本發(fā)明涉及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，特別是一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝置和實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，下面簡稱ar)，是一種結(jié)合虛擬化技術(shù)來呈現(xiàn)世界的方式，ar能為我們提供現(xiàn)實(shí)中無法直接獲知的信息。隨著移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的快速提升，ar技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。如醫(yī)生可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，輕易地進(jìn)行手術(shù)部位的精確定位。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在工業(yè)上也已經(jīng)出現(xiàn)很多應(yīng)用，目前主要用于大型器械的維修和制造上，通過為維修人員裝備頭戴式展示器，維修人員可以在維修時(shí)輕松獲取對(duì)他們有用的很多幫助信息。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在游戲和娛樂中的應(yīng)用同樣很多。

相關(guān)技術(shù)中，用戶可以通過佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景。該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備能夠通過設(shè)置在設(shè)備上的攝像頭實(shí)時(shí)獲取該用戶周圍環(huán)境的圖像，并發(fā)送至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)器中，以便增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)器能夠?qū)⒃撚脩糁車h(huán)境的圖像與計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)產(chǎn)生的虛擬場景進(jìn)行處理和疊加，生成增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景，再通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備中的顯示裝置將該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場景呈現(xiàn)給用戶。

目前很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備是將增強(qiáng)信息合成到現(xiàn)實(shí)場景的二維影像中，無法再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場景的深度感受。利用光學(xué)反射原理在組合玻璃上投影顯示增強(qiáng)信息，雖然可以解決景深問題，但顯示效果受環(huán)境光的影響較大，同時(shí)受組合玻璃安裝角度、空間位置和形狀大小的限制。視網(wǎng)膜直接投影設(shè)備可以很好地將增強(qiáng)信息疊加到現(xiàn)實(shí)三維場景中，但需要復(fù)雜精密的可穿戴設(shè)備，成本高、開發(fā)周期長，而且使用不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝置和實(shí)現(xiàn)方法。

本發(fā)明提供了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝置，包括：

顯示屏幕，用于顯示增強(qiáng)信息，同時(shí)其透明度可控，通過顯示屏幕透明狀態(tài)的不斷切換，使得現(xiàn)實(shí)場景和增強(qiáng)信息可以疊加顯示；

成像設(shè)備，用于生成增強(qiáng)信息，并將其傳輸至顯示屏幕；

控制器，用于計(jì)算增強(qiáng)信息生成在顯示屏幕上的位置，同時(shí)還用于控制顯示屏幕和成像設(shè)備。

優(yōu)選地，所述控制器設(shè)有計(jì)算裝置，所述計(jì)算裝置用于計(jì)算增強(qiáng)信息生成在顯示屏幕上的位置。

優(yōu)選地，所述顯示屏幕采用透光度可控液晶膜材料制成，所述控制器設(shè)有電位差波形發(fā)生器，所述電位差波形發(fā)生器電連接顯示屏幕，用于控制顯示屏幕的透明度。

優(yōu)選地，所述控制器還設(shè)有用于感知方位的傳感器，所述傳感器用于測量方位數(shù)據(jù)并將其上傳至控制器。

優(yōu)選地，所述控制器還設(shè)有通訊裝置，所述通訊裝置用于將控制器獲得的信息上傳至服務(wù)器，以及從服務(wù)器下載信息。

本發(fā)明還提供了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟：

s1、控制器確定顯示屏幕當(dāng)前的方位，以及相應(yīng)的屏幕坐標(biāo)系(i1，j1，k1，1)及相對(duì)于參考坐標(biāo)系(i0，j0，k0，0)的旋轉(zhuǎn)矩陣a；

s2、控制器提取需要疊加到現(xiàn)實(shí)場景中的增強(qiáng)信息及其在參考坐標(biāo)系(i0，j0，k0，0)中的坐標(biāo)；

s3、控制器計(jì)算增強(qiáng)信息在顯示屏幕上生成位置的坐標(biāo)；

s4、控制器控制顯示屏幕的透明度；

s5、控制器控制成像設(shè)備將增強(qiáng)信息傳輸至顯示屏幕上由步驟s3計(jì)算得到的位置坐標(biāo)。

優(yōu)選地，所述步驟s3包括以下步驟：

s31、確定現(xiàn)實(shí)場景中需疊加增強(qiáng)信息的點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為同時(shí)計(jì)算其在屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

其中a為屏幕坐系標(biāo)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為參考坐標(biāo)系原點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

s32、判定顯示屏幕的曲率是否大于閥值，若小于等于閥值，則執(zhí)行步驟s33的計(jì)算步驟，若大于閥值，則執(zhí)行步驟s34的計(jì)算步驟；

s33、確定使用者的眼睛相對(duì)于屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為計(jì)算投影點(diǎn)和觀察者的眼睛連線與屏幕坐標(biāo)系k1-j1平面的交點(diǎn)為

s34、計(jì)算投影點(diǎn)和觀察者的連線與屏幕曲面的交點(diǎn)

其中是屏幕在(i1，j1，k1，1)坐標(biāo)系下的曲面方程。

綜上所述，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

使用本發(fā)明不需要任何穿戴設(shè)備，用戶就可以看到疊加在現(xiàn)實(shí)三維場景中的增強(qiáng)信息，而不是疊加有增強(qiáng)信息的合成二維場景影像，同時(shí)受環(huán)境光影響小。另外，本發(fā)明安裝簡單，受安裝空間、角度和形狀限制小，使用范圍廣發(fā)，應(yīng)用場景靈活。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法投影點(diǎn)計(jì)算準(zhǔn)確度高，計(jì)算量較小。

附圖說明

圖1為本實(shí)施例的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的應(yīng)用場景示意圖；

圖2為本實(shí)施例的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)方法的流程圖；

圖4為投影位置坐標(biāo)計(jì)算示意圖；

圖5為真實(shí)場景的應(yīng)用示意圖；

圖6為使用者看到的經(jīng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置處理后的圖像信息。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施方式及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說明。

如圖1-6所示，本發(fā)明提供了一種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝置，包括：

顯示屏幕，用于顯示增強(qiáng)信息，同時(shí)其透明度可控，通過顯示屏幕透明狀態(tài)的不斷切換，使得現(xiàn)實(shí)場景和增強(qiáng)信息可以疊加顯示；

成像設(shè)備，用于生成增強(qiáng)信息，并將其傳輸至顯示屏幕；

控制器，用于計(jì)算增強(qiáng)信息生成在顯示屏幕上的位置，同時(shí)還用于控制顯示屏幕和成像設(shè)備。

所述顯示屏幕采用透光度可控液晶膜材料制成，所述控制器設(shè)有電位差波形發(fā)生器，所述電位差波形發(fā)生器電連接顯示屏幕，用于控制顯示屏幕的透明度。

本發(fā)明的顯示屏幕可以在透明和不透明之間切換，比如采用透光度可控液晶膜材料，該種材料由兩層透明的導(dǎo)電薄膜和夾在中間的液晶分子構(gòu)成，兩層導(dǎo)電薄膜分別連接兩個(gè)電極。當(dāng)電極之間沒有電位差的時(shí)候，液晶分子的排列是無序的，液晶膜材料是不透明的。在電極之間施加電位差，則液晶分子有序排列，使液晶膜材料進(jìn)入透明狀態(tài)。其透明度可以通過電位差的高低進(jìn)行調(diào)制，因此可以通過控制電位差波形發(fā)生器來控制顯示屏幕的透明度，當(dāng)電位差波形發(fā)生器連接電源和屏幕電極時(shí)，用于在電極之間產(chǎn)生一定波形的電位差，從而控制液晶膜材料的通斷電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)屏幕透明狀態(tài)的切換，通常波形頻率不應(yīng)小于48赫茲。

所述控制器設(shè)有計(jì)算裝置，所述計(jì)算裝置用于計(jì)算增強(qiáng)信息生成在顯示屏幕上的位置。

所述控制器還設(shè)有用于感知方位的傳感器，所述傳感器用于測量方位數(shù)據(jù)并將其上傳至控制器。

在移動(dòng)應(yīng)用的場景中，需要感知設(shè)備的位置和方向，以便于計(jì)算投影位置，因此設(shè)置了感知方位的傳感器，便于精確定位。

所述控制器還設(shè)有通訊裝置，所述通訊裝置用于將控制器獲得的信息上傳至服務(wù)器，以及從服務(wù)器下載信息。

使用者在使用本增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示裝置時(shí)，通過控制屏幕的透明度可以調(diào)整觀察者所能看到的圖像。當(dāng)屏幕處于透明狀態(tài)時(shí)，觀察者可以看到屏幕另一側(cè)的現(xiàn)實(shí)場景，即如圖5所示，人眼觀察到的雕像。當(dāng)屏幕處于不透明狀態(tài)時(shí)，觀察者可以看到屏幕上呈現(xiàn)的增強(qiáng)影像信息。由于人類視覺的暫留效應(yīng)，視覺暫留時(shí)間約為0.05至0.2秒，而當(dāng)屏幕透明狀態(tài)切換的頻率足夠高時(shí)(大于48赫茲)，使用者可以同時(shí)看到現(xiàn)實(shí)場景和投影疊加在場景中的增強(qiáng)信息，即如圖6所示，人眼能看到在雕像的特定部位出現(xiàn)尺寸線以及尺寸值等增強(qiáng)信息。

如圖4所示，如果希望在現(xiàn)實(shí)場景中的一點(diǎn)r處疊加增加信息時(shí)，則這些信息的投影位置應(yīng)該是觀察者的眼睛和r點(diǎn)連線與屏幕的交點(diǎn)a。而r點(diǎn)的位置坐標(biāo)在參考坐標(biāo)系(i0，j0，k0，0)中的坐標(biāo)是已知的，那么其在的屏幕坐標(biāo)系(i1，j1，k1，1)中的坐標(biāo)可以通過以下步驟獲得。

s1、控制器確定顯示屏幕當(dāng)前的方位，以及相應(yīng)的屏幕坐標(biāo)系(i1，j1，k1，1)及相對(duì)于參考坐標(biāo)系(i0，j0，k0，0)的旋轉(zhuǎn)矩陣a；

s2、控制器提取需要疊加到現(xiàn)實(shí)場景中的增強(qiáng)信息及其在參考坐標(biāo)系(i0，j0，k0，0)中的坐標(biāo)；

s3、控制器計(jì)算增強(qiáng)信息在顯示屏幕上生成位置的坐標(biāo)；

s4、控制器控制顯示屏幕的透明度；

s5、控制器控制成像設(shè)備將增強(qiáng)信息傳輸至顯示屏幕上由步驟s3計(jì)算得到的位置坐標(biāo)。

優(yōu)選地，所述步驟s3包括以下步驟：

s31、確定現(xiàn)實(shí)場景中需疊加增強(qiáng)信息的點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為同時(shí)計(jì)算其在屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

其中a為屏幕坐系標(biāo)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為參考坐標(biāo)系原點(diǎn)在屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

s32、判定顯示屏幕的曲率是否大于閥值，若小于等于閥值，則執(zhí)行步驟s33的計(jì)算步驟，若大于閥值，則執(zhí)行步驟s34的計(jì)算步驟；

s33、確定使用者的眼睛相對(duì)于屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為計(jì)算投影點(diǎn)和觀察者的眼睛連線與屏幕坐標(biāo)系k1-j1平面的交點(diǎn)為

s34、計(jì)算投影點(diǎn)和觀察者的連線與屏幕曲面的交點(diǎn)

其中是屏幕在(i1，j1，k1，1)坐標(biāo)系下的曲面方程。

使用本實(shí)施例的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置時(shí)不需要任何穿戴設(shè)備，用戶就可以看到疊加在現(xiàn)實(shí)三維場景中的增強(qiáng)信息，而不是疊加有增強(qiáng)信息的合成二維場景影像。同時(shí)，該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置顯示效果受環(huán)境光影響小。另外，該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝置受安裝空間、角度和形狀限制小，使用范圍廣發(fā)，應(yīng)用場景靈活。同時(shí)，提供的增強(qiáng)顯示的實(shí)現(xiàn)方法，投影點(diǎn)計(jì)算準(zhǔn)確度高，計(jì)算量較小。

同時(shí)本發(fā)明上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明技術(shù)方案之用，僅為本發(fā)明技術(shù)方案的列舉，并不用于限制本發(fā)明的技術(shù)方案及其保護(hù)范圍。采用等同技術(shù)手段、等同設(shè)備等對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求書及說明書所公開的技術(shù)方案的改進(jìn)應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是沒有超出本發(fā)明權(quán)利要求書及說明書所公開的范圍。