一种头戴式虚拟现实设备及包括该设备的虚拟现实系统.pdf

本发明公开了一种头戴式虚拟现实设备，包括显示系统和与其连接的虚拟现实引擎。所述虚拟现实引擎包括虚拟现实核心电路板，所述虚拟现实核心电路板包括：核心处理器模块和与其连接的电源管理模块、无线通讯模块、惯性姿态测量模块、音频解码模块、用于提供指令的按键以及用于充电或传输数据的接口。本发明还公开了一种包括该设备的虚拟现实系统。本发明虚拟现实系统将虚拟现实引擎与显示系统集成为一个独立的头戴式虚拟现实设备，并通过无线方式与交互设备连接，还通过沉浸式3D操作系统，给使用者呈现出更好的3D场景效果，让体验者具有身临其境的、美好的虚拟现实体验感觉。且本发明结构简单、使用方便、利用推广。

权利要求书1.  一种头戴式虚拟现实设备，包括显示系统，其特征在于，还包括与所述显示系统连接的虚拟现实引擎。2.  根据权利要求1所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述虚拟现实引擎包括虚拟现实核心电路板，所述虚拟现实核心电路板包括：核心处理器模块和与其连接的电源管理模块、无线通讯模块、惯性姿态测量模块、音频解码模块、用于提供指令的按键以及用于充电或传输数据的接口。3.  根据权利要求2所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述核心处理器模块包括4个ARM CORTEX A15的核心和4个ARM CORTEX A7的核心。4.  根据权利要求2所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述电源管理模块可通过电池或外部供电设备供电，所述电源管理模块还包括电源管理系统，所述电源管理系统能实时监测电量并根据监测到的电量数据控制所述虚拟现实引擎的运行。5.  根据权利要求2所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述无线通讯模块包括WIFI通讯模块和蓝牙通讯模块，WIFI通讯模块的工作频率为2.4-2.4835GHz，蓝牙通讯模块的工作频率为2.4-2.45GHz。6.  根据权利要求2所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述惯性姿态测量模块由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器中的一个或多个组成。7.  根据权利要求2所述的头戴式虚拟现实设备，其特征在于，所述显示系统包括显示器和位于显示器与人眼之间的光学处理构件，所述光学处 理构件由两组分别对应左右眼的光学镜片组成，且所述光学镜片为可调节式；所述显示器包括LCD液晶显示面板和背光板，所述LCD液晶显示面板分辨率为1080x1920，且所述显示面板与所述虚拟现实核心电路板的连接接口采用MIPI DSI接口。8.  一种包括权利要求1-7任一项所述的头戴式虚拟现实设备的虚拟现实系统，其特征在于，还包括交互设备，所述交互设备包括无线手柄和无线接收器，所述无线接收器与所述虚拟现实引擎连接，并通过无线方式接收无线手柄发送的指令信息。9.  根据权利要求8所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述无线手柄包括无线手柄核心电路板和与其连接的用于提供指令的按键和摇杆。10.  根据权利要求8所述的虚拟现实系统，其特征在于，所述虚拟现实系统的操作系统为3D操作系统。

说明书一种头戴式虚拟现实设备及包括该设备的虚拟现实系统
技术领域
本发明涉及虚拟现实技术领域，特别是涉及一种头戴式虚拟现实设备及包括该设备的虚拟现实系统。
背景技术
随着软硬件技术水平的不断提高，虚拟现实成为了近年来的热门高科技技术。现有的虚拟现实系统是通过带有中央处理器的高性能运算系统模拟出一个虚拟的三维世界，再辅以显示系统和交互系统，向使用者提供视觉、听觉、触觉等感官的模拟体验，让使用者如同置身其中，像真实世界一般观察虚拟世界中的事物，并与其进行互动。虚拟现实是一门综合性很强的技术，涵盖了包括实时三维图形建模技术、宽视角立体显示技术、对使用者的头部运动、眼部运动和肢体运动的实时跟踪技术、触觉反馈技术、立体声技术以及高速数据传输和处理技术等。目前虚拟现实技术已经广泛的应用在医学，建筑展示，军事等多个领域。
目前较常见的虚拟现实设备主要有两种，一种是虚拟现实显示系统，其主要组成部分是光学结构和显示系统，显示系统需要通过通讯接口与外部的虚拟现实引擎相连接，用以接收外部虚拟现实引擎处理后的显示内容，通过光学结构为使用者呈现出一个虚拟的三维环境。这类设备构造简单，但由于作为核心部件的虚拟现实引擎在外部，所以它必须要通过通讯接口与外部虚拟现实引擎连接才能工作，而虚拟现实内容的传输对通讯接口的带宽要求很高，目前还主要以有线的方式传输。这就使得这类设备必须要连接数据线，由于连接线的长度有限，会对头部的运动造成限制，影响了体验效果，并且还会造成佩戴不舒适等问题。另外，由于虚拟现实引擎在 外部，一般的控制器是与虚拟现实引擎进行交互，而佩戴虚拟现实显示设备后，使用者是看不到外部环境的，这也在一定程度上限制了交互系统的使用。另一种虚拟现实设备是一种光学结构，其显示系统和虚拟现实引擎都需要外部设备提供，如智能手机。外部设备处理后的内容，通过这种虚拟现实光学结构，给使用者呈现出一个虚拟的三维环境。这种设备只是提供了一种光学结构使内容立体化，而受制于外部设备的性能，尺寸等因素，整体效果很难提高。在软件的处理上，由于一般的外部设备不是专门为虚拟现实设计，对于软件的优化和干扰信息，如智能手机的来电、通知、短信等的处理都有很大的难度，所以无法达到较好的效果。
由此可见，上述现有的虚拟现实设备及虚拟现实系统在结构、方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种使用方便、结果简单且立体效果好的新的头戴式虚拟现实设备及包括该设备的虚拟现实系统，成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使用方便、结果简单的头戴式虚拟现实设备，使使用者脱离连线的束缚，更加自由舒适的体验虚拟环境，从而克服现有的虚拟现实设备的不足。
为解决上述技术问题，本发明提供一种头戴式虚拟现实设备，包括显示系统，还包括与所述显示系统连接的虚拟现实引擎。
作为本发明的一种改进，所述虚拟现实引擎包括虚拟现实核心电路板，所述虚拟现实核心电路板包括：核心处理器模块和与其连接的电源管理模块、无线通讯模块、惯性姿态测量模块、音频解码模块、用于提供指令的按键以及用于充电或传输数据的接口。
进一步改进，所述核心处理器模块包括4个ARM CORTEX A15的核心和4个ARM CORTEX A7的核心。
进一步改进，所述电源管理模块可通过电池或外部供电设备供电，所述电源管理模块还包括电源管理系统，所述电源管理系统能实时监测电量并根据监测到的电量数据控制所述虚拟现实引擎的运行。
进一步改进，所述无线通讯模块包括WIFI通讯模块和蓝牙通讯模块，WIFI通讯模块的工作频率为2.4-2.4835GHz，蓝牙通讯模块的工作频率为2.4-2.45GHz。
进一步改进，所述惯性姿态测量模块由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器中的一个或多个组成。
进一步改进，所述显示系统包括显示器和位于显示器与人眼之间的光学处理构件，所述光学处理构件由两组分别对应左右眼的光学镜片组成，且所述光学镜片为可调节式；所述显示器包括LCD液晶显示面板和背光板，所述LCD液晶显示面板分辨率为1080x1920，且所述显示面板与所述虚拟现实核心电路板的连接接口采用MIPI DSI接口。
本发明还要解决的技术问题是提供一种使用方便、结果简单的虚拟现实系统，使使用者脱离连线的束缚，更加自由舒适的体验虚拟环境，从而克服现有的虚拟现实系统的不足。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种包括上述头戴式虚拟现实设备的虚拟现实系统，该虚拟现实系统还包括交互设备，所述交互设备包括无线手柄和无线接收器，所述无线接收器与所述虚拟现实引擎连接，并通过无线方式接收无线手柄发送的指令信息。
进一步改进，所述无线手柄包括无线手柄核心电路板和与其连接的用于提供指令的按键和摇杆。
进一步改进，所述虚拟现实系统的操作系统为3D操作系统。
采用上述的技术方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明头戴式虚拟现实设备将虚拟现实引擎与显示系统结合，避免 了现有技术中需要带宽要求很高的通讯接口来完成外设的虚拟现实引擎与显示系统的内容传输，以及脱离了连接线的束缚限制，使用户可以更加自由的、舒适的体验虚拟现实环境。
2、本发明虚拟现实系统将虚拟现实引擎与显示系统集成为一个独立的头戴式虚拟现实设备，并通过无线方式与交互设备连接，还通过沉浸式3D操作系统，给使用者呈现出更好的3D场景效果，让体验者具有身临其境的、自由自在的、美好的虚拟现实体验感觉。
3、本发明虚拟现实系统结构简单、使用方便、利用推广。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明虚拟现实系统的结构示意图；
图2是本发明头戴式虚拟现实设备与人眼配合的原理示意图；
图3是本发明头戴式虚拟现实设备的结构示意图；
图4是本发明头戴式虚拟现实设备中核心电路板的结构示意图；
图5是本发明虚拟现实系统中无线手柄的结构示意图。
具体实施方式
参照附图1所示，本发明虚拟现实系统包括头戴式虚拟现实设备和交互设备。
参照附图2所示，头戴式虚拟现实设备佩戴在头部使用，其与人脸部接触部分设置成舒适的贴合结构，且配有将其绑定在头部的绑定机构，该绑定机构在图中未示出。
参照附图3和4所示，头戴式虚拟现实设备包括显示系统和虚拟现实引擎。该显示系统包括光学处理构件100和显示器101。光学处理构件100 由结构部件安装在显示器101与人眼之间，通过优化过的参数处理来自显示器101的内容。本实施例中光学处理构件100由两组光学镜片组成，每组镜片对应一只眼睛，负责对进入眼睛的图像进行处理，使其可以在人眼中呈现清晰的图像。由于不同人眼的视力水平不同，所以安装该镜片的结构部件采取可调节物距的方式使其能够适配0-600度左右的近视眼用户，同时每个人的眼瞳距也不相同，根据人眼的双目成像原理，每只眼睛接收到的图像需要跟瞳距匹配才能由大脑融合成三维图像，因此，该结构部件还采用瞳距可调式设计，调节范围可以适配大部分人眼。
显示器101通过内部高速通讯接口126与虚拟现实引擎连接，以接收虚拟现实的内容，给使用者呈现出一个虚拟的三维环境。本实施例中显示器101包括集成的LCD液晶显示面板和背光板，LCD液晶显示面板分辨率为1080x1920，尺寸为5.7寸，被固定在该虚拟现实设备内部的合适位置。显示器101在显示内容时，通过软件将普通的图像画面由垂直方向分为两个画面显示，分别对应人的两只眼睛，当两个画面分别进入人的双眼后，大脑可以将其融合成三维画面，呈现虚拟环境。本实施例中每个画面显示的内容可以通过模拟人眼的图像采集器采集，如双摄像头等。当然，也可以通过软件对已有的单摄像头采集的内容进行双目化处理。并且上述图像采集器包括但不限于相机、摄像机设备等，还可以是制作图像内容的软件工具。
虚拟现实引擎是独立的高性能计算存储平台，其运行针对虚拟现实体验的操作系统，为显示系统提供虚拟现实内容。
本实施例虚拟现实引擎包括虚拟现实核心电路板118，该核心电路板118集成有：电源管理模块121、核心处理器模块122、无线通讯模块123、惯性姿态测量模块124、音频解码模块125、高速显示接口126、用以放置存储卡的外部接口103、用以连接与其兼容的外部设备的外部接口104和外部接口105、按键106、按键107、按键108、按键109、外部音频输出接口 110、虚拟现实引擎状态指示灯119和电池接口127。
该电源管理模块121为整个系统提供电能，集成有多路开关电源和线性稳压电源，可通过电池或者外部电源为其供电。电池通过电池接口127与电源管理模块121连接；外部电源通过外部接口105与电源管理模块121连接，外部接口105采用USB2.0标准，所有满足该标准的并达到供电能力供电电源都可以给虚拟现实核心电路板118供电。
优选该电源管理模块121还配置有电源管理系统，该电源管理系统能自动识别外部供电电源是电池还是通过外部接口105供电。针对电池供电，电源管理系统会实时的检测电池的状态，如温度、电流、剩余电量等参数，根据检测的数据开启或关闭部分器件，以控制虚拟现实引擎的运行情况，达到节省电池电能、兼顾性能和耗电量的作用。如当电源管理系统检测到电池剩余电量不足20％时，电源管理模块121会把这一信息传输给核心处理器模块122，由该模块降低显示器101的亮度，以达到节省电能的目的；当电源管理系统检测到电池的温度过高，电源管理系统会自动切断输入到输出的连接，虚拟现实核心电路板118会停止工作。针对电源管理模块121通过外部接口105由外部设备对其进行充电时，电源管理系统会实时检测电池状态，如温度、电流、剩余电量等参数，以兼顾安全性和充电速度。
核心处理器模块122的中央处理器包括4个基于ARM CORTEX A15的核心和4个基于ARM CORTEX A7的核心。为达到性能和耗电的平衡，该核心处理器模块122可以根据当前系统的任务数量和任务类型来决定需要开启的核心处理器种类和数量。如当核心处理器模块122需要处理高清影视播放任务时，4个A15核心会全部开启，用来完成视频解码等工作，而只开启2个A7核心用来处理简单的控制和任务调度工作，该组成的模块特别适合于需要电池供电的虚拟现实设备。
该核心处理器模块122集成有1个满足USB2.0OTG标准的接口控制器，该控制器与外部接口105连接，在满足USB2.0OTG标准的USB SLAVE外部 设备与外部接口105连接后，可以控制电源管理模块121给该外部设备供电并与其进行通讯；在满足USB2.0标准的USB HOST外部设备与外部接口105连接后，可以控制USB HOST外部设备对虚拟现实核心电路板118的电池进行充电并与核心处理器模块122进行数据通讯。
该核心处理器模块122集成有1个满足USB2.0HOST标准的接口控制器，该控制器与外部接口104连接，在满足USB2.0标准的USB SLAVE外部设备与外部接口104连接后，可以控制电源管理模块121给该外部设备供电并与其进行通讯。与外部接口104兼容的外部设备如有线/无线手柄控制器，存储器等。
该核心处理器模块122集成有1个TF卡控制器，其控制外部接口103与TF卡进行数据通讯。该TF卡为内部存储器，用以存储虚拟现实内容和其他数据。
该核心处理器模块122集成有I2S接口控制器，其与音频解码模块125连接，用来进行音频数据的通讯处理。音频解码模块125内部还集成了功率放大器件，能将核心处理器模块122发送的数字信息转换成模拟的音频信号，再通过外部音频输出接口110输出到与其连接的外部发声设备上，如耳机。
该核心处理器模块122集成有1个MIPI DSI高速显示接口控制器，其与高速显示接口126连接，用来进行视频数据的通讯处理。虚拟现实核心电路板118通过高速显示接口126与显示器101连接，高速显示接口126采用最新的MIPI DSI接口技术，可以稳定的以60帧的速率显示2560x1440的图像画面。
该核心处理器模块122集成有SPI串行总线接口，该接口与无线通讯模块123连接，用来与其进行数据通讯。无线通讯模块123通过无线传输的方式接收外部的数据，其内部集成了WIFI通讯模块和蓝牙通讯模块，WIFI 的工作频率为2.4-2.4835GHz，蓝牙工作频率为2.4-2.45GHz，两个模块以时分复用的方式共用一个集成的贴片式天线，通过无线通讯模块123内部的开关进行切换。优选WIFI模块通过无线的方式连接互联网；蓝牙模块一对一的与其他蓝牙设备进行连接，如蓝牙耳机。
该核心处理器模块122集成有I2C串行总线接口，该接口与惯性姿态测量模块124连接，用来与其进行数据通讯。惯性姿态测量模块124由三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器其中的一个或多个组成，用以检测虚拟现实核心电路板118的转动。当用户带上本设备时，头部的转动与虚拟现实核心电路板118的转动同步，通过惯性姿态测量模块124即可检测头部的转动。虽然在技术上，三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器所测量的数据通过数学算法都可以转换成所需的欧拉角或四元数数据，从而能唯一的确定被测物体的姿态，该被测物体指用户的头部。但是目前加速度传感器的瞬时误差较大，陀螺仪传感器有由时间决定的积累误差，时间越长，误差越大，该误差会造成测量姿态的偏移。所以最优实施例为使用三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器共同组成惯性姿态测量模块124，通过优化的融合算法，可以精确的测量头戴式虚拟现实设备三轴的角速度变化，得出准确的低延迟的姿态数据。当把该设备戴在头上使用时，就可以通过惯性姿态测量模块124检测头部的运动。
该核心处理器模块122还集成有若干输入/输出接口，其与按键106至109连接，用来接收按键信号，并进行相应处理。
虚拟现实引擎状态指示灯119也与一输入/输出接口连接，可为一个RGB三色灯，能同时显示一种颜色或多种颜色的组合，如可以预先设定为：当核心处理器模块122正常工作时，绿色灯亮；当电池电量低于20％时，红色灯亮；当电池充电时，绿色灯闪烁；当电池充满时，蓝色灯亮。
虚拟现实引擎配置的按键106和按键107可控制音量的升高和降低； 按键108可控制虚拟现实引擎的开/关机和显示系统的开/关；按键109可控制虚拟现实引擎操作系统的部分功能，如可控制虚拟现实引擎的操作系统返回主界面。
参照附图5所示，交互设备包括无线手柄111和无线接收器112。
无线接收器112连接虚拟现实引擎的外部接口104或外部接口105，通过无线的方式与无线手柄111进行一对一的连接。本实施例中无线接收器112中设有接收器核心电路板129，接收器核心电路板129包括无线收发模块和USB连接器，无线收发模块集成有无线收发器和USB控制器。若USB接口为Micro USB型号时，可与外部接口105连接；若USB接口为USB A型号时，与外部接口104连接。该无线接收器112的无线收发器被配置成接收模式，通过与无线手柄111的无线收发器进行对码，一对一的进行单向数据传输。无线接收器112将收到的数据信号通过外部接口105或外部接口104传输到虚拟现实核心电路板118，用以响应无线手柄111的控制信息。
无线手柄111包括无线手柄核心电路板128、摇杆113、手柄状态指示灯120以及各种按键。其中，摇杆113用以提供连续的方向控制，按键114和按键115分别用以控制音量的升高和降低，按键116用以控制手柄的开和关，按键117用来控制虚拟现实引擎的部分功能，如可控制虚拟现实引擎的操作系统返回主界面。
无线手柄核心电路板128包括无线收发模块和电池。该无线收发模块集成有精简单片机系统和无线收发器。该单片机系统集成有若干输入/输出接口，分别连接摇杆113及各种按键，用来接收其传来的控制信息。该无线收发器被设置成发射模式，与无线接收器112的无线收发器进行对码，将上述控制信息发送给无线接收器112。
优选无线收发模块采用2.4GHz频段传输数据，由于使用的协议和传输 方式均与WIFI通讯模块和蓝牙通讯模块不同，所以相互不会造成干扰。
本发明虚拟现实系统的操作系统可以为现有的任何操作系统，如android 4.2，也可以为基于现有操作系统进行二次开发的沉浸式3D操作系统，即将原系统的桌面和操作界面都变为3D桌面和界面，以沉浸式的3D方式展现在用户面前，如以3D场景的方式或以其他具备3D效果的方式展示，给用户置身于操作系统之中的感觉。在此状态下，可以屏蔽干扰沉浸式体验的来电、短信、提示等各种信息，待用户退出完全沉浸式状态后才可以查看到这些信息，同样允许用户设置某些信息不受完全沉浸式状态的限制。
该沉浸式3D操作系统通过转动和俯仰头部，可以看到整个完整的3D操作界面，并通过跟踪眼球的聚焦位置实现该操作系统的控件、窗口等选择操作。眼球聚焦的位置可以显示2D图片或3D模型等能起到提示作用的各种形状的图标，进而直观地提示用户。当聚焦到某位置时，可以同时显示各种2D或3D效果，以便加强选择操作效果。选择的对象可以是所有可以进行操作、响应选取功能的所有2D或3D的各种控件、窗口、模型等。当然，该操作系统也支持其他输入设备的数据输入，如传统鼠标、游戏手柄、各种定制手柄等用作数据输入的设备。
该操作系统可自动测试用户的瞳距，并根据用户的瞳距对虚拟现实左右显示屏显示内容进行调整。在测试过程中可以通过硬件部件获取眼睛位置并自动计算出瞳距。若用户感觉不适，可以启动瞳距测试相关软件，在用户的配合下，自动识别和测出瞳距值，并实时生效进而相应地调整显示器上左右双屏显示的内容。
该操作系统还具有反畸变和反色差的功能，使显示器上的光通过透镜到达人眼后，形成正确的且无畸变、无色差的内容。也可以采用反畸变、反色差的相关软件，通过用户配合完成反畸变参数、反色差参数的获取， 并设定此反畸变和反色差参数可以实时生效，进而调整显示器上左右双屏的显示内容，已达到反畸变和反色差的效果。
该操作系统还支持运行用户对自己特征进行个性配置的功能，比如：身高、3D模型、发型、五官、服装等，该操作系统本身的场景可根据这些个性特征进行相应调整。而且在该操作系统上运行的软件也可以获取上述用户自身特征的参数并应用到自己的软件中，同时这些特征均可以进行修改。
该操作系统本身可以通过互联网进行更新，根据更新内容的不同，决定是否需要重新启动。
该操作系统支持视频(2D、3D、全景)和图片(2D、3D、全景)的查看，视频和图片可以来自于本地，也可以通过有线、无线或相关接口获取。当显示2D视频和图片时，显示器的左右两屏显示内容一致；当显示3D视频和图片时，显示器的左右两屏分别显示不同的效果，为用户呈现强烈的3D效果；当显示全景视频和图片时，用户既可以体验3D效果，还可以旋转头部，从不同方向看视频和图片的不同内容。
该操作系统还支持用户都在服务器上设定自己账号的功能，所有具有自己账号的用户之间可以进行各种交互操作，如加为好友、关注、删除、聊天、多人聊等相关操作。
每个具有自己账号的用户都可以建立自己的虚拟家园，家园中有花园、汽车、书房、卧室等。该虚拟现实系统启动后用户可以在自己的床上或其他任何地方进行相关操作，并且无论在何处，都可以调出主操作系统或启动任何程序。用户也可以邀请其他用户到自己的家园中，与自己一起在虚拟家园中玩耍，看自己的物品，如软件、影片、虚拟物品等，也可以在自己家园中一起互动。还有，用户可以将自己的屏幕分享给其他用户，直接向其他用户直播自己的屏幕，或者将屏幕录下来，允许其他用户点播。
本发明虚拟现实系统还包括服务器，该虚拟现实系统中的操作系统相关参数、安装的各种软件、本地数据等信息均可上传到该服务器上，用于存储和备份。若设备丢失或损坏后，购买新设备并绑定自己的账号后，一切数据都可以恢复。
本发明虚拟现实系统将虚拟现实引擎与显示系统结合，通过无线方式与交互设备连接，并通过沉浸式3D操作系统，给使用者呈现出更好的3D场景效果，让体验者身临其境，具有良好的虚拟现实体验感觉。该虚拟现实系统简单方便、不受数据连线的限制，使用户可以更加自由的、舒适的体验虚拟现实环境。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。