TWI635318B - 頭戴式顯示器、控制方法，以及非暫時性電腦可讀取媒體 - Google Patents

頭戴式顯示器、控制方法，以及非暫時性電腦可讀取媒體 Download PDF

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Abstract

一種頭戴式顯示器，包括：一時脈產生器、一定位系統，以及一慣性感測器。該時脈產生器係用於產生一時脈信號。該定位系統係用於偵測關於一使用者之一座標資訊。該慣性感測器係用於偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊。該定位系統和該慣性感測器係根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊。

Description

頭戴式顯示器、控制方法，以及非暫時性電腦可讀取媒體
本發明係關於一種頭戴式顯示器，特別係關於一種高偵測準確度之頭戴式顯示器。
虛擬實境(Virtual Reality，VR)是利用電腦模擬產生三維空間之虛擬世界，可提供使用者關於視覺等感官之模擬，讓使用者感覺仿彿身歷其境。當使用者之位置移動時，電腦可以立即進行複雜的運算，將精確之三維世界影像傳回，以令使用者產生臨場感。
然而，由於目前偵測定位和旋轉之技術尚不夠精準，虛擬實境常會有讓人產生暈昡感之問題。因此，有必要提出一種全新之設計，以克服傳統技術所面臨之困境。
在較佳實施例中，本發明提供一種頭戴式顯示器，包括：一時脈產生器，產生一時脈信號；一定位系統，偵測關於一使用者之一座標資訊；以及一慣性感測器，偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊；其中該定位系統和該慣性感測器係根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角 度資訊。
在一些實施例中，該座標資訊和該旋轉角度資訊被傳送至一運算裝置。
在一些實施例中，該運算裝置係使用一擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)來處理該座標資訊和該旋轉角度資訊。
在一些實施例中，該運算裝置係根據具有相同之該時間戳記之該座標資訊和該旋轉角度資訊來產生一虛擬實境影像資訊。
在另一較佳實施例中，本發明提供一種頭戴式顯示器之控制方法，包括下列步驟：產生一時脈信號；偵測關於一使用者之一座標資訊；偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊；以及根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊。
在一些實施例中，該控制方法更包括：將該座標資訊和該旋轉角度資訊傳送至一運算裝置。
在一些實施例中，該控制方法更包括：使用一擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)來處理該座標資訊和該旋轉角度資訊。
在一些實施例中，該控制方法更包括：根據具有相同之該時間戳記之該座標資訊和該旋轉角度資訊來產生一虛擬實境影像資訊。
在較佳實施例中，本發明提供一種非暫時性電腦可讀取媒體，儲存有一電腦程式產品，用於使一頭戴式顯示器 執行下列操作步驟：產生一時脈信號；偵測關於一使用者之一座標資訊；偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊；以及根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊。
100‧‧‧頭戴式顯示器
110‧‧‧時脈產生器
120‧‧‧定位系統
130‧‧‧慣性感測器
140‧‧‧運算裝置
150‧‧‧擴展卡爾曼濾波器
180‧‧‧使用者
CK‧‧‧時脈信號
SP‧‧‧座標資訊
SA‧‧‧旋轉角度資訊
SG‧‧‧虛擬實境影像資訊
TS‧‧‧時間戳記
t1‧‧‧第一時間點
t2‧‧‧第二時間點
t3‧‧‧第三時間點
X1‧‧‧第一座標資料
X2‧‧‧第二座標資料
X3‧‧‧第三座標資料
θ1‧‧‧第一旋轉角度
θ2‧‧‧第二旋轉角度
θ3‧‧‧第三旋轉角度
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之頭戴式顯示器之示意圖；第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之座標資訊和時間戳記之間之關係圖；第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之旋轉角度資訊和時間戳記之間之關係圖；第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之頭戴式顯示器和運算裝置之立體圖；第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之頭戴式顯示器之控制方法之流程圖；以及第6圖係顯示根據本發明另一實施例所述之頭戴式顯示器之控制方法之流程圖。
為讓本發明之目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明之具體實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
在說明書及申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。本領域技術人員應可理解，硬體製造商可能 會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及申請專利範圍當中所提及的「包含」及「包括」一詞為開放式的用語，故應解釋成「包含但不僅限定於」。「大致」一詞則是指在可接受的誤差範圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差範圍內解決所述技術問題，達到所述基本之技術效果。此外，「耦接」一詞在本說明書中包含任何直接及間接的電性連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接至一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電性連接至該第二裝置，或經由其它裝置或連接手段而間接地電性連接至該第二裝置。
第1圖係顯示根據本發明一實施例所述之頭戴式顯示器(Head Mounted Display，HMD)100之示意圖。頭戴式顯示器100可套用虛擬實境(Virtual Reality，VR)技術，並可由一使用者180進行穿戴。如第1圖所示，頭戴式顯示器100包括：一時脈產生器(Clock Generator)110、一定位系統(Positioning System)120，以及一慣性感測器(Inertial Measurement Unit，IMU)130。時脈產生器110可以是一方波產生器(Square Wave Generator)，其係用於產生一時脈信號CK。舉例而言，時脈信號CK之頻率可為0.9kHz、1kHz，或是2kHz。定位系統120可以是一動作捕捉系統(Motion Capture System)，其係用於偵測關於使用者180之一座標資訊SP。例如，座標資訊SP可包括使用者180之一X軸座標、一Y軸座標，以及一Z軸座標。慣性感測器130可以是一加速度計(Accelerometer或G-sensor)、一磁力計 (Magnetometer或M-sensor)，或是一陀螺儀(Gyroscope)，其係用於偵測關於使用者180之一旋轉角度資訊SA。例如，旋轉角度資訊SA可包括使用者180之一天頂角(Theta)旋轉和一方位角(Phi)旋轉。定位系統120和慣性感測器130皆根據時脈信號CK來將一時間戳記(Timestamp)TS加入至座標資訊SP和旋轉角度資訊SA當中。時間戳記TS可用於指示出座標資訊SP和旋轉角度資訊SA之對應時間點。必須注意的是，雖然未顯示於第1圖中，實際上頭戴式顯示器100更可包括其他元件，例如：一顯示器、一上蓋、一前蓋、一左側蓋、一右側蓋，以及複數個發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)。
在一些實施例中，定位系統120和慣性感測器130各自更包括一計數器(Counter)。藉由計算所接收之時脈信號CK之上升邊緣(Rising Edge)或下降邊緣(Falling Edge)之次數，定位系統120和慣性感測器130可取得不同時間點，從而可建立時間戳記TS與座標資訊SP、旋轉角度資訊SA之間之關聯性。
第2圖係顯示根據本發明一實施例所述之座標資訊SP和時間戳記TS之間之關係圖。在第2圖之實施例中，座標資訊SP包括使用者180之一第一座標資料X1、一第二座標資料X2，以及一第三座標資料X3，其中第一座標資料X1係於一第一時間點t1所量測，第二座標資料X2係於一第二時間點t2所量測，而第三座標資料X3係於一第三時間點t3所量測。第一座標資料X1、第二座標資料X2，以及第三座標資料X3之每一者皆可包括使用者180之X軸座標、Y軸座標，以及Z軸座標。前述將時間戳記TS加入至座標資訊SP之步驟，在此可指將第一時間 點t1之資訊加入第一座標資料X1，將第二時間點t2之資訊加入第二座標資料X2，以及將第三時間點t3之資訊加入第三座標資料X3。在定位系統120根據時脈信號CK來處理座標資訊SP之後，每一座標資料將與其對應之時間點之間建立關聯性，因此後續之運算裝置可以更容易地運用關於使用者180之座標資訊SP。
第3圖係顯示根據本發明一實施例所述之旋轉角度資訊SA和時間戳記TS之間之關係圖。在第3圖之實施例中，旋轉角度資訊SA包括使用者180之一第一旋轉角度θ1、一第二旋轉角度θ2，以及一第三旋轉角度θ3，其中第一旋轉角度θ1係於一第一時間點t1所量測，第二旋轉角度θ2係於一第二時間點t2所量測，而第三旋轉角度θ3係於一第三時間點t3所量測。第一旋轉角度θ1、第二旋轉角度θ2，以及第三旋轉角度θ3之每一者皆可包括使用者180之天頂角旋轉和方位角旋轉。前述將時間戳記TS加入至旋轉角度資訊SA之步驟，在此可指將第一時間點t1之資訊加入第一旋轉角度θ1，將第二時間點t2之資訊加入第二旋轉角度θ2，以及將第三時間點t3之資訊加入第三旋轉角度θ3。在慣性感測器130根據時脈信號CK來處理旋轉角度資訊SA之後，每一旋轉角度將與其對應之時間點之間建立關聯性，因此後續之運算裝置可以更容易地運用關於使用者180之旋轉角度資訊SA。
第4圖係顯示根據本發明一實施例所述之頭戴式顯示器100和運算裝置(Computing Device)140之立體圖。在第4圖之實施例中，已與時間戳記TS相關聯之座標資訊SP和旋轉角度資訊SA更被傳送至運算裝置140。頭戴式顯示器100和運算裝 置140可共同組成一虛擬實境系統。舉例而言，運算裝置140可以是一智慧型手機(Smart Phone)、一平板電腦(Tablet Computer)，或是一筆記型電腦(Notebook Computer)。運算裝置140可以使用一擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)150來處理座標資訊SP和旋轉角度資訊SA。擴展卡爾曼濾波器150可以用一硬體邏輯電路或一軟體電腦程式來實施。詳細而言，運算裝置140係根據具有相同時間戳記TS之座標資訊SP和旋轉角度資訊SA來產生一虛擬實境影像資訊SG。此虛擬實境影像資訊SG可傳回頭戴式顯示器100來進行展示，致使用者產生身歷其境之感覺。
請一併參考第2、3、4圖之實施例。根據時間戳記TS，同於第一時間點t1所量測之第一座標資料X1和第一旋轉角度θ1可由運算裝置140來一起處理，同於第二時間點t2所量測之第二座標資料X2和第二旋轉角度θ2可由運算裝置140來一起處理，而同於第三時間點t3所量測之第三座標資料X3和第三旋轉角度θ3可由運算裝置140來一起處理。因為時間戳記TS可指示出正確之時間點，運算裝置140將能輕易地找出所有座標資料和旋轉角度之間之對應關係，從而可精確地估算出使用者180之真實移動及轉動狀態。
在傳統技術中，由於座標資訊SP和旋轉角度資訊SA皆不包括任何時間戳記TS，故常會面臨其後之運算裝置140容易搞混這些座標資訊SP和旋轉角度資訊SA之問題。例如，第二座標資料X2可能錯誤地對應於第三旋轉角度θ3，導致運算裝置140會產生移動或轉動錯誤之虛擬實境影像資訊SG，令使 用者180感到暈昡。為克服此一困境，本發明提出了根據時脈信號CK來將時間戳記TS加入至座標資訊SP和旋轉角度資訊SA之新穎設計，可簡化運算裝置140處理座標資訊SP和旋轉角度資訊SA之過程，此有助於提高虛擬實境之整體擬真度並降低使用者180配戴頭戴式顯示器100時所遭受之不適感。
第5圖係顯示根據本發明一實施例所述之頭戴式顯示器之控制方法之流程圖。首先，在步驟S510，藉由一時脈產生器，產生一時脈信號。在步驟S520，藉由一定位系統，偵測關於一使用者之一座標資訊。在步驟S530，藉由一慣性感測器，偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊。最後，在步驟S540，藉由該定位系統和該慣性感測器，根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊。
第6圖係顯示根據本發明另一實施例所述之頭戴式顯示器之控制方法之流程圖。第6圖和第5圖相似，但第6圖更包括下列步驟。在步驟S550，將該座標資訊和該旋轉角度資訊傳送至一運算裝置。在步驟S560，藉由該運算裝置，使用一擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)來處理該座標資訊和該旋轉角度資訊。在步驟S570，藉由該運算裝置，根據具有相同之該時間戳記之該座標資訊和該旋轉角度資訊來產生一虛擬實境影像資訊。
必須注意的是，第5、6圖之步驟無須依次序執行，而第1-4圖之實施例之所有特徵皆可套用至第5、6圖之控制方法當中。
本發明之方法，或特定型態或其部份，可以以程 式碼的型態存在。程式碼可以包含於實體媒體，如軟碟、光碟片、硬碟、或是任何其他機器可讀取(如電腦可讀取)儲存媒體，亦或不限於外在形式之電腦程式產品，其中，當程式碼被機器，如電腦載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。程式碼也可以透過一些傳送媒體，如電線或電纜、光纖、或是任何傳輸型態進行傳送，其中，當程式碼被機器，如電腦接收、載入且執行時，此機器變成用以參與本發明之裝置。當在一般用途處理單元實作時，程式碼結合處理單元提供一操作類似於應用特定邏輯電路之獨特裝置。
值得注意的是，以上所述之元件參數、時脈頻率皆非為本發明之限制條件。設計者可以根據不同需要調整這些設定值。本發明之頭戴式顯示器、控制方法，以及非暫時性電腦可讀取媒體並不僅限於第1-6圖所圖示之狀態。本發明可以僅包括第1-6圖之任何一或複數個實施例之任何一或複數項特徵。換言之，並非所有圖示之特徵均須同時實施於本發明之頭戴式顯示器、控制方法，以及非暫時性電腦可讀取媒體當中。
在本說明書以及申請專利範圍中的序數，例如「第一」、「第二」、「第三」等等，彼此之間並沒有順序上的先後關係，其僅用於標示區分兩個具有相同名字之不同元件。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

  1. 一種頭戴式顯示器，配戴於一使用者之頭部，其包括：一時脈產生器，產生一時脈信號；一定位系統，偵測關於該使用者之一座標資訊；以及一慣性感測器，偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊；其中該定位系統和該慣性感測器係根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊，以建立該時間戳記與該座標資訊、該旋轉角度資訊之間之關聯性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之頭戴式顯示器，其中該座標資訊和該旋轉角度資訊被傳送至一運算裝置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之頭戴式顯示器，其中該運算裝置係使用一擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)來處理該座標資訊和該旋轉角度資訊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之頭戴式顯示器，其中該運算裝置係根據具有相同之該時間戳記之該座標資訊和該旋轉角度資訊來產生一虛擬實境影像資訊。
  5. 一種頭戴式顯示器之控制方法，該頭戴式顯示器係配戴於一使用者之頭部，而該控制方法包括下列步驟：產生一時脈信號；偵測關於該使用者之一座標資訊；偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊；以及根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊，以建立該時間戳記與該座標資訊、該旋轉角度資訊之間之關聯性。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之控制方法，更包括：將該座標資訊和該旋轉角度資訊傳送至一運算裝置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之控制方法，更包括：使用一擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter，EKF)來處理該座標資訊和該旋轉角度資訊。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之控制方法，更包括：根據具有相同之該時間戳記之該座標資訊和該旋轉角度資訊來產生一虛擬實境影像資訊。
  9. 一種非暫時性電腦可讀取媒體，儲存有一電腦程式產品，用於使一頭戴式顯示器執行下列操作步驟，其中該頭戴式顯示器係配戴於一使用者之頭部：產生一時脈信號；偵測關於該使用者之一座標資訊；偵測關於該使用者之一旋轉角度資訊；以及根據該時脈信號來將一時間戳記加入至該座標資訊和該旋轉角度資訊，以建立該時間戳記與該座標資訊、該旋轉角度資訊之間之關聯性。
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