一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统技术领域
本发明属于多媒体应用技术领域，特别涉及一种超大视场角的双目立体显示的透
射式增强现实系统。
背景技术
增强现实是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的技术，该技术是将
原本真实世界一定时间空间范围内很难体验到的信息(如视觉、声音、味道、触觉等)通过电
脑技术模拟仿真后再叠加到现实世界被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。
增强现实技术可广泛应用到军事、医疗、建筑、教育、工程、影视、娱乐等领域。
增强现实头戴式系统是增强现实技术在可穿戴式计算机领域的一种应用产品，拥
有透射式近眼显示系统、独立的操作系统和强大的图像处理能力，用户既能看到真实场景
又能看到计算机生成的虚拟信息。使用增强现实头戴式系统时，用户的手类似于电脑的光
标，增强现实头戴式系统通过识别用户的手势实现人机交互，用户可以通过变换手势对系
统显示的界面进行操作，实现单击、双击、缩放、滑动等效果。
目前现有的增强现实系统的视场角较小，例如现有专利公开号为CN105425395A公
开的一种玻璃方案的大视场角增强现实眼镜，该技术中提供的眼镜能够实现增强现实显
示，但是其视场角仍然无法满足用户需求，此外，现有专利公开号为CN103996322A公开了一
种基于增强现实的焊接操作训练模拟方法，该方法中提供了增强现实眼镜，该眼镜为单目
显示的增强现实眼镜，其在应用过程中不能使用户通过左右眼实时接收到具有立体视差的
图像，为此，无法使用户感受到真实的立体效果，不能满足人眼视角的实际观看需求，为此
急需开发一种超大视场角的且能够实现三维立体显示的增强现实系统。
发明内容
为了解决现有的增强现实系统视场角较小，且现有的单目显示的增强现实眼镜不
能使用户通过左右眼实时接收到具有立体视差的图像，为此，无法使用户感受到真实的立
体效果，不能满足人眼视角的实际观看需求等问题，本发明提供了一种超大视场角的双目
立体显示的透射式增强现实系统。
本发明具体技术方案如下：
本发明提供了一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统，包括头戴
式设备，所述头戴式设备包括电路系统、用于显示画面的显示屏、两个出瞳位置与人眼瞳孔
位置重合的透镜、分束镜及设置在所述电路系统前端的空间深度感知设备，所述显示屏位
于两个所述透镜上方，所述分束镜位于两个所述透镜下方；
所述空间深度感知设备用于实时拍摄所述头戴式设备前方现实场景的空间图片，
并将所述空间图片发送至所述电路系统；
所述电路系统将接收到的所述空间图片进行分析获得所述空间图片内的空间信
息，并根据所述空间信息计算所述现实场景中每一点的深度信息，同时根据所述深度信息
将存储在所述电路系统内的三维虚拟影像叠加到所述现实场景中形成增强现实影像，所述
空间信息为所述现实场景的三维坐标，所述深度信息为所述现实场景中每一点所在位置对
应的Z轴坐标。
进一步的，所述显示屏与所述透镜光轴的夹角为0-180°，所述分束镜与所述透镜
光轴的夹角为1-90°；所述透镜与所述显示屏的间距小于所述透镜的一倍焦距；
优选的，所述显示屏与所述透镜光轴的夹角为90°。
进一步的，所述透镜由至少两块透镜片叠加组成。
进一步的，所述电路系统包括存储模块及与所述存储模块相通讯的处理模块、计
算模块、分屏显示模块、图像输出模块，所述处理模块与所述计算模块相通讯，所述计算模
块和所述图像输出模块均与所述分屏显示模块相通讯；
所述存储模块内存储有三维虚拟影像；
所述处理模块用于接收所述空间深度感知设备发送的所述空间图片，并对所述空
间图片进行图像分析获得所述空间图片内的空间信息，并根据所述空间信息提取每张图片
中各像素点的深度值获得深度信息，发送至所述计算模块；
所述计算模块根据所述深度信息计算所述三维虚拟影像在所述现实场景中位置
信息，并根据所述位置信息将所述存储模块中的所述三维虚拟影像叠加在所述现实场景
中，所述位置信息为所述三维虚拟影像叠加在所述现实场景中的位置坐标；
所述分屏显示模块用于将所述计算模块处理后的所述三维虚拟影像进行分屏处
理得到左眼图像和右眼图像，并将所述左眼图像和所述右眼图像发送至所述图像输出模
块，所述图像输出模块将将所述左眼图像和所述右眼图像输出至所示显示屏中显示，所述
显示屏发出的光线分别经过两个所述透镜后再经过所述分束镜的反射后进入人眼，人眼通
过此透射式增强现实系统观察到增强现实影像。
进一步的，所述电路系统还包括与所述处理模块相通讯的语音识别模块和脑电波
识别模块，所述语音识别模块用于读取语音信息并转化为语音操控指令实现交互；所述脑
电波识别模块用于采集用户脑电波信号，并对所述脑电波信号进行识别后形成控制指令从
而实现交互；
所述头戴式设备还设有若干与所述电路系统相通讯的传感设备，所述传感设备为
加速度计、罗盘、陀螺仪、GPS中的一种或几种组合，所述传感设备用于采集用户的位姿信息
并发送至所述电路系统，所述电路系统对所述位姿信息进行识别后形成控制指令从而实现
体感交互，所述位姿信息包括人的位置以及人体的头部、腿、脚、躯干、手或手臂在空间中的
移动轨迹。
进一步的，所述空间深度感知设备为第一深度传感器、第二深度传感器和第三深
度传感器中的一种或几种组合，所述第一深度传感器由红外LED灯和红外摄像机组成，所述
第二深度传感器由结构光发射器、红外摄像机和RGB摄像头组成，所述第三深度传感器为
RGB双目摄像头；
所述空间深度感知设备还用于采集用户的手势动作信息并发送至所述电路系统，
所述电路系统对所述手势动作信息进行识别后形成控制指令从而实现交互，所述手势动作
信息包括手指位置、手掌中心位置、手指旋转角度、手指运动角度和手指运动方向。
进一步的，所述头戴式设备还包括用于调节两个所述透镜之间水平距离的瞳距调
节件和用于调节所述透镜与所述显示屏之间距离的间距调节件。
进一步的，所述瞳距调节件包括与两个所述透镜一端滑动连接的横杆，所述横杆
上横向设有第一滑孔，所述第一滑孔内设有两个可沿所述第一滑孔开设方向滑动的第一滑
块，两个所述透镜的端部分别与两块所述第一滑块连接；
所述间距调节件包括两根与所述横杆的左、右两端滑动连接的纵杆，两根所述纵
杆上均纵向设有第二滑孔，所述第二滑孔内设有可沿所述第二滑孔开设方向滑动的第二滑
块，所述横杆的左、右两端分别与两块所述第二滑块连接。
优选的，所述显示屏的数量为一个或两个，所述分束镜的数量为一个或两个，所述
分束镜的反射率为1-100％，所述分束镜的透射率为0-99％；所述透镜为球面透镜、非球面
透镜、菲涅尔透镜、自由曲面透镜或消色差双胶合透镜中的一种或几种的叠加。
优选的，所述头戴式设备还包括镜框，所述电路系统、所述显示屏、两个所述透镜
和所述分束镜均设置在所述镜框上，所述镜框一侧设有与所述电路系统连接的麦克风和扬
声器。
本发明的有益效果如下：本发明提供的超大视场角的双目立体显示的透射式增强
现实系统能够采用增强现实技术将虚拟信息与现实场景叠加起来，且通过显示屏、透镜及
分束镜的特殊组合以及透镜的优化设计形成超大视场角，此外，通过左、右视角的分屏实现
双目立体显示，能够满足人眼视角的实际观看需求，增强用户的感官体验，并增加与用户的
互动性，使用户参与到展示中来，从而实现很好的展示效果。
附图说明
图1为实施例1所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的结构示意图；
图2为实施例2所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的侧视图；
图3为实施例3所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统的
头戴式设备中电路系统的结构框图；
图4为实施例4所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统的
头戴式设备中电路系统的结构框图；
图5为实施例6所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的结构示意图；
图6为图5中A的放大图；
图7为实施例8所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的结构示意图一；
图8为实施例8所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的结构示意图二；
图9为实施例8所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的结构示意图三；
图10为实施例8所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的结构示意图四；
图11为实施例8所述的一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中
头戴式设备的立体结构示意图。
其中：1、电路系统；101、存储模块；102、处理模块；103、计算模块；104、分屏显示模
块；105、图像输出模块；106、语音识别模块；107、脑电波识别模块；2、显示屏；3、透镜；4、分
束镜；5、空间深度感知设备；6、传感设备；7、横杆；8、第一滑孔；9、第一滑块；10、纵杆；11、第
二滑孔；12、第二滑块；13、镜框；14、麦克风。
具体实施方式
下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供了一种超大视场角的双目立体显示的透射式增强
现实系统，包括头戴式设备，头戴式设备可以设计为头盔或眼镜，所述头戴式设备包括电路
系统1、用于显示画面的显示屏2、两个出瞳位置与人眼瞳孔位置重合的透镜3、分束镜4及设
置在所述电路系统1前端的空间深度感知设备5，所述显示屏2位于两个所述透镜3上方，所
述分束镜4位于两个所述透镜3下方，并与透镜3成一定的角度；所述电路系统1位于所述显
示屏2上方，当然，所述电路系统1也可以设计到其他任何不遮挡光路的位置，只要可以实现
处理和数据传输即可。需要说明的是，显示屏2可以为一个或两个组合；每个透镜3可以为一
块透镜3镜片，也可以为多块透镜3镜片叠加组成；分束镜4可以为一个或两个组合。
所述空间深度感知设备5用于实时拍摄所述头戴式设备前方现实场景的空间图
片，并将所述空间图片发送至所述电路系统1，空间图片内包含周围环境的空间信息；优选
的，空间深度感知设备5位于系统的最前端，当然空间深度感知设备5也可以位于系统的其
他位置，但是要保证在系统使用时，它是始终朝着头戴式设备前方的，从而用于实时拍摄头
戴式设备前方的现实场景。
所述电路系统1将接收到的所述空间图片进行分析获得所述空间图片内的空间信
息，并根据所述空间信息计算所述现实场景中每一点的深度信息，同时根据所述深度信息
将存储在所述电路系统1内的三维虚拟影像叠加到所述现实场景中形成增强现实影像，所
述空间信息为所述现实场景的三维坐标，所述深度信息为所述现实场景中每一点所在位置
对应的Z轴坐标。
电路系统1可以带有独立处理器，具有独立的操作系统，可以独立完成信号的处理
和显示，电路系统1也可以是一种信号转换电路，将电脑、手机、平板电脑等的画面转换到本
系统的显示屏2上。
具体使用时，所述空间深度感知设备5用于实时拍摄获取头戴式设备前方的空间
信息，电路系统1接收此信息，经过计算处理，可以获得空间中每一点的深度信息，根据此深
度信息，将三维的虚拟信息精确地叠加到现实场景中，实现增强现实显示。
需要说明的是，所述显示屏2、两个透镜3和分束镜4分别沿左、右透镜3光轴的方向
顺次分布，显示屏2左、右两部分发出的光线分别经过左、右透镜3的传播，再经过分束镜4的
反射进入人眼，在人眼前方呈放大的虚像。人眼的观察位置位于分束镜4的后方。由于左、右
眼看到的虚拟信息具有立体视差，为此，人眼感受到的是三维立体的虚拟信息。
本发明提供的系统中头戴式设备的结构组合能够实现超大视场角，电路系统1能
够根据现实场景的深度信息将三维的虚拟信息精确地叠加到现实场景中，从而实现增强现
实显示。该系统设计简单，生产成本较低。
本系统的成像位置位于人眼的明视距离25cm以外，使用者可以舒适地观看本系统
所显示的内容，不会对用户眼睛造成伤害。
实施例2
如图2所示，本发明实施例2在实施例1的基础上限定了所述显示屏2与所述透镜3
的光轴成一定的角度，优选的，所述显示屏2与所述透镜3光轴的夹角α为0-180°，所述分束
镜4与所述透镜3的光轴成一定角度，优选的，所述分束镜4与所述透镜3光轴的夹角β为1-
90°；所述透镜3与所述显示屏2的间距小于所述透镜3的一倍焦距。
优选的，所述显示屏2与所述透镜3光轴的夹角为90°。
人眼的观察位置位于分束镜4后方，显示屏2所显示的具有立体视差的左、右眼图
像依次通过左、右侧的两个透镜3折射，然后再经过分束镜4反射到人眼中，在人眼前方成放
大的虚像，由于左、右眼看到的虚像具有立体视差，所以形成立体视觉，人眼既可以看到外
界真实的物体，也可以看到本系统显示的立体虚拟物体。
进一步需要说明的是，所述透镜3由至少两块透镜片叠加组成。本技术方案中，通
过透镜3的特殊设计，如利用非球面与球面设计相结合，或设计一个自由曲面的透镜3，能够
实现的最大水平视场角可以达到100°以上，为此，本发明实现了三维立体成像，且具有最大
视场角。
优选的，透镜3为双凸单透镜，一面为非球面，而不是双非球面，这样的设计可以降
低加工成本，精确的优化设计面型能够保证观察透镜3具有很出色的成像质量。
实施例3
本发明实施例3在实施例1的基础上进一步限定了电路系统1的结构，从而实现了
增强现实技术。
如图3所示，需要说明的是，所述电路系统1包括存储模块101及与所述存储模块
101相通讯的处理模块102、计算模块103、分屏显示模块104、图像输出模块105，所述处理模
块102与所述计算模块103相通讯，所述计算模块103和所述图像输出模块105均与所述分屏
显示模块104相通讯；
所述存储模块101内存储有三维虚拟影像；
所述处理模块102用于接收所述空间深度感知设备5发送的所述空间图片，并对所
述空间图片进行图像分析获得所述空间图片内的空间信息，并根据所述空间信息提取每张
图片中各像素点的深度值获得深度信息，发送至所述计算模块103；
所述计算模块103根据所述深度信息计算所述三维虚拟影像在所述现实场景中位
置信息，并根据所述位置信息将所述存储模块101中的所述三维虚拟影像放置在所述现实
场景中，所述位置信息为所述三维虚拟影像放置在所述现实场景中的位置坐标；
所述分屏显示模块104用于将所述计算模块103处理后的所述三维虚拟影像进行
分屏处理得到左眼图像和右眼图像，并将所述左眼图像和所述右眼图像发送至所述图像输
出模块105，所述图像输出模块105将将所述左眼图像和所述右眼图像输出至所示显示屏2
中显示，所述显示屏2发出的光线分别经过两个所述透镜3后再经过所述分束镜4的反射后
进入人眼，人眼通过此透射式增强现实系统观察到增强现实影像。
分屏显示模块104主要用于对增强现实影像进行分屏处理，若显示屏2有两个，则
左侧显示屏2显示左眼图像，右侧显示屏2显示右眼图像，若显示屏2有一个，则显示屏2左侧
显示左眼图像，显示屏2右侧显示右眼图像；使用一个分束镜4时，分束镜4左侧区域反射左
眼图像，分束镜4右侧区域反射右眼图像，使用两个分束镜4时，左分束镜4反射左眼图像，右
分束镜4反射右眼图像，由于显示屏上显示的左、右眼图像具有立体视差，因此左、右眼配合
实现了立体视觉。
实施例4
如图4所示，本发明实施例4在实施例3的基础上进一步限定了所述电路系统1还包
括与所述处理模块102相通讯的语音识别模块106和脑电波识别模块107，所述语音识别模
块106用于读取语音信息并转化为语音操控指令实现交互，使用时，用户通过发送语音指
令，使用户可以用语音来完成与系统的交互；所述脑电波识别模块107用于采集用户脑电波
信号，并对所述脑电波信号进行识别后形成控制指令从而实现交互，脑电波识别模块107通
过采集用户脑电波并进行识别，形成控制指令，从而能够实现与系统的交互。
进一步的，需要强调的是，所述头戴式设备还设有若干与所述电路系统1相通讯的
传感设备6，所述传感设备6为加速度计、罗盘、陀螺仪、GPS中的一种或几种组合，所述传感
设备6用于采集用户的位姿信息并发送至所述电路系统1，所述电路系统1对所述位姿信息
进行识别后形成控制指令从而实现体感交互，所述位姿信息包括人的位置以及人体的头
部、腿、脚、躯干、手或手臂在空间中的移动轨迹。
所述移动轨迹包括人体的头部、腿、脚、躯干、手或手臂在空间中的位移变化和角
度变化，所述位移变化包括以下至少一种：前后位移、上下位移或左右位移；所述角度变化
包括以下至少一种：左右水平旋转、上下旋转或侧向旋转。
通过加速度计、罗盘、陀螺仪、GPS等传感设备6能够有效采集用户的动作信息传输
给电路系统1处理，判断出使用者的动作位姿信息，从而使使用者可以通过本系统中的传感
设备6完成与本系统的交互。
实施例5
本实施例5在实施例1的基础上进一步限定了所述空间深度感知设备5为第一深度
传感器、第二深度传感器和第三深度传感器中的一种或几种组合，所述第一深度传感器由
红外LED灯和红外摄像机组成，所述第二深度传感器由结构光发射器、红外摄像机和RGB摄
像头组成，所述第三深度传感器为RGB双目摄像头。
本发明中的空间深度感知设备5可以是基于红外LED灯和红外摄像机原理的深度
感知系统，也可以是基于结构光发射器、红外摄像机和RGB摄像头的深度感知系统，还可以
是基于RGB双目摄像头的深度感知系统，也可以是基于飞行时间的深度感知系统，当然为了
提高拍摄精度也可以将上述几种感知系统进行组合形成空间深度感知设备5。
所述空间深度感知设备5还用于采集用户的手势动作信息并发送至所述电路系统
1，所述电路系统1对所述手势动作信息进行识别后形成控制指令从而实现交互，所述手势
动作信息包括手指位置、手掌中心位置、手指旋转角度、手指运动角度和手指运动方向。手
势动作信息的采集，能够使用户的手类似于电脑的光标，头戴式设备通过识别用户的手势
实现人机交互，用户可以通过变换手势对设备显示的界面进行操作，实现单击、双击、缩放、
滑动等效果，有效实现了使用者与本系统的自然交互。
实施例6
如图5所示，本发明实施例6提供的系统中，为了适应不同瞳距的用户使用，本技术
方案中限定了所述头戴式设备还包括用于调节两个所述透镜3之间水平距离的瞳距调节
件，为了实现调节系统成像的远近和大小，本技术方案中限定了头戴式设备还包括用于调
节所述透镜3与所述显示屏2之间距离的间距调节件。
如图5所示，为了能够使头戴式设备适应不同用户的出瞳距离，需要说明的是，所
述瞳距调节件包括与两个所述透镜3一端滑动连接的横杆7，所述横杆7上横向设有第一滑
孔8，所述第一滑孔8内设有两个可沿所述第一滑孔8开设方向滑动的第一滑块9，两个所述
透镜3的端部分别与两块所述第一滑块9连接。横杆7首先用于对两个透镜3进行支撑，同时
横杆7上开设的第一滑孔8内设有第一滑块9，第一滑块9在第一滑孔8内滑动，可以实现拨动
两块透镜3，从而实现调节瞳距，当然除了通过滑动拨动透镜3以外，还可以通过其他方式推
动来调节两个透镜3之间的距离，本发明中在此不一一限定，只要可以实现调节两个透镜3
之间的距离即可。
如图6所示，为了能够实现调节透镜3与显示屏2之间的距离，本技术方案中限定
了，所述间距调节件包括两根与所述横杆7的左、右两端滑动连接的纵杆10，两根所述纵杆
10上均纵向设有第二滑孔11，所述第二滑孔11内设有可沿所述第二滑孔11开设方向滑动的
第二滑块12，所述横杆7的左、右两端分别与两块所述第二滑块12连接。显示屏2两端通过纵
杆10连接横杆7，横杆7通过第二滑块12可以在第二滑孔11中纵向滑动，从而实现了透镜3与
显示屏2之间距离的调节，该结构设计简单，当然为了实现透镜3与显示屏2之间距离的调节
还可以通过多种方式实现，在此不一一限定，只要可以实现透镜3与显示屏2之间距离调节，
均在本发明的保护范围之内。
该头戴式设备的成像位置位于人眼的明视距离25cm以外，使用者可以舒适地进行
观看，不会对用户眼睛造成伤害。
实施例7
本发明实施例7提供的超大视场角的双目立体显示的透射式增强现实系统中，显
示屏2发出的光线通过透镜3后再经过分束镜4反射到人眼中，透镜3的出瞳位置与人眼瞳孔
位置重合，因为人眼距离分束镜4和透镜3有一定的距离，因此出瞳距离应该设计的大一些，
出瞳距离最优设计为10mm以上，最好的是在30-60mm之间，为了使人眼转动或稍微移动时也
可以看到显示屏2中的图像，出瞳直径最优设计为大于6mm。
实施例8
优选的，所述显示屏2的数量为一个或两个。
所述分束镜4的数量为一个或两个，且所述分束镜4的反射率为1-100％，所述分束
镜4的透射率为0-99％。
本技术方案中优选的选择所述透镜3为球面透镜、非球面透镜、菲涅尔透镜、自由
曲面透镜或消色差双胶合透镜中的一种或几种的叠加。
如图7所示，该头戴式设备中包含有一个显示屏2、两个透镜3和两个分束镜4；如图
8所示，该头戴式设备中包含有两个显示屏2、两个透镜3和两个分束镜4，如图9所示，该头戴
式设备中包含有一个显示屏2、两个透镜3和一个分束镜4，如图10所示，该头戴式设备中包
含有两个显示屏2、两个透镜3和一个分束镜4。
如图11所示，优选的，所述头戴式设备还包括镜框13，所述电路系统1、所述显示屏
2、两个所述透镜3和所述分束镜4均设置在所述镜框13上，所述镜框13一侧设有与所述电路
系统1连接的麦克风14和扬声器。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种
形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技
术方案，均落在本发明的保护范围之内。