能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目ar頭戴設(shè)備及景深調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙目AR頭戴設(shè)備的景深調(diào)節(jié)方法，在頭戴設(shè)備內(nèi)預(yù)置圖像顯示源上左右兩組有效顯示信息的等效中心距離dn與虛像距人眼距離Ln之間的映射關(guān)系；使用者通過(guò)頭戴設(shè)備看外界環(huán)境時(shí)，頭戴設(shè)備獲取目標(biāo)物到人眼的距離Dis；將Ln賦值為Dis，在距離映射關(guān)系δ中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯示信息的等效中心距離ds；以ds為等效中心間距，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示源上。相應(yīng)的，本發(fā)明還公開(kāi)了一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè)備，實(shí)現(xiàn)將虛擬信息精確疊加到人眼注視點(diǎn)位置附近，使虛擬信息與環(huán)境高度融合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)。
【專利說(shuō)明】
能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè)備及景深調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及頭戴顯示設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè) 備及其景深調(diào)節(jié)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著穿戴設(shè)備的興起，各種頭戴顯示設(shè)備成為各大巨頭公司的研發(fā)熱點(diǎn)，逐漸進(jìn) 入人們的視野。頭戴顯示設(shè)備是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality Technique，簡(jiǎn)稱AR) 的最佳運(yùn)用環(huán)境，其能將虛擬信息通過(guò)頭戴設(shè)備窗口呈現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中，但是目前多數(shù)現(xiàn) 有AR頭戴顯示設(shè)備，其AR信息疊加僅考慮與目標(biāo)位置X、Y軸坐標(biāo)的相關(guān)性，而未計(jì)算目標(biāo) 的深度信息，使得虛擬信息漂浮在人眼前方，與環(huán)境融合度不高，用戶體驗(yàn)度欠佳。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，也有在頭戴設(shè)備上調(diào)節(jié)景深的方法，大多都是采用機(jī)械方式調(diào)節(jié)光 學(xué)透鏡組的光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而改變光學(xué)原件像距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛像景深調(diào)節(jié)，這種方式使得頭戴 設(shè)備體積大、成本高且精度難控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè)備及其景深調(diào)節(jié)方 法，解決現(xiàn)有頭戴設(shè)備AR信息與環(huán)境融合度不高的問(wèn)題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種雙目AR頭戴設(shè)備的景深調(diào)節(jié)方法，所 述頭戴設(shè)備內(nèi)預(yù)置有距離映射關(guān)系S，所述距離映射關(guān)系δ為頭戴設(shè)備圖像顯示源上左 右兩組有效顯示信息的等效中心距離dn與有效顯示信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成虛像距人眼距離 Ln之間的映射關(guān)系；使用者通過(guò)頭戴設(shè)備看外界環(huán)境時(shí)，頭戴設(shè)備獲取目標(biāo)物到人眼的距 離Dis;將Ln賦值為Dis，在距離映射關(guān)系δ中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯示信息 的等效中心距離ds ;以ds為等效中心間距，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右 顯示在圖像顯示源上。
[0006] 優(yōu)選的，所述方法還包括：預(yù)設(shè)左側(cè)/右側(cè)圖像顯示源上虛擬信息的顯示位置，根 據(jù)得到的等效中心間距ds計(jì)算右側(cè)/左側(cè)虛擬信息的顯示位置。
[0007] 優(yōu)選的，以ds為等效中心間距，以指定點(diǎn)為等效中心對(duì)稱點(diǎn)，將需顯示的虛擬信 息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示源上。
[0008] 優(yōu)選的，所述頭戴設(shè)備通過(guò)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)或景深攝像機(jī)獲得目標(biāo)物到人眼的 距離Dis。
[0009] 優(yōu)選的，所述頭戴設(shè)備通過(guò)視線追蹤系統(tǒng)檢測(cè)人眼注視目標(biāo)物時(shí)空間視線信息數(shù) 據(jù)，計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離Dis。
[0010] 優(yōu)選的，所述頭戴設(shè)備通過(guò)攝像機(jī)成像比例計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離Di s。
[0011] 優(yōu)選的，所述距離映射關(guān)系S為如下關(guān)系：
[0013] 其中，D。為使用者瞳距，L 雙目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離，L為圖像顯示源距 光學(xué)系統(tǒng)鏡組的距離，f為光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距，d。為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的等效光軸間 距。
[0014] 相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè)備，包括光學(xué)系統(tǒng)、 圖像顯示源、距離數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)存儲(chǔ)有距離映射關(guān)系S， 所述距離映射關(guān)系δ為頭戴設(shè)備圖像顯示源上左右兩組有效顯示信息的等效中心距離dn 與有效顯示信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成虛像距人眼距離Ln之間的映射關(guān)系；使用者通過(guò)頭戴設(shè) 備光學(xué)系統(tǒng)看外界環(huán)境時(shí)，距離數(shù)據(jù)采集模塊獲取可計(jì)算目標(biāo)物到人眼距離Dis的數(shù)據(jù)， 并將這些數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)距離數(shù)據(jù)采集模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算 Dis，并將Dis賦值予Ln，在距離映射關(guān)系δ中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯示信息的 等效中心距離ds ;數(shù)據(jù)處理模塊控制圖像顯示源，以ds為等效中心間距，以指定點(diǎn)為等效 中心對(duì)稱點(diǎn)，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示源上。
[0015] 優(yōu)選的，所述距離數(shù)據(jù)采集模塊為單個(gè)攝像機(jī)、雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)、景深攝像機(jī)、 視線追蹤系統(tǒng)中的一種。
[0016] 優(yōu)選的，所述距離映射關(guān)系δ為如下關(guān)系：
[0018] 其中，D。為使用者瞳距，L 雙目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離，L為圖像顯示源距 光學(xué)系統(tǒng)鏡組的距離，f為光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距，d0為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的等效光軸間 距。
[0019] 本發(fā)明根據(jù)"虛擬畫(huà)面距離人眼的距離Ln等于目標(biāo)距使用者的垂直距離dis時(shí)， 虛擬畫(huà)面與目標(biāo)物即具有一致的空間位置"這一理論，實(shí)現(xiàn)將虛擬信息精確疊加到人眼注 視點(diǎn)位置附近，使虛擬信息與環(huán)境高度融合，實(shí)現(xiàn)真正意義上的增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)。本發(fā)明方案 簡(jiǎn)單，在頭戴設(shè)備內(nèi)預(yù)置離映射關(guān)系S的前提下，只需要獲取目標(biāo)物到人眼的距離即可， 而該距離測(cè)試方式多樣，可通過(guò)雙目測(cè)距，景深攝像頭等實(shí)現(xiàn)，硬件技術(shù)成熟，可靠性高且 成本低。傳統(tǒng)景深調(diào)節(jié)均是從改變光學(xué)原件像距入手，本發(fā)明打破傳統(tǒng)思維，不改變光學(xué)器 件結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)圖像顯示源上左右兩組有效顯示信息的等效中心距離實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)景深，具 有開(kāi)創(chuàng)性，且相比改變光學(xué)焦距，更具有實(shí)用性。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可 以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖：
[0021] 圖1為人眼空間視線路徑示意圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例雙目AR頭戴設(shè)備的景深調(diào)節(jié)方法流程示意圖；
[0023] 圖3為透鏡成像原理圖一；
[0024] 圖4為透鏡成像原理圖二；
[0025] 圖5為攝像頭成像示意圖；
[0026] 圖6為頭戴顯不設(shè)備光學(xué)模塊布局方式一不意圖；
[0027] 圖7為圖6的圖像源有效顯示信息等效中心距離示意圖；
[0028] 圖8為頭戴顯示設(shè)備光學(xué)模塊布局方式二示意圖；
[0029] 圖9為圖8的圖像源有效顯示信息等效中心距離示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；?本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0031] 本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)：當(dāng)人眼（0L 0R)注視不同空間區(qū)域的目標(biāo)物時(shí)，左右眼（0L 0R)的視線矢量是不一樣的，圖1中A/B/C/D分別代表空間中不同方位的目標(biāo)物，當(dāng)我們觀 察（注視）其中某一個(gè)目標(biāo)物，如注視目標(biāo)物A，左右眼的視線方向分別為0LA/0RA代表的 空間矢量；注視目標(biāo)物B，左右眼的視線方向分別為0LB/0RB代表的空間矢量。知道了注視 某一目標(biāo)物（如A)時(shí)左右眼的視線空間向量，可計(jì)算出目標(biāo)物A距離人眼的距離。
[0032] 設(shè)定：注視某一目標(biāo)物（如A)時(shí)人眼的左右視線矢量在使用者坐標(biāo)系內(nèi)左 矢量L表示為（Lx，Ly，Lz，La，Li3，Ly)，其中（Lx，Ly，Lz)為左矢量上的一點(diǎn)坐標(biāo)， (La，L0，Ly)為左矢量的方向角；同理右矢量R可表示為（Rx，Ry，Rz，Ra，R0，R y);
[0033] 根據(jù)空間解析學(xué)方法，可求解得到注視點(diǎn)（目標(biāo)A)距使用者的垂直距離dis :
[0035] 在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備領(lǐng)域，佩戴者通過(guò)雙目頭戴設(shè)備左右眼分別觀察到左右兩幅 虛擬圖像，當(dāng)左眼觀察左側(cè)虛擬圖像的視線與右眼觀察右側(cè)虛擬圖像的視線在空間區(qū)域相 匯，雙目觀察到的將是一幅重疊的并距觀察者一定距離的虛擬畫(huà)面，此虛擬畫(huà)面距離人眼 的距離Ln是由左右虛擬圖像分別與左右眼構(gòu)成的空間視線矢量決定的。當(dāng)虛擬畫(huà)面距離 人眼的距離Ln等于目標(biāo)距使用者的垂直距離dis時(shí)，虛擬畫(huà)面與目標(biāo)物即具有一致的空間 位置。
[0036] 發(fā)明人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：左右眼構(gòu)空間視線矢量是由其觀看的目標(biāo)所決定，因此在雙 目頭戴設(shè)備上，左右兩組有效顯示信息的等效中心距離又可以決定用戶左右眼構(gòu)成的空 間視線矢量，因此雙目頭戴設(shè)備中虛像的投影距離Ln與頭戴設(shè)備圖像源上左右兩組有效 顯不?目息的等效中心距尚存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，本發(fā)明實(shí)施例稱這一映射關(guān)系為：距尚映射關(guān)系 S，所述距離映射關(guān)系δ為頭戴設(shè)備圖像顯示源上左右兩組有效顯示信息的等效中心距 離dn與有效顯示信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成虛像的投影距離Ln之間的映射關(guān)系。
[0037] 所述距離映射關(guān)系δ可以為一個(gè)公式、也可以為離散數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系、還可以為一 個(gè)投影距離范圍對(duì)應(yīng)一個(gè)等效中心間距。
[0038] 距離映射關(guān)系δ可通過(guò)多種方式獲得，如通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，其在出廠前存儲(chǔ)于 頭戴設(shè)備內(nèi)，后面將舉例介紹一種距離映射關(guān)系S獲得方式。
[0039] 由于本發(fā)明實(shí)施例提到了等效中心間距，下面對(duì)其進(jìn)行定義：
[0040] 等效光軸：以人眼為出瞳的目視光學(xué)系統(tǒng)采用逆向光路設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，以過(guò)出瞳中 心且垂直于出瞳面的軸線為等效光軸；
[0041] 等效圖象源顯示屏：在以人眼為出瞳的目視光學(xué)系統(tǒng)中，逆向追跡一過(guò)光軸的光 線，即此光線過(guò)出瞳中心且垂直于出瞳面，當(dāng)此光線第一次與光學(xué)面相交時(shí)，在相交點(diǎn)處做 一與此光學(xué)面相切的平面，此光學(xué)面之后的未追跡過(guò)的光學(xué)面以此平面為鏡面展開(kāi)（即以 此平面為鏡面，獲得此光學(xué)面之后的未追跡過(guò)的光學(xué)面的對(duì)稱像），在展開(kāi)后的光學(xué)系統(tǒng) 中，在未追跡過(guò)的光學(xué)面組成的系統(tǒng)中繼續(xù)追跡此光線；當(dāng)此光線第二次與光學(xué)面相交時(shí)， 在相交點(diǎn)處做一與此光學(xué)面相切的平面，此光學(xué)面之后的未追跡過(guò)的光學(xué)面以此平面為鏡 面展開(kāi)，如此依次展開(kāi)直至最后一面，至此可獲得展開(kāi)后的圖象源顯示屏的對(duì)稱像，此對(duì)稱 像為等效圖象源顯示屏。
[0042] 定義左右兩組等效顯示屏上有效顯示信息的中心距離為等效中心距離dn。本領(lǐng)域 技術(shù)人員可以理解，圖像顯示屏左右顯示的信息需要能夠疊加，必須使左右兩組等效顯示 屏上有效顯示信息的中心點(diǎn)連線與0S軸垂直，因此本發(fā)明提到的等效中心距離dn，均指與 左右中心點(diǎn)連線與0S軸垂直情況下的間距。
[0043] 參見(jiàn)圖6~圖9,若頭戴顯示光學(xué)模塊采用圖6所示的布局（圖像顯示源1位于人 眼上方，圖像顯示源1發(fā)出的光線經(jīng)放大系統(tǒng)2后，由可透可反鏡3反射入人眼4)，則放大 系統(tǒng)的等效中心距d。，圖像源有效顯示信息等效中心距dn參見(jiàn)圖7所示，其中11、12為左 右圖像顯示源，21、21我左右放大系統(tǒng)，D為瞳距；若頭戴顯示光學(xué)模塊采用圖8所示的布 局（圖像顯示源11、12位于人眼兩側(cè)）則放大系統(tǒng)的等效中心距d。，圖像源有效顯示信息 等效中心距dn參見(jiàn)圖9所示。
[0044] 實(shí)施例1 :
[0045] 參見(jiàn)圖2,為本發(fā)明實(shí)施例雙目AR頭戴設(shè)備的景深調(diào)節(jié)方法流程示意圖，本實(shí)施 例方法需要預(yù)選在頭戴設(shè)備內(nèi)預(yù)置距離映射關(guān)系I所述距離映射關(guān)系S可以為一個(gè)公 式、也可以為離散數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系、還可以為一個(gè)投影距離范圍對(duì)應(yīng)一個(gè)等效中心間距，距離 映射關(guān)系S獲得方法將在后面段落進(jìn)行舉例描述。本發(fā)明實(shí)施例雙目AR頭戴設(shè)備的景深 調(diào)節(jié)方法包括如下步驟：
[0046] S101:使用者通過(guò)頭戴設(shè)備看外界環(huán)境時(shí)，頭戴設(shè)備獲取目標(biāo)物到人眼的距離 Dis ;距離Dis獲取方式可以為多種方式，在此不做限定；
[0047] S102 :將Ln賦值為Dis，在距離映射關(guān)系δ中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯 示信息的等效中心距離ds ;
[0048] S103 :以ds為等效中心間距，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示 在圖像顯示源上。
[0049] 本步驟中，左右虛擬信息的顯示位置可以通過(guò)兩種方式確定：1)預(yù)設(shè)左側(cè)/右側(cè) 圖像顯示源上虛擬信息的顯示位置，根據(jù)得到的等效中心間距ds計(jì)算右側(cè)/左側(cè)虛擬信息 的顯示位置；例如：預(yù)設(shè)左側(cè)虛擬信息中心點(diǎn)坐標(biāo)為：( Xl，yi)，則可計(jì)算右側(cè)虛擬信息中心 點(diǎn)位置為：(XpyJ = (Xi+ds^i) ;2)以指定點(diǎn)為等效中心對(duì)稱點(diǎn)，然后根據(jù)ds可計(jì)算左右 虛擬信息的顯示位置，例如：若以左右兩部分圖像源的等效對(duì)稱軸0S與左右兩部分圖像源 的中心點(diǎn)連線交點(diǎn)為等效中心對(duì)稱點(diǎn)，則虛像會(huì)顯示在人眼正前方；若以該點(diǎn)一定偏移為 等效中心對(duì)稱點(diǎn)，則虛像也相對(duì)于人眼正前方有一定偏移。
[0050] 所述距離映射關(guān)系δ可以為如下關(guān)系：
[0052] 其中，D。為使用者瞳距，L 雙目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離，L為圖像顯示源距 光學(xué)系統(tǒng)鏡組的距離，f為光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距，d。為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的等效光軸間 距。當(dāng)頭戴設(shè)備結(jié)構(gòu)固定后，D。、Lp L、f、d。通常會(huì)為固定值，此時(shí)Ln就僅與dn相關(guān)。
[0053] 在步驟S101中，頭戴設(shè)備獲取目標(biāo)物到人眼的距離Dis可采用如下4種方法之
[0054] 方法1 :頭戴設(shè)備通過(guò)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)獲得目標(biāo)物到人眼的距離Dis ;
[0055] 雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)利用視差原理測(cè)距，雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)可以為兩個(gè)焦距相同的 攝像機(jī)或一運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)，目標(biāo)物距人眼距離Dis用以下公式計(jì)算：
[0057] 其中，h為攝像機(jī)距人眼距離，Z為目標(biāo)物距攝像機(jī)距離，T為基線距，f為攝像機(jī) 焦距，Λ f分別為目標(biāo)物在左圖像和右圖像中的X坐標(biāo)。
[0058] 方法2 :頭戴設(shè)備通過(guò)景深攝像機(jī)獲得目標(biāo)物到人眼的距離Dis ;
[0059] 景深的計(jì)算可用如下公式表示：
[0060] 前景深Λ LI = F δ L2Af2+F δ L)
[0061] 后景深Λ L2 = F δ L2Af2_F δ L)
[0062] 景深Λ L = Λ L1+ Λ L2 = 2f2F δ L2Af4_F2 δ 2L2)
[0063] 其中δ是允許彌散圓直徑；f是鏡頭焦距；F是光圈值；L是對(duì)焦距離；AL即為我 們需要的Dis。
[0064] 方法3 :頭戴設(shè)備通過(guò)視線追蹤系統(tǒng)檢測(cè)人眼注視目標(biāo)物時(shí)空間視線信息數(shù)據(jù)， 計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離Dis，參見(jiàn)圖1及公式1. 1。
[0065] 方法4:頭戴設(shè)備通過(guò)攝像機(jī)成像比例計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離Dis，這種方法需 要預(yù)先將目標(biāo)物實(shí)際尺寸入庫(kù)，然后采用攝像機(jī)拍攝包含目標(biāo)物的圖像，計(jì)算目標(biāo)物在拍 攝圖像中的像素尺寸；用拍攝圖像到數(shù)據(jù)庫(kù)檢索得到目標(biāo)物入庫(kù)的實(shí)際尺寸；然后用拍攝 圖像尺寸與實(shí)際尺寸計(jì)算出Dis。參見(jiàn)圖5,為攝像頭成像示意圖，AB為物，A' B'為像，記 物距0B為u，像距OB'為V，令物長(zhǎng)AB =，像長(zhǎng)A' B' =，則由三角形相似關(guān)系可得：
[0068] 當(dāng)攝像頭焦距固定時(shí)，根據(jù)上式即可計(jì)算出物距。本實(shí)施例中：目標(biāo)物到人眼的距 離即為物距，目標(biāo)物體的實(shí)際尺寸即為物長(zhǎng)，目標(biāo)物的像素尺寸即為像長(zhǎng)。像距V由攝像頭 內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)確定，攝像頭光學(xué)結(jié)構(gòu)確定后，像距V即為定值。
[0069] 實(shí)施例2 :
[0070] 本發(fā)明實(shí)施例提供一種能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè)備，包括光學(xué)系統(tǒng)、圖像 顯示源、距離數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，光學(xué)系統(tǒng)包括一個(gè)或若干透鏡，用戶透過(guò)光學(xué) 系統(tǒng)可以同時(shí)看見(jiàn)真實(shí)的外界環(huán)境和圖像顯示源上顯示的虛擬信息；數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)存儲(chǔ) 有距離映射關(guān)系S，所述距離映射關(guān)系δ為頭戴設(shè)備圖像顯示源上左右兩組有效顯示信 息的等效中心距離dn與有效顯示信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成虛像距人眼距離Ln之間的映射關(guān) 系；距離映射關(guān)系S中的等效中心距離dn范圍為[0, d0]，d0為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的 光軸的等效距離，可以表示為公式1.2;所述距離映射關(guān)系δ可以為如下關(guān)系：
[0072] 其中，D。為使用者瞳距，L 雙目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離，L為圖像顯示源距 光學(xué)系統(tǒng)鏡組的距離，f為光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距，d。為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的等效光軸間 距。當(dāng)頭戴設(shè)備結(jié)構(gòu)固定后，D。、Lp L、f、d。通常會(huì)為固定值，此時(shí)Ln就僅與dn相關(guān)。
[0073] 使用者通過(guò)頭戴設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)看外界環(huán)境時(shí)，距離數(shù)據(jù)采集模塊獲取可計(jì)算目標(biāo) 物到人眼距離Dis的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊；所述距離數(shù)據(jù)采集模塊可 以為單個(gè)攝像機(jī)、雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)、景深攝像機(jī)、視線追蹤系統(tǒng)中的一種。當(dāng)距離數(shù)據(jù)采 集模塊為單個(gè)攝像機(jī)時(shí)，通過(guò)攝像機(jī)成像比例計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離Dis;當(dāng)距離數(shù)據(jù) 采集模塊為雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)，利用視差原理測(cè)距的方法，可獲得目標(biāo)物到人眼的距離 Dis ;當(dāng)距離數(shù)據(jù)采集模塊為視線追蹤系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)前述公式1. 1計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離 Dis ;景深攝像機(jī)能直接測(cè)得目標(biāo)物到人眼的距離Dis。
[0074] 數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)距離數(shù)據(jù)采集模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算Dis，并將Dis賦值予Ln，在 距離映射關(guān)系S中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯示信息的等效中心距離ds;
[0075] 數(shù)據(jù)處理模塊控制圖像顯示源，以ds為等效中心間距，以指定點(diǎn)為等效中心對(duì)稱 點(diǎn)，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示源上，若以0S與圖像顯 示源左右中心點(diǎn)連線的交點(diǎn)為等效中心對(duì)稱點(diǎn)，則虛像會(huì)顯示在人眼正前方；若以該交點(diǎn) 一定偏移為等效中心對(duì)稱點(diǎn)，則虛像也相對(duì)于人眼正前方有一定的偏移。
[0076] 本發(fā)明實(shí)施例所提到的距離映射關(guān)系可以為一個(gè)公式、也可以為離散數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān) 系、還可以為一個(gè)投影距離范圍對(duì)應(yīng)一個(gè)等效中心間距，為了更清楚的說(shuō)明本發(fā)明，下面舉 例介紹一種距離映射關(guān)系S的獲得方式：
[0077] 光學(xué)系統(tǒng)由若干透鏡組成，根據(jù)物理光學(xué)理論，透鏡的成像本領(lǐng)是透鏡對(duì)入射光 波的位相產(chǎn)生調(diào)制作用的結(jié)果；參見(jiàn)圖3,設(shè)一點(diǎn)物S在距離透鏡有限遠(yuǎn)距離，透鏡對(duì)點(diǎn)物 S發(fā)出的發(fā)散球面波進(jìn)行調(diào)制，S發(fā)出的發(fā)散球面波在透鏡前平面上的場(chǎng)分布，取傍軸近似 為：
[0079] 球面波通過(guò)透鏡后的場(chǎng)分布為：
[0083] 上式表示一個(gè)向距透鏡為（-1'）的平面上的丨虛像點(diǎn)發(fā)散的球面 波。
[0084] 如圖1所示，當(dāng)人眼（0L 0R)注視不同空間區(qū)域的目標(biāo)物時(shí)，左右眼（0L 0R)的視 線矢量是不一樣的，圖中A/B/C/D分別代表空間中不同方位的目標(biāo)物，當(dāng)我們觀察（注視） 其中某一個(gè)目標(biāo)物，如注視目標(biāo)物A，左右眼的視線方向分別為0LA/0RA代表的空間矢量； 注視目標(biāo)物B，左右眼的視線方向分別為0LB/0RB代表的空間矢量；根據(jù)空間解析學(xué)，由左 右眼的視線矢量可獲得注視點(diǎn)距離雙目的垂直距離及空間視角。
[0085] 參見(jiàn)圖4,設(shè)理想鏡組的焦距f，以，S2)為物面上一對(duì)點(diǎn)物，Sd S2之間的距離L，點(diǎn) 物Sd S2到鏡組的物方主面Η的距離，即物距，為L(zhǎng)，兩組理想鏡組等效光軸間距為d。，使用 者的瞳距為D。，（S' d S' 2)為物點(diǎn)（Si，S2)經(jīng)理想透鏡組后在虛像面上對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)，根據(jù)物理 光學(xué)理論，物點(diǎn)出的發(fā)散球面波經(jīng)鏡組調(diào)制后為距鏡組像方主面H'距離L'的像面上 的虛點(diǎn)S' i發(fā)出的發(fā)散球面波；物點(diǎn)S 2發(fā)出的發(fā)散球面波經(jīng)鏡組調(diào)制后為距鏡組像方主面 H'距離L'的像面上的虛點(diǎn)S'2發(fā)出的發(fā)散球面波；當(dāng)雙目通過(guò)鏡組觀察物點(diǎn)S JP S 2時(shí)， 相當(dāng)于雙目分別觀察的是距雙目距離為（L'+U平面上的虛像點(diǎn)S'1WS' 2，根據(jù)上述的人眼 視覺(jué)理論，雙目看到的將會(huì)是虛像點(diǎn)S'，虛像點(diǎn)S'是由eK S' i確定的空間矢量和由e 2、S' 2 確定的空間矢量的交叉點(diǎn)；虛像點(diǎn)S'距雙目的距離Ln:
[0086] 由光學(xué)和空間幾何學(xué)理論，可推導(dǎo)出虛點(diǎn)S'距雙目的距離Ln與使用者瞳距D。，左 右鏡組等效光軸間距d。,物面上物點(diǎn)間距dn,鏡組焦距f,物面距離鏡組距離（物距）L,雙目 距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離Q之間的關(guān)系：
[0088] 根據(jù)以上關(guān)系式，改變其中一個(gè)或若干個(gè)物理量，就可以改變虛點(diǎn)S'距離雙目的 距離。在雙目頭戴設(shè)備中，圖像顯示屏即為物面，當(dāng)頭戴設(shè)備結(jié)構(gòu)固定后，使用者瞳距D。、雙 目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離L1、圖像顯示源距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的距離L、兩組光學(xué)系統(tǒng)的 等效光軸間距dO以及光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距f通常會(huì)為固定值，此時(shí)虛像距人眼距離Ln就僅 與左右兩組有效顯示信息的等效中心距離dn相關(guān)。
[0089] 除了上述理論公式外，距離映射關(guān)系δ還可以通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得到，例如多 個(gè)測(cè)試者測(cè)試看多個(gè)遠(yuǎn)近不同的目標(biāo)物，并調(diào)節(jié)左右兩組有效顯示信息的等效中心距離 dn，使虛像疊加到目標(biāo)物深度，記錄此時(shí)的dn，然后后多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合一個(gè)公式或則一 組離散數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系形成距離映射關(guān)系S。
[0090] 本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥 的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0091] 本說(shuō)明書(shū)（包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖）中公開(kāi)的任一特征，除非特別敘 述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個(gè)特征只 是一系列等效或類似特征中的一個(gè)例子而已。
[0092] 本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的 新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種雙目AR頭戴設(shè)備的景深調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述頭戴設(shè)備內(nèi)預(yù)置有距離映 射關(guān)系S，所述距離映射關(guān)系δ為頭戴設(shè)備圖像顯示源上左右兩組有效顯示信息的等效 中心距離dn與有效顯示信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成虛像距人眼距離Ln之間的映射關(guān)系； 使用者通過(guò)頭戴設(shè)備看外界環(huán)境時(shí)，頭戴設(shè)備獲取目標(biāo)物到人眼的距離Dis ; 將Ln賦值為Dis，在距離映射關(guān)系δ中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯示信息的等 效中心距離ds ; 以ds為等效中心間距，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示 源上。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述頭戴設(shè)備通過(guò)雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)或景 深攝像機(jī)獲得目標(biāo)物到人眼的距離Dis。3. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述頭戴設(shè)備通過(guò)視線追蹤系統(tǒng)檢測(cè)人眼 注視目標(biāo)物時(shí)空間視線信息數(shù)據(jù)，計(jì)算目標(biāo)物到人眼的距離Dis。4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述頭戴設(shè)備通過(guò)攝像機(jī)成像比例計(jì)算目 標(biāo)物到人眼的距離Dis。5. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括：預(yù)設(shè)左側(cè)/右 側(cè)圖像顯示源上虛擬信息的顯示位置，根據(jù)得到的等效中心間距ds計(jì)算右側(cè)/左側(cè)虛擬信 息的顯示位置。6. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，以ds為等效中心間距，以指定點(diǎn) 為等效中心對(duì)稱點(diǎn)，將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示源上。7. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述距離映射關(guān)系δ為如下關(guān) 系：其中，D。為使用者瞳距，L 雙目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離，L為圖像顯示源距光學(xué) 系統(tǒng)鏡組的距離，f為光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距，d。為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的等效光軸間距。8. -種能自動(dòng)調(diào)節(jié)景深的雙目AR頭戴設(shè)備，其特征在于，包括光學(xué)系統(tǒng)、圖像顯示源、 距離數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)存儲(chǔ)有距離映射關(guān)系S，所述距離映 射關(guān)系S為頭戴設(shè)備圖像顯示源上左右兩組有效顯示信息的等效中心距離dn與有效顯示 信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所成虛像距人眼距離Ln之間的映射關(guān)系； 使用者通過(guò)頭戴設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)看外界環(huán)境時(shí)，距離數(shù)據(jù)采集模塊獲取可計(jì)算目標(biāo)物到 人眼距離Dis的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理模塊； 數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)距離數(shù)據(jù)采集模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算Dis，并將Dis賦值予Ln，在距離 映射關(guān)系S中獲取與Dis對(duì)應(yīng)的左右兩組有效顯示信息的等效中心距離ds; 數(shù)據(jù)處理模塊控制圖像顯示源，以ds為等效中心間距，以指定點(diǎn)為等效中心對(duì)稱點(diǎn)， 將需顯示的虛擬信息的信息源圖像，分別左右顯示在圖像顯示源上。9. 如權(quán)利要求8所述的頭戴設(shè)備，其特征在于，所述距離數(shù)據(jù)采集模塊為單個(gè)攝像機(jī)、 雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)、景深攝像機(jī)、視線追蹤系統(tǒng)中的一種。10. 如權(quán)利要求9所述的頭戴設(shè)備，其特征在于，所述距離映射關(guān)系δ為如下關(guān)系：其中，D。為使用者瞳距，L 雙目距光學(xué)系統(tǒng)鏡組的等效距離，L為圖像顯示源距光學(xué) 系統(tǒng)鏡組的距離，f為光學(xué)系統(tǒng)鏡組焦距，d。為頭戴設(shè)備兩組光學(xué)系統(tǒng)的等效光軸間距。
【文檔編號(hào)】G02B27/01GK105866949SQ201510029819
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月21日
【發(fā)明人】黃琴華, 宋海濤
【申請(qǐng)人】成都理想境界科技有限公司