实现视频透视的增强现实手机盒的制作方法

本发明涉及增强现实技术领域，特别是涉及了一种实现视频透视的增强现实手机盒。

背景技术：

现有VR(虚拟现实)手机盒，主要利用手机内置陀螺仪和外接控制设备，对手机VR应用进行观看和操控，而对手机的摄像头和触摸屏没有利用,因此无法观察周围环境并与之互动。部分VR外壳虽将摄像头外露，但主要出于结构简单，减小重量的目的，并未考虑视频透视的需求；而直接观看用摄像头拍摄的视频，没有进行消色差处理，降低观看的效果；类似三星Gear VR的交互方式通过迷你USB与手机实现硬件连接，将操控功能投射至外壳的按钮上，该方式只对特定的手机进行了适配，缺乏普遍性。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了实现视频透视的增强现实手机盒，其通过简单精巧的结构设计，通过装入手机使之成为能实现视频透视的AR设备。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

实现视频透视的增强现实手机盒，其包括：

上盖，其可开合便于将手机放入或取出；

附加镜，其位于所述手机的摄像头的上方；所述上盖与所述附加镜对应区域掏空；

一对目镜，其可拆卸连接在底座上，以将所述手机的屏幕图像放大便于观看。

进一步地，所述摄像头拍摄的视场不小于人眼通过目镜观察的视场；所述手机的屏幕显示图像大小与目镜放大率相匹配。

进一步地，所述手机的屏幕显示图像大小与目镜放大率相匹配是指：s＝f·r/l，其中，l为出瞳距，r为目镜孔径半径，s为手机屏幕的长度的1/4。

进一步地，所述底座上还设置有调节机构，用于调节所述一对目镜的水平位移，实现目镜到手机屏幕间的间距可调。

进一步地，所述底座侧边设置有至少一功能按钮，用于触压所述手机的屏幕。

进一步地，所述功能按钮包括按钮、与按钮连接的连杆、连杆转动轴、触屏笔头、拉簧；所述连杆经连杆转动轴相对所述底座旋转，所述触屏笔头安装在连杆底部；所述拉簧一端连接所述触屏笔头底部，另一端连接所述底座。

进一步地，所述至少一功能按钮为4个，均匀分布在所述底座的上下两侧。

进一步地，还包括设置在所述上盖和/或底座的至少一镜头接口。

更进一步地，所述附加镜的畸变与目镜的畸变相反。

本发明具有如下有益效果：

本手机盒作为手机附件，充分利用现有主流手机的软硬件，通过简单精巧的结构设计，通过装入手机使之成为能实现视频透视的AR设备，实现了对外界环境的实时观看。附带的附加镜对手机摄像头的视场进行拓展，拍摄周围环境，经手机自带的软件处理后拆分为有视差的左右分屏显示；；利用合理的目镜设计与手机屏幕大小的匹配实现视频透视的感受；为适配不同手机屏幕大小并满足远近视人群的使用需求，所述目镜可更换，目镜与手机屏幕的间距可调；附加镜与目镜均采用畸形抵消，消色差的设计，可以对视频内容进行高清晰、低延迟的观看；通过4个功能按钮对手机电容屏不同区域的触碰设计，可适配不同的手机屏幕，使用户与该AR设备进行方便快捷的操作。

附图说明

图1为本发明手机盒的结构示意图；

图2为本发明附加镜固定方式示意图；

图3为本发明手机盒的视频透视原理示意图；

图4为本发明中出瞳距l、目镜孔径半径r、目镜焦距f和半屏大小s之间存在对应关系的示意图；

图5为本发明中人眼晶状体、目镜及手机屏幕之间存在对应关系的示意图；

图6为本发明手机盒的另一结构示意图；

图7为本发明中功能按钮的分布示意图；

图8为本发明中功能按钮的结构示意图；

图9为本发明中手机屏幕分割出4个触碰区域的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，实现视频透视的增强现实(AR)手机盒，其包括：

上盖1，其可相对底座6开合便于将手机4放入或取出；优选地，在上盖1上设置有若干吸盘，便于拆装手机，实现手机中心与上盖中心重合固定；

附加镜2，其位于所述手机4的摄像头3的上方；所述上盖1与所述附加镜2对应区域掏空；

一对目镜5，其可拆卸连接在底座6上，以将所述手机4的屏幕图像放大便于用户观看。

具体实现时，优选但不限定通过弹性夹紧装置将所述附加镜2夹在所述手机4的摄像头3的上方，如图2所示；所述附加镜2为广角镜头，其与手机4的摄像头3之间通过设置垫圈以控制两者间距，该垫圈的高度可根据所述广角镜头与摄像头3的两者结合所要达到的视场角来选择，此为现有技术，在此不再详述。

手机4的摄像头3通过附加镜2对外景7进行实时拍摄，拍摄到的视频经手机4内置的软件处理后分为左右两幅有视差的图像在手机4屏幕上进行分屏显示。由于手机4的摄像头3视场角不大，一般在80°左右，作为一套AR设备这样小的视场角是远远不够的，因此在设计中附加镜2对手机4的摄像头3的视场角进行了拓展。较佳地，通过附加镜2，手机4的摄像头3的视场角可扩大至110°。

优选地，所述附加镜2采用消色差设计，在与手机4的摄像头3组合拍摄后，不会给拍摄到的图像引入额外色差，减小视频处理的工作量，降低拍摄延迟。

手机4屏幕的图像经过所述目镜5放大后，由人眼观看。优选地，所述目镜5采用消色差双胶合镜设计，使放大后的图像清晰自然。此外，经附加镜2拍摄到的图像呈桶形畸变，而人眼通过目镜5观看到的图像呈枕形畸变，通过光学设计使附加镜2的桶形畸变量与目镜5的枕形畸变量一致，即附加镜2畸变与目镜4畸变相反，从而相互抵消，让人眼看到无畸变的图像。这一光学设计过程完全由光学优化，无需软件校正，从而减小资源消耗，降低系统延迟。

如图3所示，通过附加镜2的手机4的摄像头3对外景7进行拍摄，相关视频数据传输至手机4屏幕上显示，人眼通过目镜5看到所成虚像8。视频透视要求人眼通过AR手机盒观察到的物体大小，与移除AR手机盒后裸眼观看时的大小一致。那必须实现如下几点：1)、手机4的摄像头3拍摄的视场不小于人眼通过目镜5观察的视场；2)、屏幕显示图像大小与目镜5放大率相匹配，使虚像8与真实物体的大小看起来一样；3)、屏幕显示图像不大于分屏大小。所述屏幕显示图像为手机的摄像头拍摄后预计在屏幕上显示的图像。

所述手机4的屏幕显示图像大小与目镜5放大率相匹配是指：s＝f·r/l，其中，l为出瞳距，r为目镜5孔径半径，s为手机4屏幕的长度的1/4，如图4所示。已知：tanβ₁＝r/l，s＝r+f·tanβ₂，根据光线追踪公式：tanβ₂＝tanβ₁-r/f，可以算出：s＝f·r/l。

市面上主流手机的屏幕尺寸在4.7-6寸不等，根据公式s＝f·r/l，则需要搭载不同焦距的目镜5。本发明人设计出瞳距l＝10mm，r＝12mm以保证视场角达到100°。以4.7寸手机为例，屏幕尺寸为104×58.5mm，算出目镜5焦距为21.67mm；以6寸手机为例，屏幕尺寸为132.8×74.7mm，算出目镜5焦距为27.67mm。

为了适配主流手机不同的屏幕尺寸，本发明的目镜5与底座6可拆卸连接，以便更换提供不同焦距的目镜5配件。此外，为了使屏幕到目镜5的距离适配焦距变化，采用调节机构对目镜5的位移进行调节，实现目镜5到手机4屏幕间的间距可调，使之能够清晰成像。这样做还有另外一个好处，可以让轻微近视和远视的用户不用佩戴眼镜也能使用该设备看清屏幕。

如图5所示，设人眼晶状体焦距为f₁，目镜焦距为f₂，视网膜与晶状体的间距为l₁，出瞳距为l₂，透镜至屏幕的距离为l₃。根据光路可逆，以θ₁角从视网膜发出的光线到达晶状体时高度为h₁，经折射传播至目镜时高度为h₂，最后到达屏幕时高度归为0。与视力正常的人眼相比，近视或远视眼体现在的l₁不同，近视眼偏大，而远视眼偏小。在保持f₁、f₂、l₂不变的前提下，推导l₁与l₃的变化关系，如下：

可得到：

可见，l₁的增加(近视)会导致tanθ₂减小，l₃增加；反之，l₁的减小(远视)最终会使l₃减小。因此，通过调节机构移动目镜以实现调节目镜和手机的间距，既能满足更换目镜适配屏幕的需求，也能满足远、近视人群能够清晰观看该AR手机盒的需求。该调节机构可采用现有技术，且易实现，在此不再详述。如图6所示，本发明的调节机构包括连接所述底座6和上盖1的可伸缩活动件10和旋转调节旋钮11，所述活动件10上设置有齿条101，所述旋转调节旋钮11上设置有与齿条101对应的齿轮111；所述旋转调节旋钮11通过齿轮齿条传动机构带动所述活动件10伸缩带动所述底座6伸缩以手动调节所述目镜5与手机屏幕的间距。

进一步地，为了实现对AR手机盒的互动功能，本发明利用导电的功能按钮对电容触摸屏(手机4的屏幕)特定区域的触碰进行交互，实现预设的功能，如图7所示，所述底座6侧边设置有至少一功能按钮，用于触压所述手机4的屏幕。其中，如图8所示，所述功能按钮包括按钮9、与按钮9连接的连杆91、连杆转动轴92、触屏笔头93、拉簧94；所述连杆91经连杆转动轴92相对所述底座6旋转，所述触屏笔头93安装在连杆91底部；所述拉簧94一端连接所述触屏笔头93底部，另一端连接所述底座6；所述触屏笔头93优选为电容触摸屏笔头93。具体操作时，按下按钮9，推动连杆91绕连杆转动轴92旋转，从而带动连杆91上的触屏笔头93触压手机4触摸屏的特定区域，实现预设的功能。拉簧94在下压按钮9过程中提供阻尼手感，并在按压结束后拉回连杆91，使按钮9复位。

因为适配手机4屏幕尺寸并非固定，所以功能触钮的位置不能精确定位，同时考虑到手机4机能有限，在可自定义交互功能的前提下，提供4颗交互的功能按钮已能满足需求，均匀分布在所述底座6的上下两侧，如图7所示。同时将手机4屏幕分割为A、B、C、D4个触碰区域来布置按钮9位置，如图9所示。

进一步地，所述AR手机盒还包括设置在所述上盖1和/或底座6的至少一镜头接口。该镜头接口可以是固定的，也可以是可移动的，以便另外搭配镜头，提高观看的效果。

进一步地，所述AR手机盒的底座6还连接有头戴部，便于将AR手机盒穿戴在头部。

本AR手机盒作为手机附件，充分利用现有主流手机的软硬件，通过简单精巧的结构设计，通过装入手机使之成为能实现视频透视的AR设备，实现了对外界环境的实时观看。附带的附加镜对手机摄像头的视场进行拓展，拍摄周围环境，经手机自带的软件处理后拆分为有视差的左右分屏显示；；利用合理的目镜设计与手机屏幕大小的匹配实现视频透视的感受；为适配不同手机屏幕大小并满足远近视人群的使用需求，所述目镜可更换，目镜与手机屏幕的间距可调；附加镜与目镜均采用畸形抵消，消色差的设计，可以对视频内容进行高清晰、低延迟的观看；通过4个功能按钮对手机电容屏不同区域的触碰设计，可适配不同的手机屏幕，使用户与该AR设备进行方便快捷的操作。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制，但凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。