TWI692706B

TWI692706B - 擴增實境面鏡

Info

Publication number: TWI692706B
Application number: TW107136751A
Authority: TW
Inventors: 簡達益; 賴瀅如; 張勤煜; 林晏瑞
Original assignee: 正能光電股份有限公司
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-05-01
Also published as: CN208498766U; TW201942712A

Abstract

本發明揭露一種擴增實境面鏡，其係包含：一本體，用以穩固地配戴在一使用者臉上，並透過至少一透光片為該使用者提供一可視區域；一影像模組鄰近該透光片，用以提供該使用者至少一個擴增實境影像於該可視區域內；一發光模組，用以朝該可視區域發射光線；至少一個外感測器，用以收集該本體外部之訊號；以及一控制模組電性連接該影像模組、該外感測器以及該發光模組。

Description

擴增實境面鏡

本發明係一種在不中斷使用者視野的情況下提供資訊或影像之擴增實境面鏡，特別適用於會降低手部操作能力之惡劣環境。

面對相對惡劣的環境，人們會配戴防護面鏡以保護自己的眼睛、鼻子或耳朵，免於強光、強風、沙塵、毒霧、潑水或浸水的侵擾，例如：滑雪面鏡、潛水面鏡、防風面鏡以及防火面鏡。由於防護面鏡是人們在相對惡劣的環境中所依賴的最基本防護，即使配戴上述防護面鏡會使得判斷力以及手眼協調能力大幅下降，人們還是無法隨意穿脫如同救命繩的防護面鏡。

以滑雪面鏡舉例，因為鏡框帶有厚度的關係，人們很難看到自己的腰帶甚至是綁在腳上的扣環，即使是簡單的檢查扣環，也需要透過同伴的協助才能完成，非常地不方便。若是想看一眼手錶上顯示的資訊，也需要將手抬高至視野的正前方，而且還不見得有足夠的相對亮度，可以在反光的雪地裡讀取手錶上的內容。

以潛水面鏡舉例，由於水深每增加10米就會增加一大氣壓，潛水員要在水下進行手部精密動作十分困難，更別是要透過防寒或防礁石手套來操作裝備。因此，各項操作除了要考慮水下數氣壓對開關及儀器的影響，也要考慮其簡易性以及正確性。

以防風或防火面鏡舉例，突然的風砂罩頂，以及火災現場中出現的漫天煙霧，都會使得人們突然失去方向無所適從，若是無法儘快解除狀況或是迅速適應環境，不僅無法前進嚴重的還會因此失去寶貴生命。

綜上所述，現行的防護面鏡雖提供基本的防護功能，卻也同時降低了人們於特殊環境中的反應能力，因此能夠提高面鏡功能，又具備簡單及易於判讀的操作，為本領域亟需解決的重要課題。

為解決前揭之問題，本發明之目的係提供一種在不中斷使用者視野的情況下提供資訊或影像之擴增實境面鏡。

為達上述目的，本發明提供一種擴增實境面鏡，其係包含：一本體，用以穩固地配戴在一使用者臉上，並透過至少一透光片為該使用者提供一可視區域；一影像模組鄰近該透光片，用以提供該使用者至少一個擴增實境影像於該可視區域內；一發光模組，用以朝該可視區域發射光線；至少一個外感測器，用以收集該本體外部之訊號；以及一控制模組電性連接該影像模組、該外感測器以及該發光模組。所謂的擴增實境影像，係與該可視區域發散的光線同時進入該使用者的瞳孔，也就是該擴增實境影像並不會遮蓋或是取代該可視區域。

該至少一個外感測器係為：水位偵測器、水深度偵測器、光度偵測器、氣壓計、磁力計、加速計、陀螺儀以及人體感應器之一或之組合。

在其一實施例中，該發光模組更包含：一開關，用以根據該使用者的手部操作產生一手部開關訊號；以及一模式切換元件，用以至少接受該手部開關訊號和該控制模組產生的感測開關訊號之其一，進行不同發光模式的切換。

在其一實施例中，該透光片更包含：一反射元件，設置於該透光片上，用以反射該影像模組出射之擴增實境影像光線至該使用者之瞳孔。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一矩陣光源元件，貼合於該透光片上並電性連接該影像模組，其發射出之光線係直接投射至該使用者之瞳孔。。

在其一實施例中，該控制模組包含：一計時排程單元，受該外感測器產生之訊號啟動計時，並於排定的時程播放該影像模組內建之影像。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一動作感應器，裝置於該本體上並朝該使用者眼部，用以偵測該使用者的眨眼動作並電性連接至該控制模組。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一聲音產生器，裝置於該使用者的鼻骨或顴骨附近，利用頭骨傳導聲音至該使用者之內耳。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一相機模組，電性連接該控制模組，用以擷取該可視區域中部份二維影像以及2.5維影像(二維影像+景深數據)至少其中之一。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一生物辨識模組，其係根據該相機模組所擷取之二維影像或是2.5維影像，套入影像分析程式，得出該二維影像中出現的生物特徵。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一影像增強模組，其係根據該相機模組所擷取之二維影像或是2.5維影像，套入影像處理程式得出轉換後的二維影像以及該二維影像中出現的物體輪廓至少其一。

在其一實施例中，該擴增實境面鏡更包含：一無線傳輸模組，用以與至少一外部裝置進行無線傳輸或設定

A‧‧‧擴增實境面鏡

B1‧‧‧擴增實境影像出射之光線

B2‧‧‧前方一公尺以上位置所發射的相同路徑

C1‧‧‧輪廓註記特徵

C2‧‧‧生物條紋

C3‧‧‧平頷

D‧‧‧瞳孔

F‧‧‧使用者

G1‧‧‧水下深度

G2‧‧‧地磁方位

G3‧‧‧圖形介面

G4‧‧‧體色分布

G5‧‧‧參數組

H1‧‧‧外部接收裝置

H2‧‧‧外部控制裝置

L1‧‧‧光強時間曲線

L2‧‧‧亮度時間曲線

M‧‧‧擴增實境影像

P‧‧‧前方一公尺以上位置

Q‧‧‧可視區域

100‧‧‧本體

110‧‧‧調整帶

120‧‧‧軟質群狀物

130‧‧‧框型結構

140‧‧‧透光片

141‧‧‧反射元件

142‧‧‧矩陣光源元件

150‧‧‧空腔

200‧‧‧影像模組

300‧‧‧發光模組

310‧‧‧發光模組之開關

320‧‧‧模式切換元件

321‧‧‧當前光強

322‧‧‧固定亮度

323‧‧‧再接收到手部開關訊號時

330‧‧‧半導體光源

340‧‧‧電力供應元件

400‧‧‧外感測器

500‧‧‧控制模組

600‧‧‧相機模組

610‧‧‧相機模組之開關

700‧‧‧聲音產生器

800‧‧‧動作感應器

圖一為本創作第一實施例之擴增實境面鏡立體示意圖

圖二為本創作第二實施例中發光模組之電路及照明模式示意圖

圖三為本創作第三實施例中影像模組及反射元件立體示意圖

圖四為本創作第四實施例中影像模組及矩陣光源元件立體示意圖

圖五為本創作第五實施例中生物辨識模組分析示意圖

圖六為本創作第六實施例中無線傳輸模組使用示意圖

請參照「圖一」，本創作之擴增實境面鏡A，實施時係以一框型結構為本體100，連接一調整帶110用以穩固地配戴在一使用者F臉上，同時，為使上述框型結構本體能貼合於臉上，可以再連接一軟質群狀物120與臉部接觸。上述框型結構本體在雙眼中央具有一單一框130，或在左右眼前方各具有一左框和右框，且設置一透光片140或兩透光片於上述框型結構處130，為該使用者F提供前方一可視區域。若為防水用途，例如：潛水面鏡，該透光片140可隔著該軟質群狀物120裝設於該框形結構130上，達到將液體隔離在外部之密閉效果。若為防風或防塵用途，該軟質群狀物可具有延伸部繞過頭部，形成全方位的防護罩。

上述框型結構本體100係內建有至少一空腔150，供以容置一影像模組200、一發光模組300、至少一個外感測器400以及一控制模組500。上述模組及外感測器亦可分別裝設於單獨殼體內，再結合於該本體上。上述模組及外感測器的電力供應元件可以獨立或共同分享。

上述外感測器可以選自：水位偵測器、水深度偵測器、光度偵測器、氣壓計、磁力計、加速計、陀螺儀以及人體感應器(例如：PIR或紅外線影像)其一或其組合。

請參照「圖二」，該發光模組300可以由一半導體光源(例如：LED)330、一開關310、一模式切換元件320以及一電力供應元件340組成。當該使用者的手部操作該開關310時，會產生一手部開關訊號送至該模式切換元件320。該模式切換元件320可以根據該手部開關訊號以及當前模式切換不同照明模式，例如：漸漸增加光強L1至一特定強度、依序發射不同色光、固定目前的半導體光源設定、遠光燈、近光燈、弱光燈、強光燈以及閃光燈等模式。除此之外，該模式切換元件320亦可以接收該控制模組500所產生的感測開關訊號，其中，該感測開關訊號與該手部開關訊號能視為同一觸發訊號(如圖二)，也能視為不同觸發訊號。舉例來說，當手部觸動該開關或該外感測器感應到周圍光度下降至一程度時，該模式切換元件320即根據當前光強321，逐步增加該半導體光源亮度L2。在增加光強的期間內，若是再接收到該手部開關訊號323，則會固定該半導體光源亮度322不再增加。又或者是，當手部觸動該開關或該外感測器感應到周圍光度下降至一程度時，該模式切換元件即根據當前的未出光模式，逐步增加該半導體光強以及顏色，從弱紅光慢慢增加到亮藍光或是亮白光，用以讓該使用者以及其周遭同伴逐漸習慣強光照明。

以潛水面鏡舉例，該控制模組500可以根據上述水位偵測器計量入水後5分鐘，或是根據水深度偵測器達某一深度時，送出該感測開關訊號，方便潛水員潛至該深度時(例如：水深10m為日光明顯減弱之深度)自動開啟照明，不僅能減省潛水員操作步驟，也能提醒潛水員已達目標深度。

為了能即時提供當前環境所需要的照明，該控制模組可以根據前方光度過低或前方光度下降過快時，送出該感測開關訊號，即時提供該可視區域適當的照明；也能透過偵測周圍氣壓變化或地磁方位變化來計算路程，並據此送出該感測開關訊號，配合所在地提供適當的照明。

除了提供照明外，該控制模組500還能利用加速計、陀螺儀或人體感應器，偵測使用者F是否已經失去意識或瀕臨危險，例如：固定不動、規律的擺動以及離周遭同伴有一定距離以上，送出該感測開關訊號，以即時啟動閃光求救訊號。又或是，當遇上麻煩或是危險時，能快速轉動頭部啟動陀螺儀，使該控制模組送出該感測開關訊號，以發出閃光求救訊號。

請參照「圖三」，為提供該使用者F實用的資訊或影像，該影像模組200係透過鄰近該透光片處之一可見光穿透孔，向該透光片140發射影像光線，並經由該透光片上設置的反射元件141，反射至該使用者之瞳孔D。上述反射元件141係為半穿透式反射膜片，能將入射的可見光以50%以上至90%以下比例反射。上述反射元件亦可為全反射鏡片，能將大於全反射角的入射可見光以90%以上比例反射。上述反射元件也可以是一小片金屬反射膜，能將入射可見光90%以上反射。

請參照「圖四」，另一種提供該擴增實境影像的方式是，將該影像模組200產生的二維影像訊號傳送至一設置在該透光片上的矩陣光源元件142，該矩陣光源元件142每個矩陣交點上發射出的單色光線、RGB三色光線或是RGBW三色光線加白光線，係直接投射至該使用者瞳孔D。舉例來說，有機發光二極體(OLED)或量子點(Quantum Dot)面板，係依矩陣交點布置於透光或半透光板上，除了矩陣交點上的電子元件及光源外，其他空間得以讓部分可見光穿透，例如：來自該可視區域的光線。

本創作之擴增實境面鏡，為了在不中斷使用者視野的情形下提供該使用者資訊或影像M，因此，不論是用上述反射元件141或是上述矩陣光源元件142，其出射之光線B1係沿著該使用者前方一公尺以上位置P所發射的相同路徑B2，聚焦於該使用者的視網膜。如此，該擴增實境影像M便能自然地存在於該可視區域Q中，並與該可視區域Q中出現的物體一同進入該使用者之視線中。

若本創作之擴增實境面鏡係用於固定行程，該控制模組可再包含：一計時排程單元，受該外感測器產生之訊號啟動計時，並於排定的時程播放該影像模組內建之影像。以潛水面鏡應用於娛樂或導覽行程舉例，該控制模組可透過上述水位偵測器計量入水5分鐘後，開始播放具娛樂效果的射擊遊戲影像；播放水下遺跡及沈船的導覽內容；以及播放當前海域可能出現的生物影像及資料。當上述固定行程係與周遭水深或氣壓有關時，該計時排程單元也能根據水深度偵測器或是氣壓偵測器，適當地播放導覽或是情境影像。

為了能在複雜的環境中傳遞聲音，本創作之擴增實境面鏡還包含：一聲音產生器700，裝置於該使用者的鼻骨或顴骨附近，利用頭骨傳導聲音至該使用者之內耳。如此，除了提供即時的影像外，本創作還能適時地提供情境音樂以及說明與導覽語音。

配戴防護面鏡時多半無法順利操作相機或攝影機，因此，本創作之擴增實境面鏡更包含：一相機模組600，電性連接該控制模組500，用以擷取該可視區域中部份二維影像以及2.5維影像至少其中之一。其中，該2.5維影像係根據雙鏡頭擷取影像的位移關係，或是另外送出偵測光點(例如：紅外線網點)，計算眼前物件之距離，故稱為2.5維影像(二維影像+景深數據)。配合該外感測器400，相機模組可以在固定時間、固定水深或是固定高度位置自動拍攝影像或是影片。

由於配戴面鏡時常有視角受阻以及操作周邊裝置的問題，該相機模組可使用大角度鏡頭，或是另增鏡頭用以拍攝該可視區域外之影像，並透過該影像模組即時呈現出來，例如：只要稍微低頭就能拍攝到使用者的腰帶以及腳上的扣環。如此，人們便可以自己整理自己的行裝以及安全設備，而不需要他人的協助。

當遇見某種生物時，可以即時拍攝上述二維影像或是2.5維影像，送至一生物辨識模組中套入影像分析程式，得出該種生物的特徵，並透過該影像模組顯示相關的生物資訊。

請參照「圖五」，上述影像分析程式能應用影像頻譜公式(e.g.Fourier Transformation)，得出特定的生物條紋C2或斑點特徵；套入魚類、鯨豚類、海葵珊瑚類或軟體動物類輪廓註記公式(image annotation)，計算出物種的輪廓註記C1特徵，例如：無頷、鏟頷或平頷C3等魚類輪廓註記特徵；應用色層統計公式，得出體色分布G4特徵；或是使用特定頻譜閃光燈比較生物體色變化特徵，例如：部分珊瑚蟲中的螢光單白(dronpa)會在488nm波長光照射下失去螢光功能，而在405nm波長光照射下又恢復綠色螢光。該生物辨識模組還包含：一生物資料庫，能就上述生物特徵進行比對，並提供該影像模組顯示相關的生物資訊。

為解決視線不佳的問題，本創作之擴增實境面鏡更包含：一影像增強模組，能將該相機模組拍攝到的前方影像轉換為較清晰之影像，並經由該影像模組呈現出來。以內建拜爾濾色鏡(Bayer Filter)的CMOS影像模組舉例，紅藍綠光甚至包含紅外光的感應陣列訊號傳送至訊號處理器(DSP)後，會進行真實演色比例合成(interpolation)影像。當本創作應用於水下環境中，訊號處理器(DSP)會根據太陽光在水下出現的色差，提供不同的合成比例(例如：較低的藍光比例配合較深的水層)。又，由於水下暗流溫度或鹽分不同所造成的折射率差異以及大片珊瑚產卵或底層微粒翻攪造成的眼前景象模糊不清，訊號處理器(DSP或MCU)還能提供特效處理程序，依照可能的折射率變化做像素位移的演算，或是使用低頻/高頻通過(low pass/high pass)的訊號處理程式，將眼前模糊不清的景象重新處理過再用該影像模組顯示出來。

該發光模組可由一第一發光單元以及一第二發光單元組成，且該第一發光單元與該第二發光單元各自有其開關控制其發光模式。該第一發光單元與該第二發光單元係使用同一種光源及同一功能的光學鏡片，也可使用不同種光源或是使用不同功能的光學鏡片，例如：不同顏色的光源、不同半光角的光學鏡片、遠光燈(spot light)以及泛光燈(flooding light)。當該第一發光單元與該第二發光單元的開關被同時操作時，該第一發光單元與該第二發光單元會有一段時間不受其控制；反之，該影像模組、該相機模組、該生物辨識模組以及該影像增強模組會在此段時間內受其控制，進行切換顯示、拍照、攝影、影像分析等功能性操作。

上述操作設計亦能以該發光模組300與該相機模組600的開關310、610實施：當該發光模組與該相機模組的開關被同時操作時，該發光模組300與該相機模組600會有一段時間不受各自的開關控制；反之，該影像模組、該相機模組、該生物辨識模組以及該影像增強模組會在此段時間內受其控制，進行切換顯示、拍照、攝影、影像分析等功能性操作。

本創作之擴增實境面鏡還包含：一動作感應器800，裝置於該本體上並朝該使用者瞳孔D，用以偵測該使用者的眨眼動作並電性連接至該控制模組500。除了確實利用眨眼動作送出基本的開關訊號外，該動作感應器亦能利用左右眼的眨眼連續動作，送出較複雜的操作訊號，用以控制該影像模組200、該相機模組600、該生物辨識模組以及該影像增強模組的操作。除此之外，該動作感應器800，還能根據失去意識時長期閉眼的狀態，送出求救訊號，例如：SOS的閃光訊號。

請參照「圖六」，除了提供面鏡使用者即時的資訊或影像外，本創作之擴增實境面鏡更可以包含：一無線傳輸模組，電性連接該控制模組500。如此，便可以與至少一外部接收裝置H1進行無線傳輸，上傳該外感測器的相關訊號，例如：水下深度G1與周遭氣壓隨時間變化的數值或地磁方位G2與加速方向的變化情形。當然也能，將該相機模組擷取之二維影像或是2.5維影像；該生物辨識模組分析出生物特徵；以及該影像增強模組轉換後的二維影像和物體輪廓一併上傳至上述外部接收裝置H1。

該無線傳輸模組還能與一外部控制裝置H2進行無線連線，接收該外部控制裝置發送之控制訊號，並據以調整該控制模組之設定。該發光模組亦能接收上述外部控制裝置的設定，變更其照明模式，例如：逐漸增加光強的時間間隔與光強的比例大小、逐漸改變光源顏色的顏色設定、或是接收該手部開關訊號以及該感測開關訊號後的模式切換方式。該相機模組、該生物辨識模組以及該影像增強模組也能接收上述外部控制裝置的控制訊號，進行相關參數的設定。為了讓一般使用者也能進行專業的參數設定與資料下載，上述外部接收裝置、上述外部控制裝置以及其合併裝置，例如：智慧型手機(H1、H2)或平板電腦，係透過簡化的圖形介面G3提供可能的參數組G5與使用者進行互動。

除此之外，前面介紹的導覽影片或語音，亦能透過該無線傳輸模組，配合不同的應用場域，從上述外部控制裝置，下載最新的導覽影片或語音。由於配戴面鏡時常有視角受阻以及操作周邊裝置的問題，利用本創作之擴增實境面鏡，周邊裝置所要顯示的內容係透過該無線傳輸模組傳送畫面至該影像模組，如此，便不會有找不到周邊裝置或是看不清楚螢幕等問題。使用者也不需要去尋找周邊裝置的操作按鍵，透過該無線傳輸模組以及該控制模組，便能直接操作周邊裝置。

上列詳細說明係針對本創作可行實施例之具體說明，惟實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。