することができる。   Here, an example of the index is shown in FIG. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a chart S provided with an index according to an example. As shown in FIG. 5, yellow, blue, green, and red ring-shaped indexes M <b> 1 to M <b> 4 are provided at four corners of the chart S, respectively. By using such a chart S, the position / orientation of the camera unit 28 can be calculated with high accuracy.

図4に戻って、次に、カメラユニット28で撮影され表示ユニット25の画面に表示される(ステップS4)指標が前述の所定の位置(例えば、中心)に位置するように、頭部を回転させる(ステップS5)。この状態でカメラユニット28により第2の画像I1を取得する(ステップS6)。そして、カメラ位置姿勢算出部321は、取得された第2の画像I1の情報に基づき、カメラユニット28の第2の位置・姿勢M1を算出する(ステップS7)。 Returning to FIG. 4, next, the head is rotated so that the index is located at the predetermined position (for example, the center) described above, which is photographed by the camera unit 28 and displayed on the screen of the display unit 25 (step S4). (Step S5). In this state, a second image I 1 is acquired by the camera unit 28 (step S6). Then, the camera position / orientation calculation unit 321 calculates the second position / orientation M 1 of the camera unit 28 based on the acquired information of the second image I 1 (step S7).

次に、カメラ位置姿勢差算出部322は、カメラ位置姿勢算出部321で算出されたカメラユニット28の第1の位置・姿勢M0と第2の位置・姿勢M1と、の2つの位置・姿勢に基づき、該2つの位置・姿勢の差X1を前述の(2)式を用いて算出する。続いて、カメラ位置姿勢差算出部322は、算出した2つの位置・姿勢の差X1の3×3の回転行列R1(ステップS8)からカメラ座標系における回転角度θ1を算出する(ステップS9)。 Next, the camera position / orientation difference calculation unit 322 includes two positions / positions of the first position / posture M 0 and the second position / posture M 1 of the camera unit 28 calculated by the camera position / posture calculation unit 321. Based on the posture, the difference X 1 between the two positions and postures is calculated using the above-described equation (2). Then, the camera position and orientation difference calculating unit 322 calculates the rotation angle theta 1 in the camera coordinate system from the rotation matrix R 1 a 3 × 3 of the difference X 1 in two position and orientation calculated (step S8) (step S9).

次に、カメラ向き制御部323は、カメラ位置姿勢差算出部322で算出された回転角度θ1と予め設定しておいた回転角度に係わる基準値θkとを比較する。比較した結果θ1≧θkの場合(ステップS10;Yes)、続いて、カメラ向き制御部323は、実行したカメラ向き変更回数iと予め設定しておいたカメラ向き変更回数に係わる基準値ikとを比較する。比較した結果i≦ikの場合(ステップS11;Yes)、カメラ向き制御部323は、カメラ位置姿勢差算出部322で算出された回転角度θ1に基づいて、パン・チルトモータ駆動回路37を介して、回転角度θ1が小さくなる方向にパンモータ288、チルトモータ289の駆動を制御し、カメラユニット28の向き(撮影方向)を変更する(ステップS12)。すなわち、視線方向に略一致させるようにカメラユニット28の向き(撮影方向)を変更する。このようなステップS5〜ステップS12の動作を繰り返し実行することにより視線方向にカメラユニット28の向き(撮影方向)を略一致させることができる。 Next, the camera orientation control unit 323 compares the rotation angle θ 1 calculated by the camera position and orientation difference calculation unit 322 with a reference value θ k related to a preset rotation angle. When the comparison result is θ 1 ≧ θ k (step S10; Yes), the camera orientation control unit 323 then performs the camera orientation change count i that has been executed and a reference value i related to the preset camera orientation change count. Compare k . If i ≦ i k as a result of the comparison (step S11; Yes), the camera orientation control unit 323 controls the pan / tilt motor drive circuit 37 based on the rotation angle θ 1 calculated by the camera position and orientation difference calculation unit 322. Accordingly, the driving of the pan motor 288 and the tilt motor 289 is controlled in the direction in which the rotation angle θ 1 is decreased, and the direction (photographing direction) of the camera unit 28 is changed (step S12). That is, the direction (shooting direction) of the camera unit 28 is changed so as to substantially match the line-of-sight direction. By repeatedly executing the operations in steps S5 to S12, the direction of the camera unit 28 (shooting direction) can be substantially matched with the line-of-sight direction.

この様に、本発明に係るHMD1においては、カメラ向き制御部323は、カメラユニット28の第1の位置・姿勢M0と第2の位置・姿勢M1との2つの位置・姿勢の差X1を算出するカメラ位置姿勢差算出部322の算出結果に基づいて、カメラユニット28の向きを制御する構成とした。これにより、視線を指標に向けた時に撮影される画像(情景)I0とカメラユニット28の向きを指標に向けた時に撮影される画像(情景)I1とが略同じ画像(情景)になるようにカメラユニット28の向きを制御することができる。すなわち、HMD1の装着状態や指標(作業対象物)の位置に係わらず視線方向にカメラユニット28の撮影方向(光軸)を略一致させることができる。その結果、本発明に係わるHMD1を、例えば、前述の遠隔作業支援システムに用いた場合、HMD1を装着した作業者が観察している作業対象物のシースルー画像に、指示者が観察しているHMD1のカメラユニット28で撮影された作業対象物の画像を略一致させることができるので、指示者は作業者に適切な情報を提供することが可能となる。 As described above, in the HMD 1 according to the present invention, the camera orientation control unit 323 has the difference X between the two positions / postures of the first position / posture M 0 and the second position / posture M 1 of the camera unit 28. The orientation of the camera unit 28 is controlled based on the calculation result of the camera position and orientation difference calculation unit 322 that calculates 1 . Thus, the image (scene) I 0 photographed when the line of sight is directed toward the index and the image (scene) I 1 photographed when the direction of the camera unit 28 is directed toward the index are substantially the same image (scene). Thus, the orientation of the camera unit 28 can be controlled. That is, the shooting direction (optical axis) of the camera unit 28 can be made to substantially coincide with the line-of-sight direction regardless of the mounting state of the HMD 1 or the position of the index (work object). As a result, when the HMD 1 according to the present invention is used in, for example, the above-described remote work support system, the HMD 1 that the instructor observes in the see-through image of the work object that the worker wearing the HMD 1 observes. Since the image of the work object photographed by the camera unit 28 can be made substantially coincident, the instructor can provide appropriate information to the worker.

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施の形態においては、パン・チルト方向の2次元にカメラユニット28の向きを変化させる構成としたが、さらにカメラユニット28をその光軸周りに回動させる構成としてもよい。すなわち、カメラユニット28で撮影される画像を回転させるようにしてもよい。これにより、シースルー画像にカメラ画像をより近づけることができる。   The present invention has been described above with reference to the embodiments. However, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be changed or improved as appropriate. For example, in the above-described embodiment, the direction of the camera unit 28 is changed two-dimensionally in the pan / tilt direction, but the camera unit 28 may be further rotated around the optical axis. That is, an image photographed by the camera unit 28 may be rotated. Thereby, the camera image can be brought closer to the see-through image.

本発明の一実施形態に係るHMDの外観を示す斜視図である。It is a perspective view showing appearance of HMD concerning one embodiment of the present invention. HMDの表示ユニットの側断面図である。It is side sectional drawing of the display unit of HMD. HMDの概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of HMD. カメラ向き制御動作の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of camera direction control operation | movement. 一例による指標が設けられたチャートを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the chart provided with the parameter | index by an example.

符号の説明Explanation of symbols

1 頭部装着式映像表示装置(HMD)
21R,21L テンプル
22 ブリッジ
23R,23L 鼻当て
24R,24L 透明基板
25 表示ユニット
26 LCD表示部
261 筐体
262 LED
263 コリメータレンズ
264 LCD
27 接眼光学系
271 プリズム
272 HOE
28 カメラユニット
281 ズームレンズ
282 CCD
283 画像処理部
288 パンモータ
289 チルトモータ
29R,29L イヤホン
30 マイク
31 制御ユニット
32 制御部
321 カメラ位置姿勢算出部
322 カメラ位置姿勢差算出部
323 カメラ向き制御部
33 画像メモリ
34 VRAM
35 操作部
351 電源スイッチ
352 操作スイッチ
36 通信部
37 パン・チルトモータ駆動回路
E 目
1 Head-mounted video display (HMD)
21R, 21L Temple 22 Bridge 23R, 23L Nose pad 24R, 24L Transparent substrate 25 Display unit 26 LCD display unit 261 Case 262 LED
263 Collimator lens 264 LCD
27 Eyepiece optical system 271 Prism 272 HOE
28 Camera Unit 281 Zoom Lens 282 CCD
283 Image processing unit 288 Pan motor 289 Tilt motor 29R, 29L Earphone 30 Microphone 31 Control unit 32 Control unit 321 Camera position / orientation calculation unit 322 Camera position / orientation difference calculation unit 323 Camera orientation control unit 33 Image memory 34 VRAM
35 Operation section 351 Power switch 352 Operation switch 36 Communication section 37 Pan / tilt motor drive circuit E Eye

Claims (3)

画像を表示し、外界をシースルー可能な表示ユニットと、
前記外界を撮影し、撮影方向が可変に取り付けられた電子カメラと、を備えた頭部装着式映像表示装置であって、
前記電子カメラで撮影された画像の情報に基づき、前記電子カメラの位置・姿勢を算出するカメラ位置姿勢算出部と、
所定の指標が前記表示ユニットの画面を通して観察できるシースルー画面の所定の位置に位置する状態にした時に、前記電子カメラで撮影された画像の情報に基づき前記カメラ位置姿勢算出部で算出された前記電子カメラの第1の位置・姿勢と、
前記電子カメラで撮影され前記表示ユニットの画面に表示される前記指標が前記所定の位置に位置する状態にした時に、前記電子カメラで撮影された画像の情報に基づき前記カメラ位置姿勢算出部で算出された前記電子カメラの第2の位置・姿勢と、の2つの位置・姿勢に基づき、該2つの位置・姿勢の差を算出するカメラ位置姿勢差算出部と、
前記カメラ位置姿勢差算出部の算出結果に基づき前記電子カメラの向きを制御するカメラ向き制御部と、を有することを特徴とする頭部装着式映像表示装置。
A display unit that displays images and can see through the outside world;
A head-mounted image display device comprising: an electronic camera that shoots the outside world and a shooting direction is variably attached;
A camera position / orientation calculation unit that calculates the position / orientation of the electronic camera based on information of an image captured by the electronic camera;
The electronic position calculated by the camera position / orientation calculation unit based on the information of the image captured by the electronic camera when the predetermined index is set at a predetermined position on the see-through screen that can be observed through the screen of the display unit The first position and orientation of the camera;
Calculated by the camera position / orientation calculation unit based on information of an image photographed by the electronic camera when the index photographed by the electronic camera and displayed on the screen of the display unit is located at the predetermined position. A camera position and orientation difference calculating unit that calculates a difference between the two positions and orientations based on the two positions and orientations of the electronic camera.
A head-mounted image display device comprising: a camera orientation control unit that controls an orientation of the electronic camera based on a calculation result of the camera position and orientation difference calculation unit.
前記カメラ向き制御部は、前記カメラ位置姿勢差算出部で算出された前記2つの位置・姿勢の差と予め設定しておいた該2つの位置・姿勢の差に係わる基準値とを比較し、比較結果に基づいて前記電子カメラの向きを制御することを特徴とする請求項1に記載の頭部装着式映像表示装置。 The camera orientation control unit compares the difference between the two positions / orientations calculated by the camera position / orientation difference calculation unit with a preset reference value related to the difference between the two positions / orientations, The head-mounted image display device according to claim 1, wherein the direction of the electronic camera is controlled based on a comparison result. 前記2つの位置・姿勢の差をX1とした時、前記カメラ位置姿勢差算出部は、以下(1)式に基づいて前記X1を算出することを特徴とする請求項1または2に記載の頭部装着式映像表示装置。
Figure 2009200691
(1)
但し、M0は同時座標系における前記第1の位置・姿勢を示す行列、M1は同時座標系における前記第2の位置・姿勢を示す行列である。
The camera position / orientation difference calculation unit calculates X 1 based on the following equation (1), where X 1 is a difference between the two positions / orientations. Head-mounted video display device.
Figure 2009200691
(1)
However, M 0 is a matrix indicating the first position / orientation in the simultaneous coordinate system, and M 1 is a matrix indicating the second position / orientation in the simultaneous coordinate system.
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