JP3898816B2 - Head mounted display with position detection function - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機や自動車等の操縦訓練・教育機、バーチャルリアリティ(仮想現実)体験機等に用いられるヘッドマウントディスプレイ(HMD)に関する。
【0002】
【従来の技術】
HMDには、仮想の映像のみを装着者に提供するクローズド型HMDと、装着者による外部の景色の視認を可能とし、外部景色の映像(現実映像)に仮想映像を重畳表示して提供するシースルー型HMDとがある。後者の場合に、現実映像と仮想映像との間に位置的な関連付けを行なって重畳表示しようとすると、外部環境の中におけるHMDの向きを正確に検出しなければならない。従来、このための方法として磁気方式や超音波方式が用いられていた。これらはいずれも、HMDに磁気発生器又は超音波発生器を固定し、HMDの外部に固定された磁気検出器又は超音波検出器との相互作用によりHMDの位置(向き)を検出するというものである。なお、発生器と検出器は逆に取り付けられる場合もある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方法ではいずれも位置検出精度が必ずしも十分でなかった。例えば、磁気方式では近傍に金属物が存在すると検出精度が低下する場合があった。
【0004】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、赤外光を用いて物体の位置を検出し、それにより、より正確な現実映像及び仮想映像の重畳表示を行なうことができるHMDを提供することにある。これにより、例えば近傍に金属物が存在する場合でも検出精度が低下しないようにするものである。
【0005】
上記課題を解決するために成された本発明は、装着者の眼前に配置された半透過スクリーン及びホットミラーを備えたシースルー型ヘッドマウントディスプレイにおいて、
d)装着者の眼前に配置されたホットミラーによって反射された赤外光を撮影する外部映像撮影手段と、
e)撮影された外部映像に基づき物体からの赤外光の位置を検出するとともに該赤外光の時間的パターン又は空間的パターンに基づき該物体を特定する検出手段と、
f)検出された位置を用いて、上記半透過スクリーン上に前記特定された物体に関する情報を投影する投影手段と、
を備えることを特徴としている。
【0006】
装着者がHMDを装着すると、眼前には半透過スクリーン及びホットミラーが位置する。装着者は半透過スクリーンを通して外部の映像を視認できる。一方、HMDの外部映像撮影手段はホットミラーによって反射された赤外光による装着者の眼前の外部の映像を撮影し、その映像情報を検出手段に送る。検出手段は、周知の画像処理方法を用いて、物体からの赤外光の位置を検出するとともに該赤外光の時間的パターン又は空間的パターンに基づき該物体を特定する。検出された位置の情報は投影手段に送られ、投影手段は検出された位置を用いて、半透過スクリーン上に、前記特定された物体に関する情報を投影する。物体に関する情報の投影位置を適切に設定することにより、外部の影像とその物体に関する情報とが装着者に分かりやすく重畳表示され、訓練、教育、バーチャルリアリティ等において従来よりも大きな効果を挙げることができるようになる。
【0007】
本発明に係るHMDでは、撮影した映像から画像処理により物体の位置を検出するとともに赤外光の時間的パターン又は空間的パターンに基づき該物体を特定するため、装着者に物体に関する情報を正確に、且つ、分かりやすく与えることができる。また、従来の磁気又は超音波による検出よりもより正確な位置検出を行なうことができ、ずれの少ない重畳表示を行なうことができる。
【0008】
【実施例】
本発明の一実施例であるシースルー型HMDを図1〜図5により説明する。図1及び図2に示す通り、本実施例のHMD10は、従来のシースルー型HMDに外部映像撮影手段が付加されたものとなっている。すなわち、従来のHMDと同様、装着者の頭部に装着される本体部11、本体部11を装着したときに装着者の眼前に配置される半透過型のスクリーン12、スクリーン12に映像を出力する映像出力部13等を備え、更に、外部映像撮影手段として、装着者の左右眼前に1対の赤外撮像部14が設けられている。各赤外撮像部14は、装着者の眼前に配置されるホットミラー15と、ホットミラー15の外側に設けられたカメラレンズ16及びCCDカメラ17から成る。ホットミラー15は、可視光を透過し、赤外光を反射する光学素子であり、装着者の眼前の景色から装着者の目の方に来る光のうち赤外光のみを反射してCCDカメラ17の方に送る。
【0009】
本実施例のHMD10の機能的構成を図3に示す。映像出力部13は、半透過スクリーン12に表示すべき映像を生成する映像生成部21と、生成された映像をスクリーン12に投映する投映部22とから成る。映像生成部21はコンピュータから成り、予め用意されたプログラムを実行することにより映像生成部21として機能する。本実施例のHMD10ではコンピュータに、この映像生成部21としての機能に加え、赤外映像処理部23としての機能をも持たせている。
【0010】
以上の構成を有する本実施例のHMD10の使用方法を次に説明する。まず、予め、これから視認しようとする外部の物体25に赤外光源26を取り付ける。赤外光源26としては、赤外LED(発光ダイオード)が簡便で使用しやすい。なお、視認しようとする外部物体25は1個でもよいし複数個でもよいが、複数個の場合は各赤外光源26を識別できるようにしておく。例えば、発光の時間的パターンを変えるとか、空間的パターンをバーコード形式としておく等の方策をとることができる。
【0011】
次に、HMD10の本体部11を装着者の頭部に装着し、エアバッグ等により本体部11を頭部に固定する。頭部に対する本体部11の位置が固定された後、半透過スクリーン12に適当な調整用パターンを投映し、装着者がその調整用パターンを所定の位置で視認するように、映像出力部13の調整を行なう。なお、必要があれば出力映像の焦点調整も行なう。
【0012】
以上の準備が整った後、使用を開始する。装着者が外部物体25の方に向くと、外部物体25に取り付けられた赤外光源26から発した赤外光は左右のホットミラー15で反射され、カメラレンズ16を介してそれぞれの対応CCDカメラ17に送られる。CCDカメラ17は撮影した映像を表わす映像信号を生成し、赤外映像処理部23に送る。なお、赤外映像処理部23における物体認識をより容易にするため、CCDカメラ17の前に赤外光フィルタを設け、撮影画像から予め不要な可視光を除去しておいてもよい。
【0013】
赤外映像処理部23では、まず、赤外光源26の像が抜き出せるように、所定の赤外域波長を閾値として映像信号から2値映像を生成する。この2値映像に基づき、周知の画像処理技術により、各赤外光源26の位置を検出するとともに、時間的パターン又は空間的パターンに基づいて各赤外光源26の特定を行なう。赤外映像処理部23は、特定した赤外光源26に対応して予め記憶されている情報(物体情報)をメモリ(図示せず)から取り出し、赤外光源26の位置の情報とともに映像生成部21に送る。映像生成部21では、物体情報を映像化し、その物体情報映像を赤外光源26の箇所又はその近傍に配置した投映映像を生成する。投映映像は投映部22によりスクリーン12に投映される。
【0014】
これにより装着者は、スクリーン12を通過してくる外部の物体25の映像と、スクリーン12に投映される映像とを重畳して視認することになる。この重畳映像の一例を図4に示す。この例では、赤外光源26を付けた物体25の近傍にその物体25に関する情報(例えば、その物体25の名称、属性等)が表示されている。図5は、物体27の内部構造又は物体27の内部に含まれる物の映像28を物体27と同じ箇所に重畳して表示する例を示したものである。このような重畳表示により、装着者は各物体25、27に関する情報をその場で認識することができ、飛行機や自動車の操縦訓練、安全教育等においてより有効な訓練、教育を行なうことができる。また、仮想現実体験等においては、外部に種々の物体を配置すると共に、それに関する情報を予め準備しておくことにより、装着者により多様な仮想現実体験を与えることができるようになる。
【0015】
なお、上記実施例では装着者の眼前にホットミラー15を設けることにより、装着者が視認する外部映像に最も近い映像を撮影するようにしていたが、HMDの左右側部からCCDカメラで直接前方の外部映像を撮影するようにし、赤外映像処理部23における画像処理の段階で視差を補正するようにしてもよい。
【0016】
また、上記実施例では、外部物体に赤外光源を取り付ける構成としたが、HMDに赤外光の発光源を取り付けるようにしてもよい。すなわち、HMDの前面に赤外光を投射して、その反射光をCCDカメラで撮影することにより赤外光映像を撮影し、それに対して画像処理を施すことにより物体を特定することができる。この方法は、特に物体の外形が特徴を有する場合に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例であるHMDの平面図。
【図2】 実施例のHMDの側面図。
【図3】 実施例のHMDの機能ブロック図。
【図4】 実施例のHMDの表示の一例を示す説明図。
【図5】 別の表示の例を示す説明図。
【符号の説明】
10…ヘッドマウントディスプレイ(HMD)
11…本体部
12…半透過スクリーン
13…映像出力部
14…赤外撮像部
15…ホットミラー
16…カメラレンズ
17…CCDカメラ
21…映像生成部
22…投映部
23…赤外映像処理部
25、27…外部物体
26…赤外光源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a head-mounted display (HMD) used for aircraft training training and educational equipment, virtual reality (virtual reality) experience machines, and the like.
[0002]
[Prior art]
The HMD includes a closed-type HMD that provides only a virtual image to the wearer, and a see-through that allows the wearer to see the external scenery and provides the virtual image superimposed on the external scenery image (real image). There is a type HMD. In the latter case, if an attempt is made to superimpose and display a positional relationship between a real image and a virtual image, the orientation of the HMD in the external environment must be accurately detected. Conventionally, a magnetic method or an ultrasonic method has been used as a method for this purpose. In both cases, the magnetic generator or ultrasonic generator is fixed to the HMD, and the position (orientation) of the HMD is detected by the interaction with the magnetic detector or ultrasonic detector fixed outside the HMD. It is. Note that the generator and the detector may be attached in reverse.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Precision output置検position both in the above conventional method is not always sufficient. For example, in the magnetic method, the detection accuracy may be reduced if a metal object is present in the vicinity.
[0004]
The present invention has been made in order to solve such problems, and the object of the present invention is to detect the position of an object using infrared light , thereby enabling more accurate real images and virtual images. It is to provide an HMD that can perform superimposing display. Thereby, for example, even when a metal object exists in the vicinity, the detection accuracy is prevented from deteriorating.
[0005]
The present invention was made in order to solve the above described problems is the see-through type head mounted display which includes a semi-transparent screen and hot mirror disposed in front of the eyes of the wearer,
d) an external video photographing means for photographing infrared light reflected by a hot mirror arranged in front of the wearer's eyes;
detection means for identifying said object based on temporal patterns or spatial pattern of the infrared light and detects the position of the infrared light from the based-out object body e) photographed external image,
with f) detected position, a projection means for projecting the shadow information related to the identified object on the semi-transparent screen,
It is characterized by having.
[0006]
When the wearer wears the HMD, a translucent screen and a hot mirror are positioned in front of the eyes. The wearer can visually recognize the external image through the translucent screen. On the other hand, the external image capturing means of the HMD captures an external image in front of the wearer's eyes by infrared light reflected by the hot mirror, and sends the image information to the detecting means. The detection means detects the position of infrared light from the object using a known image processing method and identifies the object based on the temporal pattern or spatial pattern of the infrared light . Information of the detected position is transmitted to the projection means, the projection means with the detected position, on a semi-transparent screen, for projecting the shadow of the information about the identified object. By setting the projecting shadow position information about the object properly, outside the shadow image and the information about the object is superimposed plainly on the wearer, training, education, given a greater effect than conventional in virtual reality, etc. Will be able to.
[0007]
In HMD according to the present invention, in order to identify said object based on temporal patterns or spatial patterns of infrared light and detects the position of an object by image processing from the photographed image, accurate information about the object to the wearer And it can be given in an easy-to-understand manner. In addition, position detection can be performed more accurately than conventional detection using magnetism or ultrasonic waves, and superimposed display with little deviation can be performed.
[0008]
【Example】
A see-through type HMD which is an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 1 and 2, the
[0009]
FIG. 3 shows a functional configuration of the
[0010]
Next, a method of using the
[0011]
Next, the
[0012]
After the above preparations are complete, use will begin. When the wearer faces the
[0013]
First, the infrared
[0014]
Accordingly, the wearer visually recognizes the image of the
[0015]
In the above embodiment, the
[0016]
Moreover, in the said Example, although it was set as the structure which attaches an infrared light source to an external object, you may make it attach the light emission source of infrared light to HMD. That is, it is possible to identify an object by projecting infrared light onto the front surface of the HMD and photographing the reflected light with a CCD camera to photograph an infrared light image and subjecting it to image processing. This method is particularly effective when the outer shape of the object has characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an HMD that is an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of the HMD of the example.
FIG. 3 is a functional block diagram of the HMD of the embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of display of an HMD according to an embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing another display example.
[Explanation of symbols]
10. Head mounted display (HMD)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
a)装着者の眼前に配置されたホットミラーによって反射された赤外光を撮影する外部映像撮影手段と、
b)撮影された外部映像に基づき物体からの赤外光の位置を検出するとともに前記赤外光の時間的パターン又は空間的パターンに基づき該物体を特定する検出手段と、
c)前記検出された位置を用いて、上記半透過スクリーン上に前記特定された物体に関する情報を投影する投影手段と、
を備えることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。In see-through type head mounted display which includes a semi-transparent screen and hot mirror disposed in front of the eyes of the wearer,
a) an external video photographing means for photographing infrared light reflected by a hot mirror disposed in front of the wearer's eyes;
b) detection means for identifying said object based on temporal patterns or spatial pattern of the infrared light and detects the position of the infrared light from the based-out object body captured external image,
with c) the detected position, a projection means for projecting the shadow information related to the identified object on the semi-transparent screen,
A head-mounted display comprising:
d)d) 前記ヘッドマウントディスプレイの前面に赤外光を投射する赤外光発光源を有し、An infrared light source that projects infrared light on the front surface of the head mounted display;
前記外部映像撮影手段によって撮影される前記ホットミラーによって反射された赤外光は、前記赤外発光源から投射された赤外光に対する前記物体からの反射光であることを特徴とする請求項1記載のヘッドマウントディスプレイ。 2. The infrared light reflected by the hot mirror photographed by the external video photographing means is reflected light from the object with respect to infrared light projected from the infrared light source. The described head mounted display.
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