专利名称：一种头戴式视频透视立体显示器及其控制方法
技术领域：
本发明是一种可配戴在用户头部的视频透视式立体显示器及其 控制方法，属于头戴式视频透视立体显示器及其控制方法的改造技 术。
背景技术：
增强现实技术是一种可以把计算机所生成的二维或三维信息叠加 到真实环境中，从而增强用户对真实环境的感知的一种崭新的技术领 域。在增强现实技术的研究领域中，跟踪注册、虚实融合以及实时交 互被认为是增强现实技术的三大基本特征，同时也是急需研究与突破 的三大方面。其中，虚实融合是指把计算机所产生的虚拟物体与真实 环境相互融合在一起，让用户感觉这些计算机所生成的虚拟物体或数 字信息是真实环境中不可或缺的一部分。因此，要实现虛实融合，除 了需要有合适的虚实融合算法(软件方法)，更重要的是还需要有相 应的硬件显示设备来支持虚实融合的显示。
目前可用于增强现实系统并能实现虚实融合的显示设备主要分为 三大类(l)头戴式头盔显示器，如视网膜显示器，视频透视式头盔 显示器以及光学透视式头盔显示器等三类；(2)手持式显示器，如带 摄像头的手机或PDA等；(3)固定式显示器。在这三种均支持虚实融 合的显示设备中，头戴式头盗显示器凭借其能产生较好的虚实融合效 果，易于携带，可以应用于多人参与交互的增强现实系统中等优点被 广泛应用于增强现实系统中。特别是视频透视式头盔，它不但能够对
5系统的延时进行一定程度的补偿，同时相比于光学透视式头盔(光学 透视式头盔普遍存在虚拟物体亮度不足等缺陷)而言，能够产生更好 的融合效果，因此，它被广泛应用于增强现实系统之中。
视频透视式头盔主要分为双目式的与单目式两类。单目式的头盔 由于只有一个摄像头，因此并不能进行手部跟踪与深度检测，也无法 进行立体显示，影响用户的体验感觉。因此，为了进一步提高用户在 增强现实应用系统的体验，双目式视频透视式头盔显示器将会成为增 强现实系统广泛采用的头盔显示器。目前商用的双目式头盔显示器的 价格比较高昂(通常在8万元人民币左右)，而且存在以下几方面的不 足
1)受到摄像头可视范围的影响，目前的视频透视式头盔显示的可
视范围相对于用户的眼睛的可视范围来说，比较窄小；
2) 受到重量设计不能过大的影响，输出的图像分辨率相对较低，
一般只有640X480，最高不超过800X600;
3) 由于不同的人其双眼的瞳孔距离(简称瞳距)是有所差别的， 如果人的双眼瞳距与透视式头盔的两个摄像头的光学中心距离不相 吻合的话，就会产生棱镜效应，不但令立体效果降低，还会有可能使 部分用户因其双眼瞳距与摄像头的光学中心距离相差较大而出现视 物疲劳，头晕，恶心等症状。
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能调节两个摄像头 的光学中心距离，解决因两个摄像头的光学中心距离与用户双眼瞳距 不匹配而导致视物疲劳等现象的不足的头戴式视频透视立体显示器。 本发明设计合理，使用方便。本发明的另一目的在于提供一种操作简单方便的头戴式视频透 视立体显示器的控制方法。
本发明的技术方案是本发明的头戴式视频透视立体显示器，包 括有两个摄像头、立体眼镜、立体眼镜托架及其控制装置，其中两个 摄像头固定在支架上，立体眼镜固定在立体眼镜托架上，两个摄像头 的信号输出端与控制装置的输入端连接，控制装置的输出端与立体眼 镜的信号输入端连接，其中两个摄像头连接有能调整相互之间的距离 的驱动装置。
上述驱动装置包括有微型步进电机及其能把旋转运动转化为直 线运动的传动机构，其中微型步进电机的输出轴与传动机构的主动件 连接，传动机构的从动件与两个摄像头连接，且微型步进电机的驱动 电路与控制装置的输出端电连接。
上述能把旋转运动转化为直线运动的传动机构为齿轮齿条传动 机构，或为曲柄滑块机构，或为凸轮机构，或为螺旋传动机构，螺旋 传动机构包括有与微型步进电机的输出轴连接的丝杆及两个丝杆螺 母，其中微型步进电机固定在电机支撑板上，两丝杆螺母套在与微型 步进电机的输出轴连接的丝杆上，组成螺旋传动机构，且两丝杆螺母 与两连接杆固定在一起，两连接杆分别通过两滑块连接件与两个摄像 头连接。
上述微型步进电机的输出轴直接做出为丝杆，微型步进电机的输 出轴两侧分别为旋向相反的螺纹。
上述两个摄像头还分别连接有能调整两个摄像头之间的夹角的 角度调整块，两个摄像头分别通过两角度调整块与两滑块连接件连接。
上述两滑块连接件还分别连接有两滑块，两滑块嵌套在两导轨上。
上述两连接杆为L型连接杆，两滑块连接件通过内六角螺栓分别
与两L型连接杆及两滑块相连接，两丝杆螺母通过两个内六角螺栓与
两L型连接杆固定在一起；上述摄像头角度调整块通过穿过滑块连接 件的通孔的内六角螺栓相连接；上述两个摄像头分别通过胶粘剂粘紧
在摄像头角度调整块上。
上述微型步进电机两侧与电机两侧的两固定块相连接，两固定块 与电机支撑板相连接，电机支撑板及其上述组合体装在主体保护壳 内，主体保护壳的一侧装有摄像头外套，另一侧装有外壳后盖板。
上述电机支撑板的两侧还分别安装有用于限制两摄像头之间的 最大距离的第一行程开关及用于限制两摄像头之间的最小距离的第 二行程开关，其中第一行程开关放在电机支撑板的外侧，以便限制两 个摄像头之间的最大距离。
上述第一行程开关与电机支撑板之间的位置通过第一定位槽进 行微调，第二行程开关与电机支撑板之间的位置通过第二定位槽进行 微调。
上述丝杆螺母放置在L型连接杆其上所设的通孔上，且两个内六 角螺栓分别插入到丝杆螺母所设的两个通孔及L型连接杆所设的两 个通孔上，丝杆螺母与L型连接杆通过穿过丝杆螺母所设的两个通孔 及L型连接杆所设的两个通孔的螺纹连接件固定在起来，同理，另一 丝杆螺母与另一 L型连接杆的连接与上述方法相同。
上述控制装置包括有上位机及下位机，上位机通过其串口与MAX232芯片连接，下位机的TXD及RXD与MAX232芯片相连接，下位 机采用中断方式接收来自上位机的指令数据，并通过P2 口与微型步 进电机的驱动电路连接；上述第一行程开关及第二行程开关分别与下 位机的P2.2及P2.3连接。
上述上位机为计算机，下位机为单片机。
本发明头戴式视频透视立体显示器的控制方法，其包括如下步
骤
1 )上位机通过其串口向MAX232芯片发出控制指令；
2) MAX232把上位机的电平转换成标准的TTL电平，下位机采用 中断方式接收来自上位机的指令数据，并由P2 口向微型步进电机的 驱动电路发送步进脉冲以及方向控制信号；
3) 当L型连接杆遮挡第一行程开关及第二行程开关上的红外光 时，第一行程开关及第二行程开关向下位机发出高电平信号，下位机 在收到该信号后控制微型步进电机立即停止运动。
本发明头戴式视频透视立体显示器由于采用通过微型步进电机 对两个摄像头进行距离调节的结构，微型步进电机对两摄像头之间的 距离进行调整，使两摄像头之间的距离与当前用户的瞳距相匹配，从 而获得更佳的三维立体体验效果。本发明提高用户的体现效果，避免 或减轻用户因双眼的瞳距与两摄像头之间的距离不一致而出现的疲 劳、头晕等不良症状。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用 的头戴式视频透视立体显示器及其控制方法。
图1为本发明的总体工作原理图2为本发明的整体构成图3为本发明的摄像头安装局部示意图4为本发明的行程开关在支撑板上的安装位置示意图5为本发明L型连接杆的安装示意图6为本发明装配后的成品图7为本发明新型控制装置下位机的接线图。
具体实施例方式
实施例
本发明头戴式视频透视立体显示器的总体工作原理图如图1所
示，图中显示了本发明控制装置中上位机41、下位机42与调整两个 摄像头相互之间的距离的驱动装置43之间的结构关系图，其中，下 位机42主要用于连接上位机41与驱动装置43，实现上位机41与驱 动装置43的相互通信。下位机42的一端与上位机41的COM 口连接， 接收上位机41发出的控制指令；下位机42的另一端与驱动装置43 相连接。
本发明头戴式视频透视立体显示器的结构示意图如图2、 3、 4、 5、 6所示，包括有两个摄像头3、 25 、立体眼镜12、立体眼镜托架 14及其控制装置，其中两个摄像头3、 25固定在支架上，立体眼镜 12固定在立体眼镜托架14上，两个摄像头3、 25的信号输出端与控 制装置的输入端连接，控制装置的输出端与立体眼镜12的信号输入端连接，其中两个摄像头3、 25连接有能调整相互之间的距离的驱动 装置43。上述驱动装置43包括有微型步进电机11及其能把旋转运 动转化为直线运动的传动机构，其中微型步进电机11的输出轴与传 动机构的主动件连接，传动机构的从动件与两个摄像头3、 25连接， 且微型步进电机11的驱动电路与控制装置的输出端电连接。
本实施例中，上述能把旋转运动转化为直线运动的传动机构为齿 轮齿条传动机构，或为曲柄滑块机构，或为凸轮机构，或为螺旋传动 机构。本实施例中，螺旋传动机构包括有与微型步进电机11的输出 轴连接的丝杆及两个丝杆螺母9、 16，其中微型步进电机11固定在 电机支撑板19上，两丝杆螺母9、 16套在与微型步进电机11的输出 轴连接的丝杆上，组成螺旋传动机构，且两丝杆螺母9、 16与两连接 杆7、 17固定在一起，两连接杆7、 17分别通过两滑块连接件5、 23 与两个摄像头3、 25连接。因此，微型步进电机11的旋转运动通过 丝杆及两个丝杆螺母9、 16转换成平移运动，驱动两个摄像头3、 25 左右移动。
上述微型步进电机11的输出轴直接加工成丝杆，微型步进电机 11的输出轴两侧分别为旋向相反的螺纹。这样，两个摄像头在移动 的方向刚好相反，实现两摄像头之间的距离的縮小与增大。
本实施例中，上述两个摄像头3、 25还分别连接有能调整两个摄 像头之间的夹角的角度调整块4、 24，两个摄像头3、 25分别通过两 角度调整块4、 24与两滑块连接件5、 23连接。
为使两个摄像头3、 25的平移运动更顺畅，上述两滑块连接件5、 23还分别连接有两滑块6、 22，两滑块6、 22嵌套在两导轨21上。 这样，两个摄像头3、 25就能够沿两导轨21进行平移运动。
ii本实施例中，上述两连接杆7、 17为L型连接杆，两滑块连接件 5、 23通过内六角螺栓分别与两L型连接杆7、 17及两滑块6、 22相 连接，两丝杆螺母9、 16通过两个内六角螺栓与两L型连接杆7、 17 固定在一起；上述摄像头角度调整块4、 24通过穿过滑块连接件5、 23的通孔26的内六角螺栓相连接；上述两个摄像头3、 25分别通过 胶粘剂粘紧在摄像头角度调整块4、 24上。
本实施例中，上述微型步进电机11两侧与电机两侧的两固定块 8、 18相连接，两固定块8、 18与电机支撑板19相连接，电机支撑 板19及其上述组合体装在主体保护壳2内，主体保护壳2的一侧装 有摄像头外套l，另一侧装有外壳后盖板13。
此外，上述电机支撑板19的两侧还分别安装有用于限制两摄像 头之间的最大距离的第一行程开关10及用于限制两摄像头之间的最 小距离的第二行程开关15，其中第一行程开关10放在电机支撑板19 的外侧，以便限制两个摄像头3、 25之间的最大距离。上述第一行程 开关10与电机支撑板19之间的位置通过第一定位槽27进行微调， 第二行程开关15与电机支撑板19之间的位置通过第二定位槽28进 行微调。
本实施例中，上述丝杆螺母16放置在L型连接杆17其上所设的 通孔29上，且两个内六角螺栓分别插入到丝杆螺母16所设的两个通 孔30、 31及L型连接杆17所设的两个通孔32、 33上，丝杆螺母16 与L型连接杆17通过穿过丝杆螺母16所设的两个通孔30、 31及L 型连接杆17所设的两个通孔32、 33的螺纹连接件固定在起来，同理， 另一丝杆螺母9与另一 L型连接杆7的连接与上述方法相同。
本实施例中，上述控制装置包括有上位机41及下位机42，上位机41通过其串口 RS — 232与MAX232芯片连接，下位机42的TXD及 RXD与MAX232芯片相连接，下位机42采用中断方式接收来自上位机 41的指令数据，并通过P2 口与微型步进电机11的驱动电路连接； 上述第一行程开关10及第二行程开关15分别与下位机42的P2. 2及 P2. 3连接。本实施例中，上述上位机41为计算机，下位机42为单 片机。单片机的型号是AT89c52单片机。
本发明头戴式视频透视立体显示器的控制方法，其包括如下步
骤
1) 上位机41通过其串口 RS —232向MAX232芯片发出控制指令；
2) MAX232把上位机41的电平转换成标准的TTL电平，下位机 42采用中断方式接收来自上位机41的指令数据，并由P2 口向微型 步进电机11的驱动电路发送步进脉冲以及方向控制信号；
3) 当L型连接杆7、 17遮挡第一行程开关10及第二行程开关 15上的红外光时，第一行程开关10及第二行程开关15向下位机42 发出高电平信号，下位机42在收到该信号后控制微型步进电机11立 即停止运动。
本发明的工作原理如下下位机42在接收到上位机41发出的 步进电机控制指令后，对指令进行解释与转换，并向步进电机驱动器 发送最终的驱动信号，最终达到控制步进电机正反转，并根据步进电 机的步数推算出两摄像头之间的位置的目的。摄像头用于获取左、右 眼应当看到的真实环境信号，并把视频帧信号通过USB接口转送到上 位机41上。上位机41获取到视频帧信号后经过相应的处理，通过VGA显示接口传回立体液晶眼镜中。这样，用户就能通过立体液晶眼 镜看到在他前方的真实景象的同时也可以看到上位机41产生的虚拟 模型，实现虚实融合。
1权利要求
1、一种头戴式视频透视立体显示器，包括有两个摄像头(3、25)、立体眼镜(12)、立体眼镜托架(14)及其控制装置，其中两个摄像头(3、25)固定在支架上，立体眼镜(12)固定在立体眼镜托架(14)上，两个摄像头(3、25)的信号输出端与控制装置的输入端连接，控制装置的输出端与立体眼镜(12)的信号输入端连接，其特征在于两个摄像头(3、25)连接有能调整相互之间的距离的驱动装置(43)。
2、 根据权利要求1所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述驱动装置(43)包括有微型步进电机(ll)及其能把旋转运动转化为直线运动的传动机构，其中微型步进电机(ll)的输出轴与传动机构的主动件连接，传动机构的从动件与两个摄像头(3、 25)连接，且微型步进电机(ll)的驱动电路与控制装置的输出端电连接。
3、 根据权利要求2所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述能把旋转运动转化为直线运动的传动机构为齿轮齿条传动机构，或为曲柄滑块机构，或为凸轮机构，或为螺旋传动机构，螺旋传动机构包括有与微型步进电机(11)的输出轴连接的丝杆及两个丝杆螺母(9、 16)，其中微型步进电机(ll)固定在电机支撑板(19)上，两丝杆螺母(9、 16)套在与微型步进电机(ll)的输出轴连接的丝杆上，组成螺旋传动机构，且两丝杆螺母(9、 16)与两连接杆(7、17)固定在一起，两连接杆(7、 17)分别通过两滑块连接件(5、 23)与两个摄像头(3、 25)连接。
4、根据权利要求3所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述微型步进电机(ll)的输出轴直接做出为丝杆，微型步进电机(11)的输出轴两侧分别为旋向相反的螺纹。
5、 根据权利要求4所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述两个摄像头(3、 25)还分别连接有能调整两个摄像头之间的夹角的角度调整块(4、 24)，两个摄像头(3、 25)分别通过两角度调整块(4、 24)与两滑块连接件(5、 23)连接。
6、 根据权利要求5所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述两滑块连接件(5、 23)还分别连接有两滑块(6、 22)，两滑块(6、 22)嵌套在两导轨(21)上。
7、 根据权利要求6所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述微型步进电机(11)两侧与电机两侧的两固定块(8、 18)相连接，两固定块(8、18)与电机支撑板(19)相连接，电机支撑板(19)及其上述组合体装在主体保护壳(2)内，主体保护壳(2)的一侧装有摄像头外套(1)，另一侧装有外壳后盖板(13)。
8、 根据权利要求7所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述电机支撑板(19)的两侧还分别安装有用于限制两摄像头之间的最大距离的第一行程开关(10)及用于限制两摄像头之间的最小距离的第二行程开关(15)，其中第一行程开关(10)放在电机支撑板(19)的外侧，上述第一行程开关(10)与电机支撑板(19)之间的位置通过第一定位槽(27)进行微调，第二行程开关(15)与电机支撑板(19)之间的位置通过第二定位槽(28)进行微调。
9、 根据权利要求1所述的头戴式视频透视立体显示器，其特征在于上述控制装置包括有上位机(41)及下位机(42)，上位机(41)通过其串口 (RS一232)与MAX232芯片连接，下位机(42)的TXD及RXD与MAX232芯片相连接，下位机(42)采用中断方式接收来自上位机(41)的指令数据，并通过P2口与微型步进电机(ll)的驱动电路连接；上述第一行程开关(10)及第二行程开关(15)分别与下位机(42)的P2.2及P2.3连接。
10、 一种根据权利要求9所述的头戴式视频透视立体显示器的控制方法， 其特征在于包括如下步骤-1) 上位机(41)通过其串口 (RS—232)向MAX232芯片发出控制指令；2) MAX232把上位机(41)的电平转换成标准的TTL电平，下位机(42) 采用中断方式接收来自上位机(41)的指令数据，并由P2 口向微型步进电机 (11)的驱动电路发送步进脉冲以及方向控制信号；3) 当L型连接杆(7、 17)遮挡第一行程开关(10)及第二行程开关(15) 上的红外光时，第一行程开关(10)及第二行程开关(15)向下位机(42)发 出高电平信号，下位机(42)在收到该信号后控制微型步进电机(ll)立即停止 运动。
全文摘要
本发明是一种可配戴在用户头部的视频透视式立体显示器及其控制方法。包括有两个摄像头(3、25)、立体眼镜(12)、立体眼镜托架(14)及其控制装置，其中两个摄像头(3、25)固定在支架上，立体眼镜(12)固定在立体眼镜托架(14)上，两个摄像头(3、25)的信号输出端与控制装置的输入端连接，控制装置的输出端与立体眼镜(12)的信号输入端连接，其中两个摄像头(3、25)连接有能调整相互之间的距离的驱动装置(43)。本发明头戴式视频透视立体显示器由于采用通过微型步进电机对两个摄像头进行距离调节的结构，使两摄像头之间的距离与当前用户的瞳距相匹配，从而获得更佳的三维立体体验效果。本发明提高用户的体现效果，避免或减轻用户因双眼的瞳距与两摄像头之间的距离不一致而出现的疲劳、头晕等不良症状。
文档编号G02B27/02GK101630064SQ20091004179
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月11日 优先权日2009年8月11日
发明者任超宏, 何汉武, 刘吉安, 吴悦明, 郑德涛, 陈和恩 申请人:广东工业大学