WO2020116693A1 - 시야창이 확장된 증강현실 근안 디스플레이 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to augmented reality technology, and more particularly, to a NED (Near-Eye Display) for augmented reality.
  • NED Near-Eye Display
  • the NED using the existing small mirror can transmit the image of the display to the observer's eye through a simple structure as shown in FIG. 1.
  • the area occupied by the mirror in the entire area is very small, and the see-through property is very good, which is good for use in augmented reality.
  • the image of the display is visible to the observer due to the small area of the mirror, there is little blurring of the image due to the change in the focal length of the lens of the eye, which has a great advantage in displaying information in augmented reality.
  • this type of NED has a problem that the distance between the eye pupil and the mirror determines the field of view (FOV) of the image, and the FOV is essentially very small.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and the object of the present invention is a method for extending an angle of view that is essentially limited in a NED using a small mirror, which is a small element that constitutes a system. It is to provide an NED that moves the mirror according to the movement of the observer's pupil.
  • the display system is a transparent box; A display that is movable in a state opposite to one surface of the transparent box and displays an image; And a mirror that is movable within the transparent box and reflects an image displayed on the display.
  • the display system according to the present invention further includes a tracker that tracks the movement of the user pupil, and the mirror and the display may move in conjunction with the movement of the user pupil.
  • the position of the mirror may be located in a direction facing the pupil of the user.
  • the plane in which the display moves and the plane in which the mirror moves may be vertical.
  • the mirror is attached to the end of the rod that is moved by the linear stage, and can move in conjunction with the movement of the rod.
  • the mirror can be attached to a cross-section where the end of the rod is cut at a specific angle.
  • the rod may be made of the same material as the transparent box.
  • a transparent liquid may be filled.
  • the transparent liquid may be a liquid having the same refractive index as the rod and the transparent box.
  • an image display method comprising a step of moving a mirror provided in a transparent box and reflecting an image displayed on the display.
  • the transparent box Provided is a display system, which is movable within a transparent box and includes a mirror that reflects an image displayed on the display.
  • moving the mirror provided in the transparent box Provided is a video display method comprising a; moving mirror reflecting an image displayed on a display.
  • 1 is a side view of the NED using a conventional small mirror
  • Figure 2 is a front view of the NED using a conventional small mirror
  • NED 5 is a block diagram of the NED according to an embodiment of the present invention.
  • 6 is a geometry for calculating mirror tip and display movement.
  • the NED Near-Eye Display
  • Figure 3 shows a mirror tip 110 used to configure the NED according to an embodiment of the present invention.
  • the tip of the stick 111 made of a transparent material is cut at a desired angle and a small mirror 112 is attached to the cross section to attach the mirror tip. Used as (110).
  • FIG. 4 shows a method of making a glass part so that the functions of FIGS. 1 and 2 can be performed using the mirror tip 110.
  • the function to be implemented in FIG. 4 is to allow the mirror tip 110 to move freely while maintaining the shape of the mirror tip 110 without being noticeable and maintaining a see-through characteristic.
  • a transparent box 120 made of the same transparent material as the mirror tip 110 is prepared as shown in (a) of FIG. 4, and after the mirror tip 110 is inserted therein, the mirror as shown in FIG. 4 (b)
  • the index matching liquid 125 having the same refractive index as the transparent material used for the tip 110 is filled in the transparent box 120.
  • FIG. 5 is a block diagram of an NED according to an embodiment of the present invention.
  • the display 130 is placed under the transparent box 120 constructed by FIG. 4, and the eye tracker 140 tracks the movement of the observer pupil. That is, the display 130 is disposed in a state facing the lower surface of the transparent box 120.
  • the mirror tip 110 is driven by being attached to a linear stage (not shown) movable in the xy direction, and the display is driven by being attached to a linear stage (not shown) movable in the xz direction.
  • the mirror tip 110 and the display 130 are moved to an appropriate position by a linear stage in synchronization with the movement of the user pupil known by the eye tracker 140, and the display 130 fits the direction the user pupil views.
  • the video will be synchronized.
  • FIG. 6 is a view showing the geometry for calculating the coordinates that the mirror tip 110 and display 130 should move. It is said that there is a z-axis in the direction perpendicular to the transparent box 120, and the plane where the center of the mirror of the mirror tip 110 is present is defined as the xy plane.
  • the observer's gaze direction is in the z-axis direction
  • the observer's gaze is determined as the z-axis.
  • the coordinates of the center of the mirror are determined as follows.
  • the vector of ray in which the g vector is reflected from the mirror is determined as follows.
  • the x and z coordinates are determined as follows.
  • the mirror tip 110 and the display 130 may be moved according to the calculation of the above coordinates.
  • a NED that moves a small mirror, which is a core element of the system, according to the movement of the observer's pupil is presented.
  • the technical concept of the present invention can be applied to a display system composed of a transparent box 120 and a display 130 or a display system composed of a mirror tip 110 and a display 130.

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Abstract

작은 거울을 이용하는 NED에서는 근본적으로 제한될 수 밖에 없는 화각을 확장하기 위한 방안으로, 시스템을 구성하는 핵심 요소인 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여 주는 NED가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이 시스템은 투명 상자; 투명 상자의 일 면에 대향하는 상태로 이동 가능하며, 영상이 표시되는 디스플레이; 및 투명 상자 내에서 이동 가능하며, 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울;을 포함한다. 이에 의해, NED를 구성하는 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여 줌으로써, NED를 통해 제공되는 영상의 화각을 확장할 수 있게 된다.

Description

시야창이 확장된 증강현실 근안 디스플레이
본 발명은 증강현실 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 증강현실을 위한 NED(Near-Eye Display : 근안 디스플레이)에 관한 것이다.
기존의 작은 거울을 이용한 NED는 도 1에 도시된 바와 같이 간단한 구조를 통해 디스플레이의 영상을 관찰자의 눈에 전달할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 전체면적에서 거울이 차지하는 면적이 매우 작아 see-through 특성이 매우 좋아 증강현실에 활용하기 좋다. 특히 거울의 면적이 작아 디스플레이의 영상이 관찰자에게 보여질 때 눈의 수정체 초점거리 변화에 따른 영상의 blur가 거의 없어 증강현실에서 정보를 보여주는데 있어 큰 장점을 갖는다.
하지만, 이러한 방식의 NED는 eye pupil과 거울 사이의 거리가 영상의 FOV(Field of View : 시야창)를 결정하게 되고, 그 FOV가 근본적으로 매우 작게 될 수 밖에 없다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 작은 거울을 이용하는 NED에서는 근본적으로 제한될 수 밖에 없는 화각을 확장하기 위한 방안으로, 시스템을 구성하는 핵심 요소인 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여 주는 NED를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 디스플레이 시스템은 투명 상자; 투명 상자의 일 면에 대향하는 상태로 이동 가능하며, 영상이 표시되는 디스플레이; 및 투명 상자 내에서 이동 가능하며, 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울;을 포함한다.
본 발명에 따른 디스플레이 시스템은 사용자 동공의 움직임을 추적하는 추적기;를 더 포함하고, 거울과 디스플레이는, 사용자 동공의 움직임에 연동하여 이동하는 것일 수 있다.
거울의 위치는, 사용자 동공이 바라보는 방향에 위치할 수 있다.
디스플레이가 이동하는 평면과 거울이 이동하는 평면은, 수직한 것일 수 있다.
거울은, 리니어 스테이지에 의해 움직여지는 막대의 끝에 부착되어, 막대의 움직임에 연동하여 이동할 수 있다.
거울은, 막대의 끝을 특정 각도로 절단한 단면에 부착될 수 있다.
막대는, 투명 상자와 동일한 물질로 제작된 것일 수 있다.
투명 상자 안에는, 투명 액체가 채워져 있을 수 있다.
투명 액체는, 막대 및 투명 상자와 동일한 굴절률을 갖는 액체일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명 상자의 일 면에 대향하는 디스플레이를 이동 시키는 단계; 투명 상자 내에서 마련되어 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울을 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 디스플레이 방법이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 투명 상자; 투명 상자 내에서 이동 가능하며, 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템이 제공된다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 투명 상자 내에서 마련된 거울을 이동시키는 단계; 이동되는 거울이 디스플레이에 표시된 영상을 반사시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 디스플레이 방법이 제공된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, NED를 구성하는 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여 줌으로써, NED를 통해 제공되는 영상의 화각을 확장할 수 있게 된다.
도 1은 기존의 작은 거울을 이용한 NED의 측면 모습,
도 2는 기존의 작은 거울을 이용한 NED의 정면 모습,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 NED에 적용가능한 Mirror tip,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 NED에 적용가능한 transparent box의 제작 방법,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 NED의 구성도, 그리고,
도 6은 Mirror tip과 display 이동을 계산하기 위한 geometry이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 기존 기술의 좁은 화각을, 시스템을 구성하는 핵심 요소인 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여줌으로써 NED(Near-Eye Display : 근안 디스플레이)가 영상을 보여주는 영역을 확장할 수 있는 방안을 제시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 NED를 구성하기 위해 사용되는 mirror tip(110)을 보여준다. 본 발명의 실시예에 따른 NED에서는 작은 거울(112)을 이동이 용이하게 하기 위해 투명한 물질로 된 막대기(111)의 끝을 원하는 각도로 절단하고 그 단면에 작은 거울(112)을 부착하여 mirror tip(110)으로 사용한다.
도 4는 이러한 mirror tip(110)을 이용하여 도 1과 도 2의 기능을 할 수 있도록 glass 부분을 만드는 방법을 보여준다. 도 4에서 구현하고자 하는 기능은 mirror tip(110)이 자유롭게 이동할 수 있으면서도 mirror tip(110)의 형태가 눈에 띄지 않고 see-through 특성을 유지하도록 하는 것이다.
이를 위해서 도 4의 (a)와 같이 mirror tip(110)과 동일한 투명한 물질로 만든 transparent box(120)를 준비하고, 그 안에 mirror tip(110)을 넣은 후, 도 4의 (b)와 같이 mirror tip(110)에 사용된 투명 물질과 같은 굴절률(refractive index)를 갖는 index matching liquid(125)를 transparent box(120) 안에 채워넣는다.
그러면 최종적으로 도 4의 (c)와 같이 전체적인 형태는 도 1 및 도 2와 같이 투명 물질 안에 작은 거울(112) 만이 떠있는 것 같이 관찰자에게 인지되며, mirror tip(110)은 액체 안에서 자유롭게 움직일 수 있게 된다.
도 4에 도시된 방법으로 구현된 mirror tip(110)과 transparent box(120)를 이용한 전체 시스템의 구성을 도 5에 도시하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 NED의 구성도이다.
도 4에 의해 구성된 transparent box(120)의 아래에 display(130)가 놓여 있으며, eye tracker(140)가 관찰자 동공의 움직임을 추적한다. 즉, display(130)는 transparent box(120)의 하부 면에 대향하는 상태로 배치된다.
이 때, mirror tip(110)은 xy 방향으로 움직일 수 있는 linear stage(미도시)에 부착되어 구동되며, display는 xz 방향으로 움직일 수 있는 linear stage(미도시)에 부착되어 구동된다.
Mirror tip(110)과 display(130)는 eye tracker(140)에 의해 알려지는 사용자 동공의 움직임에 연동하여 linear stage에 의해 적절한 위치로 움직이게 되며, display(130)는 사용자 동공이 바라보는 방향에 맞는 영상을 동기화하여 보여주게 된다.
도 6은 mirror tip(110)과 display(130)가 이동하여야 하는 좌표를 계산하기 위한 geometry를 보여주는 도면이다. Transparent box(120)에 수직한 방향에 z축이 있다고 하고, mirror tip(110)의 거울의 중심이 존재하는 평면을 xy 평면으로 정한다.
이 때 관찰자의 시선(gaze direction)이 z축 방향일 때 관찰자의 시선을 z축으로 정한다. 사전에 적절한 calibration을 통해 관찰자 동공의 궤적의 반경 R과, 관찰자 동공의 회전 중심 (0, 0, d E)를 정하고, 동공의 움직임을 (
Figure PCTKR2018015486-appb-I000001
,
Figure PCTKR2018015486-appb-I000002
) 두 개의 각도로 표현한다.
이 때, 도 6의 아래쪽에 정의되어 있듯이
Figure PCTKR2018015486-appb-I000003
는 xz 평면에서 x축으로부터의 회전각도,
Figure PCTKR2018015486-appb-I000004
는 xz평면에서 해당 vector까지의 회전 각도를 의미한다. 따라서 eye tracker에 의해 계측된 관찰자 시선 vector를 g라 하면, 이는 아래와 같이 결정된다.
Figure PCTKR2018015486-appb-I000005
Mirror tip(110)의 거울의 중심은 항상 관찰자 시선 상에 있어야 하므로 거울 중심의 좌표는 아래와 같이 결정된다.
Figure PCTKR2018015486-appb-I000006
이 때 거울면의 법선벡터를 n이라 하면, g벡터가 거울에서 반사된 ray의 벡터는 아래와 같이 결정된다.
Figure PCTKR2018015486-appb-I000007
이 벡터의 연장선 상에 display(130)의 중심이 있어야 하므로, display(130) 중심의 y좌표가 -d D 일 때, x좌표 및 z좌표는 아래와 같이 결정된다.
Figure PCTKR2018015486-appb-I000008
Figure PCTKR2018015486-appb-I000009
위 좌표의 계산에 따라서 mirror tip(110) 및 display(130)를 이동시켜주면 된다.
지금까지, 시야창이 확장된 증강현실 근안 디스플레이에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에서는, 작은 거울을 이용하는 NED에서는 근본적으로 제한될 수 밖에 없는 화각을 확장하기 위한 방안으로, 시스템을 구성하는 핵심 요소인 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여 주는 NED를 제시하였다.
이에 의해, NED를 구성하는 작은 거울을 관찰자의 동공의 움직임에 맞추어 움직여 줌으로써, NED를 통해 제공되는 영상의 화각을 확장할 수 있게 된다.
한편, 위 실시예에서 제시한 NED 전부는 물론이고, NED의 구성들 중 일부만을 부분적으로 구현하는 것이 가능한데, 이 경우도 본 발명의 범주에 포함될 수 있다.
이를 테면, mirror tip(110)과 transparent box(120)로 구성되는 디스플레이 시스템을 구현하는 경우에도, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
나아가, transparent box(120)과 display(130)로 구성되는 디스플레이 시스템이나 mirror tip(110)과 display(130)로 구성되는 디스플레이 시스템의 경우에도, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (12)

  1. 투명 상자;
    투명 상자의 일 면에 대향하는 상태로 이동 가능하며, 영상이 표시되는 디스플레이; 및
    투명 상자 내에서 이동 가능하며, 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    사용자 동공의 움직임을 추적하는 추적기;를 더 포함하고,
    거울과 디스플레이는,
    사용자 동공의 움직임에 연동하여 이동하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    거울의 위치는,
    사용자 동공이 바라보는 방향에 위치하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    디스플레이가 이동하는 평면과 거울이 이동하는 평면은,
    수직한 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    거울은,
    리니어 스테이지에 의해 움직여지는 막대의 끝에 부착되어, 막대의 움직임에 연동하여 이동하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    거울은,
    막대의 끝을 특정 각도로 절단한 단면에 부착되는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    막대는,
    투명 상자와 동일한 물질로 제작된 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    투명 상자 안에는,
    투명 액체가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    투명 액체는,
    막대 및 투명 상자와 동일한 굴절률을 갖는 액체인 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  10. 투명 상자의 일 면에 대향하는 디스플레이를 이동 시키는 단계;
    투명 상자 내에서 마련되어 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울을 이동시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 디스플레이 방법.
  11. 투명 상자;
    투명 상자 내에서 이동 가능하며, 디스플레이에 표시된 영상을 반사하는 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 시스템.
  12. 투명 상자 내에서 마련된 거울을 이동시키는 단계;
    이동되는 거울이 디스플레이에 표시된 영상을 반사시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 디스플레이 방법.
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