一种无线虚拟现实头盔的制作方法

本发明涉及虚拟现实(VR)技术领域，具体地是一种基于高性能上位机的无线虚拟现实头盔。

背景技术：
：

随着科学技术的迅速发展，人类与计算机类设备交互维度的需求不断增加。在过去的很长一段时间里，人类与计算机类设备的交互主要在二维空间内，例如平面显示器和鼠标、触控板。显而易见的是，使用二维空间去描述三维物体会存在使用不便和一定的局限性，特别是在三维设计和三维娱乐逐渐发展的今天，用户仍然无法通过自然的动作交互观察到设计中的三维空间。为了更好地观察，可以采用虚拟现实技术(VR)来呈现。虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

20世纪末，虚拟现实理论得到进一步的完善和初步应用，从而促进了虚拟现实技术的蓬勃发展。虚拟现实技术需要解决的最重要问题之一就是三维图形输出问题，目前解决该问题的主流方式是头戴式显示器或被称为虚拟现实头盔(HMD)。自从虚拟现实头盔出现以来，其已经完成了几次技术飞跃，目前的虚拟现实头盔已经实现了低成本化、轻量化和实用化，初步具备了进入产业和家庭的条件。

现有技术中，虚拟现实头盔主要分为有线虚拟现实头盔和无线虚拟现实头盔，所述有线虚拟现实头盔基于高性能上位机，其具有优秀的实时性，可以进行更逼真复杂的三维场景呈现并有效减少眩晕感，但受线缆限制无法进行大范围移动，限制了人机交互；所述无线虚拟现实头盔基于手机或嵌入式系统，其可以进行大范围移动、进行更复杂的多人人机交互，但性能偏差、画面不真实且显示延时长、有明显眩晕感。目前这两种虚拟现实头盔均需要进一步有效提升实用性以及加快行业普及。

技术实现要素：
：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中的虚拟现实头盔存在无法进行大范围移动、人机交互受限以及性能偏差、画面不真实和有明显眩晕感等缺点，提供一种无线虚拟现实头盔。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种无线虚拟现实头盔，能够显示上位机的显卡输出的视频和输出上位机的显卡输出的音频，其特征在于：包括头盔本体、无线音视频发送端、无线音视频接收端和显示屏，无线音视频接收端和显示屏安装在所述头盔本体上，无线音视频发送端和无线音视频接收端之间设置无线音视频信道；所述无线音视频发送端包括编码处理单元和无线音视频发送模块，编码处理单元通过HDMI或DP线缆与上位机的显卡连接，编码处理单元能够对上位机的显卡传输过来的视频信号进行实时编码，并将显卡输出的音频和编码后的视频数据传输给无线音视频发送模块，无线音视频发送模块能够将音频和编码后的视频数据通过无线音视频信道传输给所述无线音视频接收端；所述无线音视频接收端包括无线音视频接收模块、解码处理单元和音频输出模块，解码处理单元与音频输出模块连接并通过MIPI或LVDS接口与显示屏连接，无线音视频接收模块能够通过无线音视频信道接收无线音视频发送模块传输过来的音频和视频数据并将接收到的音频和视频数据传输给解码处理单元，解码处理单元能够将接收到的音频发送给音频输出模块输出，以及能够对接收到的视频数据进行解码使其恢复成能够显示的视频信号并将解码后的视频信号发送给显示屏显示。

进一步地，编码处理单元包括实时压缩模块，解码处理单元包括实时解压模块，编码处理单元通过实时压缩模块对图像数据量较高的视频信号进行实时压缩编码，解码处理单元通过实时解压模块对经过实时压缩编码的视频数据进行实时解码并解压。

进一步地，所述编码处理单元采用FPGA、ASSP或ASIC芯片。

进一步地，所述无线音视频发送模块采用WirelessHD 60G、WHDI或WiGig无线发送模块，所述无线音视频接收模块采用WirelessHD 60G、WHDI或WiGig无线接收模块。

进一步地，所述解码处理单元采用FPGA、ASSP或ASIC芯片。

进一步地，头盔本体内部增设惯性传感器模块。

进一步地，所述无线虚拟现实头盔还包括一对光学透镜，所述光学透镜能够放大显示屏上显示的图像。

进一步地，在所述上位机内设置低速无线收发器，在头盔本体上设置管理和传感器模块，所述管理和传感器模块包括低速无线收发模块、管理和传感器处理单元以及传感器组，低速无线收发模块和低速无线收发器之间建立实现无线连接的无线低速信道，管理和传感器处理单元能够获取传感器组的传感器数据并与低速无线收发模块能够双向数据传输，传感器组包括陀螺仪、磁力计、温度传感器、电池电量传感器和眼球追踪传感器中的至少一个。

优选地，低速无线收发模块和低速无线收发器为蓝牙、Wifi、ZigBee或者2.4G的射频无线传输方式。

本发明由于采取了上述技术方案，其具有如下有益效果：

本发明所述的无线虚拟现实头盔，采用无线通讯技术将使虚拟现实头盔不再通过HDMI等有线方式与上位机连接，当用户使用无线虚拟现实头盔时可以不受线缆束缚而进行较大空间的自由行走，提升虚拟现实体验；并且充分使用上位机的图形和计算资源，对信号源的信号不压缩解压或者进行实时的压缩解压，以保证通讯实时性，从而减少由延时造成的眩晕感。

附图说明：

图1为本发明所述的无线虚拟现实头盔的整体结构示意图；

图2为本发明所述的无线音视频发送端的结构示意图；

图3为本发明所述的无线音视频接收端的结构示意图；

图4为本发明所述的管理和传感器模块的结构示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的内容作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明所述的一种无线虚拟现实头盔，能够显示上位机100的显卡101输出的视频和输出上位机100的显卡101输出的音频，其特征在于：包括头盔本体1、无线音视频发送端2、无线音视频接收端3和显示屏4，无线音视频接收端3和显示屏4安装在所述头盔本体1上，无线音视频发送端2和无线音视频接收端3之间设置无线音视频信道，上位机100通过所述无线音视频信道将显卡101输出的音频和视频传输到本发明所述的无线虚拟现实头盔中。其中，所述无线音视频发送端2用于将上位机100的显卡101传输过来的视频信号进行实时编码，并将显卡101输出的音频和编码后的视频数据通过无线音视频信道传输给头盔本体1中的无线音视频接收端3；所述无线音视频接收端3通过无线音视频信道接收无线音视频发送模块22传输过来的音频和视频数据并对视频数据进行解码使其恢复成能够显示的视频信号，再将解码后的视频图像信号发送给显示屏4显示。这样以来，采用无线通讯技术将使虚拟现实头盔不再通过HDMI等有线方式与上位机连接，当用户使用无线虚拟现实头盔时可以不受线缆束缚而进行较大空间的自由行走，提升虚拟现实体验。

在本发明中，所述上位机100负责进行三维场景的构建，可以采用配置比较高的具有高性能的个人计算机、工作站或者视频服务器等。同时，由于上位机100独立于本发明所述的无线虚拟现实头盔，因此可以通过高性能GPU进行三维计算，且无需考虑电力、重量等问题，彻底满足了虚拟现实应用对重度三维计算能力的要求，所述无线虚拟现实头盔可以充分使用高性能上位机100的计算资源，进行大场景、复杂的虚拟现实计算，上位机100的计算结果传输到所述无线虚拟现实头盔上的显示延时在数毫秒内。

同时，本发明所述的无线虚拟现实头盔还包括一对光学透镜，所述光学透镜能够放大显示屏4上显示的图像，用户通过所述光学透镜观察解码后的虚拟现实输出结果。

在图2中，所述无线音视频发送端2包括编码处理单元21和无线音视频发送模块22，编码处理单元21通过HDMI或DP线缆与上位机100的显卡101连接，这样以来编码处理单元21可以直接获取上位机100的音频和视频信号，实现对视频信号在像素级的编码；编码处理单元21能够对上位机100的显卡101传输过来的视频信号进行实时编码，并将显卡101输出的音频和编码后的视频数据传输给无线音视频发送模块22；其中，编码处理单元21包括实时压缩模块23，编码处理单元21通过实时压缩模块23对图像数据量较高的视频信号进行实时压缩编码，而当视频信号的图像数据量较低时，编码处理单元21对图像数据量较低的视频信号进行实时无压缩编码；由于对上位机100输出的视频信号在图像数据量较低时采用实时无压缩编码，在图像数据量较高时采用实时压缩编码，所以其信号处理不存在任何延时；为了提高效率，解决引入编码解码机制而造成的信号处理延时的问题，所述编码处理单元21采用FPGA、ASSP或ASIC芯片。

其中，无线音视频发送模块22能够将显卡101输出的音频和编码后的视频数据通过无线音视频信道传输给所述无线音视频接收端3，为了保证支持高质量的音频和视频，同时降低时延，无线音视频发送模块22采用WirelessHD 60G、WHDI或WiGig等无线发送模块，其中的WirelessHD 60G无线发送模块包括毫米波矩阵式天线，这样采用高带宽的WirelessHD、WHDI或WiGig等，使无线数据传输带宽较大，所以对于数据量等于或低于无线数据传输带宽的视频不需要对信号源内容进行压缩和解压，对于数据量高于无线数据传输带宽的视频采用实时压缩解码编码，以保证通讯实时性，从而减少由延时造成的眩晕感。

在图3中，所述无线音视频接收端3包括无线音视频接收模块31、解码处理单元32和音频输出模块34，解码处理单元32与音频输出模块34连接并通过MIPI或LVDS接口与显示屏4连接，无线音视频接收模块31能够通过无线音视频信道接收无线音视频发送模块22传输过来的音频和视频数据并将接收到的音频和视频数据传输给解码处理单元32，为了保证支持高质量的视频，同时降低时延，所述无线音视频接收模块31采用WirelessHD 60G、WHDI或WiGig无线接收模块，其中的WirelessHD 60G无线接收模块包括毫米波矩阵式天线，这样采用高带宽的WirelessHD、WHDI或WiGig等，使无线数据传输带宽较大，所以对于数据量等于或低于无线数据传输带宽的视频不需要对信号源内容进行压缩和解压，对于数据量高于无线数据传输带宽的视频采用实时压缩解码编码，以保证通讯实时性，从而减少由延时造成的眩晕感。这样以来，所述无线音视频接收模块31结合无线音视频发送模块22采用无线通讯技术(WirelessHD 60G、WHDI或WiGig)构建本发明所述的无线音视频信道。

其中，解码处理单元32能够对接收到的视频数据进行解码使其恢复成能够显示的视频信号，解码处理单元32能够将接收到的音频发送给音频输出模块34输出，以及能够对接收到的视频数据进行解码使其恢复成能够显示的视频信号并将解码后的视频信号发送给显示屏4显示。同时，解码处理单元32包括实时解压模块33，解码处理单元32通过实时解压模块33对经过实时压缩编码的视频数据进行实时解码并解压。为了提高效率，解决引入编码解码机制而造成的信号处理延时的问题，所述解码处理单元32采用FPGA、ASSP或ASIC芯片；为了解决虚拟现实头盔的姿态解算问题，本发明所述的无线虚拟现实头盔的头盔本体1内部增设惯性传感器模块。这样，所述解码处理单元32结合编码处理单元21对视频信号和数据进行实时编码和解码，从而解决了信号兼容性问题和时序兼容问题。

如图1和图4所示，为了实现用户(HOST)对本发明所述的无线虚拟现实头盔进行管理/状态监控以及获取头盔的姿态功能，在所述上位机100内设置低速无线收发器102，在头盔本体1上设置管理和传感器模块5，低速无线收发器102与管理和传感器模块5之间设置无线低速信道，无线低速信道可以是蓝牙、Wifi、ZigBee或者2.4G的射频，上位机100通过所述无线低速信道获取所述无线虚拟现实头盔的传感器数据，这些数据可以是传感器原始数据也可以是融合后的数据，同时上位机100也可以通过所述无线低速信道对所述无线虚拟现实头盔进行管理。所述管理和传感器模块5能够获取无线虚拟现实头盔的传感器数据，对传感器数据进行处理融合后上传给上位机100，同时也能传送原始数据；所述管理和传感器模块5还可以接收上位机100的命令对头盔进行管理，包括对屏幕参数的调整、耳机话筒音量的调整等。

在图4中，所述无线虚拟现实头盔的头盔本体1中设置有电池供电模块6，实现了头盔独立供电，无须与上位机100存在有线连接。

其中，所述管理和传感器模块5包括低速无线收发模块51、管理和传感器处理单元52以及传感器组53，低速无线收发模块51和低速无线收发器102之间建立实现无线连接的无线低速信道，低速无线收发模块51和低速无线收发器102可以为蓝牙、Wifi、ZigBee或者2.4G的射频无线传输方式；管理和传感器处理单元52能够获取传感器组53的传感器数据并与低速无线收发模块51能够双向数据传输，既将获取的传感器数据通过低速无线收发模块51与低速无线收发器102之间的无线低速信道传输给上位机100，也接收上位机100通过无线低速信道传递过来的管理命令，所述管理和传感器处理单元52可以集成在解码处理单元32中，也可以使用单独的处理器；传感器组53包括陀螺仪、磁力计、温度传感器、电池电量传感器和眼球追踪传感器中的至少一个，所述陀螺仪由管理和传感器处理单元52进行俯仰角、偏航角和翻滚角，从而提供这些数据给上位机100进行虚拟现实应用程序计算，所述温度传感器能够获取电路、电池供电模块6和显示屏4的工作温度并向上位机100返回，所述电池电量传感器能够获取电池供电模块6剩余电量并向上位机100返回。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。