一种虚拟现实系统、主机及头戴式显示设备的制作方法

本实用新型涉及虚拟现实技术领域，尤其涉及一种虚拟现实系统和用于该系统的主机和头戴式显示设备。

背景技术：

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是近年来出现的高新技术，也称灵境技术(我国著名科学家钱学森翻译)。虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。

VR系统可以分为头戴式显示设备(简称头显)与主机结合的系统以及头显与主机分离的系统。前者包括基于手机的VR系统(例如，三星Gear VR)，及VR一体机(例如，大朋VR一体机)，后者包括使用PC VR 头显(例如，Oculus Rift和HTC Vive)的VR系统。

头显与主机结合的VR系统无需连线，使用方便，但受限于移动平台中央处理器(CPU)的处理能力，无法提供高端的VR体验。头显与主机分离的系统可以使用有强大处理能力的主机，能够支持复杂的VR内容，提供非常好的图像渲染质量。

但是，头显与主机分离的系统中的头显与主机为有线连接。用户要么需要使用非移动式主机，拖线使用，使用范围受限，影响用户体验；要么需要背负非常昂贵的便携主机，增加系统成本，使得虚拟现实技术在普通的低收入人群中普及受限。

因此，仍然需要一种能够解决上述问题的方案。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种虚拟现实系统、主机及头戴式显示设备，其中，主机与头戴式显示设备分离，并且主机与头戴式显示设备之间通过无线连接的方式进行数据传输，使得系统既可以保有独立主机强大的处理能力，又不受连线的束缚，提高了使用的方便程度，为用户提供最佳的VR体验。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种虚拟现实系统，该系统可以包括主机和头戴式显示设备，主机用于向头戴式显示设备提供需要显示的图像数据，头戴式显示设备包括显示器，用于显示图像数据。主机可以包括第一无线传输装置，用于以无线传输的方式向头戴式显示设备发送图像数据。头戴式显示设备还可以包括第二无线传输装置，连接到显示器，用于以无线传输的方式接收来自主机的图像数据。

优选地，主机还可以包括数据压缩器，连接到第一无线传输装置，用于对图像数据进行压缩，其中第一无线传输装置向头戴式显示设备发送经过压缩的图像数据。头戴式显示设备还包括数据解压缩器，连接在第二无线传输装置和显示器之间，用于将第二无线传输装置接收的经过压缩的图像数据解压缩，以便向显示器提供解压缩后的图像数据。

优选地，头戴式显示设备还可以包括传感器，连接到第二无线传输装置，用于实时感测头戴式显示设备的姿态数据，基于姿态数据能够得到用户的视角，第二无线传输装置还用于将第一时刻的姿态数据或视角发送给主机，第一无线传输装置还用于接收第一时刻的姿态数据或视角。主机还可以包括渲染部件，连接到第一无线传输装置，用于渲染与基于第一时刻的姿态数据得到的用户在第一时刻的视角对应的场景内容，得到需要显示的第一时刻的图像数据。

优选地，头戴式显示设备还可以包括：存储器，用于存储第一时刻的图像数据；以及图像处理器，连接到传感器、存储器和显示器，用于基于用户从第一时刻到第二时刻的视角变化，对存储器中存储的第一时刻的图像数据进行投影变换，以得到对应于用户在第二时刻的视角的第二时刻的图像数据，并将第二时刻的图像数据提供给显示器。

优选地，姿态数据包括头戴式显示设备的位置、方向、加速度、角速度和姿态信息中的至少一个；并且/或者无线传输方式可以包括WiFi、蓝牙、UWB、ZigBee中任何一种。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种用于虚拟现实系统的主机，用于向头戴式显示设备提供需要显示的图像数据，主机可以包括：第一无线传输装置，用于以无线传输的方式向头戴式显示设备发送图像数据。

优选地，主机还可以包括：数据压缩器，连接到第一无线传输装置，用于对图像数据进行压缩，其中第一无线传输装置向头戴式显示设备发送经过压缩的图像数据。以及/或者渲染部件，连接到第一无线传输装置，用于渲染与用户在第一时刻的视角对应的场景内容，得到需要显示的第一时刻的图像数据。

根据本实用新型的又一方面，提供了一种用于虚拟现实系统的头戴式显示设备，包括：显示器，用于显示图像数据；以及第二无线传输装置，连接到显示器，用于以无线传输的方式接收来自虚拟现实系统的主机的图像数据。

优选地，头戴式显示设备还可以包括：数据解压缩器，连接在第二无线传输装置和显示器之间，用于将第二无线传输装置接收的经过压缩的图像数据解压缩，以便向显示器提供解压缩后的图像数据。以及/或者传感器，连接到第二无线传输装置，用于实时感测头戴式显示设备的姿态数据，基于姿态数据能够得到用户的视角，第二无线传输装置还用于将第一时刻的姿态数据或视角发送给主机，以便从主机得到第一时刻的图像数据。

优选地，头戴式现实设备还可以包括：存储器，用于存储第一时刻的图像数据；以及图像处理器，连接到传感器、存储器和显示器，用于基于用户从第一时刻到第二时刻的视角变化，对存储器中存储的第一时刻的图像数据进行投影变换，以得到对应于用户在第二时刻的视角的第二时刻的图像数据，并将第二时刻的图像数据提供给所述显示器。

综上，本实用新型中的主机与头显分离，且主机与头显以无线的连接方式进行数据传输，能够使得系统既可以保有独立主机强大的处理能力，又不受连线的束缚，提高了使用的方便程度，从而可以为用户提供较好的 VR体验。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的虚拟现实系统的结构图。

图2示出了根据本实用新型一个实施例的主机的结构的示意性框图。

图3示出了根据本实用新型一个实施例的头戴式显示设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。本领域的技术人员可以理解，如果没有明确说明，本公开所述的连接，图示中标明的连接，可以是直接连接也可以是通过其他设备、装置、介质等的间接连接。

如前所述，现有的虚拟现实系统中，头显与主机结合的系统或头显与主机分离的系统，在为用户提供良好的虚拟现实体验方面均存在问题。头显与主机结合的系统中，主机的处理能力受限，无法为用户提供高端的VR体验。头显与主机分离的系统中，头显与主机之间为有线连接，使得用户的活动范围受限。

针对上述问题，本实用新型提出了一种新的虚拟现实系统、主机及头戴式显示设备。以下将结合实施例和附图对本实用新型的虚拟现实系统、主机及头戴式显示设备进行详细说明。

图1示出了根据本实用新型一个实施例的虚拟现实系统的结构的示意图。

如图1所示，本实用新型的虚拟现实系统200可以包括主机210和头戴式显示设备220，主机用于向头戴式显示设备提供需要显示的图像数据，头戴式显示设备包括显示器，用于显示图像数据。

这里，主机210可以是台式机、笔记本、游戏机等多种形式并可以运行VR内容的主机。头戴式显示设备也可以是PC端头显、VR一体机或基于手机的移动式头显。图像数据可以是JPEG、TIFF、RAW、BMP等格式，包括以特定方式定制的适用于本公开目的的各种格式，头戴式显示设备可以支持一种格式的图像数据，也可以兼容两种或更多种格式的图像数据。应当明白，图1中的主机210和头戴式显示设备220是示意性的，而非确定的，本实用新型的主机或者头戴式显示设备还可以是其它形式的，在此不再赘述。

主机210可以包括如图2所示的第一无线传输装置211，头戴式显示设备220可以包括如图3所述的第二无线传输装置221和显示器222。

第一无线传输装置211用于以无线传输的方式向头戴式显示设备220 发送图像数据。

这里，第一无线传输装置211可以设置在主机内部，其无线传输方式可以包括WiFi、蓝牙、UWB、ZigBee中的任何一种，或者，也可以是其它的无线传输方式。

第二无线传输装置221连接到显示器222，用于以无线传输的方式接收来自主机210的图像数据。

第二无线传输装置221可以设置在头戴式显示设备220的内部，其无线传输方式也可以包括WiFi、蓝牙、UWB、ZigBee中的任何一种，或者，也可以是其它的无线传输方式。

其中，第一无线传输装置211与第二无线传输装置221可以是相同的，或者相互对应的，以实现数据的无线传输。应当明白，文中的“第一”和“第二”仅为了区分主机和头戴式显示设备的无线传输装置，不应理解为对本实用新型的限定。

这种无线连接方式非常适用于大空间虚拟现实系统，用户可以在大空间范围内自由活动，并依靠高端PC支持各种大型多人游戏，适用性非常强。无线连接也可以使基于手机的头显用于高端VR体验，并无需适用昂贵的背包式主机，降低系统成本。

显示器222用于显示图像数据，其可以是阴极射线管显示器(CRT)，等离子显示器(PDP)，液晶显示器(LCD)，有机发光二极管(OLED) 等等。

第二无线传输装置221与显示器222的连接方式可以是直接连接，也可以是间接连接。例如，可以在第二无线传输装置221与显示器222之间直接连接USB接口或者其它形式接口的数据线，直接将第二无线传输装置与显示器相连。或者，第二无线传输装置221与显示器222均可以作为元器件焊接(或者其它连接方式)在头显的电路板上的相应孔的位置，由内层线层将两者间接相连。其具体的连接方式不做限制。第二无线传输装置221接收到第一无线传输装置211发送的图像数据后，显示器222可以以直接或者间接的方式读取图像数据，并予以显示。

由于高端VR体验要求高分辨率及帧率(分辨率通常在2560×1440 或更高，帧率90Hz或更高)，所需带宽远高于现有无线协议支持的带宽，因此，需要采用压缩算法以便更好地实现无线传输。

如此，主机210还可以包括数据压缩器212，连接到第一无线传输装置211，用于对图像数据进行压缩，其中第一无线传输装置211向头戴式显示设备220发送经过压缩的图像数据。

其中，数据压缩器212可以设置在主机210内，其可以与第一无线传输装置211直接方式或间接方式相连。图像数据可以是JPEG、TIFF、RAW、 BMP等格式，数据压缩器212可以采用压缩算法(例如，可以是LZ77算法、RLE算法等)对图像数据进行压缩，例如，可以将图像数据压缩为rar、 zip等格式，使得图像数据占用较小的空间，提高传输速度，以便于主机 210能够在较短的时间内将图像数据传输至头戴式显示设备220。

相应地，头戴式显示设备220可以包括数据解压缩器223，连接在第二无线传输装置221和显示器222之间，用于将第二无线传输装置221接收的经过压缩的图像数据解压缩，以便向显示器222提供解压缩后的图像数据。

数据压缩器212与第一无线传输装置211之间，或者数据解压缩器223 与第二无线传输装置221和显示器222之间的连接方式都可以是直接方式或者间接方式。例如，可以直接在各个装置之间连接USB接口或者其它形式接口的数据线，或者将各个装置焊接(或者其它连接方式)在相应电路板的相应位置，由内层线层间接连接各个装置。

当系统使用VR一体机或基于手机的移动式头显时，数据的接收、图像解压可以使用头显自带硬件，无需额外硬件。使用PC头显时，由于头显本身可能没有无线传输，还可以增加辅助硬件，例如，可以在头显上增设USB接口，用以插入无线路由器，增加无线传输装置。

另外，图像数据无线传输、压缩、解压缩通常会引入较长延迟，造成从场景计算到显示之间有较大的视角变化，如果不进行处理会造成用户有晕眩感。通常的处理方式是在图像显示前根据当前视角对场景进行重投影变换，例如，采用时间扭曲技术等。重投影变换的过程可以是由头戴式显示设备实现的。

在使用虚拟现实系统时，用户可以通过交互设备(例如，可以是头戴式显示设备)实现与主机的数据交互，所述数据可以包括用户的运动数据，而运动数据的获得可以通过在交互设备上设置传感装置实现对用户运动的追踪。因此，头戴式显示设备220还可以包括传感器224。传感器可以连接到第二无线传输装置221，用于实时感测头戴式显示设备220的姿态数据，基于姿态数据能够得到用户的视角，第二无线传输装置221还用于将第一时刻的姿态数据或视角发送给主机，第一无线传输装置211还用于接收第一时刻的姿态数据或视角。

传感器224可以设置在头戴式显示设备220的预定位置，用于实时感测头显的姿态数据。这里，传感器220可以包括运动传感器、红外传感器或者其它形式的传感器，用于实时感测头显的姿态数据，或者用户的其它姿态信息。红外传感器可以设置在头显上，并且在使用头显时能够与人体直接接触的位置(例如，可以是对应于人眼眶周围的位置)，可以感测头显是否被用户戴在头上，以便于在头显佩戴至人体的第一时间获知头显被用户使用。运动传感器可以是设置在头显上的惯性传感器，用于实时感测头显的姿态数据，姿态数据可以包括但不限于头显的位置、方向、加速度、角速度和姿态信息中的至少一种。

基于头戴式显示设备220的姿态数据可以确定头显姿态对应的视角。从姿态数据到视角的计算可以是在主机210实现的，也可以是在头显220 实现的。

第二无线传输装置221可以将头显220的姿态数据发送给主机，主机的第一无线传输装置211可以接收头显220的姿态数据，由主机210中的相关计算装置对头显220的姿态数据进行计算，得到头显姿态数据对应的视角。

头戴式显示设备220中也可以设置计算装置，以直接或者间接的方式连接于传感器224和第二无线传输装置221。计算装置可以设置在传感器 224与第二无线传输装置221之间，从传感器224处获取头显的姿态数据，并进行计算，得到头显姿态数据对应的视角，并将得到的视角相关信息(也可以包括头显的姿态数据)提供给第二无线传输装置221，第二无线传输装置221将视角(也可以包括头显的姿态数据)发送给主机210。

在得知用户的姿态数据或者视角后，主机内设置的计算装置或者处理装置可以计算出视角对应的虚拟现实场景内容，渲染场景内容即可得到需要显示的图像数据。因此主机210还可以包括渲染部件213，

渲染部件213可以连接到第一无线传输装置211，用于渲染与基于第一时刻的姿态数据得到的用户在第一时刻的视角对应的场景内容，得到需要显示的第一时刻的图像数据。

渲染部件213可以设置在主机210内，以直接或者间接的方式与第一无线传输装置211相连，以便于对第一无线传输装置211接收到的用户在第一时刻的视角对应的场景内容进行渲染，以得到需要显示的第一时刻的图像数据。

渲染部件213渲染的范围可以是第一时刻的视角对应的场景内容，也可以比第一时刻的视角对应的场景内容的范围大(具体的渲染范围可以预先设定，也可以根据用户的实际使用情况进行计算)。这样，在进行投影变换的过程中，就可以尽量解决第二时刻与第一时刻的视角差异引起的视场缺失的问题。

上文中提到，可以采用时间扭曲技术对图像数据进行重投影变换，以解决时间延迟带来的眩晕问题。因此头戴式显示设备220还可以包括存储器225和图像处理器226。

存储器225，用于存储第一时刻的图像数据。

存储器225可以固定设置在头戴式显示设备220内，具有一定的存储空间，可以支持普通用户日常使用。存储器225还可以包括可拆卸地设置在头显上的存储卡，或者与头戴式显示设备220相连的移动硬盘等存储设备，可以支持存储扩展，以便于在使用率较高、或者图像数据较大或者其它情况下，能够作为内置存储器的备用/扩展存储，以存储更多的数据。存储器225可以有多种形式或者多种形态，在此不做具体显示。

存储器225还可以存储第二时刻的图像数据，或者其它相关数据，例如，头显的姿态数据或在视角等。

图像处理器226，连接到传感器224、存储器225和显示器222，用于基于用户从第一时刻到第二时刻的视角变化，对存储器225中存储的第一时刻的图像数据进行投影变换，以得到对应于用户在第二时刻的视角的第二时刻的图像数据，并将第二时刻的图像数据提供给显示器。

这里，传感器225得到第一时刻和第二时刻的姿态数据，相应地可以由主机210或者头显220中的相关计算装置得到第一时刻和第二时刻的视角，从而得到视角变化。图像处理器226能够从存储器225中获取第一时刻的图像数据，并按照第二视角对第一时刻的图像数据进行投影变换，得到对应于用户在第二时刻的视角的第二时刻的图像数据。图像处理器226 还可以将第二时刻的图像数据提供给显示器222，以供显示器222显示。

此外，存储器225和/或图像处理器226还可以实现本实用新型未提及的其它功能，在此不再赘述。主机210内也可以设置存储器和/或图像处理器，实现与头戴式显示设备中的存储器和/或图像处理器相同或相似的功能，或者还可以实现头戴式显示设备中的存储器和/或图像处理器未提及或未能实现的功能。

另外，当系统使用VR一体机或基于手机的移动式头显时，数据的接收、图像解压及重投影变换可以使用头显自带硬件，无需额外硬件。使用 PC头显时，由于头显本身可能没有无线传输或图像处理能力，还可以增加辅助硬件，例如，可以在头显上增设USB接口，用以插入无线路由器，增加无线传输装置。

至此，已经结合图1-3详细描述了关于本实用新型的虚拟现实系统及其设备。

在一个应用实施例中(如图1)，用户佩戴图1所示的头戴式显示设备220，从场景成到显示的流程可以描述如下：

1.头戴式显示设备220中的传感器224获取头戴式显示设备第一时刻的姿态数据，第二无线传输装置221通过无线传输发送第一时刻的姿态数据到主机210；

2.主机210根据第一无线传输装置211接收到的头显第一时刻的姿态数据确定对应的视角，并根据对应的视角渲染对应的场景内容，得到第一时刻的图像数据；

3.主机210压缩第一时刻的图像数据并以无线传输方式发送到头戴式显示设备220；

4.头戴式显示设备220接收第一时刻的图像数据并进行解压缩；

5.头戴式显示设备220中的传感器224获取头显第二时刻(当前) 的姿态数据，并根据当前姿态对第一时刻的图像数据进行重投影(如采用时间扭曲技术)变换，得到第二时刻的图像数据；

6.头显中的显示器222显示第二时刻的图像数据。

如此，用户沉浸于虚拟现实场景中，得到最佳的VR体验。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。